Giornate galileiane - Dipartimento di Ingegneria dell`informazione e

Transcript

Giornate galileiane
I Satelliti Artificiali per le
Telecomunicazioni: Storia e
Applicazioni
Giovanni Giambene
Dipartimento di Ingegneria dell'Informazione
Università degli Studi di Siena
Email: [email protected]
22 Maggio 2009, Università di Siena
Indice
] Galileo Galilei e l'osservazione dei corpi celesti
] Isaac Newton e la messa in orbita di satelliti artificiali
] Arthur C. Clarke e l’uso dei satelliti artificiali per telecomunicazioni
] I primi satelliti per telecomunicazioni
] Tipi di orbite: GEO, MEO, HEO, LEO
] Caratteristiche essenziali delle comunicazioni satellitari
] Alcuni sistemi satellitari in funzione
] Campi di utilizzo
Giornate Galileiane, 22 Maggio 2009, Università di Siena
1
Lucidi di questa lezione
disponibili in rete
] Potete trovare i lucidi disponibili in rete al seguente
indirizzo:
\ http://www.dii.unisi.it/~giambene/Giornate_Gallileiane/
Cos’è un satellite artificiale per
telecomunicazioni ?
] Il satellite per telecomunicazioni è il più alto ripetitore di segnali
elettromagnetici finora inventato dall’uomo.
] Il satellite consente di trasmettere il segnale ad ampissime aree
sulla terra. Insieme all’uso dei cavi sottomarini, permette di
distribuire segnali superando gli ostacoli dovuti alle ampie distese
degli oceani.
] Oggi tutti i programmi della TV almeno una volta transitano via
satellite: tutte le riprese in esterno vengono regolarmente inviate via
satellite agli studi televisivi. La TV via satellite consente poi di
vedere lo stesso programma anche in continenti diversi.
] Il satellite consente di portare l’accesso a Internet anche in aree
sottosviluppate.
] Il satellite è pertanto oggi uno strumento di telecomunicazione
indispensabile che contribuisce a creare il cosiddetto “villaggio
globale”.
2
Comunicazioni via satellite
] Aspetti fondamentali delle comunicazioni satellitari:
\ Ampia area di copertura di un satellite
\ Rapida fornitura di nuovi servizi anche in aree in fase di sviluppo
\ Fornitura di servizi TV (broadcast) e multicast
\ Integrazione dei servizi con le reti di telecomunicazione terrestri
\ Fornitura di accesso ad Internet su treni, aerei e sulle navi
\ Fornitura di servizi di backup in presenza di emergenze
ambientali.
Galileo Galilei e l'osservazione
dei corpi celesti
3
Galileo e le sue scoperte
] Galieo è noto a tutti per i suoi studi sul moto del
pendolo, sulla traiettoria di un proiettile e per le sue
scoperte in campo astronomico.
] Nel 1609 perfezionò il cannocchiale per
l’osservazione dei copri celesti. Ciò gli
consentì di scoprire (tra l’altro):
\ Gli anelli di saturno
\ Le quattro lune (satelliti) più grandi di Giove,
gli ‘astri medicei’ (Io, Europa, Ganimede e
Callisto).
\ La via lattea.
Il cannocchiale (telescopio)
Galileiano
]
Il cannocchiale di Galileo è composto da un tubo principale e due sezioni
nelle quali sono sistemati l'obiettivo e l'oculare. L'obiettivo è biconvesso, ma
i raggi di curvatura delle superfici delle due facce non sono uguali. L'oculare
è più piccolo e piano-concavo (il lato concavo è in direzione dell'occhio).
Questo strumento può ingrandire gli oggetti di 14 volte e ha un campo
visivo di 15'.
]
Il principe Federico Cesi, fondatore dell'Accademia dei Lincei, propose nel
1611 di denominare "telescopio" questo strumento.
]
Galileo concepì ingegnosi accessori per diversi impieghi del
cannocchiale: il micrometro, fondamentale per misurare le
distanze tra Giove e i suoi satelliti, e l'elioscopio, che
consentiva di osservare le macchie solari col cannocchiale
senza subire danni agli occhi.
]
Galileo pubblicò le sue scoperte fatte col cannocchiale nel
“Sidereus Nuncius”. In tale opera supportava anche la teoria
di Copernico.
4
Il cannocchiale e le sue lenti
obiettivo
lente
Istituto e Museo della Storia della Scienza di Firenze:
http://brunelleschi.imss.fi.it/esplora/cannocchiale/dswmedia/storia/istoria3.html
Isaac Newton e la messa in
orbita di satelliti artificiali
5
Isaac Newton e la possibilità di
mettere satelliti in orbita
]
Gli studi sulla balistica di Galileo erano noti a
Newton.
]
Newton fu il primo a pensare come poter
mettere in orbita satelliti intorno alla terra
nel “Principia”.
\
Si consideri un cannone che spara un proiettile
orizzontalmente da una montagna molto alta,
e immaginiamo di usare ogni volta una
quantità maggiore di polvere in modo che il
proiettile vada sempre più veloce.
