آنتن‌هاي زميني كه بايد مستقيماً به سمت ماهواره نشانه بروند، در مورد اين نوع ماهوارهها بدون نياز به تجهيزات پرهزينه ويژه رديابي ماهواره مي‌توانند عملكرد بالايي داشته باشند. به خصوص براي مواردي مانند پخش مستقيم تلويزيوني كه نياز به تعداد زيادي آنتن زميني است، صرفه‌جويي در هزينه تجهيزات ايستگاه زميني در مقابل هزينه‌هاي پرتاب ماهواره به مدار زمین ثابت بسيار چشمگير است.
تاریخچه مخابرات ماهوارهای
ايده اوليه وجود چنين مداري به انديشه‌ها و تحقيقات كنستانتين تسيلكوفسكي روسي برمي‌گردد. اما كاربردي‌‌ترين پيشنهاد در مورد استفاده از ماهواره‌هاي مخابراتي زمین ثابت عملياتي را آرتور سي كلارك، نويسنده استراليايي، طي مقاله‌اي با عنوان رله‌هاي خارج از زمين در مجله انگليسي وايرلس ورلد (جهان بي‌سيم) ، در اكتبر 1945 مطرح كرد. در اين مقاله، اساس به‌كارگيري ماهوارهها در مدار زمین ثابت به منظور ارسال پيام‌هاي راديويي تشريح شده بود. كلارك حتي توان و فركانس‌هاي مورد نياز براي چنين ماهواره‌هايي را نيز محاسبه كرد و نشان داد كه چگونه مي‌توان كل كره زمين را با سه ماهواره زمین ثابت پوشش داد. در شکل 2 4 چگونگي پوشش زمين توسط یک ماهواره مخابراتي زمین ثابت نمایش داده شده است. از اين رو اغلب كلارك را به عنوان پدر ماهواره‌هاي مخابراتي مي‌شناسند.
شکل 2 4: چگونگي پوشش زمين توسط ماهواره مخابراتي زمین ثابت[9]
پس از پرتاب ماهواره‌هاي تل‌استار، سینکام 3، آنيك ای 1 و وستار 1، آمريكا ماهواره ست‌كام 1 را در سال 1975 به فضا پرتاب كرد. اين ماهواره يك تجربه موفق در پخش برنامه‌هاي تلويزيوني ماهواره‌اي بود.
تا سال 2000، شركت فضايي- مخابراتي هيوز (كه پس از فروخته شدن به شركت بوئينگ، با عنوان مركز توسعه ماهواره‌اي بوئينگ شناخته مي‌شود) كار ساخت حدود چهل درصد از ماهواره‌هاي مخابراتي سراسر جهان را بر عهده داشت. در حال حاضر، ديگر سازندگان اصلي ماهواره شامل شركت‌هاي سامانه‌هاي فضايي لورال (از زيرمجموعه‌هاي شركت مخابراتي و فضايي لورال آمريكا با مسئوليت محدود) ، لاكهيدمارتين، نورتروپ‌گرومن، آلكاتل‌اسپيس و ايدس‌آستريوم هستند.
در حال حاضر تقریباً 150 ماهوارهی ارتباطی در مدار وجود دارد که 100 عدد از این ماهوارهها در مدار زمین آهنگ قرار دارند. این ماهوارهها در سراسر دنیا امکان ایجاد رله از ماهوارهای به ماهوارهی دیگر را فراهم می‌آورد، و امکان ایجاد هزاران ارتباط تلفنی بین هر دو نقطه از دنیا را فراهم می‌آورد؛ و برای اولین بار توسط ماهوارهها امکان ارسال تصویر مجازی بین هر دو نقطه از زمین وجود دارد.
