ماهواره به دستگاه‌های ساخت بشر گفته می‌شود که در مدارهایی در فضا به گرد زمین یا سیارات دیگر می‌چرخند.
اهمیت ماهواره‌ها برای مخابرات و بررسی منابع زمینی و پژوهش و کاربردهای نظامی و جاسوسی روزافزون است. بخشی از پژوهشهای علمی و تخصصی که در آزمایشگاه‌های مستقر در فضا انجام می‌شود، هرگز نمی‌توانست روی کره زمین جنبه عملی به خود گیرد.
نخستین ماهواره فضایی جهان اسپوتنیک-۱ (به معنی همسفر-۱ به زبان روسی) بود که در تاریخ ۱۲ مهر ۱۳۳۶ (۴ اکتبر ۱۹۵۷) به مدار زمین پرتاب شد. پرتاب اسپوتنیک-۱ به مدار زمین آغازگر عصر فضا و مسابقه فضایی شد.
اولین ماهوارهٔ ایالات متحده برای تقویت کردن مخابرات «پروژهٔ اسکور» در سال ۱۹۵۸ بود که از یک نوار برای ضبط و پخش پیام‌های صوتی استفاده می‌کرد. این ماهواره برای پخش پیام تبریک کریسمس رئیس جمهور آمریکا «آیزن هاور» به سراسر دنیا استفاده می‌شد. در سال ۱۹۶۰ ناسا ماهوارهٔ «اکو» را پرتاب کرد. تل استار اولین ماهوارهٔ فعال مخابرهٔ مستقیم ماهواره‌ای تجاری بود. وابسته‌های به «ای تی اند تی» به عنوان بخشی از توافق چند ملیتی بین «ای تی اند تی»، آزمایشگاه‌های تلفن بل، ناسا، ادارهٔ پست عمومی بریتانیا و دفتر پست ملی فرانسه برای گسترش ارتباطات ماهواره‌ای، آن ماهواره را از «کیپ کارناوال» در ۱۰ ژوئیه ۱۹۶۲ توسط ناسا پرتاب کردند. اولین و مهم ترین برنامهٔ ماهواره‌های مخابراتی در تلفن بلند برد میان قاره‌ای بود. پیشرفت‌ها در کابل‌های مخابراتی زیردریایی با استفاده از فیبرهای نوری باعث کاهش استفاده از ماهواره‌ها برای تلفن‌های ثابت در اواخر قرن بیستم شد، ولی هنوز برخی اقلیم‌ها و یا قسمت‌هایی از برخی کشورها بودند که خطوط زمینی مخابرات در آنها اندک بود یا موجود نبود مانند قطب جنوب، به علاوهٔ بخش عظیمی از استرالیا، آمریکای جنوبی، آفریقا، کانادای شمالی، چین، روسیه و گرین لند. بعد از اینکه سرویس تلفن راه دور تجاری با استفاده از مخابرات ماهواره‌ای ایجاد شد، یک میزبان از دیگر ارتباطات راه دور تجاری با ماهواره‌های مشابه در سال ۱۹۷۹ شامل موبایل‌ها ی ماهواره‌ای، رادیوی ماهواره‌ای، تلویزیون ماهواره‌ای و دسترسی اینترنتی ماهوارهٔ تطبیق شد. اولین تطابق‌ها برای بیشتر سرویس‌ها در دههٔ ۱۹۹۰ اتفاق افتاد و درحالیکه قیمت گذاری برای کانال‌های تقویت کنندهٔ ماهواره‌ای ادامه می‌یافت به طور قابل توجهی افت کرد.
کاربرد ماهواره‌ها
به سفینه‌ای گفته می‌شود که در مداری، به دور یک سیاره (معمولاً زمین) در حال گردش باشد. الفقی در عصری که ما در آن زندگی می‌کنیم، ماهواره و تکنولوژی وابسته به آن، آنچنان در تاروپود جوامع بشری نفوذ کرده و به پیش می‌تازد، که نقش تعیین کننده آن در سیر تحولات تمدن بشری، قابل توجه‌است.
