Informatika | Távközlés » Dr. Mihály Zsigmond - A műholdas mobil hírközlés alapjai

A m¶holdas mobil hírközlés alapjai  dr. Mihály Zsigmond BME  Híradástechnikai Tanszék 1999. július Ez az olvasmány a BME Villamosmérnöki és In- csövön kiáramoltatva mozgásba hozott egy fém- formatikai Karon oktatott Mobil Hírközl® Rend- szerek tárgyhoz készült. gömböt. A tárgy részét képezi a 1000 körül a kínaiak már ismerték az összetömö- mobil m¶holdas kommunikáció témaköre, e részte- rített l®porral hajtott, fapálcával stabilizált röpt¶ rület alapozó ismereteit tartalmazzák az alábbiak. rakétákat. Kezdetben a t¶zijátékokhoz, kés®bb már hadi célokra használták ®ket. Európában a rakéta megjelenése a XIV. századra tehet® Tartalomjegyzék 1731-ben I. Newton leírta, hogy megfelel® sebességgel egy test Föld körüli pályára 1. Történti áttekintés 1 juttatható. Az angol W Congreve által kifejlesz- 1.1 Rakétatechnika . 1 tett röppenty¶ket el®ször a napóleoni

háborúk- 1.2 M¶holdas hírközlés . 2 ban, 1806-ban használták. Az 1848-49-es magyar szabadságharc alatt szerzett tapasztalatok alap- 2. Technikai alapok 2.1 2.2 4 ján Martin Lajos a forgásstabilizált rakéták repü- Egy kis ¶rtan . 4 lésének elméletét dolgozta ki (1856.) 2.11 4 J. Verne francia író 1865-ben megjelent könyvé- Rakétatechnika . 2.12 A m¶hold mozgása . 5 ben a holdutazáshoz egy óriási ágyút használtak 2.13 M¶hold pályák . 8 (a megvalósításra 1969-ben került sor, de nem egé- Elektronika . 10 2.21 Különleges követelmények . 10 2.22 Tipikus m¶hold elektronika 12 2.23 Tipikus földi állomás . 13 2.24 Frekvenciasávok 15 . szen úgy). A XIX. század végén az orosz K E kij (1857-1935.) Ciolkovsz- volt a rakétatechnika és az ¶r- hajózás elméleti megalapozója. 1883-ban bebi- zonyította, hogy az ember világ¶rbe juttatására

egyedül a rakéta alkalmas. 1903-ban írta le a rakéták sebességének meghatározására vonat- 1. kozó Történti áttekintés 1.1 Ciolkovszkij-képletet, felvetette a folyé- kony hajtóanyagú és a többlépcs®s rakéták alkalmazásának gondolatát. Rakétatechnika A korszer¶ rakétatechnika úttör®je R. H Goddard (1882-1945) Kr. u 62 körül a görög Herón gyakorlati célokra 1 amerikai zikaprofesszor volt. alkalmazta a rakéta-elvet , amikor vizet hevítve Rakétatechnikai elméleti vizsgálatait és kísérleteit vízg®zt fejlesztett, és azt két ellentétes irányítású 1912-t®l végezte. Igazolta, hogy nagy magasságok és a szökési sebesség elérésére csak a rakéták alkal-  e-mail: mihaly@hit.bmehu masak. Folyékony hajtóanyagú rakéták építésével weblap: http://www.hitbmehu/people/mihaly 1 A rakéta-elv legegyszer¶bb illusztrációja: fújjunk fel egy luftballont, és engedjük el! 1920-tól kísérletezett, 1926-ban

a világon els®ként röpített fel ilyen rakétát. A ballon a nyílásán kiá- ramló gáz hatására rakétaként elrepül. Mozgása a nagy A kísérletek Németországban vezettek az els® felület és az er®sen turbulens áramlás miatt szeszélyesen komoly eredményre, ahol változó, szabálytalan. 1 Werner von Braun a 2 hadsereg megbízásából  megalkotta a század els®, nagy sorozatban gyártott rakétáját, az A-4-et. Az Az 1950-es évek második felében az U.S Navy (haditengerészet) a Holdat (a Föld körül ke- els® sikeres start 1942. október 3-án volt A rakéta ring® égitestet) passzív reektorként V2 (ejtsd: fau kett® ) néven 1944-t®l a II. világhá- nálja a Washington D. C és Hawaii közötti, ború rettegett fegyvere volt. igen alacsony adatátviteli sebesség¶ A II. világháború után bekövetkezett szédületes rádió- összeköttetésre.  fejl®dés technikai gyökere a V2 rakéta volt. A háború végén az

akkor még szövetséges államok meg- 1957. október 4 A szovjet Szputnyik-1 m¶hold 21 napon keresztül telemetria szerezték a rakéta néhány példányát és a tervraj- 3 adatokat sugároz a földre. zokat. A Szovjetunióban Sz P Koroljov vezetésé-  vel fejlesztettek katonai rakétákat, az els® sikeres kilövés 1947-ben volt. hasz- Az ötvenes évek közepén 1958. január 31 Az amerikai Explorer-1 csaknem 5 hónapon keresztül sugároz telemetria megalkották az R-7 interkontinentális ballisztikus adatokat. rakétát. Ez lett az els® szovjet asztronautikai hor-  dozórakéta, amelynek különféle változatai az els® 1959. december 18 Az els® beszéd-átviteli kí- m¶holdakat (Szputnyik), a Hold- és ¶rszondákat sérlet: az amerikai Score m¶hold Eisenhower (Luna), az ¶rhajókat (Vosztok, Szojuz), valamint elnök karácsonyi üdvözl® üzenetét sugározza a gyakorlati célú m¶holdakat (Molnyija) vitték a egy magnetofonról, két héten

keresztül.  világ¶rbe. Az amerikaiak ügyesebbek voltak: ®k Wer- ner von Braun-t és csapatát is megszerezték, a 1960. október 4 Az amerikai Courier m¶- hold store-and-forward beszédátvitelt valósít meg. Egy távvezérelt magnetofonra rög- német rakétafejlesztés vezet®i 1945. októberében zítik a földr®l felsugárzott szöveget, kés®bb a már Új-Mexikóban, a White Sands-i kísérleti tele- m¶holdról a Föld egy más pontjára lesugá- pen az amerikaiaknak dolgoztak. Els®, kétlépcs®s rozzák. V2/WAC Corporal rakétájuk 1949-ben indult, néhány év fejlesztés után katonai ballisztikus hordo- A h®skorban komoly nehézségeket okozott a világ- zórakétákkal indították az els® amerikai m¶holdat ¶rbe juttatható hasznos teher kicsinysége, vala- 1958-ban. Werner von Braun 1976-ban bekövetke- mint az elektronika megbízhatósága (megbízhatat- zett haláláig az amerikai hadseregnek és a NASA- lansága ), ezért 1960.

tájékán passzív reektorok- nak dolgozott, pályájának csúcsa az 1969-es ame- kal kísérleteztek. Az amerikai Echo-1 nagy mére- rikai Holdra-szállás volt. t¶re (30 m) kiteregetett fémezett felülete egyszer¶en visszaverte a Földr®l érkez® elektromágneses 1.2 M¶holdas hírközlés hullámokat, melyeket a Föld egy másik pontján venni lehetett. Az alacsony sebesség¶ adatátvitel- 1949-ben a Szovjetunió felrobbantotta els® atom- hez igen nagy méret¶ antennákat és nagy teljesít- bombáját, s az ezzel kiváltott sokk soha nem lá- mény¶ rádióadót használtak, amikkel megbízható tott fegyverkezési versenyt indított. A fejlesztések rádióösszeköttetést tudtak teremteni. az atomtölteteket célba juttató ballisztikus rakétákra, majd a világ¶r megszerzésére koncentráltak. A továbbiakban nem foglalkozunk a katonai eszközök fejl®désével, kizárólag a hírközlési célú eredményeket, és csak a legfontosabb

