مخابرات ماهواره ای

[morteza.abbasi]

پردیس فناوری کیش_طرح مشاوره متخصصین صنعت و مدیریت_گروه فناوری اطلاعات و ارتباطات

در اصطلاح عمومی «ماهواره» (Satellite) یا قمر، یک شی کوچک است که حول یک شی بزرگ در فضا می‌چرخد. به عنوان مثال می‌توان گفت که ماه یک ماهواره یا قمر طبیعی زمین است. اگر ارتباط بین دو ایستگاه زمینی از طریق یک ماهواره انجام گیرد، به آن «مخابرات ماهواره ای» (Satellite Communication) می‌گویند. در مخابرات ماهواره ای، از امواج الکترومغناطیس به عنوان سیگنال‌های حامل استفاده می‌شود. این سیگنال‌ها اطلاعاتی مانند صوت، تصویر، ویدیو و هر نوع داده دیگری را بین زمین و فضا و برعکس منتقل می‌کنند. در این مطلب قصد داریم به صورت مقدماتی مخابرات ماهواره ای و اجزای مختلف آن را بررسی کنیم
[font=IRANSans]در سال ۱۹۵۷، اتحاد جماهیر شوروی اولین ماهواره مخابراتی دنیا را با نام «اسپاتنیک» (Sputnik) در مدار زمین قرار داد. حدود ۱۸ سال بعد، در سال ۱۹۷۵ هند نیز اولین ماهواره خود را با نام «آریابهاتا» (Aryabhata) به فضا پرتاب کرد.[/font]

[font=IRANSans][font=IRANSans]دلایل نیاز به مخابرات ماهواره ای
[/font][/font]

در مخابرات نسل اول فقط از دو نوع «انتشار» (Propagation) برای ارتباط بین دو ایستگاه استفاده می‌شد که تا یک فاصله معین کاربرد داشتند. این دو نوع انتشار عبارتند از:

انتشار موج زمینی (Ground wave propagation): این نوع از انتشار امواج برای فرکانس‌های تا حدود ۳۰ مگا هرتز مناسب است. انتشار موج زمینی از شرایط «تروپوسفر» (Troposphere) کره زمین بهره می‌برد.

انتشار موج هوایی (Sky wave propagation): پهنای باند مناسب برای این نوع از مخابرات به صورت گسترده بین ۳۰ تا ۴۰ مگا هرتز قرار دارد. انتشار موج هوایی از مشخصه‌های «یونسفر» (Ionosphere) زمین استفاده می‌کند.

«بیشینه هایپ» (Maximum Hop) یا فاصله ایستگاه در هر دو نوع انتشار موج زمینی و انتشار موج هوایی محدود و فقط تا ۱۵۰۰ کیلومتر است. هدف از به وجود آمدن و ارتقای سیستم مخابرات ماهواره ای رفع این محدودیت ارتباطی بود. در این روش مخابراتی، از ماهواره‌ها برای ارتباط بین فواصل بسیار طولانی بهره گرفته می‌شود که خارج از افق دید هستند.

[font=IRANSans][font=IRANSans]به دلیل این که ماهواره‌ها در ارتفاع مشخصی بالاتر از زمین قرار می‌گیرند، ارتباط بین ایستگاه‌های مخابراتی زمینی از طریق ماهواره به آسانی برقرار می‌شود. بنابراین بر محدودیت مخابرات بین دو ایستگاه زمینی که ناشی از انحنای کره زمین است، غلبه خواهد شد.[/font][/font]

[font=IRANSans][font=IRANSans][font=IRANSans]اصول کار ماهواره مخابراتی
[/font][/font][/font]

همان طور که اشاره کردیم، یک ماهواره حول جسم بزرگ‌تر از خود در یک مسیر مشخص دوران می‌کند. یک ماهواره مخابراتی نیز چیزی به غیر از یک «ایستگاه تکرار کننده ریز موج یا مایکروویو» (Microwave Repeater Station) نیست که در فضا قرار گرفته است.