باید توجه داشت که تعداد بی‌شماری از مدارات قطبی در سرتاسر دنیا وجود دارد ولی تنها یک مدار زمین آهنگ وجود دارد. ماهوارههای ارتباطی مختلفی در مدار ژئوستیشن وجود دارند. قانونگذاران ارتباطات ماهوارهای مدار زمین آهنگ را به عنوان منبعی طبیعی میدانند و استفاده از آن مطابق با معاهدات و توافقهای ملی و بینالمللی صورت میگیرد.[9]
ماهواره‌هاي مخابراتي مولنيا[10]
همان‌گونه كه ذكر شد، ماهواره‌هاي زمین ثابت بر فراز استوا به دور زمين مي‌چرخند و به همين دليل براي ارائه خدمات به نقاط روي عرض‌هاي جغرافيايي بالاتر مناسب نيستند؛ چرا كه در عرض جغرافيايي بالاتر، ممكن است زاويه ديد ماهواره نزديك به افق يا حتي پايين‌تر از آن قرار بگيرد و ارتباط تحت اثر تداخلي زمين تضعيف شود. در اين حالت، مدارهاي مولنيا مي‌توانند به عنوان جايگزين مدار زمین ثابت استفاده شوند. دوره تناوب ماهواره در مدار مولنيا، 12 ساعت است كه بيشتر چگونگي پوشش زمين توسط ماهواره مخابراتي واقع در مدار مولنيا اين زمان را در مناطق شمالي زمين به سر مي‌برد.
مدارهاي مولنيا، بيضي بسيار كشيده‌اي با زاويه ميل 4/63 درجه هستند. ارتفاع زياد مدار مولنيا در نقطه اوج آن نسبت به نقطه حضيض اين مدار باعث مي‌شود تا ماهواره‌اي كه در چنين مداري قرار مي‌گيرد، درصد بيشتري از زمان يك پريود كامل خود را در منطقه اوج مدار طي كند. اين موضوع به همراه زاويه ميل نسبتاً زياد چنين مداري باعث مي‌شود تا ماهواره‌هاي عملياتي در مدار مولنيا براي تبادل اطلاعات راديويي در عرض‌هاي شمالي و جنوبي زمين كارآمد باشند. دوره تناوب ماهواره در مدار مولنيا حدود 12 ساعت است و كمتر از چهار ساعت از اين مدت را در ناحيه حضيض به سر مي‌برد. بنابراين ماهواره واقع در مدار مولنيا قادر است به مدت هشت ساعت در هر چرخش مناطق شمالي كره زمين را پوشش دهد. بدين ترتيب، مي‌توان با سه ماهواره مولنيا (به علاوه ماهواره‌هاي يدك در مدار) پوششي پيوسته را در يك محدوده جغرافيايي فراهم آورد. اين ماهوارهها عموماً براي خدمات تلويزيوني و راديويي بر فراز روسيه استفاده مي‌شوند. كاربرد ديگر اين نوع ماهوارهها در سامانه‌هاي راديويي متحرك است تا هنگام حركت ماشين‌ها در مناطق شهري حتي با وجود ساختمان‌هاي بلند نيز، ارتباط مناسبي برقرار شود. در شکل 2 5 چگونگي پوشش زمين توسط یک ماهواره مخابراتي در مدار مولنیا نمایش داده شده است.
شکل 2 5: چگونگي پوشش زمين توسط ماهواره مخابراتي در مدار مولنیا
اولين ماهواره مولنيا در 23 آوريل 1965 براي پخش آزمايشي سيگنال‌هاي تلويزيوني از مسكو به سيبري و نواحي شرقي روسيه به فضا پرتاب شد. در نوامبر 1967، متخصصان شوروي سابق سامانه بي‌نظير شبكه ماهواره‌اي تلويزيوني ملي خود را با نام اوربیتال ايجاد كردند كه بر پايه ماهواره‌هاي مولنيا طراحي شد.
مدارات زمینی با ارتفاع متوسط (MEO) :
چنین مداراتی دارای ارتفاع 10000 کیلومتر و زاویهی میل مداری در حدود 50 درجه میباشند. دورهی تناوب این مدارها در حدود 2 تا 12 ساعت است و با ناوگان ماهوارهای با حدود 10 تا 15 ماهواره پوشش کامل و پیوسته از زمین خواهند داشت. این مدارها به دلیل نزدیکیشان به زمین نسبت به مدار GEO، به توان کمتری برای انتقال داده نیاز دارند. بنابراین ایستگاههای زمینیشان کوچک‌تر است و همچنین از آنتنهای کوچک تیوپی شکل استفاده مینمایند،ICO مجموعه‌ای از این نوع است. که منظومهای دارای 10 ماهواره در دو صفحهی مداری و با زاویهی میل 45 درجه میباشند.
روش طراحی آماری مدار کاری ماهواره
در این بخش از پایان نامه اقدام به جمع آوری اطلاعات 568 ماهواره مخابراتی نمودهایم. این بانک شامل اطلاعاتی از قبیل مشخصات مداری، دوره مداری، عمر مداری، وزن و غیره می‌باشدکه در پیوست 1 بدان اشاره شده است. در این روش پس از بررسی و جمع آوری یک پایگاه داده از مدار کاری و طول عمر مداری ماهوارههایی با کلاس وزنی متفاوت، به طراحی آماری این زیرمجموعه پرداختیم. این روش طراحی به گونهای است که با داشتن وزن تقریبی و عمر مداری ماهواره آن میتوانیم تمامی پارامترهای مداری ماهواره را از قبیل نوع مدار، تیپ مدار، اوج26، حضیض27، پریود، شیب مداری28، شاخص کشیدهگی29 را مشخص کنیم.
کار جمعآوری پایگاه داده کاری بس طاقت فرسا بود که پس از اتمام به پایگاه دادهای رسیدیم که بتوان به آن تکیه کرد به طوری که دادههایی از پارامترهای مداری 568 ماهواره در کلاس وزنی متفاوت با مأموریت مخابراتی را جمعآوری نمودم البته لازم به ذکر است که این تعداد ماهواره منتج شده از فیلتر کردن یک مجموعه جمع آوری شده شامل 765 ماهواره مختلف بوده است. در ادامه برای هر پارامتر مداری طراحی به روش خاصی را ارائه نمودهایم. به اختصار این روند پس از تعیین نوع مدار بر پایه وزن ماهواره با توجه به داده کاوی‌های آمده در ادامه به طراحی اوج و حضیض و دیگر پارامترهای مداری ماهواره می‌پردازیم.
روند نمای طراحی آماری
روند نمای طراحی شده برای طراحی آماری مدار کاری ماهواره در این فصل به صورت شکل 2 6 است.
شکل 2 6: روند نمای طراحی مدار کاری
در اینجا نیاز است به تعریف مدلهای آماری بپردازیم. مدل آماری مدلی است که بر اساس آن با داشتن یک یا چند پارامتر بتوان پارامترهای دیگر طراحی را توسط مدلهای آماری استخراج شده از دادههای آماری به دست آورد. برای مثال زمانی که ازمدل جرمی آماری یاد میشود، یعنی مدلی که در آن جرم مشخص باشد و برای دادهای که به دست خواهد آمد باید دادهی دوم را در ادامه بیان نماییم. به طور مثال مدل جرم-توان، یعنی مدلی که در آن با داشتن جرم خواهیم توانست توان را به دست آوریم. [14]
با استفاده از داده کاوی دادههای موجود در بانک اطلاعات آماری، به نمودارهایی جهت تحلیل بهتر و به دست آوردن پارامترهای مورد نیاز میرسیم که رفته رفته در مسیر روند فوق با این‌گونه از نمودارها آشناتر می‌شویم.
با توجه به توضیحات ارائه شده در بخش آمار در این بانک نسبت دادههای جمع آوری شده از لحاظ کلاس مداری درشکل 2 7 و از لحاظ تیپ مداری در شکل 2 8 نمایش داده شده است.
شکل 2 7: توزیع داده‌ها بر اساس کلاس مداری
شکل 2 8: توزیع ماهوارهها بر اساس تیپ مداری
ارزیابی مدار بر حسب طول عمر
در این قسمت با توجه به طول عمر و وزن ماهواره شکل 2 9 اقدام به تعیین نوع مدار کاری مان می نماییم.
شکل 2 9: کلاس مداری بر حسب جرم و طول عمر
تفسیر نمودار شکل 2 9 : با توجه به وزن ماهواره در محورافقی وطول عمر مداری در محور عمودی سمت راست که برای هر دسته سال یک رنگ اختصاص یافته است کلاس مداری ماهواره در محور عمودی سمت چپ مشخص میگردد.
تخمین مشخصات مداری
با توجه به پارامترهای موجود در پیوست 1 اقدام به بررسی و ارائه نمودارهای جهت تعیین پارامترهای مداری بر حسب جرم و طول عمر می‌کنیم.
لازم به توضیح است که برخی از نمودارهای بدست آمده مانند شکل 2 10و شکل 2 11از پیچیدگی بالائی برخوردار است که فقط در هنگام بکارگیری نرم افزار spss امکان استفاده از آن‌ها فراهم است، آن هم به این صورت که با کلیک کردن بر روی نمودار همان طور که در شکل 2 10مشخص است میزان عددی نمودار قابل مشاهده است.
شکل 2 10: نمودار طول عمر، جرم بر طول جغرافیائی
شکل 2 11: تعیین اوج و حضیض بر حسب جرم ماهواره
جهت تخمین ساده تر پارامتر های مداری بدون نیاز به نرم افراز اقدام به تحلیل واستفاده از نمودارهای ساده تر می نمائیم .
با توجه به روند نمای شکل 2 6 پس از تعیین نوع مدار اقدام به تخمین اوج وحضیض مدار با توجه به شکل 2 12و شکل 2 13مینمائیم.
تفسیرنمودار شکل 2 12و شکل 2 13: با توجه به وزن ماهواره در محورافقی وطول عمر مداری در محور عمودی سمت راست که برای هر دسته سال یک رنگ اختصاص یافته است ،اوج وحضیض ماهواره در محور عمودی سمت چپ مشخص میگردد.
شکل 2 13: طول عمر، جرم بر حضیض
شکل 2 12: طول عمر، جرم بر اوج مدار
شکل 2 13: طول عمر، جرم بر حضیض
تفسیرنمودار شکل 2 14و شکل 2 15وشکل 2 16: با توجه به وزن ماهواره در محورافقی وطول عمر مداری در محور عمودی سمت راست که برای هر دسته سال یک رنگ اختصاص یافته است، دوره مداری، شیب وشاخص کشیدگی مدار ماهواره در محور عمودی سمت چپ مشخص میگردد.
شکل 2 14: طول عمر، جرم بر شاخص کشیدگی
شکل 2 15: طول عمر، جرم بر شیب مداری
شکل 2 16: طول عمر، جرم بر دوره مداری
حال که تمامی پارامترهای مداری مشخص شده‌اند با توجه به روند نمای شکل 2 6 جهت تست درستی پاسخ‌های بدست آمده با توجه به شکل 2 17 اقدام به تعیین وزن حامل فضائی حسب یکی از پارامترهای مداری می‌نماییم،که در صورت برابری جواب با مرحله قبلی طبق روندنما به پایان طراحی مدار می رسیم .
شکل 2 17: تعیین جرم بر حسب حضیض
لازم به ذکر در شکل 2 12و شکل 2 13 و شکل 2 14و شکل 2 15و شکل 2 16با در نظر گرفتن دخیل بودن سه پارامتر به طور همزمان پراکندگی شکلی موجود در نمودارها معنی پیدا نمی کند.
مثلا در شکل 2 17 که بیانگر میزان حضیض بر جرم است با توجه به میزان همبستگی بالای (همبستگی = 0.9)این دو پارامتر میزان پراکندگی بسیار پائین است ولی با دخیل شدن طول عمر مداری در شکل 2 13 میزان پراکندگی شکلی موجود در نمودار زیاد می شود ولیبا توجه به جواب های طراحی آورده شده در جدول 2 1 در