állomásokat mutatjuk be. 2 A németeknek komoly gondot okozott Anglia legy¶rése. A szigetország gyors lerohanása nem jöhetett szóba, ezért a távolból igyekeztek támadni. A repül®kr®l történ® bombázás nem volt elég hatékony, és az angol légvédelem komoly károkat okozott a támadóknak. Próbálkoztak (si- 3 Telemetria adatok: az ¶reszköz által nyert mérési ada- kerrel) óriási méret¶ ágyúkkal is, ezekkel a francia partokról l®tték Angliát, de Londont csak a V2 rakétákkal tudták tok. elérni. vételükre földi telemetria állomások szolgálnak. 2 Az adatokat rádiócsatornán sugározzák le a földre,  1962. július 10 Felbocsátják az els®, nem ál- els®, geostacionárius pályán kering® távköz- lami fejlesztés¶ (és tulajdonú), hírközlési célú lési m¶holdat, a Syncom II-t . m¶holdat. 6 A Bell System által tervezett és A geostacionárius pályára állított m¶holdakkal megépített Telstar-1

m¶hold egy aktív real4 time repeater . végzett kísérletek bizonyították, hogy a m¶holdak A Telstar-1-et a NASA ál- segítségével megbízható rádióösszeköttetés lította közepes magasságú, Föld körüli elliptikus pályára. A m¶hold els® ízben közvetí- technikai akadályokat sikerült legy®zni, sor kerül- tett televíziós képeket az Egyesült Államok- hetett a m¶holdak polgári célú távközlési alkal- ból Angliába és vissza.  hoz- ható létre a föld két távoli pontja között. Miután a mazására is. Kezdetben igen költséges 7 volt ez a A NASA pályára állítja az technika, ezért nagy nemzetközi szervezetek jöttek RCA által épített Relay 1 m¶holdat, mellyel létre a m¶holdas rendszer telepítésére és m¶köd- beszéd, videó és adatátviteli kísérleteket vé- tetésére. 1962. december  geztek (az ISDN-t kés®bb találták ki.) vel az ENSZ égisze alatt alakult meg az A 60-as évek elején a

hírközlési célokra alkalmas telsat m¶hold pálya megtalálása okozta talán a legna- In- Az els® m¶holdat (Early állították geostacionárius pályára. A szerve- pálya esetén olcsóbb a fellövés és nagyobb lehet a zet folytonosan fejl®dik, 1973. óta jogi sze- hasznos teher, viszont a Földr®l nézve vándorol a mély, amely a világrendszert alkotó Intelsat m¶hold. A földi (irányított) antennáknak követ- holdak és a hozzájuk tartozó földi ellen®rz® nie kell a m¶hold pályáját, hosszú idej¶ m¶hol- állomások tulajdonosa. das összeköttetés csak váltott holdakkal oldható 1994-ben 19 darab Intelsat VI hold 2700 földi állomást szolgált meg. 5 szervezet. Bird, más néven Intelsat I ) 1965. áprilisában gyobb fejtörést a kutatóknak. Alacsony földkörüli A geostacionárius pálya 1964-ben több mint 100 tagország részvételé- ki. A m¶holdak által biztosított összekötteötletét el®ször Arthur tések a

nemzetközi távközlési hálózat szerves C. Clarke vetette fel, még a 40-es évek közepén A részét alkotják. Magyarország 1994-t®l tagja pálya nagy el®nye, hogy nem kell bonyolult követ® az Intelsat-nak. rendszereket használni a földi antennák irányítá-  sához. Egy geostacionárius pályán kering® (álló) 1977-ben az Intelsat mintájára alapították Eutelsat m¶hold elég magasan van: a Föld felületének har- meg az madáról megfelel® szögben látszik. Ugyanakkor tagjainak biztosít kapacitást ¶rtávközlési fel- a geostacionárius pálya nagyon messze van, tehát adataikhoz. (Van már Arabsat is)  költséges a m¶hold pályára állítása, nagy a rádiójelek csillapítása, és nagy a jelterjedési id® (késlel- Inmarsat8 szervezetet. A szolgáltatás 1982-ben a geostacionárius pá- tetések java máig is geostacionárius m¶holdakon lyára állított Marisat I m¶holddal indult. Ez keresztül zajlik. 1963. július 27

1979-ben a tengeri hajózás biztonsága érdekében hozták létre az tetés). A hátrányok ellenére a m¶holdas összeköt-  szervezetet, amely európai az els® olyan rendszer, amely közvetlenül képes földi mobil felhasználókat kiszolgálni. A A NASA pályára állítja az szervezetnek Magyarország is tagja 1997-t®l 4 Aktív, mert a földr®l vett rádiójelet feler®sítés után (mi vagyunk a 81. tagország) Real-time, mert valós idej¶ rádióösszeköttetést hoz létre két földi állomás között. Repeater, mert nem végez feldolgozást az információn, egysugározza vissza a földre  szer¶en csak továbbsugározza a vett információt. Ez a A 80-as évek közepén jelentek meg a közvetlen m¶sorszóró tévéholdak. 6 A Syncom I a geostacionárius pályára állítás során el- konstrukció a hírközlési célú m¶holdak többségére máig veszett. A mai napig a legkockázatosabb man®ver a geos- (1999.) jellemz® 5 Az egyenlít®

fölött kb. 36000 km magasságban húzódó tacionárius pályára állítás, számtalan m¶holdat vesztettek körpályán a Földdel megegyez® szögsebesség mellett egyen- már el. súlyban van a m¶holdra ható gravitációs és centripetális 7 Ma sem olcsó, de egyre több ország és távközlési er®. A m¶hold hajtóm¶vek m¶ködtetése nélkül a pályán szolgáltató engedheti meg magának, hogy saját magán- marad, és eközben a Földr®l nézve állandó pontban állni m¶holdja legyen. 8 International Maritime Satellite Organization látszik. 3  A folyt nem biztosítható, akkor az átviteli utat rövidebb könny¶, kisméret¶ földi terminálokkal (mobil 90-es években intenzív fejlesztés szakaszokra bontják, alkalmas pontokon átjátszó telefonokkal) elérhet® m¶holdas rendszerek állomásokat helyeznek el. Ilyen rendszer a mikro- létrehozására. A Motorola cég Iridium rend- 9 hullámú szere (66 m¶hold alacsony

pályán) 1998. októ- lánc, melynek átjátszó állomásaival min- den jobb kirándulás alkalmával lehet találkozni. berében kezdte meg a szolgáltatást. Néhány Kézenfekv® az ötlet: ha a magasba emeljük az éven belül további m¶holdas mobil kommuni- átjátszó állomást (feltesszük egy m¶holdra), akkor kációs rendszerek megjelenése várható. akár egyetlen átjátszó állomással is biztosítható az összeköttetés két igen távoli földi pont között. A Föld légköre a felszínt®l kb. 100 km magasságig 2. Technikai alapok terjed. 10 tatni A m¶holdat a légkörön kívülre kell jut, mert alacsonyabb pályán a légkör fékezné Két távoli földi pont közötti kommunikációs össze- mozgását, azaz folytonosan pótolni kellene az el- köttetésre vezetékes vagy rádiós megoldást hasz- vesztett mozgási energiát nálnak. Vezetékes összeköttetés esetén az egyes állításához tehát olyan hajtóm¶ szükséges, amely

