بسم الله الرحمن الرحیم
موضوع پروژه :
ماهواره های مخابراتی
مقدمه :
در جهان امروز، فناوری فضایی به عنوان یکی از مهم ترین زمینه های رقابتی در بین کشورها شناخته می شود؛ به گونه ای که میزان دستیابی به اشکال گوناگون فناوری فضایی، مبنای دقیقی برای مقایسه کشورها از نظر توسعه اقتصادی و صنعتی محسوب می شود. با توجه به ویژگی ها و کاربردهای منحصربه فرد فناوری های فضایی، دیگر نمی توان زندگی بشر را بدون استفاده از فضا متصور بود.
در این میان، یکی از کاربردهای مهم و حیاتی فضا برای انسان مخابرات است. امروزه، پیشرفت و تکامل جوامع بشری و افزایش روزافزون نیازهای ارتباطی، توسعه شیوه های نوین ارتباطی را ضروری کرده است. ماهواره های مخابراتی را می توان بهترین، کارآمدترین و گاهی تنها راه ایجاد ارتباط بین دو نقطه از کره زمین دانست.
ماهواره های مخابراتی، گامی بزرگ در صنعت تجاری سازی فضا محسوب می شوند و بهره برداری تجاری از این ماهواره ها، به ویژه پس از جنگ سرد در دهه 90 میلادی، راه را برای گسترش تجارت فناوری فضایی در تمام زمینه ها هموار کرد. به دلیل همین کاربردهای ارزشمند، دستیابی به
فناوری ساخت، توسعه و پرتاب
ماهواره های مخابراتی برای تمام
کشورهای جهان حیاتی به نظر
می رسد.
شکل 1- نمونه هایی از ماهواره های مخابراتی
اسپوتنیک1 شوروی سابق، اولین ساخته دست بشر که در سال 1957 مرزهای فضا را به روی بشر گشود، نخستین سیگنال های رادیویی را برای اولین بار از فضا به زمین مخابره کرد. پس از آن، ناسا ماهواره اِکو را در سال 1960 که به شکل بالونی آلومینیمی بود، برای بازپخش غیرفعال ارتباطات رادیویی به فضا پرتاب کرد. کوریر1بی که توسط شرکت آمریکایی فیلکو طراحی و در 1960 پرتاب شد، اولین ماهواره بازپخش فعال امواج رادیویی نام گرفت.
ماهواره تِل استار متعلق به شرکت تلگراف و تلفن آمریکا، اولین ماهواره مخابراتی فعال بازپخش مستقیم بود که طبق توافقی چندملیّتی برای توسعه ماهواره های مخابراتی توسط ناسا در 1962 از کیپ کاناورال پرتاب شد. این پرتاب همچنین اولین پرتابی بود که با سرمایه گذاری بخش خصوصی انجام شد.
اولین ماهواره زمین آهنگ، ماهواره سینکام2 متعلق به شرکت فضایی- مخابراتی هیوز بود که در 1963 پرتاب شد. سینکام3 به عنوان اولین ماهواره زمین ثابت، در 1964 به فضا پرتاب شد. قرارگیری در مدار زمین ثابت باعث می شد 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 180 درجه شرقی قرار داشت.
کمی پس از سینکام3، ماهواره اینتل ست1 در ششم آوریل 1965 به عنوان یک ماهواره مخابراتی زمین ثابت بر فراز اقیانوس اطلس و در موقعیت مداری 28 درجه غربی قرار گرفت. در نهم نوامبر 1972 نیز، آنیک اِی1 اولین ماهواره زمین ثابتی بود که برای ارائه خدمات مخابراتی به قاره آمریکا، توسط شرکت تله ست کانادا به فضا پرتاب شد.
پس از آن، روند پرتاب ماهواره های مخابراتی از اقصی نقاط جهان گسترش روزافزون یافت.
شکل 2- ماهواره های مخابراتی می توانند
در مدارهای زمین آهنگ، مولنیا و یا کم
ارتفاع زمینی قرار گیرند
ماهواره های مخابراتی زمین ثابت (ژئو) :
از دید ناظر زمینی، ماهواره ای که در مدار زمین ثابت باشد به صورت معلق در فضا به نظر می آید. دلیل این امر این است که ماهواره زمین ثابت در هر روز، تنها یک بار به دور زمین می چرخد. به بیان دیگر، سرعت ماهواره در چنین مداری برابر با سرعت گردش زمین به دور خود است.