[ Se la velocità è bassa il proiettile ricadrà
sulla terra.
[ Se la velocità è sufficientemente elevata il
proiettile si metterà a ruotare intorno alla
terra (satellite).
[ Se la velocità è troppo elevata il satellite
sfuggirà definitivamente all’attrazione
gravitazionale della terra.
La messa in orbita dei satelliti
] I satelliti per telecomunicazioni sono oggi messi in orbita facendo
uso di razzi vettori. Ariane 5 è la soluzione europea più avanzata.
6
Caratterizzazione del moto
orbitale (caso orbite circolari)
] Nel caso di orbite circolari dei satelliti, la velocità orbitale Vorb può
essere determinata uguagliando la forza di attrazione gravitazionale
alla forza centrifuga.
\ Indicando con ms la massa del satellite, con mT la massa della terra,
con RT il raggio -medio- della terra, con H la quota del satellite, e con γ
la costante gravitazionale (mT = 5.9742 × 1024 kg, γ = 6.67 × 10−11
m3/(Kg×s2), and RT = 6378 Km) si ha:
γ
2
Vorb
mT ms
= ms
2
RT + H
+ H)
(RT
⇒ Vorb =
γmT
RT + H
⎡m⎤
⎢⎣ s ⎥⎦
] RT + H = 7100 Km, periodo orbitale = 99 min
(orbita LEO)
] RT + H = 11400 Km , periodo orbitale= 201 min
(orbita MEO)
] RT + H = 42350 Km, periodo orbitale = 24 h
(orbita GEO)
Effetto della quota sulla
velocità della traccia
2,6
Nord
x 104
2,5
Vorb
2,4
2,3
RT
Vtrk H
Satellite
Vtrk
(Km/h)
2,2
2,1
2
Sud
1,9
1,8
500
1000
1500
2000
H (Km)
7
Arthur C. Clarke e l’uso dei
satelliti artificiali per
telecomunicazioni
L’idea di usare i satelliti per
le telecomunicazioni
Tre satelliti GEO spaziati regolarmente
attorno all’equatore possono vedere la
maggior parte della terra, eccetto i poli.
BBC
] L’idea dei satelliti per telecomunicazioni risale al 1945,
quando lo scrittore e scienziato britannico Arthur C. Clarke
pubblicò sulla rivista “Wireless World” l’articolo intitolato
“Extra-Terrestrial Relays”.
] Egli individuò la quota orbitale di 35786 Km che
consentiva ai satelliti di muoversi con la stessa velocità
angolare della terra (periodo: 1 giorno siderale = 23 h 56
min 4.091 s) così da apparire in posizione fissa rispetto ad
un osservatore sulla terra. Clarke pensava a satelliti con
moduli abitativi per persone.
] Si trattava di satelliti su orbite geostazionarie (GEO) per
telecomunicazioni.
8
Articolo di Clarke
Pietre miliari delle comunicazioni
satellitari – Anni ‘50
] 1954 – John R. Pierce fu il primo a proporre satelliti
geostazionari senza persone a bordo. Lavorò poi al
progetto del primo satellite per telecomunicazioni,
Telstar I
] 1956 – Cavo trans-atlantico con circa 12 linee
telefoniche e operatore
Telstar I
] 1957 – Primo satellite artificiale lanciato dalla ex-Unione Sovietica:
Sputnik, su orbita LEO
] 1958 – Primo satellite USA lanciato (SCORE) di 60 Kg che consentì
le prime comunicazioni voce via satellite per 35 giorni (durata delle
batterie)
9
] 1960 – Prime comunicazioni passive via satellite con l’uso di grandi
palloni: Echo I e II
] 1962 Il Presidente USA Kennedy firmò il “Communications Satellite
Act” per la creazione di Communications Satellite Corporation
(Comsat).
] 1962 – Primo satellite per telecomunicazioni (non-governativo)
lanciato, Telstar I (su orbita MEO).
] 1963 – Primo satellite geostazionario lanciato, Syncom 1 (non
funzionò)
] 1964 – Nascita dell’organizzazione International Telecommunication
Satellite Organization (INTELSAT)
] 1965 – Primo satellite geostazionario messo in orbita per uso
commerciale, Early Bird costruito da Hughes (rinominato INTELSAT
I)
] 1969 – Missione Apollo 11 e primo uomo sulla luna
] 1972 – Primo sistema satellitare locale operativo in
Canada
] 1975 – Primo esperimento di trasmissione broadcast
diretta via satellite (USA-India)
] 1977 – Piano per trasmissioni TV dirette via satellite
definito da ITU nelle Regioni 1 e 3 (cioè nella maggior
parte del mondo eccetto l’America).
