ماهواره های زمین اهنگ

[Joseph Goebbels]

ماهواره های زمین اهنگ

گرداوری : اقای رسول سیرتی
منبع : صنایع هوافضا / ش 78


محاسبات ریاضی نشان می دهد که اگر جسمی در مداری به فاصله 42164 کیلومتری از مرکز زمین قرار بگیرد ، دوره چرخش ان به دور زمین براب با طول یک شبانه روز می شود و بنابراین نسبت به یک منطقه از زمین ، ثابت می ماند . همین پدیده باعث شد که انسان به فکر قرار دادن ماهواره هایی در چنین مداری بیفتد تا بتواند پوشش ثابتی را برای یک منطقه مشخص برقرار نماید . ماهواره های زمین اهنگ اغلب مصارف مخابراتنی دارند . البته در کاربری های هواشناسی یا ماموریت های نظامی نیز می توانند مورد استفاده قرار گیرند . مدار این ماهواره ها در زاویه میل صفر درجه تعریف می شوند.


هر اندازه فاصله یک مدار ماهواره ای از مرکز زمین ( یا به عبارت دیگر ، ارتفاع ان از سطح زمین ) بیشتر می شود ، دوره یا مدت زمان چرخش ان نیز به دور زمین افزایش می یابد . ماهواره هایی با ارتفاع حدود 150 ، 200 الی 300 کیلومتری از سطح زمین ، دوره چرخشی در حدود یک یا چند ساعت دارند و در طول روز چندین بار کره زمین را دور می زنند . کره ماه نیز که در ارتفاع حدود 385000 کیلومتری از سطح زمین قرار دارد ، هر 30 روز یکبار بصورت کامل زمین را دور می زند .
بنابر محاسبات ریاضی و همچنین مشاهده عملی ، در یک ارتفاع مشخص از سطح زمین ( یا به عبارت دیگر فاصله مشخص از مرکز زمین ) دوره چرخش ماهواره به دور زمین برابر با دوره حرکت وضعی زمین ( یا به عبارت دیگر طول یک روز و شب کامل 23 ساعت و 56 دقیقه و 4 ثانیه ، یا به عبارت دقیق تر 86164/1 ثانیه ) می باشد . بدیهی است در چنین مداری ، ماهواره نسبت به یک منطقه از زمین ثابت و بدون حرکت نسبی قرار می گیرد . ارتفاع این مدار دایروی از سطح دریا ، در حدود 35786 کیلومتر و فاصله ان از مرکز زمین برابر با 42164 کیلومتر است . ماهواره هایی که در این مدار قرار می گیرند ، ماهواره های زمین اهنگ یا geo نامیده می شود .


ایده اولیه وجود چنین مداری به اندیشه ها و تحقیقات " کنستانتین تسیلکوفسکی " روسی بر می گردد . هرمان اوبرت المانی نیز در دهه 20 به وجود چنین قابلیتی در مدار حدود 35900 کیلومتری از سطح دریا اشاره کرد . اما اشکارترین و کاربردی ترین اشاره به چنین مداری و کاربردهای عملیاتی ان را " آرتور سی . کلارک " نویسنده استرالیایی ، طی مقاله ای با عنوان : " رله های خارج از زمین " در مجله " جهان بی سیم " ، در اکتبر 1945 ارائه کرد . کلارک در این مقاله حتی توان و بسامد ( فرکانس ) های مورد نیاز برای چنین ماهواره ای را محاسبه و ارائه نمود . کلارک نشان داد که چگونه می توان کل کره را زیر پوشش 3 ماهواره زمین اهنگ قرار داد . از همین رو گامی به مدار زمین اهنگ ، مدار کلارک نیز گفته می شود . 19 سال بعد در 19 اگوست 1964 با پرتاب موفقیت امیز ماهواره " سینکام -3 " توسط پرتابگر دلتا از مرکز فضایی " کیپ کاناورال " اولین ماهواره زمین اهنگ جهان ، در حالی که ماموریتی مخابراتی داشت ، به فضا پرتاب شد . سینکام -3 موفق شد تا تصاویر تلویزیونی مسابقات المپیک تابستانی توکیو را در سال 1964 برای امریکا مخابره کند .

ادامه دارد...

گرداوری : اقای رسول سیرتی

منبع : صنایع هوافضا / ش 78

[Joseph Goebbels]

کاربردها و ملاحظات ماهواره های زمین اهنگ :

بیشترین کاربرد ماهواره های زمین اهنگ در مخابرات از راه دور ، ارتباطات تلفنی ، پخش تلویزیونی ، رادیویی و ویدئو کنفرانس است .


