آشنایی با ماهواره های مخابراتی

درباره آشنایی با ماهواره های مخابراتی بیشتر بدانید ...

آشنایی با ماهواره های مخابراتی

Introduction to communications satellites

مقدمه
در جهان امروز، فناوری فضایی به عنوان یكی از مهم‌ترین زمینه‌های رقابتی در بین كشورها شناخته می‌شود؛ به‌گونه‌ای كه میزان دستیابی به اشكال گوناگون فناوری فضایی، مبنای دقیقی برای مقایسه كشورها از نظر توسعه اقتصادی و صنعتی محسوب می‌شود. بهره‌برداری از فضا با اهداف مختلفی صورت می‌گیرد كه از آن جمله می‌توان به اكتشافات علمی، استفاده از منابع بیكران فضا، مخابرات، سنجش از دور، آموزش از دور، مكان‌یابی و ناوبری اشاره كرد. با توجه به ویژگی‌ها و كاربردهای منحصربه ‌فرد فناوری‌های فضایی، دیگر نمی‌توان زندگی بشر را بدون استفاده از فضا متصور بود.
در این میان، یكی از كاربردهای مهم و حیاتی فضا برای انسان مخابرات است. امروزه، پیشرفت و تكامل جوامع بشری و افزایش روزافزون نیازهای ارتباطی، توسعه شیوه‌های نوین ارتباطی را ضروری كرده است. ماهواره‌های مخابراتی را می‌توان بهترین، كارآمدترین و گاهی تنها راه ایجاد ارتباط بین دو نقطه از كره زمین دانست. مزایای بی‌شمار این فناوری، از جمله سرعت عمل بالا، پوشش مناسب، امكان ارتباط با دورترین و غیرقابل دسترس‌ترین مناطق و به‌صرفه بودن، استفاده از ماهواره‌های مخابراتی را اجتناب‌ناپذیر كرده است.

تاریخچه
اسپوتنیك۱ شوروی سابق، اولین ساخته دست بشر كه در سال ۱۹۵۷ مرزهای فضا را به روی بشر گشود، نخستین سیگنال‌های رادیویی را برای اولین بار از فضا به زمین مخابره كرد. اولین ارتباط ماهواره‌ای با زمین در قالب پروژه پاون و با ماهواره آمریكایی اِسكور در سال ۱۹۵۸ صورت گرفت كه در آن از یك ضبط‌صوت برای ذخیره و ارسال پیام‌های صوتی استفاده شد. این ماهواره پیام تبریك سال نو میلادی را به زمین مخابره كرد. پس از آن، ناسا ماهواره اِكو را در سال ۱۹۶۰ كه به شكل بالونی آلومینیمی بود، برای بازپخش غیرفعال ارتباطات رادیویی به فضا پرتاب كرد. كوریر۱بی كه توسط شركت آمریكایی فیلكو طراحی و در ۱۹۶۰ پرتاب شد، اولین ماهواره بازپخش فعال امواج رادیویی نام گرفت.
ماهواره تِل‌استار متعلق به شركت تلگراف و تلفن آمریكا، اولین ماهواره مخابراتی فعال بازپخش مستقیم بود كه طبق توافقی چندملیّتی برای توسعه ماهواره‌های مخابراتی توسط ناسا در دهم ژوئیه ۱۹۶۲ از كیپ‌كاناورال پرتاب شد. این پرتاب همچنین اولین پرتابی بود كه با سرمایه‌گذاری بخش خصوصی انجام شد.
اولین ماهواره زمین‌آهنگ، ماهواره سینكام۲ متعلق به شركت فضایی- مخابراتی هیوز بود كه در ۲۶ ژوئیه ۱۹۶۳ پرتاب شد. این ماهواره با سرعت ثابت، یك بار در روز به دور زمین می‌چرخید، اما به این دلیل كه زاویه میل مداری آن صفر نبود، سایه ماهواره روی زمین نسبت به خط استوا حركتی شمالی- جنوبی داشت و بنابراین برای ردیابی ماهواره تجهیزات خاصی مورد نیاز بود. سینكام۳ به عنوان اولین ماهواره زمین‌ثابت، در ۱۹ اوت ۱۹۶۴ به فضا پرتاب شد. قرارگیری در مدار زمین‌ثابت باعث می‌شد تا از دید ناظر زمینی، ماهواره در فضا ثابت به نظر برسد. از این رو، برای ارسال و دریافت سیگنال از ماهواره، به تجهیزات رهگیری نیازی نبود. این ماهواره در موقعیت مداری ۱۸۰ درجه شرقی قرار داشت و در همان سال برای بازپخش تلویزیونی رقابت‌های المپیك تابستانی ۱۹۶۴ از توكیو به ایالات متحده مورد استفاده قرار گرفت. این رویداد، اولین ارسال برنامه‌های تلویزیونی بر فراز اقیانوس آرام بود.
كمی پس از سینكام۳، ماهواره اینتل‌ست۱ در ششم آوریل ۱۹۶۵ به عنوان یك ماهواره مخابراتی زمین‌ثابت بر فراز اقیانوس اطلس و در موقعیت مداری ۲۸ درجه غربی قرار گرفت. در نهم نوامبر ۱۹۷۲ نیز، آنیك اِی۱ اولین ماهواره زمین‌ثابتی بود كه برای ارائه خدمات مخابراتی به قاره آمریكا، توسط شركت تله‌ست كانادا به فضا پرتاب شد. پس از آن، روند پرتاب ماهواره‌های مخابراتی از اقصی نقاط جهان گسترش روزافزون یافت.

