ماهواره مخابراتی چیست و ماهواره‌های مخابراتی چگونه کار می‌کنند؟

ماهواره مخابراتی چیست و چه کاربردی دارد؟

ساکنان زمین برای ارتباط راه دور گاهی ناچارند از ارتباطات بی‌سیم بهره ببرند. زیرا ارتباط کابلی یا فیبرنوری همیشه کارآمد و باصرفه نیست. مثلا کابل‌کشی در نواحی صعب‌العبور و کوهستانی، سخت و پرهزینه‌ است. برای ارتباط بی‌سیم می‌توان دو شیوه به کار برد. یکی اینکه در فواصل معین از مبدا تا مقصد، آنتن زمینی نصب کرد تا سیگنال از آنتنی به آنتن دیگر و نهایتا به مقصد ارسال شود. دوم بهره بردن از ماهواره‌های مخابراتی است. ماهواره‌های مخابراتی داده‌ها را از فرستنده زمینی می‌گیرند، آن را تقویت می‌کنند و سپس برای گیرنده موردنظر در زمین بازمی‌فرستند. با استفاده از ماهواره‌های مخابراتی می‌توان سیگنال‌ها را تا هزاران کیلومتر دورتر در زمین و یا حتی برای ماهواره مخابراتی دیگری در فضا ارسال کرد. اما ماهواره مخابراتی چیست و چگونه کار می‌کند؟

جمهوری اسلامی ایران جزو معدود کشورهای سازنده و پرتابگر ماهواره در جهان است.

ماهواره‌ مخابراتی چیست؟

ماهواره‌ مخابراتی سیگنال‌های مخابراتی را از نقطه‌ای از زمین دریافت می‌کند، آن‌ها را با کمک سامانه‌ای موسوم به ترانسپوندر تقویت می‌کند و سپس به نقطه دیگری از زمین می‌فرستد. به عبارت دیگر، ماهواره مخابراتی بین فرستنده سیگنال و گیرنده آن میانجی‌گری می‌کند و شبکه‌ای ارتباطی پدید می‌آورد.

ماهواره‌ مخابراتی را می‌توان نوعی تکرارگر یا اصطلاحا ریپیتر (Repeater) دانست که در آسمان جای دارد و سیگنال‌های دریافتی از سوی فرستنده را پیش از ارسال برای گیرنده، تقویت می‌کند تا مسافت بیشتری را پوشش دهد. تکرارگر یا ریپیتر دستگاهی است که سیگنال‌های فرستنده را تکرار و نتیجتاً نوسازی و تقویت می‌کند تا پیش از رسیدن به مقصد، تضعیف نشوند.

مطلب مرتبط: تلسکوپ جیمز وب چیست و کجاست و چگونه کار می‌کند؟

کاربرد قمر مصنوعی یا ماهواره مخابراتی

ماهواره را قمر مصنوعی نیز می‌نامند زیرا مانند ماه در مدار زمین جای دارد. برخی از ماهواره‌ها روزانه چندبار دور زمین می‌چرخند اما ارتفاع و سرعت چرخش برخی دیگر طوری است که موقعیتشان همواره نسبت به زمین ثابت است. اما چرا بشر برای این منظور از قمر طبیعی زمین یعنی کره ماه بهره نبرده است؟ چرا فرستنده‌ها و گیرنده‌های مخابراتی به‌جای آن‌که در ماهواره‌ها نصب شوند، روی کره ماه نصب نشده‌اند؟ زیرا:

1. کره ماه بسیار از زمین دور است. اگر آنتن‌های فرستنده و گیرنده روی ماه تعبیه می‌شد، تبادل سیگنال بین زمین و ماه طول می‌کشید و ارتباطات را با تاخیر مواجه می‌کرد.
2. ضمنا فاصله زیاد ماه از زمین سبب می‌شد تا سیگنال‌ها پیش از رسیدن به زمین تضعیف شوند، حال آن‌که علت بهره‌گیری از ماهواره‌های مخابراتی، تقویت سیگنال است.
3. موقعیت ماهواره‌های مخابراتی و رادیویی و تلویزیونی همواره نسبت به نقطه خاصی از زمین ثابت است. اما موقعیت ماه نسبت به زمین پیوسته تغییر می‌کند. لذا حتی اگر پیشرفت فناوری، دو مشکل پیشین را حل می‌کرد نیز تغییر مداوم موقعیت زمین و ماه نسبت به هم اجازه نمی‌داد که ماه حداقل در برخی از حوزه‌های کاربردی برای ارتباطات میانجی‌گری کند.

 

ترانسپوندر چیست؟

ترانسپوندر (transponder) دستگاهی است که سیگنال را از فرستنده می‌گیرد، آن را تقویت می‌کند، بسامد (فرکانس) آن را تغییر می‌دهد و سپس آن را برای گیرنده ارسال می‌کند. علت تغییر بسامد سیگنال ارسالی نسبت به سیگنال دریافتی این است که این دو سیگنال با هم تداخل پیدا نکنند.