البته این نوع ماهواره ها در هواشناسی و مخابرات نظامی ، نیز کاربرد وسیعی دارند . از این نوع ماهواره ها به دلیل فاصله بسیار دورتری که از زمین دارند در کابردهای سنجشی کمتر استفاده می شود . تا دهه 80 تقریبا کلیه خدمات مخابراتی تجاری توسط ماهواره های زمین اهنگ پوشش داده میشد . اما در دهه 90 یک سری ماهواره های زنجیره ای مدار پایین نیز جهت سرویس مخابراتی وارد بازار شد که می توانستند پوشش مخابراتی زیادی را تامین کنند . هم اکنون نیز بیشتر خدمات مخابراتی و ارتباطی راه دور تجاری جهان با استفاده از ماهواره هایی انجام می شود که در مدار زمین اهنگ قرار می گیرند .


ماهواره های زمین اهنگ اگرچه نمی توانند تصاویر با وضوح بالایی از جو زمین تهیه کنند ، اما به دلیل احاطه ای که به پخش بزرگی از زمین دارند برای مصارف هواشناسی بسیار مناسب هستند . در حال حاظر حداقل 6 ماهواره زمین اهنگ هواشناسی کل کره زمین را پوشش می دهند که عبارتند از :


1- ماهواره متئوست ( Meteoset) ، متعلق به سازمان یومتست ( Eumetsat ) وابسته به اژانس فضایی اروپا که در طول جغرافیایی 75 درجه غربی قرار دارد.


2- ماهواره جئوس دابلیو ( GEOS-W(WEST) ) متعلق به سازمان امریکایی نووآ که در طول جغرافیایی 135 درجه قرار دارد .


3- ماهواره جئوس ای ( GEOS-E(EAST) ) ، متعلق به سازمان امریکایی نووآ که در طول جغرافیایی 75 درجه غربی قرار دارد .


4- ماهواره جی ام اس ( GMS ) ، متعلق به سازمان فضایی ژاپن و در طول جغرافیایی 140 درجه شرقی قرار دارد .


5- ماهواره GODC یا متئوست 5 ، که در طول جغرافیایی 63 درجه شرقی قرار دارد .


6- ماهواره GOMS که در طول جغرافیایی 76 درجه شرقی قرار دارد .

هر ماهواره ای که در مدار زمین اهنگ قرار می گیرد ، قابلیت پوشش حدود 42% سطح کره زمین را دارا می باشد . ترکیبی از 3 ماهواره مرتبط زمین اهنگ می تواند تقریبا کل سطح کره زمین را زیر پوشش خود قرار دهد . البته با توجه به اینکه ماهواره ها در زوایای میل صفر درجه قرار می گیرند ، مسلما قابلیت پوشش دهی انها برای عرض جغرافیایی بالای 60 درجه محدودتر می شود . گیرنده های زمینی که در عرض های بالای 60 درجه نصب می شوند ، مجبور هستند انتن خود را تقریبا همراستا با افق قرار دهند ( به خصوص در مناطق پست ) که این مسئله باعث می شود احتمال قرارگیری عوارض جغرافیایی بر سر راه سیگنال اناه بیشتر شود .


عمده مزیت ماهواره ای که در مدار زمین اهنگ قرار می گیرد این است که نسبت به یک منطقه از زمین به صورت ثابت باقی می ماند .


نیازی نیست تا ایستگاه زمینی مرتبط با ان ، ماهواره را ردگیری کنند و بدین ترتیب مقدار زیادی از پیچیدگی و هزینه ایستگاه های زمینی کاسته می شود . البته فاصله حدود 36000 کیلومتری ماهواره های زمین اهنگ با ایستگاه های زمینی باعث می شود سیگنال های انها بسیار ضعیف شوند و بنابراین به فرستنده های با توان بسیار بالا نیازمند هستند . ارسال و دریافت سیگنال از یک ماهواره زمین اهنگ تا ایستگاه زمینی بیش از حدود 0.25 ثانیه طول می کشد که این خود در مواردی مانند مکالمات تلفنی یا ویدئو کنفرانس می تواند مشکلی به حساب اید .


پرتاب یک ماهواره زمین اهنگ ، به ازای هر کیلوگرم وزن ماهواره بین 15000 تا 25000 دلار هزینه دارد . امروزه عمر این ماهواره ها بین 10 تا 16 سال است. در دهه 80 عمر این ماهواره ها به طور متوسط 7 سال بود . انتقال و استقرار انها به مدار 20 الی 25 روز به طول می انجامد . ماهواره های زمین اهنگ عموما بالای 2 تن وزن دارند .


