تاريخچه ماهواره هاي مخابراتي

[PHANTOM ™]

497

تحقیق در مورد مخابرات و مخابرات دریایی

تاريخچه ماهواره هاي مخابراتي




دانشمندان نويد مي دهند که سده بيست و يکم، گواه انقلاب واقعي در نظام ارتباطات فضايي خواهد بود که در طي بيست سال آينده منجر به تغيير مفاهيم زندگي بشر خواهد شد، مثلاً آموزش و بهداشت و ديگر خدمات ضروري به برکت ارتباطات برتر و از ميان خلاء با شتاب و کارايي والايي انجام خواهد گرفت. شبکه هاي اطلاعاتي با افق هاي دورتر و فراگيرتر گسترش خواهد يافت تا همه عرصه هاي تجاري، صنعتي، کشاورزي، علمي و رفاهي را دربرگيرد. طي چند سال آينده شبکه هايي از ماهواره ها در فضا گسترش خواهند يافت که شماره شان به هزاران هزار مي رسد و کاربردهاي گوناگوني خواهند داشت.

تا اويل سال ۱۹۶۰ ميلادي غير از چند ارتباط محدود که توسط دستگاه بي سيم برقرار شده بود مسئله انتخاب وجود نداشت و به علت ظرفيت کم و تقاضا براي ارتباطات بيشتر، انباشته بودن طيف هاي فرکانسي و ضعف سيستم انتقال صوتي تنها وسيله ارتباطي بين قاره اي کابل تلفني زيردريايي بود. اما در سال ۱۹۶۰ ميلادي يعني تقريباً سه سال بعد از پرتاب اولين سفينه شوروي، آمريکايي ها نخستين قمر مصنوعي مخابرات ي را در مدار زمين قرار دادند که قطر اين قمر بزرگ ۳۰ متر بود و در ارتفاع ۱۵۰۰ کيلومتري زمين گردش مي کرد. اين قمر مجهز به نوعي آينه بود که امواج را از ايستگاه هاي فرستنده مي گرفت و به ايستگاه هاي گيرنده که به علت کروي بودن زمين نمي توانستند آنها را به صورت مستقيم دريافت کنند منعکس مي کرد. به اين ترتيب اولين ارتباط آزمايشي به وسيله ماهواره بين دو نقطه دوردست آمريکا يعني از کاليفرنيا تا نيوجرسي برقرار شد و قسمت اعظم انرژي اشعه اي که از ايستگاه فرستنده ارسال مي شد در فضا پخش و تنها قسمت کوچکي از آن توسط ماهواره منعکس مي شد و براي اينکه اشعه منعکس شده قابل استفاده شود لازم بود به وسيله ايستگاه عظيم و پرقدرتي تقويت شود که نتيجه کار مطلوب نبود به همين دليل آمريکايي ها شروع به ساختن قمر مصنوعي مخابرات ي جديدي کردند که امواج را به وسيله آنتن هايي از زمين دريافت و پس از تقويت به سوي ايستگاه هاي گيرنده زميني ارسال کند. و انديشه استفاده از ماهواره ها به صورت رله براي ارتباطات راه دور ابتدا از سوي نويسنده معروف داستان هاي علمي -تخيلي و يکي از بنيانگذاران انجمن انگليسي بين ستاره ها آرتورسي کلارک مطرح شد و در مقاله اي در اکتبر سال ۱۹۴۵ ميلادي مجله جهان بي سيم چاپ شد که اين مقاله سرآغازي براي شروع فعاليت هاي جدي ارتباطات ماهواره اي شد.

● فعاليت هاي کلارک

کلارک با درنظر گرفتن سه ماهواره در ارتفاع ۳۶ هزار کيلومتري از سطح زمين و روي محيط مدار دايره اي شکل دور کره زمين به فواصل مساوي از هم، پوشش ارتباط ماهواره اي تمام سطح زمين را ميسر مي ساخت. بعد از چاپ مقاله کلارک طي ده سال سه اختراع مهم انجام شد که مورد استفاده آنها در ساخت ماهواره ها است؛ اولي سلول هاي خورشيدي است که تبديل کننده انرژي نوري خورشيد به الکتريسيته هستند، دوم انواع مختلف ترانزيستور و سوم لامپ تقويت موج راديويي بوده است. در واقع اين نوع تقويت کننده ها با طيف وسيع فرکانس و بازدهي حدود ۲۰ الي ۴۰ درصد از معمولي ترين نوع تقويت کننده در امواج مخابرات ي ماهواره اي محسوب مي شوند.

