آشنایی با ماهواره های مخابراتی (1)

مقدمه

در جهان امروز، فناوري فضايي به عنوان يكي از مهم‌ترين زمينه‌هاي رقابتي در بين كشورها شناخته مي‌شود؛ به‌گونه‌اي كه ميزان دستيابي به اشكال گوناگون فناوري فضايي، مبناي دقيقي براي مقايسه كشورها از نظر توسعه اقتصادي و صنعتي محسوب مي‌شود. بهره‌برداري از فضا با اهداف مختلفي صورت مي‌گيرد كه از آن جمله مي‌توان به اكتشافات علمي، استفاده از منابع بيكران فضا، مخابرات، سنجش از دور، آموزش از دور، مكان‌يابي و ناوبري اشاره كرد. با توجه به ويژگي‌ها و كاربردهاي منحصربه ‌فرد فناوري‌هاي فضايي، ديگر نمي‌توان زندگي بشر را بدون استفاده از فضا متصور بود.
در اين ميان، يكي از كاربردهاي مهم و حياتي فضا براي انسان مخابرات است. امروزه، پيشرفت و تكامل جوامع بشري و افزايش روزافزون نيازهاي ارتباطي، توسعه شيوه‌هاي نوين ارتباطي را ضروري كرده است. ماهواره‌هاي مخابراتي را مي‌توان بهترين، كارآمدترين و گاهي تنها راه ايجاد ارتباط بين دو نقطه از كره زمين دانست. مزاياي بي‌شمار اين فناوري، از جمله سرعت عمل بالا، پوشش مناسب، امكان ارتباط با دورترين و غيرقابل دسترس‌ترين مناطق و به‌صرفه بودن، استفاده از ماهواره‌هاي مخابراتي را اجتناب‌ناپذير كرده است.
در مجموع، نقش ارزنده ماهواره‌هاي مخابراتي در زندگي امروز بشر غيرقابل انكار است. از جمله كاربردهاي گوناگون اين ماهواره‌ها، مي‌توان به پخش انواع برنامه‌هاي تلويزيوني و راديويي، شبكه‌هاي انتقال داده جهاني و منطقه‌اي مانند اينترنت، آموزش از دور، سمينارهاي صوتي- تصويري بلادرنگ، ارسال اطلاعات، امداد و نجات و انواع مكالمات تلفني ثابت و متحرك اشاره كرد. همچنين ماهواره‌هاي مخابراتي، گامي بزرگ در صنعت تجاري‌سازي فضا محسوب مي‌شوند و بهره‌برداري تجاري از اين ماهواره‌ها، به‌ويژه پس از جنگ سرد در دهه 90 ميلادي، راه را براي گسترش تجارت فناوري فضايي در تمام زمينه‌ها هموار كرد. به دليل همين كاربردهاي ارزشمند، دستيابي به فناوري ساخت، توسعه و پرتاب ماهواره‌هاي مخابراتي براي تمام كشورهاي جهان حياتي به نظر مي‌رسد.

