Większość lokalizatorów GPS wykorzystuje połączenie GPRS do komunikacji i przesyłania danych.
Sieci GPRS wydają się dobrym i optymalnym wyborem – jest to bardzo powszechne, zazwyczaj niedrogie, a do wyboru jest wielu dostawców. Rozpowszechnione węzły sieciowe umożliwiają niemal natychmiastowe połączenie i przesyłanie danych w dowolnym miejscu, od obszarów słabo do gęsto zaludnionych.

Jednak GPRS nie obejmuje 100% globu. Są kraje o słabym zasięgu. Strefy dotknięte wojną lub klęskami żywiołowymi mogą tracić połączenie przez wiele dni.
Podobne trudności pojawiają się na morzu lub na biegunach geograficznych.

Tutaj może się przydać połączenie satelitarne. W tym artykule przyjrzymy się połączeniom satelitarnym wykorzystywanym przez telefon i internet, ich historii oraz aktualnym zastosowaniom.

Krótka historia sieci satelitarnych

Pierwszy w historii sztuczny satelita został wystrzelony przez Związek Radziecki w 1957 roku – Sputnik 1.
Była to metalowa kula o średnicy 58,5 cm (23 cale) z 4 antenami zewnętrznymi. Sygnały emitowane przez jednostkę nadawczą o mocy 1 W mogą być odbierane przez każdego amatora radioamatora w zasięgu 2000 km.

Ten start oznaczał początek ery kosmicznej i przyspieszył rozwój sieci satelitarnych.

Wczesne satelity komunikacyjne pracowały w trybie pasywnym – po prostu odbijając sygnał ze źródła do odbiornika.

To spowodowało, że sygnał końcowy był bardzo słaby, ponieważ większość energii została utracona.

Aktywne satelity komunikacyjne przekaźnikowe prawie całkowicie zastąpiły satelity pasywne.
W przeciwieństwie do swoich poprzedników wzmacniają sygnał przed ponownym przesłaniem go do stacji naziemnej. Projekt SCORE był pierwszym aktywnym satelitą przekaźnikowym. Działał przez 8 godzin, dostarczając światu bożonarodzeniowe przemówienie Eisenhowera.

W miarę postępów i coraz jaśniejszych perspektyw komunikacji satelitarnej, zastosowania komercyjne stawały się coraz bardziej wykonalne.

W 1962 wystrzelono pierwszego komercyjnego satelitę komunikacyjnego. Telstar 1, zbudowany przez Bell Labs, osiągnął transatlantycką transmisję sygnałów telewizyjnych.

Do tego czasu satelity zostały umieszczone na średniej lub niskiej orbicie okołoziemskiej. Miały dużą prędkość orbitalną i dlatego nie mogły pozostać widoczne z żadnego punktu na Ziemi. Zamiast tego wydawały się poruszać po niebie i znikać.

Takie zachowanie stwarzało problemy z ciągłą obsługą, ponieważ każdy system wymagał dużej liczby satelitów do utrzymania połączenia. Z tym problemem można by sobie poradzić za pomocą orbit geostacjonarnych.

Syncom 3 stał się pierwszym w historii satelitą geostacjonarnym. Został umieszczony na orbicie w 1964 roku i był używany do transmisji na żywo relacji z letnich igrzysk olimpijskich w Japonii do USA.

Sukces radia i telewizji satelitarnej nie pozostał niezauważony.
Pierwsze komercyjne systemy telefonii satelitarnej uruchomiono w połowie lat 70-tych.
Zostały opracowane jako alternatywa dla systemów komórkowych, które w tamtych czasach były bardzo nieporęczne i drogie.

Do czasu uruchomienia pierwszej komercyjnej sieci satelitarnej – GPRS i telefonii komórkowej – rozwinęła się już na tyle, że była tania i powszechnie dostępna.
Obecnie telefony satelitarne i systemy internetowe są częściej wykorzystywane do zastosowań takich jak pomoc w przypadku katastrof, komunikacja wojskowa, komunikacja lotnicza i morska oraz łączenie odległych obszarów.

