Costellazione di satelliti

Se vi chiedessero di elencare le dieci più importanti innovazioni del XX secolo, probabilmente trovereste un posto anche per il satellite per telecomunicazioni. Ideato dall'astrofisico britannico Arthur Clarke nel 1945, il satellite geostazionario secondo lo stesso inventore richiedeva tecnologie tanto avanzate da poter vedere la luce solo verso il 2000. E invece, appena vent'anni dopo, INTELSAT iniziava l'allestimento della prima rete mondiale di telecomunicazioni spaziali tra punti fissi. Oggi, grazie alle nuove tecnologie, si possono realizzare collegamenti mondiali, personali, permanenti e ubiqui con terminali tascabili simili ai telefoni cellulari.

Un satellite in orbita geostazionaria, ovvero sul piano equatoriale a circa 36 000 chilometri dal suolo, ha l'inestimabile pregio di apparire come un ripetitore fisso nel cielo, consentendo collegamenti permanenti su una vastissima area. Con soli tre satelliti separati di 120 gradi si può coprire l'intero globo, escluse le regioni polari, che hanno comunque scarso rilievo: pochi ripetitori possono perciò fornire sia servizi di diffusione (televisione, musica, dati) sia servizi mobili e personali bidirezionali (telefonia diretta via satellite, ma anche altro, dal facsimile al videotelefono).

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Per usufruire in ogni parte del mondo di servizi personali occorre però disporre di moltissimi circuiti via satellite; pensando in prospettiva all'impiego di tutte le 180 celle orbitali ottenute con passo di 2 gradi in orbita geostazionaria e a frequenze elevate (per esempio 20-30 gigahertz), possiamo stimare addirittura in parecchie centinaia di milioni i circuiti numerici realizzabili. Dunque sono ancora enormi le potenzialità di crescita dei sistemi via satellite di questo tipo.

L'orbita geostazionaria presenta però un'intrinseca limitazione dovuta ai valori dell'angolo di elevazione sotto cui è visto dalla Terra un satellite collocato sul piano equatoriale, mentre per l'ubiquità del servizio personale sarebbe desiderabile che la visibilità del ripetitore spaziale fosse quanto più prossima allo zenit. Questa esigenza è soddisfatta da una costellazione di satelliti in orbita circolare, non geostazionaria, non equatoriale, la quale può consentire angoli di vista da terra più favorevoli e una copertura realmente globale.

L'esiguità dell'area di copertura individuale implica però la necessità di una costellazione di grandi dimensioni: se, per esempio, la quota è di 1000 chilometri e l'angolo di elevazione è almeno di 40 gradi, per la copertura globale occorrono diverse centinaia di satelliti, ciascuno in grado di servire una regione con un raggio di circa 950 chilometri. Naturalmente a un maggior numero di satelliti è associato un costo più alto di costruzione, lancio e controllo in orbita; tuttavia è anche vero che la capacità di traffico del sistema è maggiore e quindi più elevato il ritorno economico.

La complessità di un sistema di questo tipo aumenta quanto più bassa è la quota; infatti, per garantire la continuità del servizio, basilare per le conversazioni telefoniche, si impongono particolari soluzioni tecniche per il trasferimento automatico del traffico di una data area da un satellite che 'tramonta' a un altro che 'sorge' (il cosiddetto handover). Con un ritardo di propagazione molto piccolo, l'utente telefonico percepisce la conversazione con una immediatezza paragonabile più alla telefonia cellulare che a quella tradizionale via satellite. Infine, la bassa attenuazione in spazio libero del segnale favorisce la realizzazione di piccoli terminali a bassa potenza.

Si adottano orbite circolari comprese tra 500 e 2000 chilometri, oppure tra 5000 e 12 000. (Quote inferiori a circa 500 chilometri non vengono considerate per l'attrito con l'atmosfera, così come si scartano le quote che interesserebbero le fasce di van Allen.) La connettività di un sistema non geostazionario dipende fortemente dalla presenza di collegamenti intersatellite (ISL). Questi infatti garantiscono autonomia al sistema, limitano i costi dovuti all'impiego di linee pubbliche terrestri, possono ridurre i ritardi di trasmissione e consentono di servire vaste aree, come gli oceani, nelle quali è impossibile o molto difficile installare stazioni di terra. Di solito inoltre riducono gli handover, dato che il collegamento con una determinata stazione può essere mantenuto fino a che il satellite è in visibilità del solo terminale. D'altra parte l'ISL ha lo svantaggio di far aumentare il peso, la complessità e il costo del carico utile di bordo, perché ha bisogno di antenne, trasmettitori e ricevitori dedicati, oltre che di funzioni di commutazione.

Per l'instradamento del traffico a grande distanza si hanno due alternative, a seconda che il sistema sia dotato o meno di ISL. Nel primo caso il traffico può essere trasportato anche assai lontano entro il segmento spaziale del sistema: la flessibilità che ne consegue consente di ridurre il numero di stazioni di terra (al limite una soltanto), oppure all'opposto di ridurre l'impiego delle reti pubbliche. Nel secondo caso il traffico deve essere instradato nelle reti pubbliche e la connettività globale del sistema impone in ogni istante il collegamento di ciascun satellite con almeno una stazione.