[font=IRANSans][font=IRANSans][font=IRANSans]یک تکرار کننده مداری است که «قدرت» (Strength) سیگنال دریافت شده را افزایش می‌دهد و سپس آن را ارسال می‌کند. یک مدار تکرار کننده به عنوان «تَرا پاسخگر» (Transponder) عمل می‌کند. منظور از ترا پاسخگر یا ترانسپوندر، این است که مدار قادر است باند فرکانسی سیگنال انتقالی را نسبت به سیگنال دریافت شده تغییر دهد.[/font][/font][/font]

[font=IRANSans][font=IRANSans][font=IRANSans]فرکانسی که با آن سیگنال به فضا ارسال می‌شود، «فرکانس آپلینک» (Uplink Frequency) نام دارد. به طریق مشابه، به فرکانسی که سیگنال توسط ترانسپوندر با آن ارسال می‌شود، «فرکانس داون لینک» (Downlink Frequency) می‌گویند. [/font][/font][/font]

بنابراین می‌توان گفت که ماهواره، یک سیستم مخابرات جامع (Self-contained) است که این توانایی را دارد که سیگنال‌ها را از زمین دریافت کند و آن‌ها را با کمک یک ترانسپوندر با فرکانس دیگری مجددا ارسال کند. ترانسپوندر در واقع یک گیرنده و فرستنده مجتمع سیگنال‌های رادیویی محسوب می‌شود. یکی از ویژگی‌های مهم ماهواره‌ها این است که شوک اولیه شتاب دهی که در طول فرایند پرتاب ماهواره به آن وارد می‌شود را تحمل کند. در طول فرایند پرتاب، ماهواره باید با سرعت بالاتر از «سرعت اوربیتال» (Orbital Velocity)، یعنی ۲۸۱۰۰ کیلومتر بر ساعت حرکت کند و در یک محیط خشن فضایی قرار گیرد. این محیط همواره در معرض تشعشعات خطرناک و دمای بسیار بالا قرار دارد، اما ماهواره باید حداقل ۲۰ سال طول عمر مفید داشته باشد.

[font=IRANSans][font=IRANSans][font=IRANSans]علاوه بر این، یک ماهواره باید سبک باشد؛ زیرا هزینه پرتاب یک ماهواره کاملا بستگی به وزن‌ آن دارد و معمولا بسیار گران است. برای براورده کردن این انتظارات، ماهواره باید کوچک باشد و از مواد اولیه سبک و مقاوم ساخته شود. این ادوات باید عملکرد با قابلیت اعتماد بسیار بالایی (بالاتر از ۹۹٫۹ درصد) در فضای خلا داشته باشند و تا حد امکان به کمترین تعمیرات و نگه‌داری احتیاج داشته باشند.[/font][/font][/font]

[font=IRANSans][font=IRANSans][font=IRANSans]قسمت‌های مختلف یک ماهواره مخابراتی
[/font][/font][/font]

با این همه می‌توان گفت که مهم‌ترین قسمت یک ماهواره، سیستم مخابراتی آن است. این قسمت شامل آنتن و نیز ترانسپوندر است که سیگنال‌های داده را دریافت و منتقل می‌کنند. یکی دیگر از قسمت‌های مهم یک ماهواره مخابراتی سیستم قدرت آن است که شامل پنل‌های خورشیدی است. این پنل‌ها انرژی لازم برای عملکرد ماهواره را فراهم می‌کنند. یک ماهواره همچنین باید یک قسمت محرکه نیز داشته باشد که شامل راکت‌هایی (Rocket) است که ماهواره را حمل می‌کنند. ماهواره به سیستم محرکه اختصاصی برای خود نیز نیاز دارد تا بتواند خود را به اوربیتال یا مدار صحیح برساند و نیز تصحیح‌های گاه به گاه در موقعیت خود را به وجود آورد.

[font=IRANSans][font=IRANSans][font=IRANSans]به دلیل نیروی جاذبه ماه و خورشید، یک ماهواره در «مدار ژئواستاتیک» (Geostationary Orbit) می‌تواند هر سال به اندازه چند درجه از شمال به جنوب و یا از شرق به غرب موقعیت خود منحرف شود. ماهواره دارای یک «پیشران» (Thrusters) است که گاهی برای تنظیم مجدد موقعیت روشن می‌شود. به فرایند حفظ موقعیت یک ماهواره در مدار، «حفظ ایستگاه» (Station Keeping) می‌گویند و تصحیح‌هایی که توسط نیروی پیشران ماهواره انجام می‌گیرد، «کنترل گرایش» (Attitude Control) نام دارد. در تصویر زیر نمایی از نیروی پیشران پلاسما در یک ماهواره مخابراتی کوچک نشان داده شده است.[/font][/font][/font]

