آشنایی با مخابرات ماهوارهای

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 چرا که در مناطق کوهستانی امواج به‌آسانی نفوذ نمی‌کنند و به تعداد زیادی ایستگاه جهت برقراری ارتباطات نیاز است. در هر دو روش علاوه بر 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.

علاوه بر این، استفاده از ارتباطات ماهواره‌ای برای برقراری ارتباطات وسایل نقلیه از جمله هواپیماها، کشتی‌ها و خودروها، مزایای بسیاری را 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 ۲۰۰۰ 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

نخستین‌بار اندیشه استفاده از ارتباطات ماهواره‌ای در داستانی کوتاه با عنوان ماه آجری (brick moon) به نویسندگی ادوارد اورت هیل (Edward Everett hale) بیان‌شده است که این داستان به ساخت و پرتاب ماهواره‌ای آجری به 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 که 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 نسبت‌به زمین جایگاهش ثابت بماند. کلارک در این مقاله دریافت اگر سه ماهواره در این مدار قرار بگیرند 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. این سه اختراع مهم؛ سلول خورشیدی، انواع مختلف ترانزیستورها، و لامپ تقویت موج رادیویی بودند.

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.

%D8%A7%D8%B3%D9%BE%D9%88%D8%AA%D9%86%DA%A9%201

اسپوتنیک ۱

اولین ماهواره برای ارسال سیگنال‌های صوتی از پایگاه فضایی کیپ کاناورال (Cape Canaveral) فلوریدا، در سال ۱۹۵۸ توسط آمریکا پرتاب شد و پیامی حاوی صلح را به زمین مخاطره کرد. بعد از آن مهندسین آمریکایی جان پیرس (John Pierce) و هارولد روزن (Harold Rosen) در دهه ۱۹۵۰ و ۶۰ فناوری ماهواره‌های ارتباطی تجاری را توسعه‌دادند و در ادامه سازمان ملی هوانوردی و فضایی آمریکا (National Aeronautics and Space Administration موسوم به NASA) 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 به‌دست آمده از آن در برنامه‌ریزی سفرآینده انسان به ماه و برنامه اکتشافی سیاره زهره و مریخ استفاده شود. در همان سال نیز اولین پرتاب انجام شد اما این ماموریت هیچگاه انجام نگرفت.

فضا پیمای وستوک (vostok) نیز در چهارچوب 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 و همچنین 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 به همین دلیل یک ماهواره غیرفعال بود. اکو-۲ (Echo-2) در سال ۱۹۶۴ راه‌اندازی شد. هرکدام از ماهواره‌های اکو-۱ و اکو-۲ به‌ترتیب در مدت ۸ و ۵ سال در مدار زمین فعال بودند.

%D8%A7%DA%A9%D9%88%201

اکو-۱

اولین ماهواره ارتباطی شرکت ای تی اند تی (AT&T) تلستار-۱ (telstar-1) است که ناسا آن را در تاریخ ۱۰ژوئیه۱۹۶۲ به فضا پرتاب کرد. این ماهواره با 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 بود که در مدار زمین امکان پخش زنده ماهواره‌ای بازی‌های المپیک را فراهم کرد.

%D8%B3%D8%A7%DB%8C%D9%86%DA%A9%D8%A7%D9%85%203

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 موسوم به Intelsat) که بزرگترین ارائه‌دهنده خدمات مخابرات ماهواره‌ای تجاری جهان است، در تاریخ ۲۰آگوست۱۹۶۴ با توافق ۱۱ امضاکننده (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) پرتاب شد. این ماهواره ۳۹ کیلوگرمی به‌شکل استوانه‌ای به قطر ۷۲ سانتی‌متر و ارتفاع ۵۹ سانتی‌متر ساخته شد. این ماهواره 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 ۳-f-3 از اقیانوس هند در 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 ۲۴ 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.

%D8%A7%D8%B1%D9%84%DB%8C%20%D8%A8%D8%B1%D8%AF

ارلی‌برد

ارلی‌برد 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 (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، استفاده می‌کنند.

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 است 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 صفحات از ترکیبات نیمه‌هادی که وظیفه آن‌ها، تبدیل انرژی نورانی خورشید به انرژی الکتریکی می‌باشد، ساخته شده‌اند. یک ماهواره برای کارکردن در تمام طول عمر نیاز به انرژی دارد که این انرژی با استفاده از پنل‌های خورشیدی تامین می‌شود.

