I SATELLITI

Un satellite artificiale è un apparato elettronico orbitante intorno alla terra, in grado di ricevere e trasmettere segnali elettromagnetici. La struttura di un impianto di comunicazione satellitare è composta da tre apparati principali. Il segnale viene trasmesso dalla stazione trasmittente al satellite, il quale elabora il segnale e lo ritrasmette orientandolo verso la/e stazione/i ricevente/i. Per elaborazione del segnale da parte del satellite intendiamo l'amplificazione e la traslazione di frequenza del segnale. Tali operazioni sono svolte dal Trasponder. L'amplificazione necessaria per la trasmissione del segnale deve essere molto elevata, poiché il segnale in ricezione è dell'ordine di 100pW-1nW, mentre la potenza necessaria per la trasmissione è dell'ordine delle decine - centinaia di Watt. Se il segnale venisse ritrasmesso a tale potenza sulla stessa frequenza di portante del segnale in ricezione, il ricevitore dello stesso Trasponder subirebbe interferenze. Il segnale viene quindi traslato, in genere la frequenza di Uplink è più elevata di quella di Downlink poiché dalle basi terrestri è possibile effettuare una trasmissione a potenza molto più elevata rispetto a quella del satellite. Le trasmissioni satellitari possono essere di vario tipo:

Trasmissione punto - punto: sono interessati un solo apparato trasmittente e un solo apparato ricevente (es. 2 stazioni telefoniche);

Trasmissione punto - multipunto: sono interessati un solo apparato trasmittente e più apparati riceventi (es. TV satellitare);

Trasmissione multipunto - punto: sono interessati più apparati trasmittenti e un solo apparato ricevente (es. Centro di raccolta dati).

Per quanto riguarda la struttura fisica di un satellite possono essere determinati due gruppi: il carico (payload) e la piattaforma (platform). Il carico consiste nelle antenne trasmittenti e riceventi, nonché nei trasponder. La piattaforma consiste nella base sulla quale è posto il carico, formata dalla struttura meccanica, dal sistema di alimentazione (pannelli solari + batterie accumulatrici), sistema di controllo dell'orbita e dai relativi impianti di propulsione per la correzione di questa e dal sistema di comunicazione con la stazione di controllo.

Tipi di satelliti:

Satellite Geostazionario (GEO): con tale termine si intende quel tipo di satellite che compie un orbita circolare intorno alla terra e mantiene fissa la sua posizione rispetto ad un qualsiasi punto fisso di essa. Il dimensionamento dell'orbita geostazionaria, può essere attribuito a Clarke, che riuscì a dimensionarla nel 1944. Clarke ideò un orbita equatoriale sulla quale il satellite avrebbe dovuto muoversi alla velocità di 1 giro al giorno, compiendo una rotazione parallela a quella della terra. Per ottenere questa condizione, il satellite, deve esercitare un forza centrifuga uguale a quella gravitazionale in modulo, ma opposta in fase. Per generare una forza di questo tipo, è possibile agire solo sul raggio di rotazione, poiché la velocità è definita in un giro al giorno. Per il calcolo del raggio è possibile impostare le seguenti relazioni: , dalla quale è possibile ricavare il valore di r: , essendo , dove  e corrisponde all'accelerazione di gravità, e , otteniamo che , togliendo il raggio della terra possiamo ricavare l'altezza media dal suolo pari a . La posizione orbitale sulla fascia di Clarke è misurata in gradi rispetto al meridiano di Greenwich, con segno positivo ad est e negativo a ovest.

Satelliti con orbita ellittica. Sono satelliti risultano inclinati di 64° rispetto al piano equatoriale. I satelliti con tale orbita coprono una regione per 2/3 del periodo orbitale, l'altra per 1/3.

Satelliti LEO. Sono satelliti con orbita circolare a bassa quota con distanza dalla terra compresa tra 100 e 2000 km, in base alla distanza di avranno diversi periodi di rotazione. La copertura fornita da questi satelliti copre ciclicamente tutta la superficie terrestre.

Satelliti MEO. Sono satelliti con orbita circolare a media quota distanti dalla terra circa 10000 km e inclinati circa 50°. Il periodo di rotazione si aggira all'incirca sulle 6 ore.

