نحوه عملکرد ماهواره

[mpkahkeshan]

سلام دوستان گرامی.
می خواستم بدونم که ماهواره ها چه طور کار می کنند. یعنی چه طوری ارسال و دریافت اطلاعات رو انجام می دهند؟ عکس گرفته شده یا هر چیز دیگه رو چه طور به استگاه های زمینی ارسال می کنند؟ ایستگاه های زمینی چه طور ماهواره رو تشخیص می دهند و اطلاعات را از آن می گیرند؟ (البته می دونم این ها با امواج رادیویی انجام میشه. ولی می خوام نحوه عملکرد دقیقشون رو بدونم.)
ممنون میشم اگر کمکم کنید.

[sayed mojtaba]

یک ماهواره ارتباطی یک نقطه رله رادیویی در مدار بالای زمین است که سیگنال های آنالوگ و دیجیتال موجود روی یک فرکانس رادیویی را دریافت کرده ، قدرت آن را افزایش می دهد و سپس به سوی زمین روانه می کند. ماهواره توسط موشک به سوی فضا پرتاب می شود و در مدار مخصوص خود قرار می گیرد. مزایای ماهواره سبب شده تا ماهواره به عنوان مناسب ترین بستر ارتباطی در نقاط خاص و یا دورافتاده که دسترسی به بسترهای زمینی سخت و یا غیر ممکن است تبدیل شود. در زیر مزایای مخابرات ماهواره ای را ذکر می کنیم:
فرض کنید روی قله یک کوه با یک توپ جنگی گلوله ای را پرتاب می کنید. ( بدون در نظر گرفتن مقاومت هوا ) هر چه نیروی پرتاب کننده بیشتر باشد ، سرعت گلوله بهنگام خروج از لوله بیشتر خواهد بود و گلوله مسافت بیشتری طی خواهد کرد تا با نیروی جاذبه زمین سقوط کند . حال اگر سرعت پرتاب به ۷٫۹ کیلومتر در ثانیه ( ۲۸۰۰ کیلومتر در ساعت ) برسد ، گلوله دیگر به زمین سقوط نخواهد کرد و با همان سرعت دور زمین ( در مدار دایره ای شکل ) خواهد چرخید. در این حالت گلوله تبدیل به یک ماهواره شده و اگر نیروی اصطحکاک هوا نباشد ، گلوله تا ابد در مدار زمین باقی می ماند ولی بخاطر وجود اصطحکاک هوا در ارتفاعات کم ، سرعت گلوله کم شده و در نهایت سقوط خواهد کرد. اگر سرعت پرتابه را افزایش دهیم ، مدار حرکت گلوله دور زمین از حالت دایره به حالت بیضی شکل تغییر خواهد کرد و با افزایش سرعت ، مدار حرکت بیضی تر خواهد شد .
مزایای کلیدی ماهواره:
پوشش گسترده: ارتباطات ماهواره ای با توجه به طبیعت ماهواره که نقاط وسیعی از سطح زمین را پوشش می دهد به راحتی نیاز ارتباطی تا سطح بین قاره ای را برطرف می کند. در نتیجه مسافت هیچ گونه تأثیری در هزینه نخواهد داشت و به طور مثال هزینه ارتباط بین دو نقطه در تهران با ارتباط ایران و کشورهای دیگر برابر است.
پرکاربرد: با توجه به انعطاف پذیری این تکنولوژی نوین کلیه نیازهای ارتباطی را می توان با استفاده از این بستر برطرف کرد. DATA (از قبیل اطلاعات اقتصادی ، بانک های اطلاعاتی ، ….) ، VOICE (انتقال مکالمات ، ایجاد شبکه داخلی تلفنی ، …) ، VIDEO ( video conference ، SNG ، IPTV ، شبکه های تلویزیونی ، …)
امنیت و پایداری: ارتباطات ماهواره ای بر خلاف ارتباطات زمینی که معمولاً با گذر از چندین شبکه در طول مسیر به مقصد می رسند ، به طور مستقیم و بدون هیچگونه واسط به محل و شبکه مورد نظر متصل می شوند. این مسئله باعث افزایش ضریب امنیت اطلاعات می شود. پایداری این نوع ارتباطات ۹/۹۹% می باشد.
قابل گسترش: در شبکه های ماهواره ای به راحتی و به سرعت می توان پهنای باند را افزایش داد و به این صورت نیازهای جدید به بستر ارتباطی را فراهم می کند.
قابل انعطاف: شبکه های ماهواره ای را می توان به راحتی با شبکه های زمینی پیوند داد. این بدان معنی است که ماهواره می تواند در کنار یک شبکه های Fiber ، Wireless ، WiMax ، XDSL ، Microwave ، … قرار گیرد و به عنوان پشتیبان و یا پوشش دهنده نقاط خاص و یا نیازهای موقت به راحتی عمل کند.
سرعت بکارگیری بالا: ایستگاه های ارسال و دریافت ماهواره به سرعت و بدون نیاز به به بستر ارتباطی راه اندازی می شوند. این مزیت ماهواره را به مناسب ترین راه حل برای راه اندازی ارتباطات سریع در زمان های حساس مانند بلایای طبیعی ، گزارش های تلویزیونی ، همایش ها و … تبدیل کرده است.

