לווייני תקשורת במסלול נמוך (LEO)

מאת: אירינה מורוזוב BGU | פרופסור סעד תפוחי SCE | פרופסור יעקב גוון SCE

מסלולי לוויינים נמוכים – LEO

מסלול נמוך (LEO – Low Earth Orbit) הוא מסלול מעגלי בגובה של מ-160 ועד 2000 קילומטר מעל פני השטח של כדור הארץ. שטח אלומת הלוויין הנמצא במסלול זה הינו קטן בהשוואה ללוויינים במסלולים גבוהים יותר, זאת בגלל הגובה הנמוך בו הוא נמצא ביחס, לדוגמא, ללוויין גאוסטציונרי  הנייח בגובה של 36000 קילומטר במסלול מסביב לקו המשווה. משך ההקפה של כדור הארץ במסלול LEO הינו כ-90-120 דקות.

לוויינים במסלול נמוך הם מרבית הלוויינים המקיפים את כדור הארץ ורוב היישומים האפשריים של לוויינים נעשים באמצעות לוויינים נמוכי מסלול. לוויינים במסלול נמוך אינם נמצאים בנקודה קבועה ביחס לקרקע, אלא, לפי חוקי קפלר, משנים את מיקומם ביחס לתחנות הקרקע במהירות. ז”א מתקבל מצב שכל לוויין משדר רק כמה דקות מאיזור מסויים. כל זה גורם לכך שנדרשים לוויינים רבים כדי לשמור על קשר רציף. למרות בעיית האי-רציפות שיכולה להיות, הצבת לווייני תקשורת במסלול נמוך היא פשוטה וזולה בהרבה מאשר, לדוגמא, לווייני GEO.  בנוסף, בגלל קרבתם לקרקע לא נדרש אות חזק (ז”א אין צורך בהספק גבוה) ע”מ לתקשר איתם, וזה גם יתרון גדול.

היישומים העיקריים של מסלולים בגובה נמוך הינם: תקשורת,מטאורולוגיה, חקר כדור הארץ, חישה מרחוק, צילום, ניווט, ריגול וצרכים צבאיים אחרים. נתרכז כאן בלווייני תקשורת LEO.

לווייני  תקשורת LEO

יתרונות של מסלול לוויין נמוך:     קל לשגר לוויין למסלול זה ביחס לשאר המסלולים הגבוהים יותר.                            עלות שיגור נמוכה ובכל משגר יכולים להיות עד 8 לוויינים.

המרחק בין הלוויין לבין כדור הארץ קטן ולכן  הפסדי הפיזור נמוכים יחסית ללוויינים במסלולים גבוהים יותר ו-GEO.

בשיגור של כמות מספיקה של לוויינים קיים כיסוי של כמעט כל שטח כדור הארץ כולל אזורי הקטבים.

השהיית (זמן התפשטות) האותות קצרה של כ-   20-25.

תופעת ההד, השהייה וקשיי סינכרוניזציה כמעט ולא קיימים עקב    המרחק היחסית קצר בין הלוויין לתחנת קרקע.

תחנות קרקע זולות יותר.

הספקי שידור נמוכים בלוויינים ובתחנות הקרקע.

הלוויינים נמצאים מתחת לחגורות ALLEN VAN האנרגטיות שעשויות להזיק ללוויינים.

חסרונות של מסלול לוויין נמוך:

זמן הקשר האפשרי עם הלוויין מוגבל לפרק זמן של מספר דקות בלבד עקב המהירות הגבוהה של הלוויין.

מעבר OVER  בין לוויין ולוויין. דבר זה מסרבל במקצת את השימוש    במערכות לווייני LEO .

שטח הכיסוי הרגעי מוגבל.

קיימת תופעת דופלר הגורמת להזזה בתדר של אות השידור.

בחלק ממערכות התקשורת דרושות מערכות קליטה קרקעיות בעלות אנטנות עוקבות משוכללות.

תוחלת החיים של הלוויין יחסית קטנה עקב החיכוך הרב בין הלוויין  לאטמוספרה צפופה יותר שיגרום למסלול התרסקות בקרקע.

צריך מספר גדול של לוויינים לכיסוי מלא של כדור הארץ.