بخشی از تحقیقات و پژوهشهای علمی – تخصصی، که در آزمایشگاه‌های مسقتر در فضا انجام می‌شود، هرگز نمی‌توانست روی کره زمین جنبه عملی به خود گیرد. این تحقیقات، که بسیار متعدد و متنوع است، در تخصص‌های پزشکی، داروسازی، مهندسی مواد، مهندسی ژنتیک و ده‌ها مورد دیگر، تا به حال دستاوردهای بسیار ارزنده‌ای را به جوامع بشری عرضه کرده‌است.
ماهواره‌ها که در فضا درحال گردشند، می‌توانند اطلاعات باارزشی در اختیار انسان قرار دهند که منجر به تحولات شگرفی، در زمینه‌های گوناگون شود. ماهواره‌های کشف منابع زمینی، هواشناسی، مخابراتی، پژوهشی و نظامی از این نوع می‌باشند.
تاریخچه
ظاهراً نخستین اشاره به ماهواره در ادبیات، نوشته‌ای از ادوارد اورت هیل است. او در سال ۱۸۶۹ در داستانی بنام «ماه آجری» از ماهواره‌ای حامل انسان نام برده که به دور زمین می‌گردد.
ژول ورن نیز در داستان «میلیون‌های بگم» در سال ۱۸۷۹ از گلوله توپی نام می‌برد که بطور ناخواسته در مدار زمین به گردش درآمده‌است.
کنستانتین تسیولکوفسکی نیز در رساله خود بنام «اکتشاف فضای کیهانی با وسائل عکس‌العملی» در میان انبوهی از اندیشه‌های نو در مورد فضانوردی، از ماهواره نیز نام می‌برد.
- شروع قرن بیستم
در سال ۱۹۴۵ نویسنده مشهور بریتانیایی آرتور سی کلارک یکی از بزرگترین خالقان داستانهای علمی–تخیلی، برای اولین بار پیشنهاد قرار دادن یک ماهواره ارتباطی را در مدار ژئوسنکرون یا مدار کلارک که در فاصله تقریباً ۳۶۰۰۰ کیلومتری سطح زمین و بالای خط استوا قراردارد را جهت پوشش سیگنالهای رادیویی و تلویزیونی داد. از این مدار امکان دسترسی به تقریباً ۴۰٪ سطح زمین وجود دارد.
- جنگ جهانی دوم
ایده استفاده از ماهواره‌های ساخت دست بشر، برای اولین بار در پایان جنگ جهانی دوم بر سر زبان‌ها افتاد.
- رقابت فضایی
اولین ماهواره مصنوعی، اسپوتنیک ۱ (Sputnik ۱) بود که توسط شوروی در ۴ اکتبر ۱۹۵۷ شروع به کار کرد؛ که این باعث به راه افتادن یک رقابت فضایی بین شوروی و آمریکا شد. آمریکا نیز اولین ماهواره خود را در ۳۱ ژانویه ۱۹۵۸ به فضا پرتاب کرد. بزرگترین ماهواره مصنوعی که هم اکنون به دور زمین می‌چرخد ایستگاه بین‌المللی فضایی می‌باشد.
| کشور | سال پرتاب | نخستین ماهواره |
|---|---|---|
 اتحاد جماهیر شوروی ( روسیه) |
۱۹۵۷ | اسپوتنیک ۱ |
 ایالات متحده آمریکا |
۱۹۵۸ | اکسپلورر ۱ |
 فرانسه |
۱۹۶۵ | آستریکس |
 ژاپن |
۱۹۷۰ | اسومی |
 چین |
۱۹۷۰ | دونک فانگ هونگ ۱ |
 بریتانیا |
۱۹۷۱ | پراسپرو ایکس-۳ |
 هند |
۱۹۸۰ | روهینی |
 اسرائیل |
۱۹۸۸ | اوفک-۱ |
 اوکراین |
۱۹۹۵ | سیچ-۱ |
 ایران |
۲۰۰۹ | امید ۱ |
وضعیت ماهواره و زمین
ماهواره‌ای که در مدار ژئوسنکرون و در بالای خط استوا و هماهنگ با سرعت زمین و با زاویه‌ای ثابت، حرکت می‌کند، قسمت مشخصی از سطح زمین را بطور ثابت پوشش می‌دهد، و از یک ایستگاه زمینی نیز بصورت یک نقطه ثابت، قابل رویت است.