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 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 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 به طور اختصار LEO)، مئو (medium earth orbit به طور اختصار MEO)، ژئو (geostationary or geosynchronous orbit به طور اختصار GEO) و هئو (high earth orbit به طور اختصار HEO) به دور زمین در چرخش هستند. لئو در فاصله ۱۶۰ الی ۱۶۰۰ کیلومتری از زمین، مئو در فاصله ۱۰ الی ۲۰ هزار کیلومتری، ژئو در فاصله ۳۵۷۸۶ کیلومتری و هئو در مداری بیضی ‌شکل که قسمتی از این مدار که به زمین نزدیکتر است فاصله‌ای حدود هزار کیلومتر و قسمت دیگر بیضی حدود ۴۶ هزار کیلومتر از زمین قرار دارند.

%D9%85%D9%88%D9%82%D8%B9%DB%8C%D8%AA

ماهواره‌های مدار ژئو با سرعت زاویه‌ای مشابه با زمین در چرخش هستند و موقعیت آن‌ها نسبت‌به 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 همین علت از مدار ژئو برای قرارگیری ماهواره‌های ارتباطی که به تامین ارتباطات تلفنی می‌پردازند؛ استفاده نمی‌شود، اما این مدار به‌علت زمین ثابت 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-) قدرت بیشتری دارند 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.

%D8%A7%D9%86%D8%AA%D9%86

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 شده است. انتقال به باند Ka باعث کاهش فشار پهنای باند می‌شود چرا که این باند ظرفیت بسیار بیشتری دارد، اما افزایش توان عملیاتی و ظهور منظومه‌های مداری غیر زمین ثابت (Non-Geostationary) باعث آینده‌نگری صنعتگران و درنظرگرفتن پتانسیل 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.

%D8%A7%D9%86%D8%AA%D9%86%202

انواع ارتباطات ماهواره‌ای

ارتباطات ماهواره‌ای به سه دسته تقسیم می شوند که این دسته ها 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 است.

در مکان‌هایی که تلفن‌ها عمل نمی‌کنند، مزیت تلفن‌های ماهواره‌ای به چشم می‌آید. این تلفن‌ها برخلاف تلفن‌هایی که به دکل‌های زمینی وابسته هستند، داده‌ها را مستقیما با ماهواره‌های قرار گرفته 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. که هر کدام از این مدارها کاربرد خاص خود را دارند. ماهواره‌های مدار ژئو بسیار بزرگ و قدرتمند هستند علاوه بر این ماهواره‌ها در این مدار قادرند بخش بزرگی از سطح جغرافیایی زمین را پوشش دهند. از این مدار نه‌تنها برای تماس صوتی بلکه برای اشتراک‌گذاری فایل، ارسال متن، پخش تلویزیون و دیگر کارها نیز استفاده می‌شود.

%D9%85%D8%AF%D8%A7%D8%B1

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 کنید. 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 انتقال‌داده 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. همچنین هزینه استفاده از تلفن‌های ماهواره‌ای نیز مسئله‌ای مهم است 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 علاوه بر پوشش کل زمین هزینه کمتری برای کاربر خواهد داشت.

مشتریان عمده 

درآمد جهانی کل خدمات ماهواره‌ای در سال ۲۰۱۷ به مقدار ۲۶۰.۵ میلیارد دلار است. از این مقدار 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. دراین‌بین مقدار ۵۰.۸ میلیارد دلار آن از خدمات ارتباطات ماهواره‌ای می‌باشد که از این خدمات ۴۶.۴ میلیارد برای بخش مصرف‌کننده و ۰.۵ میلیارد دلار برای خدمات تلفن همراه می‌باشد.

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 می‌باشد.

طی بازه ۲۰۱۹ تا ۲۰۲۷ نرخ رشد سالانه این بازار حدودا ۳۱.۵ درصد خواهد بود و بیش‌ترین میزان رشد به ترتیب در آمریکای شمالی، اروپا و آسیا اقیانوسیه رخ خواهد داد. بر اساس گزارش تحلیلی جدیدی 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 (you tube) ، نتفلیکس (netflix)، اینستاگرام (instagram)، تیک توک (tik tok) و دیگر به رشد باورنکردنی بازار ارتباطات ماهواره‌ای کمک می‌کند.

یکی از بازارهای مهم مخابرات ماهواره‌ای در بخش اینترنت اشیا است. اروین هادسون (Erwin Hudson) نائب‌رئیس شرکت تلستات 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 ۵G و تلاش برای توسعه زیرساخت‌ها به‌منظور تقویت بازار اتصال به باند ۵G که با پرتاب ماهواره همراه است آینده‌ای روشن برای اقتصاد ماهواره‌های مخابراتی رقم خواهد زد.

