گسترش ارتباطات در سطح جهان، استفاده از سیستمهای مخابراتی را با ظرفیت وسیع‌تر، پوشش بیشتر و كیفیت بهتر ایجاب می‌كند.
یكی از روش‌هایی كه می‌تواند به طور مناسب جوابگوی نیازهای فعلی و آتی بشر در این زمینه باشد، استفاده از ماهوارههای مخابراتی است.
ماهواره مخابراتی، قمر مصنوعی یا سفینه‌ای است كه از طریق آنتن خود، سیگنالهای الكتریكی را از فرستنده‌ای بر روی زمین دریافت می‌كند. این سیگنال‌ها به علت افت بسیار زیادی كه بر اثر طی مسیر طولانی داشته‌اند توسط تقویت‌كننده‌های درون ماهواره تقویت می‌گردند و سپس با فركانس نوسان‌ساز محلی مخلوط میشود و تغییر فركانس میدهد و سرانجام پس از تقویت مجدد به آنتن فرستنده ماهواره داده میشود تا به طرف ایستگاههای زمینی مورد نظر زیر پوشش، فرستاده شود. چون ماهوارههای مخابراتی سیگنال‌ها را تقویت می‌كنند و بازگشت می‌دهند، بیشتر به عنوان تكراركننده و رله شناخته می‌شوند و قادرند دو نقطه در فواصل بسیار دور را به هم ارتباط دهند. ماهوارههای مخابراتی معمولاً در مدار خاصی از كره زمین به نام ژئوسنكرون (همزمان با حركت زمین) تقریباً در ارتفاع ۳۶۰۰۰ كیلومتری از سطح دریا قرار می‌گیرند. (فاصله‌ای كه در آن از طرف زمین نیروی جاذبه به ماهواره وارد نمی‌شود) چنین ماهواره‌ای با سرعت و جهتی همسان با كره زمین در حال حركت است و دور كره زمین را در مدت ۲۴ ساعت طی می‌كند. در این شرایط ماهواره در مكان بالای خط استوا نسبت به زمین ثابت میشود و از این رو آنها از نظر فرستنده‌ها و گیرنده‌های روی زمین ثابت به نظر می‌آیند. بنابراین به كمك فرستنده‌ای بر روی زمین و یك ماهواره بر روی مدار، میتوان سیگنال‌ها را به گیرنده‌های مستقر در بخشی از زمین فرستاد كه حدود یك‌سوم سطح زمین را بپوشاند به این ترتیب میتوان حداقل با سه ماهواره با فواصل ۱۲۰ درجه نسبت به هم و تعدادی مراكز فرستنده و گیرنده تمام نقاط روی زمین را تحت پوشش قرار داد.
در حال حاضر سیستم ماهواره مخابراتی در سه ناحیه بر فراز اقیانوس‌های اطلس، هند و آرام قرار دارند و كلیه كشتی‌ها را در دریاها و اقیانوس‌ها زیر پوشش خود قرار داده‌اند و میتوان با استفاده از آنها در اطراف كره زمین به آسانی از كشتی به كشتی، ساحل به كشتی یا هر نوع وسیله دریایی و برعكس و به طور كلی با شبكه‌های محلی، منطقه‌ای و بین‌المللی مخابراتی، ارتباط برقرار كرد.