] 1979 – Fondazione dell’Organizzazione: International
Mobile Satellite Organization (Inmarsat)
10
I primi satelliti per
telecomunicazioni
I primi satelliti geostazionari
per telecomunicazioni
INTELSAT I (1965)
INTELSAT II (1966)
peso in orbita: 38.5 Kg peso in orbita: 86 Kg
diametro: 0.71 m
diametro: 1.42 m
altezza: 0.58 m
altezza: 0.67 m
circuiti voce: 240
circuiti voce: 240
INTELSAT III (1970)
peso in orbita: 127 Kg
diametro: 1.42 m
altezza: 1.04 m
circuiti voce: 1200
INTELSAT IV (1971)
peso in orbita: 700 Kg
diametro: 2.4 m
altezza: 5.3 m
circuiti voce: 4000
Satelliti INTELSAT costruiti sotto la direzione di COMSAT
11
Dimensioni a confronto dei primi
satelliti INTELSAT
] Da destra a sinistra: INTELSAT I, INTELSAT II, INTELSAT IV,
INTELSAT VI
Le successive generazioni di
satelliti geostazionari INTELSAT
]
A causa della necessità crescente di capacità di
traffico supportato, ogni nuova generazione di
satelliti INTELSAT è stata caratterizzata da una
maggiore capacità rispetto alla generazione
precedente.
INTELSAT VIII
INTELSAT
Bande di
Frequenza
Potenza (W)
Peso (Kg)
Capacità
(circuiti vocali
bidirezionali)
V
C e Ku
Fino a 8.5
1025
12000
VI
C e Ku
Fino a 40
2100
24000
VII
C e Ku
Fino a 50
1900
18000
VIII
C e Ku
Fino a ~44
1530
22500
12
Le più recenti generazioni di
satelliti geostazionari INTELSAT
]
Attualmente i satelliti INTELSAT sono presenti in differenti generazioni. Il
più recente è INTELSAT 14 (2009), ma sono già in fase di progettazione
le generazioni future.
INTELSAT 10
INTELSAT 14
I lanciatori dei satelliti
]
I lanciatori sono differenziati in base al carico utile che possono portare in orbita. Il
satellite (carico utile) di fatto utilizza una parte ridotta del lanciatore.
]
I lanci possono avvenire da piattaforme terrestri, piattaforme marine o da aerei.
13
Il lancio
Tipi di orbite: GEO, MEO, HEO,
LEO
14
Satelliti GEO operativi su
differenti slot equatoriali
Ad ogni satellite
GEO è
assegnato uno
slot orbitale
di 2°.
La posizione di un
satellite GEO viene
indicata dalla sua
longitudine
Da notare la lacuna sull’Oceano Pacifico, troppo grande da coprire (a differenza
dell’Oceano Atlantico) e con piccole popolazioni.
Tipi di orbite satellitari
GEostationary Orbit (GEO)
Altezza: 35800 Km
Periodo orbitale: 24 h
Tempo in visibilità del
satellite: 24 h
Medium Earth Orbits (MEO)
Altezza: 8000-12000 Km
Periodo orbitale: 5-12 h
satellite: 2-4 h
Importante per la vita dell’elettronica
dei satelliti è evitare le fasce di
Van Allen che contengono
MEO
particelle ionizzate (plasma)
GEO
LEO
orbita HEO
orbita LEO
orbita MEO
orbita GEO
Fasce di radiazione
di Van Allen
Low Earth Orbits (LEO)
Altezza: 500-2000 km
Periodo orbitale: 90 min
satellite: 15 min
15
Orbite “coniche”
] La maggior parte delle orbite dei satelliti e dei pianeti è ellittica (le
orbite circolari sono un sottocaso).
Orbite GEO, MEO e LEO
]
I satelliti GEO sono su un piano equatoriale ad un’altezza di
circa 35800 Km. Hanno un moto sincrono rispetto alla terra,
così che sono fissi rispetto ad un punto sulla terra. Tre satelliti
GEO sono sufficienti per coprire tutta la terra. I ritardi di
propagazione di andata e ritorno tra il satellite e un terminale
sulla terra sono circa uguali a 250 ms (satellite allo zenit).
]
I satelliti MEO possono essere su orbite circolari o ellittiche e la loro
altezza varia attorno i 10000 Km sopra la terra. Un sistema globale
necessita una costellazione di una decina di satelliti. I ritardi di
propagazione di andata e ritorno tra il satellite e un terminale sulla terra
sono di 85-100 ms per un angolo di elevazione minimo maggiore di 30°.
]
I satelliti LEO sono a più basse altitudini da 500 a 2000 Km e sono
caratterizzati da costellazioni di più di 40 satelliti con ritardi di propagazione
di andata e ritorno tra il satellite e un terminale da 5 a 40 ms per angoli di
elevazione minimi da 8° a 40°.
16
Highly Elliptical Orbits - HEO
]
I satelliti HEO (inclinazione di 63.4°
sull’equatore) sono adatti per fornire
copertura ad elevate altitudini
(includendo il polo Nord)
]
A seconda dell’orbita selezionata (ad
esempio, Molniya o Tundra) due o tre
satelliti sono sufficienti a fornire
copertura continuativa sull’area di
servizio.
]
Tutto il traffico deve essere
periodicamente trasferito dal satellite
che tramonta a quello che sorge
(‘handover’ del satellite).
