فن آوری ماهواره

واژه انگلیسی satellite به معنی ماهواره از کلمه لاتین satelles به معنی همراه ، دنباله رو یا محافظ شخصی گرفته شده است. لغت ماهواره طبق تعریف به سامانه ای گفته می شود که در مداری به دور یک سیاره در حال گردش باشد.انرژی زیادی برای قرار دادن یک ماهواره در مدار مورد نیاز است.این انرژی معمولا با کاربرد راکت به دست می آید. به طوری که راکت ماهواره را با سرعت مورد نیاز بالا برده و در مدار رها میکند در دوره کنونی ،ماهواره و فن آوری های وابسته , آنچنان در تاروپود زندگی بشر نفوز کرده و به پیش می تازد که نقش تعیین کننده آن در دگرگونی تمدن بشری , قابل توجه است.لز این رو فن آوری ماهواره به عنوان شاخه ای مهم در پژوهش های فضایی , جایگاه ویژه ای در زمینه های مختلف ارتباطی پیدا کرده است.هم ااکنون تمامی پهنه جهان از بزرگترین مناطق تا دور افتاده ترین جزایر زیر پوشش شبکه گسترده ماهواره های ارتباطی , مخابراتی و نظامی قرار دارد.فرستادنسیگنال های صدا , سیما , اطلاعات چند رسانه ای و ... به بهترین روش و حداکثر سرعت از طریق همین شبکه ها صورت میگیرد.درواقع از میان فن اوری فضایی, ارتباطات ماهواره بیشتر از همه مورد استفاده بوده.نخست ربای ارتباطات میان قاره ای از آن استفاده شد و امروز ماهواره ها برای ارتباطات بین المللی به کار برده می شوند.هر روز تعداد کشورهایی که برای ارتباطات داخلی از آن استفاده می کنند بیشتر می شود . ماهواره ها توانایی جدیدی برای انجام وظایف دشوار و بزرگ بشر در مقابل سامانه پیچیده اکولوژی(روابط موجودات زنده و محیط) پدید آورده اند. ماهواره ها برای اولین بار در تاریخ بشر , راه حل های جهانی برای مسائل جهانی فراهم ساخته اند. در نتیجه ایجاد سازمان های جهانی برای کاربرد بهینه این امکانات جدید فوریت بیشتری پیدا کرده است. مخابره مستقیم تصویر از ماه نشانه انقلابی در مخابرات بود که اهمیت ان را نبید کمتر از فرود بر روی ماه دانست.میزان مخابره صدا و سیما چنان به سرعت گسترش میابد که دیگر نمی توان مخابره بین فرستنده ها وگیرنده های بیم المللی را با بی سیم های رادیوئی فرکانس بالا یا سامانه کابل های زیر دریایی به خوبی اداره کرد.سال 1965 تاکنون ’اینتل ست’ سامانه مخابراتی ماهواره ای جهان را اداره کرده است.نخستین ماهواره ’ ارلی برد’ که 240 کانال تلفنی دو جانبی گنجایش داشت , یکشبه گنجایش 4 کابل زیر دریایی اقیانوس اطلس را دوبرابر کرد و تسهیلات بین المللی جدیدی در دسترس کشورهای سایرنقاط جهان قرار داد.

