تقنية

كيف يعمل القمر الصناعي⸮

ما هو القمر الصناعي⸮

القمر الصناعي هو في الأساس نظام اتصالات قائم بذاته مع القدرة على استقبال الإشارات من الأرض وإعادة إرسال هذه الإشارات مرة أخرى باستخدام جهاز إرسال – جهاز استقبال ومرسل متكامل للإشارات الراديوية. يجب أن يتحمل القمر الصناعي صدمة تسارعه أثناء إطلاقه حتى السرعة المدارية البالغة 28،100 كيلومتر (17500 ميل) في الساعة وبيئة فضاء معادية حيث يمكن أن يتعرض للإشعاع ودرجات الحرارة القصوى لعمر التشغيل المتوقع ، والذي يمكن أن يستمر حتى 20 سنة. بالإضافة إلى ذلك ، يجب أن تكون الأقمار الصناعية خفيفة ، لأن تكلفة إطلاق الأقمار الصناعية باهظة الثمن وتعتمد على الوزن. لمواجهة هذه التحديات ، يجب أن تكون الأقمار الصناعية صغيرة ومصنوعة من مواد خفيفة الوزن ومتينة. يجب أن تعمل بموثوقية عالية جدًا تزيد عن 99.9 في المائة في فراغ المساحة دون أي احتمال للصيانة أو الإصلاح.

Intelsat VI ، قمر اتصالات ، بعد إصلاحه ، 1992

تتكون المكونات الرئيسية للقمر الصناعي من نظام الاتصالات ، والذي يتضمن الهوائيات وأجهزة الإرسال والاستقبال التي تستقبل الإشارات وتعيد إرسالها ، ونظام الطاقة ، الذي يتضمن الألواح الشمسية التي توفر الطاقة ، ونظام الدفع ، والذي يتضمن الصواريخ التي تدفع القمر الصناعي . يحتاج القمر الصناعي إلى نظام الدفع الخاص به للوصول بنفسه إلى الموقع المداري الصحيح وإجراء تصحيحات عرضية على ذلك الموضع. يمكن أن ينحرف القمر الصناعي في المدار الثابت بالنسبة للأرض إلى درجة كل عام من الشمال إلى الجنوب أو من الشرق إلى الغرب من موقعه بسبب قوة الجاذبية للقمر والشمس. يحتوي القمر الصناعي على دفعات يتم إطلاقها من حين لآخر لإجراء تعديلات في موقعه. تسمى صيانة الموقع المداري للقمر الصناعي “حفظ المحطة” ، وتسمى التصحيحات التي يتم إجراؤها باستخدام دفعات القمر الصناعي “التحكم في الوضع”. يتم تحديد عمر القمر الصناعي من خلال كمية الوقود التي يحتاجها لتشغيل هذه الدفعات. بمجرد نفاد الوقود ، ينطلق القمر الصناعي في النهاية إلى الفضاء وخارج التشغيل ، ليصبح حطامًا فضائيًا.

يجب أن يعمل القمر الصناعي في المدار بشكل مستمر طوال كامل عمره. إنها تحتاج إلى قوة داخلية لتكون قادرة على تشغيل أنظمتها الإلكترونية وحمولة الاتصالات. المصدر الرئيسي للطاقة هو ضوء الشمس ، الذي تسخره الألواح الشمسية للقمر الصناعي. يحتوي القمر الصناعي أيضًا على بطاريات لتوفير الطاقة عند حجب الشمس بواسطة الأرض. يتم إعادة شحن البطاريات عن طريق التيار الزائد الناتج عن الألواح الشمسية عند وجود ضوء الشمس.

تعمل الأقمار الصناعية في درجات حرارة شديدة من −150 درجة مئوية (−238 درجة فهرنهايت) إلى 150 درجة مئوية (300 درجة فهرنهايت) وقد تتعرض للإشعاع في الفضاء. مكونات الأقمار الصناعية التي يمكن أن تتعرض للإشعاع محمية بالألمنيوم ومواد أخرى مقاومة للإشعاع. يحمي النظام الحراري للقمر الصناعي مكوناته الإلكترونية والميكانيكية الحساسة ويحافظ عليه في درجة حرارة التشغيل المثلى لضمان تشغيله المستمر. يحمي النظام الحراري للقمر الصناعي أيضًا مكونات الأقمار الصناعية الحساسة من التغيرات الشديدة في درجة الحرارة عن طريق تنشيط آليات التبريد عندما يصبح ساخنًا جدًا أو أنظمة التدفئة عندما يصبح باردًا جدًا.

