سارا حسینی: برقراری ارتباطات برای مناطق دورافتاده از جمله روستاهای کوهستانی، چالشی بزرگ برای بسیاری از دولت‌هاست، چرا که کابل‌کشی برای برقراری ارتباطات به‌صورت زمینی بسیار پرهزینه و دشوار است. حتی ایجاد ایستگاه‌های رادیویی نیز چندان کمکی نمی‌کند. دلیل این امر آن است که در مناطق کوهستانی امواج به‌آسانی نفوذ نمی‌کنند و به تعداد زیادی ایستگاه جهت برقراری ارتباطات نیاز است. در هر دو روش علاوه‌بر مسائل فنی، اغلب از نظر اقتصادی نیز توجیه چندانی برای برقراری ارتباطات چند خانوار با صرف هزینه بسیار وجود ندارد. در چنین مواردی ماهواره‌های مخابراتی می‌توانند بسیار راهگشا باشند.
به‌علاوه، استفاده از ارتباطات ماهوارهای برای برقراری ارتباطات وسایل نقلیه از جمله هواپیماها، کشتی‌ها و خودروها، مزایای بسیاری به‌دنبال دارد. همچنین در برخی پروژه‌ها از جمله پروژه‌های نفتی، راه‌سازی که تیم‌های اجرایی اغلب در مناطق دورافتاده اقدام به فعالیت می‌کنند، چاره‌ای جز برقراری ارتباطات با کمک ماهواره‌ها نیست.
تقریبا ۲ هزار ماهواره در حال گردش و ارسال سیگنال‌های آنالوگ و دیجیتال با قابلیت انتقال صدا، تصویر و داده به زمین هستند که بسیاری از این ماهواره‌ها برای ارسال صوت، تصویر و داده به نقاط مختلف زمین استفاده می‌شوند. ارتباطی موثر بین کاربر و ماهواره، شامل انتقال سیگنال از فرستنده زمین به ماهواره، دریافت سیگنال توسط ماهواره و ارسال مجدد آن به گیرنده در جای دیگر زمین است. در ادامه برای آشنایی با مفاهیم ارتباطات ماهوارهای به بررسی اجزای ماهواره‌ها، نحوه کارکرد و موقعیت ماهواره‌های مخابراتی پرداخته می‌شود.
تاریخچه توسعه ارتباطات ماهوارهای
نخستین بار اندیشه استفاده از ارتباطات ماهوارهای در داستانی کوتاه با عنوان ماه آجری (Brick Moon) به‌نویسندگی ادوارد اورت هیل (Edward Everett hale) بیان شده که این داستان به ساخت و پرتاب ماهوارهای آجری با قطر ۶۰۰ متر به مدار زمین که به ردوبدل‌کردن کدمورس بین دریانوردان کمک می‌کرد، پرداخته است.
هرچند یک داستان کوتاه برای اولین‌بار جرقه‌های استفاده از ماهواره برای برقراری ارتباطات را روشن کرد، اما اولین‌بار ایده استفاده از ماهواره‌ها برای ارتباطات به‌صورت جدی توسط افسر نیروی هوایی سلطنتی به‌نام آرتور سی کلارک (Arthur C.Clarke) و در مقاله‌ای تحت عنوان «آیا ماهواره‌های مخابراتی می‌توانند به جهان خدمات دهند» ارائه شد. او معتقد بود اگر ماهوارهای در ارتفاع ۳۵۷۸۶ کیلومتری از زمین گردش کند، سرعت چرخش آن به دور زمین با سرعت چرخش زمین به دور خود یکسان بوده و این امر موجب می‌شود ماهواره در این نقطه نسبت به زمین جایگاهش ثابت بماند. کلارک در این مقاله دریافت اگر سه ماهواره در این مدار قرار بگیرند، میزان پوشش رادیویی را فراهم می‌کنند که سرتاسر جهان به‌استثنای مناطق قطبی می‌توانند از ارتباطات ماهوارهای استفاده کنند. بعد از چاپ مقاله کلارک سه اختراع مهم نیز ظهور کردند که در ساخت ماهواره‌ها بسیار موثر بودند؛ سلول خورشیدی، انواع مختلف ترانزیستورها و لامپ تقویت موج رادیویی.
بعد از کلارک در اکتبر۱۹۵۷ اولین ماهواره اتحاد جماهیر شوروی با نام اسپوتنیک-۱ (sputnik-1) با ۵۸ سانتی‌متر قطر و چهار آنتن برای ارسال سیگنال‌های رادیویی فرکانس پایین با موفقیت پرتاب شد. این ماهواره در مدار بیضوی با سرعت ۲۹ هزار کیلومتر بر ساعت و در زمان ۲.۹۶ دقیقه یک دور کامل به دور زمین می‌چرخید. سیگنال‌های رادیویی این ماهواره به‌صورت بیپ‌بیپ‌های متوالی با فرکانس ۲۰.۵۰۰ و ۴۰.۰۰۱ مگاهرتز به زمین مخابره می‌شد که در مکان‌های مختلف زمین قابل دریافت بود. ولی این ماهواره تنها مدت ۲۲ روز را به ارسال سیگنال و طی‌کردن مسافت ۶۰ میلیون کیلومتری کرد و بعد از اتمام باتری خاموش شد؛ اما پرتاب این ماهواره مقدمه‌ای برای شروع فعالیت‌های بعدی فضایی بود.
