logo

نگاهی بر ماهواره های مخابراتی

مقدمه

ماهواره مخابراتی (که به طور مختصر ،کام ست خوانده می‌شود ،قمر مصنوعی است که با هدف دریافت ،تقویت و ارسال مجدد طیف رادیویی از محدوده امواج الکترومغناطیس به فضا فرستاده می شود. ماهواره های مخابراتی معمولا در مدار ماهواره زمین ثابت (GEO) (ژئو)و یا مدار ماهواره مولنیا قرار می گیرند ،اما در سامانه های مخابراتی جدید ،ناوگان هایی از ماهواره های مستقر در مدار های کم ارتفاع زمینی (ماهواره لئو) نیز در زمینه مخابرات فعالیت می کنند. مخابرات ماهواره ای به عنوان عضو مکملی در کنار فناوری انتقال اطلاعات از طریق کابل های مسی،فیبر های نوری و یا مخابرات رادیویی عمل می کند.این ماهواره هم چنین برای کاربران متحرک مانند کشتی ها و هواپیما ها که استفاده از فناوری های دیگر مانند به کار گیری کابل برای آنها غیر عملی و ناممکن است ،خدماتی حیاتی ارائه می دهند .

تاریخچه

اسپوتنیک۱ شوروی سابق ، اولین ساخته دست بشر که در سال ۱۹۵۷ مرز های فضا را به روی بشر گشود،نخستسن سیگنال های رادیویی را برای اولین بار از فضا به زمین مخابره کرد.اولین ارتباط ماهوارهای با زمین در قالب پروژه پاون و با ماهواره آمریکایی اسکور در سال ۱۹۵۸ صورت گرفت که در آن از یک ضبط صوت برای ذخیره و ارسال پیام های صوتی استفاده شد.این ماهواره پیام تبریک سال نو میلادی را به زمین مخابره کرد. پس از آن و در سال ۱۹۶۰ ،ناسا ماهواره اکو را که به شکل بالونی آلومینیومی بود،برای بازپخش غیرفعال ارتباطات رادیویی به فضا پرتاب کرد.کوریر۱بی که توسط شرکت آمریکایی فیلکو طراحی و در ۱۹۶۰ پرتاب شد،اولین ماهواره بازپخش فعال امواج رادیویی نام گرفت. ماهواره تل استار،متعلق به شرکت تلگراف و تلفن آمریکا،اولین ماهواره مخابراتی فعال بازپخش مستقیم بود که طبق توافقی چند ملیتی برای توسعه ماهواره های مخابراتی توسط ناسا در دهم ژوئیه ۱۹۶۲ از کیپ کاناروال پرتاب شد.این پرتاب همچنین اولین پرتابی بود که با سرمایه گذاری بخش خصوصی انجام شد. اولین ماهواره زمین آهنگ،ماهواره سینکام۲ متعلق به شرکت فضایی-مخابراتی هیوز بود که در ۲۶ ژوئیه ۱۹۶۳ پرتاب شد .این ماهواره با سرعت ثابت یکبار در روز به دور زمین می چرخید ،اما به این دلیل که زاویه میل مداری آن صفر نبود،سایه ماهواره روی زمین نسبت به خط استوا حرکت شمالی-جنوبی داشت و بنابراین برای ردیابی ماهواره تجهیزات خاصی مورد نیاز بود .سینکام۳به عنوان اولین ماهواره زمین ثابت (GEO) در ۱۹ اوت ۱۹۶۴ به فضا پرتاب شد.قرارگیری در مدار زمین ثابت 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 باز پخش تلویزیونی رقابت های المپیک تابستانی ۱۹۶۴ از توکیو به ایالات متحده مورد استفاده قرار گرفت. این رویداد ،اولین ارسال برنامه های تلویزیونی بر فراز اقیانوس آرام بود. کمی پس از سینکام۳،ماهواره اینتل ست۱ در ششم آوریل ۱۹۶۵به عنوان یک ماهواره مخابراتی زمین ثابت بر فراز اقیانوس اطلس و در موقعیت مداری ۲۸ درجه غربی قرار گرفت.در نهم نوامبر ۱۹۷۲ نیز،آنیک ای ۱ اولین ماهواره رمین ثابتی بود که برای ارائه خدمات مخابراتی به قاره آمریکا ،توسط شرکت تله ست کانادا به فضا پرتاب شد . پس از آن روند پزتاب ماهواره های مخابراتی از اقصی نقاط جهان گسترش روزافزون یافت.