Ogni satellite lavora all'interno di un fascio chiamato fascio di copertura, se un satellite, sfruttando o un singolo fascio o un insieme di fasci, copre tutta la superficie terrestre si parla di satellite a copertura globale. I fasci vengono direzionati mediante un antenna parabolica sagomata o mediante più antenne. I fasci che giungono sulla superficie terrestre non pretendano una diffusione di potenza uniforme, ma si otterrà la potenza massima all'interno dello spot della parabola, mentre nelle zone periferiche la potenza è minore. Nel caso di satelliti geostazionari, tali variazioni di potenza, vengono rappresentate mediante particolari grafici chiamati footprint, costituiti o da linee chiuse unendo i punti del fascio sulla superficie terrestre caratterizzati da eguale flusso di potenza (fig. 6) oppure dalle linee isolivello dell'EIRP che definiscono delle fasce all'interno delle quali la potenza irradiata è costante (fig. 5). Nei footprint sono spesso riportati anche i diametri di parabola consigliati per ottenere una ricezione ottimale. I satelliti possono essere raggruppati, a seconda del loro utilizzo nelle seguenti categorie:

• Satelliti per telecomunicazioni (telefonia, trasmissione dati e TV);
• Satelliti meteorologici;
• Satelliti per la navigazione (GPS).

Per i satelliti possiamo individuare vantaggi e svantaggi.

Vantaggi della trasmissione satellitare:

• Larga banda di frequenze;
• Ampia copertura geografica;
• Possibilità di raggiungere territori inaccessibili altrimenti;
• Il costo delle comunicazioni satellitari non dipende dalla distanza tra le stazioni terrestri;
• Il cambio di destinatari si realizza facilmente senza apparati specifici.

Svantaggi della trasmissione satellitare:

• A causa dell'ampia copertura geografica, tutti le stazioni terrestri situate nel cono d'azione possono intercettare i messaggi, è necessario quindi crittografare le informazioni riservate;
• Quando la terra viene a trovarsi in traiettoria tra il sole e il satellite, l'elevato tempo in assenza di energia per la ricarica delle batterie di accumulatori (72 minuti) può causare limitate interruzioni, a meno che il satellite non disponga di un adeguato sistema di protezione;
• Qualora invece sia il satellite a trovarsi allineato tra la terra e il sole, il vento solare potrebbe influire provocando rumori termici;
• Non è da escludere la possibilità di interferenze sul segnale da e per il satellite provocate dall'atmosfera terrestre che, se soggetta a violente perturbazioni; più è elevata la gamma di frequenze utilizzate dal satellite più è influente l'effetto delle perturbazioni;
• Il segnale da e per il satellite deve percorrere una distanza notevole, quindi si ha un ritardo di ricezione sia per l'uplink che per il downlink, il tempo totale di ritardo dato dalla somma dei due si aggira sui 240-270 ms.

Satelliti per diffusione televisiva.