اسپوتنیک-۱
اولین ماهواره برای ارسال سیگنال‌های صوتی از پایگاه فضایی کیپ کاناورال (Cape Canaveral) فلوریدای آمریکا در سال ۱۹۵۸ توسط این کشور پرتاب شد و پیامی حاوی صلح را به زمین مخاطره کرد. بعد از آن مهندسین آمریکایی به‌نام‌های جان پیرس (John Pierce) و هارولد روزن (Harold Rosen) در دهه ۱۹۵۰ و ۱۹۶۰ فناوری ماهواره‌های ارتباطی تجاری را توسعه‌دادند و در ادامه آژانس فضایی آمریکا، ناسا، در سال ۱۹۵۸ تاسیس شد و برنامه‌ای برای توسعه فناوری‌های ماهوارهای آغاز کرد.
در سال ۱۹۵۸ اتحاد جماهیر شوروی نیز برنامه‌ای برای کسب اطلاعات از سیاره ماه به‌نام لونا (Luna) تعریف کرد. قرار بود اطلاعات به‌دست‌آمده از آن در برنامه‌ریزی سفرآینده انسان به ماه و برنامه اکتشافی سیاره زهره و مریخ استفاده شود. در همان سال نیز اولین پرتاب صورت گرفت، اما این ماموریت هیچگاه انجام نشد.
فضاپیمای وستوک (vostok) نیز در چارچوب برنامه سفر انسان به فضا در شوروی طراحی و ساخته شد. یوری گاگارین (Yuri Gagarin)، نخستین فضانورد جهان، طی ماموریت وستوک-۱ نخستین پرواز فضایی انسان به فضا را در سال ۱۹۶۱ انجام داد و والنتیا ترشکووا (Valentina Tereshkova)، نخستین زن فضانورد جهان، به‌وسیله وستوک-۶ در سال ۱۹۶۳ به فضا سفر کرد.
اولین پروژه ناسا ماهواره اکو-۱ (Echo-1) در ۱۲آگوست۱۹۶۰ پرتاب شد. اکو-۱ بالونی با پوشش آلومینیوم ۳۰.۵ متر بود که فقط قادر بود سیگنال‌ها را از زمین منعکس کند و به‌همین‌دلیل یک ماهواره غیرفعال محسوب می‌شد. اکو-۲ (Echo-2) در سال ۱۹۶۴ پرتاب شد. هرکدام از ماهواره‌های اکو-۱ و اکو-۲ به‌ترتیب در مدت ۸ و ۵ سال در مدار زمین فعال بودند.
اکو-۱
اولین ماهواره ارتباطی شرکت ای تی اند تی (AT&T) تلستار-۱ (telstar-1) است که ناسا آن را در ۱۰ژوئیه۱۹۶۲ به فضا پرتاب کرد. این ماهواره دارای قابلیت ارتباط دوطرفه و مخابره برنامه‌های تلویزیونی بود، ولی به برقراری تماس‌های تلفنی نیز می‌پرداخت. تلستار-۱ اولین ماهوارهای بود که امکان پخش زنده تلویزیونی بین آمریکای شمالی و اروپا را فراهم کرد و اولین تماس تلفنی نیز از طریق ماهواره در سال ۱۹۶۴ برقرار شد. ساینکام-۳ (Syncom-3) نیز اولین ماهوارهای به‌شمار می‌رود که در مدار زمین امکان پخش زنده ماهوارهای بازی‌های المپیک را فراهم آورد.
ساینکام-۳
سال ۱۹۶۲ قانونی تصویب شد که اجازه ایجاد انجمن ارتباطات ماهوارهای کامست (Comsat) را داد. این انجمن برای توسعه و کنترل فعالیت‌های آمریکا در زمینه ارتباطات ماهوارهای تاسیس شد و بعد از آن اینتلست (International Telecommunications Satellite Organization یا Intelsat) که بزرگترین ارائه‌دهنده خدمات مخابرات ماهوارهای تجاری جهان است، در تاریخ ۲۰آگوست۱۹۶۴ با توافق ۱۱ امضاکننده شامل اتریش، کانادا، ژاپن، هلند، نروژ، اسپانیا، سوئیس، انگلستان، ایالات متحده آمریکا، واتیکان و آلمان غربی تشکیل شد. در سال ۱۹۶۵ اولین ماهواره اینتلست به‌نام ارلی برد (Early bird) به فضا ارسال گردید. این ماهواره ۳۹ کیلوگرمی به‌شکل استوانه‌ای به‌قطر ۷۲ سانتی‌متر و ارتفاع ۵۹ سانتی‌متر ساخته شد. ارلی برد اولین ماهواره تجاری بود که خدمات مخابراتی، تصویر و صدا را بین آمریکا و اروپا فراهم کرد.