végpont-párokat külön-külön kábellel lehet össze- közeg-mentes (légmentes) környezetben is m¶kö- kötni, így bizonyosan nem fogják egymás kom- dik. A hajtóm¶ m¶ködése a rakéta elven alapszik munikációját zavarni. 2.1 közeget használja, gondoskodni kell tehát az átvi- A m¶hold pályára günkre van, hogy a rádiójelek a távolsággal mono- A ton csillapodnak, ha tehát két összeköttetés egy- Rakétatechnika rakéta m¶ködésének alapja az impulzus- megmaradás törvénye. A rakéta a fúvókákon nagy mástól elég nagy távolságra jön létre, akkor már nem fognak egymásnak problémákat okozni. Egy kis ¶rtan 2.11 teli közeg használatának megosztásáról. Segítsé- sebességgel lövell ki valamilyen anyagot (tipiku- A san égésterméket, azaz gázt), és az impulzustétel valós helyzet azonban az, hogy viszonylag kis kör- szerint eközben zetben igen sok összeköttetésre van egyidej¶leg F= dI dt 12 er®

hat a rakétatestre. A rakéta sebességének kiszámításakor gyelembe A közös átviteli közeg megosztása alap- kell venni, hogy az id® múlásával a rakéta tömege vet®en a frekvencia tartományban történik: egy- csökken, és a dierenciálegyenlet megoldásaként a egy összeköttetés egy jól meghatározott szegmen- Ciolkovszkij-egyenletet kapjuk: sét használhatja a teljes frekvencia tartománynak. v (t) = c
ln (m0 =m (t)) A frekvencia-sávok kiosztásáról minden országban egy külön hivatal gondoskodik (frekvencia gazdálkodás), s mivel a rádióhullámok nem ismernek or- ahol szághatárt, e hivatalok munkáját nemzetközi szer- v(t) vezetek hangolják össze. c Az alacsonyabb frekvenciák már régen elfogytak: . Rádióösszeköttetések ese- tén azonban valamennyi összeköttetés ugyanazt a igény. 11 els®sorban a m¶sorszórás használja ®ket a kilövellt gáz sebessége m0 (középhullám, rövidhullám, URH), de

ett®l függetlenül is hamar belátható, hogy a sok felhasz- a rakéta sebessége a rakéta össztömege a startkor 9 Az elnevezés az igen magas viv®frekvenciából adódó náló igényeinek kielégítéséhez széles frekvencia- nagyon kis hullámhosszra utal. tartomány szükséges. Emiatt már jó ideje a ma- 10 Más elképzelések szerint a légkörben kell® magasság- gasabb frekvenciák (>100 MHz) használatosak a ban (kb. 60 km) úszó léggömbre lehetne helyezni az átjátszó állomást, kisebb régiók, városok kiszolgálása így meg- pont-pont összeköttetésekhez. A rádióhullám épp- oldható. A tervezett magasságban repül®k nem járnak, a olyan elektromágneses hullám, mint a fény, csak kis távolság miatt egyszer¶bb rádiótechnikai berendezések kisebb a frekvenciája. Ha növeljük a rádiójel frek- használhatók. A legnagyobb gondot a ballon pozíciójának venciáját, akkor egyre inkább úgy viselkedik, mint megtartása

okozza  a magas légköri szél ellenében. a fény: csak egyenes vonalban terjed. 11 Kb. 180 km magasra tehet® az a határ, amely alatt 100 MHz mesterséges hold nem képes tartósan keringeni. 12 A hatást mindenki tapasztalhatta, aki sütött már el körül már érvényesül ez a hatás, és optikai rálá- tás szükséges a két pont antennája között. Ha ez kézi l®fegyvert. (A vízipisztoly nem érvényes) 4 m (t) a rakéta folytonosan csökken® össztö- terhet kell gyorsítania. Ezzel a tömegarányt megjavítottuk, ami lehet®vé teszi legalább az els® koz- mege mikus sebesség elérését, a rakéta hasznos terhének Függ®leges irányú start esetén a képletet ki kell Föld körüli pályára állítását. egészíteni a gravitáció hatásával. A az rakéta égésvégi üzemanyaga pontban a Ciolkovszkij-egyenletb®l het®: ahol el®bb-utóbb rakéta elfogy, végsebessége behelyettesítéssel 2.12 a Ha felállunk egy nagyon

magas hegycsúcsra, és el- nyer- dobunk egy követ, akkor az nagyjából parabola v (t) = c
ln(m0 =mv ) pályán esik le a földre (ferde hajítás ). mv a rakéta tömege az összes hajtóanyag elé- gyelembe véve ballisztikus pályát A jelenleg használatos, kémiai hajtóanyagokkal Ahhoz, hogy a k® ne essen le a Földre, vízszintes sebességgel, hogy a gravitációs er® a Föld sugará- Szilárd hajtóanyag esetén a tá- val megegyez® sugarú körre kényszerítse a követ. rolás egyszer¶bb, az égéstermék kiáramlási sebes- Kis gyakorlással tarkón tudjuk dobni magunkat. c = 2 : : : 3 km=s. Folyékony hajtóanyag esetén c = 3 : : : 5 km=s kiáramlási sebesség érhet® el sége A mutatványhoz szükséges sebességet (els® kozmikus sebesség) Newton számította ki 1731-ben. A leggyakrabban használt folyékony hajtóanyagok A számítást most reprodukálni fogjuk. a kerazin, a folyékony hidrogén, az ammónia és a N2 H2 ). hidrazin (

Körpálya. a meg. m0 =mv gást kell végeznie a Föld körül. A lehetséges pá- tömegarány határozza lyák közül a legegyszer¶bb a körpálya, melynek Ennek értéke a legjobb esetben is csak 10 lehet. Mivel A m¶holdnak a tehetetlensége és a gravitáció folytán, hajtóm¶ nélkül ciklikus moz- Ciolkovszkij-egyenletb®l látható, hogy a rakéta végsebességét az ír le (de így is irányban kell eldobnunk, és legalább olyan nagy dálószert általában vegyileg kötött formában vi- értéke tehát adott, 14 leesik). m¶köd® rakéták az üzemanyagot elégetik. Az oxi- A kiáramlási sebesség A légkör közegellenállását és a Föld-felszín görbültségét is getése után. szik magukkal. A m¶hold mozgása ln (10) = 2; 3 , a rakéta végsebessége középpontja a Föld tömegközéppontja. ! nagyjából a kiáramlási sebesség kétszerese lehet. A valóságban a hasznos teher miatt a tömegarány kisebb, a rakéta függ®leges

emelkedésére fordított h energia pedig tovább rontja az eredményt, ezért az egylépcs®s rakéta az els® kozmikus sebesség re 13 gyakorlatilag nem gyorsítható fel. R A ma használatos hajtóanyagokkal, illetve ezek égéstermékeinek kiáramlási sebességével nagyobb m M végsebesség csak úgy érhet® el, ha többlépcs®s rakétát építünk. v r Ennél a már kiégett rakétafoko- zatot leválasztják, ami lezuhan a Földre, vagy a légtérben megsemmisül. A leválasztott fokozatokkal csökken a rakéta össztömege, a második illetve harmadik fokozat hajtóm¶vének már csak kisebb 13 Kozmikus sebesség: Az égi mechanikában és az ¶rhajó- 1. ábra A jelölések értelmezése zásban fontos kritikus sebességek összefoglaló neve. Az els® kozmikus sebesség (körsebesség) az egy égitest körül körpályán haladó test sebessége (a Föld felszínén ez 7,91 km/s, Számításainkhoz a következ® jelöléseket hasz- azaz kb. 28000 km/h), a