گوگل نیز پروژه معروف Google Loon را از سال ۲۰۱۳ آغاز کرده است و به کمک بالون‌های استراتوسفری که در ارتفاع ۱۸ کیلومتری از زمین قرار می‌گیرند، به ارائه اینترنت ۴G 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. این بالون‌های با محموله مخابراتی می‌توانند یک جایگزین ارزان‌قیمت 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 این بالون‌ها 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 سالانه‌ی 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 سیستم‌های مخابراتی ماهواره‌های مخابراتی استفاده می‌شوند.

پیش بینی می‌شود بازار ارتباطات ماهواره‌ای تا سال ۲۰۲۵ با رشد ۱۰.۳۲ درصدی به ۹.۳۲ میلیارد دلار برسد و بازار جهانی مخابرات ماهواره‌ای اپتیکال نیز تا سال ۲۰۲۷ به ارزش کلی ۸۳۲۴.۷ میلیون دلار خواهد رسید. بر اساس گزارش منتشر شده، طی بازه ۲۰۱۹ تا ۲۰۲۷ نرخ رشد سالانه این بازار حدودا به ۳۱.۵ درصد خواهد رسید و بیشترین میزان به‌ترتیب به آمریکای شمالی، اروپا و آسیا اقیانوسیه تعلق خواهد داشت.

آینده ارتباطات ماهواره‌ای

ارتباطات ماهواره‌ای تحت تاثیر فناوری‌های جدید، به سرعت در حال پیشرفت است. این پیشرفت نه‌تنها امکانات جدیدی را در اختیار کاربران قرار می‌دهد بلکه به لحاظ اقتصادی هزینه استفاده از خدمات مربوطه را هم هرروز 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 امنیت بالایی نیز دارند در این نوع ارتباط، 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 موردنظر برای کمتر کردن هزینه این تکنولوژی 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 یه گونه‌ای که اگر یک هکر بخواهد داده‌ها را در میانه راه بخواند، ذرات کوانتومی حامل پیام از بین می‌روند و ایستگاه دریافت کننده اصلی از حمله آگاه می‌شود و هر تلاشی برای ایجاد تداخل در سیگنال‌های آن باعث فروپاشی الگوهای تداخل سنجی و برملاشدن عملیات جاسوسی خواهد بود. قرار است در پایان سال ۲۰۲۰ ارتباط کوانتومی بین اروپا و آسیا و تا پایان سال ۲۰۳۰ ارتباطات کوانتومی در مقیاس جهانی بر قرار شود.

منظومه های ماهواره ای نیز به سرعت در حال توسعه هستند با به‌وجودآمدن منظومه‌های ماهواره‌ای مانند وان وب (OneWeb) که با تعداد اولیه ۶۵۰ ماهواره درحال‌ توسعه است و قرار است از سال ۲۰۲۱ پوشش جهانی پهن باند اینترنت را ارائه دهد. این شرکت با اتکا به ماهواره‌های ۱۵۰ کیلوگرمی خود، دسترسی به اینترنت ۵۰ مگابیت بر ثانیه‌ای را برای مشتریان خانگی وعده داده است.

بزرگترین و جدی‌ترین پروژه اینترنت ماهواره‌ای در جهان به اسپیس‌ایکس (SpaceX) تعلق دارد. منظومه ماهواره‌ای اینترنتی این شرکت با نام استارلینک (Starlink) که علاوه بر بازار اینترنت ماهواره‌ای تجاری، ماموریت‌های علمی، نظامی و اکتشافی را هم مورد هدف قرار داده است و شامل چند هزار ماهواره می‌باشد. اسپیس ایکس قصد دارد طی سال‌های آینده هر دو تا سه هفته یک‌بار گروه‌های ۶۰ تائی ماهواره‌های اینترنتی استارلینک را به فضا بفرستد.

ماهواره‌های مخابراتی پربازده (High-throughput satellite به طور اختصار HTS) دسته‌ای از ماهواره‌های مخابراتی هستند که به‌ازای اختصاص طیف مداری یکسان حداقل ۲ و معمولا بیش از ۲۰ برابر ماهواره‌های مخابراتی متداول فعلی بازده دارند. این افزایش ظرفیت در ماهواره‌های مخابراتی پربازده از طریق فناوری استفاده مجدد فرکانس صورت می‌گیرد. قابل‌توجه است که 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 انتها 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، استفاده از تراسترها با قابلیت استفاده مجدد، تلاش برای مخابرات لیزری فضاپایه و آزمایش‌های اولیه برای استفاده از مخابرات لیزری هرچه بیشتر آینده‌ی این ارتباطات را روشن‌تر می‌کند.

نوشته‌های که ممکن است علاقه‌مند باشید :
ارسال یک پاسخ

آدرس ایمیل شما منتشر نخواهد شد.