استخدمت الأقمار الصناعية في الاتصالات السلكية واللاسلكية، لتوفير روابط الاتصال بين مختلف النقاط على الأرض وتلعب الاتصالات الساتلية دوراً حيوياً في نظام الاتصالات العالمي، أي ما يقرب من 2000 قمر صناعي يدور حول الأرض وتحتوي على إشارات تمثيلية ورقمية تحمل الصوت والفيديو والبيانات من وإلى موقع واحد أو أكثر في جميع أنحاء العالم.

ما هو القمر الصناعي – Satellite؟

القمر الصناعي (Satellite): هو قمر أو كوكب أو آلة تدور حول كوكب أو نجم، على سبيل المثال الأرض قمر لأنّها تدور حول الشمس وبالمثل فإنّ القمر يدور حول الأرض وعادةً تشير كلمة “قمر صناعي” إلى آلة يتم إطلاقها في الفضاء وتتحرك حول الأرض أو أي جسم آخر في الفضاء.

ما هي اتصالات الأقمار الصناعية – Satellite Communions؟

إذا حدث الاتصال بين أي محطتين أرضيتين من خلال قمر صناعي؛ فإنّه يسمى اتصال القمر الصناعي وفي هذا الاتصال يتم استخدام الموجات الكهرومغناطيسية كإشارات حاملة وتحمل هذه الإشارات المعلومات مثل الصوت أو الصوت أو الفيديو أو أي بيانات أخرى بين الأرض والفضاء والعكس صحيح.

تتراوح أقمار الاتصالات من الأقمار الصناعية الصغيرة التي يقل وزنها عن 1 كجم (2.2 رطل) إلى الأقمار الصناعية الكبيرة التي يزيد وزنها عن 6500 كجم (14000 رطل)، ممّا أدى التقدم في التصغير والرقمنة إلى زيادة قدرة الأقمار الصناعية بشكل كبير على مر السنين، وكان لدى إيرلي بيرد جهاز إرسال واستقبال واحد قادر على إرسال قناة تلفزيونية واحدة فقط، كما يمكن أن تحتوي سلسلة الأقمار الصناعية (بوينج 702) على أكثر من 100 جهاز إرسال واستقبال وباستخدام تقنية الضغط الرقمي يمكن أن يصل كل جهاز مرسل مستجيب إلى 16 قناة ممّا يوفر أكثر من 1600 قناة تلفزيونية من خلال قمر صناعي واحد.

آلية عمل اتصالات الأقمار الصناعية:

القمر الصناعي في الأساس نظام اتصالات قائم بذاته مع القدرة على استقبال إشارات من الأرض وإعادة إرسال تلك الإشارات مرة أخرى باستخدام جهاز مرسل مستجيب وجهاز استقبال ومرسل متكامل لإشارات الراديو، حيث يجب أن يتحمل القمر الصناعي صدمة تسارعه أثناء الإطلاق حتى سرعة مدارية تبلغ (28100 كيلومتر أي ما يعادل 17500 ميل في الساعة) وبيئة فضائية معادية حيث يمكن أن يتعرض للإشعاع ودرجات حرارة قصوى طوال حياته التشغيلية المتوقعة، والتي يمكن أن تستمر تصل إلى 20 سنة.

بالإضافة إلى ذلك يجب أن تكون الأقمار الصناعية خفيفة حيث أنّ تكلفة إطلاق القمر الصناعي باهظة الثمن وتعتمد على الوزن ولمواجهة هذه التحديات يجب أن تكون الأقمار الصناعية صغيرة ومصنوعة من مواد خفيفة الوزن ومتينة كما يجب أن تعمل بموثوقية عالية جداً تزيد عن (99.9%) في فراغ الفضاء مع عدم وجود احتمال للصيانة أو الإصلاح.

يجب أن يعمل القمر الصناعي الموجود في المدار بشكل مستمر طوال فترة حياته بالكامل وتحتاج إلى قوة داخلية لتكون قادرة على تشغيل أنظمتها الإلكترونية وحمولة الاتصالات، والمصدر الرئيسي للطاقة هو ضوء الشمس الذي يتم تسخيره بواسطة الألواح الشمسية للقمر الصناعي ويحتوي القمر الصناعي أيضاً على بطاريات على متنه لتوفير الطاقة عندما تحجب الأرض الشمس حيث يتم إعادة شحن البطاريات بالتيار الزائد الناتج عن الألواح الشمسية عندما يكون هناك ضوء الشمس.

