ماهواره

ایده استفاده از ماهواره های ساخت دست بشر، برای اولین بار در پایان جنگ جهانی دوم بر سر زبان‌ها افتاد. دانشمند، ریاضیدان و نویسنده مشهور انگلیسی آرتور سی کلارک Arthur C Clarke یکی از بزرگ‌ترین خالقان داستان های تخیلی، برای اولین بار پیشنهاد قرار دادن یک ماهواره ارتباطی را در مدار ژیوسنکرون زمین Geostationary Orbit یا مدار کلارک که در فاصله تقریبا 36000 کیلومتری سطح زمین و بالای خط استوا (جایی که قابلیت دسترسی به تقریبا 40٪ سطح زمین در آن مکان وجود دارد) قراردارد، را جهت پوشش سیگنال های رادیو یی و تلوزیونی را داد.

ماهواره ای که در مدار ژیوسنکرون زمین و در بالای خط استوا و هماهنگ با سرعت زمین و با زاویه ای ثابت، حرکت می کند، قسمت مشخصی از سطح زمین را بطور ثابت پوشش می دهد. 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 جابخایی از مکان خود را دارد. برای جلوگیری از این مسئله، موتور های مخصوصی که بوسیله ایستگاه های زمینی کنترل می شوند، کمک می کنند که ماهواره‌ها در مکان خود ثابت باقی بمانند.

جهت برقراری ارتباط از یک ایستگاه زمینی، معمولاً احتیاج به یک دیش بزرگ که بنام Uplink Antenna معروف است، می باشد 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 می رساند 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 .

سیگنال ارسالی به سطح زمین، بوسیله دیش های معمولی، دریافت و جمع آوری شده و به دستگاه گیرنده ماهواره، از طریق LNB انتقال پیدا می کند .

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 می باشد و در گوشه ها، از کمترین مقدار، برخوردار است. توجه به این نکته لازم است که دریافت سیگنال در خارج از سایه، احتیاج به دیش های بزرگ تر، دارد . امواج سانتی متری، جهت ارسال سیگنال ماهواره به زمین، مورد استفاده قرار می گیرد که محدوده فرکانسی آنها بین 3-30 MHz می باشد .

دلیل اصلی استفاده از این امواج رادیویی کوتاه، انتشار راحت امواج و تاثیرات کم نویز و مزاحمت های فرکانسی است . البته فرکانسهای بالاتر از 15 Ghz، بصورت وحشتناکی بوسیله اکسیژن هوا و بخار آب تضعیف می گردند. ماهواره‌ها سیگنالهای ارسالی خود را بصورت قطبی و با دو حالت افقی و عمودی ارسال می کنند و گاهی اوقات نیز بصورت دورانی، چپ گرد و راست گرد. در سیستمهای دیجیتال، امکان ارسال DATA و چندین شبکه تلویزیونی و رادیویی بروی یک فرکانس وجود دارد .

لغت ماهواره طبق تعریف ، به سفینه ای گفته می شود که درمداری به دور یک سیاره، معمولا زمین درحال گردش باشد. در عصری که ما در آن زندگی می کنیم ، ماهواره و تکنولوژی وابسته به آن آنچنان درتاروپود جوامع بشری نفوذ کرده و به پیش می تازد که نقش تعیین کننده آن در سیر تحولات تمدن بشری، قابل توجه است. بخشی ازتحقیقات و پژوهشهای علمی _ تخصصی که در آزمایشگاههای مسقتر در فضا انجام می شود، هرگز نمی توانست روی کره زمین جنبه عملی به خود گیرد. این تحقیقات که بسیار متعدد و متنوع است، درتخصصهای پزشکی، داروسازی، مهندسی مواد، مهندسی ژنتیک و دهها مورد دیگر تا به حال دستاوردهای بسیار ارزنده ای را به جوامع بشری عرضه کرده است. ماهواره ها که در فضا درحال گردشند، می توانند اطلاعات با ارزشی در اختیار انسان قرار دهند که منجربه تحولات شگرفی در زمینه های گوناگون شود. ماهواره های کشف منابع زمینی هواشناسی، مخابراتی، پژوهشی و نظامی از این نوعند. این ماهواره ها بسیاری از ناشناخته های جهان آفرینش را آشکار ساخته اند و تسهیلات گوناگونی نصیب جوامع بشری کرده اند. در دنیای پرتحول و پرتحرک امروز، انسان کنجکاو و جستجوگر همواره درپی یافتن پاسخ به نیازهای خود است و اگر نتواند خواسته های خود را در روی زمین بیابد، آنها را در قعر دریاها، اقیانوسها یا در فضای بیکران جستجو خواهد کرد. این تلاش پیوسته و پیگیر این نوید را به ما می دهد که در آینده، بسیاری از رازهای نهفته دیگرآشکار و در مسیر رشد و تکامل نوع بشر به کار گرفته شوند. امید است که دسترسی به این آیات الهی که ذره ای درمقابل بینهاین است، انسان را به عظمت و شکوه خالق این شگفتیها آگاه سازد و او را در ارتقای جلوه عبودیت خویش راهنما باشد .