در واقع هر جا یك ترمینال ماهواره‌ای وجود داشته باشد، امكان استفاده از سیستم ماهواره‌ای فراهم خواهد بود و میتوان این ترمینال‌ها را بر روی كشتی، هواپیما و واحدهای متحرك زمین قرار داد و با نقاط دیگر ارتباط برقرار نمود. موارد استفاده ماهواره مخابراتی و تأثیر فراوان آن بر زندگی بشر باعث شده كه روز به روز توجه انسان به این وسیله ارتباطی افزایش یابد. كاربردهای وسیع آن در هوانوردی، دریانوردی، پزشكی، ارتباط تلفنی، تلگراف، تلكس، فاكس، تلویزیون، انتقال اطلاعات كامپیوتری و غیره باعث شده كه وجود یك ماهواره مخابراتی مستقل برای هر كشور امری ضروری باشد. داشتن ماهواره مخابراتی مستقل باعث ایجاد تسهیلات در امر انتقال اطلاعات كامپیوتری از دانشگاه‌ها به مراكز تحقیقات و بالعكس، پوشش كلیه نقاط كشور از نظر برنامه‌های تلویزیونی، رادیویی و تلفنی و كاربردهای وسیع و متنوع دیگری خواهد شد. ماهواره مخابراتی معمولاً بین ۸ تا ۱۲ سال عمر می‌كنند و انرژی خود را به وسیله سلولهای خورشیدی، از نور خورشید تأمین می‌نمایند. میزان سوختی كه مورد نیاز سیستم فرعی برای حفظ موقعیت ماهواره است، یكی از عواملی است كه عمر ماهواره را محدود می‌كند. از كار افتادن تدریجی سلولهای خورشیدی كه در سیستم فرعی تغذیه قدرت الكتریكی قرار دارند نیز عمر ماهواره را محدود می‌سازد.
به طور كلی یك سیستم ماهواره ای را در چهار بخش
می توان مورد بررسی قرار داد.
بخش فضایی-۱
ماهواره ها به عنوان یک تکرار کننده در فضا به کار می روند.
آنها امواج فرستاده شده از ایستگاه زمینی را دریافت کرده,
فرکانس آنها را تغیر داده یا تقویت کرده و سپس به منطقه
پیش بینی شده می فرستد. عمر ماهواره ها معمولا بین ۷
تا ۱۰ سال است.یک ماهواره توسط سلول های جذب کننده
انرژی خورشیدی تغذیه می شود و در هنگام خورشید گرفتگی
باطری هایی را به کار می گیرد که عمر آن ها یکی از عوامل موثر
در تعیین عمر ماهواره است.
عامل دیگر در تعیین عمر ماهواره ها مقدار سوخت ذخیره شده
در ماهواره است که برای مصرف در میکروموتورها است.
میکروموتور ها به منظور اصلاح موقعیت ماهواره ها در مدار
به کار می رود.
بخش زمینی-۲
بخش زمینی شامل ایستگاه های زمینی واجزای آن در زمین است.
یکی از بخش های مهم درایستگاه زمینی آنتن است که درجه اهمیت
آنتن ها بستگی به قطر آنتن و سایر استاندارد های مربوطه دارد..
ساختمان ماهواره ها -۳
ماهواره ها از دو بخش تجهیزات مخابراتی و غیر مخابراتی تشکیل شده است.
زیر سامانه های مخابراتی , آنتن ها و تکرار کننده ها هستند.
در بخش مخابراتی , دستگاهی و جود دارد که وظیفه تکرار کننده های
رادیوئی (رله) را انجام میدهد و ترانسپاندر نام دارد.
ترانسپاندرها سیگنال های فرستاده شده از زمین را دریافت و پس از
تقویت و تغیر فرکانس , آنها را به زمین میفرستند.
آنتن های مربوط به این تراسپاندرها , به گونه ای طراحی شده اند
که فقط بخش هایی از سطح زمین را که درون شبکه ماهواره ای قرار دارند,
پوشش دهند. بخش غیر مخابراتی ماهواره ها که در واقع پشتیبانی فنی آن
است شامل سامانه کنترل حرارتی , سامانه کنترل موقعیت و مدار,
ساختمان مکا نیکی , سامانه منبع تغزیه و موتور اوج گیری است..ب
پوشش ماهواره ها -۴
یکی از مهمترین مسائل طراحی سامانه های ماهواره ای , پوشش دهی
ماهواره ای زمین است.برای طراحی بخش های مختلف سامانه ماهواره ای
نظیر تعداد ماهواره ها یی که باید استفاده شود, انتخاب مدار, فرکانس و
همچنین داشتن مقدار سطح پوشش دهی زمین ضروری است.
وسعت سطح زیر پوشش ماهواره ها اصولا با ارتفاع آن ها , حداقل زاویه
ارتفاع مجاز برای دیدن ماهواره توسط آنتن ایستگاه و همچنین پهنای پرتو
آنتن ماهواره ارتباط دارد.