1- مقدمه

واژه انگلیسی satellite به معنی ماهواره از کلمه لاتین satelles به معنی همراه ، دنباله رو یا محافظ شخصی گرفته شده است. لغت ماهواره طبق تعریف به سامانه ای گفته می شود که در مداری به دور یک سیاره در حال گردش باشد.انرژی زیادی برای قرار دادن یک ماهواره در مدار مورد نیاز است.این انرژی معمولا با کاربرد راکت به دست می آید. به طوری که راکت ماهواره را با سرعت مورد نیاز بالا برده و در مدار رها میکند در دوره کنونی ،ماهواره و فن آوری های وابسته , آنچنان در تاروپود زندگی بشر نفوز کرده و به پیش می تازد که نقش تعیین کننده آن در دگرگونی تمدن بشری , قابل توجه است.لز این رو فن آوری ماهواره به عنوان شاخه ای مهم در پژوهش های فضایی , جایگاه ویژه ای در زمینه های مختلف ارتباطی پیدا کرده است.هم ااکنون تمامی پهنه جهان از بزرگترین مناطق تا دور افتاده ترین جزایر زیر پوشش شبکه گسترده ماهواره های ارتباطی , مخابراتی و نظامی قرار دارد.فرستادنسیگنال های صدا , سیما , اطلاعات چند رسانه ای و ... به بهترین روش و حداکثر سرعت از طریق همین شبکه ها صورت میگیرد.درواقع از میان فن اوری فضایی, ارتباطات ماهواره بیشتر از همه مورد استفاده بوده.نخست ربای ارتباطات میان قاره ای از آن استفاده شد و امروز ماهواره ها برای ارتباطات بین المللی به کار برده می شوند.هر روز تعداد کشورهایی که برای ارتباطات داخلی از آن استفاده می کنند بیشتر می شود . ماهواره ها توانایی جدیدی برای انجام وظایف دشوار و بزرگ بشر در مقابل سامانه پیچیده اکولوژی(روابط موجودات زنده و محیط) پدید آورده اند. ماهواره ها برای اولین بار در تاریخ بشر , راه حل های جهانی برای مسائل جهانی فراهم ساخته اند. در نتیجه ایجاد سازمان های جهانی برای کاربرد بهینه این امکانات جدید فوریت بیشتری پیدا کرده است. مخابره مستقیم تصویر از ماه نشانه انقلابی در مخابرات بود که اهمیت ان را نبید کمتر از فرود بر روی ماه دانست.میزان مخابره صدا و سیما چنان به سرعت گسترش میابد که دیگر نمی توان مخابره بین فرستنده ها وگیرنده های بیم المللی را با بی سیم های رادیوئی فرکانس بالا یا سامانه کابل های زیر دریایی به خوبی اداره کرد.سال 1965 تاکنون ’اینتل ست’ سامانه مخابراتی ماهواره ای جهان را اداره کرده است.نخستین ماهواره ’ ارلی برد’ که 240 کانال تلفنی دو جانبی گنجایش داشت , یکشبه گنجایش 4 کابل زیر دریایی اقیانوس اطلس را دوبرابر کرد و تسهیلات بین المللی جدیدی در دسترس کشورهای سایرنقاط جهان قرار داد.

2- تاریخچه ماهواره

قبل از قرار دادن ماهواره های ساخت بشر در مدار , از ماه به عنوان یک بازتابش امواج الکترومغناطس استفاده می شد.نخستین آزمایش فرستادن امواج به طرف ماه و بازتابش آن در ژوئیه 1954 صورت گرفت.نیروی دریایی آمریکا در سال های 1956 تا 1959 , آناپولیس و هونولولو از طریق ماه ارتباط برقرار کرد.در این ارتباط قدرت فرستنده درحدود 100کیلووات و قطر آنتن گیرنده 26 متر و فرکانس امواج فرستاده شده در حدود 430مگاهرتز بود. ماهواره هایی نیز به شکل ها و اندازه های مختلف به منظور بازتابیدن امواج به فضا فرستاده میشوند که با وجود سادگی و کارآمدی , کاستی هایی نیز داشت و بازتابش آن ها در مقابل سیگنال های مختلف , متفاوت بود.یعنی به دلیل آنکه فقط امواج را بازتاب می کردند و هیچگونه تقویتی روی سیگنال انجام نمیدادند , نیاز به آنتن های بزرگ برای گیرنده داشت و چون در یک جا ساکن نبودند امکان ردیابی آنها مشکل بود.به این دلیل به انها ماهواره های غیرفعال میگفتند. نخستین ماهواره مصنوعی فعال به نام اسپویتنگ-1 چهار اکتبر 1957 توسط شوروی به فضا پرتاب شد و انقلابی در صنعت فضا به وجود آورد. این ماهواره سیگنال های 20 و 40 مگا هرتزی را می فرستاد که میشد آنها را توسط یک گیرنده ساده دریافت کرد.در سال 1960 میلادی , آمریکایی ها نخستین ماهواره مخابراتی را در مدار قرار دادند.قطر این ماهواره بزرگ 30 متر بود و در ارتفاع 1500 کیلومتری زمین گردش می کرد. این ماهواره مجهز به نوعی آینه بود که امواج را از ایستگاه فرستنده می گرفت و به ایستگاه های گیرنده (که به دلیل کروی بودن زمین نمی توانست این امواج را به طور مستقیم دریافت کند ), بازتاب می کرد. امروزه ماهواره ها با ماموریت های علمی و کاربردی گوناگون در مدار های متفاوت قرار گرفته و خدماتی از قبیل پخش صدا و تصویر , خدمات زمین شناسی , هواشناسی , تحقیقات فضایی , خدمات نظامی , هدایت رادیوئی برای هدایت و ارتباط با کشتی ها و هواپیماها , ارتباطات ثابت ماهواره ای برای ایستگاه های ثابت زمینی و...ارائه میکنند , به گونه ای که اکنون مسائل ترافیک فضلیی ماهواره ها و خطر تصادم آنها و ایجاد زباله های فضایی جزو مسائل جدی عصر ما شده است.