Na dzień 1 stycznia 2021 r. na orbicie okołoziemskiej znajdowały się 2224 satelity komunikacyjne.

Jak działają sieci satelitarne?

Każda sieć satelitarna zawiera zazwyczaj 3 główne elementy:

• Satelity
• Stacje naziemne
• Terminale (słuchawki)
  

Zazwyczaj podczas nawiązywania połączenia przez sieć satelitarną telefon najpierw łączy się z satelitą. Z kolei satelita przekaże sygnał do stacji naziemnej w celu dalszego przekazania danych.
Zaawansowane sieci satelitarne mogą również przekazywać połączenie między sobą, aby je utrzymać, a nawet przekazywać sygnał bez użycia stacji naziemnych.

Satelity mogą być umieszczane na kilku orbitach, w zależności od odległości od Ziemi. Jeśli chodzi o sieci telefoniczne i internetowe, zazwyczaj można je podzielić na 2 typy na podstawie ich orbity:

• Wysoka orbita geostacjonarna (GEO), 35 786 kilometrów (22 236 mil) nad Ziemią.
• Niska orbita okołoziemska (LEO), 640 do 1120 kilometrów (400 do 700 mil) nad Ziemią.

Pierwsze typy mogą zapewnić niemal ciągły zasięg globalny przy znacznie mniejszej liczbie satelitów: tylko 3-4, podczas gdy LEO może wymagać od 40 do 70 jednostek do działania. Chociaż koszt wystrzelenia jest niski, same satelity GEO są bardzo ciężkie, a zatem trudniejsze i droższe w budowie i wystrzeleniu niż ich analogi LEO.

Satelity LEO zapewniają mniejsze opóźnienia, ale także niższą przepustowość, osiągając maksimum przy około 2-9 kbit/s w porównaniu z 60-512 kbit/s zapewnianymi przez satelity geostacjonarne. Prędkości sieci są poprawiane wraz z postępem technologicznym.

Inną wadą systemów geostacjonarnych jest to, że mogą być używane tylko na niższych wysokościach – około 70 stopni na północ i 70 stopni na południe od równika. Wzgórza, góry i gęste lasy mogą stanowić przeszkodę dla sygnału. Satelity LEO nie mają tych problemów, ponieważ w dowolnym momencie przelatuje kilka satelitów.

Satelity LEO nie są przymocowane do żadnego punktu na Ziemi, firmy muszą zapewnić, że usługa nie zostanie przerwana. Z tego powodu satelity LEO są zazwyczaj połączone w konstelację satelitów, niektóre z możliwością komunikacji międzysatelitarnej. W ramach sieci satelity są zazwyczaj podzielone na płaszczyzny orbitalne.

Satelita vs GPRS

W miarę postępu GPRS telefony satelitarne i terminale nie stały w miejscu.

Dziś niektóre terminale nie mogą różnić się wielkością od przeciętnego smartfona. W porównaniu z sieciami komórkowymi satelity zapewniają następujące korzyści

• Lepszy zasięg sieci
• Szyfrowany transfer danych
• Na sygnał nie mają wpływu warunki pogodowe

Główną zaletą jest zasięg sieci. Nieograniczone wieżami komórek naziemnych systemy satelitarne mogą być wykorzystywane do zdalnych wdrożeń, zastosowań lotniczych i morskich, pomocy w przypadku katastrof i nie tylko, łącząc nawet najbardziej odległe zespoły. Wszędzie tam, gdzie nie ma szans zadziałać standardowy zasięg sieci naziemnej.

Zastosowania dla wypoczynku i nauki również nie należą do rzadkości. Niezależnie od tego, czy wędrujesz po górach, po morzach i oceanach, czy jesteś częścią wyprawy polarnej – połączenie satelitarne pomoże Ci pozostać w kontakcie.