شكل 1- نمونه‌هايي از ماهواره‌هاي مخابراتي

تاريخچه

اسپوتنيك1 شوروي سابق، اولين ساخته دست بشر كه در سال 1957 مرزهاي فضا را به روي بشر گشود، نخستين سيگنال‌هاي راديويي را براي اولين بار از فضا به زمين مخابره كرد. اولين ارتباط ماهواره‌اي با زمين در قالب پروژه پاون و با ماهواره آمريكايي اِسكور در سال 1958 صورت گرفت كه در آن از يك ضبط‌صوت براي ذخيره و ارسال پيام‌هاي صوتي استفاده شد. اين ماهواره پيام تبريك سال نو ميلادي را به زمين مخابره كرد. پس از آن، ناسا ماهواره اِكو را در سال 1960 كه به شكل بالوني آلومينيمي بود، براي بازپخش غيرفعال ارتباطات راديويي به فضا پرتاب كرد. كورير1بي كه توسط شركت آمريكايي فيلكو طراحي و در 1960 پرتاب شد، اولين ماهواره بازپخش فعال امواج راديويي نام گرفت.
ماهواره تِل‌استار متعلق به شركت تلگراف و تلفن آمريكا، اولين ماهواره مخابراتي فعال بازپخش مستقيم بود كه طبق توافقي چندمليّتي براي توسعه ماهواره‌هاي مخابراتي توسط ناسا در دهم ژوئيه 1962 از كيپ‌كاناورال پرتاب شد. اين پرتاب همچنين اولين پرتابي بود كه با سرمايه‌گذاري بخش خصوصي انجام شد.
اولين ماهواره زمين‌آهنگ، ماهواره سينكام2 متعلق به شركت فضايي- مخابراتي هيوز بود كه در 26 ژوئيه 1963 پرتاب شد. اين ماهواره با سرعت ثابت، يك بار در روز به دور زمين مي‌چرخيد، اما به اين دليل كه زاويه ميل مداري آن صفر نبود، سايه ماهواره روي زمين نسبت به خط استوا حركتي شمالي- جنوبي داشت و بنابراين براي رديابي ماهواره تجهيزات خاصي مورد نياز بود. سينكام3 به عنوان اولين ماهواره زمين‌ثابت، در 19 اوت 1964 به فضا پرتاب شد. قرارگيري در مدار زمين‌ثابت باعث مي‌شد تا از ديد ناظر زميني، ماهواره در فضا ثابت به نظر برسد. از اين رو، براي ارسال و دريافت سيگنال از ماهواره، به تجهيزات رهگيري نيازي نبود. اين ماهواره در موقعيت مداري 180 درجه شرقي قرار داشت و در همان سال براي بازپخش تلويزيوني رقابت‌هاي المپيك تابستاني 1964 از توكيو به ايالات متحده مورد استفاده قرار گرفت. اين رويداد، اولين ارسال برنامه‌هاي تلويزيوني بر فراز اقيانوس آرام بود.
كمي پس از سينكام3، ماهواره اينتل‌ست1 در ششم آوريل 1965 به عنوان يك ماهواره مخابراتي زمين‌ثابت بر فراز اقيانوس اطلس و در موقعيت مداري 28 درجه غربي قرار گرفت. در نهم نوامبر 1972 نيز، آنيك اِي1 اولين ماهواره زمين‌ثابتي بود كه براي ارائه خدمات مخابراتي به قاره آمريكا، توسط شركت تله‌ست كانادا به فضا پرتاب شد. پس از آن، روند پرتاب ماهواره‌هاي مخابراتي از اقصي نقاط جهان گسترش روزافزون يافت.

شكل 2- ماهواره‌هاي مخابراتي مي‌توانند در مدارهاي زمين‌آهنگ، مولنيا و يا كم‌ارتفاع زميني قرار گيرند.

ماهواره‌هاي مخابراتي زمين‌ثابت (ژئو)

از ديد ناظر زميني، ماهواره‌اي كه در مدار زمين‌ثابت باشد به صورت معلق در فضا به نظر مي‌آيد. دليل اين امر اين است كه ماهواره زمين‌ثابت در هر روز، تنها يك بار به دور زمين مي‌چرخد. به بيان ديگر، سرعت ماهواره در چنين مداري برابر با سرعت گردش زمين به دور خود است.
مدار زمين‌ثابت با ارتفاعي حدود 35800 كيلومتر از سطح زمين، براي كاربردهاي مخابراتي بسيار مناسب است، زيرا آنتن‌هاي زميني كه بايد مستقيماً به سمت ماهواره نشانه بروند، در مورد اين نوع ماهواره‌ها بدون نياز به تجهيزات پرهزينه ويژه رديابي ماهواره مي‌توانند عملكرد بالايي داشته باشند. به‌خصوص براي مواردي مانند پخش مستقيم تلويزيوني كه نياز به تعداد زيادي آنتن زميني است، صرفه‌جويي در هزينه تجهيزات ايستگاه زميني در مقابل هزينه‌هاي پرتاب ماهواره به مدار زمين‌ثابت بسيار چشمگير است.
ايده اوليه وجود چنين مداري به انديشه‌ها و تحقيقات كنستانتين تسيلكوفسكي روسي برمي‌گردد. اما كاربردي‌‌ترين پيشنهاد در مورد استفاده از ماهواره‌هاي مخابراتي زمين‌ثابت عملياتي را آرتور سي كلارك، نويسنده استراليايي، طي مقاله‌اي با عنوان رله‌هاي خارج از زمين در مجله انگليسي وايرلس ورلد (جهان بي‌سيم)، در اكتبر 1945 مطرح كرد. در اين مقاله، اساس به‌كارگيري ماهواره‌ها در مدار زمين‌ثابت به منظور ارسال پيام‌هاي راديويي تشريح شده بود. كلارك حتي توان و فركانس‌هاي مورد نياز براي چنين ماهواره‌هايي را نيز محاسبه كرد و نشان داد كه چگونه مي‌توان كل كره زمين را با سه ماهواره زمين‌ثابت پوشش داد. از اين رو اغلب كلارك را به عنوان پدر ماهواره‌هاي مخابراتي مي‌شناسند.