 

ردپا (Footprint) در ارتباطات ماهواره‌ای چیست؟

سیگنال‌های ماهواره‌ای در مسیرهای مستقیم منتشر می‌شوند. ماهواره سیگنال را از فرستنده دریافت می‌کند، آن را تقویت (بازتولید) می‌کند و سپس آن را برای گیرنده زمینی می‌فرستد. ماهواره سیگنال را به ناحیه خاصی روی زمین ارسال می‌کند که آن را اصطلاحا ردپا (Footprint) می‌گویند. به عبارت دیگر، محدوده ای از زمین که سیگنال یک ماهواره در آن دریافت میشود،  ردپای آن ماهواره می‌نامند. قدرت سیگنال در مرکز ناحیه «ردپا» بیش از دیگر نقاط است و هرچه از ردپا دور شوید، قدرت سیگنال کمتر می‌شود.

 

مدار و تناوب مداری ماهواره

هر ماهواره مخابراتی برای حرکت در فضا باید مسیر یا اصطلاحا مدار (orbit) مشخصی داشته باشد. مدار ماهواره می‌تواند استوایی (equatorial)، شیب‌دار (inclined)، یا قطبی (polar) باشد. برای مشخص کردن تناوب مداری ماهواره (orbital period) یعنی زمان لازم برای یک گردش کامل ماهواره دور زمین، از قانون کپلر استفاده می‌شود:

Period = C * Distance * 1.5

معادله فوق، تناوب مداری ماهواره را محاسبه می‌کند. در معادله مذکور C عددی ثابت و برابر ۱/۱۰۰ است. منظور از Distance نیز فاصله است که برحسب کیلومتر محاسبه می‌شود.

تناوب مداری بسیار مهم است زیرا موقعیت ماهواره را نسبت به زمین مشخص می‌کند. اما ماهواره‌ها برای جای گرفتن در مدار با مانع دیگری نیز مواجه هستند و آن کمربندهای وان آلن (Van Allen belts) است. کمربند وان آلن لایه‌ای از ذرات باردار است که این ذرات در اثر جاذبه زمین در ناحیه خاصی از فضا به دام افتاده و کمربندی نامرئی ایجاد کرده‌اند. هیچ ماهواره‌ای را نمی‌توان در این ناحیه جای داد زیرا با ورود به کمربند وان آلن از هم می‌پاشد.

مطلب مرتبط: سامانه ماهواره‌ای ناوبری جهانی (GNSS) چیست و چگونه کار می‌کند؟

نواحی امن برای جای گرفتن ماهواره‌ها

باتوجه به موارد فوق، برای جای دادن ماهواره‌ها در فضا کلا سه ناحیه امن تعریف شده است که هر کدام از این سه ناحیه برای ماهواره‌ها و کاربردهای خاصی مناسب هستند:

1. لئو LEO (مخفف Low Erath Orbit) یا مدار پایین زمین
2. مئو MEO (مخفف Medium Earth Orbit) یا مدار متوسط زمین
3. ژئو GEO (مخفف Geostationary Earth Orbit) یا مدار زمین‌ایستا یا

لذا ماهواره‌ها را بسته به این‌که در کدام مدار جای دارند به سه گونه یعنی ماهواره‌های لئو، مئو و ژئو تقسیم می‌کنند.

مطلب مرتبط: تلسکوپ چیست و چگونه کار می‌کند: انواع تلسکوپ‌ها و ساختار آن‌ها

ماهواره‌های مدار زمین‌ایستا یا مدار ژئو (GEO)

ماهواره‌های مدار زمین‌ایستا یا ژئو (GEO: Geostationary Earth Orbit) از دید ناظران زمینی ثابت به نظر می‌رسند زیرا سرعت زاویه‌ای ماهواره‌های ژئو با سرعت زاویه‌ای زمین یکسان است و لذا موقعیت‌شان نسبت به ناحیه موردنظر در زمین همواره ثابت است.

برای این‌که ماهواره‌ها بتوانند هم‌گام با سرعت زاویه‌ای زمین در مدار خود حرکت کنند، باید در مدار ژئو جای بگیرند. مدار ژئو ۳۵,۷۸۶ کیلومتر از زمین فاصله دارد. عواملی همچون سرعت ماهواره، ارتفاع ماهواره از زمین و نیروی جاذبه زمین سبب می‌شود تا ماهواره‌های ژئو از دید ساکنان زمینی ثابت به نظر برسند. زمین بر فراز خود تنها یک مدار ژئو یا زمین‌ایستا دارد.

 

مدار متوسط زمین یا مدار مئو (MEO)

مدار MEO پایین‌تر از مدار GEO و بالاتر از مدار LEO است و به همین علت آن را مدار متوسط زمین نامیده‌اند. ماهواره‌ها در مدار MEO سریع‌تر دور زمین می‌چرخند و طی تنها ۶ تا ۷ ساعت می‌توانند یک‌بار دور زمین گردش کنند.

