ماهواره چیست؟ انواع مدار، اجزا و نحوه ارتباط ماهواره ها

ماهواره ها شیوه ارتباطات، ناوبری، پیش بینی آب و هوا، تحقیقات علمی و بسیاری از فعالیت های روزمره ما را متحول کرده اند. هر بار که از مسیریاب گوشی استفاده می کنید، پیش بینی هوا را می بینید یا یک برنامه تلویزیونی ماهواره ای تماشا می کنید، از خدمات ماهواره ها استفاده کرده اید.

در این مقاله با تعریف ماهواره، انواع آن، مدارهای ماهواره ای، سرعت ماهواره ها، اجزای یک ماهواره، ماهواره برها و نحوه ارتباط ماهواره ها با زمین آشنا می شوید.

ماهواره چیست؟

ماهواره به هر جسمی گفته می شود که در یک مدار به دور یک سیاره یا جرم آسمانی دیگر می چرخد. ماهواره ها دو نوع اصلی دارند:

• ماهواره های طبیعی: اجرامی که به طور طبیعی به دور سیارات می چرخند؛ مانند ماه که ماهواره طبیعی زمین است.

• ماهواره های مصنوعی: دستگاه هایی که انسان ساخته و با ماهواره بر به فضا پرتاب کرده است تا وظایف مشخصی را انجام دهند.

در زبان روزمره، منظور از ماهواره معمولا ماهواره مصنوعی است. نخستین ماهواره مصنوعی جهان، اسپوتنیک ۱، در سال ۱۹۵۷ توسط اتحاد جماهیر شوروی به فضا پرتاب شد. امروزه هزاران ماهواره فعال در مدار زمین قرار دارند.

انواع ماهواره های مصنوعی بر اساس کاربرد

• ماهواره های مخابراتی: برای انتقال سیگنال های تلویزیونی، تماس های تلفنی و اینترنت در فواصل طولانی

• ماهواره های ناوبری: مانند GPS، گالیله، گلوناس و بیدو، که موقعیت و زمان دقیق را در سراسر زمین تعیین می کنند.

• ماهواره های هواشناسی: برای پایش ابرها، طوفان ها و الگوهای آب و هوا و کمک به پیش بینی هوا

• ماهواره های سنجش از دور و تصویربرداری: برای تهیه تصاویر و نقشه از سطح زمین، پایش کشاورزی، جنگل ها، منابع آب و بلایای طبیعی

• ماهواره های علمی: برای مطالعه زمین، خورشید و فضا؛ مانند تلسکوپ فضایی هابل که در مدار زمین قرار دارد.

• ماهواره های نظامی و جاسوسی: برای شناسایی، ارتباطات و هشدار

تلسکوپ فضایی جیمز وب نیز یک رصدخانه فضایی است، اما برخلاف هابل به دور زمین نمی چرخد و در فاصله حدود ۱.۵ میلیون کیلومتری از زمین، به دور خورشید حرکت می کند.

چرا ماهواره ها مهم هستند؟

• دید گسترده: ماهواره ها از ارتفاع زیاد، مناطق وسیعی از زمین را به طور همزمان می بینند و داده های بسیار بیشتری از ابزارهای زمینی جمع آوری می کنند.

• پوشش جهانی: ماهواره ها می توانند ارتباط را به مناطق دورافتاده، دریاها و هواپیماها برسانند.

• رصد بهتر فضا: تلسکوپ های فضایی بالاتر از جو زمین قرار دارند و ابرها، گرد و غبار و تلاطم هوا مانع دید آنها نمی شود.

چرا ماهواره در فضا سقوط نمی کند؟

ماهواره در واقع دائما در حال سقوط به سمت زمین است، اما چون با سرعت بسیار زیادی به موازات سطح زمین حرکت می کند، همزمان با سقوط، سطح خمیده زمین نیز از زیر آن دور می شود. در نتیجه ماهواره هرگز به زمین نمی رسد و به دور آن می چرخد.

به عبارت دیگر، در مدار، نیروی گرانش زمین دقیقا همان نیرویی را فراهم می کند که برای حرکت دایره ای ماهواره لازم است. هرچه ماهواره به زمین نزدیک تر باشد، گرانش قوی تر است و ماهواره باید سریع تر حرکت کند تا در مدار باقی بماند.

