V současné době na oběžných drahách pracuje ke třem stovkám telekomunikačních družic. Nepatří mezi ně jen ty přenášející televizní signál, ale také družice poskytující internetové či telefonní spojení, satelitní rozhlas, multimediální a datové služby atd. Není divu, že každoročně připadne zhruba polovina startů do vesmíru právě na komerční lety s družicemi tohoto typu. Nelze také vynechat družice vojenské, které často rovněž plní komunikační úkoly.
Clarkův nápad
Zvláštní postavení mají družice nacházející se na geostacionární dráze, tedy ve výšce kolem 36 tisíc kilometrů nad zemským povrchem. Zde je oběžná doba rovna právě jednomu dni, což znamená, že družice ve skutečnosti zůstává "zavěšena" nad daným místem na zemském povrchu. Stálá přímá viditelnost mezi vysílající družicí a přijímači je nepřetržitě zaručena. Duchovním otcem této myšlenky je spisovatel scifi a vědec Arthur C. Clarke, který využití umělých družic popsal už v roce 1945. Clarke se nemýlil ani v další předpovědi. Dnešní telekomunikační družice využívají sluneční energii přesně tak, jak před více než půl stoletím navrhl.
Satelitní telefony
Zatímco pro přenos satelitní televize je poloha družice na geostacionární dráze výhodná, pro mobilní satelitní telefonní sítě se tato dráha nachází příliš daleko. První satelitní telefony (např. sítě Inmarsat), které komunikovaly s družicí na geostacionární dráze, byly přístroje velikosti kufříku. Před použitím je bylo třeba speciálně rozložit, což omezovalo míru jejich využití (především letecká a námořní doprava). Družice dvou v současné době existujících sítí Iridium a Globalstar jsou již umístěny na nízkých či středních oběžných drahách. Relativně malá vzdálenost umožnila výrazné zmenšení telefonních přístrojů, zlepšení kvality přenášeného zvuku a rovněž integraci s existujícími pozemskými mobilními sítěmi. Nevýhodou nízkých oběžných drah je pokrytí malé části zemského povrchu jednou družicí. Aby byla pokryta většina zemského povrchu, je nutno vybudovat síť mnoha satelitů na různých drahách. Tak síť Iridium se dnes skládá z 66 aktivních družic, zatímco pro Globalstar zajišťuje spojení družic 48.
Výběr frekvence
Satelitní telekomunikační služby jsou poskytovány na mikrovlnných frekvencích v pásu mezi 3 a 30 GHz, které jsou též označovány jako super-vysoké frekvence (SHF). Těmto frekvencím odpovídají vlnové délky od 10 do 1 cm. V uvažovaném rozsahu vlnových délek je nutné, aby se vysílač i přijímač nacházely v přímé viditelnosti, což je na povrchu (vzhledem k zakřivení Země) možné na vzdálenosti maximálně do 100 km. Navíc je signál ovlivněn lomem v hustých vrstvách zemské atmosféry. Obecně platí, že index lomu klesá s rostoucí výškou, ale časově i prostorově lokální atmosférické poruchy mohou výrazně změnit profil indexu lomu a v krajním případě způsobit, že vyslaný paprsek zcela mine přijímací anténu. Je zřejmé, že při použití vysílače umístněného "nad hlavou" je dráha paprsku v nejhustších částech atmosféry nejkratší a tudíž bude paprsek nejméně ovlivněn lomem. Pro přijímací anténu namířenou k obloze je nejpříhodnějších rozsah frekvencí mezi 1 a 15 GHz. U frekvencí pod 1 GHz je signál rušen kosmických zářením, nad 15 GHz se zase začíná projevovat pohlcování vodní parou a kyslíkem. U mnohem vyšších frekvencí je situace opět lepší, ale zde už významně rostou náklady.
