اصول مخابرات ماهواره ای

[رویای ماه 865]

ایده ی مخابرات از طریق یک ماهواره، به خصوص توسط یک ماهواره ی همزمان، توسط آرتور سی. کلارک که یک نویسنده ی مشهور افسانه های علمی بریتانیایی بود، در سال 1945 ارائه گردید. کلارک قبلا نشان داده بود که یک ماهواره در مدار استوایی دایروی با شعاع حدود 42242 کیلومتر سرعت زاویه ای برابر با سرعت زاویه ای زمین خواهد داشت. بنابراین، آن ماهواره در بالای همان نقطه از زمین باقی مانده و می تواند سیگنال ها را از اکثر نقاط نیمکره دریافت و دوباره پخش نماید. سه ماهواره با فواصل 120 درجه نسبت به هم، کل کره زمین را با قدری همپوشانی پوشش می دهند، مشروط بر اینکه پیغام ها بتوانند بین ماهواره ها دوباره پخش شوند. بنابراین ارتباط مطمئن بین هر دو نقطه از کره ی زمین ممکن می شود. کلارک همچنین اظهار کرده بود که انرژی الکتریکی مورد نیاز ماهواره نیز می تواند از طریق تبدیل تشعشعات خورشید توسط سلول های خورشیدی تأمین شود. به مقاله ی کلارک تقریباً توجهی نمی شد تا اینکه با اولین ماهواره ی ساخت بشر، یعنی اسپوتنیک 1 (4 اکتبر1957) به واقعیت پیوست. با وجود این، قابل ذکر است که بشر تا سال 1963 به مدار همزمان نائل نگردید.

با پرتاب ماهواره اسپوتینک1 توسط روس ها، مسابقه ی فضایی بین دو ابر قدرت (آمریکا و شوروی) شروع شد. آمریکا ماهواره ی اسکور را در هیجده دسامبر1958 پرتاب کرد. این ماهواره نوعی ماهواره ی کاوشگر بود. در دوازده اوت 1960 ماهواره ی اکو1 توسط AT&T آمریکا پرتاب شد که یک بالن دوّار به قطر 100 فوت بود که به صورت یک منعکس کننده ی غیرفعال عمل می کرد. مشابه آن، اکو2 توسط AT&Tدوباره در25 ژانویه 1964 پرتاب شد .

ماهواره ی اخیر، ارتباط بین آزمایشگاه های بل در نیوجرسی وJPL در کالیفرنیا را برقرار می کرد. با وجود این، ملزومات آنتن و نیروی برق آن از هم جدا شدند و بنابراین ماهواره نتوانست برای ارتباطات بین سواحل شرق و غرب آمریکا بکار گرفته شود .ماهواره های تل استار1 و 2 ازAT&T که به ترتیب در دهم جولای 1962 و هفتم می 1963 پرتاب شدند، اساس روش مدرن ماهواره های مخابراتی را پایه گذاری کردند. تل استار1 برای اولین بار برای نمایش یک ارتباط تلویزیونی بین آمریکا و اروپا به کار گرفته شد. شرکت Communications Satellite Comsat در سال 1963 در آمریکا تأسیس شد و پس از آن سری ماهواره های سینکام پرتاب شدند. سینکام 1 در اوایل سال 1963، سینکام 2 در بیست و شش جولای 1963 و سینکام 3 در نوزده جولای 1964 پرتاب و در مدار قرار گرفتند. سازمان ماهواره ی ارتباطات بین المللی (اینتل ست) در سال 1964 تأسیس شد. ماهواره ی اینتل ست که پرنده ی مقدم نیز نامیده شده، در شش آوریل 1965 پرتاب شد. در همان سال ماهواره ی مخابراتی روسی مولنیا نیز پرتاب شد. پس از این پرتاب ها، سازمان اینتل ست به بیش از 100 عضو ملی رشد یافته و بیش از 33 ماهواره ی اینتل ست در حجم های متفاوت از نظر تجهیزات و از ظرفیت های کوچک (240 کانال صوتی و یک کانال تلویزیون) تا ظرفیت های عظیم (12500 کانال صوتی و 2 کانال تلویزیون)، پرتاب کرده و در مدار قرار داده است که سه ناحیه اقیانوس اطلس، اقیانوس آرام و اقیانوس هند را پوشش می دهند. بنابراین عصر جدیدی از مخابرات توسط ماهواره (مخابرات ماهواره ای) شروع شد و درحال حاضر صدها ماهواره ی ایستوار (ایستان نسبت به زمین) از کشورهای مختلف در جهان درحال ارائه ی خدمات هستند. انتظار می رود که این تعداد درآینده ی نزدیک به مقدار بیشتری افزایش یابد.

