ویژگی های ساختاری و مدارهای ماهواره های مخابراتی
ویژگی های ساختاری و مدارهای ماهواره های مخابراتی

ماهواره مخابراتی (گاهی به به اختصار comsat نامیده می شود) یک ماهواره مصنوعی مستقر در فضا است که برای اهداف ارتباطات از راه دور به کار می رود. یک ماهواره مخابراتی در اصل یک سیستم ارتباطاتی جامع (بدون نیاز به خارج از خود) است. ماهواره قابلیت دریافت سیگنال ها از زمین و انتقال دوباره این سیگنال ها به زمین با استفاده از یک ترانسپوندر را دارد. (ترانسپوندر یک گیرنده یکپارچه و فرستنده سیگنال های رادیویی است.)


بیشتر ماهواره های مخابراتی در مدارهای ثابت زمینی یا نزدیک به مدارهای ثابت زمینی مورد بهره برداری قرار می گیرند، هر چند به تازگی از ماهواره های مستقر در مدار پایین زمین نیز استفاده می شود.

ماهواره های با مدار پایین دوره مداری بسیار کوتاه تر از یک روز دارند. بنابراین این ماهواره ها را تنها برای مدت زمان کوتاهی که از روی هر بخش زمین می گذرند می توان دید. تعداد زیادی از این ماهواره ها مورد نیاز است تا از پوشش آنها اطمینان حاصل شود. گروهی از ماهواره ها که هماهنگ با هم کار می کنند به عنوان صورت فلکی ماهواره ای شناخته می شوند.

یک ماهواره باید بتواند در برابر شوک ناشی از پرتاب شدن به بالا، حرکت در مدار با سرعت 28100 کیلومتر (17500 مایل) در ساعت و فضای خصمانه ای که حین عملیات با آن مواجه می شود مقاومت کند. این فضای خصمانه شامل قرار گرفتن در معرض تابش و دماهای شدید است. این نکته را هم باید در نظر داشت که این وضعیت می تواند 20 سال به طول انجامد.

علاوه بر این، ماهواره ها باید سبک باشند چراکه هزینه پرتاب آنها بسیار گران است و این هزینه به وزنشان متکی است. درنتیجه ماهواره ها باید کوچک باشند و از مواد سبک وزن و با دوام ساخته شده باشند. برای بهره برداری از ماهواره ها باید اطمینان بسیار بالا و بیش از 99.9 درصدی به آنها داشت و مطمئن بود که در خلأ، بدون نیاز به نگهداری یا تعمیر کار می کنند.

سیستم ارتباطی از اجزای اصلی یک ماهواره است. این سیستم از آنتن و فرستنده ترانسپاندر تشکیل شده و سیگنال ها را دریافت و دوباره ارسال می کند.

سیستم قدرت بخش دیگر ماهواره است. این بخش پانل های خورشیدی را در بر می گیرد و انرژی ماهواره را فراهم می کند.

سیستم نیروی محرکه از اجزای دیگر ماهواره است و شامل موشک هایی است که ماهواره را پیش می رانند. ماهواره به سیستم نیروی محرکه اش نیاز دارد تا خودش را به مکان مداری صحیح برساند و اصلاحات گاه به گاهی را برای آن موقعیت انجام دهد.

ماهواره ای که در مدار ثابت زمینی قرار می گیرد ممکن است هر سال تا یک درجه از شمال به جنوب و یا شرق به غرب مکان قرارگیریش منحرف شود. دلیل این انحراف کشش گرانشی ماه و خورشید است.

ماهواره پیشرانه هایی دارد که گاه گاهی آتش می شوند تا تنظیماتی در موقعیت ماهواره انجام دهند. حفظ موقعیت مداری ماهواره «حفظ ایستگاه» نامیده می شود. به تصحیح هایی هم که با استفاده از پیشرانه های ماهواره انجام می شود «کنترل نگرش» گفته می شود.