Družice pod lupou
Družice určené pro geostacionární dráhu jsou obrovskými a složitými přístroji, často řízenými těmi nejvýkonnějšími dostupnými procesory. Pětitunové družice v cenách stovek miliónů dolarů nejsou dnes vůbec výjimkou. Jejich umístění na geostacionární dráze umožní každé družici pokrýt více než 1/3 zemského povrchu. Dnešní moderní satelity jsou vybaveny několika přijímacími a vysílacími anténami, jejichž kombinace umožní jednomu satelitu vytvoření paprsků pokrývajících velké oblasti pro televizní vysílání a paprsků pokrývajících malé oblasti ("bodových paprsků") sloužících např. pro telefonní spojení. Přepínáním mezi těmito paprsky podle potřeby je satelit schopen spojit mobilní i pevné uživatele na zemském povrchu. Telekomunikační družice obsahuje řadu rádiových zesilovačů zvaných transpondéry. Každý takový zesilovač zvládne pokrýt řadu jednotlivých uživatelů na základě protokolu zvaného TDMA (Time Division Multiple Access). Typický transpondér je sestaven z přijímače vyladěného na specifický kanál v pásu přijímacích frekvencí (uplink), frekvenčního měniče sloužícího pro snížení frekvence signálu do určeného kanálu v pásu vysílacích frekvencí (downlink) a zesilovače pro získání požadovaného vysílacího výkonu. Transpodéry plní řadu funkcí, jako je např. hlasová telefonie (400 obousměrných kanálů na jeden transpondér), přenos dat (120 Mb/s i více), televize či FM rádio (data pro družici Intelsat VII).
Záhadné zkratky
Geostacionární telekomunikační družice v naprosté většině operují ve frekvenčních pásmech označovaných C a Ku. Tato pásma byla vybrána jako spektrální okna, ve kterých je nízký atmosférický útlum a nízký vnější šum. Pro uplink a downlink jsou užívány jiné frekvence - z toho důvodu, aby se minimalizovalo "prosakování" energie mezi palubními vysílači a přijímači. Navíc pro downlink, který je náročnější, se používá vždy nižší frekvence, protože je zde menší atmosférický útlum. Pásmo C využívá pro uplink/downlink frekvence kolem 6/4 GHz, pásmo Ku frekvence 14/11 GHz. Protože se satelitní telekomunikace od 70. let, kdy byly tyto frekvence vybrány, rychle rozvíjí, je na geostacionární dráze dnes už hodně málo místo pro další satelity pracujících na frekvencích pod 17 GHz. Proto se v posledních letech vyvíjí i družice operující v pásmu Ka (30/20 GHz), a to navzdory vyššímu atmosférickému pohlcování mikrovlnného záření.
Jednoúčelové družice
Družice mobilních telefonních sítí patří ne rozdíl od svých geostacionárních sourozenců k zařízením jednodušším. Geostacionární družice jsou jednoúčelové, není vyžadováno plnění řady různých funkcí. Každá z družic sítě Iridium váží necelých 700 kg, družice Globalstar dokonce pouhých 222 kg. Pro účely komunikace jsou družice Iridium vybaveny třemi typy antén. Ke spojení s mobilními telefony v pásu L (1,616-1,6265 GHz) slouží dvě antény typu MMA (Main Mission Antena), ke spojení mezi jednotlivými družicemi v pásu Ka (23,18-29,38 GHz) antény označované jako Crosslink a s řídícím střediskem či pozemskými branami komunikují družice pomocí antény nazývané Gateway ("nahoru" 19,4-19,6 GHz, "dolu" 29,7-29,3 GHz). V případě sítě Globalstar neexistuje možnost komunikace přímo mezi jednotlivými družicemi, ale pouze prostřednictvím některé z pozemských stanic. Každá z družic Iridium má 48 signálových prostorů kruhového tvaru (tzv. footprints); dohromady je tedy k dispozici 3168 footprints, přičemž pro pokrytí celého zemského povrchu by jich stačilo 2 100. Družice létají ve výškách kolem 780 km nad zemským povrchem, na drahách s sklonem 88 stupňů k rovníku. Těchto drah je 6, na každé z nich je umístěno 11 družic.
Družice konkurenční sítě Globalstar se pohybují po dráze 1250 km nad Zemí. Těchto drah se sklonem 55 stupňů je celkem osm, na každé z nich operuje šest družic. Solární články Telekomunikační ani jinou družici na libovolné oběžné dráze není možno zásobovat energií, proto si ji musí vyrábět sama a též s ní úsporně hospodařit. Univerzálním zdrojem elektrické energie pro telekomunikační družice představují solární články. Dříve se používaly i jiné zdroje energie, např. baterie či malé atomové reaktory. Solární články jsou umístěny na dlouhých plochých panelech, případně je jimi i pokryto přímo tělo samotné družice. Energie je skladována v akumulátorech ať už nikl-kadmiových, stříbro-zinkových či stříbro-kadmiových. Nejčastěji se používají pro vysokou spolehlivost a velký počet nabíjecích cyklů články NiCd.
Článek přinášíme ve spolupráci s týdeníkem Computerworld.