[font=IRANSans][font=IRANSans][font=IRANSans]گستره طول عمر یک ماهواره به مقدار سوختی بستگی دارد که باید پیشران از آن تغذیه کند. زمانی که سوخت ماهواره به اتمام برسد، ماهواره به تدریج در فضا سقوط خواهد کرد و فاقد کارایی و تبدیل به یک زباله فضایی خواهد شد[/font][/font][/font]

[font=IRANSans][font=IRANSans][font=IRANSans]یک ماهواره در مدار باید به صورت پیوسته در تمام طول عمر خود عمل کند. این ماهواره به یک توان داخلی نیاز دارد تا سیستم‌های الکترونیکی و نیز مخابراتی آن همچنان عمل کنند. اساسی‌ترین منبع توان یک ماهواره، نور خورشید است که توسط پنل‌های خورشیدی ماهواره جمع‌آوری می‌شوند. یک ماهواره همچنین باتری‌های دارد تا توان مورد نیاز برای عملکرد آن را در هنگام پوشیده شدن خورشید توسط زمین، فراهم کنند. این باتری‌ها زمانی که نور خورشید وجود داشته باشد، توسط یک جریان اضافه توسط پنل‌های خورشیدی شارژ می‌شوند.

ماهواره‌ها در دمای فوق‌العاده شدیدی از ۱۵۰ – درجه سانتی گراد تا 150 + درجه سانتی گراد عمل می‌کنند و در معرض تشعشعات خطرناکی قرار دارند. به همین دلیل، تمام بدنه ماهواره که در معرض تشعشعات هستند، با آلومینیوم و سایر مواد ضد تشعشع پوشانده شده‌اند. سیستم محافظ حرارتی یک ماهواره از تمام اجزای بسیار حساس الکترونیکی و نیز مکانیکی ماهواره محافظت می‌کند و آن را در دمای عملکردی بهینه برای عملکرد پیوسته حفظ می‌کند. سیستم محافظ حرارتی همچنین از اجزای حساس ماهواره در برابر تغییرات شدید دما محافظت می‌کند. برای این کار هنگام افزایش بیش از حد دما، مکانیزم خنک کننده و هنگام کاهش شدید دما، سیستم گرم کننده فعال می‌شوند.
«سیستم ردیابی و کنترل دور سنج» (Tracking Telemetry and Control) یا TT&C مربوط به یک ماهواره، یک لینک مخابراتی دو طرفه بین ماهواره و TT&C روی زمین است. این امر به یک مرکز زمینی اجازه می‌دهد که موقعیت ماهواره را تعقیب کند و سیستم‌های دمایی، پیشرانش و … را کنترل کند. همچنین از این طریق می‌توان دما، ولتاژ الکتریکی و سایر پارامترهای حیاتی یک ماهواره را کنترل کرد.

انواع ماهواره‌های مخابراتی
[/font][/font][/font]

ماهواره‌های مخابراتی دارای بازه‌ی گسترده‌ای هستند و از «میکروماهواره‌ها» (Microsatellites) با وزن کمتر از یک کیلوگرم تا ماهواره‌های بزرگ با وزن حدود ۶۵۰۰ کیلوگرم را در بر می‌گیرند. پیشرفت‌ در زمینه کوچک سازی و دیجیتالی کردن ماهواره‌ها، توانایی ماهواره‌ها را در سالیان اخیر افزایش داده است. نسل اولیه ماهواره‌ها فقط یک ترانسپوندر داشتند که قادر بود فقط یک کانال تلویزیونی را ارسال کند.

[font=IRANSans][font=IRANSans][font=IRANSans]اما ماهواره‌های سری بوئینگ A720 دارای بیشتر از ۱۰۰ ترانسپوندر هستند و از «تکنولوژی فشرده سازی دیجیتالی» (Digital Compression Technology) استفاده می‌کنند. هر ترانسپوندر در این ماهواره‌ها می‌توانند تا ۱۶ کانال داشته باشد و به همین دلیل بیش از ۱۶۰۰ کانال تلویزیونی را از طریق فقط یک ماهواره فراهم می‌کند. در تصویر زیر نمایی از ماهواره مخابراتی Intelsat VI نشان داده شده است.
ماهواره‌ها در مدارهای مختلفی عمل می‌کنند. این مدارها شامل «مدار نزدیک زمین» (Low Earth Orbit) یا LEO، «مدار متوسط از زمین» (Medium Earth Orbit) یا MEO و «مدار ژئوسنکرون یا زمین‌همگام» (Geosynchronous Orbit) یا GEO هستند.
[/font][/font][/font]