تمام سطح زمین غیر از قطبین را توسط سه ماهواره می توان پوشش داد
و حداقل زاویه ای که آنتن های داخل این پوشش برای دیدن ماهواره لازم
دارند ’حداقل زاویه ارتفاع’ می گویند. به طور کلی اندازه و شکل واقعی
سطح زیر پوشش ماهواره توسط مشخصه آنتن ماهواره تعیین میشود.
در این مورد چند نوع پوشش توسط ماهواره های ثابت امکان پذیر است:
۴-۱پوشش عمومی : این نوع پوشش بزرگترین منطقه ممکن از سطح زمین را
در بر می گیرد و برای دریافت آن انتن های بزرگ لازم است.
۴-۲پوشش منطقه ای : بخشی از کره زمین را پوشش می دهد و
سطح زیر پوشش آن از پوشش عمومی کمتر است.
۴-۳پوشش نیم کره ای : بخشی از کره زمین که معمولا پوشش نیم کره ای
را تشکیل میدهد و در شبکه انتل ست به کار رفته است.
۴-۴پوشش نقطه ای : پوشش فقط بر روی یک کشور یا یک نقطه خاص
متمرکز خواهد شد که در این حالت سیگنال دریافتی قوی تر بوده و
دریافت آن با آنتن های کوچک امکان پذیر است.
۴-۵پوشش شکل داده شده : در این حالت پرتو آنتن برای زیر پوشش قرار
دادن کشور یا محلی مشخص از همان کشور خواهد بود و حتی میتوان یک کشور
را از پوشش خود خارج کند.
تقسیم بندی ماهواره ها از لحاظ وزن:
بیشتر ماهواره های مدار ثابت نسبت به زمین از نوع ماهواره های بزرگ هستند
ماهواره بزرگ : با وزن بالای ۱۰۰۰ کیلو گرم-۱
ماهواره متوسط : با وزن بین ۵۰۰ تا ۱۰۰۰ کیلو گرم-۲
ماهواره کوچک : با وزن بین ۱۰۰ تا ۵۰۰ کیلو گرم-۳
۴-ماهواره میکرو : با وزن بین ۱۰ تا ۱۰۰ کیلو گرم
این ماهواره ها به دلیل صرفه اقتصادی و امکان شبه سازی
ماهواره بزرگ با آن ها , در زمینه های پژوهشی-آزمایشگاهی
دارای کاربرد وسیعی هستند.همچنین برای ماموریت های هواشناسی
تقویت و پخش دوباره سیگنال ها, مخابرات, تلفن همراه و
نقشه برداری از مناطق دور دست دارای توانایی های خوبی است
ماهواره نانو : با وزن بین ۱۰ کیلوگرم وکمتر و هزینه ساخت ۱ میلیون دلار -۵
اجزای سیستم ماهواره ای مخابرات
سیستم ماهواره ای مخابرات مجموعه ای است از ایستگاههای فضایی و ایستگاههای زمینی به منظور ایجادارتباطات رادیویی .بخشی ازاین سیستم ماهواره ای می تواند تنها ازیک ماهواره و .ایستگاههای زمینی مربوطه تشکیل میشود. این مجموعه , یک (شبکه ماهواره ای) نامیده میشود
ایستگاههای فضایی
ایستگاه فضایی شبکه ماهواره ای مخابرات , از ماهواره (بخش اصلی شبکه) و دستگاههای. جانبی تشکیل شده است
ساختمان ماهواره
ماهواره از دوبخش تجهیزات مخابراتی وغیرمخابراتی تشکیل شده است. زیرسیستمهای مخابراتی , آنتنها و تکرارکننده‌ها هستند. در بخش مخابراتی , دستگاهی وجود دارد که وظیفه تکرارکننده های رله رادیویی را .انجام می دهد و (ترانسپاندر) نام دارد ترانسپاندرها سیگنالهای فرستاده شده از زمین را دریافت وپس ازتقویت وتغییرفرکانس آنها را به زمین می فرستند.آنتنهای مربوط به این ترانسپاندرها طوری طراحی شده‌اند که فقط قسمت‌هایی ازسطح زمین را که. درون شبکه ماهواره ای قرار دارند, پوشش می دهد یک ماهواره معمولاً آنتنی همه جهته دارد که برای دریافت سیگنالهای فرمان صادره از زمین به کار می رود زیرا آنتنهای دیگر ماهواره احتمال دارد به سوی زمین نباشند. آنتن همه جهته همچنین برای کنترل سیستمهای فرعی در زمان پرتاب ماهواره و تعیین موقعیت آن به کارمی رود.بخش غیرمخابراتی ماهواره که در واقع قسمت پشتیبانی فنی آن است شامل سیستم کنترل حرارتی , سیستم کنترل موقعیت ومدار, ساختمان مکانیکی ,سیستم منبع تغذیه وموتور. اوج است