[sayed mojtaba]

قرار دادن ماهواره در مدار
برای قرار دادن ماهواره در مدار بالایی و دایره ای شکل بدور زمین از موشک های ۲ مرحله ای استفاده می کنند. به این صورت که موشک پس از بلند شدن و در ارتفاع کم ، مسیر مستقیم خود را کج می کند تا در مدار زمین قرار گیرد. در این لحظه موتور مرحله اول از موشک جدا می شود. همین لحظه موتور مرحله دوم روشن می شود و موشک در مدار بیضی شکل دور زمین شروع به گردش می کند. موتور مرحله دوم خاموش می شود و وقتی موشک به نقطه اوج ( دورترین نقطه از زمین مدار بیضی از زمین) رسید ، موتور دوم یکبار دیگر روشن می شود تا موشک در مدار دایره ای شکل بزرگ قرار گیرد. در همین لحظه ماهواره از موتور دوم جدا می شود و سپس با همان سرعت اولیه که از موشک در حال حرکت جدا شده ، در مدار دایره ای شکل دور زمین می گردد .
ارتفاع ماهواره ها از سطح زمین :

ماهواره های جاسوسی را اغلب در ارتفاعات کم ( ۴۸۰ تا ۹۷۰ کیلومتری) قرار می دهند. این ماهواره ها می توانند در عرض کمتر از دو ساعت دور زمین گردش کنند و عکس های دقیق از مراکز نظامی بگیرند.
ماهواره های علمی در مدارات میانی ( ارتفاع ۴۸۰۰ تا ۹۷۰۰ کیلومتری) قرار داده می شوند. از این ماهواره ها برای تحقیق در مورد مهاجرت حیوانات و بررسی فعالیت آتشفشانها استفاده می شود.
ماهواره های سیستم موقعیت یابی جهانی (gps ) در ارتفاع ۱۰۰۰۰ تا ۲۰۰۰ کیلومتری قرار داده می شوند.
ماهواره های ارتباطی مثل ماهواره تلویزیونی را در ارتفاع ۳۵۷۸۶ کیلومتری قرار می دهند. زمان گردش ماهواره هایی که در این ارتفاع قرار می گیرند ، با زمان چرخش زمین یکی است . به همین دلیل برای دریافت اطلاعات از این ماهواره ها ، نیازی به جابجایی مکرر گیرنده زمینی ( بشقاب ماهواره ) نیست.

کاربردهای ماهواره‌های ارتباطی

ماهواره‌های ارتباطی از لحاظ کاربرد‌های آن‌ها به سه نوع، طبقه‌بندی می‌شوند:
۱٫ ماهواره‌های ارتباطی نقطه به نقطه؛ این نوع ماهواره فقط پیام را از یک فرستنده نیرومند، به یک دستگاه گیرنده نیرومند می‌رساند تا از آن‌جا برای استفاده عمومی پخش شود. مهم‌ترین موارد استفاده این قبیل ماهواره‌ها عبارتند از: توسعه ارتباطات تلفنی و تلگرافی، انتقال صفحات روزنامه‌ها، تقویت فرستنده‌های رادیویی و تقویت فرستنده‌های تلویزیونی.
۲٫ ماهواره‌های توزیع‌کننده؛ این دسته از ماهواره‌ها، برنامه‌های تلویزیون را به‌طور مستقیم از فرستنده اصلی به فرستنده‌های محلّی منتقل می‌کنند. ماهواره‌های مولینا و ارلی برد که توسط شوروی و آمریکا به فضا فرستاده شدند، از این قبیل هستند.
۳٫ ماهواره‌های پخش غیرمستقیم؛ این‌گونه از ماهواره‌ها برنامه‌های تلویزیونی را در سراسر جهان، مستقیماً از فرستنده‌ها به دستگاه‌های گیرنده شخصی می‌رسانند.
انواع ماهواره‌های ارتباطی از نظر استقرار و گردش
ماهواره‌های ارتباطی از جهت چگونگی استقرار و گردش آن‌ها در اطراف کره زمین به ماهواره‌های ثابت و مداری تقسیم می‌شوند:
۱٫ ماهواره‌های ثابت؛ ماهواره‌هایی که با موشک‌های پرتاب‌کننده بسیار نیرومند در مدارهای استوایی زمینی قرار داده می‌شود و در فضا وضع ثابتی پیدا می‌کنند.
۲٫ ماهواره‌های مداری؛ ماهواره‌هایی که در مدارهای بیضی شکل در فضا حرکت کرده و معمولاً هر ۱۲ ساعت یکبار در بالای مناطق معین قرار می‌گیرند.