== اجزای تشکیل دهنده ماهواره های مخابراتی ==

7 7.JPG

یک ماهواره از زیر سامانه های متعددی تشکیل شده تا بتواند وظیفه عملیاتی خود را به درستی انجام دهد . به طور کلی یک ماهواره کوچک مخابراتی شامل زیر سامانه های ذیل است : -زیر سامانه ردیابی،تله متری و فرمان (تی تی سی)

-زیر سامانه تامین نیرو (پی اس اس)

-زیر سامانه تعیین و کنترل وضعیت (ای دی سی اس)

-زیر سامانه کنترل حرارت

-محموله مخابراتی

-موتور اصلی ماهواره(ای بی ام)

-زیر سامانه سازه

-ارتباط بین زیر سامانه های ماهواره

زیر سامانه رد یابی ،تله متری و فرمان (TCC)

وظیفه زیر سامانه تی تی سی ،کد گذاری داده های زیر سامانه های دیگر برای ارسال به صورت سیگنال های تله متری است.همچنین دریافت ،کدگشایی و ارسال فرامین رسیده از زمین به سایر زیر سامانه ها توسط این زیر سامانه انجام می شود . تی تی سی با ایجاد ارتباط دایم با مرکز پشتیبانی زمینی کارکرد درست ماهواره را تضمین می‌کند .

زیرسامانه تامین نیرو(PSS )

زیر سامانه پی اس اس ،انرژی الکتریکی مورد نیاز برای دیگر سامانه ها را فراهم می سازد . این زیر سامانه و سامانه الکترونیک کنترلی مرتبط با آن انرژی لازم برای کار زیر سامانه های دیگر را به مقدار کافی تامین می کند و معمولا شامل مجموعه ای از سلول های خورشیدی تصب شده روی بدنه یا آرایه های خورشیدی است که باتری ها را برای زمان کسوف ماهواره شارژ می‌کند. 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 .

زیر سامانه تعیین و کنترل وضعیت(ADCS)

وظیفه زیر سامانه تعیین و کنترل وضعیت ،تعیین و کنترل ماهواره است،به طوری که موقعیت مدار عملیاتی و پوشش آنتنی مورد نیاز ماهواره تامین و حفظ شود.این سامانه باید قادر به انجانم وظایفی در مدار های انتقال باشد تا قرارگیری صحیح در مدار مورد نظر حاصل شود.برای این منظور زیر سامانه باید شرایط چرخش پایدار یا پایداری سه محوره را در مدار های انتقال کنترل کند.پس از تامین این شرایط و روشن شدن موتور کمکی زیر سامانه تعیین و کنترل وضعیت ،پایداری ماهواره را هنگام قرارگیری در مدار نهایی فراهم می سازد. وظایف شرح داده شده توسط جت های گاز سرد یا گرم ،عملگر های مغناطیسی ،چرخ های عکس العملی و یا ژایرو ها انجام می‌شود.فرمان های کنترلی با استفاده از داده های به دست آمده از حسگر های موقعیت یاب ،که می‌توانند حسگر های اینرسی مانند ژایرو ها و یا حسگر های خورشیدی ،ستاره ای و زمینی باشد و مقایسه آنها با برنامه از قبل داده شده به دست می آید.بنابراین حسگرها و عملگر ها، زیر سامانه تعیین و کنترل را در انجام عملیات لازم برای حفظ موقعیت و وضعیت ماهواره ،در شرایط پایدار یاری می کنند. هنگام قرارگیری ماهواره در موقعیت 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،می‌توان عملیات تصحیح پوشش آنتن را توسط مرکز پشتیبانی زمینی ماهواره انجام داد.

