Introduction to Satellite Communication 3rd Edition

1.2.1
Space Segment
Figure 1.13 is an overview of the main elements of the space segment. As can be
seen from the figure, placing a satellite into orbit and operating it for 12 or more
years involves a great deal. Placement in orbit is accomplished by contracting with
a spacecraft manufacturer and a launch agency and allowing them about three
years to design, construct, and launch the satellite. Chapters 6, 7, and 8 provide
Figure 1.13
The elements needed to implement the space segment of a communication satellite
system.

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16
Fundamentals of Satellite Systems
considerable detail on the design of a communication satellite, while Chapter 10
reviews the launch aspects.
After the spacecraft is placed in the proper orbit, it becomes the responsibility
of a satellite operator to control the satellite for the duration of its mission (its
lifetime in orbit). As discussed in Chapter 11, that is a fairly complex task and
involves both sophisticated ground-based facilities as well as highly trained technical
personnel. The complexity of the problem increases for a non-GEO satellite and
a constellation because there are many more satellites that are in constant motion
relative to the surface of the Earth. The tracking, telemetry, and command
(TT&C) station (or stations) establishes a control and monitoring link with the
satellite. Precise tracking data are collected periodically via the ground antenna to
allow the pinpointing of the satellite’s position and the planning of on-orbit position
corrections. That is because any orbit tends to distort and shift with respect to a
fixed point in space due to varying gravitational forces from the nonspherical Earth
and the pull of the sun and moon.
Eventually, the onboard liquid or molecular propellant used for orbit correction
is exhausted and the satellite must be removed from service. Retirement of a GEO
satellite usually involves using a small reserve of propellant to increase the velocity
sufficiently to raise the orbit a few hundred kilometers. The retired satellite will
remain in orbit for eternity; with its repeater turned off, it cannot interfere or
conflict with the operation of usable satellites in GEO. Satellites in LEO are subject
to atmospheric drag, which, if not corrected, causes the orbit to decay and the
satellite to reenter the atmosphere and burn up. This is, in fact, how LEO satellites
may be removed from service.
The second facility shown in Figure 1.13 is the satellite control center (SCC),
which houses the operator consoles and data processing equipment for use by
satellite control personnel and supporting engineering staff. Other common names
for an SCC include operations control center (OCC) and satellite control facility
(SCF). The SCC could be at the site of the TT&C station, but more commonly it
is located some distance away, usually at the headquarters of the satellite operator.
The actual satellite-related data can be passed between the sites over data and voice
lines (either terrestrial or satellite). Adding a second TT&C site improves system
reliability and would be required for non-GEO satellite operations. As mentioned
previously, the level of training of the personnel at the SCC is quite high, involving
such fields as orbital mechanics, aerospace and electronic engineering, and computer
system operation.
In the launch phase, the satellite must be located and tracked from the ground
as soon as it has been released from the last rocket stage. That service normally
is obtained from the spacecraft manufacturer. The satellite operator could employ
its own TT&C station to participate in transfer orbit maneuvers (actions prior to
placement in GEO), and the station can be the point from which commands are
transmitted to the satellite to deploy its antennas and solar panels. Some non-GEO
systems can be launched directly into the operational orbit, avoiding the transfer
orbit phase entirely. Touch-up maneuvers to fine-tune the orbit would be antici-
pated for GEO and non-GEO satellites alike.
Routine operations at the SCC and the TT&C station are intended to produce
continuous and nearly uniform performance from each satellite. Actual communica-

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1.2
System Elements
17
tions services via the microwave repeater aboard the satellite do not need to pass
through the satellite operator’s ground facilities, although any suitably located
TT&C station could serve as a communications hub for a large city. Often, the
TT&C station includes separate communications equipment to access the satellite
repeater for the purposes of testing and monitoring its performance.
One particularly nice feature of a GEO satellite is that the communications
monitoring function can be performed from anywhere within the footprint (see
Figure 1.3); for example, the SCC can have its own independent monitoring antenna
not connected with the TT&C station. GEO and non-GEO satellites can be moni-
tored by several ground antennas strategically positioned around the coverage
region. Such antennas often are vital for measuring satellite repeater output and
for troubleshooting complaints and problems (users may blame the satellite for
poor or no reception when the difficulty lies with their Earth stations).
Another problem area for which monitoring is essential is dealing with harmful
interference to communications services. Also called double illumination, it occurs
when an errant Earth station operator activates a transmitter on the wrong fre-
quency or even on the wrong satellite. In the congested orbital arcs serving North
America, Europe, and eastern Asia, double illumination must be detected quickly
and the source identified so disruption of valid communications services is mini-
mized. While the vast majority of interference problems are unintentional, there
have been a few instances of intentional jamming and possible piracy (e.g., unautho-
rized usage of satellite capacity). Satellite operators and users are motivated to act
quickly on those rare instances. Such problems, while serious when they occur,
are relatively infrequent; satellite transmission is perhaps the most reliable means
of long-haul communications.