آشنایی با ماهواره های مخابراتی (2)

اجزاي تشكيل‌دهنده ماهواره مخابراتي

يك ماهواره از زيرسامانه‌هاي متعددي تشكيل شده تا بتواند وظيفه عملياتي خود را به درستي انجام دهد. به طور كلي يك ماهواره كوچك مخابراتي شامل زيرسامانه‌هاي ذيل است:

زيرسامانه رديابي، تله‌متري و فرمان (‌تي‌تي‌سي)

وظيفه زيرسامانه تي‌تي‌سي، كدگذاري داده‌هاي زيرسامانه‌هاي ديگر براي ارسال به صورت سيگنال‌هاي تله‌متري است. ‌همچنين دريافت، كدگشايي و ارسال فرامين رسيده از زمين به ساير زيرسامانه‌ها توسط اين زيرسامانه انجام مي‌شود. تي‌تي‌سي با ايجاد ارتباط دايم با مركز پشتيباني زميني، كاركرد درست ماهواره را تضمين مي‌كند.

زيرسامانه تأمين نيرو (پي‌اِس‌اِس)

زيرسامانه پي‌اس‌اس، انرژي الكتريكي مورد نياز براي ديگر سامانه‌ها را فراهم مي‌سازد. اين زيرسامانه و سامانه الكترونيك كنترلي مرتبط با آن، انرژي لازم براي كار زيرسامانه‌هاي ديگر را به مقدار كافي تأمين مي‌كند و معمولاً شامل مجموعه‌اي از سلول‌هاي خورشيدي نصب شده روي بدنه يا آرايه‌هاي خورشيدي است كه باتري‌ها را براي زمان كسوف ماهواره شارژ مي‌كنند.
آرايه‌هاي خورشيدي هنگام پرتاب ماهواره و قراردهي در مدار، به شكل تا شده هستند و پس از پايداري كامل ماهواره باز مي‌شوند. از آن پس، بال‌هاي خورشيدي با قرارگيري در برابر خورشيد توان الكتريكي مورد نياز را توليد مي‌كنند.

زيرسامانه تعيين و كنترل وضعيت (اِي‌دي‌سي‌‌اِس)

وظيفه زيرسامانه تعيين و كنترل وضعيت، تعيين وضعيت و كنترل ماهواره است، به طوري كه موقعيت مدار عملياتي و پوشش آنتني مورد نياز ماهواره تأمين و حفظ شود. اين زيرسامانه بايد قادر به انجام وظايفي در مدارهاي انتقال باشد تا قرارگيري صحيح در مدار موردنظر حاصل شود. براي اين منظور، زيرسامانه بايد شرايط چرخش‌پايدار يا پايداري سه‌محوره را در مدارهاي انتقال كنترل كند. پس از تأمين اين شرايط و روشن شدن موتور كمكي، زيرسامانه تعيين و كنترل وضعيت، پايداري ماهواره را هنگام قرارگيري در مدار نهايي فراهم مي‌سازد.
وظايف شرح داده شده، توسط جت‌هاي گاز سرد يا گرم، عملگرهاي مغناطيسي، چرخ‌هاي عكس‌العملي و يا ژايروها انجام مي‌شود. فرمان‌هاي كنترلي با استفاده از داده‌هاي به دست آمده از حسگرهاي موقعيت‌ياب، كه مي‌توانند حسگرهاي اينرسي مانند ژايروها و يا حسگرهاي خورشيدي، ستاره‌اي و زميني باشند و مقايسه آنها با برنامه از قبل داده شده، به دست مي‌آيند. بنابراين حسگرها و عملگرها، زيرسامانه تعيين و كنترل وضعيت را در انجام عمليات لازم براي حفظ موقعيت و وضعيت ماهواره، در شرايط پايدار، ياري مي‌كنند.
هنگام قرارگيري ماهواره در موقعيت‌هاي نامطلوب يا خطرناك، زيرسامانه تعيين و كنترل وضعيت با انجام عملياتي خودكار، موقعيت و وضعيت ماهواره را تصحيح مي‌كند و ماهواره را در وضعيت عملياتي مطلوب قرار مي‌دهد. در اين حالت امكان اختلال در پوشش آنتن وجود دارد كه با حفظ ارتباطات تله‌متري و فرمان، مي‌توان عمليات تصحيح پوشش آنتن را توسط مركز پشتيباني زميني ماهواره انجام داد.

زيرسامانه كنترل حرارت

زيرسامانه كنترل حرارت، محيط حرارتي لازم براي كار زيرسامانه‌هاي ديگر را فراهم مي‌كند. اين زيرسامانه اغلب شامل اجزاي غيرفعال، مانند روكش‌هاي حرارتي است كه روي سطح ماهواره را مي‌پوشانند. زيرسامانه كنترل حرارت همچنين مي‌تواند مجهز به گرماسازهاي قابل كنترل و يا رادياتورهاي تشعشعي نيز باشد. كليه اين اقدامات، به منظور تأمين دماي عملياتي لازم براي زيرسامانه‌ها صورت مي‌گيرد.