Tracce di un satellite proiettate
sulla superficie terrestre
LEO
GEO (perfettamente stabile)
HEO
Geosincrono (GEO imperfetto)
17
Confronto tra le orbite: GEO,
MEO, LEO
] GEO
]
]
LEO
] Copertura regionale o globale
] Copertura globale
] Pochi, grandi, complessi, con
elevata potenza ed elevato tempo
di vita
] Molti satelliti con breve tempo di
vita
] Posizione fissa del satellite
] Elevata area di copertura
] Ridotto ritardo di propagazione
] Bassa attenzione di segnale
] Elevata attenuazione del segnale
] Collegamenti tra satelliti e/o molte
stazioni di terra
] Elevato ritardo di propagazione
] Sistema complesso e costoso
I satelliti MEO hanno caratteristiche intermedie tra quelle dei satelliti
GEO e LEO. Ad esempio: un satellite MEO può garantire una più ampia
copertura di un satellite LEO; le costellazioni MEO richiedono un minor
numero di satelliti rispetto alle costellazioni LEO per coprire tutta la terra.
Le tre leggi di Keplero per il
moto dei corpi celesti
]
Prima legge di Keplero o legge delle
orbite: Tutti i pianeti si muovo su orbite
ellittiche con il sole in un fuoco.
]
Seconda legge di Keplero o legge
delle aree: Il raggio dal sole al pianeta
descrive aree uguali in tempi uguali (si
veda la figura).
]
Terza legge di Keplero: Il rapporto tra il
quadrato del periodo di rivoluzione di un
pianeta e il cubo del suo semiasse
maggiore è lo stesso per tutti i pianeti che
ruotano attorno al sole.
]
Osservazione: se semplicemente si
sostituisce la parola ‘pianeta’ con quella di
‘satellite’ e la parola ‘sole’ con ‘terra’,
queste stesse leggi si possono usare per
descrivere il moto dei satelliti attorno alla
terra.
Bassa velocità
allo apogeo
M
Elevata velocità
al perigeo
18
Orbite sincrone col sole
] Satelliti con orbite sincrone con il sole
sono satelliti che mantengono la loro
relazione angolare con il sole nel
tempo. Ciò fa sì che il satellite veda
ciascuna latitudine alla stessa ora
solare ad ogni orbita.
] Si tratta di orbite quasi polari (nonGEO).
] Ciò è molto utile se il satellite ha
strumenti il cui funzionamento
dipende da un certo angolo di
illuminazione solare sulla superficie
della terra.
] Molti satelliti non-GEO sono su orbite
sincrone col sole.
Caratteristiche essenziali
delle comunicazioni satellitari
19
Lo spettro radio e l’uso per
comunicazioni satellitari
0.1
AM
HF
VHF
1
10
100
UHF
L S
1
MHz
SHF
C X KuKa V Q
10
100
GHz
Terrestrial Bands
Space Bands
Shared (Terrestrial and Space)
Attenuazione di spazio libero
E’ dovuta all’espansione ‘sferica’ della potenza del segnale che si propaga da
trasmittente a ricevente:
⎛ 4πd ⎞
attenuazio ne spazio libero = ⎜
⎟
⎝ λ ⎠
2
dove d è la distanza percorsa e λ è la lunghezza d’onda del segnale così
legata alla frequenza di trasmissione f : λf = c, dove c è la velocità della luce.
L’attenuazione cresce con il quadrato della frequenza e con il quadrato della
distanza.
220
Attenuazione in dB
]
210
200
190
caso GEO
180
170
0
5
10
15
20
25
frequenza in GHz
30
35
40
20
Assorbimento atmosferico
]
L’assorbimento dell’energia del segnale
causato dai gas in atmosfera varia con
la frequenza delle onde radio.
]
Sono evidenti due picchi
dell’assorbimento in figura (angolo di
elevazione di 90º):
]
\
22.3 GHz per l’assorbimento dovuto alla
risonanza del vapor acqueo (H2O)
\
60 GHz per l’assorbimento dovuto alla
risonanza dell’ossigeno (O2).
Per frequenze inferiori l’assorbimento (e
le riflessioni) dovuto alla ionosfera
(plasma ionizzato) diventa
preponderante e impedisce le
comunicazioni via satellite.
Attenuazione dovuta alla
pioggia
]
La pioggia è la principale causa di attenuazione atmosferica (grandine,
ghiaccio e neve hanno un minor effetto di attenuazione perché hanno un
minore contenuto di acqua). I problemi maggiori si hanno in banda Ku e Ka.
Mappa delle linee di contorno per l'attenuazione della pioggia
in dB ‘garantita’ nel 99% dei casi in banda Ku
21
Ritardi di propagazione terrasatellite
] Il ritardo di propagazione del segnale = L/c,
dove L è la distanza percorsa dal segnale e
c è la velocità della luce.
] Il ritardo di propagazione dipende dalla
quota orbitale H del satellite e dall’angolo
di elevazione, El.