 

مشخصات عمومی و فنی یک سیستم ارتباط ماهواره ای

ساختمان عمومی یک سیستم ارتباط ماهواره ای شامل یک ماهواره در فضا می باشد که چند ایستگاه زمینی را به هم ارتباط می دهد. کاربر از طریق شبکه ی زمینی به ایستگاه زمینی وصل می شود.کاربر،سیگنال باند پایه ای را تولید می کند که پس از پردازش در ایستگاه زمینی به ماهواره ارسال می شود. بنابراین ماهواره ممکن است به صورت یک تکرار کننده ی بزرگ در فضا تصور شود که حامل های RF مدوله شده را از طیف فرکانسی مربوط به خط ارتباطی بالا (زمین به فضا) را، از تمام ایستگاه های زمینی در شبکه دریافت کرده و این حامل ها را تقویت می کند. سپس آنها را در طیف فرکانسی مربوط به خط ارتباطی پایین (فضا به زمین)، که جهت جلوگیری از تداخل، متفاوت از طیف فرکانسی مربوط به خط ارتباطی بالا است، دوباره به طرف زمین ارسال می کند. سیگنال، در ایستگاه زمینی دریافت کننده به منظور بازیابی سیگنال باند پایه پردازش می شود، که سپس این سیگنال از طریق شبکه زمینی به کاربر ارسال می شود. اگر بین فرکانس های خطوط ارتباطی بالا و پایین تفاوتی وجود نداشته باشد، سیگنال های ارسالی توسط ماهواره، مانع از دریافت سیگنال های دریافتی از خط ارتباطی بالا می شود و بنابراین بین خروجی فرستنده و ورودی گیرنده انفکاک وجود نخواهد داشت.

براساس توصیه های1979(World Advertising Research Center)WARC، ماهواره های ارتباطی تجاری یک پهنای باند MHz500 را حدود GHz6 برای خط ارتباطی بالا و پهنای باند MHz500 دیگر را حدود GHz4 برای خط ارتباطی پایین به کار می گیرند. سیگنال باند پایه از شبکه ی زمینی وارد ایستگاه زمینی شده و پس از پردازش توسط تجهیزات باند پایه ی ایستگاه زمینی، وارد فرستنده ی ایستگاه زمینی می شود. پس از اینکه کد کننده و دمدولاتور بر روی سیگنال باند پایه عمل کردند، نتیجه ی آن به فرکانس خط ارتباطی بالا تبدیل می گردد. سپس تقویت شده و به طرف دریچه ای با پلاریزاسیون مناسب از تغذیه ی آنتن هدایت می شود. سیگنال دریافتی از ماهواره ابتدا توسط LNA تقویت شده و سپس از فرکانس خط ارتباطی پائین، تبدیل به فرکانس پایین می شود. سپس توسط دمدولاتور و کدگشا، سیگنال باند پایه ی اصلی به دست می آید. قطعات حساس و بحرانی اغلب به طور اضافی به همراه کلید خودکار نصب می شوند که به هنگام وقوع خرابی، عملیات بدون وقفه باقی بماند.

 

مزایای مخابرات ماهواره ای

ارتباط از طریق ماهواره مزایا و معایبی دارد. تا ظهور ماهواره های مخابراتی، ارتباط از طریق فضا برای فواصل دور با استفاده از پخش کننده های دوباره رادیویی پشت سرهم، رادیوی فرکانس خیلی پایین (پایین ترازKHz30) و رادیوی فرکانس بالا یا موج کوتاه انجام می شد (MHz30ـ3). این دو مورد ذاتاً محیط هایی با ظرفیت پایین هستند که تنها برای کاربردهای خاص مناسبند و پخش کننده های دوباره ی رادیویی پشت سرهم توسط گستره های زمینی محدود می شوند. بنابراین ماهواره جاهای خالی عظیمی را پر کرده است بطوریکه توانایی ارسال با ظرفیت های بالایی را به فواصل دور بر روی خشکی یا آب دارا می باشد. همچنین به علت هندسه ی منحصر به فردش، محیط ارتباطات ماهواره ای ذاتاً یک محیط پخش با توانایی طبیعی جهت ارسال همزمان از یک نقطه به یک تعداد اختیاری از نقاط دیگر، در حوزه ی پوشش ماهواره می باشد.

برخی از مزایای شاخص ارتباطات ماهواره ای وقتی با دیگر سیستم های تک پخش کننده دوباره مقایسه می شود، به طور خود کار مشخص می گردند. اول این که پخش کننده های دوباره ی ماهواره ای ذاتاً از نوع پخش در حوزه ی وسیع هستند. یعنی یک نقطه به چند نقطه، درصورتی که تمام پخش کننده های دوباره ی زمینی، نقطه به نقطه هستند. دوم اینکه مدارهای ماهواره ای می توانند به سرعت نصب شوند. همین که ماهواره در موقعیت باشد، ایستگاه های زمینی می توانند نصب شوند و ممکن است ارتباط، ظرف چند روز یا چند ساعت برقرار گردد. بنابراین یک ایستگاه ممکن است به طور نسبتاً سریع از محلی جابجا شده و در جای دیگر دوباره نصب شود. مدارهای زمینی از هر نوع که باشند، زمانی را جهت نصب نیاز دارند. مزیت سوم اینست که ارتباطات سیار به راحتی توسط مخابرات ماهواره ای قابل حصول است و اصولا مخابرات ماهواره ای انعطاف پذیری منحصر به فردی در ارتباط بین وسایل نقلیه ی متحرک دارد. بنابراین ماهواره، یک جایگزین برای رادیوی موج کوتاه در این زمینه خاص شده و مزایای قابل اطمینان مهمی دارد(شبکه های زمینی ممکن است ارتباط بین وسایل نقلیه را توسط رادیوهای سلّولی برقرار کنند).