ماه، خورشید، و دیگر ستارگان و سیارات منظومه شمسی باعث تاثیر گذاری بروی ماهواره در مدار خود می‌شود که احتمال جابجایی از مکان خود را دارد. برای جلوگیری از این مسیله، موتورهای مخصوصی که بوسیله ایستگاه‌های زمینی کنترل می‌شوند، کمک می‌کنند که ماهواره‌ها در مکان خود ثابت باقی بمانند.
ارتباط با زمین
جهت برقراری ارتباط از یک ایستگاه زمینی، معمولاً احتیاج به یک دیش بزرگ که بنام Uplink Antenna معروف است، می‌باشد و باعث تمرکز اطلاعات ارسالی به ماهواره می‌شود.
در ارتباط بین ماهواره و ایستگاه زمینی معمولاً از دو نوع موج و فرکانس متفاوت استفاده می‌شود. یکی برای Uplink و دیگری برای Downlink. دیش نصب شده بروی ماهواره، سیگنال ارسالی ازایستگاه زمینی را دریافت کرده و به یک دستگاه گیرنده می‌رساند و پس از یک سری پردازش، به فرستنده ماهواره انتقال می‌دهد و از طریق آنتن فرستنده ماهواره، مجدداً به سمت زمین باز تابش داده می‌شود.
- امواج ارسالی
سیگنال ارسالی به سطح زمین، بوسیله دیش‌های معمولی، دریافت و جمع‌آوری شده و به دستگاه گیرنده ماهواره، از طریق ال ان بی، انتقال پیدا می‌کند. قدرت سیگنال دریافتی بر روی زمین، نسبت به فاصله و زاویه و… ماهواره و نقطه گیرندگی، متفاوت بوده و بصورت یک الگوی خاص به نام سایه ماهواره یا footprint معرفی می‌شود.
همیشه قدرت سیگنال ماهواره در مرکز سایه، بیشترین مقدار را دارا می‌باشد و در گوشه‌ها، از کمترین مقدار، برخوردار است. توجه به این نکته لازم است که دریافت سیگنال در خارج از سایه، احتیاج به دیش‌های بزرگ‌تر، دارد. امواج سانتی‌متری، جهت ارسال سیگنال ماهواره به زمین، مورد استفاده قرار می‌گیرد که محدوده فرکانسی آنها بین ۳-۳۰ MHz می‌باشد.
دلیل اصلی استفاده از این امواج رادیویی کوتاه، انتشار راحت امواج و تاثیرات کم نویز و مزاحمت‌های فرکانسی است. البته فرکانسهای بالاتر از ۱۵ Ghz، بصورت وحشتناکی بوسیله اکسیژن هوا و بخار آب تضعیف می‌گردند.
ماهواره‌ها، سیگنالهای ارسالی خود را بصورت قطبی و با دو حالت افقی و عمودی ارسال می‌کنند و گاهی اوقات نیز، بصورت دورانی، چپ گرد و راست گرد. در سیستمهای دیجیتال، امکان ارسال دیتا و چندین شبکه تلویزیونی و رادیویی بروی یک فرکانس وجود دارد.
