المدار الثابت بالنسبة للأرض في الاتصالات الستلايتية Geostationary Orbit

يُعتبر المدار الثابت بالنسبة للأرض حالة خاصة من المدار المتزامن مع الأرض، والذي يتوافق مع مدار تعادل مدته المدارية فترة دوران الأرض.

ما هو المدار الثابت بالنسبة للأرض في الاتصالات الستلايتية Geostationary Orbit؟

المدار الثابت بالنسبة للأرض: هو مدار دائري موجود فوق المستوى الاستوائي للأرض ويمتلك فترة ذروة تعادل فترة دوران الأرض، كما يتطابق مصطلح “الثابت بالنسبة إلى الأرض” مع المدار، حيث يبدو أنّ القمر الصناعي يبقى ثابتاً عند نقطة أو ثابتاً فيما يتعلق بسطح الأرض.

يجب ألّا يتم الخلط بين ظهور القمر الصناعي ثابتاً وكونه ثابتاً في الواقع، وهذا لأنّه في مدار ثابت بالنسبة للأرض، كما يتحرك القمر الصناعي ولكن أثناء الحركة تكون سرعته مساوية لسرعة دوران الأرض، وبالتالي من نقطة معينة على سطح الأرض يُرى أنّ القمر الصناعي لا يتحرك.

يوفر القمر الصناعي الثابت ميزة الاستشعار عن بعد، لأنّه يرى الأرض دائماً من نفس المنظور، ممّا يعني أنّه يمكنه تسجيل نفس الصورة على فترات زمنية قصيرة، وهذا الترتيب مفيد بشكل خاص لرصد الأحوال الجوية، حيث تتمثل إحدى عيوب المدارات الثابتة بالنسبة إلى الأرض في المسافة الكبيرة إلى الأرض، ممّا يقلل من الدقة المكانية التي يمكن تحقيقها.

تم الإعلان عن فكرة المدار الثابت بالنسبة للأرض من قبل عالم مؤلف من أصل بريطاني يدعى آرثر سي كلارك في عام 1945م، حيث أنّ مدارات الأقمار الصناعية هو مسار حول الأرض يتم تدوير القمر الصناعي فوقه حول الأرض، كما إنّه إذا كان القمر الصناعي يدور في نفس الاتجاه أثناء دوران الأرض، فإنّه يُعرف باسم التقدم بينما إذا كان اتجاه دوران القمر الصناعي عكساً للأرض، فإنّه يسمى رجعياً.

تكون حركة القمر الصناعي في المدار المعني ترجع إلى التوازن الكافي الذي يتم الحفاظ عليه بين قوة الجاذبية المركزية للقمر الصناعي وقوة الجاذبية، ومع ذلك يعتمد هذا التوازن على عوامل مثل السرعة التي يتحرك بها القمر الصناعي وسحب الجاذبية ونصف قطر الأرض والمسافة من سطح الأرض، كما يتوافق نصف قطر الأرض مع المسافة بين مركز الأرض والقمر الصناعي الذي يدور في الفضاء، بينما يشير الارتفاع إلى ارتفاع المسافة الفاصلة بين القمر الصناعي وسطح الأرض، والميل يتوافق مع زاوية دوران القمر الصناعي بالتوافق مع الأفق.

أنواع المدارات الثابتة بالنسبة للأرض:

• مدار جيو.

• مدار “MEO”.

• مدار “LEO”.

متطلبات المدار ليكون ثابتا بالنسبة للأرض:

أولاً: يجب أن يكون للقمر الصناعي سرعة دوران مماثلة لسرعة دوران الأرض، ويتحرك باتجاه الشرق:

نظراً لحقيقة أنّه لكي يظهر ثابتاً فيما يتعلق بالأرض، من الضروري أن يسافر القمر الصناعي بسرعة دوران الأرض، لذا فإنّ الأقمار الصناعية التي تتحرك في المدار الثابت بالنسبة للأرض تدور حول الأرض بأكملها في حوالي “23 ساعة و56 دقيقة و4 ثوان”، وهذا يتوافق مع أنّ القمر الصناعي يتحرك بنفس السرعة التي تدور بها الأرض، لهذا السبب يُنظر إلى القمر الصناعي على أنّه غير متحرك.

ثانياً: يجب أن يكون شكل المدار دائرياً:

الشرط الثاني المدرج هو مدار دائري، ويمكن فهمه إلى حد ما من الشرط الأول وقانون كبلر الثاني، حيث أنّ سرعة القمر الصناعي ستبقى ثابتة، والسرعة الثابتة تدل على أن الأقمار الصناعية تتحرك بسرعة ثابتة ستغطي مساحات متساوية في مدة زمنية متساوية، وهذا يمكن تحقيقه في حالة المدارات الدائرية فقط.

ثالثاً: يجب أن يمتلك المدار ميلاً صفرياً:

إذا كان هناك أي ميل، فإنّ حركة القمر الصناعي ستكون شمالاً وجنوبياً، وبالتالي لن يكون المدار ثابتاً بالنسبة إلى الأرض، كما يمكن القضاء على حركة الشمال والجنوب بدون ميل؛ لإظهار أنّ المدار موجود في المستوى الاستوائي للأرض.