شكل 3- چگونگي پوشش زمين توسط ماهواره مخابراتي زمين‌ثابت
پس از پرتاب ماهواره‌هاي تل‌استار، سينكام3، آنيك اِي1 و وِستار1، آمريكا ماهواره ست‌كام 1 را در سال 1975 به فضا پرتاب كرد. اين ماهواره يك تجربه موفق در پخش برنامه‌هاي تلويزيوني ماهواره‌اي بود.
تا سال 2000، شركت فضايي- مخابراتي هيوز (كه پس از فروخته شدن به شركت بوئينگ، با عنوان مركز توسعه ماهواره‌اي بوئينگ شناخته مي‌شود) كار ساخت حدود چهل درصد از ماهواره‌هاي مخابراتي سراسر جهان را بر عهده داشت. در حال حاضر، ديگر سازندگان اصلي ماهواره شامل شركت‌هاي سامانه‌هاي فضايي لورال (از زيرمجموعه‌هاي شركت مخابراتي و فضايي لورال آمريكا با مسئوليت محدود)، لاكهيدمارتين، نورتروپ‌گرومن، آلكاتل‌اسپيس و ايدس‌آستريوم هستند.

ماهواره‌هاي مخابراتي واقع در مدارهاي كم‌ارتفاع (لئو)

مدارهاي كم‌ارتفاع زميني، به مدارهايي واقع در ارتفاع 200 تا 2000 كيلومتري سطح زمين اطلاق مي‌شود. سرعت گردش ماهواره‌ها به دور زمين با كاهش ارتفاع مداري، افزايش مي‌يابد. براي مثال، زمان يك دور گردش ماهواره‌اي كه در مداري به ارتفاع چهارصد كيلومتر از سطح زمين قرار دارد، حدود 90 دقيقه است. اين در حالي است كه يك ماهواره واقع در مدار زمين‌ثابت به ارتفاع حدود 36000 كيلومتري سطح زمين، به 24 ساعت زمان نياز دارد تا يك بار به دور زمين بچرخد. از طرفي، ماهواره‌هاي واقع در مدارهاي كم‌ارتفاع، تنها مي‌توانند محدوده‌اي به شعاع حدود 1000 كيلومتر را بر سطح زمين پوشش دهند. بنابراين، براي يك ارتباط بدون اختلال، حتي براي كاربردهاي منطقه‌اي، تعداد زيادي از اين نوع ماهواره‌ها لازم است.
قرار دادن ماهواره در مدار كم‌ارتفاع زميني كم‌هزينه‌تر از پرتاب ماهواره به مدار زمين‌ثابت بوده و به دليل نزديك بودن ماهواره به زمين، قدرت سيگنال كمتري مورد نياز است (قدرت سيگنال با مجذور فاصله رابطه عكس دارد، بنابراين اين كاهش در فاصله‌هاي زياد بسيار چشمگير خواهد بود). از اين رو، بين تعداد ماهواره‌ها و هزينه آنها بايد حالت بهينه انتخاب شود. لازم به ذكر است كه ميان تجهيزات ماهواره‌اي و ايستگاه زميني در دو نوع ماهواره زمين‌ثابت و كم‌ارتفاع زميني تفاوت زيادي وجود دارد.
مجموعه‌اي از ماهواره‌ها كه با هم به انجام مأموريتي معين بپردازند، ناوگان ماهواره‌اي خوانده مي‌شود. دو نمونه از اين مجموعه‌ها كه با هدف برقراري مكالمات تلفني در نقاط دوردست به وجود آمدند، ايريديوم و گلوبال‌استار نام دارند. به عنوان مثال، ناوگان ايريديوم كه سراسر كره زمين را پوشش مي‌دهد، داراي 66 ماهواره است. مورد ديگري كه ماهواره‌هاي كم‌ارتفاع زميني امكان‌پذير كرده‌اند، پوشش غيرپيوسته است كه در اين حالت، داده‌ها هنگام عبور ماهواره از فراز نقطه‌اي از زمين دريافت و در ماهواره ذخيره شده و سپس با حركت ماهواره و رسيدن به نقطه‌اي ديگر از زمين، ارسال مي‌شوند. سامانه مخابراتي تجاري كَسكيد مربوط به پروژه ماهواره‌اي كَسيوپ آژانس فضايي كانادا بر همين اساس طراحي شده است.