محموله مخابراتي

زيرسامانه‌هاي مخابراتي نصب شده روي ماهواره كه انجام مأموريت اصلي ماهواره را بر عهده دارد، محموله ماهواره ناميده مي‌شوند. اين زيرسامانه در طراحي ماهواره تعيين‌كننده است و بايد اهداف تعيين‌شده را تأمين نمايد. تمام زيرسامانه‌هاي ديگر ماهواره، زيرسامانه مخابراتي ماهواره را براي ارتباط با زمين پشتيباني مي‌كنند. ماهواره‌هاي مخابراتي از تجهيزاتي با عنوان ترنسپاندر براي ارتباط استفاده مي‌كنند كه از اختصار عبارت ترنسميتر- ريسپاندر به دست آمده است. در واقع، ترنسپاندر يك فرستنده- گيرنده خودكار است كه در فركانس‌هايي خاص، سيگنال‌ها را دريافت، تقويت و ارسال مي‌كند. معمولاً سيگنال‌هاي ورودي و خروجي ترنسپاندر متفاوت است؛ به بيان ديگر، ترنسپاندر سيگنال ورودي را در يك فركانس يا باند دريافت و آن را پس از تقويت و انجام فرايند لازم، بلافاصله تحت فركانس يا باند ديگري مخابره مي‌كند.
در مخابرات ماهواره‌اي، از باندهاي گوناگوني استفاده مي‌شود. اين باندها با توجه به محدوده فركانسي آنها در طيف الكترومغناطيس دسته‌بندي مي‌شوند. از اين رو، تعاريف گوناگوني براي دسته‌بندي محدوده باندهاي فركانسي وجود دارد. در اينجا، از تعاريف ارائه شده توسط جامعه مهندسين برق و الكترونيك استفاده مي‌شود. با توجه به اين دسته‌بندي، باند سي، بخشي از طيف الكترومغناطيس در محدوده مايكروويو با فركانس 4 تا 8 گيگاهرتز است. اين باند اولين باند فركانسي بود كه براي ارتباطات تجاري ايستگاه زميني به ماهواره اختصاص داده شد. معمولاً ماهواره‌هاي داراي ترنسپاندر باند سي، از محدوده فركانس 7/3 تا 2/4 گيگاهرتز براي ارتباط با ايستگاه زميني و از محدوده فركانس 925/5 تا 425/6 گيگاهرتز براي دريافت سيگنال از ايستگاه استفاده مي‌كنند. ارتباط بهينه باند سي نياز به بشقاب‌هاي دريافت‌كننده بزرگ، معمولاً با قطر 5/2 تا 5/3 متر دارد و دريافت‌كننده‌هاي كوچك مانند بشقاب‌هاي خانگي براي اين ارتباط مناسب نيست. از اين رو، باند سي براي مصارفي مثل شبكه‌هاي تلويزيوني دولتي كاربرد دارد. باند سي خود برحسب محدوده فركانسي و نوع كاربرد، با نام‌هاي گوناگون از جمله باند سي گسترده يا باند سي روسي شناخته مي‌شود.
باند ايكس با محدوده فركانسي 7 تا 5/12 گيگاهرتز، بخشي از طيف الكترومغناطيس در محدوده مايكروويو است. خط ارسال ماهواره به زمين و بالعكس براي اين باند در حالت استاندارد، به ترتيب 25/7 تا 75/7 گيگاهرتز و 9/7 تا 4/8 گيگاهرتز تعيين شده است. آژانس‌هاي فضايي، ارگان‌هاي نظامي، زيردريايي‌ها و هواپيماها از اين باند براي مخابرات ماهواره‌اي و رادار استفاده مي‌كنند.
باند كِي‌اِي، بخشي از طيف الكترومغناطيس در محدوده مايكروويو با فركانس تقريبي 18 تا 40 گيگاهرتز است. اين باند به طور گسترده در مخابرات ماهواره‌اي و رادارهاي برد كوتاه هواپيماهاي نظامي كاربرد دارد.
باند كِي‌يو، بخشي از طيف الكترومغناطيس در محدوده مايكروويو با فركانس حدود 12 تا 18 گيگاهرتز است. بايد توجه داشت كه در محدوده فركانس 7/10 تا 5/12 گيگاهرتز، تعريف محدوده كاري باند كِي‌يو و باند ايكس با يكديگر هم‌پوشاني دارند. كاربرد اصلي باند كِي‌يو در مخابرات ماهواره‌اي و به‌ويژه ارتباط ناسا با شاتل فضايي و ايستگاه فضايي بين‌‌المللي است. پخش مستقيم راديو- تلويزيوني با استفاده از اين باند در بسياري از كشورها ارائه مي‌شود.
باند اِس، بخشي از طيف الكترومغناطيس در محدوده مايكروويو با فركانس 2 تا 4 گيگاهرتز است. اين باند معمولاً براي رادارهاي هواشناسي، برخي ماهواره‌هاي مخابراتي و ارتباطات ناسا با شاتل فضايي و ايستگاه فضايي بين‌المللي كاربرد دارد. در برخي كشورها نيز از اين باند براي پخش ماهواره‌اي به تلويزيون‌هاي خانگي استفاده مي‌شود، اگرچه در بيشتر كشورها، باند كِي‌يو براي چنين مواردي به كار مي‌رود. اخيراً، باند اِس در محدوده فركانسي 2 تا 2/2 گيگاهرتز براي شبكه‌هاي خدمات ماهواره‌اي تلفن سيار استفاده مي‌شود.
باند اِل، بخشي از طيف الكترومغناطيس در محدوده مايكروويو با فركانس تقريبي 1 تا 2 گيگاهرتز است. از اين باند فركانسي معمولاً در مخابرات ماهواره‌اي مانند پخش راديويي ديجيتال و همچنين سامانه‌هاي مكان‌يابي جهاني مانند گاليلو و گلوناس استفاده مي‌شود.
هر ماهواره مخابراتي ممكن است يك يا چند ترنسپاندر را براي مقاصد گوناگون حمل كند كه اين ترنسپاندرها، در باندهاي ويژه‌اي ارسال و دريافت سيگنال را بر عهده دارند.