عموما ماهواره‌ها روی ۴ نوع مدار که بستگی به نوع کاربرد ماهواره دارد، قرار می‌گیرند:

مدار پائین زمین
مدار قطبی
مدار زمین‌ایست
مدار بیضوی

ماهواره انواع و کاربرد‌های گوناگونی دارد از جمله:

ماهواره ضد سلاح: برای خراب کردن ماهواره‌های دشمن و دیگر سلاح‌های مداری و اهداف دیگر طراحی شده‌اند
ماهواره‌های نجومی: برای مشاهده فاصله سیاره‌ها و کهکشان‌ها و دیگر اشیای خارجی فضا استفاده می‌شود
ماهواره‌های زیستی: برای حمل ارگانیسم‌های زنده طراحی شده‌اند، عموماً برای آزمایش‌های علمی استفاده می‌شوند

ماهواره‌های مخابراتی: برای اهداف ارتباط راه دور در فضا قرار گرفته‌اند
ماهواره‌های مینیاتوری: دارای وزن کم و سایز کوچک هستند
ماهواره‌های هدایت کننده: از پخش کردن سیگنال‌های رادیویی استفاده می‌کنند تا دریافت کننده‌های موبایل را در زمین فعال کنند
ماهواره‌های اکتشافی: ماهواره‌های مشاهداتی زمین یا ماهواره‌های مخابراتی می‌باشند، که برای کاربرد‌های نظامی و جاسوسی مستقر شده‌اند
ماهواره‌های زمین شناسی: برای نظارت بر محیط، هواشناسی و ساختن نقشه و… استفاده می‌شوند
ایستگاه فضایی: یک ساختار ساخته دست بشر می‌باشد که برای زندگی انسان در فضای خارج طراحی شده‌است
ماهواره‌های تتر: این ماهواره‌ها به وسیله یک کابل که به آنها تتر (افسار) می‌گویند، به ماهواره‌های دیگر وصل می‌شوند
ماهواره‌های هوا شناسی: به طور ابتدایی برای نشان دادن آب و هوای کره زمین به کار می‌روند

اجزای تشکیل‌دهنده ماهواره مخابراتی

یک ماهواره از زیرسامانه‌های متعددی تشکیل شده تا بتواند وظیفه عملیاتی خود را به درستی انجام دهد. به طور کلی یک ماهواره کوچک مخابراتی شامل زیرسامانه‌های ذیل است:

زیرسامانه ردیابی، تله‌متری و فرمان (‌تی‌تی‌سی)

وظیفه زیرسامانه تی‌تی‌سی، کدگذاری داده‌های زیرسامانه‌های دیگر برای ارسال به صورت سیگنال‌های تله‌متری است. ‌همچنین دریافت، کدگشایی و ارسال فرامین رسیده از زمین به سایر زیرسامانه‌ها توسط این زیرسامانه انجام می‌شود. تی‌تی‌سی با ایجاد ارتباط دایم با مرکز پشتیبانی زمینی، کارکرد درست ماهواره را تضمین می‌کند.