3- تاریخچه ارتباطات ماهواره در ایران

بهره برداری از ارتباطات ماهواره ای در ایران با گشا یش نخستین ایستگاه زمینی در فاصله 55 کیلومتری همدان از مهرماه 1348 به منظور برقراری ارتباطات تلفنی , تلکس و تلویزیونی با کشور های اروپایی-آمریکایی آغاز شد.این ایستگاه زمینی که بعدها به شهید قندی تغییر نام یافت ابتدا مجهز به آنتن با قطر 30 متر و وزنی درحدود 380 تن بود.این ایستگاه در آغاز فعالیت , توانایی برقراری ارتباطات 8 کانال تلفنی و فرستادن و دریافت یک برنامه تلویزیونی از طریق ماهواره انتل ست را بر فراز اقیانوس اطلس داشت. به علت بیاز به ارتباط با کشورهایی آسیایی , در سال 1353 این ایستگاه به آنتن دیگری به قطر 30 متر و وزن 290 تن مجهز شد که ارتباط ماهواره ای با کشورهای آسیایی و دیگر کشور های اروپایی رااز طریق ماهواره انتل ست –که بر فراز اقیانوس هند قرار داشت برقرار می کرد. با گسترش ارتباطات ماهواره ای و به خاطر به کارگیری فناوری جدید در رفع نیازها , توسعه ارتباطات و کاربرد های مختلف آن , مرکز ارتباطات ماهواره ای بومهن و ایستگاه زمینی اصفهان توسط شرکت مخابرات در سال 1365 نصب و راه اندازی شد.در حا ل حاضر مرکز ارتباطات ماهواره ای بومهن, ایستگاه زمینی شهید قندی و ایستگاه زمینی اصفهان با داشتن آنتن های گیرنده و فرستنده مناسب , ارتباطات ماهواره های ایران را برقرار میکنند. به طور کلی یک سیستم ماهواره ای را در چهار بخش می توان مورد بررسی قرار داد.

1- بخش فضایی

ماهواره ها به عنوان یک تکرار کننده در فضا به کار می روند.آنها امواج فرستاده شده از ایستگاه زمینی را دریافت کرده, فرکانس آنها را تغیر داده یا تقویت کرده و سپس به منطقه پیش بینی شده می فرستد. عمر ماهواره ها معمولا بین 7 تا 10 سال است.یک ماهواره توسط سلول های جذب کننده انرژی خورشیدی تغذیه می شود و در هنگام خورشید گرفتگی باطری هایی را به کار می گیرد که عمر آن ها یکی از عوامل موثر در تعیین عمر ماهواره است. عامل دیگر در تعیین عمر ماهواره ها مقدار سوخت ذخیره شده در ماهواره است که برای مصرف در میکروموتورها است. میکروموتور ها به منظور اصلاح موقعیت ماهواره ها در مدار به کار می رود 

  2-بخش زمینی:

بخش زمینی شامل ایستگاه های زمینی واجزای آن در زمین است. یکی از بخش های مهم درایستگاه زمینی آنتن است که درجه اهمیت آنتن ها بستگی به قطر آنتن و سایر استاندارد های مربوطه دارد.