انواع ماهواره
- ماهواره ضد سلاح
ماهواره ضد سلاح، که بعضی مواقع ماهواره‌های کشنده نیز خوانده می‌شوند، ماهواره‌هایی هستند که برای خراب کردن ماهواره‌های دشمن و دیگر سلاح‌های مداری و اهداف دیگر طراحی شده‌اند؛ که هم آمریکا و هم روسیه، از این نوع ماهواره، در اختیار دارند.
- ماهواره‌های ستاره‌شناختی
ماهواره‌های ستاره‌شناختی که برای مشاهده فاصله سیاره‌ها وکهکشان‌ها و دیگر اشیای خارجی فضا، استفاده می‌شود.
- ماهواره‌های زیستی
ماهواره‌های زیستی، ماهواره‌هایی هستند که برای حمل ارگانیسم‌های زنده، طراحی شده‌اند. عموماً برای آزمایش‌های علمی استفاده می‌شوند.
- ماهواره‌های مخابراتی
ماهواره‌های مخابراتی، ماهواره‌هایی هستند که برای اهداف ارتباط راه دور، در فضا قرار گرفته‌اند. ماهواره‌های مخابراتی مدرن، نوعاً از مدارهای زمین‌همگام، مولنیا (Molniya) و پایین‌زمینی استفاده می‌کنند.
- ماهواره‌های مینیاتوری
ماهواره‌های مینیاتوری، ماهواره‌هایی هستند که دارای وزن کم و سایز کوچک، به طور غیر عادی می‌باشند. طبقه‌بندی جدیدی که برای گروه بندی این ماهواره‌ها استفاده می‌شود، عبارت است از:
- ماهواره‌های کوچک (۵۰۰-۲۰۰ کیلوگرم)
- ماهواره‌های میکرو (زیر ۲۰۰ کیلوگرم)
- ماهواره‌های نانو (زیر ۱۰ کیلوگرم)
- ماهواره‌های هدایت‌کننده
ماهواره‌هایی هستند که از پخش کردن سیگنالهای رادیویی استفاده می‌کنند تا دریافت کننده‌های موبایل را در زمین فعال نمایند تا مکان دقیق آنها مشخص شود.
- ماهواره‌های اکتشافی
ماهواره‌های مشاهداتی زمین یا ماهواره‌های مخابراتی می‌باشند، که برای کاربردهای نظامی و جاسوسی مستقر شده‌اند.
- ماهواره‌های زمین‌شناسی
ماهواره‌های زمین‌شناسی، ماهواره‌هایی هستند که برای نظارت بر محیط، هواشناسی و ساختن نقشه استفاده می‌شوند.
- ماهواره‌های تتر
به ماهواره‌هایی که به وسیله یک کابل که به ماهواره ای دیگر متصل شوند، تتر (افسار) می‌گویند.
- ماهواره‌های هواشناسی
ماهواره‌های هواشناسی، که به طور ابتدایی برای نشان دادن آب و هوای کره زمین به کار می‌روند.
ایستگاه فضایی
ایستگاه فضایی، یک ساختار ساخته دست بشر می‌باشد که برای زندگی انسان در فضای خارج طراحی شده‌است. یک ایستگاه فضایی از انواع فضاپیماها به وسیله نقصش در نیرو محرکه زیاد یا امکانات بر زمین نشستن، متمایز می‌شود. به جای موتورهای دیگر به عنوان جا به جایی به و از ایستگاه استفاده می‌شود.
ایستگاه‌های فضایی برای باقی‌ماندن در مدار برای مدت کوتاهی طراحی شده‌اند، برای قسمتی از هفته یا ماه یا حتی سال.
مدار ماهواره‌ها
ماهواره در یک مسیر بسته که آن را مدار ماهواره می‌نامند، به دور زمین در گردش است. این مسیر ممکن است دایره‌ای یا بیضی شکل باشد و مرکز زمین در مرکز این مسیر یا در یکی از کانون‌های بیضی آن قرار دارد. ماهواره درصورتی که تحت تاثیر نیروهای گرانشی دیگری قرارنگیرد، همواره درصفحه‌ای به نام صفحه مداری به گردش خود به دور زمین ادامه می‌دهد. حرکت این صفحه مداری به پریود مدار و زاویه صفحه با صفحه استوا بستگی دارد. اگر این زاویه صفر باشد، صفحه مداری منطبق بر صفحه استوایی زمین می‌شود.