ماهواره‌هاي مخابراتي مولنيا

همان‌گونه كه ذكر شد، ماهواره‌هاي زمين‌ثابت بر فراز استوا به دور زمين مي‌چرخند و به همين دليل براي ارائه خدمات به نقاط روي عرض‌هاي جغرافيايي بالاتر مناسب نيستند؛ چرا كه در عرض جغرافيايي بالاتر، ممكن است زاويه ديد ماهواره نزديك به افق يا حتي پايين‌تر از آن قرار بگيرد و ارتباط تحت اثر تداخلي زمين تضعيف شود. در اين حالت، مدارهاي مولنيا مي‌توانند به عنوان جايگزين مدار زمين‌ثابت استفاده شوند.

شكل 4- چگونگي پوشش زمين توسط ماهواره مخابراتي واقع در مدار مولنيا

شكل 5- دوره تناوب ماهواره در مدار مولنيا، 12 ساعت است كه بيشتر اين زمان را در مناطق شمالي زمين به سر مي‌برد.
مدارهاي مولنيا، بيضي بسيار كشيده‌اي با زاويه ميل 4/63 درجه هستند. ارتفاع زياد مدار مولنيا در نقطه اوج آن نسبت به نقطه حضيض اين مدار باعث مي‌شود تا ماهواره‌اي كه در چنين مداري قرار مي‌گيرد، درصد بيشتري از زمان يك پريود كامل خود را در منطقه اوج مدار طي كند. اين موضوع به همراه زاويه ميل نسبتاً زياد چنين مداري باعث مي‌شود تا ماهواره‌هاي عملياتي در مدار مولنيا براي تبادل اطلاعات راديويي در عرض‌هاي شمالي و جنوبي زمين كارآمد باشند. دوره تناوب ماهواره در مدار مولنيا حدود 12 ساعت است و كمتر از چهار ساعت از اين مدت را در ناحيه حضيض به سر مي‌برد. بنابراين ماهواره واقع در مدار مولنيا قادر است به مدت هشت ساعت در هر چرخش مناطق شمالي كره زمين را پوشش دهد. بدين ترتيب، مي‌توان با سه ماهواره مولنيا (به علاوه ماهواره‌هاي يدك در مدار) پوششي پيوسته را در يك محدوده جغرافيايي فراهم آورد. اين ماهواره‌ها عموماً براي خدمات تلويزيوني و راديويي بر فراز روسيه استفاده مي‌شوند. كاربرد ديگر اين نوع ماهواره‌ها در سامانه‌هاي راديويي متحرك است تا هنگام حركت ماشين‌ها در مناطق شهري حتي با وجود ساختمان‌هاي بلند نيز، ارتباط مناسبي برقرار شود.
اولين ماهواره مولنيا در 23 آوريل 1965 براي پخش آزمايشي سيگنال‌هاي تلويزيوني از مسكو به سيبري و نواحي شرقي روسيه به فضا پرتاب شد. در نوامبر 1967، متخصصان شوروي سابق سامانه بي‌نظير شبكه ماهواره‌اي تلويزيوني ملي خود را با نام اوربيتا ايجاد كردند كه بر پايه ماهواره‌هاي مولنيا طراحي شد.
ادامه دارد .....
ارسال مقاله توسط عضو محترم سایت با نام کاربری : sm1372
/س