Nie ma doskonałych systemów, a satelity mają również szereg wad, z których główne to:

• Wyższe ceny sprzętu i usług.
• Niższe prędkości połączenia.
• Bardzo duże opóźnienia. Łącze nie nadaje się do gier on-line, czy połączeń audio-video przez Internet.
• Brak możliwości przełączania się między sieciami

Koszty eksploatacji sieci są wyższe w przypadku satelitów, stąd wyższe stawki od operatorów. Dostępne są jednak również plany wynajmu.
Terminale (Słuchawki) są zazwyczaj budowane i sprzedawane do użytku u określonego dostawcy i nie można ich edytować w celu połączenia z inną siecią. Ponadto same telefony mogą być trudne do zdobycia ze względu na lokalne przepisy i ograniczenia.

Osobiście korzystałem z takiego rozwiązania i prędkość była bardzo przyzwoita na tamte czasy, ale opóźnienia dyskwalifikowały to łącze do niektórych zadań, np. zarządzanie konsolą ssh było nie lada wyzwaniem.

Obecne systemy satelitarne

System satelitarny Iridium

Projekt Iridium rozpoczął się w 1988 roku.

Sieć ma dostęp do 77 satelitów i została nazwana na cześć sławy chemicznej o tej samej jakości atomowej – Iridium. Później odkryto, że tylko 66 usieciowanych satelitów Low Earth Orbit (LEO) wystarczyłoby zrobić wiele innych oceanów z całego świata, w usieciowanych satelitach i strefach.

System został wprowadzony przy użyciu Motoroli, a przebieg historii działania testowego zakończonego w 1997 roku. Sieć komercyjna została w uruchomiona 1 listopada 1998 roku.

Żywotność z powrotemch satelitów zaplanowano od 8 lat, jednak nadal jeden, dopóki nie zostanie utrzymany jeden satelita-NEXT. Ulepszony system został wdrożony w latach 2017-2019 przez firmę SpaceX.

Satelity Iridium mają usieciowaną infrastrukturę sieciową, która pozwala im przekazywać między sobą sygnały, co poprawia ciągłość usług. Satelity komunikują się ze sobą za pośrednictwem łączy międzysatelitarnych w paśmie Ka. Każde z nich może mieć do czterech łączy międzysatelitarnych: zazwyczaj dwa połączenia z sąsiadami na tej samej płaszczyźnie orbitalnej i dwa z satelitami w sąsiednich płaszczyznach po obu stronach.

Iridium wykorzystuje również stacje naziemne, które łączą się z siecią za pośrednictwem widocznych dla nich satelitów. Obecnie istnieją 4 stacje: 2 w USA, 1 w Europie i 1 w Ameryce Południowej. Stacje naziemne Iridium łączą sieć satelitarną z naziemną, stacjonarną lub bezprzewodową infrastrukturą na całym świecie, aby poprawić dostępność.

Jednak połączenia z jednego telefonu satelitarnego do drugiego mogą być również kierowane bezpośrednio w kosmos bez przechodzenia przez stację naziemną.

Konstelacja 66 aktywnych satelitów ma sześć płaszczyzn orbitalnych oddalonych od siebie o 30°, z 11 satelitami w każdej płaszczyźnie (nie licząc części zapasowych).

W tej chwili Iridium jest największą dostępną na rynku konstelacją satelitarną.

System satelitarny Inmarsat

Inmarsat to brytyjska firma zajmująca się telekomunikacją satelitarną.

Firma wywodzi się z Międzynarodowej Morskiej Organizacji Satelitarnej (INMARSAT), która została utworzona w 1979 roku w celu ustanowienia i obsługi sieci łączności satelitarnej dla społeczności morskiej Narodów Zjednoczonych.

W 1999 roku firma została sprywatyzowana, a jej jednostka operacyjna została wydzielona na brytyjską spółkę Inmarsat Ltd.
Inmarsat był pierwszą sprywatyzowaną międzynarodową organizacją satelitarną.

