Hvordan satellitter holder verden forbundet

Satellitkommunikation er en af de teknologier, vi bruger næsten uden at tænke over det. Tv-signaler, navigation, internetforbindelser, vejrudsigter og nødkommunikation er alle eksempler på tjenester, hvor radiosignaler sendes mellem Jorden og satellitter i rummet.

Men hvordan kan et radiosignal egentlig rejse tusindvis af kilometer op til en satellit og videre tilbage til Jorden? Og hvorfor bruger man forskellige satellitbaner til forskellige opgaver?

I denne artikel ser vi nærmere på den radioteknik, der gør satellitkommunikation mulig.

Kort fortalt En kommunikationssatellit fungerer ikke bare som et spejl, der reflekterer radiosignaler. Den modtager signaler fra Jorden, behandler dem og sender dem videre på en anden forbindelse tilbage mod Jorden.

Satellitter overvinder Jordens krumning

Radiokommunikation på høje frekvenser fungerer ofte bedst, når sender og modtager har nogenlunde fri sigt til hinanden.

På Jorden sætter planetens krumning derfor en naturlig grænse for, hvor langt et direkte radiosignal kan række. En satellit befinder sig højt over Jordens overflade og kan derfor have radiosigt til meget store områder på én gang.

Det gør det muligt at sende signaler mellem områder, som ellers ville være adskilt af tusindvis af kilometer.

Tænk på satellitten som en radiostation i stor højde Hvis to jordstationer ikke kan “se” hinanden radiomæssigt på grund af Jordens krumning, kan begge i stedet kommunikere med en satellit, der befinder sig højt over dem.

Uplink og downlink

Kommunikationen mellem Jorden og en satellit deles normalt op i to retninger.

Uplink er radiosignalet, der sendes fra en jordstation op til satellitten.

Downlink er signalet, der sendes fra satellitten tilbage mod Jorden.

Satellitter kan også kommunikere direkte med andre satellitter. Det kaldes ofte en crosslink eller inter-satellite link. citeturn381083search2

Uplink → satellit → downlink En typisk satellitforbindelse kan beskrives ganske enkelt: En jordstation sender et signal op til satellitten. Satellitten modtager signalet og sender det videre mod en anden jordstation eller et større dækningsområde.

Hvad sker der inde i en kommunikationssatellit?

En klassisk kommunikationssatellit indeholder blandt andet modtagere, sendere, antenner og såkaldte transpondere.

En transponder modtager et signal på én frekvens, behandler det og sender det videre på en anden frekvens. Det er vigtigt, fordi satellitten ellers risikerer, at dens egen kraftige sender forstyrrer modtagelsen af det svagere uplink-signal.

Moderne satellitter kan være langt mere avancerede og blandt andet behandle, filtrere og dirigere signaler digitalt mellem forskellige dækningsområder.

Fakta: Satellitten reflekterer ikke bare signalet Ældre beskrivelser fremstiller nogle gange satellitten som et spejl for radiobølger. I praksis modtager en kommunikationssatellit signalet elektronisk og sender et nyt signal videre.

Hvor langt væk befinder satellitterne sig?

Satellitter flyver ikke alle i samme højde. Valget af bane afhænger blandt andet af, hvor stort et område satellitten skal dække, hvor lav forsinkelse man ønsker, og hvilken opgave satellitten skal udføre.

Bane	Typisk placering	Karakteristik
LEO	Lav jordbane	Relativt tæt på Jorden, kort signalvej og lav forsinkelse. Satellitterne bevæger sig hurtigt hen over himlen.
MEO	Mellem LEO og GEO	Anvendes blandt andet af globale navigationssystemer som GPS.
GEO	Ca. 35.786 km over ækvator	Satellitten følger Jordens rotation og ser derfor ud til at stå stille på himlen.

Geostationære satellitter bruges blandt andet til telekommunikation og tv, fordi en jordantenne kan rettes mod ét fast punkt på himlen. En geostationær satellit befinder sig cirka 35.786 kilometer over ækvator og har samme omløbstid som Jordens rotation. citeturn381083search6

Fakta: 35.786 km over Jorden En geostationær satellit bevæger sig faktisk med omkring 3 km i sekundet. Den ser kun ud til at stå stille, fordi den kredser om Jorden med præcis samme vinkelhastighed, som Jorden roterer. citeturn381083search6

Hvorfor giver satellitkommunikation forsinkelse?

