اقرأ في هذا المقال
- ما هو المدار الأرضي المنخفض
- أساسيات المدار الأرضي المنخفض
- تطور المدار الأرضي المنخفض
- كيفية عمل المدار الأرضي المنخفض
على عكس الأقمار الصناعية المتوفرة في المدار الأرضي التزامني والتي يجب أن تدور دائماً على طول خط استواء الأرض، لا ينبغي على أقمار المدار الأرضي المنخفض دائماً اعتماد مسار محدد حول الأرض بنفس الطريقة ويمكن إمالة مستواها “Tilt level”، وهذا يدل على أنّه هناك المزيد من المسارات المتوفرة للأقمار الصناعية في المدار الأرضي المنخفض وهو أحد الأسباب التي تجعل المدار الأرضي منخفضاً كثير الاستخدام.
ما هو المدار الأرضي المنخفض
المدار الأرضي المنخفض: هو مدار حول الأرض يبلغ ارتفاعه فوق سطح الأرض ما بين “250 كيلومتراً” و”2000 كيلومتر” أي “1200 ميل” وفترة مدارية تتراوح بين “84 دقيقة” و”127 دقيقة”، أي كائنات أقل من “160 كيلومتراً” أو “99 ميلاً” ستواجه فقداناً سريعاً للارتفاع وتدهوراً مدارياً.
أساسيات المدار الأرضي المنخفض
من أجل تطوير أنظمة الهاتف المحمول الأرضية والمتنقلة الجوية تم تفعيل العديد من الأنظمة القائمة على الأقمار الصناعية، والغاية من هذه الأنظمة هو السماح باتصال جاهز بشبكة “PSTN” من أي مكان على سطح الأرض وخاصة في المناطق التي لا تغطيها حالياً خدمة الهاتف الخلوي، كما يتاح شكل من أشكال الاتصالات المتنقلة خلال الأقمار الصناعية لبعض الوقت في الأنظمة الخلوية المحمولة جواً التي تستخدم سواتل “Inmarsat”.
ومع ذلك فإنّ الأقمار الصناعية “Inmarsat” ثابتة بالنسبة للأرض وتظل على ارتفاع حوالي “35000 كيلومتر” أي “22000 ميل” فوق موقع واحد على سطح الأرض، وبسبب هذا المدار عالي الارتفاع تحتاج أجهزة إرسال واستلام الاتصالات الأرضية طاقة إرسال عالية أو هوائيات اتصالات كبيرة أو كليهما من أجل الاتصال بالقمر الصناعي، وبالإضافة إلى ذلك يعمل مسار الاتصال الطويل هذا إلى تأخير واضح في ما يقارب ربع ثانية في المحادثات الصوتية ثنائية الاتجاه.
وأحد البدائل التي يمكن تطبيقها بالنسبة للأقمار الصناعية الثابتة وبالنسبة إلى الأرض هو نظام هائل من الأقمار الصناعية في مدار أرضي منخفض “LEO”، حيث تتحرك أقمار المدار الأرضي المنخفض على مسافة أقل من “1600 كيلومتر” أي 1000 ميل” فوق الأرض، وهي ليست ثابتة بالنسبة للأرض وبالتالي لا يمكنها أتاحت تغطية ثابتة لمناطق محددة على الأرض.
ومع ذلك من خلال إمكانية تسليم الاتصالات اللاسلكية “Hand-off” بأداة متنقلة بين الأقمار الصناعية يمكن لمجموعة كاملة من الأقمار الصناعية أن تكفل عدم إسقاط أي مكالمة، ولمجرد تحرك قمر صناعي واحد خارج النطاق.
- “PSTN” هي اختصار لـ “Public Switched Telephone Network”.
تطور المدار الأرضي المنخفض
كان أول نظام “LEO” المحدد للخدمات التجارية هو نظام “Iridium” والذي قدمته “Motorola، Inc” ومملوك لشركة “Iridium LLC”، وهو اتحاد مكون من شركات وحكومات من جميع أنحاء العالم واستعمل مفهوم إيريديوم كوكبة مكونة من “66 قمراً صناعياً” تتحرك في ست طائرات حول الأرض، كما تم إطلاقها من عام 1997م إلى عام 1998م وبدأت الخدمة التجارية في عام 1998م.
وكل قمر صناعي يتحرك على ارتفاع “778 كيلومتراً” أي “483 ميلاً”، لديه القدرة على إرسال “48 حزمة” موضعية إلى الأرض، وفي الوقت نفسه كانت جميع الأقمار الصناعية على ارتباط مع بعضها البعض من خلال “روابط متقاطعة” لاسلكية تمتلك قيمة “23 جيجاهيرتز”، ممّا يتيح بالتسليم المتوفر بين الأقمار الصناعية عند الارتباط بمستخدم ثابت أو متنقل على الأرض.
أتاحت الروابط المتقاطعة مسار اتصال غير منقطع بين الساتل الذي يخدم المستعمل في أي لحظة معينة والساتل، والذي يوصل الكوكبة بأكملها مع المحطة الأرضية للبوابة بالشبكة الهاتفية العمومية التبديلية وبهذه الوسيلة أتاحت الأقمار الصناعية الـ “66 خدمة” اتصالات هاتفية، ومستمرة لوحدات المشتركين حول العالم.