második kozmikus sebesség (szökési sebesség) az égitest parabolapályán való elhagyásához náljuk: szükséges sebesség (a Föld felszínére 11,19 km/s). A harmadik kozmikus sebesség a Naprendszert parabolapályán 14 A harcászati ballisztikus rakétákat nem gyorsítják az elhagyó test indítási sebessége (a Föld távolságában 42,3 els® kozmikus sebességig. Miután az üzemanyag kiégett, a km/s). rakéta ballisztikus pályán haladva esik a Földre. 5 m v a m¶hold tömege (értéke közömbös) rendezzük az egyenletet, és a Föld sugarával kor- pálya Földfelszín feletti magassága : lyán r hgst = a körpálya sugara, azaz a m¶hold távolsága a Föld tömegközéppontjától h=r R a m¶holdpálya magassága a Föld v r  f
M  13 R = 35:864 km 2 Égi mechanika. felszínét®l mérve != Tehát a geostacionárius rigáljuk az eredményt. a m¶hold érint® irányú sebessége a körpá- Az égitestek valóságos

mozgá- sával foglalkozó csillagászati tudomány, alapja a Newton-féle gravitációs törvény. A továbbiakban a m¶hold szögsebessége a körpályán M = 5; 976
1024 kg csak ízelít®t adunk bel®le. a Föld tömege Még mindig a körpályánál maradva, a körpálya R = 6:378; 1km = 6; 3781
106 m egyenletének átrendezésével meghatározhatjuk a a Föld m¶hold mozgásának néhány zikai paraméterét a sugara = 2 1nap pálya sugarának függvényében. = 7; 272
10 5 rad a Föld forgásás nak szögsebessége f = 6; 67
10 11 zás állandója m3 kg
s2 A már levezetett összefüggés szerint a m¶hold sebessége v= az általános tömegvon- r f
M r azaz minél magasabb pályán kering a m¶hold, annál kisebb a sebessége. A számításokhoz abból indulunk ki, hogy a körpá- A változók cseréjével kapjuk a keringés szögse- lyán mozgó m¶holdra ható gravitációs er® éppen bességét : egyenl® a körpályán

tartáshoz szükséges centripetális er®vel: != M
m v2 f
2 = m
r r r f
M r3 azaz magasabb pályán a m¶hold szögsebessége is Egyszer¶sítés és átrendezés után a m¶hold sebes- kisebb. A geostacionárius pálya magassága alatt a ségét kapjuk: m¶hold siet, fölötte pedig késik  a Föld forgá- v= r M f
r sához képest letét is felhasználva: körüli körpálya egyenleté nek. r = R helyettesítéssel Em = m
kiszámít- ható az els® kozmikus sebesség : v1k = . A m¶hold mozgási energiája a körpálya egyen- A kapott összefüggést bátran nevezhetjük a Föld Az egyenletb®l 15 r m
M = f
2 2r v2 Magasabb pályán tehát kisebb a m¶hold mozgási M m f
= 7; 905
103 R s energiája. A m¶hold helyzeti energiája : Eh = f
Kiszámíthatjuk a geostacionárius pálya magassá- gát is. Ehhez a Föld szögsebességét vesszük alapul, ezzel megegyez® kell legyen a m¶hold körmoz- m
M r (A nulla szintet a végtelen

távolságban választot- gásának szögsebessége, tehát: tuk.) A negatív el®jel miatt nehéz észrevenni, de v != = r magasabb pályán a m¶hold helyzeti energiája na- gyobb ! 15 Feltéve, hogy a m¶hold a körpályán az Föld forgásával Ebb®l kifejezzük a sebességet, és azt helyettesítjük a körpálya egyenletébe, végül a pálya sugarára megegyez® irányban halad. 6 a sebesség csökken A hajtóm¶vek m¶ködtetése nélkül a m¶hold összes energiája állandó, azaz E = Em + Eh = : : : = f
m
M 2r = konstans Tehát a magasabb körpályán kering® m¶hold ener- legkisebb giája nagyobb (ne feledjük a negatív el®jelet!). a sebesség Az égi mechanikai paradoxon. sebesség elliptikus pálya növelés itt a A paradoxont m M eredeti pálya egy gondolatkísérlettel mutatjuk be. Képzeljük el, hogy egy ¶rhajóban a Föld körüli körpályán hala- a sebesség n® dunk, kikapcsolt hajtóm¶vel. Ugyanezen a pályán el®ttünk

egy másik ¶rhajó halad, szintén hajtóm¶- 2. ábra Pályamódosítás a sebesség növelésével vek nélkül, következésképpen sebessége a miénkkel megegyez®. Mit tegyünk, hogy utolérjük az el®ttünk haladó ¶rhajót? az eredeti körpályán. Földi körülmények között (mondjuk egy autó16 Kételkedjünk, és folytas- suk a gondolatkísérletet: az elliptikus pálya tükör- pályán) gyorsítanánk, hogy utolérjük az el®ttünk lassítanunk kell, hogy pontjában ismét növeljük hajónk sebességét, úgy, utolérjük: nagyjából ez az égi mechanikai parado- hogy a magasságot megtartva körpályán haladjon xon. tovább! haladót. Odafönn viszont A magyarázat végiggondolása némi türelmet igényel, de megéri. Körpályánk egy pontján rövid id®re kapcsoljuk be a hajtóm¶vet, és ezzel növeljük meg az érint® irányú sebességünket! Az eredmény: ¶rhajónk most nem tesz eleget a körpálya egyenletének, a beavatkozás

következtében ellipti- kus pályán folytatja útját. (A megnövelt kerületi 1. 2. sebesség mellett a gravitációs er® nem elég a kör- r1 sebesség pálya folytatásához, az ¶rhajó távolodik a Földt®l, M m sebesség növelés növelés az elliptikus pálya az eredeti körpályán kívül húzó- v1 dik.) Az elliptikus pályán érvényesül® törvényeket r2 Kepler állította fel (1609. illetve 1619), de most v2 igyekszünk nélkülük boldogulni. Az elliptikus pályán ¶rhajónk energiája konstans (hajtóm¶vek kikapcsolva). Amikor az ¶rhajó távolodik a Földt®l, akkor helyzeti energiája n®, mozgási energiája (sebessége) viszont csökken. A 3. ábra pályán körbe haladva az állandó érték¶ energia Kétszeres pályamódosítás a sebesség növelésével. egy része hol helyzeti, hol pedig mozgási energiá17 ban van jelen . Kepler törvényei alapján ezen a nagyobb ellip- Az új, nagyobb sugarú körön nagyobb az ¶r-

tikus pályán egy kör megtétele tovább tart, mint hajó energiája, ami rendben is van, hiszen növel- 16 Kényelmes és kézenfekv® lenne egyszer¶en behúzni az tük az energiáját kétszer is. De a nagyobb sugarú ¶rhajó kézifékjét, majd álló helyzetben megvárni, míg a körpályán a sebesség kisebb, a szögsebesség meg másik hajó fut egy kört. Sajnos ezt nem lehet, mert sebes- pláne kisebb, a Föld körüli mozgásunk tehát lelas- ség nélkül a gravitációs er® a Földhöz rántana. sult (pedig két ízben is gyorsítottunk). 17 Hasonló jelenséget tapasztalhatunk az L-C rezg®kör- Visszatérve eredeti feladatunkra: ha utol akar- nél: az induktivitás és a kapacitás periodikusan egymásnak adogatja az energiát, de a két elemben összesen mindig ál- juk érni a körpályán el®ttünk haladó ¶rhajót, landó az energia összege. akkor fékezve sebességünket alacsonyabb pályára 7 süllyedünk. Itt nagyobb lesz a