نظام التتبع والتحكم عن بعد (TT&C) للقمر الصناعي هو اتصال ترابطي ثنائي الاتجاه بين القمر الصناعي و TT&C على الأرض. يسمح هذا لمحطة أرضية بتتبع موقع القمر الصناعي والتحكم في الدفع والحرارة والأنظمة الأخرى للقمر الصناعي. يمكنه أيضًا مراقبة درجة الحرارة والجهود الكهربائية وغيرها من المعلمات المهمة للقمر الصناعي.

تتراوح أقمار الاتصالات من أقمار صغيرة تزن أقل من 1 كجم (2.2 رطل) إلى أقمار صناعية كبيرة تزن أكثر من 6500 كجم (14000 رطل). وقد أدى التقدم في التصغير والرقمنة إلى زيادة قدرة السواتل بشكل كبير على مر السنين. كان لدى Early Bird مرسل واحد فقط قادر على إرسال قناة تلفزيونية واحدة فقط. في المقابل ، يمكن أن تحتوي سلسلة الأقمار الصناعية Boeing 702 على أكثر من 100 جهاز إرسال واستقبال ، وباستخدام تقنية الضغط الرقمي ، يمكن لكل جهاز إرسال أن يحتوي على ما يصل إلى 16 قناة ، مما يوفر أكثر من 1600 قناة تلفزيونية عبر قمر صناعي واحد.

تعمل الاقمار في ثلاثة مدارات مختلفة: مدار أرضي منخفض (LEO) ، ومدار أرضي متوسط (MEO) ، ومدار ثابت بالنسبة للأرض أو متزامن مع الأرض (GEO). تقع (LEO) اقمار المدار الأرضي المنخفض على ارتفاع يتراوح بين 160 كم و 1600 كم (100 و 1000 ميل) فوق الأرض. تعمل الأقمار الصناعية MEO من 10000 إلى 20000 كم (6300 إلى 12500 ميل) من الأرض. (لا تعمل الأقمار الصناعية بين LEO و MEO بسبب البيئة غير المضيافة للمكونات الإلكترونية في تلك المنطقة ، والتي يسببها حزام إشعاع فان ألين.) يتم وضع الأقمار الصناعية GEO على مسافة 35786 كيلومترًا (22.236 ميلًا) فوق الأرض ، حيث تكمل مدارًا واحدًا خلال 24 ساعة وبالتالي تظل ثابتة على بقعة واحدة. كما ذكرنا أعلاه ، لا يتطلب الأمر سوى ثلاثة أقمار صناعية GEO لتوفير تغطية عالمية ، في حين يستغرق 20 أو أكثر من الأقمار الصناعية لتغطية الأرض بالكامل من LEO و 10 أو أكثر في MEO. بالإضافة إلى ذلك ، يتطلب الاتصال بالأقمار الصناعية في LEO و MEO تتبع هوائيات التتبع على الأرض لضمان الاتصال السلس بين الأقمار الصناعية.

تستغرق الإشارة التي ترتد من القمر الصناعي GEO حوالي 0.22 ثانية للتنقل بسرعة الضوء من الأرض إلى القمر الصناعي والعودة. يطرح هذا التأخير بعض المشاكل في تطبيقات مثل الخدمات الصوتية والمهاتفة المتنقلة. لذلك ، تستخدم معظم الخدمات المتنقلة والصوتية عادةً سواتل LEO أو MEO لتجنب تأخيرات الإشارة الناتجة عن الكمون المتأصل في السواتل GEO. تُستخدم الأقمار الصناعية GEO عادةً للبث وتطبيقات البيانات بسبب المساحة الأكبر على الأرض التي يمكن تغطيتها.

يتطلب إطلاق قمر صناعي في الفضاء صاروخًا قويًا متعدد المراحل لدفعه إلى المدار الصحيح. يستخدم مقدمو إطلاق الأقمار الصناعية الصواريخ المملوكة لإطلاق الأقمار الصناعية من مواقع مثل مركز كنيدي للفضاء في كيب كانافيرال ، فلوريدا ، وقاعدة بايكونور الفضائية في كازاخستان ، وكورو في غيانا الفرنسية ، وقاعدة فاندنبرغ الجوية في كاليفورنيا ، وشيشانغ في الصين ، وجزيرة تانيغاشيما في اليابان . مكوك الفضاء الأمريكي لديه القدرة أيضًا على إطلاق الأقمار الصناعية.

