GPS alapú helymeghatározás technológiáról

Kezdőlap Blog GPS alapú helymeghatározás technológiáról

A GPS nyomkövetők többsége GPRS kapcsolatot használ kommunikációra és adatátvitelre. A GPRS hálózat jó és optimális választásnak tűnik. Nagyon elterjedt, jellemzően nem drága, és sokféle szolgáltató közül lehet választani. A széles körben elterjedt hálózati csomópontok szinte azonnali csatlakozást és adatátvitelt tesznek lehetővé az alacsony fekvésű területektől a sűrűn lakott területekig. A GPRS azonban nem fedi le a világ 100%-át. Vannak országok, ahol gyenge a lefedettség. A háború vagy természeti katasztrófák által sújtott zónákban napokig megszakadhat a kapcsolat. Hasonló nehézségek merülhetnek fel a tengeren vagy a földrajzi pólusokon. Itt jól jöhet a műholdas kapcsolat. Ebben a cikkben megvizsgáljuk a telefonhoz és internethez használt műholdas kapcsolatokat, azok történetét és jelenlegi alkalmazásait

 

 

 

A műholdas hálózatok rövid története

Az első mesterséges műholdat, a Szputnyik 1-et 1957-ben a Szovjetunió bocsátotta fel.
Ez egy fémgolyó volt, 58,5 cm (23 hüvelyk) átmérőjű, 4 külső antennával. Az 1 wattos rádió átviteli egység által kibocsátott jeleket 2000 km-es hatótávolságon belül bármely amatőr rádiórajongó képes fogadni. Ez a kilövés jelentette az űrkorszak kezdetét és ösztönözte a műholdas hálózatok fejlődését. A korai kommunikációs műholdak passzív módban működtek, egyszerűen visszatükrözték a jelet a forrástól a vevő felé.

Ennek eredményeként a végjel rendkívül gyenge volt, mivel a legtöbb energia elveszett. Az aktív relé kommunikációs műholdak szinte teljesen felváltották a passzívakat. Elődeiktől eltérően ezek felerősítik a jelet, mielőtt újra továbbítanák a földi állomásra. A SCORE projekt volt az első aktív közvetítő műhold. 8 órán keresztül működött, és Eisenhower karácsonyi beszédét mondta el a világnak. A fejlődés előrehaladtával a műholdas kommunikáció jövőbeli kilátásai világosabbá váltak, a kereskedelmi alkalmazások egyre inkább megvalósíthatóvá váltak. 1962-ben felbocsátották az első kereskedelmi kommunikációs műholdat.

 

 

 

 

 

Ekkorra a műholdakat közepes vagy alacsony földi pályára állították. Nagy keringési sebességük volt, ezért nem maradhattak láthatóak a Föld egyetlen pontjáról sem.  Úgy tűnt, hogy áthaladtak az égen, és eltűntek.

Az efféle működés problémákat vetett fel a folyamatos szolgáltatás szempontjából, mivel minden rendszernek nagy mennyiségű műholdra volt szüksége a kapcsolat megőrzéséhez. Ez a probléma megoldható volt geostacionárius pályák használatával.

A Syncom 3 lett az első geostacionárius műhold. 1964-ben állították pályára és arra használták, hogy a japán nyári olimpiát élőben közvetítsék az Egyesült Államokba.
 

A műholdas rádió és a TV sikere nem maradt észrevétlen.
Az első kereskedelmi műholdas telefon-kommunikációs rendszereket a 70-es évek közepén indították el.
Ezeket az akkoriban nagyon terjedelmes és drága sejtrendszerek alternatívájaként fejlesztették ki.

Mire az első kereskedelmi műholdas hálózat elindult, a GPRS és a mobiltelefonok már eléggé fejlettek voltak ahhoz, hogy olcsón és széles körben elérhetőek legyenek.
Manapság a műholdas telefon- és internetes rendszereket gyakrabban használják olyan alkalmazásokhoz, mint a katasztrófa elhárítás, a katonai kommunikáció, a légi és tengeri kommunikáció, valamint a távoli területek összekapcsolása.

2021. január 1-jén 2224 kommunikációs műhold kering a Föld körül.