در سال‌های ۱۹۶۷ ماهواره‌های b2 و d2 از اقیانوس آرام و در سال ۱۹۶۹ ماهواره 3-f-3 از اقیانوس هند به مدار ژئو پرتاب شدند. بعد از پرتاب ماهواره‌های اینتلست در مدار ژئو تقریبا زمین تحت پوشش جهانی قرار گرفت و گفته آرتور سی کلارک در 24 سال پیش را تصدیق کرد. ۱۹ روز پس از قرارگیری اینتلست-۳-اف-۳ (intelsat3f3) در سال ۱۹۶۹ فرود اولین انسان روی ماه از طریق شبکه جهانی ماهوارهای پخش‌شد و بیش از ۶۰۰ میلیون نفر پخش زنده و مستقیم این پرتاب را از طریق ماهواره مخابراتی جهانی دیدند.
مجموعه ماهواره مخابراتی اتحاد جماهیر شوروی نیز به‌نام مولنیا (Molniya) برای دسترسی به مناطق شمالی در مدار بیضوی پرتاب شد. اولین ماهواره این مجموعه در سال ۱۹۶۵ در مدار زمین و در سال ۱۹۶۷ شش ماهواره دیگر نیز در مدار زمین قرار گرفتند. این مجموعه ارتباطات رادیویی، تلویزیونی و مخابراتی را برای اتحاد جماهیر شوروی میسر ساخت. بعد از آن در سال ۱۹۶۷ رژه سالیانه در طول پنجاهمین سالگرد اتحاد جماهیر شوروی در میدان سرخ از طریق مجموعه ماهواره مولنیا پخش شد.
در سال ۱۹۷۱ سازمان بین‌المللی ارتباطات فضایی (International Organization of Space Communication) به‌نام اینتراسپونتیک (Interspuntik) در مسکو توسط اتحاد جماهیر شوروی همراه با یک گروه از هشت کشور شامل لهستان، چکسلواکی، آلمان شرق، مجارستان، رومانی، بلغارستان، مغولستان و کوبا تشکیل شد. هدف اینتراسپونتیک توسعه و استفاده مشترک از ماهواره‌های ارتباطی بود.
ماهواره‌های مخابراتی چگونه کار می‌کنند؟
کار اصلی ماهواره‌ها دریافت سیگنال از جایی در زمین و برگرداندن دوباره سیگنال به جایی دیگر در زمین با استفاده از ترانسپاندر است. قطعات ترانسپاندر شامل ابزار محدودکننده پهنای باند ورودی، تقویت‌کننده با نویز پایین (LNA) جهت تقویت کردن سیگنال‌های دریافت‌شده از ایستگاه زمینی، تبدیل‌کننده فرکانس برای تبدیل فرکانس به ولتاژ، فیلتر میان‌گذر خروجی که تنها به فرکانس‌های محدود خاصی اجازه عبور می‌دهد و تقویت‌کننده توان است. ماهواره‌های مخابراتی جدید از ترانسپاندرهایی با قابلیت پردازش سیگنال که سیگنال‌ها را به‌ترتیب جداسازی، رمزگشایی، رمزگذاری مجدد و ترکیب می‌کند، بهره می‌برند.
یک ماهواره باید در برابر سرعت مداری حین پرتاب، فضای بد، تابش نور خورشید و دمای بالا در عمر عملیاتی خود دوام بیاورد. پس ماهواره‌ها باید کوچک سبک و بادوام باشند و باید در فضا با ضریب اطمینان ۹۹.۹ درصد بدون نیاز به تعمیر و نگهداری کار کنند.
اجزای ماهواره‌ها
ماهواره‌های مخابراتی دارای دو بخش محموله (playload) و واحد پشتیبان (bus یا platform) هستند. محموله بخش اصلی ماهواره بوده و وظیفه آن انجام ماموریت است. واحد پشتیبان زیرسامانه‌های دیگر ماهواره هستند و وظیفه آن‌ها تامین نیازمندی‌های محموله برای انجام وظیفه است. سامانه پشتیبان تشکیل شده است از:
۱- سازه: جایگاهی برای قرارگیری کلیه اجزا ماهواره
۲- تعیین کنترل وضعیت: هدایت ماهواره در جهت مناسب
۳- کنترل حرارت: برای کنترل دمای ماهواره برای بهترین عملکرد زیرسامانه‌ها
۴- تامین توان: تامین انرژی و تنظیم توان در ماهواره
۵- TT&C: جمع‌آوری اطلاعات موردنیاز از قسمت‌های مختلف ماهواره
۶- سامانه پیشرانش: برای کنترل خودکار ماهواره
صفحه‌های خورشیدی برای تامین توان، انرژی نورانی خورشید را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کنند. این صفحه‌ها از ترکیبات نیمه‌هادی که وظیفه آن‌ها تبدیل انرژی نورانی خورشید به انرژی الکتریکی است، ساخته شده‌اند. یک ماهواره برای کارکردن در تمام طول عمر نیاز به انرژی دارد که این انرژی با استفاده از این صفحه‌ها تامین می‌گردد.
