آشنایی با ماهواره های مخابراتی
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.
در مجموع، نقش ارزنده ماهواره‌های مخابراتی در زندگی امروز بشر غیرقابل انكار است. از جمله كاربردهای گوناگون این ماهواره‌ها، می‌توان به پخش انواع برنامه‌های تلویزیونی و رادیویی، شبكه‌های انتقال داده جهانی و منطقه‌ای مانند اینترنت، آموزش از دور، سمینارهای صوتی- تصویری بلادرنگ، ارسال اطلاعات، امداد و نجات و انواع مكالمات تلفنی ثابت و متحرك اشاره كرد. همچنین ماهواره‌های مخابراتی، گامی بزرگ در صنعت تجاری‌سازی فضا محسوب می‌شوند و بهره‌برداری تجاری از این ماهواره‌ها، به‌ویژه پس از جنگ سرد در دهه ۹۰ میلادی، راه را برای گسترش تجارت فناوری فضایی در تمام زمینه‌ها هموار كرد. به دلیل همین كاربردهای ارزشمند، دستیابی به فناوری ساخت، توسعه و پرتاب ماهواره‌های مخابراتی برای تمام كشورهای جهان حیاتی به نظر می‌رسد.
شكل ۱- نمونه‌هایی از ماهواره‌های مخابراتی
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.
شكل ۲- ماهواره‌های مخابراتی می‌توانند در مدارهای زمین‌آهنگ، مولنیا و یا كم‌ارتفاع زمینی قرار گیرند.
ماهواره‌های مخابراتی زمین‌ثابت (ژئو)
از دید ناظر زمینی، ماهواره‌ای كه در مدار زمین‌ثابت باشد به صورت معلق در فضا به نظر می‌آید. دلیل این امر این است كه ماهواره زمین‌ثابت در هر روز، تنها یك بار به دور زمین می‌چرخد. به بیان دیگر، سرعت ماهواره در چنین مداری برابر با سرعت گردش زمین به دور خود است.
مدار زمین‌ثابت با ارتفاعی حدود ۳۵۸۰۰ كیلومتر از سطح زمین، برای كاربردهای مخابراتی بسیار مناسب است، زیرا آنتن‌های زمینی كه باید مستقیماً به سمت ماهواره نشانه بروند، در مورد این نوع ماهواره‌ها بدون نیاز به تجهیزات پرهزینه ویژه ردیابی ماهواره می‌توانند عملكرد بالایی داشته باشند. به‌خصوص برای مواردی مانند پخش مستقیم تلویزیونی كه نیاز به تعداد زیادی آنتن زمینی است، صرفه‌جویی در هزینه تجهیزات ایستگاه زمینی در مقابل هزینه‌های پرتاب ماهواره به مدار زمین‌ثابت بسیار چشمگیر است.
ایده اولیه وجود چنین مداری به اندیشه‌ها و تحقیقات كنستانتین تسیلكوفسكی روسی برمی‌گردد. اما كاربردی‌‌ترین پیشنهاد در مورد استفاده از ماهواره‌های مخابراتی زمین‌ثابت عملیاتی را آرتور سی كلارك، نویسنده استرالیایی، طی مقاله‌ای با عنوان رله‌های خارج از زمین در مجله انگلیسی وایرلس ورلد (جهان بی‌سیم)، در اكتبر ۱۹۴۵ مطرح كرد. در این مقاله، اساس به‌كارگیری ماهواره‌ها در مدار زمین‌ثابت به منظور ارسال پیام‌های رادیویی تشریح شده بود. كلارك حتی توان و فركانس‌های مورد نیاز برای چنین ماهواره‌هایی را نیز محاسبه كرد و نشان داد كه چگونه می‌توان كل كره زمین را با سه ماهواره زمین‌ثابت پوشش داد. از این رو اغلب كلارك را به عنوان پدر ماهواره‌های مخابراتی می‌شناسند.
شكل ۳- چگونگی پوشش زمین توسط ماهواره مخابراتی زمین‌ثابت
پس از پرتاب ماهواره‌های تل‌استار، سینكام۳، آنیك اِی۱ و وِستار۱، آمریكا ماهواره ست‌كام ۱ را در سال ۱۹۷۵ به فضا پرتاب كرد. این ماهواره یك تجربه موفق در پخش برنامه‌های تلویزیونی ماهواره‌ای بود.
تا سال ۲۰۰۰، شركت فضایی- مخابراتی هیوز (كه پس از فروخته شدن به شركت بوئینگ، با عنوان مركز توسعه ماهواره‌ای بوئینگ شناخته می‌شود) كار ساخت حدود چهل درصد از ماهواره‌های مخابراتی سراسر جهان را بر عهده داشت. در حال حاضر، دیگر سازندگان اصلی ماهواره شامل شركت‌های سامانه‌های فضایی لورال (از زیرمجموعه‌های شركت مخابراتی و فضایی لورال آمریكا با مسئولیت محدود)، لاكهیدمارتین، نورتروپ‌گرومن، آلكاتل‌اسپیس و ایدس‌آستریوم هستند.
ماهواره‌های مخابراتی واقع در مدارهای كم‌ارتفاع (لئو)
مدارهای كم‌ارتفاع زمینی، به مدارهایی واقع در ارتفاع ۲۰۰ تا ۲۰۰۰ كیلومتری سطح زمین اطلاق می‌شود. سرعت گردش ماهواره‌ها به دور زمین با كاهش ارتفاع مداری، افزایش می‌یابد. برای مثال، زمان یك دور گردش ماهواره‌ای كه در مداری به ارتفاع چهارصد كیلومتر از سطح زمین قرار دارد، حدود ۹۰ دقیقه است. این در حالی است كه یك ماهواره واقع در مدار زمین‌ثابت به ارتفاع حدود ۳۶۰۰۰ كیلومتری سطح زمین، به ۲۴ ساعت زمان نیاز دارد تا یك بار به دور زمین بچرخد. از طرفی، ماهواره‌های واقع در مدارهای كم‌ارتفاع، تنها می‌توانند محدوده‌ای به شعاع حدود ۱۰۰۰ كیلومتر را بر سطح زمین پوشش دهند. بنابراین، برای یك ارتباط بدون اختلال، حتی برای كاربردهای منطقه‌ای، تعداد زیادی از این نوع ماهواره‌ها لازم است.
