Satelītu novietojums ģeostacionārajā orbītā

Satelītu televīzija ir televīzijas signāla pārraides sistēma lietotājam no apraides centra, izmantojot šim nolūkam Zemes mākslīgo pavadoni, kas atrodas ģeostacionārajā orbītā (GEO). Tas ir visefektīvākais veids, kā televīzijas signālu pārraidīt lielā attālumā, turklāt šī nozare nepārtraukti un dinamiski attīstās. Kopš analogās pavadoņtelevīzijas uzplaukuma 90. gadu sākumā attīstība pašlaik gan ir nedaudz pierimusi, jo mūsdienās lielais ciparu signālu datu pārraides ātrums ir padarījis robežu starp televīziju, radio un internetu gandrīz nemanāmu. Laika gaitā satelītuztveršanas sistēmas ir krietni evolucionējušas, kļuvušas daudz kvalitatīvākas, tomēr vispārējie principi ir saglabājušies nemainīgi. Attīstība turpinās – skatītājiem kļuvušas pieejamas televīzijas programmas ne tika HD, bet arī UHD standartā ar High Efficiency Video Coding (HEVC), kas pazīstams arī, kā H.265.

Pamatdoma patiesībā ir vienkārša – raidošā antena ir novietota ļoti augstu, tāpēc arī lielā teritorijas laukumā var uztvert signālu. Ideju par to, ka pavadonis var tikt izmantots ne tikai kā pasīvs atstarotājs, bet tas spēj signālu arī pastiprināt un noraidīt atpakaļ uz Zemi,1945. gadā rakstā "Ārpuszemes retranslācija", kas tika publicēts žurnāla "Wireless World" 57. numurā, ieteica angļu rakstnieks, viens no pazīstamākajiem zinātniskās fantastikas autoriem, Arturs Klārks. Klārks pirmais piedāvāja novietot pavadoņus tādā orbītā, lai viņu kustības ātrums sakristu ar Zemes griešanās ātrumu, tad novērotājam no zemes satelīts liktos nekustīgs. Šāda orbīta tika nosaukta par ģeostacionāro vai par Klārka joslu (Clarke Belt). Turklāt, šī atrašanās vieta virs ekvatora satelītiem ir obligāts nosacījums, jo pretējā gadījumā dēļ tā, ka Zeme ir ievērojami saplacināta pie poliem, zemes novērotājam tie vairs nebūs nekustīgi. Ģeostacionārajam pavadonim ir tikai viena koordināta - ģeogrāfiskais garums, jo ģeogrāfiskais platums vienmēr ir vienāds nullei.