szögsebességünk, tehát beérhetjük az üldözött ¶rhajót. rozott pontjára irányuljon, mégpedig azonos ori- A kívánt entációval. Ez többféleképpen biztosítható Leg- hatás elérése után ismét növeljük a sebességet, és egyszer¶bbek a paszív tájolórendszerek, például a visszatérünk az eredeti körpályára. gravitációs tájolás. Fedélzeti energiát nem igényel, Az égi mechanikai paradoxon csak látszólagos a m¶hold geometriai kialakítása és tömegeloszlása ellentmondás, valójában a zika törvényei írják el® következtében meghatározott tengelyével mindig a tehetetlenségi pályán kering® test számára ezt a a helyi függ®leges irányba akar beállni. Hátránya különös viselkedést. a kis pontosság. Mindamellett a Föld körüli A modern m¶holdak aktív önirányítást hasz- pályán kering® m¶holdak man®verezése során az égi mechanikai paradoxon hatását gyelembe kell nálnak. venni.  kis

teljesítmény¶ mikrohajtóm¶veket tartalmaz. A tájolórendszer  az érzékel®kön kívül A rendszer el®nye a gyorsaság, hátránya hogy fe- Pálya perturbációk. A Kepler törvények sze- délzeti er®forrásokat használ, a korlátozott fedél- rint a pontszer¶ test gravitációs er®terében mozgó zeti üzemanyag-mennyiség miatt a m¶hold élet- test pályaelemei id®ben állandóak. A valóságban tartama véges. azonban érvényesül néhány zavaró tényez®:   A Föld tömegeloszlása eltér a 2.13 gömbszim- metrikustól, ezért a pontszer¶ égitestek ese- A következ®kben a földi mobil távközlés céljaira tére érvényes Kepler-törvények csak közelít®- alkalmas m¶holdpályákat vesszük sorra. Értelem- leg igazak. szer¶en valamennyi alkalmas pálya földkörüli. A m¶holdak keringési magasságában a Föld Geostacionárius pálya: (GEO). légköre igen ritka ugyan, de a közegellenállás A Föld kö- rüli

körpályán a Föld forgásával azonos szögsebes- miatt fellép® fékez®er® hatása nem hagyható ség¶ körpályát (kb. 36000 km magasságban) ge- gyelmen kívül. Ez a fékez®er® okozza a mes- oszinkron pályának nevezzük. terséges holdak véges élettartamát (függetle- Ha a pálya síkja megegyezik az egyenlít® síkjával, akkor geostacio- nül az aktív, azaz a m¶köd®képes élettartam- nárius pályáról beszélünk. Geostacionárius pálya tól).  M¶hold pályák esetén a m¶hold mindig azonos pontban látható A Nap és a Hold gravitációs hatása, a Nap a Földr®l nézve. 1999-ben a hírközlési célú forga- sugárzása szintén befolyásolja a pályát. lom elsöpr® többsége geostacionárius holdakon keresztül zajlik, várható azonban, hogy néhány éven A m¶holdak pályáját állandóan ellen®rzik, és a belül alacsonyabb pályán kering® holdak fognak perturbáló hatásokra létrejöv® pályahibákat kis-

meghatározó szerepet játszani  legalábbis a mo- teljesítmény¶ hajtóm¶vek szakaszos m¶ködtetésé- bil alkalmazások esetében. vel rendszeresen korrigálják. M¶holdak stabilizációja. A geostacionárius pálya el®nyei:  A magukra hagyott látszik a m¶hold, a földi berendezések anten- mesterséges égitestek el®bb-utóbb szabálytalan, náit elég egyszer irányba állítani, a m¶hold forgó-bukdácsoló mozgásba kezdenek. Ezt a testre követése nem szükséges. Ez f®leg a stabil földi aszimmetrikusan ható er®k  pl. a légköri fékez®- állomásoknál jelent el®nyt. dés  okozzák. Egyszer¶bb esetben tengely stabil iránya. Mivel a Földr®l nézve állandó pontban állni  megkövetelhet® egyetlen Az ilyen stabilitás általá- Két földi pont között m¶holdon keresztül létrehozott összeköttetés folytonosan fönntart- ban a m¶hold, vagy egyes részeinek tengely kö- ható, a m¶hold nem vándorol ki a képb®l. rüli

forgatásával egyszer¶en megvalósítható (pör-  getty¶ hatás). Egyetlen m¶holdról a Föld felszínének kb. Szigorúbb követelmény a három tengely körüli harmada ellátható. Elvileg három m¶holddal stabilizáció: a távközlési célú m¶holdaknál szüksé- a Föld egészére kiterjed® szolgáltatás nyújt- ges, hogy az antenna mindig a Föld egy meghatá- ható (eltekintve a pólusok környékét®l). 8 A geostacionárius pálya hátrányai:  A Föld-felszín és a m¶hold közötti nagy távolság miatt a rádiójelek jelent®sen csillapodnak, ezért a földi állomásokban általá-  A jelterjedési id® lényegesen rövidebb, mint  A m¶hold pályára állítása olcsóbb, egyetlen hordozó rakéta akár 3 m¶holdat is felvihet ban nagy nyereség¶ irányított antennákat kell egyszerre. használni.  A LEO pálya hátrányai: Az elektromágneses hullám véges terjedési se-  bessége nagy késleltetést okoz. Két földi

pont közötti párbeszéd esetén 4-szer kell megten- egy földi állomás kiszolgálásához több holdra van szükség. válasz megérkezik. Ez kb 150000 km távol- a födi állomás kiszolgálását a m¶holdak au- ság, azaz fél másodperces válaszid®re számít- tomatikusan átadják a soron következ®nek hatunk. A beszélget® feleknek némi türelmet (hand-over).  más szavába vágnak. att viszonylag sok (kb. 50) holdból álló m¶- holdas rendszer szükséges a globális szolgáltatáshoz. A geostacionárius pályán túl sok távközlési  A Földr®l nagyjából azonos szögben látszó holként jelentkezik az egyes összeköttetések szá- A LEO pálya alkalmazása távközlési szolgálta- mára. Egyre nagyobb az összeütközés veszé- tásra csak a 90-es évek végén vált reális célkit¶- lye is. Különösen nagy a veszély a már üzem- zéssé: a sok m¶holdból álló rendszer kiépítése és képtelenül sodródó holdak miatt.

m¶ködtetése csak nagy számú földi el®zet® esetén gazdaságos. A magasan húzódó geostacionárius pályára Az Iridium rendszer 1998. októberében kezdte igen költséges a m¶hold feljuttatása. meg a szolgáltatást mobil el®zet®k számára. 780 A mobil alkalmazások szempontjából a geostaci- km magasságban 66 m¶hold poláris körpályán ke- onárius pálya használói közül a legjelent®sebb az ring. A beruházás teljes költsége Inmarsat rendszer, mely négy m¶holddal a Föld nagyon rossz, a LEO kategóriában két új rendszer sarkvidékeket). is várható a közeljöv®ben. A Globalstar (1414 km, 48 hold) 1999. közepe után, a Skybridge (1457 Földközeli pálya: LEO (Low Earth Orbit). km, 64 hold) 2001. végén tervezi a szolgáltatás A tipikus pályamagasság kb. 1000 km a Föld fel- beindítását. Itt már elég ritka a légkör ahhoz, hogy ne fékezze jelent®sen a m¶holdat. A tipikus Közepes magasságú pálya: MEO (Medium