ماهواره های مدار پایین هنوز با لایه های بسیار رقیق جو برخورد دارند و به تدریج سرعت خود را از دست می دهند. به همین دلیل باید گاهی با موتورهای خود ارتفاعشان را اصلاح کنند؛ در غیر این صورت، پس از مدتی وارد جو شده و می سوزند.

انواع مدارهای ماهواره

مدار مسیری است که ماهواره به دور زمین طی می کند. ارتفاع و شکل مدار بر اساس کاربرد ماهواره انتخاب می شود.

مدار پایین زمین (LEO)

مدار پایین زمین در ارتفاع حدود ۱۶۰ تا ۲۰۰۰ کیلومتری قرار دارد. ماهواره های این مدار معمولا هر ۹۰ دقیقه تا دو ساعت یک بار زمین را دور می زنند.

• مزایا: نزدیکی به زمین، امکان تصویربرداری با جزئیات بیشتر و تاخیر بسیار کم در ارتباطات

• محدودیت: هر ماهواره در هر لحظه منطقه کوچکی را پوشش می دهد و به سرعت از دید ناظر زمینی خارج می شود؛ بنابراین برای پوشش پیوسته، به تعداد زیادی ماهواره نیاز است.

ماهواره های سنجش از دور، ایستگاه فضایی بین المللی، تلسکوپ هابل و منظومه های ماهواره ای اینترنت در این مدار قرار دارند.

مدار خورشیدآهنگ

مدار خورشیدآهنگ نوعی مدار پایین است که تقریبا از روی قطب ها عبور می کند و طوری تنظیم شده است که ماهواره هر روز در ساعت محلی یکسانی از روی هر نقطه زمین عبور کند. این ویژگی برای ماهواره های تصویربرداری و هواشناسی بسیار مفید است، چون شرایط نوری تصاویر در روزهای مختلف یکسان می ماند.

مدار متوسط زمین (MEO)

مدار متوسط بین حدود ۲۰۰۰ تا ۳۵۷۸۶ کیلومتری قرار دارد. ماهواره های GPS در ارتفاع حدود ۲۰۲۰۰ کیلومتری قرار دارند و هر کدام حدود ۱۲ ساعت یک بار زمین را دور می زنند. سامانه های ناوبری دیگر نیز در این مدار قرار دارند.

مدار زمین آهنگ و زمین ایستا (GEO)

ماهواره های مدار زمین ایستا در ارتفاع حدود ۳۵۷۸۶ کیلومتری بالای خط استوا قرار دارند. دوره تناوب آنها دقیقا برابر با زمان یک دور چرخش زمین به دور خود است، یعنی حدود ۲۴ ساعت، و هم جهت با چرخش زمین حرکت می کنند. بنابراین از دید ناظر زمینی، ماهواره در یک نقطه ثابت آسمان دیده می شود.

به همین دلیل دیش های ماهواره ای خانگی بدون نیاز به حرکت، همیشه به یک نقطه از آسمان نشانه گیری می شوند. این مدار برای ماهواره های تلویزیونی، ارتباطی و هواشناسی استفاده می شود. هر ماهواره زمین ایستا می تواند حدود یک سوم سطح زمین را پوشش دهد. نقطه ضعف این مدار، تاخیر نسبتا زیاد سیگنال به دلیل فاصله زیاد است.

مدار بسیار بیضوی (HEO)

ماهواره های مدار بسیار بیضوی مسیری کشیده دارند. اوج (دورترین نقطه) آنها بسیار دور و حضیض (نزدیک ترین نقطه) آنها نزدیک به زمین است. ماهواره در نزدیکی اوج کند حرکت می کند و مدت زیادی بالای یک منطقه می ماند. این مدار برای پوشش عرض های جغرافیایی بالا، که ماهواره های زمین ایستا به خوبی آنها را نمی بینند، استفاده می شود.

سرعت ماهواره ها در فضا

سرعت ماهواره به ارتفاع آن بستگی دارد؛ هرچه ارتفاع کمتر باشد، سرعت بیشتر است:

برای مقایسه، ماهواره ای در مدار پایین با سرعت حدود ۲۸ هزار کیلومتر بر ساعت حرکت می کند و در هر روز حدود ۱۶ بار زمین را دور می زند.