سامانه پیشرانش برای انجام مانورهای فضایی استفاده می‌شود. مهم‌ترین بخش سامانه پیشرانش در ماهواره‌ها، موتورهای کوچکی هستند که به آن‌ها تراستر (thruster) یا رانشگر گفته می‌شود. رانشگرها برخلاف موتور ماهواره‌برها معمولا بسیار کوچک هستند و نیروی کمی تولید می‌کنند، اما همین نیروی کم در شرایط جاذبه کم برای انجام مانورهای مداری کافی است. این مانورها معمولا برای تغییر شکل، اندازه و یا ارتفاع مدار ماهواره انجام می‌شود. کارکرد دیگر سامانههای پیشرانش ماهواره در تامین کنترل وضعیت ماهواره است. ماهواره‌ها نیاز به سامانه پیشرانش دارند چرا که هرساله تا حدودی از شمال به جنوب و یا از شرق به غرب مدار خود به دلیل جاذبه ماه و خورشید منحرف می‌شوند و این سامانه به قرارگیری دوباره ماهواره در مدار اصلی خود کمک می‌کند. همچنین طول عمر ماهواره‌ها بستگی به مقدار سوخت سامانه پیشرانش دارد؛ با اتمام سوخت ماهواره خاموش و به زباله فضایی تبدیل می‌شود.
ماهواره‌ها در اختلاف دمای شدید از ۱۵۰- درجه سانتیگراد تا ۱۵۰ درجه سانتیگراد کار می‌کنند و به همین علت اجزای ماهواره با آلومینیوم مقاوم‌سازی شده و سامانه کنترل حرارتی ماهواره از اجزای اصلی و حساس ماهواره محافظت می‌کند و این سامانه تمامی اجزا ماهواره را در دمای عملیاتی مناسب برای بهترین کارکرد نگه می‌دارد.
ماهواره‌ها در طیف وسیعی از وزن‌ها ساخته می‌شوند، سبک‌ترین دسته آن‌ها که کمتر از ۱ کیلوگرم وزن دارند به‌نام پیکو (pico) و سنگین‌ترین دسته آن‌ها که بیش از ۶۵۰۰ کیلوگرم وزن دارند، ماهواره‌های سنگین نام‌گذاری شده‌اند. ماهواره‌های مخابراتی و تلویزیونی معمولا جز دسته ماهواره‌های سنگین هستند.
موقعیت ماهواره‌های ارتباطی
ماهواره‌ها در مدارهایی به‌نام‌های لئو (low earth orbit به‌اختصار LEO)، مئو (medium earth orbit به‌اختصار MEO)، ژئو (geostationary or geosynchronous orbit به‌اختصار GEO) و مدار هئو (high earth orbit به‌اختصار HEO) به دور زمین در چرخش هستند. لئو در فاصله ۱۶۰ الی ۱۶۰۰ کیلومتری از زمین، ژئو در فاصله ۳۵۷۸۶ کیلومتری و هئو در مداری بیضی شکل است که قسمت نزدیکتر به زمین فاصله‌ای حدود هزار کیلومتر و قسمت دورتر حدود ۴۶ هزار کیلومتر از زمین فاصله دارد. مئو نیز فاصله بین لئو و ژئو، از حدودا ۲ هزار کیلومتری سطح زمین تا زیر مدار ژئو، در نظر گرفته می‌شود.
ماهواره‌های مدار ژئو با سرعت زاویه‌ای مشابه با زمین در چرخش هستند و موقعیت آن‌ها نسبت به زمین ثابت است. در فاصله بین مدارهای لئو و مئو محیطی به‌نام کمربند ون آلن (van alen) وجود دارد که در آن محیط سامانههای الکتریکی ماهواره‌ها دچار مشکل می‌شود؛ به همین علت هیچ ماهواره مخابراتی در این محیط قرار ندارد. هر سیگنال برای ارسال از زمین به مدار ژئو و برگشت تاخیری ۰.۲۲ ثانیه‌ای دارد که به این دلیل از مدار ژئو برای قرارگیری ماهواره‌های ارتباطی برای تامین ارتباطات تلفنی استفاده نمی‌شود، اما این مدار به‌علت زمین‌ثابت بودن برای قرارگیری ماهواره‌های ارتباطی پخش گسترده مناسب است.
ارتباطات ماهوارهای برای انتقال و دریافت سیگنال‌ها از دامنه فرکانس بسیار بالا از ۱ تا ۵۰ گیگاهرتز استفاده می‌کنند. دامنه باند فرکانس با حروف مشخص می‌شود؛ به‌ترتیب از دامنه فرکانس کم به زیاد L- و S- و C- و X- و Ku- و Ka- و V- هستند. سیگنال‌های با دامنه فرکانس پایین (L- و S- و C-) قدرت کمتری دارند، برای همین برای دریافت سیگنال‌ها به آنتن بزرگتری نیاز است. سیگنال‌ها در دامنه فرکانس بالا (X- و Ku- و Ka- و V-) از قدرت بیشتری برخوردارند، بنابراین نیاز به دریافت‌کننده بزرگ ندارند پس می‌توان از آن‌ها برای پخش مستقیم استفاده کرد. این طیف از سیگنال‌ها برای تلفن، برنامه‌ها و دریافت‌کننده‌های خانگی کاربرد دارند.