Earth Orbit). A MEO pálya kompromisszum keringési id® 1,5. 2 óra, a magasság függvényében eredménye: a tipikus 10.000 km magasság esetén A LEO pálya el®nyei:  4; 4
109 USD. Bár az Iridium els® féléves gazdasági eredménye egészére kiterjed® szolgáltatást nyújt (kivéve a színe fölött. A légkör fékez® hatása miatt a m¶holdak élettartama viszonylag rövid (5. 10 év) dak rádiójelei interferálnak, ami rádiózavar-  A kis magasság miatt egy m¶hold viszonylag ból 6.000 km átmér®j¶ földi területet) Emi- tók ki geostacionárius m¶holddal (a pólusok célú m¶hold kering (1994-ben kb. 200) Azt is meg kell oldani, hogy kis földi területet képes besugározni (nagyjá- A sarkkörökön túli területek nem szolgálhanem látszanak az egyenlít® feletti pályáról).  A Földr®l nézve a m¶hold vándorol, ezért nie a Föld-m¶hold utat a rádiójelnek, mire a kell tanusítaniuk, különben rendszeresen egy- 

geostacionárius pálya esetén. jobbak a rádióhullám vételének paraméterei (ki- A Föld-felszínt®l kis távolságban kering® m¶- sebb csillapítás, kisebb késleltetés), mint GEO pá- holddal jobbak a rádióösszeköttetés feltéte- lya esetén, viszont nagyobb terület sugározható be lei. Kisebb a csillapítás, tehát kisebb telje- egy holdról, mint LEO esetén, tehát kevesebb m¶- sítmény¶ adó-vev®k használhatók, irányított hold szükséges a globális lefedéshez. A m¶holdak antenna sem szükséges. keringési ideje is nagyobb (5. 6 óra), ezért a soft 9 Itt nagyon lelassul a m¶hold MEO GEO LEO A keringési id® nagyobbik részében az északi félteke Föld fölött van a m¶hold Észak Föld 4. ábra M¶hold pályák méretarányos rajza Dél 5. ábra Elliptikus Föld-körüli pálya handover megvalósítása sem feltétlenül szükséges. MEO kategóriában az Inmarsat-ból kivált ICO 18 vállalat fog els®ként

szolgáltatni 2000. má- elviselnie. sodik felét®l. A rendszer 10355 km magasságban 10 holdat fog tartalmazni. Elliptikus pálya. Kilövés. A Földön az északi félteke s¶- kezik. A nagy mechanikai megterhelés elviselésére r¶bben lakott és gazdagabb, tehát a potenciális az áramkörök paneljeit merevít®kkel látják el, a mobil el®zet®k száma itt nagyobb. Gazdaságos nagyobb alkatrészeket bilincsekkel rögzítik. megoldás lehet olyan aszimmetrikus pályán üzemeltetni a holdakat, amely illeszkedik a felhaszná- Légüres tér. lók földi eloszlásához. Az elliptikus pályán a Föld moszféra létrehozásának a m¶holdon. A legtöbb a m¶hold, így a keringési id® nagyobbik részében a elektronikai alkatrész minden további nélkül hasz- Földt®l távoli pályaszakaszon található (5. ábra) 19 nálható Az Ellipso rendszer szolgáltatásainak beindu- . Mivel pályáján a m¶hold légüres térben mozog, lása 2002-re várható.

Az Ellipso LEO pályákon és nincs értelme foglalkozni a szerkezet aerodinami- er®sen elnyújtott elliptikus pályákon kering® hol- kai tulajdonságaival dakat is tartalmaz. Az elliptikus pályán a holdak 20 . A legtöbb m¶hold úgy néz ki, mint egy összebuherált tákolmány. legkisebb/legnagyobb magassága 633/7.605 km Az igazán nagy probléma az elektronika h¶tése. Földi körülmények között a leggyakrabban a lég- Elektronika 2.21 Mivel a távközlési célú m¶holdon ember nem tartózkodik, nincs értelme földi at- közelében felgyorsul, a Földt®l távol pedig lelassul 2.2 A startkor a hajtóm¶vekb®l kilövellt gáz turbulenciája miatt igen heves vibráció kelet- h¶tést alkalmazzák, a m¶holdon azonban csak h®- Különleges követelmények vezetéssel lehet a h®t elvonni a meleged® alkatrészt®l, majd sugárzással lehet megszabadulni a A földi környezethez képest a m¶hold elektroni- 19 Gondot okozhat festékek,

ragasztóanyagok párolgása, kájának különleges környezeti körülményeket kell de ez inkább csak tudományos célú m¶holdaknál veszélyes. 18 Az elnevezés eredetileg az Intermediate Circular Orbit - 20 A startkor a m¶hold napelemei és antennái össze van- ból képzett mozaikszó, a cég neve ma ICO Global Commu- nak hajtogatva, és az egészet egy áramvonalas kupola fedi, nications. amit a légkörön kívül eltávolítanak. 10 felesleges h®t®l. továbbá rendkívül alacsony az egységnyi energia tárolásához szükséges térfogatuk és tömegük. Súlytalanság. Az A súlytalanság nagy el®ny, ez te- A szi lehet®vé, hogy hatalmas méret¶ napelemeket rések lehessen odafönn szétteregetni. Mivel leveg® úgy 21 sincs, a konvekciós h¶tés szóba sem jöhet cellák során a fellép® élettartama véges. meteoerózió, megterhelés a és napkitö- a periodi- kus felmelegedés-leh¶lés (földárnyék) következté- , a

gra- ben elöregednek. vitáció tehát nem hiányzik. Abszolút zérus fok. energiaellátó rendszer napelem Hasonlóan elöregednek az ak- kumulátorok a periodikus feltöltés-kisütés következtében. A legjobb esetben 10-15 év élettartam A világ¶rben nagyon hi- biztosítható. deg van, mégis a túlmelegedés elleni védekezés okozza a legtöbb problémát. Hiába van ugyanis hideg, nincs közvetít® közeg, amellyel a h®t el le- Kozmikus sugárzás. hetne vezetni. A m¶hold ki van téve a Nap sugár- részecskék zásának. A felfogott energia egy részét a napkol- árama a kozmikus térben, amely állandóan és min- lektorok elektromos energiává alakítják, majd en- den irányból bombázza a Föld légkörét. nek egy része h®vé alakul az elektronikában (vesz- légköre hatásosan sz¶ri ezt a sugárzást, a m¶hold teségek). A Nap sugárzása közvetlenül is éri a m¶- elektronikája azonban ki van téve a sugárzásnak, holdat, ez

ellen árnyékvet® lemezekkel védekeznek. különösen a magasabb pályákon. (f®ként Nagy energiájú töltött protonok és alfarészecskék) A Föld hogy (különösen az alacsony Bizonyos védelem nyújtható a sugárzást elnyel® pályán kering® holdak esetében) id®nként Föld- árnyékokoló burkolat alkalmazásával, de ez lénye- árnyékba kerül a hold, a napsugárzás tehát nem gesen növeli a m¶hold súlyát. Id®vel az árnyékoló egyenletesen, hanem periodikusan éri a holdat. anyag maga is sugárzóvá válik. Tetézi a bajt, A becsapódó részecskék Mindent egybevéve a h®egyensúly megteremtése, annál nagyobb kárt a h¶t®rendszer méretezése az egyik legkomolyabb tudnak okozni, minél nagyobb hányadát károsít- feladat egy m¶hold tervezése során. ják egy elektronikus alkatrésznek. A legkorsze- r¶bb integrált áramkörökben olyan kis méret¶ek Energiaellátás. m¶ködtetéséhez A m¶hold szükséges

