Az űrtávközlés frekvenciaszabályozása: aktualitás és jövőbetekintés (1. rész)

A nemzetközi szabályozás különböző „felhasználási kategóriákat”, rádiószolgálatokat különböztet meg.

Ezen szolgálatok osztoznak a frekvenciasávokon, egy-egy sávban rendszerint többféle felhasználás lehetséges. Űrtávközlési célokra nem minden rádiófrekvencia alkalmas, ugyanis a földi légkör nagyban befolyásolja a rádióhullámok terjedését. Az ionoszféra visszaveri az alacsonyabb frekvenciájú rádióhullámokat, ezért a légkörön kívüli összeköttetésekhez, például a műholdas távközlési célokra csak a magasabb frekvenciatartomány használható, az úgynevezett rádióablak, amely pontosan a 30 MHz-től a 100 GHz-ig terjedő frekvenciákat jelenti (1. ábra).

1. ábra: Az alacsonyabb frekvenciájú rádióhullámokat visszaveri az ionoszféra, míg a magasabb frekvenciájúak átjutnak a légkörön. (Forrás: NASA)

A korábbi cikkeinkből kiderült, hogy az ENSZ távközléssel foglalkozó szakosított szerve, a Nemzetközi Távközlési Egyesület (ITU) a Rádiótávközlési Szektoron (ITU-R) keresztül hangolja össze globális szinten a rádiófrekvenciás spektrum, valamint a műholdas pályák felhasználását. Az ITU a 3-4 évente megtartott Rádiótávközlési Világértekezleten (WRC) vizsgálja felül a Nemzetközi Rádiószabályzatot (RR), amely tartalmazza a frekvenciasávok felosztási táblázatát. Ez a táblázat rögzíti, hogy mely rádiószolgálat számára mely frekvenciasávok vannak felosztva.

Az űrtávközléssel kapcsolatos rádiószolgálatok, valamint a rádiócsillagászat számára felosztott frekvenciasávokról a 2. ábra ad áttekintést. (A rádiócsillagászat szolgálat nem tekinthető rádiótávközlési szolgálatnak, mivel ez kizárólag kozmikus eredetű rádióhullámok vételére alapozott csillagászat.) Ezen rádiószolgálatok számára több száz GHz-nyi frekvenciamennyiség lett felosztva a Nemzetközi Rádiószabályzatban, a frekvenciák számos célra használhatók: „klasszikus” rádiótávközlés, műsorszórás, rádiómeghatározás és -lokáció, helymeghatározás, hiteles frekvencia és órajel, meteorológia, űr- és Föld-kutatás, rádiócsillagászat, valamint rádióamatőr célokra. Fontos kiemelni, hogy egy-egy rádiószolgálat jellemzően több más szolgálattal osztozik a frekvenciasávokon, ugyanakkor egy-egy rádiószolgálaton belül is több rádióalkalmazás, több rendszer működhet, amelyek kölcsönösen zavarhatják egymást. A rendszerek összeférhetősége szempontjából további nehézség, hogy egy rádiórendszer a szomszédos sávban üzemelő másik rendszert is képes megzavarni például sávon kívüli sugárzás, vagy felharmonikusok révén. Ebből kifolyólag – a káros zavarás elkerülése érdekében – nemzetközi (ITU, CEPT) vagy nemzeti szinten meg kell teremteni a rendszerek együttélésének, összeférhetőségének feltételeit. Ez különféle műszaki paraméterek és korlátozások előírásával vagy frekvencia-koordinációval lehetséges.