زیرسامانه کنترل حرارت

زیر سامانه کنترل حرارت ،محیط حرارتی لازم برای کار زیر سامانه های دیگر را فراهم می کند .این زیر سامانه اغلب شامل اجزای غیر فعال مانند روکش های حرارتی است که روی سطح ماهواره را می پوشانند.زیر سامانه کنترل حرارت همچنین می‌تواند مجهز به گرماسازی های قابل کنترل و یا رادیاتور های تشعشعی نیز باشد .کلیه این تمهیدات به منظور تامین دمای عملیاتی لازم برای زیر سامانه ها صورت می گیرد.

محموله مخابراتی

زیرسامانه های مخابراتی نصب شده روی ماهواره که انجام ماموریت اصلی ماهواره را بر عهده دارند محموله ماهواره نامیده می شوند.این زیر سامانه در طراحی ماهواره تعیین کننده است و باید اهداف تعیین شده را تامین نماید .تمام زیر سامانه های دیگر ماهواره زیر سامانه مخابراتی ماهواره را برای ارتباط با زمین پشتیبانی می کنند .ماهواره های مخابراتی از تجهیزاتی با به عنوان ترنسپاندر برای ارتباط استفاده می کنند که از اختصار عبارت ترنسمیتر-ریسپاندر به دست آمده است .در واقع ترنسپاندر یک گیرنده -فرستنده خودکار است که در فرکانس های خاص دریافت ،تقویت و ارسال می کند.معمولا سینگال های ورودی و خروجی ترنسپاندر متفاوت است به بیان دیگر ترنسپاندر سیگنال ورودی را در یک فرکانس یا باند دریافت و آن را پس از تقویت و انجام فرایند لازم بلافاصله تحت فرکانس یا باند دیگری مخابره می کند. در مخابرات ماهواره ای از باند های گوناگونی استفاده می‌شود.این باند ها با توجه به محدوده فرکانسی آنها در طیف الکترومغناطیس دسته بندی می شوند .از این رو تعاریف گوناگونی برای دسته بندی محدوده باند های فرکانسی وجود دارد . در اینجا تعاریف ارائه شده توسط جامعه مهندسین برق و الکترونیک استفاده می‌شود . با توجه به این دسته بندی باند سی ،بخشی از طیف الکترو مغناطیس در محدوده ماکروویو با فرکانس ۴ تا ۸ گیگا هرتز است این باند اولین بار فرکانسی بود کع برای ارتباطات تجاری ایستگاه زمینی به ماهواره اختصاص داده شد.معمولا ماهواره های دارای ترنسپاندر باند سی ،از محدوده فرکانس ۳٫۷ تا ۴٫۲ گیگا هرتز برای ارتباط با ایستگاه زمینی و از محدوده فرکانس ۵٫۹۲۵ تا ۶٫۴۳۵ گیگاهرتز برای دریافت سیگنال از ایستگاه استفاده می کنند . ارتباط بهینه باند سی نیاز به بشقاب های دریافت کننده بزرگ معمولا با قطر ۲٫۵ تا ۳٫۵ متر متر دارد و دریافت کننده های کوچک مانند بشقاب های خانگی برای این ارتباط مناسب نیست..از این رو باند سی برای مصارفی مانند شبکه های تلویزیونی دولتی کاربرد دارد.باند سی خود بر حسب محدوده فرکانسی و نوع کابرد با نام های گوناگون از جمله باند سی گسترده و باند سی روسی شناخته می شود . باند ایکس با محدوده فرکانسی ۷ تا ۱۲٫۵ گیگاهرتز بخشی از طیف الکترومغناطیس در محدوده ماکروویو است . خط ارسال ماهواره به زمین و بالعکس برای این باند در حالت استاندارد ،به ترتیب ۷٫۲۵تا ۷٫۷۵ گیگا هرتز و ۷٫۹ تا ۸٫۴ گیگا هرتز تعیین شده است .آژانس های فضایی ،ارگان های نظامی زیر دریایی ها و هواپیما ها از این باند برای مخابرات ماهواره ای و رادار استفاده می کنند . باند KAبخشی از طیف الکترومغناطیس در محدوده ماکروویو با فرکانس تقریبی ۱۸ تا ۴۰ گیگا هرتز است.این باند به طور گسترده در مخابرات ماهواره ای و رادار های برد کوتاه هواپیماهای نظامی کاربرد دارد. باند کی یو ،بخشی از طیف الکترومغناطیس در محدوده ماکروویو با فرکانس حدود ۱۲ تا ۱۸ گیگا هرتز است . باید توجه داشت که در محدوده فرکانس ۱۰٫۷ تا۱۲٫۵ گیگاهرتز تعریف محدوده کاری باند کی یو و باند ایکس باهم هم پوشانی دارند .کاربرد اصلی باند کی 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 کشور ها ارائه می شود . باند اس بخشی از طیف الکترومغناطیس در محدوده ماکروویو و با فرکانس ۲ تا ۴ گیگاهرتز است.این باند معمولا برای رادار های هواشناسی ،برخی ماهواره های مخابراتی و ارتباطات ناسا با شاتل فضایی و ایستگاه فضایی بین المللی کاربرو دارد . در برخی کشور ها نیز از این باند برای پخش ماهواره ای به تلویزیون های خانگی استفاده می‌شود.اگرچه در بیشتر کشور ها باند کی یو برای چنین مواردی به کار می رود . اخیرا باند اس در محدوده فرکانسی ۲ تا ۲٫۲ گیگاهرتز برای شبکه های خدمات ماهواره ای تلفن سیار استفاده می شود. هر ماهواره مخابراتی ممکن است یک یا چند ترنسپاندر را برای مقاصد گوناگون حمل کندکه این ترانسپاندرها ،در باند های ویژه ارسال و دریافت سیگنال را بر عهده دارند.

