المحطة الأرضية في الاتصالات Earth Station

في العالم النامي اليوم، برز الاتصال عبر الأقمار الصناعية كأسلوب شائع جداً لتمكين الاتصال عبر الأقمار الصناعية نظراً لميزاتها ومزاياها المقدمة، وبشكل أساسي بغض النظر عن البيئة يُسمح الاتصال عبر الأقمار الصناعية بنقل البيانات واستقبالها من أي جزء من المحطة الأرضية إلى أي جزء آخر بجودة وموثوقية، ولهذه الأسباب اكتسبت الاتصالات الساتلية شعبية كبيرة.

ما هي المحطة الأرضية في الاتصالات Earth Station؟

المحطة الأرضية: هي عبارة عن ترتيب للعديد من المعدات الموجودة على سطح أو الغلاف الجوي للأرض والتي تُستخدم لنقل أو استقبال الإشارات في شكل صوت أو فيديو أو بيانات من خلال أقمار صناعية فردية أو متعددة، وهو جزء من الجزء الأرضي من شبكة القمر الصناعي، كما يمكن أن تكون موجودة على متن سفينة أو طائرة أيضاً، لا تُعتبر كياناً منفرداً للمعدات، حيث تتكون من عناصر رئيسية مختلفة، وكما أنّ تصميم المحطة يعتمد على المتطلبات بالإضافة إلى جودة الخدمة.

إنّ الاتصال عبر الأقمار الصناعية يسمح بالاتصال بين أي نقطة في المحطة الأرضية إلى نقطة أخرى وبالتالي، قد يتصل القمر الصناعي مع محطات أرضية متعددة بشكل متوازي، كما أنّ القمر الصناعي في عالم اليوم أصبح عنصراً حاسماً للاتصال، ومثل أي نقل للمعلومات المرئية إلى أي اتصال بيانات عالمي من خدمات البيانات المختلفة إلى البث التلفزيوني للأحداث الدولية، أصبح كل شيء سهلاً بمساعدة الأقمار الصناعية.

ومع ذلك، فمن الحقائق أيضاً أن وجود الأقمار الصناعية في الفضاء هو الوحيد الذي جعل مثل هذه الأنشطة ممكنة، وهذا لأنّه عندما يتم إرسال البيانات من نهاية فإنّها تتطلب وحدة استقبال مناسبة بحيث يمكن استخدامها وفقاً للمتطلبات، وبالتالي فإنّ الجزء الأرضي من الشبكة الساتلية مهم والمحطة الأرضية جزء مهم جداً منها.

تتكون المحطة الأرضية بشكل عام من معدد إرسال ومودم ومحولات صعود وهبوط ومضخم عالي القدرة “HPA” ومضخم ضوضاء منخفض “LNA”، كما تكون جميع عمليات الإرسال إلى الأقمار الصناعية تقريباً رقمية ويتم دمج تدفقات البيانات الرقمية في معدد إرسال، وتغذيتها في مودم يعدل تردد الموجة الحاملة في نطاق “50 ميجاهرتز” إلى “180 ميجاهرتز”، ويدفع محول “upconverter” الناقل إلى نطاق جيجاهيرتز والذي ينتقل إلى “HPA” والصحن، وللاستقبال يعزز “LNA” الإشارات إلى المحول النازل، ممّا يقلل التردد ويرسله إلى المودم، كما يزيل المودم تشكيل الحامل، وينتقل الناتج الرقمي إلى جهاز فك تعدد الإرسال ثم إلى وجهاته.

• “HPA” هي اختصار لـ “High Power Amplifier”.

• “LNA” هي اختصار لـ “Low Noise Amplifier”.

أنواع المحطات الأرضية:

تُعد المحطة الأرضية جزءاً مهماً من الاتصالات الساتلية؛ لأنّ إحدى المحطات الأرضية ترسل الإشارة وتستقبلها محطة أرضية أخرى، أمّا الفئات الرئيسية التي تنقسم فيها المحطة الأرضية هي:

أولاً: نوع الإرسال “Transmit”:

نوع الإرسال: هو النوع من المحطات الأرضية، وهو النوع المصمم فقط لنقل الإشارات نحو القمر الصناعي وليس له ترتيب لاستقبال الإشارة.

ثانياً: نوع الاستقبال “Receive”:

نوع الاستقبال: هو نوع المحطة الأرضية التي تؤدي ببساطة وظيفة استقبال الإشارات القادمة من القمر الصناعي، كما لا يمكنها نقل الإشارة إلى القمر الصناعي في الفضاء.

ثالثاً: نوع الإرسال والاستقبال “Transmit-Receive”:

نوع الإرسال والاستقبال: هو وحدة المحطة الأرضية التي تتعامل فقط مع الاتصالات ثنائية الاتجاه، أي ترسل الإشارة إلى القمر الصناعي وتستقبل أيضاً الإشارة القادمة من القمر الصناعي.

أنواع الهوائيات في المحطات الأرضية:

• هوائيات كبيرة مطلوبة للإرسال والاستقبال على شبكات عالمية من طراز “INTELSAT” بمكاسب تتراوح من “60 ديسيبل”  إلى “65 ديسيبل” أي بقطر “15 متراً” إلى “30 متراً”.