Za każdym razem, gdy łączysz się z Inmarsatem, Twój terminal najpierw połączy się z satelitą. Następnie satelita prześle dane do jednej ze stacji naziemnych, aby dostarczyć je do miejsca przeznaczenia.

W przeciwieństwie do Iridium, Inmarsat wykorzystuje 14 satelitów geostacjonarnych. Satelity należą do różnych serii i służą do różnych celów:

• 4 satelity Inmarsat-3
  • 2 używane do tworzenia kopii zapasowych
  • 1 dla istniejących usług (działających przez stacje naziemne, nie będące własnością Inmarsatu)
  • 1 jest wydzierżawiony
• 4 satelity Inmarsat-4
  • Używany do szerokopasmowej globalnej sieci komputerowej na lądzie.
• 5 satelitów Inmarsat-5 (GX)
  • Używany do Global Xpress – globalna usługa do 50 Mbit/s downlink i 5 Mbit/s uplink

Satelity są sterowane z Centrum Kontroli Satelitarnej (SCC) w siedzibie głównej Inmarsat w Londynie, które jest odpowiedzialne za utrzymywanie satelitów na miejscu oraz za zapewnienie pełnej funkcjonalności systemów pokładowych przez cały czas.

Typowe aplikacje dla systemów Inmarsat to:

• Lotnictwo (komunikacja bezpieczeństwa, pokładowe wi-fi dla pasażerów).
• Komunikacja morska (statki rybackie, platformy wiertnicze, pojazdy pasażerskie).
• Zastosowania rządowe i wojskowe.
• Rozwiązania korporacyjne dla właścicieli firm.
• Sieci satelitarne.
• Sieci satelitarne.
• Zasięg Inmarsatu.

Inmarsat świadczy również bezpłatne globalne usługi w zakresie zagrożenia i bezpieczeństwa morskiego (GMDSS) statkom i samolotom jako usługa publiczna.

System satelitarny Thuraya

Założona w 1997 roku firma Thuraya jest pierwszym domowym operatorem satelitarnym w Zjednoczonych Emiratach Arabskich.

Mimo że sieć satelitarna firmy jest niewielka – zaledwie 2 satelity geostacjonarne – oferuje usługi w 161 krajach w Europie, Azji, Afryce i Australii.

Pierwszy satelita znajduje się na orbicie geosynchronicznej na 44° E, nachylonej pod kątem 6,3 stopnia. Drugi satelita krąży na orbicie na długości 98,5° E, nachylonym pod kątem 6,2 stopnia. Oba satelity mogą jednocześnie obsłużyć do 13750 połączeń.

W przyszłości planuje się wystrzelenie trzeciego satelity.

Thuraya oferuje różne usługi komunikacyjne – połączenia, SMS-y i plany transmisji danych. Firma produkuje również własne telefony, w większości wyposażone w łączność GPS. Słuchawki mogą zapewniać prędkość 60 kbit/s w łączu w dół i 15 kb/s w łączu w górę. Korzystając z własnego terminala ThurayaIP, prędkości mogą osiągnąć 444 kbit/s.

Thuraya oferuje również dużą elastyczność. Ich karty SIM będą działać w zwykłych telefonach, ponadto zwykłe karty SIM mogą być używane do połączeń Thuraya, o ile operator GSM ma umowę roamingową z firmą.

Starlink

Starlink to nadchodząca konstelacja Internetu satelitarnego opracowana przez SpaceX. Konstelacja ma mieć tysiące satelitów na niskiej orbicie okołoziemskiej.

Od maja 2021 r. rozmieszczono i działa ponad 1600 satelitów. Planowana jest instalacja około 32 stacji naziemnych.

W przeciwieństwie do Iridium, Inmarsata i Thuraya – Starlink nie będzie łączył się bezpośrednio z terminalem użytkownika. Zamiast tego użytkownicy powinni uzyskać specjalne terminale, które będą miały dedykowane anteny do śledzenia satelitów.