ماهواره‌های مدار نزدیک زمین یا LEO

ماهواره‌های LEO در ارتفاعی بین ۱۶۰ کیلومتر تا ۱۶۰۰ کیلومتر بالاتر از زمین قرار می‌گیرند. ماهواره‌های مدار نزدیک زمین یا LEO خود عمدتا به سه گروه اصلی تقسیم‌بندی می‌شوند. این سه گروه عبارتند از: ماهواره‌های «LEO کوچک» ، ماهواره های «LEO بزرگ»  و ماهواره‌های «LEO مگا». از ماهواره های مدار نزدیک زمین برای تلفن‌های ماهواره‌ای و GPS استفاده می‌شود.

[font=IRANSans][font=IRANSans][font=IRANSans]توجه کنید که فاصله کوتاه بین ماهواره LEO و سطح زمین منجر به زمان تاخیر بسیار کم به اندازه فقط ۰٫۰۵ ثانیه می‌شود. همچنین در این نوع از ماهواره ها نیاز به تجهیزات بسیار دقیق و نیز بزرگ به عنوان گیرنده کاهش می‌یابد. ماهواره‌های LEO کوچک در گستره ۸۰۰ مگا هرتز عمل می کنند. ماهواره‌های LEO بزرگ در بازه ۲ گیگا هرتز و بالاتر و ماهواره های LEO مگا در بازه ۲۰ تا ۳۰ گیگا هرتز عمل می‌کنند.

فرکانس کاری بسیار بزرگ ماهواره‌های LEO مگا منجر به توانایی تبادل بیشتر داده و همچنین انتقال ویدئو با تاخیر بسیار پایین و بلادرنگ می‌شود.
[/font][/font][/font]

ماهواره‌های مدار متوسط از زمین یا MEO

ماهواره‌های MEO در ارتفاع ۱۰۰۰۰ تا ۲۰۰۰۰ کیلومتر بالاتر از زمین واقع هستند. توجه کنید که ماهواره‌ها در فاصله بین مدار LEO تا MEO عمل نمی‌کنند؛ زیرا در این ارتفاع، به دلیل «کمربند تشعشعی وان آلن» (Van Allen Radiation Belt) محیط برای اجزای الکترونیکی یک ماهواره به شدت نامطلوب است.

سیگنال مبادله شده با یک ماهواره MEO مسافت طولانی‌تری را نسبت به ماهواره LEO و مسافت کوتاه‌تری را نسبت به ماهواره GEO طی می‌کند. به همین دلیل سیگنال دریافت شده در سمت گیرنده باید بهبود داده شود. می‌توان تاخیر انتقال را به صورت زمانی تعریف کرد که طول می‌کشد تا یک سیگنال به یک ماهواره برسد و مجددا به ایستگاه گیرنده بازگردد. در این حالت مقدار تاخیر انتقال نسبت به حالت قبلی بیشتر می‌شود. زیرا سیگنال مسافت طولانی‌تری را به ماهواره و از آنجا به گیرنده طی می‌کند. برای مخابرات بلادرنگ، هر چه مقدار تاخیر انتقال کمتر باشد، سیستم مخابراتی بهتر تلقی می‌شود.

به عنوان مثال اگر یک ماهواره GEO به ۰٫۲۵ ثانیه برای یک سفر گردشی نیاز داشته باشد، ماهواره MEO به کمتر از ۰٫۱ ثانیه برای کامل کردن سفری یکسان نیاز دارد. ماهواره MEO در بازه فرکانس‌های ۲ گیگا هرتز به بالا عمل می‌کند. از این نوع ماهواره‌ها برای سیگنال‌های تلفنی پر سرعت استفاده می‌شود.