El°
] Il ritardo di propagazione cresce con la
quota H e al diminuire del minimo angolo di
elevazione (da 10° a 40°).
] Nel caso GEO il ritardo di andata e ritorno è
superiore a 500 ms. Questo elevato ritardo
dà problemi nella gestione delle
comunicazioni vocali (eco).
Satelliti con antenne che
generano più fasci
] L’antenna su satellite genera
più fasci di radiazione
(trasmissione e ricezione) in
modo da sagomare ogni
fascio in base alle necessità
di servizio e in modo da
concentrare in esso la
potenza irradiata.
22
Fasci sagomati dell’antenna su
satellite
] I fasci dei satelliti possono essere ‘modificati’ (sagomati) in modo da
non coprire calotte sferiche, ma superfici irregolari in modo da
concentrare la capacità di traffico in aree più popolate.
] I fasci di antenna possono essere riadattati dinamicamente per
fornire capacità di traffico su richiesta
SatMex-5
Il riuso delle frequenze tra fasci
] L’uso di più fasci da satellite consente di riusare le stesse bande di
trasmissione più volte incrementando la mole di traffico smaltito a
parità di ampiezza della banda (spettro in frequenza) usata.
Approssimazione dell’area
di servizio del satellite ICO
23
Il riuso delle frequenze tra fasci
] L’uso di più fasci da satellite consente di riusare le stesse bande di
trasmissione più volte incrementando la mole di traffico smaltito a
parità di ampiezza della banda (spettro in frequenza) usata.
Approssimazione dell’area
di servizio del satellite ICO
Pattern del riuso di frequenza
a sette colori
Comunicazioni satellitari: uso
dei trasponditori (transponder)
]
Un satellite per telecomunicazioni ha a bordo (payload) diversi
trasponditori, ciascuno dei quali ascolta su una data porzione di spettro
(frequenza f1) e amplifica il segnale in arrivo e lo trasmette in broadcast
su un’altra frequenza (frequenza f2) per evitare interferenza col segnale in
arrivo. Si sceglie f1 > f2. Queste frequenze sono in banda C, Ku, Ka, ecc.
]
Si distinguono poi trasponditori trasparenti (‘bent-pipe’) o rigenerativi:
Trasponditore trasparente
Ricezione
Amplificazione
Trasmissione
Antenna ricevente
Antenna trasmittente
Trasponditore rigenerativo
Ricezione
Antenna ricevente
Demo
dulazio
ne
Correz.
errori
Modu
lazione
Ampli
ficazio
ne
Trasmissione
Antenna trasmittente
24
Una rete satellitare per
telecomunicazioni
Alcuni sistemi satellitari in
funzione
25
I sistemi satellitari per
comunicazioni mobili: Iridium
]
]
]
]
Iridium fornisce una copertura completa
della terra usando una costellazione di
66 satelliti su orbite quasi-polari LEO per
fornire trasmissioni voce e dati (bit-rate
voce a 4.8 Kbit/s).
I satelliti hanno capacità di processing a
bordo (On Board Processing, OBP) e
collegamenti radio con satelliti vicini
(Inter Satellite Links, ISLs) per
scambiarsi i dati direttamente nello
spazio prima di inviarli alla stazione di
terra.
Iridium, inizialmente nato per un servizio
puramente commerciale, è stato
acquistato dal Dipartimento U.S. della
Difesa.
ISL
ISL
ISL
Plane
Multiplexer
unit
Mobile
terminals
LAN
System
central
Earth
gateway
station
Solar-powered
phone booth
PSTN
Car
La nuova versione di satelliti Iridium
consentirà anche servizi per il
monitoraggio ambientale e l’acquisizione
di immagini inviate a terra ad una
velocità fino a 10 Mbit/s.
I satelliti di Iridium
] Questo sistema deriva il suo nome dall’atomo di iridio, perché il
progetto originario comprendeva 77 satelliti. Poi i satelliti attivi sono
stati ridotti a 66.
26
Dati orbitali dei satelliti di
Iridium
SAT 6
.
SAT 7
.
SAT 5
.
.
SAT 8
.
.
SAT 4
SAT 9
SAT 3
equatore
.
SAT 10
.
SAT 2
.
SAT 11
SAT 1
inclinazione orbita (equatore):
n. piani orbitali:
n. satelliti per piano:
periodo orbitale:
86°
6
11
100 min.
Satellite e telefono di Iridium
27
I sistemi satellitari per
comunicazioni mobili: GLOBASTAR
]
8 piani orbitali con 6 satelliti per
piano (+ 8 satelliti di scorta)
]
Orbite circolari a circa 1400 Km di
altezza
]
Inclinazione orbitale di 52°
]
Copertura delle aree della terra da
70° S a 70° N
]
Collegamento uplink in banda L e
downlink in banda S
]
Ogni satellite è come una stazione
base che irradia 16 celle
]
Modulazione digitale QPSK
]
Tecnica DS-CDMA
Dati orbitali dei satelliti
GLOBALSTAR
.
SAT 3
SAT 4
.
.
.