ماهواره‌های مخابراتی غیرنظامی عموما به ترانسپاندرهای باندهای C ،Ku و Ka مجهز هستند و از ترانسپاندرهای باند X برای مخابرات نظامی استفاده می‌گردد. در ماهواره‌های مخابراتی نیز از باند Ka استفاده می‌شود، اما بااین‌وجود اقدامات اولیه‌ای برای سنجش امکان اضافه‌کردن باندهای جدیدی به‌نام‌های Q و V در حال بررسی است.
رشد صنعت ماهواره و افزایش کاربردهای آن در زمینه‌های نقشه‌برداری، هواشناسی، سنجش‌ازدور و زمینه‌های دیگر سبب کمبود جدی پهنای باند در فرکانس‌های پایین شده است. این موضوع باعث انتقال از باند C به Ku و از Ku به Ka می‌شود. انتقال به باند Ka کاهش فشار پهنای باند را به‌دنبال دارد، چرا که این باند از ظرفیت بسیار بیشتری برخوردار است، اما افزایش توان عملیاتی و ظهور منظومه‌های مداری غیر زمین‌ثابت (Non-Geostationary) باعث آینده‌نگری صنعتگران و در نظر گرفتن ظرفیت موجود در باندهای دیگر برای پشتیبانی برای برنامه‌های آینده شده است؛ بنابراین ارتقا طیف ماهوارهای به باندهای Q و V می‌تواند پنجره‌های جدیدی را در توسعه سریع زیرساخت‌های مخابراتی باز کند.
انواع ارتباطات ماهوارهای
ارتباطات ماهوارهای به سه دسته تقسیم می شوند که این دسته‌ها شامل ارتباط از راه دور (telecommunications)، ارتباط پخش گسترده (broadcasting) و ارتباط داده‌ای (data communication) می‌شوند. هرکدام از ارتباطات کاربردی خاص دارد؛ ارتباط از راه دور برای تماس، تلفن و شبکه بی‌سیم، پخش گسترده برای رادیو و تلویزیون که مستقیما با مصرف‌کننده در ارتباط است و ارتباط داده‌ای برای انتقال داده از یک نقطه‌به‌نقطه دیگر مورد استفاده قرار می‌گیرند.
در مکان‌هایی که تلفن‌ها عمل نمی‌کنند، مزیت تلفن‌های ماهوارهای به‌چشم می‌آید. این تلفن‌ها برخلاف تلفن‌هایی که به دکل‌های زمینی وابسته هستند، داده‌ها را مستقیما با ماهواره‌های مستقر در مدار زمین ردوبدل می‌کنند. فناوری تلفن ماهوارهای در حال حاضر در برخی از قسمت‌های جهان به تنها وسیله ارتباطی بدل شده است؛ به‌خصوص در کشورهایی که درگیر جنگ داخلی و بحران‌های داخلی هستند و یا ارتباطات موبایلی زمینی در آن‌ها امکان‌پذیر نیست.
برخی از ماهواره‌های مخابراتی در مدار ژئو که با آهنگ گردش زمین هماهنگ است و برخی دیگر در مدار لئو که ماهواره نزدیک زمین است، در گردش هستند. هر کدام از این مدارها نیز کاربرد خاص خود را دارند. ماهواره‌های مدار ژئو بسیار بزرگ و قدرتمند بوده و در این مدار قادرند بخش بزرگی از سطح جغرافیایی زمین را پوشش دهند. از مدار ژئو نه‌تنها برای تماس صوتی بلکه برای اشتراک‌گذاری فایل، ارسال متن، پخش تلویزیون و دیگر کارها نیز استفاده می‌شود.
مدار ژئو معایبی هم دارد؛ از جمله اینکه فاصله زیاد این مدار با زمین باعث ایجاد تاخیر ۰.۲۵ ثانیه‌ای می‌شود. بنابراین اگر با فردی صحبت می‌کنید، باید کمی مکث کنید تا پاسخ او را دریافت نمایید. همچنین این ماهواره‌ها در راستای خط استوا قرار دارند پس مناطق نزدیک به قطب سیگنال چندان خوبی را دریافت نخواهند کرد.
اما ماهواره‌های مدار لئو در مدار نزدیکتری به دور زمین در گردش هستند. این ماهواره‌ها کوچک و سبک هستند و به‌دلیل فاصله کم با زمین تعداد بیشتری در حدود ۶۰ ماهواره برای پوشش کل زمین لازم است. ماهواره‌های مدار لئو کیفیت تماسی عالی و تاخیر بسیار کم حدود ۰.۵۰ ثانیه‌ای دارند، ولی سرعت انتقال داده در آن‌ها بسیار کم است.