בשנות השמונים-תשעים של המאה שעברה צצו מספר פרויקטים שאפתניים של כיסוי גלובלי במערכות לווייני תקשורת במסלולי LEO. היעד היה כיסוי גלובלי של תקשורת SMS, טלפונית ואינטרנט גם במקומות שקשר קרקעי תאי לא מכסה אותם. התוצאה הייתה סדרה של כישלונות מסחריים מהדהדים בעיקר בגלל העלות הגבוהה של השימוש.

אחת הדוגמאות לכך – מערכת לוויינים ב-MEGA-LEO בשם TELEDESIC שנועדה לכיסוי מולטימדיה ואינטרנט אולטרה-מהיר ומומנה על ידי GATES , חברת הסלולר CAW- ונסיך סעודי עם חברות MOTOROLA ו-BOEING כקבלני ביצוע ובעלות של יותר מ-. המערכת תוכננה ל-840 לוויינים בגובה של כ-700-750 קילומטר. אבל גם לאחר שצומצמה ל-288 לוויינים בגובה של כ-1400 קילומטר עדיין לא הייתה כלכלית והמערכת לא נבנתה.

גם נכשלו הקמת מספר מערכות LEO-ו-MEO פחות יומרניות להעברת דיבור ואינטרנט של חברות TRW, ICO, SKYBRIDGE, MOTOROLA, INMARSAT  ועוד.

מערכות לוויני התקשורת LEO-היחידות שפועלות הינן: IRIDIUM שפותחה על ידי חברת MOTOROLA ו-GLOBALSTAR שפותחה על ידי LORAL-ALCATEL ו-QUALCOMM. פותחו  גם מספר מערכות  לווייני  תקשורת  LEO- הרבה יותר פשוטות וזולות להעברת SMS ואינטרנט איטי בלבד. החשובה שבהן היא ORBCOMM שפותחה על ידי חברת ORBITAL-SCIENCES. על שלוש המערכות הפעילות נרחיב.

לווייני IRIDIUM

השם IRIDIUM של מערכת הלוויינים נלקח מתוך המערכת המחזורית של היסודות. בהתחלה חשבו שיהיה צורך ב-77 לוויינים לשם כיסוי מלא של כדור הארץ. אירידיום הינו יסוד בעל 77 אלקטרונים ולכן למערכת קראו בשם היסוד. לאחר מכן ראו שנדרשים אך ורק 66 לוויינים מסוג זה, אבל השם כבר נשאר כמו שהוא.

אירידיום הוקמה על ידי חברת מוטורולה בעלות של כ- והייתה בזמנו הישג טכנולוגי מדהים אבל נכשלה מבחינה כלכלית  בגלל העלות הגבוהה ביחס לשיחות באמצעות מערכות סלולאריות קרקעיות ופשטה את הרגל. מערכת אירידיום נקנתה בשנת 2000 מהמייסדים והמתכננים תמורת 25 מיליון דולר. סכום זה מהווה  כ-0.5% מההשקעה הראשונית.

כיום למערכת אירידיום 66 לוויינים ב-6 מסלולים מעגליים בגובה נמוך של 785 קילומטרים, שבכל מסלול עם זוויות נטייה של 86.4 מעלות ביחס לקו המשווה נמצאים 11 לוויינים. זמן מחזור של לוויין מסוג זה הינו כ-100 דקות, משקל כל לוויין כ-700 קילוגרם ותוחלת החיים 5-8 שנים. תחום התדרים לקשר בין הלוויינים הינו Ka-Band   ושאר תחומי התדרים עבור המנויים הניידים ותחנות הקרקע האזוריות מצויים בטבלה שבעמוד הבא. שיטת האפנון של המערכת הינה QPSK וריבוב האפיקים הינו TDMA המתאימים לתקשורת תאית GSM.

כל לוויין ממשפחת אירידיום, שמקבל אותות, משתמש בתקשורת בין לוויינים כדי להעביר את הנתונים ליעדם. לכל לוויין יש ארבעה לינקים פנימיים לכל כיווני השידור (צדדים, פנים וחוץ). הכיסוי של הלוויינים האלה גם בקטבים טוב מאוד וניתן לקלוט את שידוריהם בכל העולם. השימושים העיקריים: טלפוניה אלחוטית כלל עולמית, שירותי ביפרים, דיבור והעברת נתונים. כיום לחברה יותר  כ-500,000 מנויים והלקוח העיקרי הינו משרד הביטחון של ארצות הברית. קיימת גם אפשרות קשר עם מטוסים עם טייס וללא טייס בעיקר לצרכים צבאיים, שזו אופציה חשובה מאוד.