طول عمر یک ماهواره براساس مقدار سوختی که دارد تا نیروی این پیشرانه ها را تأمین کند تعیین می شود. وقتی سوخت تمام می شود، ماهواره از عملیات خارج و در نهایت به فضا رانده می شود و به زباله فضایی تبدیل می گردد.

ماهواره به طور مداوم و در تمام طول عمرش مورد بهره برداری قرار می گیرد. بنابراین به قدرت داخلی نیاز دارد تا بتواند از سیستم های الکترونیکی و محموله های ارتباطاتی بهره برداری کند. منبع اصلی قدرت، نور خورشید است که به وسیله پانل های خورشیدی ماهواره مهار می شود.

ماهواره همچنین باتری هایی دارد که زمانی که جلوی نور خورشید به وسیله زمین مسدود می شود، قدرت لازم را برای آن فراهم می کند. پانل های خورشیدی وقتی که نور خورشید وجود دارد جریان بیش از حدی تولید می کنند که همین باتری ها را شارژ می کند.

از ماهواره ها می توان در دماهای شدید از 150- درجه سانتی گراد تا 150 درجه سانتی گراد بهره برداری کرد و یک ماهواره ممکن است در فضا در معرض تشعشع باشد. اجزایی از ماهواره که در معرض اشعه قرار می گیرند با آلومینیوم و دیگر مواد مقاوم در برابر اشعه، محافظت می شوند.

سیستم حرارتی ماهواره، از اجزای حساس الکترونیکی و مکانیکی محافظت می کند و آن را در  دمای عملکرد مطلوب حفظ می کند تا عملیات مستمرش تضمین شود. همچنین در هنگام تغییرات شدید دما، سیستم حرارتی ماهواره با فعال کردن سازوکارهای خنک کننده از اجزای حساس ماهواره زمانی که بیش از حد گرم می شوند یا سیستم های گرمایی موقعی که بیش از حد سرد می شوند محافظت می کند.

سیستم تله متری ردیابی و کنترل (TT&C) ماهواره، پیوند ارتباطاتی دو سویه بین ماهواره و TT&C بر روی زمین است. بدین ترتیب ایستگاه زمینی می تواند موقعیت یک ماهواره را ردیابی کند و نیروی محرکه ماهواره، حرارت و سیستم های دیگر را کنترل کند. همچنین به وسیله آن می توان بر دما، ولتاژ الکتریکی و سایر پارامترهای مهم یک ماهواره نظارت کرد.

وزن ماهواره های ارتباطی از میکرو ماهواره ها با وزن کمتر از 1 کیلوگرم (2.2 پوند) تا ماهواره های بزرگ با وزن بیش از 6500 کیلوگرم (14،000 پوند) متغیر است. پیشرفت ها در زمینه کوچک سازی و دیجیتالی کردن، ظرفیت ماهواره ها را در طول سال ها به طور قابل ملاحظه ای افزایش داده.

ماهواره سحرخیز (Early Bird) فقط یک ترانسپوندر با قابلیت ارسال تنها یک کانال تلویزیونی بود. اما حالا گروه ماهواره های بوئینگ 702، می توانند بیش از 100 فرستنده داشته باشند و با استفاده از فناوری فشرده سازی دیجیتال هر ترنسپاندر می تواند از بیش از 16 کانال برخوردار باشد. به این ترتیب از طریق یک ماهواره بیش از 1600 کانال تلویزیونی فراهم می شود.

ماهواره ها در سه مدار مختلف عمل می کنند: مدار پایین زمین (LEO)، مدار متوسط زمین (MEO) و مدار ثابت زمین. ماهواره های LEO در ارتفاع بین 160 کیلومتر و 1600 کیلومتر (100 مایل و 1000 مایل) بالای زمین قرار گرفته اند. ماهواره های MEO از 10،000 تا 20،000 کیلومتر (6300 به 12500 مایل) بالای زمین به کار گرفته می شوند.

بالای زمین، جایی که آنها یک مدار کامل (ماهواره ها بین مدارهای LEO و MEO مورد بهره برداری قرار نمی گیرند. دلیلش محیط نامهربان این منطقه برای قطعات الکترونیکی است. این محیط نامهربان به وسیله کمربند تشعشعی ون آلن ایجاد می شود).