زیرسامانه تأمین نیرو (پی‌اِس‌اِس)

زیرسامانه پی‌اس‌اس، انرژی الکتریکی مورد نیاز برای دیگر سامانه‌ها را فراهم می‌سازد. این زیرسامانه و سامانه الکترونیک کنترلی مرتبط با آن، انرژی لازم برای کار زیرسامانه‌های دیگر را به مقدار کافی تأمین می‌کند و معمولاً شامل مجموعه‌ای از سلول‌های خورشیدی نصب شده روی بدنه یا آرایه‌های خورشیدی است که باتری‌ها را برای زمان کسوف ماهواره شارژ می‌کنند.
آرایه‌های خورشیدی هنگام پرتاب ماهواره و قراردهی در مدار، به شکل تا شده هستند و پس از پایداری کامل ماهواره باز می‌شوند. از آن پس، بال‌های خورشیدی با قرارگیری در برابر خورشید توان الکتریکی مورد نیاز را تولید می‌کنند.

زیرسامانه تعیین و کنترل وضعیت (اِی‌دی‌سی‌‌اِس)

وظیفه زیرسامانه تعیین و کنترل وضعیت، تعیین وضعیت و کنترل ماهواره است، به طوری که موقعیت مدار عملیاتی و پوشش آنتنی مورد نیاز ماهواره تأمین و حفظ شود. این زیرسامانه باید قادر به انجام وظایفی در مدارهای انتقال باشد تا قرارگیری صحیح در مدار موردنظر حاصل شود. برای این منظور، زیرسامانه باید شرایط چرخش‌پایدار یا پایداری سه‌محوره را در مدارهای انتقال کنترل کند. پس از تأمین این شرایط و روشن شدن موتور کمکی، زیرسامانه تعیین و کنترل وضعیت، پایداری ماهواره را هنگام قرارگیری در مدار نهایی فراهم می‌سازد.

وظایف شرح داده شده، توسط جت‌های گاز سرد یا گرم، عملگرهای مغناطیسی، چرخ‌های عکس‌العملی و یا ژایروها انجام می‌شود. فرمان‌های کنترلی با استفاده از داده‌های به دست آمده از حسگرهای موقعیت‌یاب، که می‌توانند حسگرهای اینرسی مانند ژایروها و یا حسگرهای خورشیدی، ستاره‌ای و زمینی باشند و مقایسه آنها با برنامه از قبل داده شده، به دست می‌آیند. بنابراین حسگرها و عملگرها، زیرسامانه تعیین و کنترل وضعیت را در انجام عملیات لازم برای حفظ موقعیت و وضعیت ماهواره، در شرایط پایدار، یاری می‌کنند.

هنگام قرارگیری ماهواره در موقعیت‌های نامطلوب یا خطرناک، زیرسامانه تعیین و کنترل وضعیت با انجام عملیاتی خودکار، موقعیت و وضعیت ماهواره را تصحیح می‌کند و ماهواره را در وضعیت عملیاتی مطلوب قرار می‌دهد. در این حالت امکان اختلال در پوشش آنتن وجود دارد که با حفظ ارتباطات تله‌متری و فرمان، می‌توان عملیات تصحیح پوشش آنتن را توسط مرکز پشتیبانی زمینی ماهواره انجام داد.

زیرسامانه کنترل حرارت

زیرسامانه کنترل حرارت، محیط حرارتی لازم برای کار زیرسامانه‌های دیگر را فراهم می‌کند. این زیرسامانه اغلب شامل اجزای غیرفعال، مانند روکش‌های حرارتی است که روی سطح ماهواره را می‌پوشانند. زیرسامانه کنترل حرارت همچنین می‌تواند مجهز به گرماسازهای قابل کنترل و یا رادیاتورهای تشعشعی نیز باشد. کلیه این اقدامات، به منظور تأمین دمای عملیاتی لازم برای زیرسامانه‌ها صورت می‌گیرد.