مدار MEO در مقایسه با مدار GEO به زمین نزدیک‌تر است و لذا footprint یا ردپای کوچکتری را روی زمین پوشش می‌دهد. ضمنا ماهواره‌های MEO در مقایسه با ماهواره‌های GEO به فرستنده‌های چندان قدرتمندی نیاز ندارد زیرا فاصله آن‌ها تا زمین کمتر است.

ماهواره‌های مدار MEO به علت حرکت سریع‌ترشان دور زمین ثابت به نظر نمی‌رسند و از دید ساکنان زمینی موقعیت آن‌ها در آسمان تغییر می‌کند. ماهواره‌های سامانه‌های موقعیت‌یاب جهانی مثل گلوناس (GLONASS)، بیدو (BeiDou) و جی‌پس‌اس (GPS) از نام‌آشناترین ماهواره‌های مدار MEO محسوب می‌شوند. این ماهواره‌ها کاربرد مخابراتی ندارند.

 

ماهواره‌های مدار نزدیک زمین یا لئو (LEO)

مدار نزدیک زمین یا اصطلاحا لئو (LEO: Low Earth Orbit) کم‌ارتفاع‌ترین مدار ماهواره‌ای نسبت به زمین است. ارتفاع ۵۰۰ تا ۲۰۰۰ کیلومتری از سطح زمین را مدار لئو می‌گویند. ماهواره‌های مدار LEO به زمین نزدیک‌ترند. لذا در مقایسه با ماهواره‌های GEO و MEO ناحیه بسیار کوچکتری را در زمین پوشش می‌دهند (حدود ۸۰۰۰ کیلومتر).

ماهواره‌های لئو سریع‌تر از دیگر ماهواره‌ها و هر ۱۲ تا ۹۰ دقیقه یک‌بار زمین را دور می‌زنند. از اعداد فوق می‌توان سرعت ماهواره‌های لئو را محاسبه کرد. سرعت ماهواره‌های لئو ۲۰,۰۰۰ تا ۲۵,۰۰۰ کیلومتر در ساعت است. و در هر چرخش کامل‌شان دور زمین تنها چند میلی‌ثانیه تاخیر دارند که در ارتباطات صوتی مشکلی ایجاد نمی‌کند.

ماهواره‌های لئو چون به زمین نزدیک‌ترند، ناحیه کوچکتری را در زمین پوشش می‌دهد. پس برای ایجاد شبکه‌ای از ماهواره‌های لئو که بتوانند تمام زمین را پوشش دهند، باید چندین ماهواره لئو در کنار هم الگویی فلکی تشکیل دهند. ماهواره‌های مجاور هم در شبکه از طریق پیوند میان‌ماهواره‌ای یا اصطلاحا ISL (مخفف inter-satellite link) به یکدیگر متصل می‌شوند. هر ماهواره در شبکه مانند یک سوئیچ عمل می‌کند.

تجهیزات سیار در زمین با کمک پیوند سیار کاربری یا اصطلاحا UML می‌توانند با ماهواره‌های مدار لئو مرتبط شوند. ماهواره لئو نیز با استفاده از پیوند دروازه یا اصطلاحا GWL (مخفف Gateway Link) با ایستگاه زمینی ارتباط ایجاد می‌کند.

 

سامانه‌های مدار LEO را می‌توان به سه گروه کوچکتر تقسیم کرد:

• در مدار لئو کوچک یا Little LEO: با بسامد ۱ گیگاهرتز، کار می‌کند و برای تبادل داده با سرعت کم به کار می‌رود.
• در مدار لئو بزرگ یا Big LEO: با بسامد ۱ تا ۳ گیگاهرتز کار می‌کند. ماهواره‌‌های تبادل صوت، داده، ناوبری و نمابر در زمین هوا و دریا در این مدار جای می‌گیرند.
• در مدار لئو گسترده یا Broad LEO: خدمات آن شبیه فیبر نوری است و برای ارائه خدمات اینترنت باند پهن در سراسر جهان به کار می‌رود.

مطلب مرتبط: انرژی هسته‌ای چیست و چگونه تولید می‌شود: کاربردها و ویژگی‌ها

مزایای ماهواره مخابراتی

گفتیم که ماهواره مخابراتی چیست و لذا اکنون می‌توان مزیت ماهواره مخابراتی را دریافت. مزیت اصلی ماهواره‌های مخابراتی این است که می‌توانند در نواحی دور از دسترس در زمین که فاقد زیرساخت‌های زمینی هستند، خدمات ارتباطی فراهم کنند.

 

کلیدواژه: ماهواره مخابراتی چیست

عنوان: ماهواره مخابراتی چیست و ماهواره‌های مخابراتی چگونه کار می‌کنند؟