ماهواره‌هاي مخابراتي (مقاله)

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 منحصربه‌فرد 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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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