مدار زمین ثابت با ارتفاعی حدود 35800 کیلومتر از سطح زمین، برای کاربردهای مخابراتی بسیار مناسب است، زیرا آنتن های زمینی که باید مستقیماً به سمت ماهواره نشانه بروند، در مورد این نوع ماهواره ها بدون نیاز به تجهیزات پرهزینه ویژه ردیابی ماهواره می توانند عملکرد بالایی داشته باشند.
در نهم نوامبر 1972، آنیک اِی1 اولین ماهواره زمین ثابتی بود که برای ارائه خدمات مخابراتی به قاره آمریکا، توسط شرکت تله ست کانادا به فضا پرتاب شد.
ایده اولیه وجود چنین مداری به اندیشه ها و تحقیقات کنستانتین تسیلکوفسکی روسی برمی گردد. اما کاربردی ترین پیشنهاد در مورد استفاده از ماهواره های مخابراتی زمین ثابت عملیاتی را آرتور سی کلارک، نویسنده استرالیایی، طی مقاله ای با عنوان رله های خارج از زمین در مجله انگلیسی وایرلس ورلد (جهان بی سیم)، در اکتبر 1945 مطرح کرد.
شکل 3- چگونگی پوشش زمین توسط ماهواره مخابراتی زمین ثابت
پس از پرتاب ماهواره های تل استار، سینکام3، آنیک اِی1 و وِستار1، آمریکا ماهواره ست کام 1 را در سال 1975 به فضا پرتاب کرد. این ماهواره یک تجربه موفق در پخش برنامه های تلویزیونی ماهواره ای بود.
تا سال 2000، شرکت فضایی- مخابراتی هیوز کار ساخت حدود چهل درصد از ماهواره های مخابراتی سراسر جهان را بر عهده داشت. در حال حاضر، دیگر سازندگان اصلی ماهواره شامل شرکت های سامانه های فضایی لورال (از زیرمجموعه های شرکت مخابراتی و فضایی لورال آمریکا با مسئولیت محدود)، لاکهیدمارتین، نورتروپ گرومن، آلکاتل اسپیس و ایدس آستریوم هستند.
ماهواره های مخابراتی واقع در مدارهای کم ارتفاع(لئو) :
مدارهای کم ارتفاع زمینی، به مدارهایی واقع در ارتفاع 200 تا 2000 کیلومتری سطح زمین اطلاق می شود. ماهواره های واقع در مدارهای کم ارتفاع، تنها می توانند محدوده ای به شعاع حدود 1000 کیلومتر را بر سطح زمین پوشش دهند. بنابراین، برای یک ارتباط بدون اختلال، حتی برای کاربردهای منطقه ای، تعداد زیادی از این نوع ماهواره ها لازم است.
قرار دادن ماهواره در مدار کم ارتفاع زمینی کم هزینه تر از پرتاب ماهواره به مدار زمین ثابت بوده و به دلیل نزدیک بودن ماهواره به زمین، قدرت سیگنال کمتری مورد نیاز است . از این رو، بین تعداد ماهواره ها و هزینه آنها باید حالت بهینه انتخاب شود. لازم به ذکر است که میان تجهیزات ماهواره ای و ایستگاه زمینی در دو نوع ماهواره زمین ثابت و کم ارتفاع زمینی تفاوت زیادی وجود دارد.
مجموعه ای از ماهواره ها که با هم به انجام ماموریتی معین بپردازند، ناوگان ماهواره ای خوانده می شود. دو نمونه از این مجموعه ها که با هدف برقراری مکالمات تلفنی در نقاط دوردست به وجود آمدند، ایریدیوم و گلوبال استار نام دارند.
مورد دیگری که ماهواره های کم ارتفاع زمینی امکان پذیر کرده اند، پوشش غیرپیوسته است که در این حالت، داده ها هنگام عبور ماهواره از فراز نقطه ای از زمین دریافت و در ماهواره ذخیره شده و سپس با حرکت ماهواره و رسیدن به نقطه ای دیگر از زمین، ارسال می شوند. سامانه مخابراتی تجاری کَسکید مربوط به پروژه ماهواره ای کَسیوپ آژانس فضایی کانادا بر همین اساس طراحی شده است.