2. ábra: A 2016. évi Nemzetközi Rádiószabályzatban (RR) az űrtávközlési rádiószolgálatok és a rádiócsillagászat számára felosztott frekvenciamennyiség, rádiószolgálatokra bontva az 1. régióra vonatkozóan (Magyarország ebbe a régióba tartozik). (Forrás: saját szerkesztés)

A 2. ábrán felsorolt rádiószolgálatok közül a műholdas állandóhelyű szolgálat (FSS) számára van felosztva a legnagyobb frekvenciamennyiség az 50 GHz alatti frekvenciatartományban, ami azért lényeges, hiszen a jobb hullámterjedés miatt a rádióspektrum ezen tartományában sokkal intenzívebb használat jellemző, mint a magasabb frekvenciák esetében. Az ITU definíciója alapján az FSS szolgálat keretében olyan földi állomások üzemelhetnek, amelyek „állandó helyen”, meghatározott állandó pontban helyezkednek el. A felhasználása ezeknek a sávoknak széleskörű: alacsony sebességű és szélessávú szolgáltatások (pl. VSAT állomásokkal), televízió- és rádióműsor-átvitel, sőt a TV műsorszórás is jellemző, annak ellenére, hogy létezik külön rádiószolgálat műholdas műsorszórás céljára. (Az 1980-as évek közepén kezdtek el a műholdas állandóhelyű sávokban műsort szórni az USA-ban és Európa-szerte.) A nem geostacionárius műholdakat alkalmazó ún. műholdseregek (pl. OneWeb, SpaceX Starlink), valamint a nagy kapacitású geostacionárius műholdak (pl. Viasat-3) is ezeket a jó terjedési tulajdonságokkal rendelkező 50 GHz alatti sávokat tervezik használni. Az utóbbi években az FSS sávokban megjelentek az ún. mozgásban lévő földi állomások (ESIMs) is, ez a felhasználás az ITU definíciójával nincsen összhangban, amit a következő cikkünk WRC témái alatt bővebben is kifejtünk.

A műholdas mozgószolgálat – ahol a földi állomás mozoghat az ITU definíciója alapján – esetében is az alacsonyabb frekvenciasávokat használják jellemzően, habár 50 GHz feletti frekvenciasávok is fel lettek osztva ilyen célra az RR-ben, ezek még nincsenek használatban a megfelelő technológia hiánya miatt. A jelenleg üzemelő geostacionárius rendszerek közül az Inmarsat és a Thuraya, a nem geostacionárius rendszerek közül pedig az Iridium, Globalstar és Orbcomm rendszerek említhetők itt meg. A 2000-es évek végén műholdas és földi komponensekkel is rendelkező hibrid rendszerek kiépítésébe kezdtek Észak-Amerikában, illetve Európában is az 1,5/2 GHz-es sávokban. Az amerikai rendszerek csődje után az európai operátorok újra gondolták terveiket, az Echostar Mobile egy főként műholdas M2M (gépek közötti) szolgáltatást nyújtó rendszert valósít meg, míg az Inmarsat egy légiutasok számára internetelérést biztosító hibrid rendszert épített ki.

A műholdas műsorszóró sávokban űr–Föld irányú összeköttetések valósíthatók meg, amelyeken jellemzően TV- és rádióműsorokat továbbítanak a nagyközönség számára. A műsort az FSS sávokban sugározzák fel a műholdaknak (feeder link). Viszonylag kevés sáv áll rendelkezésre, de ahogy korábban említettük, az FSS sávokban is jellemző a műsorszórás.

A műholdak közötti szolgálat esetén az ITU frekvenciafelosztásából látható, hogy főként a magasabb frekvenciák használhatók. Ez azért alakult így, hiszen az űrben nem kell számolni a földi légkör jellemzőiből adódó csillapításokkal, így az interszatellit linkek használhatják a magasabb frekvenciasávokat. Más rádiószolgálati rendszerek is alkalmazzák a műholdak közötti linkeket, ezek segítségével a műholdas rendszerek ellátási területe kiterjeszthető. Alapesetben, amikor nincsen műholdak közötti összeköttetés, a műhold akkor képes biztosítani a kommunikációt, ha rálát a földi állomásra és a földi átjáróra. Interszatellit linkek használata esetén ez nem feltétlenül szükséges, az adatokat továbbítani lehet a rendszer többi műholdja felé is. Ez esetben az ellátási területet nem a földi átjárók helyzete és egy-egy műhold lefedettsége, hanem a rendszer műholdjainak összlefedettsége határozza meg.