Radiobølger bevæger sig med omtrent lysets hastighed, men selv lyset bruger tid på at tilbagelægge meget store afstande.

Ved en forbindelse via en geostationær satellit skal signalet først omkring 36.000 kilometer op og derefter tilbage til Jorden. Hvis kommunikationen går begge veje, bliver den samlede signalvej endnu længere.

Det giver en mærkbar forsinkelse, især ved telefonsamtaler, videomøder og andre tjenester, hvor hurtig respons er vigtig.

Satellitter i lav jordbane har en langt kortere signalvej og kan derfor give væsentligt lavere forsinkelse.

Hvorfor bruger uplink og downlink forskellige frekvenser?

Satellitkommunikation foregår på mange forskellige frekvensbånd. Hvilke frekvenser der anvendes, afhænger blandt andet af tjenesten, satellitten, antennestørrelsen og den ønskede kapacitet.

Uplink og downlink placeres normalt på forskellige frekvenser. Det gør det muligt for satellitten og jordstationerne at sende og modtage samtidig uden at deres egne sendere overdøver modtagerne.

Jo højere frekvens man anvender, desto større båndbredde kan der ofte være til rådighed, men samtidig bliver radiosignalet typisk mere følsomt over for atmosfæriske påvirkninger.

Regn kan dæmpe satellitsignalet

Atmosfæren er ikke fuldstændig gennemsigtig for radiosignaler.

Ved nogle af de højere mikrobølgefrekvenser kan kraftig regn absorbere og sprede en del af signalenergien. Fænomenet kaldes ofte rain fade.

Det kan eksempelvis opleves som kortvarigt dårligere satellit-tv eller reduceret kapacitet på en satellitforbindelse under meget kraftigt regnvejr.

Frekvensen har betydning Satellitkommunikation er ikke én bestemt radioteknologi. Forskellige systemer anvender forskellige frekvensområder, antenner, modulationstyper og sendeeffekter afhængigt af opgaven.

Geostationære satellitter – de “stationære” satellitter

En geostationær satellit kredser over ækvator i samme retning som Jordens rotation.

Fordi omløbstiden svarer til Jordens rotation, befinder satellitten sig tilsyneladende over det samme sted hele tiden.

Det er en stor fordel for eksempelvis satellit-tv og faste kommunikationsforbindelser. Parabolantennen behøver ikke følge satellitten hen over himlen, men kan monteres permanent i én bestemt retning.

LEO – mange satellitter tættere på Jorden

Satellitter i Low Earth Orbit – LEO – befinder sig væsentligt tættere på Jorden end geostationære satellitter.

De bevæger sig hurtigt hen over himlen og kan derfor kun dække et bestemt område i relativt kort tid. Hvis man ønsker kontinuerlig dækning, anvender man typisk mange satellitter, hvor forbindelsen løbende overtages fra den ene satellit til den næste.

Fordelen er blandt andet kortere signalvej, lavere forsinkelse og mulighed for at anvende mindre terminaler.

MEO og satellitnavigation

Mellem de lave LEO-baner og den geostationære bane findes Medium Earth Orbit – MEO.

GPS-satellitter befinder sig eksempelvis omkring 20.200 kilometer over Jorden og kredser omkring Jorden cirka to gange i døgnet. citeturn381083search3

GPS og andre GNSS-systemer fungerer dog anderledes end en klassisk kommunikationssatellit.

Satellitterne videresender ikke en telefonsamtale eller internettrafik mellem to brugere. De udsender ekstremt præcise radiosignaler med oplysninger om tid og satellittens position.

En GPS-modtager sammenligner signalerne fra flere satellitter og kan på den måde beregne sin position.

GPS er radioteknik En GPS-modtager sender normalt ikke noget signal tilbage til satellitterne. Den lytter til radiosignaler fra flere satellitter og beregner sin position ud fra signalernes timing.

Satellittelefoner og kommunikation uden mobilnet

Satellittelefoner anvender radiosignaler mellem en håndholdt terminal og et satellitsystem i stedet for en almindelig mobilmast.

Det gør satellittelefoner interessante i områder uden mobilnet, eksempelvis til søs, i øde egne og ved ekspeditioner.

Satellitkommunikation kan også anvendes som reserveforbindelse, hvis jordbaseret infrastruktur bliver beskadiget eller utilgængelig.

Satellitter og nødkommunikation

Satellitter spiller en særlig vigtig rolle i eftersøgnings- og redningssystemer.