ماهواره بر چیست؟

ماهواره بر یا پرتابگر ماهواره، موشکی است که ماهواره را از سطح زمین به مدار مورد نظر می رساند. ماهواره بر باید ماهواره را علاوه بر رساندن به ارتفاع لازم، به سرعت مداری بسیار زیاد برساند؛ مثلا حدود ۷.۸ کیلومتر بر ثانیه برای مدار پایین.

ماهواره برها معمولا چندمرحله ای هستند. هر مرحله پس از تمام شدن سوختش جدا می شود تا وزن موشک کاهش یابد و مرحله بعدی کار را ادامه دهد. پس از جدا شدن ماهواره، در برخی ماموریت ها ماهواره با موتورهای خود به مدار نهایی، مانند مدار زمین ایستا، منتقل می شود. برخی ماهواره برهای امروزی قابلیت بازگشت و استفاده مجدد از مرحله اول را دارند که هزینه پرتاب را کاهش می دهد.

نخستین ماهواره ایرانی، امید، در سال ۱۳۸۷ (فوریه ۲۰۰۹) با ماهواره بر سفیر به مدار پایین زمین پرتاب شد.

چرا ماهواره ها با هم برخورد نمی کنند؟

ماهواره ها در مدارها و ارتفاع های متفاوتی قرار می گیرند و فضای اطراف زمین بسیار بزرگ است. همچنین شبکه های پایش فضایی موقعیت ماهواره ها و زباله های فضایی را به طور مداوم ردیابی می کنند و در صورت خطر نزدیک شدن، ماهواره با مانور مسیر خود را تغییر می دهد.

با این حال، برخورد غیرممکن نیست. در سال ۲۰۰۹، یک ماهواره مخابراتی فعال با یک ماهواره غیرفعال روسی در مدار پایین برخورد کرد و هزاران قطعه زباله فضایی ایجاد شد. با افزایش سریع تعداد ماهواره ها، مدیریت ترافیک فضایی و کاهش زباله های فضایی اهمیت روزافزونی پیدا کرده است.

اجزای ماهواره

ماهواره ها اشکال و اندازه های بسیار متفاوتی دارند؛ از ماهواره های مکعبی چند کیلوگرمی تا ماهواره های مخابراتی چندتنی. اما بیشتر آنها از دو بخش اصلی تشکیل شده اند:

• محموله: تجهیزاتی که ماموریت اصلی ماهواره را انجام می دهند.

• سکو یا بدنه (Bus): مجموعه زیرسیستم هایی که ماهواره را زنده و فعال نگه می دارند.

محموله

محموله به نوع ماموریت ماهواره بستگی دارد؛ برای مثال:

• در ماهواره مخابراتی: ترانسپوندرها و آنتن های ارتباطی

• در ماهواره تصویربرداری: دوربین ها و حسگرهای نوری. بسیاری از ماهواره های سنجش از دور از حسگرهای چندطیفی یا ابرطیفی استفاده می کنند که نور بازتابی از سطح زمین را در طول موج های مختلف اندازه گیری می کنند. این روش بر پایه همان اصول طیف سنجی است که در دستگاه اسپکتروفتومتر به کار می رود و امکان شناسایی پوشش گیاهی، مواد معدنی و آلودگی ها را فراهم می کند.

• در ماهواره هواشناسی: حسگرهای مرئی و فروسرخ برای رصد ابرها و دمای سطح

• در ماهواره ناوبری: ساعت های اتمی بسیار دقیق و فرستنده های سیگنال

سیستم تامین انرژی

بیشتر ماهواره ها انرژی خود را از صفحه های خورشیدی تامین می کنند که نور خورشید را به برق تبدیل می کنند. باتری ها انرژی را ذخیره می کنند تا ماهواره در زمانی که در سایه زمین قرار دارد نیز کار کند.

آنتن ها

آنتن ها برای ارسال و دریافت سیگنال بین ماهواره و ایستگاه های زمینی یا ماهواره های دیگر استفاده می شوند. شکل و اندازه آنتن ها به فرکانس و نوع ماموریت بستگی دارد.

رایانه داخلی

رایانه داخلی عملیات ماهواره، پردازش داده ها و ارتباطات را کنترل و مدیریت می کند.

سیستم کنترل وضعیت

این سیستم جهت گیری ماهواره را در فضا حفظ می کند تا آنتن ها به سمت زمین و صفحه های خورشیدی به سمت خورشید باشند. حسگرهایی مانند ردیاب ستاره و حسگر خورشید، جهت ماهواره را تشخیص می دهند و چرخ های واکنشی، گشتاورسازهای مغناطیسی یا رانشگرها آن را تنظیم می کنند.

