GEO vs MEO vs LEO

Satelitní komunikace

Satelitní komunikace využívá různé druhy oběžných drah, které zásadně ovlivňují latenci, pokrytí, energetické nároky, konstrukci konstelací i cenu terminálů. Tři nejčastěji diskutované kategorie jsou GEO (geostacionární), MEO (střední oběžná dráha) a LEO (nízká oběžná dráha). Každá z nich představuje jiný kompromis mezi fyzikálními limity, dostupností spektra, architekturou pozemního segmentu a obchodním modelem služeb. Tento článek srovnává GEO, MEO a LEO z pohledu komunikací, navigace a pozorování Země, s důrazem na metriky, které mají přímý dopad na návrh systémů a uživatelský zážitek.

Základní definice a parametry

• LEO (Low Earth Orbit): přibližně 300–1 500 km nad Zemí; oběžná doba ~90–120 min; rychlé pohyby po obloze, vysoký Doppler, nutné předávání (handover).
• MEO (Medium Earth Orbit): ~2 000–20 000 km; oběžná doba několik hodin; typické pro navigační systémy a „střednělatencní“ backhaul.
• GEO (Geostationary Earth Orbit): 35 786 km nad rovníkem; satelit zdánlivě stojí na obloze; stabilní směrování antény, globální pokrytí nízkých šířek třemi satelity.

Latence a zpoždění signálu

Základní limit určuje rychlost světla c ≈ 3×10⁸ m/s. U satelitní trasy je nutné zahrnout vzestup i sestup (uplink + downlink) a často i dvojí průchod přes satelit (tzv. „bent pipe“ nebo přepojení v kosmu).

• LEO: jednosměrně typicky 5–20 ms; RTT (round-trip time) ~20–50 ms včetně zpracování a směrování.
• MEO: jednosměrně ~30–80 ms; RTT často 80–200 ms podle výšky a architektury.
• GEO: pouze geometrický RTT ~480 ms (4×35 786 km / c), reálně ~550–650 ms po započtení zpracování, směrování a satelitních přepojů.

Latence přímo ovlivňuje interaktivitu (VoIP, videokonference, online hry) i protokoly s potvrzováním (TCP). Proto jsou LEO/MEO oblíbené pro nízkolatenční backhaul a poslední míli, zatímco GEO exceluje v broadcastu a vysokokapacitních trunkových spojích.

Pokrytí a velikost konstelací

• GEO: tři satelity stačí ke globálnímu pokrytí pásma ±~70° zeměpisné šířky; polární oblasti obtížné. Každý satelit poskytuje obrovskou footprint zónu.
• MEO: desítky satelitů pro nepřetržité pokrytí; výhodnější geometrie pro střední šířky, lze optimalizovat latenci i kapacitu.
• LEO: stovky až tisíce satelitů kvůli nízké výšce a malé footprint; nutná robustní infrastruktura pro řízení flotily, přelety a předávání spojení.

Anténní systémy a terminály

• GEO: díky stacionární pozici stačí pevně mířená parabolická anténa; uživatelský terminál je levný a pasivní (bez elektronického snímání paprsku).
• MEO/LEO: satelit se pohybuje po obloze → nutná tracking anténa: mechanicky natáčená parabola nebo plochá fázovaná anténa (ESA). ESA umožňuje rychlé „beam steering“, současné svazky a bezúdržbový provoz, ale je nákladnější a energeticky náročnější.

Fyzika šíření: ztráty, Doppler, elevace

• Volnoprostorové ztráty (FSPL) rostou s frekvencí a vzdáleností. GEO vyžaduje vyšší EIRP/nižší šumovou teplotu (G/T), MEO/LEO profitují z kratších vzdáleností a tudíž menších FSPL.
• Dopplerův jev je výrazný u LEO (desítky kHz v pásmech Ku/Ka), což klade nároky na frekvenční synchronizaci a fyzickou vrstvu (kompenzace v rámci modemů a plánování nosných).
• Elevace: u LEO se elevace rychle mění, nízké elevace zvyšují průchodové útlumy a citlivost na překážky; GEO potřebuje přímou viditelnost směrem k rovníku.

Rádiová pásma a kapacita

• L–S pásmo: odolnost vůči dešti, menší šířky kanálů, typicky mobilní a IoT služby.
• C–X pásmo: robustní backhaul, obranné a profesionální aplikace.
• Ku/Ka pásmo: vysokokapacitní VSAT, spot-beam architektury, HTS (High Throughput Satellites) s frekvenční opětovnou použitelností.
• Q/V pásmo: experimentální a budoucí kapacity, silný déšťový útlum, vyžaduje pokročilý fade mitigation.

Vysoká kapacita je dosažena kombinací širokého spektra, vícenásobných svazků (spot beams), frekvenčního plánování a (u LEO/MEO) mezisatelitních optických spojů (ISL), které umožňují směrování v kosmu bez nutnosti každý paket „skládat“ přes brány na Zemi.

Architektury přenosu: bent-pipe vs. regenerativní

• Bent-pipe (transparentní) transpondér: satelit přenáší signál bez demodulace; nižší složitost, ale větší závislost na pozemní síti.
• Regenerativní/přepojovací payload: demodulace/remodulace, směrování/SDN v kosmu, lepší využití rádiových zdrojů, adaptivní modulační a kódovací schémata (ACM) per uživatel/paprsek.

Link budget a kvalita služby

Návrh link budgetu závisí na EIRP satelitu, zisku antén, šumové teplotě (G/T), modulaci/kódování, počasí (déšťový fade v Ka/Q/V), a dynamice pohybu (u LEO). GEO obvykle vyžaduje větší paraboly a/nebo vyšší výkon, MEO/LEO mohou díky kratší vzdálenosti použít menší terminály a ploché antény, avšak s cenou za číslicové zpracování a řízení paprsků.