Cospas-Sarsat-systemet kan registrere nødsignaler fra 406 MHz-nødsendere. Systemet anvender instrumenter på satellitter i både lave, mellemstore og geostationære baner til at registrere og videreformidle nødsignaler fra blandt andet skibe, fly og personlige nødsendere. citeturn381083search15

Eksempel: En nødsender langt fra land Hvis en nødpejlesender aktiveres langt ude på havet, kan satellitsystemet registrere nødsignalet og sende oplysningerne videre til redningstjenester – også hvor der hverken findes mobilmaster eller almindelige jordbaserede radionet.

Vejrsatellitter og jordobservation

Ikke alle satellitter bruges til kommunikation mellem mennesker.

Vejrsatellitter observerer atmosfæren, skydække og vejrsystemer og sender store datamængder tilbage til jordstationer.

Andre jordobservationssatellitter anvendes blandt andet til kortlægning, landbrug, miljøovervågning, havobservation og forskning.

Selv om selve observationen kan foretages med kameraer, radar eller andre sensorer, er radiokommunikation nødvendig for at sende data tilbage til Jorden og kommandoer op til satellitten.

Radioamatører bruger også satellitter

Satellitkommunikation er ikke kun for store teleselskaber og rumorganisationer.

Der findes også amatørradiosatellitter, hvor radioamatører kan kommunikere via satellitten på samme måde, som man bruger en repeater på Jorden.

Nogle satellitter har simple transpondere, mens andre anvender digitale systemer.

Her bliver satellitkommunikation meget konkret: En radioamatør kan med den rette radio, antenne og timing sende et signal mod en satellit, der bevæger sig hen over himlen, og få signalet sendt tilbage til andre radioamatører flere hundrede eller tusinde kilometer væk.

Satellitten skal kunne høre et meget svagt signal

En af de store udfordringer ved satellitkommunikation er afstand.

Radiosignalet bliver svagere, efterhånden som det breder sig ud over et større område. Derfor arbejder satellitsystemer med nøje beregnede linkbudgetter, hvor man blandt andet tager højde for sendeeffekt, antenneforstærkning, frekvens, afstand og modtagerfølsomhed.

Store jordstationer kan anvende meget retningsbestemte parabolantenner, som koncentrerer radioenergien mod satellitten og samtidig kan modtage meget svage signaler.

Antennen er afgørende Det er ikke kun senderens watt, der afgør, om signalet når frem. Antennens forstærkning og retning har enorm betydning i satellitkommunikation.

En satellit har kun begrænset energi

En satellit kan ikke bare tilsluttes elnettet.

De fleste satellitter producerer elektrisk energi ved hjælp af solpaneler og lagrer energi i batterier til perioder, hvor satellitten befinder sig i skygge.

Derfor skal radiosendere, computere, sensorer og andre systemer ombord arbejde så energieffektivt som muligt.

Samtidig skal varme ledes væk, fordi elektronikken arbejder i et miljø, hvor almindelig luftkøling ikke er mulig.

Fremtidens satellitkommunikation

Udviklingen går i retning af større kapacitet, mere avancerede antennesystemer, digitale transpondere og tættere integration mellem satellitnet og jordbaserede mobilnet.

Store konstellationer af LEO-satellitter gør det muligt at tilbyde bredbånd med relativt lav forsinkelse i områder, hvor etablering af traditionelle kabel- eller mobilnet kan være vanskelig.

Samtidig udvikles forbindelser mellem satellitter, hvor data kan sendes direkte fra satellit til satellit, før de sendes ned til en jordstation. NASA beskriver sådanne forbindelser som crosslinks eller inter-satellite links. citeturn381083search2

Satellitkommunikation er radioteknik i ekstrem skala

Grundprincipperne er i virkeligheden de samme, som vi kender fra anden radiokommunikation: en sender, en modtager, antenner, frekvenser og radiosignaler.

Forskellen er afstandene.

Når en jordstation sender et signal til en kommunikationssatellit næsten 36.000 kilometer over Jorden, og satellitten sender det videre til et andet sted på kloden, bliver radioteknikken løftet op i en helt anden skala.

Og alligevel foregår det hver eneste dag – når vi navigerer med GPS, ser satellit-tv, modtager en vejrudsigt eller kommunikerer fra steder, hvor almindelige jordbaserede netværk ikke rækker.