 

 

 

 

Hogyan működnek a műholdas hálózatok

 

Minden műholdas hálózat általában 3 fő összetevőt tartalmaz:

  • Műholdak
  • Földi állomások
  • Terminálok (kézi beszélők)

Általában, ha műholdas hálózaton keresztül csatlakozik, a kézi beszélő először a műholdra csatlakozik. A műhold viszont továbbítja a jelet a földi állomásnak további útválasztás céljából. A fejlett műholdas hálózatok átadhatják a kapcsolatot egymás között, hogy fenntartsák azt, vagy akár földi állomások használata nélkül is továbbítsák a jelet.

A műholdak a Földtől való távolságuk alapján több pályára is kerülhetnek. Ha telefon- és internetes hálózatokról van szó, pályájuk alapján általában két típusra oszthatók:

  • Magas geo stacionárius pálya (GEO), 35 786 kilométerrel (22 236 mérföld) a Föld felett
  • Alacsony Föld körüli pálya (LEO), 640-1120 kilométer (400-700 mérföld) a Föld felett

Az első típusok közel folyamatos globális lefedettséget tudnak biztosítani sokkal kevesebb műholddal, mindössze 3-4 műholddal, ahol a LEO működéséhez 40-70 egységre lehet szükség. Noha ez alacsonyan tartja az indítási költségeket, maguk a GEO műholdak nagyon nehezek, ezért nehezebb és drágább megépíteni és elindítani őket, mint LEO analógjaikat. A LEO műholdak alacsonyabb késleltetést, de kisebb sávszélességet is biztosítanak, nagyjából 2-9 kbit/s-nál, szemben a geo stacionárius műholdak által biztosított 60-512 kbit/s sebességgel. A technológia fejlődésével a hálózat sebessége javul.

 

 A geo stacionárius rendszerek másik hátránya, hogy csak alacsonyabb tengerszint feletti magasságban használhatók, körülbelül az Egyenlítőtől északra 70 fok és délre 70 fok között. A dombok, hegyek és sűrű erdők akadályozhatják a jelzést. A LEO műholdaknál nincsenek ilyen problémák, mivel több műhold is elhalad mellette. A LEO műholdakat nem rögzítik a Föld egyetlen pontjára sem, a vállalatoknak gondoskodniuk kell arról, hogy a szolgáltatás ne kerüljön le. Emiatt a LEO műholdak jellemzően egy műhold-konstellációba kapcsolódnak, némelyikben lehetőség van műholdak közötti kommunikációra. A hálózaton belül a műholdak jellemzően orbitális síkra vannak osztva.

 

 

Műhold és a GPRS különbsége

Míg a GPRS fejlődött, a műholdas telefonok és terminálok nem álltak egy helyen. Ma már egyes terminálok mérete nem különbözik egy átlagos okos telefon méretétől. A mobilhálózatokhoz képest a műholdak a következő előnyökkel rendelkeznek:

  • Jobb hálózati lefedettség
  • Titkosított adatátvitel
  • A jelet nem befolyásolják az időjárási viszonyok

A hálózati lefedettség a fő előny. A földi cellatornyokhoz nem kötődő műholdrendszerek távoli telepítésekhez, légi és tengeri alkalmazásokhoz, katasztrófa elhárításhoz és még sok máshoz használhatók, még a legtávolabbi csapatokat is összekötve. A szabadidős és tudományos alkalmazások sem ritkák. Akár a hegyekben túrázik, akár egy sarki expedíció részese, a műholdas kapcsolat segít a kapcsolattartásban. Nincsenek tökéletes rendszerek, így a műholdaknak is vannak hátrányai, amelyek közül a legfontosabbak:

  • Magasabb árak a hardverre és a szolgáltatásokra
  • Alacsonyabb csatlakozási sebesség
  • A hálózatok közötti váltás képtelensége

A hálózat üzemeltetési költségei magasabbak a műholdak esetében, ezért magasabbak a szolgáltatók díjai. Azonban bérleti tervek is rendelkezésre állnak. A kézi beszélőket általában egy bizonyos szolgáltatónál való használatra építik és értékesítik és nem szerkeszthetők úgy, hogy egy másik hálózathoz kapcsolódjanak. Ezen túlmenően a helyi törvények és korlátozások miatt maguk a készülékek nehezen elérhetőek.