Mobilita, handover a směrování

• LEO: časté předávání mezi satelity a paprsky (sekundy až desítky sekund), potřeba robustního protokolu pro řízení relací (např. více cest, bufferování, rychlá rekonvergence).
• MEO: méně častý handover, kompromis mezi stabilitou a latencí.
• GEO: statické spojení – výhoda pro broadcast a multicasting, jednoduché QoS politiky.

Bezpečnost a regulace

Všechny dráhy podléhají mezinárodní koordinaci (ITU) – přidělení spektra a orbitálních pozic. GEO sloty a přidělení pásma jsou strategické a často dlouhodobě obsazené. MEO/LEO vyžadují také povolení pro rozsáhlé konstelace a brány (gateway) v různých zemích. Bezpečnost řeší šifrování linkové i síťové vrstvy, autentizaci terminálů a key management, u LEO navíc aspekty rychlé rotace klíčů kvůli častým handoverům.

Typické aplikační scénáře

• GEO: DTH (přímá satelitní TV), broadcast, podnikový VSAT, trunking, nouzová komunikace, backhaul pro mobilní sítě v odlehlých oblastech, aeronautická a námořní konektivita s většími terminály.
• MEO: globální navigace (GNSS), nízkolatenční backhaul v regionech bez optiky, podnikové spojení s vyváženým poměrem latence a pokrytí.
• LEO: širokoplošný přístup k internetu s nízkou latencí, IoT a M2M, mobilní platformy (lodě, letadla, vlaky) s menšími terminály, rychlé dočasné pokrytí (katastrofy, události).

Ekonomika nasazení a provozu

• CAPEX/OPEX: GEO má vysoký jednotkový CAPEX na satelit, ale nízké nároky na počet kusů; LEO vyžaduje výrobu ve velkých sériích, časté obnovování konstelace a hustou síť bran; MEO je mezi.
• Terminály: GEO terminály (paraboly) jsou levné a pasivní; LEO/MEO ESA terminály jsou dražší, ale zlevňují s masivní výrobou a integrací RFIC/CMOS.
• Spektrum: opětovné využití díky spot beams a směrování v kosmu zvyšuje spektrální efektivitu, ale klade nároky na plánování interferencí a koordinaci.

Porovnávací tabulka

Protokoly a fyzická vrstva

Satelitní systémy využívají adaptivní modulaci a kódování (ACM) – např. rodiny QPSK/8PSK/16APSK/32APSK v DVB-S2X pro GEO HTS, OFDM varianty pro mobilní terminály, a proprietární fyzické vrstvy v LEO/MEO se silným řízením zdrojů. U LEO je klíčová rychlá synchronizace, kompenzace Doppleru a beam management. Vyšší vrstvy (TCP/QUIC) těží ze zkrácené RTT u LEO/MEO; v GEO je běžné nasadit akcelerátory TCP, PEP a důmyslné cache.

Inter-satellite links (ISL) a topologie

Optické ISL (laserové) umožňují směrování paketů mezi satelity bez návratu na Zemi, což zkracuje trasy, snižuje latenci a uvolňuje pozemní přístupové brány. U LEO tak lze vytvořit mezikontinentální trasy s konkurenční latencí vůči optice přes oceán, zejména při vhodné geometrii a nízké agregační zátěži.

Spolehlivost, odolnost a bezpečnost provozu

• LEO: vysoká redundance díky velkým počtům satelitů; jednotlivé výpadky mají malý vliv, ale řízení konstelace je komplexní.
• MEO: robustní střední vrstva pro navigaci a regionální backhaul; vyžaduje pečlivou časovou a frekvenční synchronizaci.
• GEO: osvědčená technologie s dlouhou životností (15+ let), ale citlivější na poruchy jednoho uzlu a rušení na orbitální pozici.

Volba platformy podle požadavků služby

• Potřeba nízké latence a mobilita: LEO (přístupová síť, aeronautika, námořní, obrana).
• Širokopásmový broadcast a asymetrické služby: GEO (TV, ucelené pokrytí regionů, multicast).
• Globální přesné časování/navigace a vyvážený backhaul: MEO (GNSS, regionální síťová infrastruktura).

Trendy a vývoj

• Vícepásmové a multiorbitální terminály: schopnost přepínat mezi GEO/MEO/LEO pro SLA a cost-optimal routing.
• Software-defined payloads: flexibilní přidělování kapacity, dynamická tvorba svazků, SDN řízení v kosmu.
• Integrace s 5G/6G: standardizace NTN (Non-Terrestrial Networks), podpora 3GPP pro přímou komunikaci satelit–UE.
• Udržitelnost: autonómní vyhýbání kolizím, deorbitace a snižování kosmického smetí, elektrické pohony.

Závěr

LEO, MEO a GEO nejsou konkurenční v absolutním smyslu, ale komplementární vrstvy satelitního ekosystému. GEO poskytuje stabilní, vysoce kapacitní a nákladově efektivní broadcast a trunking s vyšší latencí. MEO nabízí střední cestu vhodnou pro navigaci a nízkolatenční regionální backhaul. LEO přináší nejnižší latenci, vysokou pružnost a mobilitu za cenu složitější flotily a řízení zdrojů. Úspěšný návrh sítě obvykle kombinuje více orbit a technologií tak, aby vyhověl požadované dostupnosti, kapacitě, ceně a kvalitě služby (SLA) dané aplikace.