کره ماه ( ماهواره طبیعی زمین ) هم ارتفاع ( فاصله ) حدود ۳۸۴۰۰۰ کیلومتری از سطح زمین در حال گردش بدور زمین است ، دارای سرعتی معادل ۱ کیلومتر در ثانیه است . با این فاصله و سرعت زمان یک دور گردش ماه بدور زمین حدودا ۲۸ روز طول می کشد که همان طول ماه قمری است .

[sayed mojtaba]

رابطه سرعت با ارتفاع :
همانطور که می دانید با افزایش ارتفاع از سطح زمین ، نیروی جاذبه کم می شود. هر مدار دایره ای ماهواره ، سرعت مخصوصی دارد که به آن سرعت پایداری مدار می گویند. در این سرعت نیروی جاذبه با نیروی گریز از مرکز در حالت تعادل قرار دارند. اگر سرعت ماهواره را به کمتر از سرعت پایداری کاهش دهیم ،‌ نیروی جاذبه بر نیروی گریز از مرکز غلبه کرده و ماهواره به مدار پایین تر ( ارتفاع کمتر ) سقوط خواهد کرد و بالعکس اگر سرعت ماهواره را افزایش دهیم ، نیروی گریز از مرکز بر نیروی جاذبه غلبه کرده و ماهواره در مدار بالاتر ( بیضی کشیده ) قرار می گیرد.

ارتفاع از سطح زمین ( کیلومتر )	سرعت پایداری مدار گردش	زمان یک گردش کامل بدور زمین
۲۰۰	۷٫۷۸ ( کیلومتر در ثانیه )	۸۸ دقیقه
۵۰۰	۷٫۶۱ ( کیلومتر در ثانیه )	۹۴ دقیقه
۱۰۰۰	۷٫۳۵ ( کیلومتر در ثانیه )	۱۰۵ دقیقه
۱۰۰۰۰	۴٫۹۳ ( کیلومتر در ثانیه )	حدود ۶ ساعت
۱۰۰۰۰۰	۱٫۹۴ ( کیلومتر در ثانیه )	حدود ۴ روز
۱۰۰۰۰۰۰	۰٫۶۳( کیلومتر در ثانیه )	حدود ۴ ماه

با کاهش سرعت ماهواره پس از پایان ماموریت ، ارتفاع آن کم می شود تا وارد جو شود. از آنجا که سرعت گردش ماهواره در هنگام برخورد به ملکولهای هوای جو هنوز بسیار زیاد است ، دمای سطح ماهواره آنقدر بالا می رود که قطعات آن آتش گرفته و میسوزند .
البته برخی قطعات نسوخته ماهواره ها یا موشکها در مدار زمین باقی می مانند . این قطعات بخاطر سرعت زیادی که در گردش بدور زمین دارند ، برای دیگر ماهواره ها و نیز موشک ها و شاتل های فضایی بسیار خطرناک هستند بطوریکه اگر یک قطعه کوچک ( به اندازه یک توپ پینگ پنگ ) به شاتلی اصابت کند ، مانند یک خمپاره عمل خواهد کرد و ممکن است شاتل را منفجر کند ! دانشمندان سعی می کنند ماهواره ها را از موادی بسازند که در هنگام برخورد با جو کاملا بسوزند و قطعات خطرناک آنها در جو باقی نماند.
پوشش ماهواره
سطح زیر پوشش ماهواره از مهم‌ترین مسائل، در طراحی سیستم‌های ماهواره‌ای به‌شمار می‌رود. برای سطح پوشش ماهواره‌ها، چند نوع پوشش ممکن برای ماهواره‌های ثابت می‌توان در نظر گرفت:

