بررسی جامع ماهواره
ماهواره:
با پرتاب ماهواره اسپاتنیک (Sputnik) در سال 1957 میلادی عصر تسخیر مدارهای آسمانی توسط انسان آغاز گردید. اولین ماهواره توسط شوروی سابق پرتاب گردید. این ماهواره همانند یک توپ نقره ای بود و کمتر از یک فوت اندازه داشت همچنین دارای آنتهایی بود که صدای بیپ بیپ را به زمین مخابره می کرد تا ما متوجه شویم که آنها اولین ها در فضا هستند. ولی به فاصله بسیار اندکی بعد از آن ماهواره معروف اکسپلورر – 1 (Explorer-1) توسط آمریکا به فضا پرتاب گردید. رقابت این دو کشور موجب گردیدند تا تعداد ماهواره های پرتاب شده به شدت افزایش یابند. به تدریج کشورهای دیگر نیز با کمک دوابر قدرت جهانی موفق به ساخت و پرتاب ماهواره گردند. هم اکنون بالغ بر پنج هزار ماهواره حول زمین در حال گردش هستند و مأموریتهای مختلفی را انجام می دهند.
ما همه نوع اطلاعات از ماهواره کسب می‌کنیم بعضی از مواردی که برای دستیابی به آنها از ماهواره ها استفاده می‌کنیم عبارتند از:
- اطلاعات هواشناسی مانند بارش باران، برف، ابر بودن هوا، درجه حرارت.
- اطلاعات اقیانوسها مانند دمای آنها، امواج، موقعیت کوههای یخی شناور.
- اطلاعات دیگر مانند لایه اوزن و تأثیر خورشید بر روی زمینه مغناطیسی کرة زمین.
- اطلاعات جاسوسی و عکسبرداری از مناطق مختلف کره زمین.
هر ماهواره با توجه به تجهیزات و پیشرفتگی آن دارای عمری محدود می با شد. ماهواره هایی که در مدار پایین جو زمین (LEO) حدوداً چند صد کیلومتر بالاتر از زمین حرکت می‌کنند ممکن است به طور اتفاقی به داخل جو زمین کشیده شوند وسپس بسوزند.
ماهواره هایی که در قسمت بالاتر قرار دارند ممکن است برای مدت زیادی در آنجا قرار گیرند. فضاپیماهایی مانند ویجر 1و2 که به قسمت خارج منظومه شمسی فرستاده شده اند، هنوز درحال حرکت و جلو رفتن هستند. آنها مظومه شمسی را ترک نکرده اند اما زمانی که این کار را بکنند به رفتنشان ادامه خواهند داد. چیز زیادی بیرون بین ستارگان وجود ندارد. سرما و تاریکی در آنجا حکمفرماست. انرژی آنها تمام خواهد شد. اما بر روی هر فضا پیمایی یک پلاک به همراه علائم و تصاویری قرار داده شده است.
بنابراین اگر شخصی در آنجا آنها را پیدا کند فضا پیماها دارای نقشه ای هستند که آن اشخاص بتوانند بیایند و ما را پیدا کنند. هر چند شانس خیلی کمی وجود دارد که شخصی آنها را پیدا کند.
علاوه بر این، کشور روسیه تا جایی پیش رفته است که به پرتاب ماهوارة حامل موجودات زنده به فضا اقدام کرده است. یک موشک روسی ماهواره تحقیقاتی حامل موجودات زنده را برای انجام آزمایشات علمی در یک مأموریت دو هفته ای به مدار فرستاد. ماهوارة Photon حامل موجودات زنده ای چون عقرب، خرچنگ، سمندر آبی و مارمولک می باشد که به فضا پرتاب شده و پس از پایان دو هفته مأموریت به زمین باز خواهد گشت. این ماهواره توسط یک موشک «سایوز» از پایگاه بایکونور در قزاقستان پرتاب شد.
کشور عزیز ما ایران نیز از قافله عقب نماند، و نخستین ماهواره ایران به کمک روسیه از پایگاه روسی پلستسک به مدار زمین فرستاده شد.
ماهوارة سینا یکی از چهار مسافر موشک کاسموس 3 روسیه بود که به فضا فرستاده شده و در ارتفاع 700 کیلومتری از سطح زمین در مدار معین خود قرار گرفت. روسیه، چین، بریتانیا نیز ماهواره خود را همسفر سینا – 1 کرده بودند. ساخت این ماهواره 32 ماه به طول انجامید. این ماهواره تحقیقاتی و دارای سیستمی مخابراتی و دو دوربین است که با دقت 250 و 50 متر از منابع طبیعی و محصولات کشاورزی تصویر می گیرد. همچنین بعد از حوادث طبیعی نظیر زلزله می توان از این ماهواره برای تسهیل عملیات امداد کمک گرفت. وزن تقریبی این ماهواره 170 کیلو گرم است.