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 از یک ماهواره و ایستگاههای زمینی مربوطه تشکیل می شود. این مجموعه، یک ( شبکه ماهواره ای ) نامیده می شود .

ایستگاههای فضایی:

ایستگاه فضایی شبکه ماهواره ای مخابرات، از ماهواره ( بخش اصلی شبکه ) و دستگاههای  جانبی تشکیل شده است .

ساختمان ماهواره :

ماهواره از دو بخش تجهیزات مخابراتی و غیر مخابراتی تشکیل شده است . زیرسیستمهای مخابراتی ، آنتنها و تکرارکننده ها هستند. در بخش مخابراتی، دستگاهی وجود دارد که وظیفه تکرارکننده های رله رادیویی را انجام می دهد و ( ترانسپوندر ) نام دارد ترانسپاندرها سیگنالهای فرستاده شده از زمین را دریافت و پس از تقویت و تغییر فرکانس آنها را به زمین می فرستند. آنتنهای مربوط به این ترانسپوندرها طوری طراحی شده اند که فقط قسمتهایی ازسطح زمین را که درون شبکه ماهواره ای قرار دارند، پوشش می دهد. یک ماهواره معمولا 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 و مدار، ساختمان مکانیکی، سیستم منبع تغذیه و موتور  اوج است.

سیستم کنترل حرارتی ماهواره:

این سیستم باید درجه حرارت دستگاهها و تجهیزات دورن ماهواره را در حد متعادل و متعارف حفظ کند.

سیستم کنترل موقعیت و مدار:

کنترل موقعیت ماهواره آن است که جهت تابش پرتو فرکانسهای رادیویی آنتن را برای منطقه مورد نظر 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 می شود ، تحمل کند. بدنه ماهواره معمولا از آلیاژ آلومینیوم سبک ساخته می شود که شامل سلولهای خورشیدی و منعکس کننده های آنتن نیز هست. این قسمت از ترکیب موادی مانند فیبرکربن که دارای استحکام و ثبات ساختمانی خاصی است .ساخته می شود.

سیستم منبع تغذیه :

منبع اصلی تغذیه معمولا سلولهای خورشیدی هستند. انرژی خورشیدی جذب شده برای شارژکردن باتریهای ذخیره نیز مورد استفاده قرار می گیرد. این باتریها از نوع نیکل _ کادمیم هستند.

موتور اوج:

نقش موتور اوج ایجاد مدار دایره ای شکل وجلوگیری ازانحرافات مداری ماهواره است . بعضی مواقع با استفاده از موتور اوج ، ماهواره ها را در مدار ثابت مستقر می کنند.

ایستگاههای زمینی :

ایستگاههای زمینی سیستمهای ماهواره ای مخابرات بر اساس نوع استفاده از آنها عبارت اند از :ایستگاههای ثابت، ایستگاههای سیار. ایستگاههای زمینی ماهواره معمولا از چند قسمت تشکیل شده اند.  آنتن ، فرستنده ، گیرنده ، سیستمهای کنترل برقراری ارتباط و منابع تغذیه مورد لزوم ایستگاه هر یک از اجزای فوق شامل قسمتهای مختلفی اند که متناسب با نوع ایستگاه زمینی ، حجم و تجهیزات آنها متفاوت خواهد بود.