מערכת אירידיום הקיימת מתוכננת להיות פעילה עד שנת 2014. בתוכנית החברה לסיים עד שנת 2015 את פיתוח לווייני Iridium NEXT – הדור החדש על ידי חברת THALES ALENIA SPACE- אשר תכלול גם 66 לוויינים פעילים ועוד 6 לוויינים מסייעים. מערכת זו מתוכננת לשמש בעיקר לתקשורת נתונים. שיגור הלוויינים החדשים מתוכנן להתחיל בשנת 2015. לוויינים אלה יהיו משוכללים יותר ותהיה אפשרות למקם בתוכם חיישנים ומצלמות למיניהם ליישומים שונים מתקשורת כולל ניווט וחישה מרחוק.

לווייני GLOBALSTAR

חברת גלובלסטאר הוקמה בשנת 1999 ומספקת שירותי תקשורת קול ונתונים ביותר מ-120 מדינות באמצעות רשת לווייני LEO. לווייני גלובלסטאר נותנים שירותי תקשורת הכוללים גישה לרשת האינטרנט, טלפוניה לוויינית (ניידת),  שירותי SMS והעברת שיחות, בעיקר באיזורים שרשת תקשורת סלולארית אינה מכסה אבל לא כולל את אזורי הקטבים. אולם כיום למערכת כ-350000 מנויים.

מערכת לווייני GLOBALSTAR מונה 48 לוויינים הנמצאים ב-8 מסלולים עם זוויות נטייה של 52 מעלות ביחס לקו המשווה ו-6 לוויינים בכל מסלול. לוויינים מסוג זה שטים בגובה של כ-1400 קילומטרים,משקל כל לוויין הינו 450-550 קילוגרם ותוחלת החיים כ-7 שנים.

שלא כלווייני IRIDIUM, לווייני GLOBALSTAR  אינם מתוחכמים ומשמשים רק כ-BENT PIPE, ואין תקשורת בין לוויינים אלא לתחנות קרקע אזורית. כל תחנה יכולה להתקשר עם שלושה לוויינים שונים באותו זמן, והינה בוחרת באחד מהם בעל רמת יחס אות לרעש הטובה ביותר.

תחומי התדרים מצויים בטבלה שבעמוד הבא.

שיטת אפנון של לווייני GLOBALSTAR  הינה QPSK וריבוב  אפיקים הינו CDMA.

בשנת 2006 GLOBALSTAR חתמה חוזה עם חברת THALES ALENIA SPACEלבניית דור שני של 48 לווייני LEO. הלוויינים החדשים  יהיו בעלי תוחלת חיים של 15 שנים, קצב נתונים עד  kbps ומיקום מדויק באמצאות GPS. השילוח המוצלח הראשון של הלוויינים החדשים היה ב-10.10 ועד הפרסום שולחו 18 לוויינים מן הדור השני.

לווייני ORBCOMM

בעקבות אי זמינות של מערכת אירידיום במהלך שנת 2000 לא הייתה תקשורת אמינה לצבא ארה”ב, במיוחד באזורי הקטבים והצטרכו למצוא חלופה. כחלופה זו הוחלט להסתפק זמנית במערכת ORBCOMM .

מערכת ORBCOMM הוקמה בשנת 1995 כתחליף זול עבור הודעות טקסט קצרות (לא יותר מ-200 תווים). המערכת מורכבת מ-35 לוויינים במסלולים נמוכים של 710, 800 ו-820 קילומטרים, ששלושה מהם הינם במסלול קוטבי. לווייני ORBCOMM יכולים לתקשר עם משתמש קצה ועם תחנות הקרקע, אך אינם יכולים לתקשר בין לוויין ללוויין. כאשר הטרמינל מתחבר עם הלוויין אשר נמצא בטווח של תחנת קרקע, ניתן לשלוח או לקבל “דואר”.

השימושים העיקריים של לווייני ORBCOMM כיום הינם עבור שליטה ומדידה מרחוק TELEMETRY, זיהוי אוטומטי באמצאות מערכות AIS ותקשורת נתונים בקצב איטי בין מכונה למכונה M2M.