ماهواره های مخابراتی مولنیا :
همان گونه که ذکر شد، ماهواره های زمین ثابت بر فراز استوا به دور زمین می چرخند و به همین دلیل برای ارائه خدمات به نقاط روی عرض های جغرافیایی بالاتر مناسب نیستند؛ چرا که در عرض جغرافیایی بالاتر، ممکن است زاویه دید ماهواره نزدیک به افق یا حتی پایین تر از آن قرار بگیرد و ارتباط تحت اثر تداخلی زمین تضعیف شود. در این حالت، مدارهای مولنیا می توانند به عنوان جایگزین مدار زمین ثابت استفاده شوند.
شکل 5- دوره تناوب ماهواره در مدار مولنیا، 12 ساعت است که بیشتر این زمان را در مناطق شمالی زمین به سر می برد.
شکل 4- چگونگی پوشش زمین توسط ماهواره مخابراتی واقع در مدار مولنیا
مدارهای مولنیا، بیضی بسیار کشیده ای با زاویه میل 63.4 درجه هستند. دوره تناوب ماهواره در مدار مولنیا حدود 12 ساعت است و کمتر از چهار ساعت از این مدت را در ناحیه حضیض به سر می برد. بنابراین ماهواره واقع در مدار مولنیا قادر است به مدت هشت ساعت در هر چرخش مناطق شمالی کره زمین را پوشش دهد. بدین ترتیب، می توان با سه ماهواره مولنیا (به علاوه ماهواره های یدک در مدار) پوششی پیوسته را در یک محدوده جغرافیایی فراهم آورد. این ماهواره ها عموماً برای خدمات تلویزیونی و رادیویی بر فراز روسیه استفاده می شوند.
اولین ماهواره مولنیا در 23 آوریل 1965 برای پخش آزمایشی سیگنال های تلویزیونی از مسکو به سیبری و نواحی شرقی روسیه به فضا پرتاب شد. در نوامبر 1967، متخصصان شوروی سابق سامانه بی نظیر شبکه ماهواره ای تلویزیونی ملی خود را با نام اوربیتا ایجاد کردند که بر پایه ماهواره های مولنیا طراحی شد.
اجزای تشکیل دهنده ماهواره مخابراتی :
یک ماهواره از زیرسامانه های متعددی تشکیل شده تا بتواند وظیفه عملیاتی خود را به درستی انجام دهد. به طور کلی یک ماهواره کوچک مخابراتی شامل زیرسامانه های ذیل است :
– زیر سامانه ردیابی ، تله متری و فرمان (تی تی سی ) :
وظیفه زیرسامانه تی تی سی، کدگذاری داده های زیرسامانه های دیگر برای ارسال به صورت سیگنال های تله متری است. همچنین دریافت، کدگشایی و ارسال فرامین رسیده از زمین به سایر زیرسامانه ها توسط این زیرسامانه انجام می شود.
-زیرسامانه تامین نیرو (پی اس اس) :
زیرسامانه پی اس اس، انرژی الکتریکی مورد نیاز برای دیگر سامانه ها را فراهم می سازد. این زیرسامانه و سامانه الکترونیک کنترلی مرتبط با آن، شامل مجموعه ای از سلول های خورشیدی نصب شده روی بدنه یا آرایه های خورشیدی است که باتری ها را برای زمان کسوف ماهواره شارژ می کنند.
آرایه های خورشیدی هنگام پرتاب ماهواره و قراردهی در مدار، به شکل تا شده هستند و پس از پایداری کامل ماهواره باز می شوند. از آن پس، بال های خورشیدی با قرارگیری در برابر خورشید توان الکتریکی مورد نیاز را تولید می کنند.