ومع ذلك لم تتمكن الخدمة في جذب عدد كافٍ من المشتركين وتوقفت شركة “Iridium LLC” عن العمل في عام 2000م، وقد استحوذت شركة “Iridium Satellite LLC” على أصولها والتي واصلت تقديم خدمة اتصالات عالمية إلى وزارة الدفاع الأمريكية بالإضافة إلى مستخدمي الأعمال والأفراد، ويتكون نظام “LEO” الآخر “Globalstar” من “48 قمراً صناعياً” تم إطلاقها في نفس الوقت تقريباً مع كوكبة “Iridium”.
بدأت “Globalstar” تقديم الخدمة في عام 1999م، على الرغم من توقفها في عام 2002م وبقيت الشركة المعاد تنظيمها في إتاحت الخدمة بعد ذلك، وكانت الأقمار الصناعية التجارية التقليدية هي أقمار جيو ويتم تثبيت هذه الأقمار الصناعية في موضع على حزام “GEO” يتحرك مع الأرض أثناء دورانها.
كما يتم وضعه على مسافة كبيرة جداً من الأرض ويجب أن يكون أكبر من المدار الأرضي المنخفض، ولهذا السبب يمكن للقمر الصناعي أن يغطي مساحات أكبر من كتلة اليابسة والمسطحات المائية، كما تتضمن بعض القيود الرئيسية لسواتل “GEO” بدلاً من المدار الأرضي المنخفض “SAT” ما يلي:
- يتم تقاسم طيف التردد بأكمله عبر منطقة التغطية بأكملها.
- العديد من المستخدمين في منطقة تغطية ساتلية واحدة.
- لا توجد تغطية حول القبعات القطبية.
ملاحظة:“GEO” هي اختصار لـ “Geostationary Earth Orbit”.
ملاحظة:“LEO” هي اختصار لـ “Low earth orbit”.
كيفية عمل المدار الأرضي المنخفض
توجد قيود وتحديات للهوائيات المتنقلة على الأرض فيما يتعلق بالإشارة إلى ساتل “GEO”، حيث يتحرك الهوائي المتنقل بعيداً في خط الطول عن موقع الفتحة المدارية، وتسمى فعلياً زاوية الانحراف للمركبة الفضائية في مدار “GEO”، ولا يوجد حالياً حل مباشر يمكن تقديمه بشأن طيف التردد الذي تستخدمه سواتل المدار الأرضي المنخفض.
ومع ذلك إذا تم استخدام النطاق “C” فستكون هناك حاجة إلى هوائيات أكبر على الأرض لدعم كوكبة المدار الأرضي المنخفض من النطاق “C”، وسيكون هذا عيباً بالنسبة لهذه الأبراج الساتلية الجديدة في المدار الأرضي المنخفض التي تحاول توفير اتصال عالمي لأي شخص في المنزل.
يستخدم “النطاق C” حالياً أيضاً على نطاق واسع ممّا يعني أنّ التداخل سيكون أيضاً مشكلة وسواء كانت سواتل “LEO” تتداخل مع مستخدمي “النطاق C” الحاليين أو عكسية، ومن المهم معرفة أنّه كلما ارتفع النطاق “Ku” و”Ka” و”V-Band” بترتيب متزايد زاد عرض النطاق الترددي، كما أنّه كلما زاد التردد قل استخدامه زهذا يعني تدخل أقل بشكل عام.
وكلما زاد تردد العمليات زادت خسارة الانتشار، لذلك ستكون الإشارة أكثر عرضة للخبو الناجم عن المطر وهناك مبادئ توجيهية يتم تعيينها وأطياف التردد الموزعة، والتي تحدد النطاقات التي يمكن ولا يمكن استخدامها لتطبيقات معينة، كما يعتمد نطاق التردد الذي تستخدمه هذه الأقمار الصناعية في المدار الأرضي المنخفض أيضاً على موافقة الهيئات التنظيمية، والتي تديرها الحكومة مثل لجنة الاتصالات الفيدرالية “FCC” والاتحاد الدولي للاتصالات “ITU”.
ويتعين على الشركات التي ترغب في إنشاء كوكبة ساتلية في المدار الأرضي المنخفض التأكد من أنّ الطيف الذي تختار استخدامه لا يتداخل مع أي أنظمة كوكبة ساتلية قائمة، مثل مجموعات كوكب الأرض وشبكات الأرض، وهناك عملية رسمية في تقديم طلب للحصول على هذه الموافقة ويتم وضعهم أيضاً في إشعار عام حتى يتمكن المستخدمون من إثارة أي مخاوف.
كما تم تقديم اقتراح إلى لجنة الاتصالات الفيدرالية “FCC” لاستخدام “Ku-band” لروابط التردد اللاسلكي بين الأقمار الصناعية ومحطات المستخدم، و”Ka-band” لروابط التردد اللاسلكي بين الأقمار الصناعية وبوابة المحطات الأرضية، ولكن بعد ذلك أعيد تصميمها لاستخدام حل “V-band” لجميع الوصلات الصاعدة والهابطة للقمر الصناعي في عام 2017م.
- “FCC” هي اختصار لـ “Federal Communications Commission”.
- “ITU” هي اختصار لـ “International Telecommunication Union”.