تستخدم الاتصالات عبر الأقمار الصناعية نطاق التردد العالي للغاية من 1 – 50 جيجا هرتز (جيجا هرتز ؛ 1 جيجا هرتز = 1،000،000،000 هرتز) لإرسال واستقبال الإشارات. يتم تحديد نطاقات أو نطاقات التردد بالأحرف: (بالترتيب من التردد المنخفض إلى العالي) L- ، S- ، C- ، X- ، Ku- ، كا- ، ونطاقات V. تُرسل الإشارات في النطاق الأدنى (نطاقات L و S و C) من طيف الترددات الساتلية بقدرة منخفضة ، وبالتالي هناك حاجة إلى هوائيات أكبر لاستقبال هذه الإشارات. الإشارات في الطرف الأعلى (X- ، Ku- ، Ka- ، و V- النطاقات) من هذا الطيف لديها المزيد من القوة ؛ لذلك ، يمكن استقبال أطباق صغيرة يصل قطرها إلى 45 سم (18 بوصة). وهذا يجعل طيف النطاق الترددي Ku والنطاق Ka مثاليًا للبث المباشر إلى المنزل (DTH) ، واتصالات البيانات عريضة النطاق ، والاتصالات الهاتفية المتنقلة وتطبيقات البيانات.

ينظم الاتحاد الدولي للاتصالات ، وهو وكالة متخصصة تابعة للأمم المتحدة ، الاتصالات الساتلية. يستقبل الاتحاد الدولي للاتصالات ، ومقره جنيف ، سويسرا ، طلبات استخدام الفواصل المدارية للسواتل ويوافق عليها. يعقد الاتحاد كل سنتين إلى أربع سنوات المؤتمر العالمي للاتصالات الراديوية ، المسؤول عن تخصيص الترددات لمختلف التطبيقات في مناطق مختلفة من العالم. تفرض وكالة تنظيم الاتصالات في كل دولة هذه اللوائح وتمنح تراخيص لمستخدمي الترددات المختلفة. في الولايات المتحدة ، الهيئة التنظيمية التي تحكم تخصيص التردد والترخيص هي لجنة الاتصالات الفيدرالية.

تطبيقات الأقمار الصناعية

أدى التقدم في تكنولوجيا الأقمار الصناعية إلى ظهور قطاع خدمات ساتلية سليم يقدم خدمات مختلفة للهيئات الإذاعية ومقدمي خدمات الإنترنت (ISPs) والحكومات والجيش وقطاعات أخرى. هناك ثلاثة أنواع من خدمات الاتصالات التي توفرها الأقمار الصناعية: الاتصالات والبث واتصالات البيانات. تشمل خدمات الاتصالات السلكية واللاسلكية المكالمات الهاتفية والخدمات المقدمة لشركات الهاتف ، وكذلك موفري الشبكات اللاسلكية والمتنقلة والخلوية.

تشمل خدمات البث الإذاعة والتليفزيون التي يتم تقديمها مباشرة إلى خدمات البث الاستهلاكي والمتنقلة. يتم تلقي خدمات DTH أو التليفزيون الفضائي (مثل DirecTV وخدمات DISH Network في الولايات المتحدة) مباشرة من قبل الأسر. يتم تسليم برمجة الكابلات والشبكات إلى المحطات المحلية والشركات التابعة إلى حد كبير عبر الأقمار الصناعية. تلعب الأقمار الصناعية أيضًا دورًا مهمًا في توصيل البرامج إلى الهواتف المحمولة والأجهزة المحمولة الأخرى ، مثل المساعد الرقمي الشخصي وأجهزة الكمبيوتر المحمولة.

هوائي طبق مكافئ للأقمار الصناعية غالبًا ما يتم تشكيل أطباق الأقمار الصناعية مثل أجزاء من القطع المكافئي (القطع المكافئ الذي يدور حول محوره المركزي) من أجل تركيز إشارات الإرسال على مستقبل الالتقاط ، أو قرن التغذية. عادة ، يتم تعويض قسم القطع المكافئ المستخدم من المركز بحيث لا تمنع وحدة التغذية ودعمها الإشارات إلى الطبق العاكس.