عموماً ماهواره‌ها بروی چهار نوع مدار که بستگی به نوع کاربرد ماهواره دارد، قرار می‌گیرند:
- مدار پائین زمین
- مدار قطبی
- مدار زمین‌ایست
- مدار بیضوی
ماهواره‌های مدار پائین زمین
به ماهواره‌هایی که در فاصله نسبتاً کمی از سطح زمین قرار دارند، ماهواره‌های مدار پائین زمین گفته می‌شود. بیشترین ارتفاع این نوع ماهواره‌ها از سطح زمین بین ۳۲۰ تا ۸۰۰ کیلومتر است. مسیر حرکت این ماهواره‌ها از غرب به شرق و همجهت با دوران زمین بدور خود است.
بدلیل نزدیکی فاصله این نوع ماهواره‌ها از سطح زمین، سرعت حرکت این ماهواره‌ها خیلی بیشتر از سرعت دوران زمین بدور خود است.
گاهی سرعت این نوع ماهواره‌ها به ۲۷٬۳۵۹ کیلومتر در ساعت نیز می‌رسد. با این سرعت، این نوع از ماهواره‌ها می‌توانند در هر ۹۰ دقیقه، یک دور کامل بدور زمین بگردند.
برخی از ماهواره‌های هواشناسی، ماهواره‌های سنجش از دور و ماهواره‌های جاسوسی از این نوع‌اند.
ماهواره‌های مدار قطبی
ماهواره‌های مدار قطبی به نوعی از ماهواره‌هایی گفته می‌شود که مسیر مدار حرکت آنها عمود بر خط استوا و مسیر دوران از قطبهای شمال و جنوب می‌گذرد. بعضی از ماهواره‌های هواشناسی، ماهواره‌های سنجش از دور و ماهواره‌های جاسوسی از این نوع‌اند.
ماهواره‌های مدار زمین‌ایست
این در حالت کلی بروی مدار زمین‌ایست و بر بالای خط استوا، در فاصله ۳۵۸۷۰ کیلومتری از سطح زمین قرار داند.
این نوع ماهواره‌ها در مکانی ثابت نسبت به زمین قرار دارند و هم‌فاز با دوران زمین بدور خود، می‌گردند و بدلیل همین ثبات دارای سایه‌ای ثابت (معروف به «جای‌پا») بر زمین هستند.
به مدار زمین‌هم‌زمان مدار زمین‌ایست و یا مدار کلارک نیز گفته می‌شود.
تمام ماهواره‌های مخابراتی و تلویزیونی از این نوع هستند.
ماهواره‌های مدار بیضوی
این ماهواره‌ها دارای مداری بیضوی هستند. دو نقطه مهم از مدار این ماهواره‌ها نقطه اوج و نقطه حضیض آنها است:
- قسمتی که به سطح زمین نزدیک می‌شوند به نام نقطه حضیض نامیده می‌شود.
- قسمتی که از سطح زمین دور می‌شود به نام نقطه اوج نامیده می‌شود.
مسیر حرکت و دوران این نوع ماهواره مانند ماهواره‌های قطبی از سمت شمال به جنوب است. چون اکثر ماهواره‌های مخابراتی در مدار زمین‌ایست قرار گرفته‌اند، این ماهواره‌ها هیچ پوششی بروی قطبهای شمال و جنوب ندارند. به همین دلیل و جهت پوشش قطب‌ها از ماهواره‌های مدار قطبی استفاده می‌شود. در واقع این نوع از ماهواره‌ها شمالی‌ترین و جنوبی‌ترین قسمت نیمکره‌ها را پوشش می‌دهند.