Le telecomunicazioni satellitari sono una forma di telecomunicazioni wireless a radiofrequenza per la comunicazione a distanza di informazione attraverso collegamenti radio satellitari fra stazioni ricetrasmittenti a terra e satelliti artificiali in orbita sotto forma di ponti radio satellitari, radiodiffusioni, telediffusioni, reti di telecomunicazioni e sistemi di radiolocalizzazione e navigazione.
Questi sistemi, resi possibili dalla nascita e dallo sviluppo delle tecnologie di lancio (vedi razzo) a partire dalla seconda metà del XX secolo, rappresentano spesso l'unica soluzione applicabile in mancanza di infrastrutture terrestri o di difficile dislocazione e dal costo complessivo inferiore rispetto alla realizzazione di sistemi di comunicazione terrestri equivalenti, trovando oggi ampia applicazione nel campo delle telecomunicazioni (telefonia, televisione e telematica), nella navigazione marittima, aerea e terrestre, nel telerilevamento e in campo militare.
Storia
Lo scrittore Arthur C. Clarke (co-sceneggiatore del film di Stanley Kubrick 2001: Odissea nello spazio) viene notoriamente indicato come l'ideatore dei sistemi satellitari cosiddetti geostazionari; infatti, in un articolo scientifico del 1945 intitolato Extra-Terrestrial RelaysA.C. Clarke, Extra-Terrestrial Relays. Can Rocket Stations Give World-wide Radio Coverage?, Wireless World, Ottobre 1945, pagg. 305-308, Clarke scrisse che un satellite artificiale in orbita equatoriale circolare con un raggio di circa 42424 km (dal centro della Terra) avrebbe una velocità angolare esattamente pari a quella del pianeta, rimanendo quindi relativamente immobile nel cielo rispetto al suolo e divenendo così un possibile ponte radio tra due punti dell'emisfero visibili dal satellite. Inoltre, tre satelliti spaziati di 120° potrebbero (con qualche sovrapposizione) coprire l'intera circonferenza del pianeta; in questo caso i messaggi potrebbero essere anche scambiati tra i satelliti (inter-satellite link), o attraverso un doppio hop a terra, rendendo possibile una comunicazione diretta tra due qualsiasi punti del globo.
L'idea di Clarke è incredibilmente innovativa se si pensa che il lancio dello Sputnik da parte dell'Unione Sovietica avvenne solo nel 1957; in quel caso inoltre si disponeva di una tecnologia missilistica sufficiente solamente per portare il satellite in un'orbita bassa. Così fu per i primi satelliti per le telecomunicazioni, che furono: il Project SCORE (1958), l'ECHO 1 (1960), il Courier 1B (1960) e il Telstar (1962). Non si riuscirà a raggiungere un'orbita sincrona prima del 1963. La serie Syncom fu il primo sistema di comunicazione satellitare geostazionario ed iniziò nel 1963, poco meno di 20 anni dopo la concezione dell'idea da parte di Clarke. Syncom I fallì nella fase di lancio, ma Syncom II e III vennero messi in orbita con successo il 26 luglio 1963 e il 19 luglio 1964 rispettivamente (con lo sforzo della NASA e del Dipartimento della Difesa).
Il primo satellite geostazionario commerciale fu Intelsat I, sviluppato da Comsat per Intelsat (1965-1969). Dato che i satelliti in orbita geostazionaria non sono adatti per i siti posti nelle regioni polari, nel 1965 l'Unione Sovietica lanciò in orbita il primo dei satelliti Molniya, posti in un'orbita ellittica particolare; inizialmente questi satelliti furono usati per le comunicazioni militari e in seguito anche per trasmissioni televisive. Le prime comunicazioni regolari tra Stati Uniti ed Europa iniziarono il 28 giugno 1965, data di nascita delle comunicazioni satellitari commerciali. Nel 1979 venne fondato il sistema di comunicazioni INMARSAT, destinato alle comunicazioni marittime.