تعمل الأقمار الصناعية في درجات حرارة قصوى من (-150 درجة مئوية أي -238 درجة فهرنهايت إلى 150 درجة مئوية أي 300 درجة فهرنهايت) وقد تتعرض للإشعاع في الفضاء، ومكونات الأقمار الصناعية التي يمكن أن تتعرض للإشعاع محمية بألمنيوم ومواد أخرى مقاومة للإشعاع، يحمي النظام الحراري للقمر الصناعي مكوناته الإلكترونية والميكانيكية الحساسة ويحافظ عليها في درجة حرارة التشغيل المثلى لضمان استمرار تشغيله كما يحمي النظام الحراري للقمر الصناعي أيضاً مكونات القمر الصناعي الحساسة من التغيرات الشديدة في درجة الحرارة عن طريق تنشيط آليات التبريد عندما يصبح الجو حاراً جداً أو أنظمة التدفئة عندما يصبح الجو بارداً جداً.

تعمل الأقمار الصناعية في ثلاثة مدارات مختلفة: مدار أرضي منخفض (LEO)، مدار أرضي متوسط ​​(MEO)، مدار مستقر بالنسبة إلى الأرض أو مدار متزامن مع الأرض (GEO)، حيث تتمركز الأقمار الصناعية في المدار الأرضي المنخفض على ارتفاع يتراوح بين (160 كم و1600 كم) أو (100 و1000 ميل) فوق الأرض، تعمل أقمار (MEO من 10000 إلى 20000 كم أي 6300 إلى 12500 ميل) من الأرض.

لا تعمل الأقمار الصناعية بين المدار الأرضي المنخفض و(MEO) بسبب البيئة غير المواتية للمكونات الإلكترونية في تلك المنطقة والتي يسببها حزام إشعاع (Van Allen) ويتم وضع أقمار (GEO) على ارتفاع (35786 كم أي 22.236 ميل) فوق الأرض حيث تكمل مداراً واحداً خلال 24 ساعة وبالتالي تظل ثابتة على بقعة واحدة، ولا يتطلب الأمر سوى ثلاثة أقمار صناعية جيو لتوفير تغطية عالمية، بينما يتطلب الأمر 20 قمراً صناعياً أو أكثر لتغطية الأرض بأكملها من المدار الأرضي المنخفض و10 أو أكثر في المدار الأرضي المتوس ويتطلب الاتصال بالأقمار الصناعية في المدار الأرضي المنخفض و(MEO) تتبع الهوائيات على الأرض لضمان الاتصال السلس بين الأقمار الصناعية.

نظام التتبع والقياس عن بعد والتحكم (TT&C) للقمر الصناعي:

نظام التتبع والقياس عن بعد والتحكم (TT&C) للقمر الصناعي: هو رابط اتصال ثنائي الاتجاه بين القمر الصناعي و(TT&C) على الأرض ويسمح ذلك لمحطة أرضية بتتبع موقع القمر الصناعي والتحكم في دفع القمر الصناعي وأنظمة حرارية وأنظمة أخرى كما يمكنه مراقبة درجة الحرارة والجهود الكهربائية والمعلمات المهمة الأخرى للقمر الصناعي.

مكونات الاتصالات بالأقمار الصناعية:

  1. نظام الاتصالات: الذي يتضمن الهوائيات وأجهزة الإرسال والاستقبال التي تستقبل الإشارات وتعيد إرسالها.

  2. نظام الطاقة: الذي يشمل الألواح الشمسية التي توفر الطاقة.

  3. نظام الدفع: الذي يشمل الصواريخ التي تدفع القمر الصناعي.

يحتاج القمر الصناعي إلى نظام الدفع الخاص به للوصول إلى الموقع المداري الصحيح وإجراء تصحيحات عرضية لهذا الموقع كما يمكن للقمر الصناعي في مدار ثابت بالنسبة للأرض أن ينحرف بدرجة ما كل عام من الشمال إلى الجنوب أو من الشرق إلى الغرب من موقعه بسبب جاذبية القمر والشمس، يحتوي القمر الصناعي على دفعات يتم إطلاقها من حين لآخر لإجراء تعديلات في موضعها.

يسمى الحفاظ على الموقع المداري للقمر الصناعي حفظ المحطة، والتصحيحات التي يتم إجراؤها باستخدام محركات دفع القمر الصناعي تسمى التحكم في الموقف ويتم تحديد العمر الافتراضي للقمر الصناعي من خلال كمية الوقود التي يحتاجها لتشغيل هذه الدافعات وبمجرد نفاد الوقود ينجرف القمر الصناعي في النهاية إلى الفضاء ويخرج من العملية ليصبح حطاماً فضائياً.

