أبراج الأقمار الصناعية في الاتصالات Satellite Constellation

تُشكل أبراج الأقمار الصناعية قاعدة مجال الاتصالات والشبكات، حيث يُعتبر نظام تحديد المواقع العالمي “GPS” أحد أشهر الأبراج التي تستخدم “24 قمراً صناعياً” لأغراض الملاحة، ومع ذلك في الوقت الذي تحدث فيه مشاركة نشطة من “4 أقمار صناعية” فقط.

ما هي أبراج الأقمار الصناعية في الاتصالات Satellite Constellation؟

أبراج الأقمار الصناعية “Satellite Constellation”: هي عبارة عن مجموعة من أنواع مشابهة من الأقمار الصناعية من صنع الإنسان تعمل كوحدة واحدة في الفضاء، حيث تتم مزامنة الأقمار الصناعية في الكوكبة كوحدة تدور حول الأرض بطريقة مثالية، وبالتالي تتكون من مجموعة من الأقمار الصناعية المختلفة المنتشرة على نفس الارتفاع والميل.

أسباب استخدام أبراج الأقمار الصناعية في الاتصالات:

تم تصميم قمر صناعي واحد في الفضاء يقدم خدمات الاتصالات لتغطية جزء معين فقط من العالم، ومع ذلك من أجل تلبية متطلبات الاتصالات المناسبة، كما يجب استخدام عدد من الأقمار الصناعية التي يمكن أن تعمل مجتمعة كوحدة، وبالتالي يمكن الحصول على تغطية كاملة، ولتحقيق تغطية كاملة لا يتم استخدام عدد من الأقمار الصناعية فحسب، بل يتم استخدام عدد من الأقمار الصناعية والتي تعتبر أبراج ساتلايتية.

كما أنّ أبراج الأقمار الصناعية تُصنع عموماً باستخدام أقمار صناعية ذات مدار أرضي منخفض، أي أقمار المدار الأرضي المنخفض، كما يرجع استخدام سواتل المدار الأرضي المنخفض في أبراج السواتل إلى حقيقة أنّ سواتل المدار الأرضي المنخفض مصممة لتوفر التشغيل على منطقة أصغر، وبالتالي تتحرك بسرعة زاوية عالية لتظل في مدارها.

وبالتالي فإنّ عدداً من هذه الأقمار الصناعية التي تتحرك بسرعة زاوية عالية توفر تغطية مستمرة على المنطقة الكاملة، والأقمار الصناعية المستقرة بالنسبة إلى الأرض ليست مناسبة لمثل هذه العمليات لأنّها تمتلك سرعة زاوية مماثلة للسرعة التي تدور بها الأرض لأنّها تحتوي على مساحة أكبر نسبياً لتغطيتها من سواتل المدار الأرضي المنخفض.

تُعتبر أبراج المدار الأرضي المنخفض نظاماً أقل تعقيداً على ارتفاعات أعلى مع عدد أقل من الأقمار الصناعية التي توفر استخدام ترددات محدودة متاحة للاتصال عبر سطح الأرض بالكامل في مناطق مختلفة أو حزم نقطية، وبالتالي يوفر نقلاً متزامناً إلى مسافات طويلة ممّا يوفر قدرات كبيرة، وأحيانا يتم الخلط بين أبراج الأقمار الصناعية مع مجموعة الأقمار الصناعية وبرنامج الأقمار الصناعية وأسطول الأقمار الصناعية.

تُعد أبراج الأقمار الصناعية هي مجموعة من الأقمار الصناعية تقوم بحركة مدارية قريبة جداً من بعضها البعض في مدارات متطابقة، أمّا برنامج الأقمار الصناعية هو جيل الأقمار الصناعية التي يتم إطلاقها بطريقة متتالية، بينما أساطيل الأقمار الصناعية هي مجموعات من الأقمار الصناعية تعمل بشكل مستقل أي ليس كنظام ولكن تنتمي إلى نفس الشركة المصنعة أو المشغل.

أساسيات أبراج الأقمار الصناعية:

إنّ كل مهمة فضائية تتكون من ثلاثة أقسام وهي:

• جزء الفضاء.

• قطعة الأرض.

• شريحة المستخدم.

الجزء الفضائي هو كوكبة الأقمار الصناعية، ويتضمن الجزء الأرضي مختلف المحطات الأرضية المسؤولة عن التحكم في الأحداث التي تحدث في الفضاء ومراقبتها وقطاع المستخدم الذي يتوافق مع أجهزة الإدخال أو الإخراج المختلفة، مثل الهواتف الذكية والبوابة، أي المحطات القاعدية، حيث في بعض الأحيان يتم استخدام مصطلح المطراف الأرضي لوسائل الاتصال الموجودة على مستوى الأرض للإشارة مجتمعة إلى الأرض ومحطة المستخدم.