 

Jelenlegi műholdas rendszerek

Iridium műholdas rendszer

Az Iridium projekt 1988-ban indult. A hálózatot 77 műholdból tervezték és egy azonos rendszámú kémiai elemről nevezték el, az Iridiumról. Később felfedezték, hogy mindössze 66 keresztkötésű Low Earth Orbit (LEO) műhold lenne elegendő ahhoz, hogy teljes lefedettséget biztosítson az egész világon, beleértve az óceánokat, a légutakat és a sarki régiókat. A rendszert a Motorola pénzügyi segítségével fejlesztették ki és az első teszthívás 1997-ben fejeződött be. A kereskedelmi hálózat 1998. november 1-jén vált teljeskörűen működőképessé. Az eredeti műholdak élettartamát 8 évre tervezték, de a cseréig tovább működtek a továbbfejlesztett Iridium-NEXT műholdak által. A továbbfejlesztett rendszert 2017 és 2019 között telepítette Elon Musk, a Tesla autómárkát létrehozó nevéhez fűződő SpaceX cég.

Az Iridium műholdak térhálósított mesh infrastruktúrával rendelkeznek, amely lehetővé teszi a jelek egymás közötti átadását, javítva a szolgáltatás folytonosságát. A műholdak Ka sáv műholdak közötti kapcsolatokon keresztül kommunikálnak egymással. Mindegyiknek legfeljebb négy műholdak közötti kapcsolata lehet: jellemzően két kapcsolat az azonos pályasíkban lévő szomszédokkal és kettő a szomszédos síkon lévő műholdakkal mindkét oldalon. Az Iridium földi állomásokat is használ, amelyek a számukra látható műholdakon keresztül kapcsolódnak a hálózathoz. Jelenleg 4 állomás van: 2 az USA-ban, 1 Európában és 1 Dél-Amerikában. Az Iridium földi állomások világszerte összekapcsolják a műholdas hálózatot a szárazföldi vezetékes vagy vezeték nélküli infrastruktúrákkal a rendelkezésre állás javítása érdekében. Az egyik műholdas telefonról a másikra irányuló hívások azonban közvetlenül az űrben is átirányíthatók anélkül, hogy földi állomáson kellene keresztülmenniük. A 66 aktív műholdból álló konstelláció hat, egymástól 30°-os távolságra elhelyezkedő pályasíkkal rendelkezik, minden síkon 11 műhold található (a tartalékokat nem számítva). Jelenleg az Iridium a legnagyobb kereskedelmi forgalomban kapható műhold-konstelláció.

 

Inmarsat műholdas rendszer

Az Inmarsat egy brit műholdas távközlési vállalat.  A társaság a Nemzetközi Tengerészeti Műholdszervezetből (INMARSAT) indult, amelyet 1979-ben hoztak létre azzal a céllal, hogy az Egyesült Nemzetek tengeri közössége számára műholdas kommunikációs hálózatot hozzanak létre és ezt üzemeltessék. 1999-ben a vállalatot privatizálták, működési egységét pedig szétválasztották az Egyesült Királyságbeli székhelyű Inmarsat Ltd-vé. Az Inmarsat volt az első privatizált nemzetközi műholdas szervezet. Amikor csatlakozik az Inmarsathoz, a terminál először a műholdra csatlakozik. Ezután a műhold adatokat továbbít az egyik földi állomásra, hogy azokat a célállomásra szállítsák.

Az Iridiummal ellentétben az Inmarsat 14 geo stacionárius műholdat használ. A műholdak különböző sorozatokhoz tartoznak és különböző célokra használják őket:

  • 4 Inmarsat-3 műhold
    • 2 biztonsági mentéshez használt
    • 1 a meglévő szolgáltatásokhoz (földi állomásokon keresztül működik, nem az Inmarsat tulajdonában)
    • 1 bérbe van adva
  • 4 Inmarsat-4 műhold
    • A szárazföldi szélessávú globális hálózathoz használatos.
  • 5 Inmarsat-5 (GX) műhold
    • Global Xpress-hez használható - akár 50 Mbit/s-os lefelé és 5 Mbit/s-os felfelé irányuló globális szolgáltatás

A műholdakat a londoni Inmarsat főhadiszállásán található Satellite Control Center (SCC) irányítja, amely a műholdak helyben tartásáért és a fedélzeti rendszerek mindenkori teljes működéséért felelős.