napelemekkel nyerik. az elemi alkatrészek (tranzisztorok), hogy egyet- elektronikájának elektromos len részecske becsapódása tönkre tud tenni egy energiát tranzisztort, emiatt tipikusan az egész integrált A napelemtáblákat a tá- áramkör használhatatlanná válik. Ezért lehet®leg joló rendszer irányítja a Nap sugárzására mer®leges síkba. korszer¶tlen, kis bonyolultságú integrált áramkö- A jelenlegi technológiai fejlettségi szinten a napelemtáblák kb. 100 röket használnak (kapuk, számlálók, stb.), ahol a W=m2 elektro- mos teljesítmény leadására képesek. tranzisztorok mérete nagyobb. Az energi- aellátó rendszer a nagyobb m¶holdak esetében is Megbízhatóság. csak 3. 4 kW teljesítményt szolgáltat A Föld körül kering® m¶hold pályájának egy A m¶hold pályára állítása rendkívül költséges, és szervizelésre nincs lehet®22 szakasza a Föld árnyékában húzódik, ahol a nape- ség lemek nem

termelnek elektromos energiát. Ebben nak érdekében, hogy a m¶hold elektronikája m¶- . Következésképpen mindent elkövetnek an- a tartományban akkumulátorokkal biztosítják az köd®képes legyen a tervezett élettartamban. energiaellátást, az akkumulátorokat a napfényes szakaszon töltik fel ismét. Ezüst-cink vagy nikkel- Konstrukció. kadmium akkumulátorokat használnak, ezek jól Robusztus, bevált áramköri megoldásokat alkalmaznak, az újdonságokat nem elviselik a startkor fellép® mechanikus igénybe- a m¶holdon kell tesztelni. vételeket, a széls®séges h®mérséklet-változásokat, A rendszertechni- kai konstrukció tartalék-egységeket, tartalék jel- 21 Földi atmoszférával ellátott, lakott ¶rhajóban sem utakat tartalmaz, amikkel szükség esetén pótolni m¶ködik a konvekciós h¶tés, mert a súlytalanság állapotában a leveg®nek nincs fajsúlya. Ezért sok földi használatra 22 Igaz, hogy az amerikaiak felmentek

az ¶rrepül®vel ki- készített berendezés ott sem használható  helyi túlmele- javítani a Huble ¶rteleszkóp hibáját, de ez olyan költséges gedés miatt tönkremegy. vállalkozás, hogy csak kivételes esetben nanszírozható. 11 lehet a meghibásodott egységeket. Külön gyel- bonyolultabb a tesztel® berendezés, mint a vizs- met fordítanak az egyes egységek csatlakozó felü- gált elektronika maga. Sokszor nagyobb mérnöki letének (interface) kialakítására: egy meghibáso- feladat a tesztberendezés elkészítése, mint a m¶- dott egység nem teheti tönkre a hozzá csatlakozó hold elektronikáé. többi egységet. M¶hold vezérlés. Gyártás. Különleges alkatrészekb®l és közlési kü- A m¶holdon elhelyezett táv- rádiórendszer tölti be a m¶hold alap- lönleges körülmények között történik a m¶hold funkcióját. Ezen felül a m¶holdon elhelyeznek egy elektronika építése. A felhasználható

alkatrész- független, külön rádió adó-vev®t, külön antennák- típusokat a m¶ködési h®mérséklet-tartomány és a kal, ezen keresztül a m¶hold paramétereinek meg- sugár-terhelhet®ség alapján választják ki. gyelését, valamint vezérl® parancsok kiadását teszik lehet®vé. Az így kialakított jelkapcsolatot te- A konstrukció kipróbálása céljából elektromos modellt építenek. lemetria és kontrol csatornának nevezik (T&C). Ez minden szempontból úgy m¶ködik, mint a végleges elektronika, csak a kü- A T&C csatorna kezelésére egy vagy több földi lönleges mechanikai és h®mérsékleti t¶rést nem állomást telepítenek, ezeket telemetria állomások- teljesíti. nak hívják. Folyamatosan monitorozzák a m¶hold A modell alapján elvégzik a szükséges pozícióját, az elektromos és h®mérsékleti adato- módosításokat. kat. A repül® példányba beépítend® alkatrészeket külön tesztelik, nyúzásnak

teszik ki (h¶tik-f¶tik, ma- korrekció elvégzésére, ximális tápfeszültséggel járatják, stb.), hogy biz23 tosan strapabírók-e Szükség esetén a Földr®l felküldött paran- csokkal utasítják a m¶hold hajtóm¶veit a pályailletve az elektronikát az üzemmód átváltására. . A különleges gyelemnek köszönhet®en ezek a dedikált alkatrészek kb. 100- 2.22 szor drágábbak. Az áramkörök építése pontos technológiával, pormentes szobában történik. Tipikus m¶hold elektronika A távközlési funkción felül rengeteg mér®egységet, Legalább két re- ellen®rz® és vezérl® egységet tartalmaz a m¶hold pül® példányt készítenek, mert a kilövés pillana- elektronikája, a továbbiakban azonban csak a táv- táig a m¶hold szerelési munkálatai pontosan üte- közlési feladatra szolgáló elektronikát ismertetjük. mezve vannak, és nem lehet eltolni a startot azért, mert az elektronikával történt valami (például

A m¶holdas kapcsolat alapelve. leejtették). A legtöbb esetben a m¶hold egyszer¶ ismétl® állomásként Tesztelés. A részegységeket (repeater) m¶ködik: semmiféle feldolgozást nem külön-külön végez a Földr®l vett jelen. Egyszer¶en csak er®síti tesztelik, majd az ezekb®l összeépített nagyobb a vett jelet, majd visszasugározza a Földre. funkcionális egységeket, végül a teljes m¶hold- m¶holdas ismétl® állomás elektronikát is tesztelik. A tesztsorozat el®írásai a konstrukció részét képezik, pontosan megtervezik, hogy az összeszerelés egyes lépései után milyen teszteket kell elvégezni. uplink Ahogy dagad az összeszerelt elektronika, úgy válik egyre bonyolultabbá a m¶ködés ellen®rzése. Egy bizonyos komplexitás után általános célú m¶- downlink szerekkel már nem végezhet®k el a szükséges mérések. A nagyobb egységek, végül pedig a teljes m¶- Föld hold ellen®rzéséhez külön

cél-berendezéseket épí- A tenek. Különös, de tipikusan egy nagyságrenddel 23 Egyes konstrukt®rök szerint az alapos tesztelés B 6. ábra A m¶holdas kapcsolat alapelve annyira megviseli az alkatrészt, hogy ezután már tényleg jó esély van arra, hogy gyorsan tönkremenjen. 12 sávsz¶r® kiszajú teljesítmény er®sít® er®sít® sávsz¶r® sávsz¶r® sávsz¶r® oszcillátor uplink downlink kever® 7. ábra M¶holdas átjátszó blokksémája Néhány alapfogalom:     A rádiókapcsolatra általában 2GHz fölötti rádiófrekvenciákat használnak. A földi légkör csil- Az A és B földi állomások között a m¶- lapítása a frekvenciával monoton n®, ezért tipiku- hold segítségével létrehozott, egyidej¶leg két- san a downlink frekvenciája alacsonyabb, mint az irányú (fullduplex) összeköttetés neve: áram- uplink-é. Így a m¶hold rádióadójának teljesítmé- kör (circuit). nye kisebb lehet. A