SAT 2
equatore
SAT 5
SAT 6
SAT 1
inclinazione orbita (equatore):
n. piani orbitali:
n. satelliti per piano:
periodo orbitale:
52°
8
6
360 min.
28
Mappa di copertura effettiva
di Globalstar
Immissione in orbita dei satelliti
GLOBALSTAR
] Uso del lanciatore Delta per immissione in orbita di
molteplici satelliti GLOBALSTAR.
29
Il sistema satellitare di
Inmarsat
] La società Inmarsat
inizialmente fondata per
fornire servizi di
telecomunicazioni in ambiente
marittimo, oggi fornisce servizi
ad aziende, e utenti
aeronautici e marittimi.
] La società Inmarsat ha 12
satelliti GEO: 4 Inmarsat-2, 5
Inmarsat-3, e 3 Inmarsat-4.
Aeronautical
terminals
Land-vehicular
terminals
PSTN
Maritime
terminals
Fixed
terminals
Mobile
terminals
Il sistema BGAN di Inmarsat
]
Il sistema BGAN di Inmarsat
\
Il sistema Broadband Global Area
Network (BGAN) fornisce diversi servizi
di telecomunicazione (es., telefonia,
accesso a Internet, messaggistica, ecc.)
sia a utenti fissi che mobili facendo uso
dei satelliti Inmarsat-4.
\
I satelliti BGAN sono trasparenti; BGAN
usa tre satelliti GEO del tipo Inmarsat-4.
\
La rete satellitare BGAN è integrata con
una rete cellulare terrestre di terza
generazione. Il collegamento con l’utente
è in banda L. L’antenna a bordo del
satellite genera 256 fasci.
[
\
19 fasci ad ampia copertura, 228 fasci
stretti (copertura focalizzata) e un fascio
a copertura globale.
BGAN consente trasmissioni digitali da
4.5 Kbit/s fino a 512 Kbit/s con tre
diverse classi di terminali di utente.
30
Satellite Inmarsat-4 del
sistema
Broadband Global Area Network (BGAN)
Ampia antenna a
riflettore di 9 m
trasmettitori / ricevitori
Fasci irradiati dal satellite
Antenna a riflettore e suo
dispiegamento
31
Il sistema satellitare Thuraya
]
Thuraya fa uso di 2 satelliti GEO
(cioè, Thuraya-2 e Thuraya-3) che
operano in banda L.
]
I satelliti Thuraya sono equipaggiati
con un’antenna a riflettore di 12.25
m di diametro che genera da 200 a
300 fasci: viene usato OBP per
consentire comunicazioni dirette da
mobile a mobile tra fasci di un
satellite.
]
]
I terminal Thuraya consentono di
usare sia GSM che il collegamento
satellitare.
I servizi offerti sono: voce tipo
GSM, fax e trasmissioni dati a 2.4,
4.8 e 9.6 kbit/s, messaggistica.
\
E’ possibile l’accesso a Internet
(144 Kbit/s) con un terminale
portatile delle dimensioni di un
notebook.
Earth
Gateway
Station
Gateway
Station Control
(GSC) +
Gateway
Transceiver
Subsystem
(GTS) +
Thuraya
Satellite
Traffic Control
Subsystem
(TCS)
GSM switch
User
Terminal
(UT)
GMR-1 Common
Air Interface (CAI)
Connection
Management
(CM)
Connection
Management
(CM)
Mobility
Management
(MM)
Mobility
Management
(MM)
Base Station
System
Management
Application Part
(BSSMAP)
Base Station
System
Management
Application Part
(BSSMAP)
Radio Resorce
Management
(RR)
Signalling
Connection
Control Part
(SCCP)
Signalling
Connection
Control Part
(SCCP)
Data Link Layer
(DLL)
Message
Transfer Part
(MTP)
Message
Transfer Part
(MTP)
Physical layer
(PHY)
GSM/A-Interface (CCS7)
Radio Resorce
Management
(RR)
Subscriber
Interface
Module
(SIM)
GPS
receiver
Data Link Layer
(DLL)
Physical layer
(PHY)
Ku-band
Physical layer
(PHY)
Physical layer
(PHY)
L-band
Satellite GEO di Thuraya
Antenna a riflettore di 12 m
Boeing
32
Sistemi con satelliti HEO
]
Molnya (periodo orbitale di 12 h) e Tundra (periodo orbitale di 24 h) consentono di
coprire le elevate latitudini quando sono prossimi allo apogeo.
]
Le orbite hanno una inclinazione di 63.4º rispetto al piano equatoriale terrestre (furono
inventati dall’esercito sovietico e poi usati negli anni ’60 dalla TV russa).
]
Il sistema satellitare Sirius Radio ha inizialmente adottato questo tipo di sistema sopra
l’area continentale U.S. (‘Conus Area’). Successivamente si è fuso con XM Radio che fa
uso di due satelliti GEO.
I satelliti GEO di Eutelsat
]
Eutelsat è un operatore europeo per comunicazioni satellitari.