3- ساختمان ماهواره ها

ماهواره ها از دو بخش تجهیزات مخابراتی و غیر مخابراتی تشکیل شده است. زیر سامانه های مخابراتی , آنتن ها و تکرار کننده ها هستند.در بخش مخابراتی , دستگاهی و جود دارد که وظیفه تکرار کننده های رادیوئی (رله) را انجام میدهد و ترانسپاندر نام دارد. ترانسپاندرها سیگنال های فرستاده شده از زمین را دریافت و پس از تقویت و تغیر فرکانس , آنها را به زمین میفرستند.آنتن های مربوط به این تراسپاندرها , به گونه ای طراحی شده اند که فقط بخش هایی از سطح زمین را که درون شبکه ماهواره ای قرار داردند, پوشش دهند. بخش غیر مخابراتی ماهواره ها که در واقع پشتیبانی فنی آن است شامل سامانه کنترل حرارتی , سامانه کنترل موقعیت و مدار, ساختمان مکا نیکی , سامانه منبع تغزیه و موتور اوج گیری است.

4- پوشش ماهواره ها

یکی از مهمترین مسائل طراحی سامانه های ماهواره ای , پوشش دهی ماهواره ای زمین است.برای طراحی بخش های مختلف سامانه ماهواره ای نظیر تعداد ماهواره ها یی که باید استفاده شود, انتخاب مدار, فرکانس و همچنین داشتن مقدار سطح پوشش دهی زمین ضروری است.وسعت سطح زیر پوشش ماهواره ها اصولا با ارتفاع آن ها , حداقل زاویه ارتفاع مجاز برای دیدن ماهواره توسط آنتن ایستگاه و همچنین پهنای پرتو آنتن ماهواره ارتباط دارد.

تمام سطح زمین غیر از قطبین را توسط سه ماهواره می توان پوشش داد و حداقل زاویه ای که آنتن های داخل این پوشش برای دیدن ماهواره لازم دارند ’حداقل زاویه ارتفاع’ می گویند. به طور کلی اندازه و شکل واقعی سطح زیر پوشش ماهواره توسط مشخصه آنتن ماهواره تعیین میشود. در این مورد چند نوع پوشش توسط ماهواره های ثابت امکان پذیر است:

4-1- پوشش عمومی : این نوع پوشش بزرگترین منطقه ممکن از سطح زمین را در بر می گیرد و برای دریافت آن انتن های بزرگ لازم است.

4-2- پوشش منطقه ای : بخشی از کره زمین را پوشش می دهد و سطح زیر پوشش آن از پوشش عمومی کمتر است.

4-3- پوشش نیم کره ای : بخشی از کره زمین که معمولا پوشش نیم کرهای را تشکیل میدهد و در شبکه انتل ست به کار رفته است.

4-4- پوشش نقطه ای : پوشش فقط بر روی یک کشور یا یک نقطه خاص متمرکز خواهد شد که در این حالت سیگنال دریافتی قوی تر بوده و دریافت آن با آنتن های کوچک امکان پذیر است.

4-5- پوشش شکل داده شده : در این حالت پرتو آنتن برای زیر پوشش قرار دادن کشور یا محلی مشخص از همان کشور خواهد بود و حتی میتوان یک کشور را از پوشش خود خارج کند.

تقسیم بندی ماهواره ها از لحاظ وزن:

1- ماهواره بزرگ : با وزن بالای 1000 kg . بیشتر ماهواره های مدار ثابت نسبت به زمین از نوع ماهواره های بزرگ هستند.

2- ماهواره متوسط : با وزن بین 500 تا 1000 کیلو گرم.

3- ماهواره کوچک : با وزن بین 100 تا 500 کیلو گرم.

4- ماهواره میکرو : با وزن بین 10 تا 100 کیلو گرم.این ماهواره ها به دلیل صرفه اقتصادی و امکان شبه سازی ماهواره بزرگ با آن ها , در زمینه های پژوهشی-آزمایشگاهی دارای کاربرد وسیعی هستند.همچنین برای ماموریت های هواشناسی , تقویت و پخش دوباره سیگنال ها, مخابرات, تلفن همراه و نقشه برداری از مناطق دور دست دارای توانایی های خوبی است.

5- ماهواره نانو : با وزن بین 10 کیلوگرم وکمتر و هزینه ساخت 1 میلیون دلار.

منبع: بانک مقالات مهندسی برق