سیستم کنترل حرارتی ماهواره
این سیستم باید درجه حرارت دستگاهها و تجهیزات درون ماهواره را در حد متعادل و متعارف .حفظ کند
سیستم کنترل موقعیت ومدار
کنترل موقعیت ماهواره آن است که جهت تابش پرتو فرکانسهای رادیویی آنتن را برای منطقه .موردنظر درروی زمین ثابت نگه می دارد
ساختمان مکانیکی
ساختمان ماهواره باید به گونه ای طراحی شده باشد که بتواند نیروهایی را که بر اثر فشارهای دینامیکی در هنگام روشن شدن موتور و پرتاب وارد میشود , تحمل کند. بدنه ماهواره معمولاً از آلیاژ آلومینیوم سبک ساخته میشود که شامل سلولهای خورشیدی و منعکس کننده های آنتن نیز هست .این قسمت ازترکیب موادی مانند فیبرکربن که دارای استحکام وثبات ساختمانی خاصی است .ساخته میشود
سیستم منبع تغذیه
منبع اصلی تغذیه معمولاً سلولهای خورشیدی هستند. انرژی خورشیدی جذب شده برای شارژکردن .باتریهای ذخیره نیزمورداستفاده قرارمی گیرد.این باتریهاازنوع نیکل -کادمیم هستند
موتوراوج
نقش موتوراوج ایجاد مدار دایره ای شکل وجلوگیری ازانحرافات مداری ماهواره است .بعضی مواقع با.استفاده ازموتوراوج , ماهواره هارادرمدار ثابت مستقرمی کنند
ایستگاههای زمینی : ایستگاههای زمینی سیستمهای ماهواره ای مخابرات براساس نوع استفاده ازآنهاعبارت اند از: ایستگاههای ثابت ,ایستگاههای سیار.ایستگاههی زمینی ماهواره معمولاً ازچند قسمت تشکیل شده اند. آنتن , فرستنده , گیرنده , سیستمهای کنترل برقراری ارتباط ومنابع تغذیه مورد لزوم ایستگاه هر یک ازاجزای فوق شامل قسمت‌های مختلفی اند که متناسب با نوع ایستگاه زمینی , حجم وتجهیزات .آنها متفاوت خواهدبود
آنتن ایستگاههای زمینی
به طور کلی آنتن فرستنده , انرژی الکتریکی حاصل از یک منبع را در فضا به صورت امواج الکترومغناطیسی پخش می کند. سپس آنتن گیرنده این امواج رامی گیردوبه انرژی الکتریکی تبدیل می کند. در هر سیستم مخابرات رادیویی , آنتن نقش حساس و مهمی دارد, زیرا با انتخاب آنتنهای مناسب ونصب وتنظیم صحیح آنهامی توان تاحدزیادی بازدهی سیستم رابالا برد. علایم و سیگنالهای فرستاده شده از ماهواره توسط آنتنهای بزرگ یا کوچک دریافت می‌شودوسپس به دستگاه تقویت کننده انتقال می یابد. ایستگاههای زمینی دارای دو نوع آنتن فرستنده و گیرنده به صورت بشقابی در اندازه های مختلــــــف هستنــــد. این آنتنها اطــــلاعات را به صورت امواج رادیویی به فضا می فرستند یا از فضا دریافت می کننـــد. آنتن ایستگا ههای زمینی در ابعــــاد بزرگ و ساختمان مکانیکی معینی ساخته می شوند که قطرنوع قدیمی آنها به بیش از ۳۰۰ تن می رسد. از آنجا که فرکانس مورد نظر برای سرویس ثابت ماهواره درمحدوده فرکانسهای مگاهرتزوگیگاهرتزاست
خدمات سیستم مخابرات ماهواره ای
از آغاز عصر مخابرات ماهواره ای تا کنون ماهواره های متعددی به فضا پرتاب شده اند که بعضی از این ماهواره ها مختص به انجام کارهای مشخص هستند و بقیه خدمات گوناگونی ارائه می دهند. ممکن است ماهواره ها برای خدمات مختلف فرکانس های مخصوص به خود داشته باشند و یا اینکه از یک باند فرکانس به صورت مشترک یا دیگر ماهواره ها استفاده کنند. انواع اصلی خدمات مختلف ماهواره را که توسط اتحادیه بین المللی ارتباطات راه دور (ITU) در نظر گرفته شده است،می توان به صورت زیر بیان کرد:
۱- سرویس ازتباطات ثابت ماهواره ای (FCC)
۲- سرویس ازتباطات سیار ماهواره ای (MSS5) که خود شامل ایستگاههای سیار زمینی، هوائی و دریائی است.