Arturs Čārlzs Klārks

Sakaru pavadoņi atrodas ģeostacionārajā orbītā 35784 km augstumā Zemes ekvatora plaknē. Eksistē tikai viena ģeostacionārā orbīta, un pavadoņu vietu skaits uz tās ir ierobežots gan drošības apsvērumu, gan arī vienādo  frekvenču dēļ, lai neizveidotos interferece. GEO orbītas rādiuss ir 42164 km, kas ir aptuveni 6 reizes lielāks par Zemes rādiusu. 2010. gadā uz tās bija noteikti 425 pavadoņu atrašanās punkti jeb pozīcijas, un attālumi starp tām ir dažādi – intervālā no 0,1° – 7°. Pozīcijas izsaka grādos no Griničas meridiāna uz austrumiem un rietumiem. Tehniskajā literatūrā apzīmē ar E – austrumi un W – rietumi. Faktiski katrā pozīcijā var atrasties vairāk kā 10 pavadoņi, kas, protams, nenozīmē to, ka tie atrodas pāris metru attālumā viens no otra. Uz satelītiem visu laiku iedarbojas ārēji spēki, kas cenšas tos „izgrūst” no orbītas, tāpēc, lai periodiski koriģētu pozīciju, tiem ir nepieciešams arī degvielas krājums. Līdzko uz Zemes pavadoņa kontroles centrā konstatē faktu, ka novirzes pārsniedz pieļaujamos lielumus, tiek ieslēgts atbilstošs dzinējs un satelīts tiek atgriezts sākuma stāvoklī. Prasības pavadoņu orientācijai orbītā ir +/- 0,1° ziemeļu/dienvidu virzienā un +/- 0,05° austrumu/rietumu virzienā. Satelīti visu laiku it kā tiek turēti „ģeostacionārā rāmī”. Nemainīgu stāvokli visgrūtāk ir nodrošināt ziemeļu/dienvidu plaknes punktā, kas nozīmē pavadoņa novirzīšanos no ekvatora. Šī kustība notiek Saules un Mēness gravitācijas ietekmē, un pilnībā no tās izvairīties nevar, tāpēc satelītu svārstībām ģeostacionārajā orbītā ir izteikti ciklisks 24 stundu periods. Pavadoņu kustības trajektorijas atgādina ciparu „8”.  Agrāk, 90. gados, kad satelītu borta raidītāju jaudas bija mazākas, bet uztverošo parabolisko antenu diametrs krietni pārsniedza 1,5 m, satelītu televīzijas skatītāji bieži pamanīja, ka signāls brīžiem kļūst gan stiprāks, gan vājāks – atkarībā no diennakts laika. Katram pavadonim ir savs “dzīves” laiks, parasti tie ir 4 gadi, kamēr manevriem nepieciešamā degvielas rezerve pamazām izsīkst. Tad satelīts paliek nestabils, sāk dreifēt un kļūt bīstams citiem pavadoņiem (declined orbit). Parasti šādus nokalpojušos pavadoņus pārceļ uz zemāku orbītu un vēlāk sadedzina atmosfērā. Apļa veida ģeostacionārajā orbītā esošs satelīts veic vienu apriņķojumu apkārt Zemei noteiktā laika intervālā – 23 stundās 56 minūtēs un 4 sekundēs, kas atbilst tā sauktajai „zvaigžņu diennaktij”. Tas ir ļoti izdevīgi, jo, raugoties no Zemes, pavadonis šķiet nekustīgs. Tas it kā šķietami „karājas” debesīs vienā punktā, bet patiesībā visu laiku kustās ar leņķisko ātrumu, kas vienāds ar Zemes griešanās leņķisko ātrumu ap savu asi, un ērti gan uztver, gan pārraida sakaru signālus. No šāda augstuma pavadonis „redz” 42% no Zemes un teorētiski var aptvert teritoriju 9000 km rādiusā. Protams, laukumu noteiks arī daudzi citi parametri, piemēram, kaut vai pavadoņa raidītāja jauda, raidošās antenas forma, tās vērsuma leņķis un uztverošās antenas diametrs. Signāla uztveršanai noteiktā ģeogrāfiskā punktā ir viens obligāts nosacījums – ir jānodrošina tiešā pavadoņa redzamība no šī punkta. Tas ir saistīts ar frekvenču diapazona 10,7 – 12,75 GHz, ko visbiežāk izmanto pavadoņu televīzijas pārraidēm, elektromagnētisko viļņu (EM) izplatīšanās īpašībām. Televīzijas satelīti raida uz Zemi signālus noteiktās frekvenču joslās.

C – diapazons 3,4 – 4,2 GHz;

Ku1 – diapazons 10,7 – 11,75 GHz;

Ku2 – diapzons 11,75 – 12,5 GHz;

Ku3 – diapazons 12,5 – 12,75 GHz

Ka – diapzons 18,3 – 18,8 GHz

Atkarībā no pielietojuma eksistē divas satelīttelevīzijas nozares – Fixed Satelitte Service (FSS) un Direct Broadcasting Satellite (DBS), tomēr robeža starp tām nav stingri noteikta. Tā ir izplūdusi, jo dažas valstis savām programmām tikai epizodiski iznomā satelītu transponderu resursus starptautiskās vai reģionālās televīzijas sistēmās, citas veido savus nacionālos apraides projektus. Kad 80. gadu sākumā parādījās lēti un droši SAF pastiprinātāji ar lauktranzistoriem, bet uztverošo iekārtu cenas jūtami kritās, individuālie lietotāji mājās ar nelielu antenu varēja uztvert arī signālus no satelītiem ar mazāku transponderu jaudu, kas sākotnēji bija paredzēti tikai kabeļtelevīzijas sistēmām.