– زیرسامانه تعیین و کنترل وضعیت (اِی دی سی اِس) :
وظیفه زیرسامانه تعیین و کنترل وضعیت، تعیین وضعیت و کنترل ماهواره است، به طوری که موقعیت مدار عملیاتی و پوشش آنتنی مورد نیاز ماهواره تامین 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 چرخش پایدار یا پایداری سه محوره را در مدارهای انتقال کنترل کند. پس از تامین این شرایط و روشن شدن موتور کمکی، زیرسامانه تعیین و کنترل وضعیت، پایداری ماهواره را هنگام قرارگیری در مدار نهایی فراهم می سازد.
هنگام قرارگیری ماهواره در موقعیت های نامطلوب یا خطرناک، زیرسامانه تعیین و کنترل وضعیت با انجام عملیاتی خودکار، موقعیت و وضعیت ماهواره را تصحیح می کند و ماهواره را در وضعیت عملیاتی مطلوب قرار می دهد. در این حالت امکان اختلال در پوشش آنتن وجود دارد که با حفظ ارتباطات تله متری و فرمان، می توان عملیات تصحیح پوشش آنتن را توسط مرکز پشتیبانی زمینی ماهواره انجام داد.
-زیرسامانه کنترل حرارت :
زیرسامانه کنترل حرارت، محیط حرارتی لازم برای کار زیرسامانه های دیگر را فراهم می کند. این زیرسامانه اغلب شامل اجزای غیرفعال، مانند روکش های حرارتی است که روی سطح ماهواره را می پوشانند. زیرسامانه کنترل حرارت همچنین می تواند مجهز به گرماسازهای قابل کنترل و یا رادیاتورهای تشعشعی نیز باشد.
– محموله مخابراتی – محموله مخابراتی :
زیرسامانه های مخابراتی نصب شده روی ماهواره که انجام ماموریت اصلی ماهواره را بر عهده دارد، محموله ماهواره نامیده می شوند. این زیرسامانه در طراحی ماهواره تعیین کننده است و باید اهداف تعیین شده را تامین نماید. تمام زیرسامانه های دیگر ماهواره، زیرسامانه مخابراتی ماهواره را برای ارتباط با زمین پشتیبانی می کنند. ماهواره های مخابراتی از تجهیزاتی با عنوان ترنسپاندر برای ارتباط استفاده می کنند که از اختصار عبارت ترنسمیتر- ریسپاندر به دست آمده است. در واقع، ترنسپاندر یک فرستنده- گیرنده خودکار است که در فرکانس هایی خاص، سیگنال ها را دریافت، تقویت و ارسال می کند.
در مخابرات ماهواره ای، از باندهای گوناگونی استفاده می شود. این باندها با توجه به محدوده فرکانسی آنها در طیف الکترومغناطیس دسته بندی می شوند. با توجه به این دسته بندی، باند سی، بخشی از طیف الکترومغناطیس در محدوده مایکروویو با فرکانس 4 تا 8 گیگاهرتز است. این باند اولین باند فرکانسی بود که برای ارتباطات تجاری ایستگاه زمینی به ماهواره اختصاص داده شد. معمولاً ماهواره های دارای ترنسپاندر باند سی، از محدوده فرکانس 3/7 تا 4/2 گیگاهرتز برای ارتباط با ایستگاه زمینی و از محدوده فرکانس 5/925 تا 6/425 گیگاهرتز برای دریافت سیگنال از ایستگاه استفاده می کنند. ارتباط بهینه باند سی نیاز به بشقاب های دریافت کننده بزرگ، معمولاً با قطر 2/5 تا 3/5 متر دارد و دریافت کننده های کوچک مانند بشقاب های خانگی برای این ارتباط مناسب نیست. از این رو، باند سی برای مصارفی مثل شبکه های تلویزیونی دولتی کاربرد دارد. باند سی خود برحسب محدوده فرکانسی و نوع کاربرد، با نام های گوناگون از جمله باند سی گسترده یا باند سی روسی شناخته می شود.
باند ایکس با محدوده فرکانسی 7 تا 12/5 گیگاهرتز، بخشی از طیف الکترومغناطیس در محدوده مایکروویو است. خط ارسال ماهواره به زمین و بالعکس برای این باند در حالت استاندارد، به ترتیب 7/25 تا 7/75 گیگاهرتز و 7/9 تا 8/4 گیگاهرتز تعیین شده است. آژانس های فضایی، ارگان های نظامی، زیردریایی ها و هواپیماها از این باند برای مخابرات ماهواره ای و رادار استفاده می کنند.