۳- سرویس پخش تلویزیونی به وسیله ماهواره یBSS
۴- سرویس ماهواره ای برای تعیین محل ایستگاه های فرستنده (RDSS)
۵- سرویس هدایت رادیوئی ماهواره(RDSS)
علاوه بر سرویس های فوق اخیرا سرویس های بسیار دیگری نیز مطرح شده است و ما تنها به اصلی ترین موارد آن در زیراشاره کردیم
سرویس ماهواره ای ثابت
نیاز روز افزون به کانال های ارتباطی به خصوص برای ارتباطات بین قاره ای همراه با موفقیت های بدست آمده در پرتاب اقمار مصنوعی و به کار گیری آنها به عنوان رله های رادیوئی که همانند سیستم های زمینی با دید مستقیم عمل کرده ولی با تکرار کننده هائی که در فضا برروی ماهواره ها تعبیه شده اند باعث دگرگونی در ارتباطات شده اند.ماهواره های اولیه بر روی مدار غیر سنکرون و رد ارتفاع ۱۰۰۰۰ کیلومتر با کیفیت نا مناسبو ترافیک تلفنی ۲۰دقیقه مورد استفاده بودند. برای رفع این مشکل، ماهواره ها بر روی مدار سنکرونی بالای خط استوا قرار گرفتند که نسبت به مدار های دیگر دارای محاسنی است که از آن جمله تامین ارتباطات ۲۴ ساعته در نقطه ای از سطح زمین تنها نیاز به یک آنتن دارد .ازمدار سنکرون به عنوان منبع طبیعی محدود و به طور موثری طبق ضابطه های خاص استفاده می شود. ولی در اثر پرتاب ماهواره های متععدد به طور روز افزون و محدودیت در فرکانس های مورد استفاده ارتباطات ماهواره ای نمی توانند بدون تداخل فرکانسی از این امر استفاده کنند. بر این اساس ITN مدار ثابت سنکرون و طیف فرکانس را در منبع طبیعی محدود اعلام کرده است که متعلق به تمام کشور های جهان است و مقررات رادیوئی با توجه به این موضوع طوری تنظیم شده که استفاده از این دو منبع بر اساس اصل عدم تبعیض برای تمام کشورها امکان پذیر باشد.
قابلیت اطمینان و امنیت ماهواره ها در فضا
از آنجا که یک شبکه ماهواره ای شامل دو بخش فضائی و زمینی است لذا باید این دو بخش از نظر قابلیت ، اطمینان و امنیت مورد توجه قرار گیرد. به طور کلی قبل از پرتاب و همچنین ساخت آنها ملاحظاتی صورت می گیرد تا ماهواره هایی که در مدار قرار می گیرند دارای قابلیت اطمینان بالا باشند. بدین منظور در هنگام طراحی شبکه ماهواره ای به مسائلی از قبیل قابلیت ها و کیفیت تجهیزات توجیه کافی می شود. در مورد امنیت ماهواره ها در فضا به خصوص در مدار سنکرون به عنوان یک امکان طبیعی می بایست مصون از تعرض باشند.