1. FSS – fiksētais pavadoņu dienests nodrošina televīzijas signāla nodošanu kabeļtelevīzijas galastacijām vai TV centriem, lai pēc tam tālāk no sakaru torņiem izplatītu programmas abonentiem. Īpaša svarīgi tas ir valstīm ar lielu teritoriju un iedzīvotāju skaitu, piemēram, Ķīnai, Krievijai un Indijai. PSRS FSS sistēma „Orbīta” parādījās jau 1967. gadā, bet no 1976. gada sāka darboties „Ekrāns” un 1979. gadā „Maskava”. Parasti tiek izmantoti mazjaudīgi pavadoņi ar transponderu jaudu 20W, kas  pat var neatrasties ģeostacionārajā orbītā, un uztverošajai antenai uz Zemes visu laiku ir jāseko līdzi satelīta kustības trajektorijai.

2.   DBS – nodrošina tiešu jeb individuālu satelīta televīzijas signāla uztveršanu gala lietotājam no ģeostacionārās orbītas. Plaši pazīstams ir arī apzīmējums Direct To Home (DTH) jeb „tieši mājās”. Šādu pavadoņu transponderu jauda sasniedz  250W.

Vērojot no Zemes, ir redzama tikai daļa no ģeostacionārās orbītas kā loks virs horizonta, un, jo vairāk mēs pārvietojamies uz ziemeļiem, jo tas kļūst aizvien mazāks. Tieši tāpēc satelītu televīziju nav iespējams skatīties Zemes polārajos apgabalos.

Satelītu novietojums GEO 1993. gada septembrī (no laikraksta „Sakaru vēstis”)

Latvijas teritorijā tiešajā redzamībā (virs teorētiskā horizonta) atrodas satelīti orbītās no 98° E līdz 49° W. Tomēr kvalitatīvus signālus var uztvert tikai no tiem, kuri atrodas vismaz 8° – 10° grādus virs horizonta. Šie satelīti ir izvietoti orbītās no 90° E – 37° W. Galējās pozīcijās parabolisko antenu iznāk orientēt gandrīz paralēli zemes virsmai, bet, jo mazāks ir tās pacēluma leņķis, jo garāks ir signāla ceļš, kas iet cauri Zemes blīvajam atmosfēras slānim. Rezultātā strauji samazinās signāla un trokšņu attiecība, ko vēl vairāk pasliktina atkarība no Zemes izstarotajiem termiskajiem trokšņiem, kurus izraisa zemes virsma un virszemes objekti.

Pavadoņu nosaukumi 1992. gadā. GEO pozīcijas, azimutu un elevācijas  leņķi Rīgai ir nemainīgi lielumi. (laikraksts „Nakts”)

Satelītu pozīciju ģeostacionārajā orbītā, kā arī to azimuta un pacēluma leņķu lielumus Rīgai var atrast Voldemāra Ketnera 1988. gadā izdotajā brošūrā „Kā paša spēkiem izgatavot parabolisko satelītantenu”. Pēc šiem datiem maksimālais paraboliskās antenas pacēluma leņķis jeb elevācija ģeostacionārajai orbītai Rīgā nepārsniedz 25,2°.

Zemes liekums izmainās par 1° aptuveni pēc 110 km. Tas savukārt nozīmē to, ka viena un tā paša satelīta uztveršanai antenas elevācijas leņķis Rīgā, Liepājā un Rēzeknē nedaudz atšķirsies. Paraboliskās antenas pastiprinājums ir virziendarbības logaritmisks mērs – jo antenai piemīt izteiktāka virziendarbība, jo tai ir lielāks pastiprinājums un otrādi. Paraboliskās antenas virziendarbība savukārt ir atkarīga no tās diametra. Agrāk, 90. gadu sākumā, kad signāla vidējais līmenis no satelītiem bija mazs un ierasts paraboliskās antenas diametrs bija 1,5 m, spoguļa orientācijas precizitātes prasības bija augstākas nekā tagad (+/- 0,5° robežās attiecībā pret ģeogrāfisko meridiānu), ko nevarēja panākt ar kompasa palīdzību.