משקל של כל לוויין הינו 42 קילוגרם. על ציר אחד בלוויין נמצאים שני פאנלים סולרים בצורת דיסק, אשר מכוונים לשמש. הם סופגים אנרגיית השמש ומעבירים ללוויין הספק של כ-160 W בלבד. התקשורת עם תחנות קרקע מתבצעת תוך שימוש באפנון SDPSK בקצבים של  kbps עבור Down Link ושל kbps עבור Up Link. כל לוויין משתמש באפנון QPSK ובשיטת ריבוב אפיקיםTDMA. בנוסף בכל לוויין קיים מקלט GPS. בגלל תמסורת רוחב תדרים צר ניתן להשתמש בתדרי גל נושא נמוכים, בתחום ה-UHF וה-VHF רוב אנטנות הלוויין הינן אנטנות  שוט  מסורבלות.

ב-2008 ORBCOMM חתמה חוזה  עם חברות NEVADA-SIERRA וחברת בת של BOEING לפיתוח  18 לוויינים  OG2של הדור השני שהם יותר משוכללים ובעיקר למטרות AIS ו-M2M. השילוחים יתחילו בשנת 2014 ובינתיים פעילות המערכת צומצמה, אבל ב-2015 צפויים כ-500000 מנויים.

תחזיות ללווייני

תקשורת LEO ומסקנות

מערכות לווייני  ה-LEO ליישומי תקשורת המוצגים בטבלה לעיל הינן חיוניות וכלכליות. נראה כי פעולות הדור השני ואפילו השלישי שלהם תימשך עוד שנים רבות, במיוחד בתחום התקשורת הניידת.

בתחום התקשורת הנייחת, בעיקר בין מרכזים גדולים, המתחרים של לווייני LEO הינם סיבים אופטיים קרקעיים או תת-ימיים עם רשתות תקשורת אלחוטית קרקעיות ובמידה מופחתת לווייניםGEO .

בתחום התקשורת הניידת כיום המתחרים ההעיקריים הינם לווייני GEO  כגון  INMARSAT  וחדשים מאוד גדולים ויקרים כגוןTHURAYA, שנבנו על ידי חברת BOEING עבור האמירויות של מדינות המפרץ הפרסי, ולוויינים עוד יותר משוכללים של חברת TERRESTAR ששולח ב-7.09, אבל החברה עומדת על סף פשיטת רגל.

לאחרונה אחת מבין החברות המובילות בעולם בפיתוח הדור הרביעי של התקשורת הניידת LIGHTSQUARED שלחה ב-11.10 לוויין במשקל של 5400 קילוגרם הכולל אנטנה בקוטר 22 מטר ולוויין דומה יישלח במשך 2012. אבל פעילות הלוויין נתקלת בהתנגדות של ה-FCC בגלל הפרעות של שידורי הלוויין למשתמשי מערכת לווייני ה GPS.

בעוד מספר שנים המתחרים של לווייני ה-LEO המוזכרים יוכלו להיות גם מערכות  לווייני MEO,  כדוגמת חברת  NETWORKS. פירוש השם רשת 3 ביליון האנשים האחרים שאין להם עדיין אפשרויות לאינטרנט רחב סרט. החברה נוסדה בשנת 2007 ואחת המשקיעות הגדולות הינה חברת GOOGLE והלוויינים יפותחו על ידי חברת THALES ALENIA SPACE. השילוח הראשון יהיה בסביבת  2014, לאחרונה בינואר 2012, גם חתמה  NETWORKS  חוזה עם חברת גילת הישראלית לספק ללוייני ה-MEO העתידיים, ציוד קרקע משוכלל מבוסס על הפלטפורמה גילת SKY EDGE2, הכוללת אינטרנט מהיר.

בעתיד הרחוק יותר לתקשורת ניידת צפויים שימוש של HAPS ספינות אוויר בגבהים בין 17 ל-24 קילומטר שבהם מהירויות הרוחות מזעריות ולכן קל לייצבם למיקום קבוע מן הקרקע. עלות השילוח של ספינות האוויר הינה אפסית וקיימות אפשרויות של תחזוקה – מה שלא קיים לגבי לוויינים. כמוכן הפסדי הפיזור יהיו כמיליון פעם יותר נמוכים מאשר עבור לוויני GEO. לכן יש סיכויים שבעוד יותר מ-30 שנה  ולמטרת תקשורת ניידת למרחוק ישתמשו במערכות HAPS ולווייני MEO ו-LEO, ובלווייני GEO ישתמשו בעיקר להעברת אנרגיה חשמלית  לא מזהמת לכדור הארץ באמצעות מיקרו-גל.