هرچند که ارتباطات ماهوارهای امکانات منحصربه‌فردی را در اختیار می‌گذارد، اما عدم توانایی دریافت سیگنال در فضای بسته از محدودیت‌های اصلی آن محسوب می‌شود. همچنین از مشکلات دیگر ارتباطات ماهوارهای می‌توان به ردیابی آسان موقعیت مکانی سیگنال‌ها اشاره کرد. نکته دیگر اینکه سامانههای ماهوارهای در برابر شرایط آب‌وهوایی آسیب‌پذیر هستند و طوفان‌های عظیم خورشیدی و پدیده‌های طبیعی می‌تواند عملکرد آن‌ها را با مشکل مواجه کند. به‌علاوه، هزینه استفاده از تلفن‌های ماهوارهای نیز مسئله‌ای مهم بوده که برای رفع این مشکل استفاده از ارتباطات زمینی به‌همراه ماهوارهای پیشنهاد شده است. در روش تلفن‌های دوحالته تنها زمانی به ارتباط ماهوارهای متوسل می‌شوند که هیچ راهی برای برقراری ارتباط وجود نداشته باشد و این کار علاوه‌بر پوشش کل زمین هزینه کمتری برای کاربر خواهد داشت.
مشتریان عمده
درآمد جهانی کل خدمات ماهوارهای در سال ۲۰۱۷ معادل ۲۶۰.۵ میلیارد دلار بوده است. از این میزان ۱۲۷.۷ میلیارد دلار به درآمد خدمات مخابرات ماهوارهای تعلق دارد. درآمد جهانی خدمات ماهوارهای در سال ۲۰۱۷ با افزایش ۰.۲ درصدی از ۱۲۷.۴ میلیارد دلار به ۱۲۷.۷ میلیارد دلار رسیده است. دراین‌بین بخش ارتباطات ماهوارهای ۱۰۸.۳ میلیارد دلار را به خود اختصاص داده است که ۱۰۴.۷ میلیارد دلار درآمد از مصرف‌کنندگان (تلویزیون ماهوارهای ۹۷.۷ میلیارد دلار، رادیو ماهوارهای ۵ میلیارد دلار و باند پهن ۲ میلیارد دلار) و ۳.۶ میلیارد دلار آن به خدمات تلفن همراه تعلق دارد.
در آمد کل ارتباطات ماهوارهای ایالات متحده آمریکا در سال ۲۰۱۷ به میزان ۰.۲ درصد کاهش داشته و از ۵۳.۳ میلیارد دلار به ۵۲.۱ میلیارد دلار رسیده است. دراین‌میان مقدار ۵۰.۸ میلیارد دلار آن از خدمات ارتباطات ماهوارهای است که از این خدمات ۴۶.۴ میلیارد برای بخش مصرف‌کننده بوده و ۰.۵ میلیارد دلار به خدمات تلفن همراه تعلق دارد.
در سال ۲۰۱۹ درآمد جهانی کل خدمات ماهوارهای به میزان ۳۶۰ میلیارد دلار و با افزایش ۳ درصدی همراه بوده است. از این مقدار ۱۲۶.۵ میلیارد دلار آن برای خدمات مخابرات ماهوارهای است که شامل ۹۴.۲ میلیارد دلار برای بخش تلویزیون ماهوارهای، ۵.۸ میلیارد دلار برای بخش رادیو ماهوارهای، ۲.۴ میلیارد دلار برای بخش باند پهن، ۱.۴ میلیارد دلار برای بخش خدمات تلفن همراه ماهوارهای، ۲.۱ میلیارد دلار برای سنجش‌ازدور و ۱۷.۹ میلیارد دلار برای بخش خدمات ثابت می‌شود.
طی بازه ۲۰۱۹ تا ۲۰۲۷ نرخ رشد سالانه این بازار حدودا ۳۱.۵ درصد خواهد بود و بیشترین میزان رشد به‌ترتیب در آمریکای شمالی، اروپا و آسیا اقیانوسیه رخ خواهد داد. بر اساس یک گزارش تحلیلی که توسط موسسه تحقیقاتی ترنسپرنسی (Transparency Market Research) منتشر شده است، بازار جهانی مخابرات ماهوارهای تا سال ۲۰۲۷ به ارزش کلی ۴۲۳۸.۷ میلیون دلار خواهد رسید.
اقتصاد ماهواره‌های مخابراتی
صنعت ارتباطات، برنامه‌های تلویزیونی، رسانه‌ای و سرگرمی تاثیر زیادی در رشد بازار ارتباطات ماهوارهای در ارائه ارتباطات با کیفیت بالا به مشتریان دارد. افزایش استفاده از برنامه‌هایی مانند یوتیوب، نتفلیکس، اینستاگرام، تیک توک (Tik Tok) به رشد فوق‌العاده بازار ارتباطات ماهوارهای کمک می‌کند.