محموله مخابراتی

زیرسامانه‌های مخابراتی نصب شده روی ماهواره که انجام مأموریت اصلی ماهواره را بر عهده دارد، محموله ماهواره نامیده می‌شوند. این زیرسامانه در طراحی ماهواره تعیین‌کننده است و باید اهداف تعیین‌شده را تأمین نماید. تمام زیرسامانه‌های دیگر ماهواره، زیرسامانه مخابراتی ماهواره را برای ارتباط با زمین پشتیبانی می‌کنند. ماهواره‌های مخابراتی از تجهیزاتی با عنوان ترنسپاندر برای ارتباط استفاده می‌کنند که از اختصار عبارت ترنسمیتر- ریسپاندر به دست آمده است. در واقع، ترنسپاندر یک فرستنده- گیرنده خودکار است که در فرکانس‌هایی خاص، سیگنال‌ها را دریافت، تقویت و ارسال می‌کند. معمولاً سیگنال‌های ورودی و خروجی ترنسپاندر متفاوت است؛ به بیان دیگر، ترنسپاندر سیگنال ورودی را در یک فرکانس یا باند دریافت و آن را پس از تقویت و انجام فرایند لازم، بلافاصله تحت فرکانس یا باند دیگری مخابره می‌کند.

در مخابرات ماهواره‌ای، از باندهای گوناگونی استفاده می‌شود. این باندها با توجه به محدوده فرکانسی آنها در طیف الکترومغناطیس دسته‌بندی می‌شوند. از این رو، تعاریف گوناگونی برای دسته‌بندی محدوده باندهای فرکانسی وجود دارد. در اینجا، از تعاریف ارائه شده توسط جامعه مهندسین برق و الکترونیک استفاده می‌شود. با توجه به این دسته‌بندی، باند سی، بخشی از طیف الکترومغناطیس در محدوده مایکروویو با فرکانس ۴ تا ۸ گیگاهرتز است. این باند اولین باند فرکانسی بود که برای ارتباطات تجاری ایستگاه زمینی به ماهواره اختصاص داده شد. معمولاً ماهواره‌های دارای ترنسپاندر باند سی، از محدوده فرکانس ۷/۳ تا ۲/۴ گیگاهرتز برای ارتباط با ایستگاه زمینی و از محدوده فرکانس ۹۲۵/۵ تا ۴۲۵/۶ گیگاهرتز برای دریافت سیگنال از ایستگاه استفاده می‌کنند. ارتباط بهینه باند سی نیاز به بشقاب‌های دریافت‌کننده بزرگ، معمولاً با قطر ۵/۲ تا ۵/۳ متر دارد و دریافت‌کننده‌های کوچک مانند بشقاب‌های خانگی برای این ارتباط مناسب نیست. از این رو، باند سی برای مصارفی مثل شبکه‌های تلویزیونی دولتی کاربرد دارد. باند سی خود برحسب محدوده فرکانسی و نوع کاربرد، با نام‌های گوناگون از جمله باند سی گسترده یا باند سی روسی شناخته می‌شود.

باند ایکس با محدوده فرکانسی ۷ تا ۵/۱۲ گیگاهرتز، بخشی از طیف الکترومغناطیس در محدوده مایکروویو است. خط ارسال ماهواره به زمین و بالعکس برای این باند در حالت استاندارد، به ترتیب ۲۵/۷ تا ۷۵/۷ گیگاهرتز و ۹/۷ تا ۴/۸ گیگاهرتز تعیین شده است. آژانس‌های فضایی، ارگان‌های نظامی، زیردریایی‌ها و هواپیماها از این باند برای مخابرات ماهواره‌ای و رادار استفاده می‌کنند.
باند کِی‌اِی، بخشی از طیف الکترومغناطیس در محدوده مایکروویو با فرکانس تقریبی ۱۸ تا ۴۰ گیگاهرتز است. این باند به طور گسترده در مخابرات ماهواره‌ای و رادارهای برد کوتاه هواپیماهای نظامی کاربرد دارد.