آنتن ایستگاههای زمینی :

به طور کل آنتن فرستنده ، انرژی الکتریکی حاصل از یک منبع را در فضا به صورت امواج الکترومغناطیسی پخش می کند. سپس آنتن گیرنده این امواج رامی گیرد و به انرژی الکتریکی تبدیل می کند. در هر سیستم مخابرات رادیویی، آنتن نقش حساس و مهمی دارد، زیرا با انتخاب آنتنهای مناسب و نصب و تنظیم صحیح آنها می توان تا حد زیادی بازدهی سیستم را بالا برد. علایم و سیگنالهای فرستاده شده از ماهواره توسط آنتنهای بزرگ یا کوچک دریافت می شود و سپس 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 وزن نوع قدیمی آنها به بیش از 300 تن می رسد . از آنجا که فرکانس مورد نظر برای سرویس ثابت ماهواره در محدوده فرکانسهای مگاهرتز و گیگاهرتز است، آنتنهای مورد استفاده ماهواره تقریبا همه از نوع آنتنهای منعکس کننده هستند.

سیستم های کنترل و ردیابی فضایی:

این سیستمها به طور کلی چهار عمل را انجام می دهند.

فرمان ازراه دور:  عبارت است از فرستادن سیگنال جهت انجام کارهایی که ماهواره به وسیله فضایی برای آن تنظیم شده است، مثلا برای راه اندازی یک قسمت خاص یا فرمان برای تغییر مسیر یا پرتاب یک موشک.
اندازه گیری از راه دور:عبارت است ازسیستمی که اطلاعات دریافت شده از ماهواره یا سفینه های فضایی را به صورت علامتهایی مخصوص و قابل درک برای تجهیزات زمینی در می آورد و از این طریق،  اندازه گیری از مسافتهای خیلی دور انجام می شود.

ردیابی : بااین کارموقعیت مداری وسرعت ماهواره ومشخصه های دیگرآن گزارش می شود .

کنترل :عبارت است ازهدایت وسایل و بالا رودنده های فضایی و ماهواره ها در مدار، به وسیله شبکه ایستگاههای زمینی بخصوصی که کنترل ، یکی از کارهای آنهاست. ماهواره ها دقیقا در موقعیت خود نسبت به زمین ثابت نیستند و برای اینکه بتوان آنها را در موقعیت فضایی از پیش تعیین شده خود ثابت نگه داشت، باید از ایستگاههای زمینی به طور مرتب تنظیمهایی بروی موقعیت آنها انجام گیرد تا بتوان از انحراف مسیر ماهواره جلوگیری کرد.

عوامل موثر در هزینه تجهیزات ایستگاه زمینی:

قطر آنتن مهمترین عاملی است که هزینه آنتن راتعیین می کند، چون با بزرگ بودن قطر، وزن آنتن سنگین تر می شود و احتیاج به نگهدارنده هایی قویتر پیدا می کند و همچنان که شعاع کم می شود تجهیزات ردیاب پیچیده تر می شود. برای آنتنهای بزرگ مثلا 11متری و 13 متری سیستمهای ردیاب کامپیوتری مورد نیاز و سیستم هدایت امواج آنتن، بزرگتر و پیچیده تر می شود. در سیستم ارسال ، قدرت لازم برای تقویت کننده های سیگنال، یک عامل تعیین کننده در قیمت فرستنده است . نه تنها قیمت این تقویت کننده های سیگنال گران است، تامین قدرت مورد نیاز آن نیز در مناطق دور افتاده باید در نظر گرفته شود، زیرا بیشترین قدرت مصرفی در سیستم ، صرف تغذیه تقویت کننده های سیگنال می شود. پس عوامل عمده ای که درهزینه تجهیزات یک ایستگاه زمینی موثرند عبارتنداز: قطرآنتن , مقدار قدرت تقویت کننده های سیگنال، سیستمهای جایگزین، تجهیزات اصلی و قطعات یدکی.

ماخذ:ARTMehr Eng.Group با اندکی تغییر