Low orbits are fast and crowded, high orbits slow and spacious. Every choice of altitude is a trade between delay, footprint and how long the satellite stays up; the arithmetic is two centuries old and the traffic rules are new12.
Systems
LEO, MEO and GEO, Ground stations, Space sustainability
Toward 2030
Non-terrestrial networks in the cellular standard
Figures
4, map story, data story, simulator, timeline to 2030
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01Map story
Four orbits around one Earth.
A broadband shell at 550 km, a sun-synchronous imaging orbit near 700 km, a navigation orbit at 20,200 km and the geostationary ring at 35,786 km. Each period follows from the altitude alone1.
Figure as text: Four orbit classes and their ground tracks
A wireframe globe with four orbits in red and their ground tracks: two low orbits, a medium orbit and the geostationary ring.
Ground station (45.4° N, 75.7° W)
02Data story
Delay is geometry.
From user to satellite to gateway, the signal travels at the speed of light over two slant ranges. At the edge of coverage, that alone takes milliseconds in low orbit and roughly a quarter of a second in geostationary orbit. These values are computed, not measured, and exclude processing and terrestrial routing3.
Figure as text: Bent-pipe propagation delay by orbit, at a 25° elevation mask
A bar chart of one-way user-to-gateway propagation delay at a 25 degree mask for five altitudes, rising from a few milliseconds in low orbit to about a quarter of a second in geostationary orbit.
Bent-pipe propagation delay by orbit, at a 25° elevation mask (ms)
Orbit
One-way delay
LEO 550 km
7.5
LEO 1,200 km
14.7
MEO 8,063 km
70.3
MEO 20,200 km
155.1
GEO 35,786 km
260.6
03Simulator
Choose an altitude.
Raise the orbit and each satellite serves a wider circle, but the delay grows and the link budget worsens. Lower it and the opposite holds, and atmospheric drag shortens the satellite’s life, which the five-year deorbit rule now bounds in the United States2.
Figure as text: Footprint, delay and period by altitude
A section through the Earth with a satellite above it on a log altitude scale and its footprint arc in red.
Footprint, delay and period by altitude, at the starting values
Altitude
550 km
Elevation mask
25 °
Footprint radius
940.5 km
Slant range at the mask
1,123.3 km
One-way delay, nadir
1.83 ms
Bent-pipe delay, user to gateway
7.49 ms
Orbital period
96 min
04Timeline to 2030
Traffic rules for orbit.
The cellular standard added non-terrestrial access in 20224; the 2023 World Radiocommunication Conference updated the spectrum rules many constellations depend on5; the five-year rule sets a deadline for leaving low orbit after the mission ends2.
Figure as text: Rules and standards for the orbital commons
A timeline from 2020 to 2030 with the NTN study, the initial NTN release, the five-year rule and WRC-23.
2020 Non-terrestrial networks studied (3GPP TR 38.811). Channel models and deployment scenarios for satellite access to 5G.3
2022-06 First NTN release. Release 17 adds satellite access to the cellular standard.4
2022-09 Five-year deorbit rule. Satellites in low orbit to be removed within five years of mission end.2
2023-12 WRC-23 Final Acts. Updated international rules for satellite spectrum.5
Figure 1
Map story
Orbit 550 km, 53°
95.5 min
Orbit 700 km, 98.2°
98.6 min
Orbit 20,200 km, 55°
718.4 min
Orbit 35,786 km, 0°
1435.7 min
Figure 1. Four orbit classes and their ground tracks. A wireframe globe with four orbits in red and their ground tracks: two low orbits, a medium orbit and the geostationary ring.
References
Fundamentals of Astrodynamics and Applications, 4th edition. Vallado, D. A., Microcosm Press, 2013.
Space innovation; mitigation of orbital debris in the new space age, Second Report and Order (FCC 22-74): the five-year rule. United States Federal Communications Commission, 2022.
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4 services
Site Planner "Plan anywhere" vector basemap and label glyphs (OpenMapTiles schema)
Site Planner "Plan anywhere" elevation (Terrarium) for hillshade, line of sight, profiles and sky view
ProviderFournisseur
Terrain: Mapzen Terrain Tiles (AWS Open Data), incl. SRTM, GMTED, ETOPO1, USGS 3DEP and Canadian DEM data
Hosts contactedHôtes contactés
elevation-tiles-prod.s3.amazonaws.com
Observatory Builder weather layers (GDPS 2 m air temperature, global; radar precipitation rate, Canada) and the 2 m air temperature at the site (WMS GetFeatureInfo) that seeds the synthetic run
ProviderFournisseur
Data Source: Environment and Climate Change Canada
Hosts contactedHôtes contactés
geo.weather.gc.ca
Observatory Builder hazard layer and report (earthquakes of magnitude 2.5 and above in the past 30 days, GeoJSON summary feed)
ProviderFournisseur
Earthquakes: U.S. Geological Survey
Hosts contactedHôtes contactés
earthquake.usgs.gov
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