I satelliti per diffusione televisiva, data la necessità di ogni utente di intercettarli senza utilizzare attrezzature mobili costose, sono satelliti geostazionari, il che ci consente di puntare su di loro antenne paraboliche fisse. Per permettere l'utilizzo di antenne paraboliche di dimensioni non proibitive, la potenza irradiata dai satelliti per diffusione televisiva si aggira sui 200W, concentrati all'interno dell'area di servizio a delimitazione nazionale. L'alto valore di densità di flusso a terra ci permette di ridurre le dimensioni delle antenne fino a 60 cm. Attualmente la ricezione dei programmi televisivi avviene principalmente attraverso satelliti progettati per impieghi nel settore delle telecomunicazioni che occupano la banda Ku, C e S. Lo spettro elettromagnetico emesso nella cosiddetta banda C, è situato nell'intervallo compreso tra 3,7 GHz e 6,2 GHz, di cui i primi 500 MHz sono riservati al broadcasting televisivo e della telefonia. La banda S si estende da 1,55 GHz a 5,2 GHz, all'interno della quale, vengono utilizzate per il campo televisivo le frequenze intorno a 2,5 GHz. Infine, la banda Ku è divisa in due sottobande: Satelliti in banda FSS (Fixed Satellite Service) compresa tra 10,7 GHz e 11,7 GHz e SMS (Satellite Multi Service) che occupano la banda da 12,5 GHz e 12,75 GHz. Questi ultimo sono in genere satelliti a bassa e media potenze (da 20 W a 50 W) con area di copertura spesso multinazionale e quindi con livelli di flusso di potenza a terra piuttosto bassi. Tra i satelliti per il broadcasting televisivo nella banda SMS ce ne sono attualmente 4: TELE X Svedese, THOR Norvegese, TDFI francese e TV-SAT2 Tedesco. In tutti i satelliti, per la trasmissione si segnali TC viene utilizzata la modulazione di frequenza (FM). Il segnale modulante è rappresentato dal segnale video in banda base codificato in PAL, NTSC o SECAM, a seconda dello standard in uso, al quale si aggiungono una o più sottoportanti audio modulate in frequenza collocate tra 5,5 MHz e 8 MHz. Normalmente, la portante audio di frequenza minore, è quella relativa al segnale mono, mentre le altre a frequenza maggiore sono utilizzate per il segnale audio stereofonico e/o per le trasmissioni multilingue. Altre portanti ausiliarie, vengono poi utilizzate per segnali radio mono o stereo. L'ampiezza del canale occupato da ciascun programma vari a seconda del tipo di satellite. Per i satelliti DBS (Direct Broadcasting Satellite), sono disponibili canali con una larghezza di banda di 27 MHz e una deviazione di 15,5 MHz/V, altri satelliti occupano canali puù ampi o più stretti, l'EUTELSAT I, ad esempio, utilizza una larghezza di banda pari a 36 MHz con una deviazione di 25 MHz/V, mentre gli ASTRA dispongono di una larghezza di banda di 26 MHz con una deviazione di 16 MHz/V. L'elevato valore di EIRP lungo l'asse, che caratterizza il fascio trasmesso dai satelliti, in assenza di modulazione, potrebbe determinare interferenze nei sistemi terrestri di telecomunicazioni a microonde. Per evitare tali inconvenienti è stato deciso di modulare la portante con un onda triangolare ED della frequenza di quadro (25 Hz) avente ampiezza tale da determinare un'escursione della frequenza portante di circa 600 KHz. Per disporre di un numero elevato di canali senza con ciò accrescere la larghezza di banda disponibile per ciascun satellite, si è ricorsa alla trasmissione di canali su frequenze parzialmente sovrapposte. Per evitare interferenze, si sono utilizzate polarizzazioni opposte (fig. 8) per la trasmissione di canali adiacenti, affidandosi così alla capacità di discriminazione delle due polarizzazioni da parte del sistema ricevente per la separazione dei segnali relativi, in modo da evitare interferenze e disturbi. Nei satelliti DBS è stato stabilito che le polarizzazioni devono essere circolari (destrosa o sinistrorsa - fig. 9) mentre gli altri satelliti utilizzano prevalentemente la polarizzazione lineare (verticale o orizzontale). Naturalmente il sistema ricevente deve essere in grado di ricevere e discriminare nel modo migliore i segnali trasmessi con le diverse polarizzazioni. Tutti i satelliti geostazionari, come già detto, orbitano sul piano equatoriale, occupando posizioni angolari diverse in

corrispondenza delle quali si possono parcheggiare uno o più satelliti, purché occupino canali distinti o impieghino polarizzazioni complementari. La distanza angolare tra tutti i punti di parcheggio previsti, deve essere sufficiente per assicurare la separazione tra satelliti adiacenti anche con antenne ridotte. Con il WARC '77 è stato stabilito che i satelliti DBS siano parcheggiati in posizioni ben definite intervallate di 6°. La fascia di Clarke, viene vista dalla postazione ricevente a terra come un arco nel cielo (fig. 10) che presenta l'apice in direzione Sud, con un'elevazione direttamente proporzionale alla latitudine. Per la ricezione dei programmi irradiati da un satellite in orbita geostazionaria, è necessario che l'asse della parabola ricevente sia orientato esattamente in direzione del punto corrispondente alla posizione occupata dal satellite sull'arco geostazionario. Fondamentalmente, abbiamo due modi di installazione dell'antenna parabolica: quello fisso e quello polare (fig. 11). Nel primo caso l'antenna è dotata di un supporto che le consente di ruotare attorno all'asse verticale, fino al raggiungimento del corretto azimut, e attorno all'asse orizzontale per regolarne esattamente l'elevazione. Tale montaggio è chiamato Az-EI ed è adatto alle realizzazioni fisse, quindi per la ricezione di uno o più satelliti che occupano la stessa posizione orbitale. Per poter ricevere satelliti parcheggiati in posizioni diverse, è necessario ricorrere al montaggio polare che, con la sola rotazione attorno ad un asse (asse polare), permette il puntamento dei satelliti visti dalla stazione ricevente sull'arco geostazionario. Il montaggio polare si presta alla realizzazione di sistemi motorizzati di puntamento.