در سال ۱۹۶۲ ميلادي، تاريخ ارتباطات ورق خورد و نخستين ماهواره از نوع رله و تقويت کننده اي به نام تله استار در دهم ژوئيه همين سال از سوي آمريکا در مدار قرار گرفت و براي اولين بار برنامه اي از تلويزيون آمريکا توسط اين قمر مصنوعي که بر بالاي اقيانوس اطلس قرار داشت منعکس و براي مردم نمايش داده شد و به دنبال آن دومين ماهواره از همين نوع چند ماه بعد پرتاب شد و ماهواره تله استار در مداري که فاصله آن بين ۹۰۰ تا ۵۵۰۰ کيلومتر بالاتر از سطح دريا قرار داشت نصب شد. اين ماهواره ها تقريباً هر دو ساعت و نيم يک بار کره زمين را دور مي زدند و به دليل اينکه کره زمين در هر ۲۴ ساعت يک بار به دور خود مي چرخد ارتباط بين دو نقطه از زمين فقط چند بار در شبانه روز امکان پذير بود و اين ماهواره تنها مدت کوتاهي در يک نقطه قابل رويت مي ماند که اين مدت به ارتفاع مدار قمر مصنوعي که از سطح دريا قرار داشت وابسته بود. براي برقراري ارتباط دائمي، فقط يک راه به نظر مي رسيد و آن اينکه ماهواره بايد در بالاي يک نقطه از زمين در ارتفاع معيني ثابت بماند که ظاهراً خيلي مشکل بود ولي عملاً وقتي زمان گردش ماهواره به دور زمين ۲۴ ساعت باشد همزمان با کره زمين به دور آن خواهد گشت و از نظر ما در آسمان بي حرکت خواهد ماند چون اين قمر مصنوعي در يک مدار دايره اي حرکت مي کند که مرکز آن منطبق بر مرکز کره زمين و صفحه اين دايره نيز عمود بر محور زمين است. اين مدار دايره اي به موازات خط استوا خواهد بود و همين طور به دليل سرعت قمر مصنوعي نمي تواند از مقدار معيني کمتر باشد به دليل آنکه قمر مصنوعي بايد در ۲۴ ساعت يک بار به دور زمين چرخش نمايد، مي بايست محيط دايره اي مسير قمر مصنوعي و در نتيجه ارتفاع مدار آن را بيشتر کرد.محاسبات و تجربه هاي عملي نشان داده که براي اين منظور، بايد ارتفاع ماهواره از سطح دريا حدوداً ۳۶ هزار کيلومتر باشد؛ فاصله اي که در آن از طرف زمين نيروي جاذبه به ماهواره وارد نمي شود.

اين مدار را اصطلاحاً مدار ژئوسنکرون يا زمين آهنگ مي نامند. وقتي که ماهواره به ارتفاع ۳۶ هزار کيلومتري از سطح دريا رسيد آن را به آرامي منحرف مي کنند که در بالاي نقاط انتخاب شده باقي بماند ولي در صورت انحراف از مسير اصلي و دور شدن از نقطه دلخواه توسط موتورهاي عکس العملي کوچکي که در آنها تعبيه شده و از ايستگاه هاي کنترل زمين هدايت مي شوند آن را دوباره به وضعيت مطلوب برمي گردانند. بدين ترتيب سير تحولات ماهواره هاي مخابرات ي ادامه پيدا کرد تا به امروز که شاهد به کارگيري تکنيک هاي بسيار پيشرفته در اين سيستم ها جهت ارتقاي سطح کيفيت و افزايش ظرفيت آنها هستيم.

● ماهواره هاي مخابرات ي

گسترش ارتباطات در سطح جهان، استفاده از سيستم هاي مخابرات ي را با ظرفيت بيشتر و پوشش وسيع تر و کيفيت بهتر طلب مي کند و براي تامين اين موارد يکي از روش هايي که مي تواند به طور مناسب جوابگوي نيازهاي فعلي و آتي بشر در اين زمينه باشد استفاده از ماهواره هاي مخابرات ي است. ماهواره هاي مخابرات ي سفينه اي است که سيگنال هاي الکتريکي را از فرستنده اي زميني دريافت مي کند و بعد از تقويت و تغيير فرکانس هاي حامل به سمت ايستگاه هاي زميني در نقاط ديگر ارسال مي کند. چون ماهواره هاي مخابرات ي سيگنال ها را تقويت کرده و سپس بازگشت مي دهند، بيشتر به عنوان تکرارکننده و رله شناخته مي شوند. ماهواره هاي مخابرات ي معمولاً در مدارهاي خاصي از کره زمين قرار مي گيرند که به نظر فرستنده ها و گيرنده هاي روي زمين ثابت به نظر مي آيند. به کمک يک فرستنده بر روي زمين و يک ماهواره هم بر روي يک مدار، مي توان حدود يک سوم سطح زمين را پوشش داد. اولين ماهواره مخابرات ي بين المللي از سري اينتل است با ظرفيت ۲۴۰ کانال تلفني در سال ۱۹۶۵ ميلادي به فضا پرتاب شد و سرآغازي براي پوشش ارتباطات ماهواره اي در سطح بين المللي شد. موارد استفاده ماهواره هاي مخابرات ي و تاثير فراوان آن بر زندگي بشر باعث شده که روزبه روز توجه انسان به اين وسيله ارتباطي افزايش يابد.