باند کِی‌یو، بخشی از طیف الکترومغناطیس در محدوده مایکروویو با فرکانس حدود ۱۲ تا ۱۸ گیگاهرتز است. باید توجه داشت که در محدوده فرکانس ۷/۱۰ تا ۵/۱۲ گیگاهرتز، تعریف محدوده کاری باند کِی‌یو و باند ایکس با یکدیگر هم‌پوشانی دارند. کاربرد اصلی باند کِی‌یو در مخابرات ماهواره‌ای و به‌ویژه ارتباط ناسا با شاتل فضایی و ایستگاه فضایی بین‌‌المللی است. پخش مستقیم رادیو- تلویزیونی با استفاده از این باند در بسیاری از کشورها ارائه می‌شود.
باند اِس، بخشی از طیف الکترومغناطیس در محدوده مایکروویو با فرکانس ۲ تا ۴ گیگاهرتز است. این باند معمولاً برای رادارهای هواشناسی، برخی ماهواره‌های مخابراتی و ارتباطات ناسا با شاتل فضایی و ایستگاه فضایی بین‌المللی کاربرد دارد. در برخی کشورها نیز از این باند برای پخش ماهواره‌ای به تلویزیون‌های خانگی استفاده می‌شود، اگرچه در بیشتر کشورها، باند کِی‌یو برای چنین مواردی به کار می‌رود. اخیراً، باند اِس در محدوده فرکانسی ۲ تا ۲/۲ گیگاهرتز برای شبکه‌های خدمات ماهواره‌ای تلفن سیار استفاده می‌شود.

باند اِل، بخشی از طیف الکترومغناطیس در محدوده مایکروویو با فرکانس تقریبی ۱ تا ۲ گیگاهرتز است. از این باند فرکانسی معمولاً در مخابرات ماهواره‌ای مانند پخش رادیویی دیجیتال و همچنین سامانه‌های مکان‌یابی جهانی مانند گالیلو و گلوناس استفاده می‌شود.

هر ماهواره مخابراتی ممکن است یک یا چند ترنسپاندر را برای مقاصد گوناگون حمل کند که این ترنسپاندرها، در باندهای ویژه‌ای ارسال و دریافت سیگنال را بر عهده دارند.

موتور اصلی ماهواره (اِی‌‌بی‌اِم)

در ماهواره‌های مخابراتی زمین‌ثابت، این موتور یک راکت سوخت جامد و یا موتور سوخت مایعی است که تنها یک بار پس از پرتاب ماهواره کار می‌کند. موتور اصلی ماهواره، امکان تغییر مدار ماهواره را از مدار انتقال بیضوی استوایی به مدار عملیاتی زمین‌ثابت فراهم می‌سازد. این موتور با وجود نصب روی ماهواره، معمولاً به عنوان یک زیرسامانه برای ماهواره محسوب نمی‌شود، زیرا عملیات آن تنها در حدود یک دقیقه طول می‌کشد.

زیرسامانه سازه

سازه ماهواره باید استحکام لازم را برای جلوگیری از رسیدن آسیب به بخش‌های مختلف ماهواره دارا باشد. محموله‌های ارزشمند و حساس ماهواره‌های مخابراتی که معمولاً با سرمایه‌گذاری هنگفت ساخته شده‌اند، حین پرتاب و یا فعالیت در مدار نباید با کوچکترین آسیبی مواجه شوند، وگرنه ممکن است تمام هزینه‌های صرف‌شده برای طراحی، ساخت و پرتاب ماهواره از بین برود. در حقیقت، وظیفه اصلی زیرسامانه سازه‌ حفاظت از ماهواره در برابر ارتعاشات و نیروهای نسبتاً شدید حین پرتاب و همچنین نیروهای پیش‌بینی شده در مدار است. با توجه به رابطه مستقیم وزن ماهواره و هزینه پرتاب آن، استفاده از مواد مرکب در ساخت ماهواره‌ها افزایش روزافزون پیدا کرده است.

ارتباط بین زیرسامانه‌های ماهواره

زیرسامانه‌های ماهواره با کنار هم قرارگرفتن، مجموعه ماهواره را تشکیل می‌دهند. سلامت کار تمام زیرسامانه‌ها با ارسال سیگنال‌های فرمان و دریافت سیگنال‌های تله‌متری کنترل می‌شود. مراقبت از صحت عملیات ماهواره نیز از طریق زیرسامانه تی‌تی‌سی بر عهده بخش کنترل زمینی است که باید مطابق استانداردهای موجود انجام شود. زیرسامانه‌هایی که به محموله مخابراتی مربوط می‌شوند، مهمترین بخش‌های عملیاتی ماهواره هستند. معمولاً معماری بخش‌های مختلف طوری انجام می‌شود که ماهواره قادر به حمل انواع محموله‌های دیگر نیز باشد.