[font=IRANSans][font=IRANSans]فرکانس مخابرات ماهواره ای
[/font][/font]

مخابرات ماهواره ای برای ارسال و دریافت سیگنال‌ها، از بازه فرکانس‌های بسیار بالا در حدود ۱ تا ۵۰ گیگا هرتز استفاده می‌کند. باندهای فرکانسی از کوچک تا بزرگ با حروفی مانند باندهای L ،S ،C ,X ،Ku ،Ka  و V  مشخص می‌شوند. سیگنال‌های با حروف L و S و C که در بازه پایین‌تر از طیف فرکانس‌های ماهواره هستند، با توان پایین‌تری منتقل می‌شوند و به همین دلیل به آنتن‌های بزرگ‌تری برای دریافت آن‌ها نیاز داریم.

از طرف دیگر، سیگنال‌های با حروف X و Ku و Ka و V از این طیف فرکانسی توان بسیار بالاتری دارند و به همین دلیل دیش‌های کوچک‌تر با قطر ۴۵ سانتی متر نیز می‌توانند برای دریافت مورد استفاده قرار بگیرند. به همین دلیل، سیگنال‌های باند Ku و Ka طیف، برای کاربردهای DTH، انتقال داده، تلفن‌های موبایل و مخابرات داده باند گسترده بسیار مناسب هستند. اتحادیه مخابرات بین‌المللی یا ITU مسئول قانون‌گذاری مخابرات ماهواره ای است. این سازمان در ژنو سویس پایه گذاری شده است و مسئول تایید قوانین استفاده از مدارهای ماهواره ای شناخته می‌شود.

کاربردهای دیگر ماهواره‌ها

پیشرفت‌های تکنولوژی ماهواره منجر به ایجاد سرویس‌های ماهواره‌ ای بسیار مناسبی شده است که در بخش‌های متنوعی مانند پخش برنامه (Broadcasting)، ارائه دهندگان سرویس‌های اینترنت یا ISPها، دولت‌ و ارتش کاربرد دارد. در حالت کلی می‌توان گفت که سه نوع سرویس مخابراتی وجود دارد که ماهواره‌ها قادر به فراهم کردن آن هستند. این سه سرویس عبارتند از: مخابرات از راه دور، صدا و سیما، و ارتباط داده‌ای.

سرویس‌های مخابرات از راه دور شامل مکالمات تلفنی و سرویس‌های فراهم شده برای شرکت‌های تلفنی می‌شود. همچنین ارائه دهندگان شبکه‌های سلولی، موبایل و بی‌سیم از این نوع سرویس ماهواره‌ای استفاده می‌کنند.

سرویس‌های پخش شامل رادیو و تلویزیون است که مستقیما در اختیار مشترکان قرار می‌گیرد. DTH یا تلویزیون ماهواره ای جزو سرویس‌هایی هستند که مستقیما در خانه‌ها دریافت می‌شود. برنامه‌های شبکه‌ای و کابلی نیز عمدتا توسط ماهواره‌ها به ایستگاه‌های محلی و شرکت‌های وابسته می‌رسند. ماهواره‌ها همچنین نقش بسیار مهمی را در رساندن برنامه‌ها به گوشی‌های موبایل و سایر ادوات متحرک مانند لپ تاپ‌ها و دستیارهای دیجیتال شخصی ایفا می‌کنند.

مخابرات داده شامل انتقال داده از یک نقطه به نقطه دیگر است. شرکت‌ها و موسساتی که نیاز دارند داده‌های مختلف مانند داده‌های اقتصادی را بین شعبه‌های مختلف خود منتقل کنند، معمولا از ماهواره‌ها استفاده می‌کنند تا داده‌ها را با سهولت بیشتری با استفاده از شبکه‌های VAST یا «Very Small Aperture Terminal» منتقل کنند. با رشد اینترنت، ترافیک اینترنت قابل توجهی از طریق ماهواره‌ها منتقل می‌شود و به همین دلیل ISPها را به یکی از بزرگ‌ترین مصرف کنندگان سرویس‌های ماهواره‌ای تبدیل می‌کند.

[font=IRANSans][font=IRANSans]تکنولوژی مخابرات ماهواره ای همیشه در طول حوادث طبیعی و شرایط اورژانسی بسیار مورد استفاده قرار می‌گیرد؛ زیرا در این مواقع معمولا مخابرات زمینی قطع می‌شوند. تجهیزات ماهواره‌ای متحرک می‌توانند برای مناطق آسیب دیده گسترش یابند تا سرویس‌های مخابرات اضطراری برای این مناطق در دسترس قرار گیرد.
[/font][/font]