داشتن ماهواره مخابرات ي مستقل براي هر کشوري باعث ايجاد تسهيلات در امر انتقال اطلاعات کامپيوتري از دانشگاه ها به مراکز تحقيقات و بالعکس، هر چه سريع تر انجام شدن امور اقتصادي، پوشش کليه نقاط کشور از نظر برنامه هاي تلويزيوني، راديويي و تلفني با نصب سريع آنتن هاي گيرنده زميني در نقاط مختلف کشور، آموزش کشاورزي و پزشکي از راه دور و کاربردهاي وسيع و متنوع ديگري خواهد بود. ماهواره هاي مخابرات ي در مدار خاصي مستقر مي شوند که حدود ۳۵۷۸۸ کيلومتر از خط استوا فاصله دارند. هر ماهواره با سرعت و جهتي همسان با کره زمين در حال حرکت است در اين شرايط ماهواره در مکاني بالاي خط استوا نسبت به زمين ثابت مي شود. ماهواره هاي مخابرات ي ابتدا براي ارتباطات تلفني طراحي شده اند ولي امروزه شاهد ارائه سرويس هاي گوناگوني از قبيل کاربردهاي تلويزيوني تجاري و کنفرانس از راه دور از طريق ماهواره هستيم اما هنوز سرويس تلفني بالاترين حجم را در بين ديگر سرويس ها حفظ کرده است.

در حال حاضر از ۱۹ ماهواره مخابرات ي بين المللي از سري اينتل ست ده ماهواره بالاي اقيانوس اطلس، چهار ماهواره بر روي اقيانوس آرام و پنج ماهواره ديگر بالاي اقيانوس هند قرار دارد و اين ماهواره ها يک ارتباط ماهواره اي بين المللي با زير پوشش قرار دادن تقريباً کليه نقاط دنيا به وجود آورده اند. يک ماهواره مخابرات ي که در واقع يک نوع تکرارکننده فرکانس هاي راديويي است در ساده ترين شکل خود عمليات را انجام مي دهد.سيگنال هاي دريافت شده توسط آنتن ماهواره ابتدا به علت افت بسيار زيادي که بر اثر مسير طولاني داشته تقويت و سپس با فرکانس نوسان ساز محلي مخلوط مي شود و تغيير فرکانس مي دهد و بالاخره پس از تقويت مجدد به آنتن فرستنده ماهواره داده مي شود تا به طرف ايستگاه هاي مورد نظر و زير پوشش ارسال شود.

ماهواره هاي مخابرات ي معمولاً بين ۸ تا ۱۲ سال عمر مي کنند. در واقع ميزان سوخت مورد نياز سيستم فرعي براي حفظ موقعيت ماهواره و همچنين از کارافتادن تدريجي سلول هاي خورشيدي که در سيستم فرعي تغذيه قدرت الکتريکي قرار دارند از عوامل محدودکننده عمر ماهواره هستند.

● ويژگي هاي ماهواره هاي مخابرات ي

▪ گسترش منطقه تحت پوشش

ارتباط بين نقاط مختلفي که در پوشش يک ماهواره قرار دارند به آساني امکان پذير است و وسعت زير پوشش ماهواره بستگي به نوع آنتن ماهواره دارد که مي تواند محلي نسبتاً کوچک يا يک کشور و يا منطقه اي متشکل از چندين کشور و يا يک نيم کره باشد.

▪ انعطاف پذيري

هر جا يک پايانه ماهواره اي وجود داشته باشد امکان استفاده از سيستم ماهواره اي فراهم خواهد بود. اين پايانه ها را مي توان بر روي سکوي کشتي، هواپيما و واحدهاي متمرکز معيني قرار داد و از طريق آن با نقاط ديگر ارتباط برقرار کرد.