Tramite i satelliti verrà gestita l'intera difesa militare secondo quanto previsti dai protocolli di Internet 2, che per questi usi hanno dovuto risolvere ai problemi di robustezza e sicurezza del TCP attuale. Tramite il mezzo satellitare già passano criptate gran parte delle transazioni commerciali statunitensi.
Descrizione
Vantaggi e svantaggi Reti satellitari possono essere dunque sistemi di radiocomunicazione a supporto delle reti terrestri sotto forma di integrazione nei servizi di copertura (es. ponti radio intercontinentali) oppure ridondanza trasmissiva nella rete di trasporto utile in caso di necessità (maggiore capacità trasmissiva richiesta, malfunzionamenti, guasti) ad esempio in conseguenza ad eventi quali disastri naturali che possono occorrere sulla superficie terrestre minandone le rispettive infrastrutture terrestri di comunicazioni.
Negli anni novanta, l'uso commerciale e il futuro militare dei satelliti hanno portato gli esperti di telecomunicazioni a sopravvalutarne le potenzialità e a ritenerlo il mezzo del futuro a discapito della fibra ottica. Negli anni '90, invece, è stata posta nel mondo una quantità di fibra ottica pari a volte il diametro della Terra, mentre il satellite è stato rilasciato a TV satellitari minori e a costi di connessione scesi verticalmente. Nell'ultimo decennio si è pensato di utilizzare il satellite come servizio a banda larga. Bisogna però tenere conto del fatto che i satelliti geostazionari introducono almeno di latenza nella comunicazione. I satelliti INTELSAT già avevano una latenza per il traffico voce (a ) molto alta, per cui si preferirono i molto più costosi cavi sottomarini come collegamento per le chiamate intercontinentali.
La quantità di banda del servizio Internet via satellite può essere maggiore di una connessione ADSL, ma ha un costo più elevato; data la latenza non trascurabile, può essere importante utilizzare la giusta tecnologia a seconda delle necessità. Con il termine "ADSL satellitare" sono spesso state identificate differenti tecnologie che poco hanno in comune tra loro. Paragonando la connessione via cavo a quella via satellite, per comunicazioni punto-punto (point to point) è tipicamente più conveniente il primo. Ci sono eccezioni che dipendono dal numero dei punti da connettere e dalla tipologia di traffico richiesto.
Il satellite rimane però imbattibile in tutte le applicazioni di tipo broadcast, cioè tutte quelle applicazioni per le quali occorre inviare gli stessi dati a molti ricevitori, molto più rispetto al broadcast dei sistemi terrestri (radiodiffusione e telediffusione terrestre). La sua scalabilità, rispetto alla rete terrestre, è semplicemente non paragonabile. Sia che si tratti di inviare lo stesso flusso audio/video (es. per applicazioni di formazione a distanza in tempo reale) o lo stesso file a un gran numero di stazioni riceventi, il satellite è in grado, a costi praticamente indipendenti dal numero di postazioni, di servire tutti i destinatari con la stessa qualità. Questo enorme vantaggio è anche dovuto alla pratica assenza del cosiddetto peering multicast nelle reti terrestri. Se le reti terrestri si scambiassero il traffico multicast, in effetti, la scalabilità di soluzioni terrestri aumenterebbe notevolmente. Al momento però, i fornitori preferiscono tenere il multicast confinato all'interno delle loro reti, con la speranza di ottenerne un vantaggio competitivo legato alla diffusione di contenuti esclusivi (es. eventi sportivi o spettacoli).
Tipologie di sistemi
I sistemi satellitari possono essere categorizzati secondo il tipo di orbita e l'altitudine sulla quale vengono collocati: Orbita geostazionaria (GEO) Orbita terrestre media (MEO) Orbita terrestre bassa (LEO) Orbita Molnija
Definita una di queste tipologie, restano ancora da specificare alcuni parametri progettuali della costellazione quali: numero di satelliti (complessivi e in ciascuna orbita) numero di piani orbitali inclinazione dei piani orbitali spaziatura relativa tra i piani distanza angolare tra i satelliti sulla stessa orbita
In generale tanto più si scende di quota di orbita tanto più diminuisce l'efficienza di copertura del satellite ed aumenta quindi il numero di satelliti necessari per coprire con i loro fasci d'antenna il territorio da servire (per via anche del moto del satellite), tanto più diminuisce la potenza trasmissiva necessaria (che si traduce in pannelli solari più piccoli) ed il costo singolo di lancio (in virtù della minor quota e peso), tanto più diminuiscono i tempi di ritardo o latenza dovuti alla propagazione elettromagnetica del segnale e viceversa.