أبراج القمر الصناعي LEO:

جاء مفهوم أبراج الأقمار الصناعية منذ عدة سنوات، وقد ثبت ذلك عندما ظهر إيريديوم و جلوبال ستار، كما تم استخدام هذه الأبراج الساتلية بشكل كبير مع الشبكة الخلوية الأرضية، لكنهم حققوا نجاحاً محدوداً لأنّ تكلفة تقديم الخدمات كانت كبيرة جداً، كما يمكن فهم ذلك بطريقة أنّه خلال تلك الأيام كان النموذج المقترح لأبراج الأقمار الصناعية أقل استدامة؛ لأنّ السوق كان صغيراً نسبياً ومحدوداً وكانت التكاليف الأولية وتكاليف الصيانة مرتفعة جداً.

ومع ذلك مع ظهور التكنولوجيا، تم تضمين العديد من التطورات وأصبحت الأبراج أحد الأصول الرئيسية بالنسبة لمجال الاتصال، حيث عند النظر في كوكبة المدار الأرضي المنخفض توجد بشكل عام ثلاث فئات يتم تصنيف حركة البيانات فيها، وهي بيانات المستخدم وبيانات التحكم والقياس عن بُعد وبيانات التحكم عن بعد، كما يتم تبادل بيانات التحكم بين المحطات الأرضية والأقمار الصناعية، والوصلة الهابطة ترسل المعلمات القياس مثل الوضع وتكوين الحمولة والنظم الفرعية، بينما يتلقى الوصلة الصاعدة الأوامر المتعلقة بالتحكم في عمليات المهمة.

الروابط المنطقية في أبراج الأقمار الصناعية في الاتصالات:

إنّ الروابط المادية والمنطقية المستخدمة لإنشاء الشبكة تعتمد على التطبيق الفعلي.

أولاً: الرابط من Ground to Ground:

هذا يتوافق مع اتصال أرضي، حيث من خلال هذا الرابط يتم نقل المعلومات بين نقطتين منفصلتين على الأرض، وحيث يشمل الغرض الوحيد التوجيه أو التسليم أو التنسيق.

ثانياً: الرابط من Satellite to Ground:

هذا هو الأرض لوصلة قمر صناعي، حيث يتم الحفاظ على عمليات التحكم التي بدأتها المحطات الأرضية عبر هذا الرابط، وهذا يشمل توزيع التعليمات والتوجيه مع التخزين المؤقت والتحكم عن بعد.

ثالثاً: الرابط من Satellite to Ground:

يشير هذا إلى ارتباط القمر الصناعي بالأرض، كما يدخل هذا الرابط حيز التنفيذ عندما تستقبل الأقمار الصناعية في الفضاء الإشارة من المحطة الأرضية، واستجابةً لذلك يرسل القمر الصناعي بيانات التطبيق مثل مراقبة الأرض باتجاه المحطة الأرضية، وهذا يشمل الكشف عن الخطأ والقياس عن بعد.

رابعاً: الرابط من Satellite to Satellite:

يتوافق هذا مع ارتباط القمر الصناعي بالقمر الصناعي، ولها أهمية كبيرة عندما تعمل أقمار صناعية متعددة كنظام في المستوى المداري، حيث يساعد هذا الرابط في التحكم في التطبيقات، مثل الاستشعار والتوجيه والمعالجة الموزعة جنباً إلى جنب مع إدارة الهيكل والعمليات المستقلة المختلفة.

كيفية وصف نظام أبراج القمر الصناعي:

يتم وصف نظام  أبراج الأقمار الصناعية عن طريق أنواع المحطات الطرفية وعرض النطاق الترددي الذي يتم العمل فيه، وكذلك المدارات التي تتحرك فيها ونوع الخدمات التي تقوم على تقديمها.

أنواع أبراج الأقمار الصناعية:

• نظام تحديد المواقع العالمي “GPS”.

• برج “Galileo”.

• برج “GLONASS”.

• برج “BeiDou”.

• برج “NAVIC”.

• برج “Iridium”.

• برج “Globalstar”.

• برج “Orbcomm”.

• برج “Teledesic”.

• برج “Starlink”.

• برج “Eutelsat”.

• برج “ViaSat”.

• برج “O3b”.

• برج “Iridium NEXT”.

ملاحظة:“GPS” هي اختصار لـ “Global Positioning System”.

تطبيقات على استخدام أبراج الأقمار الصناعية:

إنّ تصميم وبناء ونشر الأقمار الصناعية لتطبيقات مختلفة أصبح مهمة مهمة على مدى العقود الماضية والتطبيقات المختلفة لأبراج الأقمار الصناعية هي:

• في مجال الاتصالات.

• الاستشعار عن بعدوالتعدين.

• في البحرية والطيران.

• الملاحة عبر الأقمار الصناعية.

• الهواتف المحمولة.

كما أنّه بسبب حركة القمر الصناعي والتسليم داخل النظام، توجد تأخيرات في المسار في الشبكة ولكن أبراج الأقمار الصناعية تأخذ في الاعتبار نهجاً أرضياً وفضائياً مع أو بدون استخدام أقمار صناعية معقدة للتبديل.