ارتفاع القمر الصناعي الثابت بالنسبة للأرض:

بالنسبة لقوانين كبلر الثلاثة يكون مربع الوقت الدوري للقمر الصناعي في المدار يتناسب مع مكعب المحور شبه الرئيسي، أي “A” بالنسبة إلى مدار دائري، وهذا يعني أنّ الفترة المدارية للقمر الصناعي تزداد مع زيادة نصف قطر المدار، وعند تمثيل نصف قطر المدار الثابت بالنسبة للأرض على أنّه مدار مستقر بالنسبة إلى الأرض.

مزايا المدار الثابت بالنسبة للأرض:

• لا يلزم تتبع الهوائي أو إعادة توجيهه على محطة أرضية للساتل في مدار ثابت بالنسبة إلى الأرض، حيث يبدو أنّ القمر الصناعي ذو طبيعة ثابتة، وبالتالي يمكن تحقيق التوجيه الدقيق لحزمة الهوائي باستخدام زوايا الارتفاع والسمت.

• في مثل هذا الارتفاع الكبير، يتم تحقيق تغطية كبيرة من حيث المساحة، وكذلك توفر زاوية ارتفاع قدرها 5 درجة أي “38%” من مساحة التغطية.

• يمكن لما مجموعه ثلاثة أقمار صناعية ثابتة بالنسبة إلى الأرض بزاوية فصل “120 درجة” أن تغطي كامل مساحة سطح الأرض.

عيوب المدار الثابت بالنسبة للأرض:

• في المناطق القطبية لا تغطيها الأقمار الصناعية في المدار الثابت بالنسبة للأرض.

• على طول الطريق يكون كبير جداً، وبذلك النتائج سوف تأخير.

• في مثل هذا الارتفاع العالي، يكون تركيب الأقمار الصناعية مكلفاً للغاية.

تطبيقات على المدار الثابت بالنسبة للأرض:

• نظراً لأنّ الساتل المستقر بالنسبة إلى الأرض يوفر مساحة تغطية كبيرة، فإنّه يجد بشكل رئيسي تطبيقات في الاستشعار عن بعد باستخدام هوائيات ثابتة، بحيث يمكن للمرء الحصول على الوصول المطلوب إلى عرض معين في كل لحظة زمنية محددة.

• إنّه مناسب للتطبيقات مثل مراقبة الأحوال الجوية، وبالتالي يتم استخدامه من قبل الأقمار الصناعية التي تكتشف الظروف الجوية في مواقع مختلفة، وإلى جانب ذلك فإنّ الأقمار الصناعية التي تدور في مدار ثابت بالنسبة للأرض تستخدم بشكل رئيسي في صناعة الاتصالات، بحيث يمكن للتغطية العالمية أن توفر إرسال واستقبال إشارة سهل.

فوائد المدار الثابت بالنسبة للأرض:

يمكن لقمر صناعي في مدار متزامن مع الأرض رؤية بقعة واحدة من الكوكب في كل الأوقات تقريباً، وبالنسبة لرصد الأرض يسمح هذا للقمر الصناعي بالنظر في مدى تغير المنطقة على مدار شهور أو سنوات، والعيب هو أنّ القمر الصناعي يقتصر على قطعة صغيرة من الأرض، حيث إذا حدثت كارثة طبيعية في مكان آخر على سبيل المثال، فلن يتمكن القمر الصناعي من التحرك هناك بسبب متطلبات الوقود، وهذه فائدة كبيرة للجيش، حيث إذا كانت دولة معينة مهتمة بالأنشطة في منطقة معينة من العالم، أو تريد أن ترى كيف تعمل قواتها، فإنّ المدار المتزامن مع الأرض يسمح بالصور الثابتة والمراقبة الأخرى لمنطقة معينة.

فمثال على ذلك هو النطاق العريض العالمي “SATCOM 5” التابع للولايات المتحدة، والذي تم إطلاقه في عام 2013م، الانضمام إلى “أبراج” من أربعة أقمار صناعية أخرى تابعة لـ “WGS”، وهو يوسع نظام الاتصالات العسكري لتوفير تغطية شاملة لكوكب الأرض بأكمله تقريباً، كما تخدم الشبكة القوات والسفن والطائرات بدون طيار والقادة المدنيين، ومن المفترض أن توفر الاتصالات للأفراد على الأرض، كما أنّ الاتصالات للمدنيين تستفيد من المدار المتزامن مع الأرض.

هناك العديد من الشركات التي تقدم خدمات الهاتف والإنترنتوالتلفاز وغيرها من الخدمات من الأقمار الصناعية في تلك الفتحة المدارية، ونظراً لأنّ القمر الصناعي يتحرك باستمرار فوق نقطة واحدة على الأرض، فإنّ الاتصالات من هذا الموقع يمكن الاعتماد عليها طالما أنّ القمر الصناعي متصل جيداً بالموقع الذي تريد الاتصال به.