Satelītu signālu vidējo līmeņu salīdzinājums 1991. gada augusts. („Sakaru vēstis”)

Nav zināma magnētiskās deklinācijas (leņķis starp ģeogrāfiskā un magnētiskā meridiāna virzieniem) patiesā vērtība. Viena gada laikā Latvijas teritorijā deklinācijas lielums var mainīties pat par 10°, jo to stipri ietekmē magnētiskās anomālijas. Tāpēc pavadoņu televīzijas antenu sākuma orientāciju var veikt tikai aptuveni. Arī pašlaik šajā ziņā nekas nav mainījies. Tomēr mazo 60 – 70 cm antenu diametru dēļ šis process ir kļuvis vieglāks, ja vien, protams, tā var teikt… Lieta tāda, ka pēc analogā signāla, kas no satelītiem vairs netiek pārraidīts, regulēšanu bija veikt vienkāršāk, jo tagad ciparu signālu, kaut arī stiprāku, uztvērējs apstrādā ar nelielu aizturi un satelītantenu iznāk orientēt pēc signāla lieluma, kas jau ir bijis pirms brīža. Darbu gan atvieglo tādas speciālas ierīces, kā Satelitte Finder vai spektra analizators.

Satelīttelevīzijas pirmsākumos lielo antenu diametru dēļ ļoti svarīgi bija noteikt interesējošo pavadoņu atrašanās vietu pēc iespējas precīzāk. Laikrakstos „Sakaru Vēstis”, vēlāk „Nakts” tika publicēta attiecīga informācija, kas regulēšanas darbu spēja krietni atvieglot.

Saules un pavadoņu koordinātu sakrišanas laiki. (“Nakts”)

Pastāv vēl viens būtisks ierobežojums – ne visu pavadoņu raidīto signālu zonas ietver Latviju. Valsts teritorijas galējos punktos signālu līmeņi var atšķirties pat par vairākiem dBW. Ekvivalentās izotropās izstarotās jaudas līmeņa (Equivalent Isotropic Radiated Power – EIRP) logaritmiskā mērvienība ir decibelvati, kas pietiekami objektīvi raksturo gan jaudas līmeni, kas sasniedz Zemi, gan arī satelīta antenu un tā raidītāju. Ar izolīniju kontūru palīdzību, kuras visos punktos šim parametram ir konstanta vērtība, Eiropas kartēs tiek attēlotas pavadoņu raidītāju antenu vērsuma diagrammas. Tā ērti var noteikt kādu teritoriju un cik intensīvi apstaro attiecīgā pavadoņa signāls. Bieži skaitļi uz šādām līnijām doti nevis dBW, bet gan tieši  ir norādīts nepieciešamais uztverošās antenas diametrs. Tagad, lai kvalitatīvi uztveru digitālās satelītpārraides ar EIRP līmeni 50 dBW, pietiek ar 50 – 60 cm lielu satelītantenu.

90. gados pavadoņu raidītāju jaudas bija mazākas, superaugsto frekvenču SAF pārveidotāji jeb konvertori LNB  – sliktāki, bet TV programmas, ar maziem izņēmumiem, tika pārraidītas analogajā PAL krāsu standartā. Piemēram, lai no ASTRA 1A 19,2° E skatītos TV programmu ar EIRP līmeni 44 dBW, vajadzēja 1,5 m diametra parabolisko antenu. Ciparu televīzijai attiecīgi pietiktu ar 1 m, taču tagad no ASTRA satelītu pozīcijas EIRP līmenis Latvijā sasniedz 51 dBW! Iesaku pašlaik aktuālo informāciju par satelītu programmām un apraides zonām meklēt https://www.lyngsat.com/.  Tā tur ir precīza, pārbaudīta un aptver visu pasauli.