m¶holdas átjátszó állomás védtelen az ille- Az egyik földi állomásról a másikra vezet® téktelen felhasználókkal szemben egyirányú jel-út neve: csatorna (channel). . Elvileg bárki képes használni a m¶holdat, aki tudja hol van, milyen frekvenciasávban dolgozik és milyen irá- Egy földi állomásról a m¶holdra irányuló egy- nyítású antennákkal, továbbá van elegend® szak- irányú átviteli kapcsolat neve: uplink. értelme és pénze . és persze hajlandó kockáztatni A lelkes amat®rök támadásait elkerülend® A m¶holdról egy földi állomásra irányuló egy- számukra több amat®r átjátszó holdat is pályára irányú átviteli kapcsolat neve: downlink. A m¶holdas átjátszó felépítése. 25 állítottak, ezeket az amat®rök egyesületükön keresztül jogszer¶en használhatják. Az egy csa- torna létrehozásához szükséges elemeket mutatjuk 2.23 be (7. ábra), a teljes áramkör létrehozásához a bemutatásra

kerül® szerkezetb®l két darab kell Tipikus földi állomás A földi állomások funkciójuk, antenna átmér®jük, teljesítményük alapján kategorizálhatók, igen szé- A vev® antennára érkez® jelet diszjunkt frekvenciasávokra bontják. Az egyes sávokat külön-külön les skálán: er®sít®lánccal er®sítve, végül a jeleket összegezve gateaway állomásoktól a kézi mobil készülékekig. a 30m antenna-átmér®j¶ nemzetközi táplálják az adó antennát. Az egyes sávok er®sít®- Most egy átlagos gateaway állomás felépítését is- inek m¶ködési módjai külön-külön vezérelhet®ek. mertetjük (8. ábra) A xen telepített földi állomás általában több Az uplink és a downlink eltér® frekvenciasávot használ. A vett rádiójelet er®sítés után egy másik méter átmér®j¶ parabola antennát használ. frekvenciára transzponálják, majd ezen az új frek- nagy mérettel növelhet® az antenna nyereség, ki- vencián

er®sítik tovább. A frekvencia-váltással el- sebb teljesítmény¶ rádióadó és kisebb érzékeny- kerülhet®, hogy a nagy er®sítés¶ er®sít®lánc be- ség¶ rádióvev® is megfelel a m¶holdon. A nagy- 24 gerjedjen A méret¶ antenna és telepítése költséges, ezért ti- . pikusan közös antennát használnak adás és vétel 24 Elkerülhetetlen, hogy jel jusson vissza az adó antenná- irányban. A két irány rádiójelét (a diszjunkt frek- ról a vev® antennára. Ha azonos frekvencián valósítanák meg a nagy er®sítést, akkor jó eséllyel kialakulna egy olyan venciasávok alkalmazásán felül) a rádióhullámok hurok, ahol a huroker®sítés egységnyinél nagyobb (vala- egymásra mer®leges polarizációjával is igyekeznek hogy így m¶ködik az oszcillátor ). Az er®sít®láncba ikta- elkülöníteni. tott frekvenciaváltás révén az adási oldalról a bemenetre Az antenna pontos beállításáról, a 25 Ez a földi

átjátszók esetében is így van. visszajutó jel egy idegen frekvenciára keveredik. 13 teljesítmény uplink er®sít® antenna sávsz¶r® felkeverés modulátor alapsávi feldolgozás földi irány kiszajú csatoló interfész er®sít® távközlési hálózat downlink sávsz¶r® lekeverés demodulátor alapsávi feldolgozás antenna irányító rendszer UPS polarizáció követ® dízel ac/dc generátor átalakító rendszer váltóáramú táplálás egyenáramú táplálás földi villamosenergia hálózat 8. ábra Földi állomás blokksémája Frekvencia 3 Hz. 30 kHz 30. 300 kHz 0,3. 3 MHz 3. 30 MHz 30. 300 MHz 0,3. 3 GHz 3. 30 GHz 30. 300 GHz 103 : : : 107 GHz Hullámhossz [m] Elnevezés 10 10 10 10 103 : : : 102 102 : : : 10 10 : : : 1 Very High frequency (VHF) 1 : : : 10 Ultrahigh frequency (UHF) 8. 4::: 4 3 Very low frequency (VLF) Id® etalon sugárzás Low frequency (LF) Medium frequency (MF)

Középhullámú m¶sorszórók High frequency (HF) Rövidhullámú m¶sorszórók URH rádió, TV TV m¶sorszórók, 1 10 1 : : : 10 Megjegyzés összekötteté- sek, m¶holdak 2 10 2 : : : 10 3 3
10 5 : : : 3
10 mikrohullámú Superhigh frequency (SHF) mikrohullámú összekötteté- sek, m¶holdak 9 Extremely high frequency (EHF) mikrohullámú összeköttetések Infrared, visible light, ultraviolet Távirányítók, optocsatolók 1. táblázat Elektromágneses frekvencia spektrum 14 m¶hold-irány követésér®l egy szervorendszer gon- Az anyag az alábbi irodalom felhasználásával doskodik. készült:  Az antennáról vett jelet alacsonyabb frekvenciára keverik, és itt végzik el a demodulációt. Az munication System Engineering, Prentice- alapsávi jelet feldolgozó egység kialakítása az állomás funkciójától függ. Hall, Általában a földi táv- Inc., Englewood Clis, New Jersey 07632, ISBN 0-13-791245-5 025, 1986.

közlési hálózathoz csatolják a m¶holdon keresztül kommunikáló felhasználó jelét. W. L Pritchard, JA Sciulli: Satellite Com-  Az uplink irány- ban fordított sorrendben és -értelemben végzik el T. T Ha: Digital Satellite Communications, McGraw-Hill Publishing Company, ISBN 0- az egyes m¶veleteket. 07-100752-0, 1990. A földi állomás folytonos üzemének érdekében  tartalék dízel generátort indítanak be, ha a ve- Almár I., Both E, Horváth A: SH atlasz: zetékes energiaellátás megszakad. Az elektronika –rtan, Springer Hungarica Kiadó Kft., ISBN táplálásán felül az infrastruktúra folyamatos ener- 963 8455 82 9, 1996. giaellátásáról is gondoskodni kell (világítás, irodai gépek, stb.) 2.24 Frekvenciasávok A teljes elektromágneses spektrumból (1. táblá- zat) a m¶holdas átvitelre tipikusan az 1 GHz feletti tartományt használják. Ebben a tartományban a rádiótechnika számára egy nomabb felosztás is

használatos (2 táblázat) Frekvenciasáv Tartomány L 1. 2 S 2. 4 C 4. 8 X 8. 12 Ku 12. 18 K 18. 27 Ka 27. 40 Millimeter [GHz] 1976. óta dolgozom a BME Híradástechnikai Tanszékén. A Mobil Hírközl® Rendszerek tárgyon kívül Elektronikát tanítok. 40. 300 Katonai és polgári célú, egyedi rádiórendszerekkel foglalkozom, els®sorban a moduláció és demo- 2. táblázat M¶holdas frekvencia sávok duláció megvalósításával, valamint az összeköttetés algoritmusainak kialakításával. Az egyes m¶holdak által használt frekvencia tartományokat nem csak egymással, hanem a földi rádiórendszerekkel is össze kell hangolni. A frekvenciák kiosztását az ENSZ erre szakosodott szervezete, a Nemzetközi Távközlési Szövetség (International Telecommunication Union, ITU) végzi. Egy globális m¶holdas távközlési rendszer Szívesen veszek az anyaggal kapcsolatos minden létrehozásához többéves

el®készít® munkát jelent megjegyzést és kiegészítést. a használni kívánt frekvenciasáv felszabadítása. Mihály Zsigmond: mihaly@hit.bmehu BME-HIT  1999. 15