تتضمن اتصالات البيانات نقل البيانات من نقطة إلى أخرى. تستخدم الشركات والمنظمات التي تتطلب تبادل المعلومات المالية وغيرها بين مواقعها المختلفة الأقمار الصناعية لتسهيل نقل البيانات من خلال استخدام شبكات طرفية ذات فتحة صغيرة للغاية (VSAT). مع نمو الإنترنت ، تمر كمية كبيرة من حركة الإنترنت عبر الأقمار الصناعية ، مما يجعل مزودي خدمات الإنترنت من أكبر العملاء لخدمات الأقمار الصناعية.

غالبًا ما تُستخدم تكنولوجيا الاتصالات عبر الأقمار الصناعية أثناء الكوارث الطبيعية وحالات الطوارئ عندما تنخفض خدمات الاتصالات الأرضية. يمكن نشر معدات الأقمار الصناعية المحمولة في مناطق الكوارث لتقديم خدمات اتصالات الطوارئ.

إن أحد العيوب التقنية الرئيسية للسواتل ، خاصة تلك الموجودة في المدار الثابت بالنسبة للأرض ، هو التأخر المتأصل في الإرسال. في حين أن هناك طرقًا للتعويض عن هذا التأخير ، فإنه يجعل بعض التطبيقات التي تتطلب الإرسال والتعليقات في الوقت الفعلي ، مثل الاتصالات الصوتية ، ليست مثالية للأقمار الصناعية.

تواجه الأقمار الصناعية منافسة من وسائط أخرى مثل الألياف البصرية والكابلات وأنظمة التوصيل الأرضية الأخرى مثل الموجات الدقيقة وحتى خطوط الكهرباء. الميزة الرئيسية للأقمار الصناعية هي أنها يمكن أن توزع إشارات من نقطة واحدة إلى العديد من المواقع. على هذا النحو ، تعد تكنولوجيا الأقمار الصناعية مثالية للاتصالات “من نقطة إلى عدة نقاط” مثل البث. لا تتطلب الاتصالات عبر الأقمار الصناعية استثمارات ضخمة على الأرض – مما يجعلها مثالية للمناطق المحرومة والمعزولة ذات السكان المتناثرين.

الأقمار الصناعية وآليات التسليم الأخرى مثل الألياف الضوئية والكابلات والشبكات الأرضية الأخرى ليست حصرية بشكل متبادل. قد تكون هناك حاجة إلى مزيج من آليات التسليم المختلفة ، مما أدى إلى ظهور حلول هجينة مختلفة حيث يمكن أن تكون الأقمار الصناعية واحدة من الروابط في السلسلة بالاشتراك مع وسائط أخرى. يتمتع مقدمو الخدمات الأرضية الذين يطلق عليهم “النقل عن بُعد” بالقدرة على استقبال الإشارات من الأقمار الصناعية وإرسالها ، كما يوفرون إمكانية الاتصال بشبكات أرضية أخرى.

مستقبل الاتصالات الساتلية

في فترة زمنية قصيرة نسبيًا ، تطورت تكنولوجيا الأقمار الصناعية من التجريبية (سبوتنيك في عام 1957) إلى المتطورة والقوية. ستحتوي أقمار الاتصالات المستقبلية على المزيد من إمكانات المعالجة على متنها ، والمزيد من الطاقة ، وهوائيات ذات فتحة أكبر ستمكن الأقمار الصناعية من التعامل مع المزيد من عرض النطاق الترددي. ستؤدي التحسينات الإضافية في أنظمة الدفع والقوة للأقمار الصناعية إلى زيادة فترة خدمتها إلى 20-30 سنة من 10-15 سنة الحالية. بالإضافة إلى ذلك ، هناك ابتكارات تقنية أخرى مثل مركبات الإطلاق منخفضة التكلفة التي يمكن إعادة استخدامها قيد التطوير. مع تزايد حركة الفيديو والصوت والبيانات التي تتطلب كميات أكبر من النطاق الترددي ، لا يوجد ندرة في التطبيقات الناشئة التي ستدفع الطلب على خدمات الأقمار الصناعية في السنوات القادمة. إن الطلب على المزيد من عرض النطاق الترددي ، إلى جانب الابتكار المستمر وتطوير تكنولوجيا الأقمار الصناعية ، سيضمن استمرارية صناعة الأقمار الصناعية التجارية على المدى الطويل في القرن الحادي والعشرين.

إطلاق القمر الصناعي SYNCOM IV-3 من مكوك الفضاء الأمريكي Discovery ، في 12 أبريل 1985
الوسوم
اظهر المزيد

اترك تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني. الحقول الإلزامية مشار إليها بـ *

إغلاق
التخطي إلى شريط الأدوات