سیستم پیشرانش

رانشگرها برای قرار گرفتن در مدار نهایی، اصلاح مدار، مانور برای جلوگیری از برخورد و در پایان عمر، خارج کردن ماهواره از مدار استفاده می شوند.

سیستم تله متری، فرمان و کنترل

• تله متری: داده های مربوط به سلامت، عملکرد و شرایط ماهواره را به ایستگاه زمینی ارسال می کند.

• فرمان و کنترل: به اپراتورهای زمینی امکان می دهد دستورات جدید ارسال کنند، مانورها را آغاز کنند و تنظیمات ماهواره را تغییر دهند.

سیستم کنترل دما

دمای ماهواره در فضا بسیار متغیر است؛ در نور مستقیم خورشید بسیار داغ و در سایه زمین بسیار سرد می شود. این سیستم با عایق ها، رادیاتورها، گرمکن ها و پوشش های ویژه، دمای اجزای ماهواره را در محدوده مناسب نگه می دارد.

ارتباط ماهواره با زمین چگونه است؟

ارتباط ماهواره ای با استفاده از امواج رادیویی انجام می شود:

1. لینک بالارو (آپ لینک): ایستگاه زمینی سیگنال را با یک فرستنده و آنتن بزرگ به سمت ماهواره می فرستد.

2. ترانسپوندر: ماهواره سیگنال را با گیرنده خود دریافت، فرکانس آن را تغییر و آن را تقویت می کند. تغییر فرکانس باعث می شود سیگنال ارسالی با سیگنال دریافتی تداخل نکند.

3. لینک پایین رو (داون لینک): ماهواره سیگنال را به سمت زمین می فرستد و ایستگاه ها یا دیش های گیرنده آن را دریافت می کنند.

ارتباطات ماهواره ای در باندهای فرکانسی مختلفی مانند L، C، Ku و Ka انجام می شود. باندهای فرکانس بالاتر امکان انتقال داده بیشتری دارند، اما در هوای بارانی تضعیف بیشتری پیدا می کنند. در ایستگاه های زمینی و ماهواره ها، برای انتقال سیگنال های مایکروویو بین فرستنده و آنتن از موجبر استفاده می شود.

سوالات متداول درباره ماهواره

ماهواره چیست؟

جسمی که در یک مدار به دور یک سیاره می چرخد. ماه ماهواره طبیعی زمین است و ماهواره های مصنوعی را انسان برای ارتباطات، ناوبری، هواشناسی و تحقیقات علمی به فضا فرستاده است.

ماهواره بر چیست؟

موشکی که ماهواره را به ارتفاع و سرعت لازم برای قرار گرفتن در مدار می رساند.

سرعت ماهواره ها چقدر است؟

بسته به ارتفاع؛ ماهواره های مدار پایین حدود ۷.۸ کیلومتر بر ثانیه و ماهواره های زمین ایستا حدود ۳.۱ کیلومتر بر ثانیه سرعت دارند.

چرا ماهواره های تلویزیونی در آسمان ثابت دیده می شوند؟

چون در مدار زمین ایستا هستند و با همان سرعت چرخش زمین به دور آن می چرخند.

اجزای اصلی ماهواره کدام اند؟

محموله که ماموریت اصلی را انجام می دهد، و بدنه شامل سیستم انرژی، آنتن ها، رایانه، کنترل وضعیت، پیشرانش، تله متری و کنترل دما.

جمع بندی

ماهواره ها اجسامی هستند که در مدار به دور زمین می چرخند و نقش مهمی در ارتباطات، ناوبری، هواشناسی، سنجش از دور و تحقیقات علمی دارند. ماهواره ها با تعادل بین گرانش زمین و سرعت زیاد خود در مدار باقی می مانند و بسته به کاربرد، در مدارهای پایین، متوسط، زمین ایستا یا بسیار بیضوی قرار می گیرند. هر ماهواره از یک محموله و بدنه ای شامل سیستم های انرژی، ارتباطات، کنترل وضعیت، پیشرانش و کنترل دما تشکیل شده و با ماهواره بر به فضا پرتاب می شود. ارتباط ماهواره ها با زمین نیز از طریق امواج رادیویی و لینک های بالارو و پایین رو انجام می شود.

منابع

• NASA