۱٫ پوشش عمومی؛ سطح پوشش مفید در این حالت برابر ۱۹۵ میلیون کیلومتر مربع است.
۲٫ پوشش منطقه‌ای؛ سطح زیر پوشش آن از پوشش عمومی کمتر است.
۳٫ پوشش نیم‌کره‌ای؛ بخشی از کره زمین(معمولاً نیم‌کره را شامل می‌شود) را پوشش می‌دهد.
۴٫ پوشش نقطه‌ای؛ پوشش فقط بر روی یک کشور و یا یک نقطه خاص متمرکز می‌شود.
۵٫ پوشش شکل داده شده؛ در این حالت، پرتو تشعشعی آنتن، برای زیر پوشش قرار دادن کشور یا محلی مشخص، به شکل همان کشور یا منطقه خواهد بود و حتی می‌تواند یک کشور را از پوشش خود خارج کند.
سرویس‌های ماهواره‌ای
انواع خدمات اصلی که توسط اتحادیه بین‌الملل ارتباطات iiu برای ماهواره‌ها در نظر گرفته شده است را می‌توان به این‌صورت بیان کرد:
۱٫ سرویس ارتباط ثابت ماهواره‌ای؛ ارتباط رادیویی بین ایستگاه‌های زمینی در نقاط مشخص و معیّن از طریق یک یا چند ماهواره صورت می‌گیرد؛
۲٫ سرویس ارتباط سیار ماهواره‌ای؛ بین ایستگاه‌های زمینی سیّار با یک یا چند ایستگاه فضایی سیّار یا بین ایستگاه‌های فضایی سیّار از این سرویس استفاده می‌کنند.
۳٫ سرویس ماهواره‌ای پخش رادیو و تلویزیون؛ در سرویس ارتباط رادیویی، سیگنال صوتی یا تلویزیونی از ایستگاه‌های فضایی به‌طور مستقیم برای استفاده عمومی ارسال می‌شود و در واقع، عموم مردم می‌توانند با یک آنتن بسیار کوچک، سیگنال رادیو و تلویزیون را از ماهواره به‌طور مستقیم دریافت کنند.
۴٫ سرویس ماهواره‌ای تعیین محل ایستگاه‌های فرستنده؛ این سرویس، سرویس ارتباط رادیویی برای تعیین ایستگاه‌های فرستنده رادیویی می‌باشد.
۵٫ سرویس هدابت رادیویی ماهواره‌ای؛ این نوع سرویس، سرویس ارتباط رادیویی برای ارتباطات هدایت ایستگاه‌های سیار، مانند کشتی و هواپیما می‌باشد.
۶٫ سرویس زمین‌شناسی ماهواره‌ای؛ سرویس ارتباط رادیویی است، که در آن گیرنده‌های حسّاس و غیر فعّال روی ماهواره‌ها، اطلاعات مربوط به مشخصات و پدیده‌های غیر طبیعی زمینی را جمع‌آوری می‌کنند.
۷٫ سرویس ماهواره‌ای gps؛ سرویس ارتباط رادیویی برای هماهنگ کردن و استاندارد نگه‌داشتن فرکانس و وقت در نقاط مختلف جهام و سنکرون کردن سیستم‌ها با دقت بسیار زیاد می‌باشد.
۸٫ سرویس ماهواره‌ای ارتباطات آماتوری؛ نوعی سرویس ارتباط رادیویی برای ایستگاه‌های فضایی است که به‌منظور خودآموزی ارتباطات داخلی برای بررسی‌ها و مطالعات فنّی؛ که توسط افراد آماتور صورت می‌گیرد، به این نام، نام‌گذاری شده است.

انواع لینک ماهواره‌ای

۱٫ فضا–زمینی؛ ماهواره، اطلاعات را از اطراف گرفته و توسط اطلاعات موجود در داخل خود به پایانه‌های روی زمین رله می‌کند.
۲٫ فضا-فضا؛ در این حالت، دو یا چند ماهواره در فضای بین خود، ارتباط برقرار می‌کنند.
۳٫ زمین-فضا-زمین: در این حالت دو یا چند ایستگاه مستقر در سطح زمین می‌توانند از طریق ماهواره با یکدیگر در ارتباط باشند.