• هوائيات متوسطة الحجم لرأس الكابل “TVRO” أو البيانات تستقبل أطرافاً فقط بقطر “3 أمتار” إلى “7 أمتار”.

• هوائيات صغيرة لاستقبال البث المباشر بقطر “0.5 متر” إلى “2 متر”.

الأنظمة الفرعية للمحطة الأرضية:

• هوائي نوع عاكس بشكل عام.

• نظام تغذية لإرسال واستقبال الترددات اللاسلكية.

• معدات التتبع التي تساعد على إبقاء القمر الصناعي في منطقة تشغيل الهوائي.

ومع ذلك، فهذه هي المعدات العامة المستخدمة للعملية، ولكنّها ليست الوحيدة لأنّ هناك بعض العوامل التي تعتمد عليها متطلبات المعدات في المحطة الأرضية.

تصميم المحطة الأرضية:

تصميم وتخطيط المحطة الأرضية ليس لهما أهمية كبيرة ولكنّهما حاسمان، والسبب في ذلك هو أنّ التصميم يجب أن يتم بطريقة مركزة، بحيث يجب أن تكون المحطة قادرة على استقبال إشارات ضعيفة للغاية وكذلك معالجتها للحصول على المعلومات الفعلية، لذا فإنّ تصميم المحطة الأرضية يُعد عاملاً هاماً مهماً، كما أنّ المحطة الأرضية يجب أن تحافظ على جودة الإشارة المطلوبة وأن يكون تصميمها فعالاً من حيث التكلفة ويمكن الاعتماد عليه.

تنقسم الوحدة الكاملة للمحطة الأرضية إلى جزأين، أحدهما هو محطة التردد الراديوي والآخر هو محطة النطاق الأساسي، حيث يشتمل طرف التردد اللاسلكي على هوائي ومحول رفع ومحول خفض ومضخم عالي الطاقة ومضخم منخفض الضوضاء، بينما تتضمن محطة النطاق الأساسي المشفر ومفكك الشفرة المغير ومزيل التشكيل، ومع ذلك يتم فصل هذين الجزأين بمسافة كافية ويتم توصيلهما عبر خطوط “IF” بحيث يجب أن يكون طرف التردد اللاسلكي موجوداً بالقرب من وحدة الهوائي؛ لتقليل الخسائر والتوهين بسبب خط الإرسال الذي يربط الهوائي بجهاز التردد اللاسلكي.

يتمثل التشغيل الأساسي للمحطة الأرضية أثناء الإرسال في استقبال الإشارة القادمة من الشبكة الأرضية وتعدد إرسالها معاً لربطها بالساتلايت من أجل الإرسال، حيث أثناء الاستقبال يجب أن يستقبل الإشارات القادمة من القمر الصناعي ويوجهها إلى الوجهة المعنية بمساعدة شبكة أرضية، حيث في البداية، يتم تشكيل النطاق الأساسي المستقبِل أو إشارة الرسالة من المصدر بإشارة الموجة الحاملة المناسبة، وبعدها يتم تحويلها إلى مستوى التردد المطلوب.

بعد ذلك يتم تضخيم الإشارة المحققة وإرسالها عبر الهوائي من خلال نظام التغذية، ومع ذلك فإنّ الإشارة القادمة من القمر الصناعي يستقبلها هوائي الاستقبال ويتم توفيرها لنظام التغذية، حيث يتم إدخال الاستقطاب المطلوب، كما يحافظ نظام التغذية على العزل بين الإشارات المرسلة والمستقبلة لتقليل فرص اختلاط الإشارات، ولذلك يتم تغذية الإشارة التي يستقبلها نظام التغذية إلى مضخم منخفض الضوضاء، وبعد ذلك يتم تحويلها إلى النطاق “IF”، وبعدها يتم إعادة تشكيلها وتوفيرها للشبكة الأرضية.

يكون تصميم المحطة الأرضية مكون من وحدات من نظام التتبع ومحركات الدفع، حيث يحتفظ نظام التتبع بسجل تتبع القمر الصناعي في الفضاء، وكذلك يتم التحكم فيه بواسطة محركات القيادة ومصدر الطاقة حيث أنّ وحدة الهوائي المستخدمة في الغالب في المحطات الأرضية هي الهوائي العاكس، وبشكل أكثر تحديداً العاكس المكافئ، وذلك بسبب أنّها توفر مكاسب عالية وخصائص الفص الجانبي المنخفض، كما أنّه مع التوصيل البيني لعقد المرور الكبيرة، يزداد تعقيد تصميم المحطة الأرضية.

في المحطة الأرضية، تعتبر نسبة “G / T” معلمة حاسمة تميزها، وهي نسبة كسب الهوائي إلى درجة حرارة ضوضاء النظام، تستخدم محطة أرضية كبيرة هوائيات كبيرة وبالتالي يمكنها إدارة العديد من إشارات الهاتف وقنوات التلفاز، بينما تمتلك المحطة الأرضية الصغيرة القدرة على حمل إشارات صوتية أو تلفزيونية واحدة فقط.

• “IF” هي اختصار لـ “Intermediate Frequency”.

• “G / T” هي اختصار لـ “Gain to Temperature”.