یکی از بازارهای مهم مخابرات ماهوارهای در بخش اینترنت اشیا است. اروین هادسون (Erwin Hudson)، نائب‌رئیس شرکت کانادایی تلستات (Telestat)، می‌گوید: «من بازار عظیم بعدی برای مخابرات ماهوارهای را نه در اتصال خودروها به اینترنت، بلکه در اینترنت اشیا و جابه‌جایی چندین گیگابایت داده از یک نقطه‌به‌نقطه دیگر می‌بینم.» اکنون جهان نیازی سیری‌ناپذیر به اینترنت اشیا برای دریافت شبکه‌های ویدئویی اینترنتی، استفاده از لوازم‌خانگی هوشمند و غیره دارد و شرکت‌های ماهوارهای باید برای ارائه پهنای باند هرچه بهتر در تلاش برای رقابت با یکدیگر باشند. همچنین با افزایش تقاضا برای اینترنت 5G و تلاش برای توسعه زیرساخت‌ها به‌منظور تقویت بازار اتصال به باند 5G که با پرتاب ماهواره همراه است، آینده‌ای روشن برای اقتصاد ماهواره‌های مخابراتی رقم خواهد زد.
گوگل نیز پروژه معروف گوگل لون (Google Loon) را از سال ۲۰۱۳ آغاز کرده است و به‌کمک بالون‌های استراتوسفری که در ارتفاع ۱۸ کیلومتری از زمین قرار می‌گیرند، به ارائه اینترنت 4G برای مناطق محروم می‌پردازد. این بالون‌ها در لایه استراتوسفر با یکدیگر ارتباط دارند و از بین آن‌ها یک بالون با ایستگاه زمینی ارائه‌دهنده اینترنت ارتباط می‌گیرد و اینترنت را بین بقیه بالون‌ها پخش می‌کند. این بالون‌ها معمولا در ارتفاع ۲۰ الی ۳۰ کیلومتری سطح زمین است که این ارتفاع بالاتر از سطح پروازی اکثر هواپیماها قرار دارد.
به‌دلیل هزینه کم این بالون‌ها چند سالی می‌شود که ایده استفاده از بالون‌های استرانوسفری به‌جای ماهواره موردتوجه قرار گرفته است. چنین بالون‌هایی با محموله مخابراتی می‌توانند یک جایگزین ارزان قیمت با قابلیت پیاده‌سازی سریع باشند. این بالون‌ها در کشور ما نیز موردتوجه قرار گرفته‌اند. هرچند بالون‌هایی که در گذشته در پیاده‌روی اربعین و خدمت‌رسانی به مردم زلزله‌زده غرب کشور استفاده شده‌اند، ارتفاعی کمتر از هزار متر داشته‌اند ولی حرکتی روبه‌جلو در این زمینه به‌حساب می‌آید و ان‌ها را به رقیبی سرسخت برای ماهواره‌های مخابراتی تبدیل کرده است.
بازار آنتن‌های ماهوارهای که در سال ۲۰۱۷ ارزش آن ۵۰.۲ میلیارد دلار تخمین زده شده است، با رشد سالانه ۷.۸۵ درصدی تا سال ۲۰۲۲ به میزان ۹۹.۲ میلیارد دلار خواهد رسید. این رشد به‌دلیل افزایش نیاز به آنتن‌های سبک، پیشرفته و با مصرف انرژی کم، طول عمر زیاد و قیمت مناسب اتفاق خواهد افتاد و این آنتن‌ها برای ارتباط با سامانههای مخابراتی ماهواره‌های ارتباطاتی استفاده می‌شوند.
پیش‌بینی می‌شود بازار ارتباطات ماهوارهای تا سال ۲۰۲۵ با رشد ۱۰.۳۲ درصدی به ۹.۳۲ میلیارد دلار برسد و بازار جهانی مخابرات ماهوارهای اپتیکال (نوری) نیز تا سال ۲۰۲۷ به ارزش کلی ۸۳۲۴.۷ میلیون دلار خواهد رسید. بر اساس گزارش منتشرشده، طی بازه ۲۰۱۹ تا ۲۰۲۷ نرخ رشد سالانه این بازار حدودا به ۳۱.۵ درصد می‌رسد و بیشترین میزان به‌ترتیب به آمریکای شمالی، اروپا و آسیا اقیانوسیه تعلق خواهد داشت.
آینده ارتباطات ماهوارهای
ارتباطات ماهوارهای تحت تاثیر فناوری‌های جدید به‌سرعت در حال پیشرفت است. این پیشرفت نه‌تنها امکانات جدیدی را در اختیار کاربران قرار می‌دهد، بلکه به‌لحاظ اقتصادی هزینه استفاده از خدمات مربوطه را هم هر روز کاهش داده است که این امر به فتح بازارهای جدید منجر می‌شود.