موتور اصلي ماهواره (اِي‌‌بي‌اِم)

در ماهواره‌هاي مخابراتي زمين‌ثابت، اين موتور يك راكت سوخت جامد و يا موتور سوخت مايعي است كه تنها يك بار پس از پرتاب ماهواره كار مي‌كند. موتور اصلي ماهواره، امكان تغيير مدار ماهواره را از مدار انتقال بيضوي استوايي به مدار عملياتي زمين‌ثابت فراهم مي‌سازد. اين موتور با وجود نصب روي ماهواره، معمولاً به عنوان يك زيرسامانه براي ماهواره محسوب نمي‌شود، زيرا عمليات آن تنها در حدود يك دقيقه طول مي‌كشد.

زيرسامانه سازه

سازه ماهواره بايد استحكام لازم را براي جلوگيري از رسيدن آسيب به بخش‌هاي مختلف ماهواره دارا باشد. محموله‌هاي ارزشمند و حساس ماهواره‌هاي مخابراتي كه معمولاً با سرمايه‌گذاري هنگفت ساخته شده‌اند، حين پرتاب و يا فعاليت در مدار نبايد با كوچكترين آسيبي مواجه شوند، وگرنه ممكن است تمام هزينه‌هاي صرف‌شده براي طراحي، ساخت و پرتاب ماهواره از بين برود. در حقيقت، وظيفه اصلي زيرسامانه سازه‌ حفاظت از ماهواره در برابر ارتعاشات و نيروهاي نسبتاً شديد حين پرتاب و همچنين نيروهاي پيش‌بيني شده در مدار است. با توجه به رابطه مستقيم وزن ماهواره و هزينه پرتاب آن، استفاده از مواد مركب در ساخت ماهواره‌ها افزايش روزافزون پيدا كرده است.

ارتباط بين زيرسامانه‌هاي ماهواره

زيرسامانه‌هاي ماهواره با كنار هم قرارگرفتن، مجموعه ماهواره را تشكيل مي‌دهند. سلامت كار تمام زيرسامانه‌ها با ارسال سيگنال‌هاي فرمان و دريافت سيگنال‌هاي تله‌متري كنترل مي‌شود. مراقبت از صحت عمليات ماهواره نيز از طريق زيرسامانه تي‌تي‌سي بر عهده بخش كنترل زميني است كه بايد مطابق استانداردهاي موجود انجام شود. زيرسامانه‌هايي كه به محموله مخابراتي مربوط مي‌شوند، مهمترين بخش‌هاي عملياتي ماهواره هستند. معمولاً معماري بخش‌هاي مختلف طوري انجام مي‌شود كه ماهواره قادر به حمل انواع محموله‌هاي ديگر نيز باشد. ماهواره مخابراتي ملي فرانسه، تلِكام1، نمونه‌اي از يك ماهواره چندمنظوره است.

شكل 6- اجزاهاي يك نمونه ماهواره مخابراتي

شكل 7- اجزاي يك نمونه ماهواره مخابراتي با باس اچ‌اس- 376 هيوز

منابع مقاله :

[1] - Garner J. and Jones M., "Satellite operations: system approach to design and control", Ellis Hardwood Limited, 1990 .
[2] - www.wikipedia.org
[3] - www.astronautix.com

ارسال مقاله توسط عضو محترم سایت با نام کاربری : sm1372
/س