ایران اکنون چهل و سومین کشوری است که در فضا ماهواره دارد. ماهوارة مصباح نیز در شرف تکمیل شدن و پرتاب قرار دارد. این ماهواره نیز توسط سازمان فضایی روسیه در مدار قرار می گیرد. کاربرد ماهوارة مصباح، ذخیره و ارسال اطلاعات است که کار آن اتصال بین ایستگاه های زمینی به صورت ذخیره و ارسال، تشخیص منابع و معادن، هواشناسی و کنترل ها سامانه های انتقال برق، نفت و گاز است. ارتفاع ماهوارة مذکور 1000 کیلومتر است. در مدار ارتفاع پایین (LEO) قرار می‌گیرد. وزن آن 75 کیلوگرم و اندازه اش 80*50*50 سانتیمتر می باشد که می توان این ماهواره را در زمرة میکرو ماهواره ها قرار داد. تعداد دور آن در شبانه روز 14 دور خواهد بود و 45 دقیقه می توان آنرا در شبانه روز رویت کرد. طول عمر مفید این ماهواره 3 سال است. علاوه بر این ماهواره: زهر نیز که یک ماهوارة ملی است در شرف پرتاب قرار دارد.
ماهواره یک سیستم مخابراتی، التکریکی و مکانیکی و ... است. اگرچه عمده ترین وظیفه یک ماهواره دریافت و ارسال اطلاعات از و به ایستگاه زمین است. ولی در این بین مجموعه های دیگری نیز فعالیت می کنند که عملکرد صحیح مخابراتی ماهواره وابسته به صحت و کاربرد آنها نیز می باشد.
ماهواره ها با توجه به نوع مأموریتی که انجام می دهند بر اساس پارامترهای مختلف به انواع گوناگون دسته بندی می گردند.
تقسیم بندی ماهواره ها را می توان به گونه های زیر نام برد:
1- تقسیم بندی بر اساس وزن
2- تقسیم بندی بر اساس مأموریت
3- تقسیم بندی بر اساس مدار حرکت
در نوع اول از تقسیم بندی ماهواره ها به انواع زیر تقسیم می شوند.
| 1- ماهواره های بزرگ 2- ماهواره های متوسط 3- ماهواره های کوچک (Mini) 4- ماهواره های ریز (Micro) 5- ماهواره های ریزتر (nano) 6- ماهواره های خیلی ریز (Pico) | بیش از 1000 کیلوگرم بین 500 تا 1000 کیلوگرم بین 100 تا 500 کیلوگرم بین 10 تا 100 کیلوگرم کمتر از 10کیلوگرم کمتر از 1 کیلوگرم |
درنوع دوم از تقسیم بندی، ماهواره ها به ماهواره های ناوبری و هدایت، نقشه برداری، تصویری، هواشناسی، تجسسی و چند منظوره که هر کدام عملیات خاصی را انجام می دهند تقسیم می گردند.
در نوع سوم از دسته بندی، مدار ماهواره ها گوناگون می باشد که چند نمونه از آنها مدار ژئو سنکرون، مدار کوتاه یا مدار پایین (LEO) و ... می باشد.
فلسفه اصلی ظهور و توسعه ماهواره های کوچک، راهی برای کاهش هزینه روز افزون ماموریتهای فضایی و بر چند دلیل عمده متکی است. اولین دلیل کوچک سازی در صنایع الکترونیک است.