موتور اصلی ماهواره(ABM)

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 .این موتور با وجود نصب روی ماهواره معمولا به عنوان یک زیر سامانه برای ماهواره محسوب نمی شود زیرا عملیات آن تنها در حدود یک دقیقه طول می کشد .

زیر سامانه سازه

سازه ماهواره باید استحکام لازم برای جلوگیری از رسیدن آسیب به بخش های مختلف ماهواره را دارا باشد .محموله های ارزشمند و حساس ماهواره های مخابراتی که معمولا با سرمایه گذاری هنگفت ساخته شده اند حین پرتاب و یا فعالیت در مدار نباید با کوچکترین آسیبی مواجه شوند وگرنه ممکن است تمامی هزینه صرف شده برای طراحی ،ساخت و پرتاب ماهواره از بین برود .در حقیقت وظیفه اصلی زیر سامانه سازه حفاظت از ماهواره در برابر ارتعاشات و نیرو های نسبتا شدید حین پرتاب و هم چنین نیرو های پیش بینی شده در مدار است . با توجه به رابطه مستقیم وزن ماهواره و هزینه پرتاب آن استفاده از مواد مرکب در ساخت ماهواره ها افزایش روز افزون پیدا کرده است

== ارتباط بین زیر سامانه های ماهواره ==

7 69145.jpg

زیرسامانه های ماهواره با کنار هم قرار گرفتن مجموعه ماهواره تشکیل می دهند .سلامت کار تمام زیر سامانه ها با ارسال سیگنال های فرمان و دریافت سیگنال های تلهمتری کنترل می شود . مراقبت از صحت عملیات ماهواره نیز از طریق زیر سامانه تی تی سی بر عهده بخش کنترل زمینی است که باید مطابق استاندارد های موجود انجام شود.زیرسامانه هایی که به محموله مخابراتی مربوط می شوند مهم ترین بخش های عملیاتی ماهواره هستند . معمولا معماری بخش های مختلف طوری انجام می شود که ماهواره قادر به حمل محموله های دیگر نیز باشد . ماهواره مخابراتی ملی فرانسه تلکام نمونه از یک ماهواره چند منظوره بود.

منبع

کتاب نگاهی بر ماهواره های مخابراتی نویسنده امیر برکاتی

پاسخ دادن

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *