منظومة الارسال والاتصال فى الاقمار الصناعية

بدأت فكرة استخدام الأقمار الاصطناعية
للاتصالات بمقالة للكاتب الإنجليزي أرثر كلارك Arthur C.Clark في مجلة
"عالم اللاسلكي" Wireless World، وكانت المقالة تدعو إلى استخدام الصواريخ
الألمانية في المجال السلمي وذلك بإطلاق أقمار اصطناعية في مدار حول الأرض
على ارتفاع 36000 كيلومتر، لإقامة نظم للاتصالات الدولية. كان ذلك في عام
1945.
وكانت هذه الفكرة في ذلك الوقت ضرباً من ضروب الخيال العلمي، وظلت كذلك
حتى زادت كمية الاتصالات المطلوبة بين القارات وعبر المحيطات زيادة كبيرة،
وأصبح هناك شبه استحالة في استمرار استخدام النظم التقليدية التي تستخدم
فيها الموجات عالية التردد (HF) high frequency عبر طبقات الجو العليا
المؤينة، وذلك نظرا للاختناق الشديد في النطاق الترددي هذا. واتجهت أنظار
العالم إلى فكرة كلارك، ولكن كانت المهمة ضخمة والشوط طويلا، ولذلك أجمعت
عدة دول على توحيد جهودها لإقامة نظام للاتصالات عبر المحيطات، وأنشأت
المنظمة الدولية لأقمار الاتصالات إنتلسات INTELSAT تقوم بإدارتها هيئة
COMSAT. وبدأ إطلاق سلسلة أقمار الاتصالات إنتلسات الأولى في عام 1965،
وكانت سعتها حينذاك 240 دائرة هاتفية فقط. وبالرغم من أن هذا العدد من
الدوائر يبدو صغيرا، إلا أنه كان أكبر مما تنقله جميع الكوابل البحرية
الممتدة عبر المحيط الأطلسي بين أوروبا والولايات المتحدة في السنوات
العشر من العام 1955 إلى 1965.
عشرون عاما مضت في تاريخ التطور التكنولوجي العالمي حتى أمكن تحقيق خيال
الكاتب الإنجليزي كلارك، ثم حدثت بعد ذلك ثورات تكنولوجية هائلة ساعدت على
تطور نظم الأقمار الاصطناعية للاتصالات بطريقة مذهلة، فقد وصلت سعة الجيل
السادس من سلسلة أقمار اتصالات إنتلسات INTELSAT في العام 1989 إلى أكثر
من 33000 دائرة هاتفية، وأصبحت الأقمار الاصطناعية للاتصالات والبث
المباشر جزءا لا يتجزأ من العالم الحديث. وتنوعت مجالات استخدامها فشملت
جوانب عديدة من حياتنا اليومية، وأصبحت مصدرا أساسيا للحصول على المعلومات
ونقلها وتحليلها. وقد أدى هذا الوضع إلى ظهور أنظمة مختلفة صمم كل منها
لتلبية احتياجات معينة.
تكنولوجيا أقمار الاتصالات
يرجع الفضل في النمو الهائل لنظم الاتصالات بالأقمار الاصطناعية إلى عدد
من التطورات التكنولوجية الأساسية ساعدت على التخفيض المتتالي لكلفة
الدائرة الهاتفية عبر الأقمار الاصطناعية. ومن هذه التطورات يبرز بوضوح
التطور في مركبة الفضاء وفي معدات الاتصالات.
ولتحديد مجالات البحث لتخفيض الكلفة، فإنه من المفيد تبسيط العلاقة بين الخدمة التي يقدمها القمر وكلفته.
وتعتبر سعة التراسل هي أحد المقاييس البسيطة لمقدار الخدمة المقدمة معبرا
عنها بعدد الأقنية الهاتفية (من الجدير بالذكر هنا أن السعة تتوقف أيضا
على القطاع الأرضي، ونظام التضمين modulation، والترميز Coding، ونظام
تعدد الدوائر المستخدم). وقد وجد أن كلفة قمر الاتصالات ترتبط بوزنه
بعلاقة سُلّمية تصاعدية staircase، وذلك بسبب الإمكانيات المحدودة لصواريخ
الإطلاق. وببساطة يمكن حساب كلفة تصميم وتصنيع وتجميع واختبار قمر اصطناعي
نمطي من الوزن الإجمالي للقمر الاصطناعي، وقد أخذت كلفة الكيلوجرام الواحد
من القمر الاصطناعي في الانخفاض بسبب التطور المستمر حتى وصلت إلى حد
الثبات في الفترة الأخيرة. ولذلك فإنه ليس أمام مصممي نظم أقمار الاتصالات
في الوقت الحالي غير محاولة الاستخدام الكفء لوزن المركبة الفضائية لتخفيض
كلفة الخدمة.
ومعدات الاتصالات هي المستهلك الرئيسي والأكبر للطاقة الكهربائية. وقد وجد
أن القدرة الكهربائية المطلوبة تقدر بحوالي 10 واط لكل كج. ومن هنا تتضح
الأهمية الكبرى لبحث تخفيض وزن معدات الاتصالات. وبمراجعة ما تم تحقيقه في
هذا المجال لنمو سعة الاتصال عن طريق أقمار إنتلسات، نجد أنه في عام 1965م
كان عدد الأقنية الهاتفية لكل كيلوجرام من وزن القمر نحو 40 قناة هاتفية.
وقد زاد هذا العدد في عام 1988م إلى نحو 130 قناة هاتفية للكيلوجرام
الواحد من وزن القمر. ويتضح لنا أن أجهزة الإرسال (مضخّمات القدرة)
والهوائيات هي العناصر ذات التأثير الأعظم في زيادة سعة القمر الاصطناعي.
تطور تكنولوجيا مضخات القدرة
بدأت الأجيال المبكرة من سلسلة أقمار إنتلسات باستخدام الصمّامات ذات
الموجات المرتحلة (TWT) traveling wave tubes. للحصول على تضخيم القدرة
المطلوب للإشارة المرسلة من القمر الاصطناعي، ثم ظهر بعد ذلك استخدام
مضخات القدرة ذات الحالة الصلبة (الترانزستور) (SSPAs) Swlid State Power
Amplifiers، إلا أن مضخات القدرة هذه كانت تعمل بنظام class A حيث لا
يرتبط استهلاك القدرة الكهربائية بقدر الإشارة المضخمة، وبذلك فإن مردود
efficiency هذه المضخات يصل إلى ذروته عند التشغيل عند حد التشبع
Saturation.
والمعروف أن التشغيل عند حد التشبع، أو قريبا منه، يؤدي إلى تشويه الإشارة
المرسلة، إلا أنه في التطبيقات التي يرسل فيها حامل موجي واحد Signal
Carrier، مثل إرسال التلفزيون بتضمين التردد FM-TV، يمكن التغلب على هذا
التشويه باستخدام مرشحات خرج Output filters. أما التطبيقات التي تستخدم
فيها حوامل متعددة multiple carriers كما هي الحال في نظام الهواتف، فإن
التشوهات الناتجة لا يمكن التغلب عليها بسهولة. ولذلك فإنه يجب في هذه
الحالة تشغيل مضخم القدرة عند نقطة بعيدة عن حد التشبع بمقدار تدعيمي back
off أو تشغيله في منطقة خطية، وذلك للحصول على مردود مقبول مع التخلص من
تشويه الإشارة.
إن الموازنة بين المردود والتشغيل بقدرة مقبولة من تشويه الإشارة تمثل
محور ارتكاز عند تصميم مضخمات القدرة. وإن العمل بمضخمات TWT يحقق مردودا
يبلغ نحو 20% عند نسبة إشارة إلى تشويه C/I مقدارها 20 ديسيبل، بينما
العمل بمضخمات قدرة صنعت حديثا في معامل COMSAT يمكن أن يحقق مردودا يبلغ
40% عند نفس النسبة C/I. وفي الواقع، فقد أمكن التوصل إلى مردود مساو 51%
بمعامل COMSAT، لمضخم قدرة ذي ثلاث مراحل ويعطي 2 واط عند العمل في النطاق
التردديC .
وعلى جانب آخر، حرصت كبريات الشركات العالمية على تطوير إنتاجها من
الصمّامات TWT ذات القدرة العالية اللازمة للإرسال التلفزيوني المباشر.
وهدف التطوير هو زيادة القدرة مع تخفيض وزن الصمام وزيادة فترة عمره
الافتراضي، والتطور الكبير الذي حدث في هذا المجال هو الانتقال من
المضخمات TWT التي تستخدم التجاويف المقرونة coupled cavities إلى مضخمات
تستخدم حلزونا helix لنقل الطاقة، وبذلك أمكن التطور من صمامات ذات قدرة
60 واط إلى صمامات قدرتها تصل إلى 280 واط. ويتميز المضخم ذو الحلزون بأنه
أصغر وأخف وأرخص وذو نطاق المضخمات ذات القدرة العالية من النوع ذي
الحلزون.
تطور تكنولوجيا الهوائيات
في البداية كانت هوائيات الأقمار الاصطناعية بسيطة جدا ومكونة من مجموعة
ثنائيات dipoles مرتبة رأسيا Vertical array وموازية لمحور دوران القمر
حول نفسه. ولذلك كان من الضروري أن يكون النموذج الإشعاعي radiation
pattern دائرياً أو لااتجاهياً Omnidirectional. ولما كان القمر يغطي من
سطح الأرض زاوية مقدارها 5،17 درجة من موقعه في المدار الثابت، فقد كانت
تفقد نسبة كبيرة من قدرة القمر، وتصل الإشارة إلى سطح الكرة الأرضية ضعيفة
جدا، ولذلك يلزم لتحقيق الاتصال عبر القمر محطة أرضية كبيرة ذات هوائي 32
مترا. وقد كانت أقمار إنتلسات من الجيلين الأول والثاني التي أطلقت خلال
الفترة ما بين عام 1965 إلى عام 1967 مزودة بهوائي بسيط من هذا النوع.
وللتغلب على مشكلة الفقد الكبير في طاقة قمر الاتصالات، فقد تم تطوير
تصميم أقمار إنتلسات بحيث يدور الهوائي في اتجاه معاكس لدوران المركبة
الفضائية حول نفسها وبنفس السرعة. بهذه الطريقة أمكن تثبيت موضع الهوائي
بالنسبة لسطح الأرض، وأمكن استخدام هوائي مخروطي horn عرض حزمته الإشعاعية
5،17 درجة. وهكذا أمكن تركيز قدرة قمر الاتصالات في اتجاه سطح الأرض فقط،
وأمكن لأول مرة تغطية الكرة الأرضية كلها بواسطة ثلاثة أقمار من هذا النوع.
وعلى الرغم من تركيز قدرة قمر الاتصالات على سطح الكرة الأرضية، إلا أنه
كانت تفقد نسبة كبيرة من هذه القدرة في مياه المحيطات والبحار، وكان لابد
من تطوير نظام هوائيات أقمار الاتصالات بحيث تسقط أشعة الهوائي في حزم
مركزة spot beams على المناطق المطلوبة فقط. ولقد أمكن تحقيق ذلك بواسطة
هوائيات الجيل الرابع من أقمار إنتلسات التي حملت هوائيين على شكل أطباق
عاكسة مكافئية parabolic reflectors. وقد أمكن التحكم في أشعة هذه
الهوائيات من الأرض لتوجيهها إلى المناطق التي تتطلب كثافة عالية من دوائر
الاتصال. وتشير الحسابات الهندسية إلى أن تطوير هوائيات أقمار الاتصالات
وتحسين أدائها حقق لنظم أقمار الاتصالات مميزات كبيرة أكبر من أي مميزات
أخرى أمكن تحقيقها بتطور باقي النظم الفرعية الأخرى لأقمار الاتصالات.
ولذلك فقد اتجهت بحوث تطوير أقمار الاتصالات منذ أوائل سبعينات القرن
الماضي نحو تصميم هوائيات تتشكل حزمها الإشعاعية بحيث تسقط على سطح الأرض
مفصلة طبقا لحدود معينة.
وظهرت الهوائيات محددة الإشعاع shaped beams، وهي هوائيات تشمل عددا كبيرا
من عناصر التغذية مرتبة في شكل صفيف array من العناصر التي يتم توزيع
القدرة عليها ينسب مختلفة تؤدي إلى تشكيل الحزمة الإشعاعية المطلوبة. وفي
نفس الوقت، حدث تطور كبير في تحسين أداء الهوائي نتيجة استخدام الهوائيات
ذات العواكس التي توضع فيها عناصر التغذية خارج بؤرة العاكس.
ولم يقف التطوير عند حدود التغطية المشكلة طبقا لحدود منطقة معينة، بل بدأ
في الفترة الأخيرة العمل على توسيع النطاق الترددي لعمل الهوائي بغرض
استخدام هوائي واحد لكل من الإرسال والاستقبال، وذلك باستخدام عناصر تغذية
ذات تعاريج corrigated feeds