شرکت‌های تجاری که در تلاش برای تقویت پهنای باند اینترنتی و علاقه‌مند به استفاده از مخابرات لیزری هستند، در آینده انقلابی بزرگ در زمینه مخابرات ماهوارهای را رقم خواهند زد. استفاده از فناوری سامانههای لیزری باعث افزایش سرعت انتقال داده در فضا می‌شود. با استفاده از فناوری لیزری می‌توان در عین مصرف توان کمتر موج‌هایی ۱۰ هزار برابر کوچک‌تر از موج‌های رادیویی ایجاد کرد و درنتیجه منطقه بسیار متمرکزتری را در سطح زمین پوشش داد. این ارتباطات از امنیت بالایی نیز برخوردارند که در آن، ارتباط، تنها بین ماهواره و ایستگاه زمینی خاص و یا دو ماهواره ایجاد می‌شود. شرکت‌های تجاری که در حال تلاش برای تقویت پهنای باند اینترنتی در سراسر جهان هستند، علاقه زیادی به استفاده از مخابرات لیزری دارند و اگر پیشرفت‌های مورد نظر برای کمتر کردن هزینه این فناوری در آینده تحقق یابد، شاهد انقلابی بزرگ در زمینه مخابرات ماهوارهای خواهیم بود.
هرچند ماهواره‌های قدرتمند لیزری امکان برقراری ارتباط با امنیت بالا را فراهم می‌کنند، اما در عصر ماهواره‌های قدرتمند کوانتومی مفهوم برقراری ارتباط امن به واقعیت نزدیکتر می‌شود. این ماهواره‌ها بر اساس درهم‌تنیدگی کوانتومی توسعه‌یافته‌اند. در این پدیده دو ذره به هم مرتبط می‌شوند و هر تغییر در یکی از ذرات بلافاصله به تغییر وضعیت ذره دیگر منجر خواهد شد. حتی اگر این دو ذره بعد از درهم‌تنیدگی به دو سوی عالم منتقل شوند، ویژگی کوانتومی یعنی درهم‌تنیدگی، اساس ارتباطات امن را تشکیل می‌دهد.
امنیت بالا ویژگی اصلی مخابرات کوانتومی است؛ به‌گونه‌ای که اگر یک هکر بخواهد داده‌ها را در میانه راه بخواند، ذرات کوانتومی حامل پیام از بین می‌روند و ایستگاه دریافت‌کننده اصلی از حمله آگاه می‌شود و هر تلاشی برای ایجاد تداخل در سیگنال‌های آن باعث فروپاشی الگوهای تداخل‌سنجی و برملاشدن عملیات جاسوسی خواهد بود. مطابق انتظارات تا پایان سال ۲۰۳۰ ارتباطات کوانتومی در مقیاس جهانی برقرار می‌شود.
منظومه‌های ماهوارهای نیز به‌سرعت در حال توسعه هستند؛ مانند منظومه شرکت وان‌وب (OneWeb) که اکنون درحال توسعه است و بنابر برنامه‌ریزی‌ها در آینده نزدیک پوشش جهانی پهن‌باند اینترنت را ارائه می‌دهد. این شرکت با اتکا به ماهواره‌های ۱۵۰ کیلوگرمی خود دسترسی به اینترنت ۵۰ مگابیت بر ثانیه را برای مشتریان خانگی وعده داده است.
بزرگترین و جدی‌ترین پروژه اینترنت ماهوارهای در جهان به شرکت اسپیس‌ایکس (SpaceX) تعلق دارد. منظومه ماهوارهای اینترنتی این شرکت با نام استارلینک (Starlink) که علاوه‌بر بازار اینترنت ماهوارهای تجاری، ماموریت‌های علمی، نظامی و اکتشافی را هم هدف قرار داده است و شامل چند هزار ماهواره می‌شود. اسپیس‌ایکس هر دو تا سه هفته یک‌بار محموله‌هایی شامل ۶۰ ماهواره اینترنتی استارلینک را به فضا می‌فرستد و اکنون بیش از هزار ماهواره استارلینک در مدار زمین دارد.
ماهواره‌های مخابراتی پربازده (High-throughput satellite به‌اختصار HTS) دسته‌ای از ماهواره‌های مخابراتی هستند که به‌ازای اختصاص طیف مداری یکسان حداقل ۲ و معمولا بیش از ۲۰ برابر ماهواره‌های مخابراتی متداول فعلی بازدهی دارند. این افزایش ظرفیت در ماهواره‌های مخابراتی پربازده از طریق فناوری استفاده مجدد فرکانس صورت می‌گیرد. نکته قابل‌توجه اینکه هزینه استفاده از ماهواره‌های پربازده به‌نسبت ماهواره‌های مخابراتی ارزان‌تر است. این ماهواره‌ها قطعه‌ای از پازل عصر جدید فضا هستند که در مجموع یک شرایط برد-برد را برای مشتریان و اپراتورها به‌وجود می‌آورند.
در آینده شاهد ماهواره‌هایی با قدرت پهنای باند بیشتر، طول عمر طولانی‌تر، آنتن‌های قوی‌تر و پوشش زمینی بیشتر خواهیم بود. مجموعه ماهواره‌ها برای دسترسی به اینترنت در هرجای کره زمین، پیشرفت‌هایی در سامانه پیشرانش، تلاش برای مخابرات لیزری فضاپایه و آزمایش‌های اولیه برای استفاده بیشتر از مخابرات لیزری، آینده این ارتباطات را روشن‌تر می‌کند.