الحاجة إلى اتصالات الأقمار الصناعية:

  • انتشار الموجة الأرضية: انتشار الموجة الأرضية مناسب للترددات حتى 30 ميجاهيرتز وتستفيد طريقة الاتصال هذه من ظروف طبقة التروبوسفير للأرض.

  • انتشار الموجات الأيونوسفيرية: عرض النطاق المناسب لهذا النوع من الاتصالات يتراوح بين (30-40 ميغاهيرتز) ويستفيد من خصائص الأيونوسفير للأرض.

الحد الأقصى لمسافة القفزة أو المحطة يقتصر على (1500 كيلومتر) في انتشار الموجة الأرضية وانتشار الموجة الأيونوسفيرية ويتغلب الاتصال عبر الأقمار الصناعية على هذا القيد، في هذه الطريقة توفر الأقمار الصناعية الاتصالات لمسافات طويلة والتي هي أبعد من خط البصر.

نظراً لأنّ الأقمار الصناعية تقع على ارتفاع معين فوق الأرض فإنّ الاتصال يحدث بين أي محطتين أرضيتين بسهولة عبر الأقمار الصناعية؛ لذلك فإنّه يتغلب على قيود الاتصال بين محطتين أرضيتين بسبب انحناء الأرض.

مزايا استخدام الاتصالات الأقمار الصناعية:

  • مساحة التغطية أكبر من تغطية الأنظمة الأرضية.

  • يمكن تغطية كل ركن من أركان الأرض.

  • تكلفة النقل مستقلة عن منطقة التغطية.

  • المزيد من عرض النطاق الترددي وإمكانيات البث.

عيوب استخدام الاتصالات الأقمار الصناعية:

  • إنّ إطلاق الأقمار الصناعية في المدارات عملية مكلفة.

  • يتأخر انتشار الأنظمة الساتلايتية أكثر من تأخر انتشار الأنظمة الأرضية التقليدية.

  • من الصعب توفير أنشطة الإصلاح في حالة حدوث أي مشكلة في نظام القمر الصناعي.

  • فقدان المساحة الحرة أكثر.

  • يمكن أن يكون هناك ازدحام في الترددات.

تطبيقات اتصالات الأقمار الصناعية:

  • البث الإذاعي والاتصالات الصوتية.

  • البث التلفزيوني، مثل (Direct To Home – DTH).

  • تطبيقات الإنترنت، مثل توفير اتصال بالإنترنت لنقل البيانات وتطبيقات (GPS) وتصفح الإنترنت وما إلى ذلك.

  • التطبيقات والملاحة العسكرية.

  • تطبيقات الاستشعار عن بعد.

  • مراقبة حالة الطقس والتنبؤ به.

مستقبل الاتصالات بالأقمار الصناعية:

في فترة زمنية قصيرة تطورت تكنولوجيا الأقمار الصناعية من التجريبية (سبوتنيك في عام 1957م) إلى المتطورة والقوية كما تطورت الأبراج الضخمة للأقمار الصناعية المصممة لتوفير الوصول إلى الإنترنت إلى أي مكان على الأرض قيد التطوير، وستتمتع أقمار الاتصالات المستقبلية بمزيد من إمكانيات المعالجة الداخلية والمزيد من الطاقة وهوائيات ذات فتحة أكبر ستمكن الأقمار الصناعية من التعامل مع المزيد من عرض النطاق الترددي، وستزيد التحسينات الإضافية في أنظمة الدفع والطاقة للأقمار الصناعية من عمر الخدمة إلى (20-30 سنة).

بالإضافة إلى ذلك هناك ابتكارات تقنية أخرى مثل مركبات الإطلاق منخفضة التكلفة القابلة لإعادة الاستخدام قيد التطوير، ومع تزايد حركة الفيديو والصوت والبيانات التي تتطلب كميات أكبر من النطاق الترددي، لا يوجد ندرة في التطبيقات الناشئة التي ستدفع الطلب على خدمات الأقمار الصناعية في السنوات القادمة، وسيضمن الطلب على مزيد من عرض النطاق الترددي إلى جانب الابتكار المستمر وتطوير تكنولوجيا الأقمار الصناعية واستمرارية صناعة الأقمار الصناعية التجارية على المدى الطويل في القرن الحادي والعشرين.