محل قرار گیری ماهواره های GEO در 35786 کیلومتری (22236 مایل) بالای زمین است. اینجا جایی است که آنها یک مدار را در مدت 24 ساعت کامل می کنند و در نتیجه در یک نقطه ثابت باقی می مانند. تنها سه ماهواره در GEO می توانند پوشش جهانی بدهند، در حالی که 20 یا بیشتر از 20 ماهواره در LEO و 10 ماهواره یا بیشتر از 10 ماهواره در مدار MEO برای پوشش کامل زمین لازم است.

علاوه بر این برای برقراری ارتباط با ماهواره ها در مدارهای LEO و MEO به ردیابی آنتن ها بر روی زمین نیاز است تا از اتصال بدون وقفه بین ماهواره ها اطمینان حاصل شود.

سیگنالی که از یک ماهواره در مدار GEO منعکس می شود حدود 0.22 ثانیه طول می کشد تا با سرعت نور از زمین به ماهواره برود و برگردد. این تأخیر مشکلاتی را برای برنامه های کاربردی مانند خدمات صوتی و تلفن همراه ایجاد می کند.

بنابراین برای بیشتر خدمات صوتی و تلفن همراه معمولاً از ماهواره های مدارهای LEO یا MEO استفاده می شود تا از تأخیر سیگنال ها که ناشی از تاخیر ذاتی در ماهواره های GEO است جلوگیری شود.

ماهواره های GEO معمولاً برای انتشار و کاربرد داده ها مورد استفاده قرار می گیرند این به خاطر منطقه بزرگ تری بر روی زمین است که می توانند پوشش دهند.

برای پرتاب ماهواره ها به فضا و حرکت دادن آنها به مدار درست، به یک موشک بسیار قدرتمند چند مرحله ای نیاز است. پرتاب کنندگان ماهواره ها از موشک های اختصاصی برای پرتاب ماهواره ها استفاده می کنند.

از جمله مکان های پرتاب ماهواره ها می توان به مرکز فضایی کندی در کیپ کاناورال در فلوریدا، کوسمودرومه بایکونور در قزاقستان، کورو در گینه فرانسه، پایگاه نیروی هوایی واندنبرگ در کالیفرنیا، سیکانگ در چین و جزیره تانه گاشیما در ژاپن اشاره کرد. شاتل فضایی ایالات متحده هم توانایی پرتاب ماهواره را دارد.

ماهواره های مخابراتی از طیف فرکانسی بسیار بالا از 1-50 گیگاهرتز (گیگاهرتز، 1 گیگاهرتز = 1000000000 هرتز) برای انتقال و دریافت سیگنال استفاده می کنند. محدوده های فرکانس یا باندها با این حروف شناخته می شوند (از فرکانس پایین به فرکانس بالا): -L-، -S-، C-، X-، Ku-، Ka و باندهای -V. سیگنال ها در محدوده پایین تر (باندهای -L-، S، و -C) طیف فرکانس ماهواره ای با قدرت کم منتقل می شود و در نتیجه آنتن های بزرگ تری برای دریافت این سیگنال ها مورد نیازند.

سیگنال های در بالاترین محدوده (باندهای  -X-، Ku-، Ka و -V) این طیف قدرت بیشتری دارند. بنابراین، دیش هایی که قطری به کوچکی 45 سانتی متر (18 اینچ) دارند می توانند آنها را دریافت کنند. این باعث می شود طیف باند -Ku و باند -Ka برای پخش مستقیم خانه ها (DTH) و ارتباطات داده ای پهن باند و تلفن موبایل و برنامه های کاربردی ایده آل باشد.

اتحادیه بین المللی مخابرات (ITU)، یکی از سازمان های تخصصی سازمان ملل متحد است که ارتباطات ماهواره ای را تنظیم می کند. مقر ITU در ژنو سوئیس است.




0 0