▪ پهناي باند زياد

با توجه به اين که در فرکانس هاي بالا مثل ۱۱ و ۱۴ گيگاهرتز پهناي باند بيشتري در اختيار ما قرار دارد مي توان از برنامه هاي تلويزيوني با کيفيت بالا، کانال هاي زياد تلفني و انتقال اطلاعات با سرعت بالا برخوردار شويم.

▪ هزينه کم

با توجه به اين که ايجاد ارتباط بين دو نقطه توسط ماهواره مستقل از فاصله بين آنها است اين نقاط مي توانند در هر فاصله اي از يکديگر در منطقه زير پوشش واقع شده باشند لذا هزينه هاي مربوطه، به بعد مسافت بستگي ندارد و براي بسياري از موارد از هزينه ايجاد يک شبکه زيرزميني کمتر خواهد بود.

▪ ضريب اطمينان

ارتباط بين دو نقطه در شبکه ماهواره اي مخابرات داراي ضريب اطميناني برابر يا بهتر از ارتباط از مسيرهاي زميني است.

▪ سرعت دريافت

به علت مسافت زياد مثلاً بين ۷۲ هزار تا ۸۲ هزار کيلومتر بين دو پايانه ايستگاه ماهواره اي زميني سيگنال فرستاده شده که با سرعت نور حرکت مي کند حداقل ۳۰۰ ميلي ثانيه طول مي کشد تا به پايانه ديگر برسد.

▪ ايجاد اکو

بر اثر تبديل خطوط انتقال از دو سيم به چهار سيم در قسمتي از مسير شبکه زميني، سيگنال با پديده اکو روبه رو مي شود به اين معني که بخشي از سيگنال هاي آن بازگشت داده مي شود. براي کاهش اين حادثه ناخواسته و مزاحم از تجهيزاتي به نام حذف کننده اکو استفاده مي شود.

در زمينه مزيت هاي بيشتر ماهواره مخابرات ي مي توان گفت که سيگنال هاي راديويي منتشر شده از ماهواره مخابرات ي به طور همزمان مي تواند توسط چندين ايستگاه زميني زير پوشش دريافت شود و اين مسئله فقط از طريق ماهواره هاي مخابرات ي امکان پذير است و از راه کابل يا ديگر وسايل ارتباطي ميسر نيست. در واقع ارتباطات ماهواره اي براي ايجاد ارتباط بين المللي بين کشورها و ارتباطات محلي بين شهرها و مناطق دورافتاده بسيار مناسب است و مي توان با استفاده از ماهواره مخابرات ي يک شبکه ارتباطي با کيفيت بالا و هزينه کم در سطحي گسترده ايجاد کرد.

● ماهواره هاي راديو و تلويزيوني

شکي نيست که وسايل ارتباط جمعي از قبيل راديو و تلويزيون در پيشبرد هدف هاي اجتماعي، اقتصادي، فرهنگي و فني تاثير بسزايي دارند. در سال هاي اخير پخش صدا و تصوير از طريق ماهواره به عنوان موثرترين وسيله در نيل به هدف هاي فوق توجه همگان را به خود جلب کرده است. براي اين منظور برنامه تلويزيوني از يک ايستگاه زميني به ماهواره ارسال مي شود و سپس ماهواره تصوير فوق را روي يک شعاع باريک که فقط ناحيه مشخص شده اي از زمين را مي پوشاند برمي گرداند. ايستگاه زميني با آنتن هاي بشقابي شکل تصوير را مي گيرد و آن را دوباره پخش مي کند. به عبارت ديگر مي تواند در آن واحد و به طور همزمان مثلاً در ايران برنامه هاي تلويزيوني خيلي از کشورها را مشاهده کرد. اين گونه ماهواره ها مي توانند ارتباط برنامه هاي راديو و تلويزيون را به طور مستقيم بين ماهواره و گيرنده هاي خانگي تلويزيون برقرار کنند. در ژاپن و فرانسه تصاوير تلويزيوني مستقيماً از ماهواره به گيرنده هاي خانگي که آنتن هاي کوچک و تقريباً ارزان قيمتي دارند انتقال پيدا مي کند. چنان چه قرار باشد اين روش در سطوح وسيع خود به کار گرفته شود مسائل بغرنجي در زمينه حقوق فضايي و سياسي به وجود مي آيد، بدين منظور کميته هاي تخصصي سازمان ملل متحد مشغول بررسي هستند تا راه حل هاي مناسبي براي اين مسئله پيدا کنند اما در حال حاضر در بسياري از کشورها امکان دريافت سيگنال هاي صوتي و يا تصويري به کمک آنتن هاي معمولي وجود ندارد.