باند کِی اِی، بخشی از طیف الکترومغناطیس در محدوده مایکروویو با فرکانس تقریبی 18 تا 40 گیگاهرتز است. این باند به طور گسترده در مخابرات ماهواره ای و رادارهای برد کوتاه هواپیماهای نظامی کاربرد دارد.
باند کِی یو، بخشی از طیف الکترومغناطیس در محدوده مایکروویو با فرکانس حدود 12 تا 18 گیگاهرتز است. کاربرد اصلی باند کِی یو در مخابرات ماهواره ای و به ویژه ارتباط ناسا با شاتل فضایی و ایستگاه فضایی بین المللی است. پخش مستقیم رادیو- تلویزیونی با استفاده از این باند در بسیاری از کشورها ارائه می شود.
باند اِس، بخشی از طیف الکترومغناطیس در محدوده مایکروویو با فرکانس 2 تا 4 گیگاهرتز است. این باند معمولاً برای رادارهای هواشناسی، برخی ماهواره های مخابراتی و ارتباطات ناسا با شاتل فضایی و ایستگاه فضایی بین المللی کاربرد دارد. در برخی کشورها نیز از این باند برای پخش ماهواره ای به تلویزیون های خانگی استفاده می شود، اگرچه در بیشتر کشورها، باند کِی یو برای چنین مواردی به کار می رود. اخیراً، باند اِس در محدوده فرکانسی 2 تا 2/2 گیگاهرتز برای شبکه های خدمات ماهواره ای تلفن سیار استفاده می شود.
باند اِل، بخشی از طیف الکترومغناطیس در محدوده مایکروویو با فرکانس تقریبی 1 تا 2 گیگاهرتز است. از این باند فرکانسی معمولاً در مخابرات ماهواره ای مانند پخش رادیویی دیجیتال و همچنین سامانه های مکان یابی جهانی مانند گالیلو و گلوناس استفاده می شود.
هر ماهواره مخابراتی ممکن است یک یا چند ترنسپاندر را برای مقاصد گوناگون حمل کند که این ترنسپاندرها، در باندهای ویژه ای ارسال و دریافت سیگنال را بر عهده دارند.
– موتور اصلی ماهواره (اِی بی اِم) :
در ماهواره های مخابراتی زمین ثابت، این موتور یک راکت سوخت جامد و یا موتور سوخت مایعی است که تنها یک بار پس از پرتاب ماهواره کار می کند. موتور اصلی ماهواره، امکان تغییر مدار ماهواره را از مدار انتقال بیضوی استوایی به مدار عملیاتی زمین ثابت فراهم می سازد.
زیر سامانه سازه :
سازه ماهواره باید استحکام لازم را برای جلوگیری از رسیدن آسیب به بخش های مختلف ماهواره دارا باشد. وظیفه اصلی زیرسامانه سازه حفاظت از ماهواره در برابر ارتعاشات و نیروهای نسبتاً شدید حین پرتاب و همچنین نیروهای پیش بینی شده در مدار است.
-ارتباط بین زیرسامانه های ماهواره :
زیرسامانه های ماهواره با کنار هم قرارگرفتن، مجموعه ماهواره را تشکیل می دهند. سلامت کار تمام زیرسامانه ها با ارسال سیگنال های فرمان و دریافت سیگنال های تله متری کنترل می شود. مراقبت از صحت عملیات ماهواره نیز از طریق زیرسامانه تی تی سی بر عهده بخش کنترل زمینی است. زیرسامانه هایی که به محموله مخابراتی مربوط می شوند، مهمترین بخش های عملیاتی ماهواره هستند. معمولاً معماری بخش های مختلف طوری انجام می شود که ماهواره قادر به حمل انواع محموله های دیگر نیز باشد. ماهواره مخابراتی ملی فرانسه، تلِکام1، نمونه ای از یک ماهواره چندمنظوره است.
شکل 6- اجزاهای یک نمونه ماهواره مخابراتی
شکل 7- اجزای یک نمونه ماهواره مخابراتی با باس اچ اس- 376 هیوز
گرد آورندگان :
پیمان خواجه اسحاقی علی رمضانی
مجید پوراکبر