Az Inmarsat rendszerek általános alkalmazásai a következők:

  • Repülés (biztonsági kommunikáció, fedélzeti wi-fi az utasok számára)
  • Tengeri kommunikáció (halászhajók, off-shore fúrótornyok, személyszállító járművek)
  • Kormányzati és katonai alkalmazások
  • Vállalati megoldások cégtulajdonosok számára

Az Inmarsat közszolgáltatásként ingyenesen nyújt globális tengeri vészhelyzeti és biztonsági szolgáltatásokat (GMDSS) hajóknak és repülőgépeknek.

 

Thuraya műholdas rendszer

 

Az 1997-ben alapított Thuraya az Egyesült Arab Emírségek első saját termesztésű műholdas szolgáltatója.

Annak ellenére, hogy a cég műholdhálózata kicsi, – mindössze 2 geostacionárius műhold – Európa, Ázsia, Afrika és Ausztrália 161 országában kínál szolgáltatásokat. Az első műhold geoszinkron pályán helyezkedik el a keleti hosszúság 44°-án, 6,3 fokos dőléssel. A második műhold a keleti hosszúság 98,5°-án kering, 6,2 fokos dőlésszöggel. Mindkét műhold egyszerre 13750 hívást tud kezelni.

A jövőben egy harmadik műhold felbocsátását tervezik.

A Thuraya különféle kommunikációs szolgáltatásokat kínál, hívásokat, SMS-eket és adatcsomagokat. A cég saját kézibeszélőt is gyárt, amelyek közül a legtöbb GPS-kapcsolattal rendelkezik. A kézi beszélők 60 kbit/s downlink és 15 kbit/s uplink sebességet tudnak biztosítani. Saját ThurayaIP terminál használatával a sebesség elérheti a 444 kbit/s-ot. A Thuraya sok rugalmasságot is kínál. SIM-kártyáik normál telefonokban működnek majd, emellett a hagyományos SIM-kártyák is használhatók Thuraya kapcsolatokhoz, amennyiben a GSM szolgáltatónak roaming szerződése van a céggel.

Starlink műholdas rendszer

 

A Starlink egy feltörekvő műholdas internet-konstelláció, amelyet a SpaceX fejlesztett ki. A tervek szerint a Constellation műholdak ezrei keringenek alacsony Föld körüli pályán.

2021 májusáig több mint 1600 működőképes műholdat telepítettek. Körülbelül 32 földi állomás telepítését tervezik. Az Iridiummal ellentétben az Inmarsat, a Thuraya és a Starlink nem csatlakozik közvetlenül a felhasználó kézibeszélőjéhez. Ehelyett a felhasználóknak meghatározott terminálokat kell beszerezniük, amelyek dedikált antennával rendelkeznek a műholdak követésére. A hálózat még béta fázisban van, a szolgáltatások mindössze 8 országban érhetők el Észak-Amerikában, Európában és Óceániában. A korai tesztek 11 Mbit/s és 60 Mbit/s közötti letöltési sebességről, valamint 5 Mbit/s és 18 Mbit/s közötti feltöltési sebességről számoltak be. A katonai és légiközlekedési tesztek még folynak. Amint ez a hálózat teljesen működőképes lesz, kiterjedt műholdhálózata képes lesz internetkapcsolatot biztosítani az egész világon és kiszolgálni a globális internetes forgalom körülbelül 10%-át.

 

Orbcomm műholdas rendszer

Az Orbcomm egy amerikai vállalat, amely ipari M2M és IoT kommunikációs hardvert kínál. A projektek a 80-as évek végén kezdődtek, a hálózattervezési tesztműholdak 1992 -ben indultak útra. 1995-ben végezték el a globális kommunikációs hálózat első tesztjeit. 1996 februárjában az ORBCOMM elindította a világ első kereskedelmi szolgáltatását a LEO műholdak által biztosított globális mobil adatkommunikációhoz. 1997 és 1999 között az Orbcomm további 33 műholdat bocsátott fel. 2021-től a vállalat 31 alacsony Föld körüli pályára állított (LEO) kommunikációs műholdból álló globális hálózat tulajdonosa és üzemeltetője. A kísérő földi infrastruktúrájuk 16 földi átjáró állomást (GES) foglal magába szerte a világon.  Az Orbcomm szolgáltatásai a világ több mint 130 országában érhetők el.