Űrbeli üzemeltetésre 3 GHz alatti sávok vehetők igénybe, ezeket jellemzően nem-geostacionárius rendszerek használják követési, távmérési és távvezérlési célokra. A hiteles frekvencia és órajel továbbítására elsődlegesen a rádiónavigációs frekvenciákat használják globális szinten, azonban az ITU külön rádiószolgálatot is azonosított erre a felhasználásra, felosztva olyan frekvenciasávokat is erre a célra, amelyek nem rádiónavigációs frekvenciák.

A műholdas rendszerek közül a rádiónavigációs rendszerek azok, amelyeket gyakran használunk mindennapjaink során, ma már szinte minden mobilkészülékbe be van építve a helymeghatározáshoz szükséges GNSS (globális helymeghatározó műholdrendszer) vevő. A globális rendszerek az L-sávot (1−2 GHz) használják, az amerikai Navstar GPS és az orosz GLONASSZ rendszerek mellett már elérhető a kiépítés alatt lévő, de már szolgáltatást nyújtó európai Galileo rendszer és a kínai Beidou rendszer. A GNSS rendszerek mellett regionálisan műholdas kiegészítő rendszerek (SBAS) is működnek (Európában az EGNOS), ezek célja, hogy a GNSS információk pontosságát és megbízhatóságát javítsák. Ugyanakkor önálló regionális rendszerek is üzemelnek, az indiai IRNSS, valamint a Kelet-Ázsia, Japán és Óceánia térségét ellátó QZSS rendszer.

Jelentős frekvenciamennyiség van felosztva a műholdas Föld-kutatás és az űrkutatás számára, kiváltképp nagy sávszélesség áll rendelkezésre az 50 GHz feletti tartományban. A műholdas Föld-kutatáson belül az ITU külön rádiószolgálatot definiált a meteorológiai célokra, amelyet az időjárás, klíma és óceánok megfigyelésére, valamint a légkör összetételének vizsgálatára használnak. A földmegfigyelő és űrkutató sávok nagy részét (kb. 90%) aktív vagy passzív érzékelők használhatják, az 50 GHz feletti frekvenciasávokban főként passzív érzékelők használhatók. A sávok kisebb részében (kb. 10%) pedig mérési adatok továbbítására van lehetőség, illetve TT&C (követés, telemetria és parancsadás) feladatokat lehet lebonyolítani.

A rádióamatőrök nem csak földfelszíni kommunikáció céljára használhatnak különböző frekvenciasávokat, hanem műholdakkal (pl. rádióamatőr nanoműholdak, QO-100), a Nemzetközi Űrállomással is létesíthetnek összeköttetéseket a műholdas amatőrszolgálat számára felosztott sávokban. Kiemelve a magyar vonatkozású műholdakat, a BME által fejlesztett Masat-1, az első magyar műhold is ilyen sávot használt, valamint a jelenleg üzemelő SMOG-P és ATL-1 műholdak is műholdas amatőrszolgálat alatt üzemelnek a 400 MHz-es frekvenciasávban. 2018 óta üzemel a Qatar Oscar-100 műhold is, amely geostacionárius pályán kering, uplink irányban a 2400 MHz-es, downlink irányban pedig a 10,4 GHz-es sávban áll az amatőrök rendelkezésére. (Ez a műhold SDR linkje, ahol bele is lehet hallgatni az adásba.)

3. ábra: A Qatar Oscar-100 (QO-100) geostacionárius műhold ellátási területe, „lábnyoma”. (Forrás: amsat-dl.org)

Cikksorozatunk következő részeiben bemutatjuk, hogy a 2019-ben megtartott Rádiótávközlési Világértekezleten milyen eredmények születtek az űrtávközléssel kapcsolatosan, illetve hogy milyen témák lesznek napirenden a következő értekezleteken.

(Folytatjuk!)

Csudai András, Dr. Vári Péter

Kapcsolódó cikkek:
Az űrtávközlés kezdetei (1. rész)
Az űrtávközlés kezdetei (2. rész)
Az űrtávközlés műszaki oldalai (1. rész)
Az űrtávközlés műszaki oldalai (2. rész)
Az űrtávközlés kezdetei (3. rész)
Az űrtávközlés műszaki oldalai (3. rész)
Az űrtávközlés műszaki oldalai (4. rész)