قرار دادن ماهواره در مدار كم‌ارتفاع زمینی كم‌هزینه‌تر از پرتاب ماهواره به مدار زمین‌ثابت بوده و به دلیل نزدیك بودن ماهواره به زمین، قدرت سیگنال كمتری مورد نیاز است (قدرت سیگنال با مجذور فاصله رابطه عكس دارد، بنابراین این كاهش در فاصله‌های زیاد بسیار چشمگیر خواهد بود). از این رو، بین تعداد ماهواره‌ها و هزینه آنها باید حالت بهینه انتخاب شود. لازم به ذكر است كه میان تجهیزات ماهواره‌ای و ایستگاه زمینی در دو نوع ماهواره زمین‌ثابت و كم‌ارتفاع زمینی تفاوت زیادی وجود دارد.
مجموعه‌ای از ماهواره‌ها كه با هم به انجام مأموریتی معین بپردازند، ناوگان ماهواره‌ای خوانده می‌شود. دو نمونه از این مجموعه‌ها كه با هدف برقراری مكالمات تلفنی در نقاط دوردست به وجود آمدند، ایریدیوم و گلوبال‌استار نام دارند. به عنوان مثال، ناوگان ایریدیوم كه سراسر كره زمین را پوشش می‌دهد، دارای ۶۶ ماهواره است. مورد دیگری كه ماهواره‌های كم‌ارتفاع زمینی امكان‌پذیر كرده‌اند، پوشش غیرپیوسته است كه در این حالت، داده‌ها هنگام عبور ماهواره از فراز نقطه‌ای از زمین دریافت و در ماهواره ذخیره شده و سپس با حركت ماهواره و رسیدن به نقطه‌ای دیگر از زمین، ارسال می‌شوند. سامانه مخابراتی تجاری كَسكید مربوط به پروژه ماهواره‌ای كَسیوپ آژانس فضایی كانادا بر همین اساس طراحی شده است.
ماهواره‌های مخابراتی مولنیا
همان‌گونه كه ذكر شد، ماهواره‌های زمین‌ثابت بر فراز استوا به دور زمین می‌چرخند و به همین دلیل برای ارائه خدمات به نقاط روی عرض‌های جغرافیایی بالاتر مناسب نیستند؛ چرا كه در عرض جغرافیایی بالاتر، ممكن است زاویه دید ماهواره نزدیك به افق یا حتی پایین‌تر از آن قرار بگیرد و ارتباط تحت اثر تداخلی زمین تضعیف شود. در این حالت، مدارهای مولنیا می‌توانند به عنوان جایگزین مدار زمین‌ثابت استفاده شوند.
شكل ۴- چگونگی پوشش زمین توسط ماهواره مخابراتی واقع در مدار مولنیا
شكل ۵- دوره تناوب ماهواره در مدار مولنیا، ۱۲ ساعت است كه بیشتر این زمان را در مناطق شمالی زمین به سر می‌برد.
مدارهای مولنیا، بیضی بسیار كشیده‌ای با زاویه میل ۴/۶۳ درجه هستند. ارتفاع زیاد مدار مولنیا در نقطه اوج آن نسبت به نقطه حضیض این مدار باعث می‌شود تا ماهواره‌ای كه در چنین مداری قرار می‌گیرد، درصد بیشتری از زمان یك پریود كامل خود را در منطقه اوج مدار طی كند. این موضوع به همراه زاویه میل نسبتاً زیاد چنین مداری باعث می‌شود تا ماهواره‌های عملیاتی در مدار مولنیا برای تبادل اطلاعات رادیویی در عرض‌های شمالی و جنوبی زمین كارآمد باشند. دوره تناوب ماهواره در مدار مولنیا حدود ۱۲ ساعت است و كمتر از چهار ساعت از این مدت را در ناحیه حضیض به سر می‌برد. بنابراین ماهواره واقع در مدار مولنیا قادر است به مدت هشت ساعت در هر چرخش مناطق شمالی كره زمین را پوشش دهد. بدین ترتیب، می‌توان با سه ماهواره مولنیا (به علاوه ماهواره‌های یدك در مدار) پوششی پیوسته را در یك محدوده جغرافیایی فراهم آورد. این ماهواره‌ها عموماً برای خدمات تلویزیونی و رادیویی بر فراز روسیه استفاده می‌شوند. كاربرد دیگر این نوع ماهواره‌ها در سامانه‌های رادیویی متحرك است تا هنگام حركت ماشین‌ها در مناطق شهری حتی با وجود ساختمان‌های بلند نیز، ارتباط مناسبی برقرار شود.
اولین ماهواره مولنیا در ۲۳ آوریل ۱۹۶۵ برای پخش آزمایشی سیگنال‌های تلویزیونی از مسكو به سیبری و نواحی شرقی روسیه به فضا پرتاب شد. در نوامبر ۱۹۶۷، متخصصان شوروی سابق سامانه بی‌نظیر شبكه ماهواره‌ای تلویزیونی ملی خود را با نام اوربیتا ایجاد كردند كه بر پایه ماهواره‌های مولنیا طراحی شد.
[…] آشنایی با ماهواره های مخابراتی | شرکت فناوری ارتباطات س… […]