]
Eutelsat ha 27 satelliti GEO tra 15° Ovest e i 70.5° Est. La flotta dei satelliti
di Eutelsat è in grado di servire 2/3 del globo, dalla costa Est del Nord e
Sud America fino alla parte dell’Asia che si affaccia sull’Oceano Pacifico.
33
Un esempio di satellite GEO di
Eutelsat: Hot Bird 6
]
Il satellite Hot Bird 6 ha 28 trasponditori in banda Ku e 4 trasponditori in
banda Ka.
]
I trasponditori in banda Ka sono rigenerativi (Skyplex)
]
I trasponditori in banda Ku forniscono servizi broadcast TV e servizi
multimediali in Europa, Nord Africa e Medio Oriente.
Dettagli di alcuni sistemi
satellitari
Sistema
Orbita
Bande di
Frequenza
Livello
fisico
Accesso
Multiplo
Satellite
ISL
Standard
Servizi
forniti
IRIDIUM
LEO
L
QPSK
FDMA /
TDMA - TDD
(uplink and
downlink)
OBP,
switching,
routing
Sì
Dual-mode
(satellite GSM)
p2p file
exchange, realtime voice
No
Dual-mode
(satellite GSM)
Broadband
Internet access,
VoIP, p2p file
exchange, live
video,
videoconferencing, real-time
voice
No
Dual-mode
(satellite –
GSM);
GMR-1
interfaccia
aria
p2p file
exchange, realtime voice
No
Dual-mode
(satellite GSM)
p2p file
exchange, realtime voice, live
video,
broadband
Internet access
BGAN
THURAYA
TERRESTAR
GEO
GEO
GEO
L
L
L
QPSK,
p/4-QPSK,
16QAM
p/4 QPSK
-
TDMA
Bent-pipe
FDMA
OBP, beam
switching
-
OBP, beam
switching
34
Campi di utilizzo
Missioni dei satelliti
Navigazione; 7%
Applicazioni militari;
6%
Osservazione della
terra; 5%
Astrofisica; 5%
Meteorologia; 5%
Telecomunicazioni;
66%
Altro; 6%
Fonte: Union of Concerned Scientists [www.ucsusa.org]
35
Applicazioni
Applicazioni
36
Applicazioni
Comunicazioni satellitari per
accesso Internet sui treni
(D
VB
-S
)
Satellite GEO
Fo
rw
ar
d
)
CS
-R
VB
(D
k
l in
l in
k
rn
tu
Re
Segmento satellitare:
consente l’accesso
mentre il treno è in moto
alla rete di
telecomunicazione e
l’accesso a Internet.
Stazione di
terra
Antenna
sul treno
IWU
WiFi
LAN
MSS
Router
Segmento wireless
sul treno: consente
di fornire l’accesso a
Internet degli utenti
sul treno.
37
Comunicazioni satellitari per
accesso Internet su aerei e navi
Molte compagnie aeree
stanno ora offrendo il
servizio di telefonia
tipo GSM a bordo degli
aerei e l’accesso a
Internet via BGAN di
Inmarsat.
Gestione delle flotte
Satellite GEO
Terminale di accesso
INTERNET
Terminale mobile
monitorato
Stazione di terra
Centro di gestione
38
Applicazioni della gestione delle
flotte
Gestione
container
Gestione delle navi
Gestione flotte di
tir
Agricoltura
Protezione civile
Gestione dei mezzi
movimento terra
Satelliti per uso meteorologico
] I satelliti per la meteorologia
Geostationary Operational
Environmental Satellites (GOES)
sono quelli più noti. Le immagini
inviate da questi satelliti
consentono di stimare la pioggia,
le nevicate e servono per fare le
previsioni.
Immagine dell’uragano
Katrina del 2005
] Siccome i satelliti GOES stanno in
postazione fissa, essi possono
monitorare le condizioni ambientali
e facilitare l’individuazione di
eventi pericolosi (come tempeste,
tornado, uragani, ecc.).
39
Telerilevamento
] Il telerilevamento è la tecnica che consente di ottenere informazioni
affidabili su oggetti fisici e l’ambiente attraverso la memorizzazione,
misura, e interpretazione di immagini e rappresentazioni digitali che
derivano da sensori che possono essere a bordo di satelliti.
] I satelliti possono essere attivi o passivi.
Posizionamento via satellite
]
]
]
]
]
GPS (USA)
GLONASS (Russia)
Galileo (Unione Europea)
QZSS (Giappone)
COMPASS (Cina)
40
I servizi di GALILEO
Posizionamento e velocità:
] Servizio aperto: fornisce informazioni di posizionamento,
navigazione e temporizzazione, gratuitamente per applicazioni di
mercato.
] Servizio commerciale: fornisce valore aggiunto sulla base del
servizio aperto, come disseminazione di dati criptati legati alla
navigazione, misura di distanza per uso professionale – il tutto con
garanzie di servizio.
] Servizio pubblico: per applicazioni che servono alla sicurezza
nazionale a livello europeo, per applicazioni critiche di interesse
strategico.