La copertura dell'area di servizio del singolo satellite viene effettuata mediante antenne a fasci multipli, assai direttivi per concentrare la potenza irradiata dal satellite e consentire l'uso di terminali portatili. Quindi, oltre ai collegamenti fra satelliti, vanno connessi a bordo anche tutti i fasci del medesimo satellite. In presenza di più fasci a puntamento fisso vi è un tipo di handover anche tra fasci che, a seconda della quota e del numero di satelliti, può essere piuttosto elevato (a volte uno al minuto).

Le prospettive del quinquennio entrante sono assai interessanti: sono infatti in allestimento diversi nuovi sistemi non geostazionari per telefonia personale e per servizi di trasmissione dati, facsimile, cercapersone e radiolocalizzazione, con ritmo binario fino a circa 10 chilobit al secondo. I satelliti saranno dotati di sufficiente potenza e banda (intorno ai 2 gigahertz) da garantire una qualità soddisfacente a terminali portatili che, nelle regioni più progredite della Terra ove è disponibile almeno uno standard di telefonia cellulare, potranno connettersi sia alla rete spaziale che a quella terrestre, a seconda dello stato di copertura o di elementi tariffari. Tra i vari sistemi di questa classe i primi a divenire operativi, entro la fine del secolo, saranno Globalstar (48 satelliti) e IRIDIUM (66 satelliti).

Si tratta però di sistemi a banda stretta che, pur tecnologicamente rilevanti, saranno in grado di servire una popolazione complessiva di qualche milione di utenti, a causa del limitato spettro radio disponibile a 2 gigahertz. Pertanto essi sono destinati a specifici segmenti di mercato con particolari esigenze di mobilità su larghissima scala e di reperibilità continua e tempestiva. Vi sono però altri sistemi che si propongono l'obiettivo ambizioso di coniugare le due esigenze della copertura globale e della massima capillarità dei servizi a larga banda. L'esigenza di una copertura globale è particolarmente sentita in quelle aree della Terra dove non esiste neppure la rete telefonica di base: si ricordi che oltre la metà della popolazione mondiale vive a più di due ore di viaggio dal telefono più vicino. È dimostrata la correlazione tra prodotto interno lordo di un paese e numero di apparecchi telefonici, correlazione per niente casuale perché alla disponibilità di mezzi di telecomunicazione bidirezionali corrisponde sempre l'opportunità di attività produttive. Mettere dunque a disposizione di miliardi di persone le comunicazioni bidirezionali è forse la sfida tecnologica più importante all'alba del nuovo millennio.

La capillarità delle connessioni numeriche a larga banda è poi essenziale per portare all'utente i servizi multimediali interattivi (videotelefonia, videoconferenza, reti di PC, e così via), rispondendo in tal modo a un'esigenza molto sentita nei paesi più sviluppati, dove favorirà un nuovo tipo di organizzazione socioeconomica, per esempio mediante il telelavoro. I due progetti principali sono il sistema geostazionario Spaceway (17 satelliti) e il sistema non geostazionario Teledesic (840 satelliti) che potranno entrare in servizio poco dopo il 2000; data l'enorme differenza nel numero di satelliti, il secondo sistema potrà avere una capacità di traffico assai superiore.

Un bilancio globale è forse superfluo: in soli trent'anni il satellite ha contribuito a elevare il livello di vita e ha avvicinato gli uomini più di quanto fosse mai avvenuto. Il bilancio parziale dell'Europa, e ancor più dell'Italia, non è purtroppo altrettanto soddisfacente. Tutti i fantastici sistemi spaziali in cantiere per i prossimi dieci anni sono infatti americani, mentre le aziende europee hanno un ruolo subordinato. Ciò è dovuto a errori di strategia degli enti spaziali europei, che per oltre un decennio hanno gravemente sottovalutato l'importanza e le prospettive delle telecomunicazioni spaziali.

Gli investimenti delle società private nei nuovi sistemi sono assai elevati: per esempio, il costo complessivo di Globalstar e IRIDIUM è di circa 5 miliardi di dollari. Questi investimenti, di per sé assai rilevanti, rappresentano però solo il 10 per cento dell'intervento pubblico nelle tecnologie strategiche di telecomunicazioni spaziali sostenuto nell'ultimo decennio dagli Stati Uniti tramite Department of Defense e NASA. Nel frattempo in Europa quote significative dei bilanci spaziali venivano destinate alle stazioni spaziali, di discutibile utilità sociale e il cui futuro, terminata la contrapposizione tra blocchi, è attualmente molto oscuro. Anche se in ritardo, sembra che oggi si affacci la consapevolezza della necessità di un mutamento di rotta, che ci fa sperare in un ruolo più significativo dell'Europa e dell'Italia nelle grandi imprese previste alle soglie del nuovo millennio.

Francesco Vatalaro, Le Scienze, CD Rom 1995, Le Scienze.

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