در حال حاضر با پیشرفت فناوری و افزایش استفاده از فضا ، مدار زمین اهنگ بسیار شلوغ شده است . حدود 310 ماهواره در این مدار قرار گرفته اند . در گذشته حداقل فاصله مجاز بین 2 ماهواره زمین اهنگ ، 3 درجه ، معادل 1900 کیلومتر بود ، اما امروزه این مقدار به یک درجه کاهش پیدا کرده است . بیشتر این ازدحام در طول جغرافیایی بین 50 تا 90 درجه شرقی بر فراز اقیانوس هند ، تا 35 درجه غربی بر فراز اقیانوس اطلس و 85 تا 135 درجه غربی بر فراز اقیانوس شمالی است .


زاویه میل مدار زمین اهنگ صفر درجه است ، لذا حالت بهینه پرتاب انها از پایگاه های فضایی در اطراف خط استوا است . پایگاه های فضایی با عر جغرافیایی بالا که از خط استوا دور هستند چندان مناسب پرتاب ماهواره های زمین اهنگ مناسب نیستند . از انجا که شوروی سابق به پایگاه های فضایی در استوا دسترسی نداشت ، لذا این نوع ماهواره ها چندان مورد توجه انها قرار نمی گرفت و روس ها بیشتر به استفاده از مدار مولنیا به جای مدار زمین اهنگ می اندیشیدند . در حال حاضر مرکز فضایی گویان فرانسه و سایت پرتاب دریایی امریکا که در عرض های جغرافیایی زیر 5 درجه واقع شده اند بهترین مکان ها برای پرتاب به مدار زمین اهنگ هستند و پایگاه کیپ کاناورال در اولویت بعدی قرار دارد .


ماهواره های زمین اهنگ در مدت زمانی از هر سال زیر سایه زمین قرار می گیرند . این مسئله 22 روز قبل و بعد از اولین روز بهار و 22 روز قبل و بعد از اولین روز پاییز رخ می دهد . در طول این روزها بیشترین مدت زمان بروز این مسئله در هر روز 72 دقیقه است . قابل ذکر است که گاهی هم ماهواره ممکن است در سایه ماه قرار گیرد که البته بسیار به ندرت اتفاق می افتد . ماهواره های زمین اهنگ که در دهه 80 برای پخش مستقیم رادیو و تلویزیونی طراحی و ساخته می شدند ، در وزن و حجم باتری محدودیت داشتند ، لذا نسبت به منطقه تحت پوشش خود در موقعیت های مدار غربی قرار می گرفتند ، تا این پدیده بیشتر در ساعات اولیه بامداد اتفاق افتند .

ادامه دارد...

گرداوری : اقای رسول سیرتی
منبع : صنایع هوافضا / ش 78

[Joseph Goebbels]

بروز اختلال در سامانه پخش تلویزیونی و رادیویی در ساعات اولیه بامداد ، کمترین تاثیر منفی تجاری را دارا می باشد ، زیرا در این ساعات رادیو و تلویزیون کمترین مخاطب را داشته و بسیاری از شبکه های تلویزیونی برنامه برای پخش ندارند . اما امروزه با توسعه فناوری باتری های فضایی و امکان ذخیره بیشتر انرژی برای مواقع اضطراری این مشکل تا حدود بسیار زیادی رفع شده است .

3 عامل اصلی باعث می شوند تا ماهواره های زمین اهنگ در محل قرارگیری خود دچار اغتشاشات و ناپایداری های حرکتی شوند :

1- غیر کروی بودن شکل زمین .
2- تاثیرات ترکیبی میدان های گرانشی ماه و خورشید.
3- بادهای خورشیدی .

کلیه این اغتشاشات به وسیله سامانه های کنترلی مبرا شده و ماهواره در محل خود پایدار می شود . البته لازم به ذکر است که بر خلاف انچه که به نظر می رسد ، ماهواره های زمین اهنگ اصولا در یک نقطه ثابت قرار نمی گیرند و در یک محدوده حرکتی که در فناوری فضایی از ان به عنوان box یاد می کنند ، ازادی حرکت دارند . در واقع سامانه های کنترلی کمک می کنند تا ماهواره از این محدوده خارج نشود . شماتیکی محدوده این فضا 125*125*8 کیلومتری را نشان می دهد . در واقع می توان گفت زاویه میل ماهواره در محدوده 0.1 درجه در حال نوسان است . ماهواره به صورت روزانه در این محدوده یک مسیر عدد 8 لاتین را طی می کند.


ماهواره های زمین اهنگ در پایان عمر خود به مداری با ارتفاع بالاتر منتقل می شوند تا مدار زمین اهنگ را که ارزش مکانی داشته و در مالکیت کشورهاست را اشغال نکند .

گرداوری : اقای رسول سیرتی .

منبع : ماهنامه صنایع هوافضا / ش 78