La costellazione MEO del
sistema GALILEO
GALILEO DATA
Walker 27/3/1
Constellation
altitude ~23616 km
SMA 29993.707 km
inclination 56 degrees
27 + 3 satellites in three
Medium Earth Orbits (MEO)
• period 14 hours 4 min
• ground track repeat about 10 days
41
IRIDIUM (22 Maggio, ~22:00)
Osservazione dei satelliti a
bassa quota illuminati dal sole
N
Traccia nel
cielo di
un satellite
IRIDIUM
GLOBALSTAR (22 Maggio, ~22:00)
Osservazione dei satelliti a
bassa quota illuminati dal sole
N
Traccia nel
cielo di
un satellite
GLOBALSTAR
42
I bagliori inviati dai satelliti
illuminati dal sole
] Bagliore di un satellite del sistema IRIDIUM:
Conclusioni
] A partire dagli studi di Galileo per l’osservazione del cielo e sulla
balistica sono stati fatti notevoli progressi che hanno visto coinvolti
molti scienziati e studiosi.
] Dalle prime idee di satelliti per telecomunicazioni di A. C. Clark
molta strada è stata fatta e oggi i satelliti rappresentano una
tecnologia fondamentale nel campo delle telecomunicazioni
] Oggigiorno i satelliti per telecomunicazioni sono indispensabili
perché consentono su scala planetaria la distribuzione dei segnali
televisivi, lo scambio di dati, l’accesso ad Internet su treni ad alta
velocità, l’accesso ad Internet su aerei di linea, la localizzazione, il
telerilevamento, l’osservazione delle stelle.
43
Riferimenti bibliografici per
approfondimenti
]
Sastri L. Kota , Kaveh Pahlavan , Pentti A. Leppänen, “Broadband satellite
Communications for Internet Access”, Kluwer Academinc Publishers. New York, 1994.
]
Abbas Jamalipour, “Low Earth Orbital Satellites for Personal Communication
Networks”, Artech House Publishers, 1998.
]
G. Maral, M. Bousquet, “Satellite Communications Systems”, 3rd Edition, John Wiley
& Sons, Chichester, England, 1998.
]
M. Richharia, “Satellite Communication Systems”, McGraw-Hill Professional Ed.,
Gennaio 1999.
]
G. Giambene (Ed.), “Resource Management in Satellite Networks: Optimization and
Cross-Layer Design”, Springer, Aprile 2007, ISBN 978-0-387-36897-9, New York, NY.
]
Sito Web con indirizzo:
http://brunelleschi.imss.fi.it/esplora/cannocchiale/dswmedia/storia/istoria3.html
]
Sito Web con indirizzo:
http://personal.ee.surrey.ac.uk/Personal/L.Wood/constellations/overview.html
Biografia
Giovanni Giambene si è laureato in Ingegneria Elettronica presso L’Università degli Studi
di Firenze, nel 1993 e ha conseguito il titolo di dottore di ricerca in Telecomunicazioni e
Informatica dall’Università di Firenze nel 1997. Dal 1994 al 1997, ha svolto attività di
ricerca presso il Dipartimento di Ingegneria Elettronica dell’Università di Firenze. Ha
svolto le mansioni di Segretario Esterno del progetto della Commissione Europea
denominato Project COST 227, “Integrated Space/Terrestrial Mobile Networks”. Ha anche
contribuito all’attività ‘Resource Management’ nel gruppo di lavoro 3000 del progetto
RACE, denominato ‘Satellite Integration in the Future Mobile Network’ (SAINT, RACE
2117). Dal 1997 al 1998, ha lavorato presso la OTE del gruppo Marconi, dove è stato
coinvolto in un progetto di sviluppo di apparati GSM. Nello stesso periodo ha contribuito
al progetto COST 252 (“Evolution of Satellite Personal Communications from Second to
Future Generation Systems”) studiando le prestazioni dei protocolli PRMA adatti per
supportare traffici di tipo voce e dati in sistemi per le comunicazioni mobili basati su
satelliti a bassa orbita. Nel 1999 ha iniziato un’attività di ricerca presso il Dipartimento di
Ingegneria dell’Informazione dell’Università di Siena, prima come assegnista di ricerca e
poi come ricercatore. Ha contribuito alle attività del progetto IST intitolato “Personalised
Access to Local Information and services for tOurists” (PALIO) nell’ambito del quinto
programma quadro della Commissione Europea. Attualmente è coinvolto nella rete di
eccellenza sulle comunicazioni radio via satellite, SatNEx FP6 come responsabile di due
workpackages (www.satnex.org). I suoi interessi di ricerca riguardano i sistemi per le
comunicazioni mobili di quarta generazione, i protocolli di accesso multiplo, gli algoritmi
di scheduling per DVB-S, HSDPA, WiFi e WiMAX, tecniche cross-layer, protocolli di
trasporto e interazione con il livello fisico, la teoria delle code.
44
Grazie per la vostra attenzione
[email protected]
45

Giornate galileiane - Dipartimento di Ingegneria dell`informazione e

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