Sieć jest nadal w fazie beta, z usługami dostępnymi w zaledwie 8 krajach w Ameryce Północnej, Europie i Oceanii. Wczesne testy wykazały prędkość pobierania od 11 Mbit/s do 60 Mbit/s oraz prędkość wysyłania od 5 Mbit/s do 18 Mbit/s.

Testy wojskowe i lotnicze wciąż trwają.

Gdy ta sieć będzie w pełni funkcjonalna, rozległa sieć satelitów będzie w stanie zapewnić połączenie internetowe na całym świecie i obsłużyć około 10% całkowitego ruchu internetowego.

Orbcomm

Orbcomm to amerykańska firma oferująca przemysłowy sprzęt komunikacyjny M2M i IoT.

250px-Head_orbcomm
Orbcomm to amerykańska firma oferująca przemysłowy sprzęt komunikacyjny M2M i IoT.

Projekty rozpoczęły się pod koniec lat 80., a testowe satelity testowe sieci wystartowały w 1992 roku.
W 1995 roku przeprowadzono pierwsze testy globalnej sieci komunikacyjnej.
W lutym 1996 ORBCOMM zainicjował pierwszą na świecie komercyjną usługę globalnej mobilnej transmisji danych świadczonej przez satelity LEO.

W latach 1997-1999 Orbcomm wystrzelił 33 kolejne satelity.

Od 2021 r. firma jest właścicielem i operatorem globalnej sieci 31 satelitów komunikacyjnych na niskiej orbicie okołoziemskiej (LEO). Towarzysząca im infrastruktura naziemna obejmuje 16 stacji naziemnych (GES) na całym świecie.

Usługi Orbcomm są dostępne w ponad 130 krajach na całym świecie.

Wsparcie satelitarne w urządzeniach sprzętowych

Zasadniczo każdy dostawca telewizji satelitarnej produkuje własne terminale, telefony i tak dalej.

Jednak nie jest niczym niezwykłym, że firmy niezrzeszone również obsługują określony system. Dostawcy danych satelitarnych zazwyczaj mają do wyboru rozległą sieć partnerów.

Korzystanie z połączeń satelitarnych w TrackSystem

Platforma TrackSystem obsługuje kilka trackerów z połączeniem Iridium/Inmarsat.

• Galileosky v4.0 z modułem Iridium
• Irydowy blok bazowy Galileosky
• Globalstar SmartOne
• Globalstar SmartOne C
• Globalstar SmartOne Solar
• Naviset GT-10
• Naviset GT-20
• Orbcomm IDP-782
• Teltonika FM63XY (przez modem TSM-232)
• Teltonika FMB630 (przez modem TSM-232)
• Teltonika FMB640 (przez modem TSM-232)

Referencje

1. https://www.marsat.ru/en/technologies-iridiumnetwork
2. https://www.iridium.com/network/globalnetwork/
3. https://www.inmarsat.com/en/index.html
4. https://www.thuraya.com/
5. https://en.wikipedia.org/wiki/Satellite_Internet_access
6. https://www.swpc.noaa.gov/impacts/satellite-communications
7. https://www.orbcomm.com/
8. https://arstechnica.com/information-technology/2020/08/spacex-starlink-beta-tests-show-speeds-up-to-60mbps-latency-as-low-as-31ms/
9. https://www.iridiummuseum.com/exhibits/iridium-an-overview/
10. https://en.wikipedia.org/wiki/Satellite_phone 
11. https://web.archive.org/web/20150623004603/http://www.integratednetworkcable.com/uncategorized/the-global-telephone-system-iridium
12. https://www.sciencedirect.com/topics/earth-and-planetary-sciences/iridium-network
13. https://en.wikipedia.org/wiki/Iridium_satellite_constellation
14. https://www.javatpoint.com/types-of-satellite-systems
15. https://en.wikipedia.org/wiki/Inmarsat