مخابرات ماهواره ای، دارای مزایای اقتصادی نیز می باشد. هزینه های ماهواره مستقل از فاصله هستند، درصورتی که هزینه های شبکه های زمینی متناسب با فاصله اند. گذرگاه فاصله در جائیکه هزینه ها برابر باشند، به طور نسبی توسط ماهواره خیلی بهتر است. باوجود این، پس از پرتاب و در مدار قرارگرفتن ماهواره، هر گاه تعمیر نیاز باشد، تقریباً غیرممکن است و به علاوه تجهیزات(ماهواره) در معرض فشارهای محیطی شدیدی هستند. در مقایسه با کابل فیبر نوری، ارتباطات ماهواره ای از نظر کیفیت سیگنال ارسالی برتری داشته و محل ایستگاه های ارسالی و دریافت اطلاعات، مستقل از فاصله هستند. همین که دو ایستگاه از نظر جغرافیایی در داخل حوزه ی پوشش تشعشع آنتن ماهواره قرارگیرند، آن دو ایستگاه ارسال اطلاعات با کیفیت یکسان خواهند داشت، خواه از هم 60 کیلومتر و یا 2000 کیلومتر فاصله داشته باشند. برای ارتباطات نواحی دور در دشت ها، که دارای مسیرهای باریک هستند و همین طور در نواحی کوهستانی، مخابرات ماهواره ای تنها راه با صرفه است. به طور مشابه، در فعالیت های جستجو، امداد و ناوبری، ماهواره ها مزایایی عرضه می کنند که هیچ سیستم دیگری نمی تواند عرضه کند.

 

 

کاربردهای ماهواره

فن آوری ماهواره ای و کاربردهای آن، دیگر، حق انحصاری تعداد محدودی از برگزیده ها نیست. افق های کاربرد آن بسیار فراتر از ارائه ی خدمات ارتباط بین قاره ای نظیر رادیو، تلفن و غیره گسترش یافته است. ماهواره، امروزه یک کالای خانگی شده است. دسترسی به ماهواره، امروزه توسط آنتن های غول آسایی که در تأسیسات بسیار بزرگی نصب شده اند، صورت نمی گیرد، بلکه این کار توسط آنتن های روی پشت بام انجام می شود. ماهواره نه تنها ارتباطات دوردست صوتی /تصویری را ممکن می سازد، بلکه نقش مهمی در خدمات ارتباطی جدیدتر مانند دور نگار، ارتباطات داده ها، تلفن های سیار و غیره بازی می کند. امروزه، ماهواره ها نه تنها شما را قادر می کند تا با افرادی که هزاران کیلومتر از شما فاصله دارند در عرض چند ثانیه در داخل منزلتان ارتباط برقرار نمایید، بلکه نقشی محوری در پیش بینی دقیق و به موقع هواشناسی ایفا می کند. از یک سو ماهواره ها به عنوان وسایل ناوبری توسط خودروهای روی خشکی، هوا و دریا مورد استفاده قرار می گیرند و از سوی دیگر برای استخراج منابع معدنی ناشناخته ای استفاده می شوند که در غیر این صورت آن منابع شناسایی نشده باقی می مانند.

کاربردهای ماهواره را می توان به طور کلی به گروه های زیر تقسیم نمود:

¨ کاربردهای ارتباطی ماهواره

¨ کاربردهای سنجش از راه دور و مشاهده ی زمینی

¨ کاربردهای هواشناسی

¨ کاربردهای نظامی

¨ کاربردهای علمی و فنی

در زمینه ی کاربردهای ارتباطی ماهواره، تلویزیون ماهواره ای و ارتباطات داده و تلفن، حوزه های کاربردی عمده ی آن هستند. در گروه کاربردهای سنجش از راه دور/ مشاهده ی زمینی، کاربردهای معمولی شامل کشف منابع معدنی پنهان، نقشه برداری زمینی و غیره می باشند. کاربردهای هواشناسی شامل پیش بینی هوا، پیش بینی سیل، آب شدن یخچال های طبیعی و غیره می شود. کاربردهای نظامی شامل ارائه ی خطوط ارتباطی راهبردی بین نیروهای مرزی و ستاد ها، جاسوسی، ارائه ی کمک های ناوبری برای کشتی ها، هواپیما و غیره می شود. در مقوله ی کاربردهای علمی و فن آوری، کاربرد ها شامل استفاده از ماهواره ها برای تحقیقات نجومی، نظارت و کنترل لایه های مختلف جو و غیره می باشد.