L'insieme di più satelliti artificiali adibiti ad un certo scopo dà vita a una costellazione di satelliti o sistema satellitare. Esempi di sistemi satellitari per le telecomunicazioni sono Iridium, Globalstar, Teledesic, Hot Bird mentre tra i maggiori fornitori satellitari vanno menzionati Intelsat, Eutelsat e Inmarsat.
Fondamenti di teoria della trasmissione
Dal 1947 i satelliti totali in orbita (considerando anche quelli rimasti o divenuti inutilizzati) superano i Sul satellite sono installati molti sistemi, alcuni dei quali servono al funzionamento del satellite stesso (batterie, propulsori, pannelli solari, sistema di controllo della navigazione, telemetria, sistema di controllo termico). Questi sistemi sono controllati dalla Terra attraverso un canale della banda trasmessa. Il resto di quest'ultima è per lo più destinato al carico utile, "payload", ossia il traffico di dati richiesto che rende necessario l'utilizzo di questo collegamento. Il satellite è anche equipaggiato con una o più antenne unità di ricevitori e trasmettitori (che prendono il nome di transponder) che telecomunicano con la superficie terrestre e/o le stazioni di controllo/smistamento a terra. calcolatori elettronici nel caso in cui il satellite disponga di un sistema di elaborazione dati a bordo (on-board processing) I segnali trasmessi sono modulati su una portante da e verso il satellite. In generale le tipologie di sistemi satellitari per telecomunicazioni si differenziano tra loro nelle loro caratteristiche tecniche in base all'applicazione o destinazione d'uso (es. broadcasting, telefonia satellitare, internet satellitare, sistemi di radiolocalizzazione e radionavigazione).
Frequenze L'uso di una particolare frequenza di trasmissione dipende dall'applicazione di un dato sistema. La gamma di frequenze si estende dalla banda P alla banda Ka e oltre: banda P (0,2–1 GHz) banda L (1–2 GHz) banda C (4–8 GHz) banda Ku (12–18 GHz) banda Ka (26,5–40 GHz) Come regola, si può pensare che più alta è la frequenza e più estesa deve essere la banda su cui si trasmette e la capacità del collegamento. Inoltre, più la frequenza è alta e più alta sarà l'attenuazione indotta dall'atmosfera e il rumore che si sommerà al segnale (questo richiede una potenza più alta, dunque più energia, per poter equilibrare il rapporto segnale/rumore). Tuttavia usare frequenze alte fornisce il vantaggio di avere guadagni di antenna più elevati che permettono di ridurre le dimensioni della antenne stesse, sebbene questo renda il puntamento più difficile per via della maggiore direzionalità del fascio trasmissivo.
Antenne
Tutti i sistemi satellitari in quanto sistemi di radiocomunicazione sono dotati di antenne nell'interfaccia radio per la trasduzione/irradiazione dei segnali elettrici informativi sotto forma di segnali elettromagnetici per essere trasmessi sul canale radio e presenti sia sui satelliti in orbita per servire la tratta in downlink sia sulle stazioni al suolo per servire le rispettive tratte in downlink e uplink da e verso il satellite. Tipicamente tali antenne sono antenne direttive dovendo esse puntare il suolo terrestre dal satellite solo per determinate aree di interesse con area più o meno estesa e variabile in funzione dell'applicazione o servizio desiderato. L'intersezione del fascio d'antenna di irradiazione e la superficie terrestre determina un'area comunemente detta footprint. Le stazioni al suolo tipicamente usano antenne paraboliche puntate sul satellite di interesse, mentre le antenne sui satelliti possono essere antenne a tromba particolari, phased array, patch antenna ecc.
Copertura multifascio