با دقت در روند تکامل محصولات الکترونیکی بویژه در سیستمهای فضایی می توان پی برد که اینگونه محصولات روز به روز کوچکتر، کاراتر و ارزانتر شده اند. امروزه حتی کامپیوتر وحافظه های غیر فضایی تواناتر از سیستمهای فضایی گذشته می‌باشند. دومین عامل ظهور پرتاب کننده های کوچک است. کشورهای دارای تکنولوژی پرتاب از پرتاب کننده های کوچک حمایت می‌کنند. به عنوان مثال روسیه موشکهای فضایی خود را به منظور بکارگیری، جهت پرتاب ماهواره های کوچک اصلاح کرده است. حتی روسیه طرحی فراتر برای موشکهای نظامی خود نیز ارائه کرده است. دانشمندان فضایی روسیه طرحی را پیشنهاد کرده اند که بر اساس آن ماهواره های کوچک با استفاده از یک موشک جامد سوز که در زیر بال هواپیمای میگ نصب می شود راهی مدار گردند. این موشک ایشیم نام دارد و درحال حاضر یک گروه از دانشمندان روس و قزاق بر روی اجرایی کردن طرح مذکور فعالیت دارند. مکانیزم کار به این صورت خواهد بود که هواپیمای میگ – 31 محموله
(شامل موشک بالابرنده و ماهواره ) را به ارتفاعی در حدود 25 تا 30 هزار متر می‌رساند و سپس آنر ارها می سازد و سپس موشک ایشیم به طور مستقل ماهوارة 16 کیلوگرمی را به مداری در حدود 200 کیلومتری خواهد رساند. از ویژگیهای آن این است که به تنها از امنیت بیشتری نسبت به موشکهای مایع سوز فعلی برخودار است بلکه به لحاظ عدم آلودگی محیط زیست نیز از آنها پیشی می گیرد. عامل سوم این است که به دلیل ساده تر بودن خطر پذیری کمتر و هزینه پایینتر بکارگیری ماهواره های کوچک در مدار پایین تمایل کشورهای در حال توسعه به پا نهادن در این عرصه افزایش چشمگیری یافته است. اگر چه عملکرد ماهواره های کوچک در تمام جنبه ها نمی تواند حریف ماهواره های بزرگ شود ولی از آنجایی که در تمام مراحل ساخت و طراحی تحت کنترل مستقیم کشور مربوط قرار دارند از اهمیت بالایی برخوردار می‌باشند.
به طور کلی هر ماهواره از دو قسمت اصلی تشکیل شده است.
1- باس سیستم (System Bus)
2- محموله (Payload)
باس سیستم خود شامل شش زیر سیستم می باشد:
1- سیستم انرژی
2- سیستم کنترل حرارت
3- سیستم تعیین و کنترل وضعیت
4- سازه حذف شود ماهواره
5- سیستم تله متری و فرمان
6- سیستم پیشرانه و رانشگر
همچنین به تجهیزاتی که برای انجام مأموریتی خاص برروی ماهواره قرار داده می‌شود نظیر دوربینای عکسبرداری، آنتنهای مخابراتی، اسکنرهای چند طیفی و ... محموله گفته می شود.
وظیفه باس سیستم بوجود آوردن شرایط لازم برای تحقق مأموریت قرار داده شده بر عهده محموله می باشد. یکی از اساسی ترین شرایط لازم سمت گیری محموله به طرف یک هدف از پیش تعیین شده است. دقت این جهت گیری دقت کل ماهواره و به دنبال آن جرم، توان و قیمت زیر سیستم تعیین و کنترل وضعیت را مشخص می‌کند. وظیفه سمت دهی محموله به طرف هدف بر عهده بخش کنترل وضعیت می باشد که این عمل با توجه به محاسبه خطای وضعیت در هر لحظه از طریق مقایسه وضعیت فعلی با مقدار دلخواه میزان گشتاور اعمالی مورد نیاز به پیکره ماهواره را تعیین می‌کند.
همانطور که دیده شد یکی از زیر سیستمهای اساسی در باس سیستم ماهواره مربوط به کنترل وضعیت می باشد. فعالیت این زیر سیستم بایستی در طول مدت عمر مفید ماهواره ادامه داشته باشد. چرا که از دست دادن کنترل وضعیت ماهواره به از کار افتادن ماهواره منجر خواهد شد.
تاریخچه شناسایی و کنترل وضعیت ماهواره :
برای آنکه ماهواره ها بتوانند مأموریتشان را به درستی انجام دهند و اهداف مورد نظر را برآورده کنند لازم است که وضعیتشان (جهتشان) درفضا کنترل شود. دربررسی کنترل وضعیت ماهواره نخستین پرسشی که پیش می آید شناسایی وضعیت ماهواره و چگونگی صحت و یا عدم صحت اطلاعات درمورد حالت کنونی آن است تا بتوان درقدم بعدی به تصحیح آن از طریق اعمال کنترل پرداخت. بهمین علت دقت عملکرد زیرسیستم شناسایی وضعیت از اهمیت ویژه ای برخوردار است. علاوه بر آن یکی از مهمترین زیر سیستمها نیز سیستم کنترل وضعیت است که وظیفه جهت دهی و نگهداشتن جهت ماهواره را برعهده دارد. درواقع سیستم کنترل وضعیت ماهواره به کمک عملکردها و قوانین کنترل، جهت ماهواره را کنترل و آنرا پایداری می نماید. با توجه به مأموریت ماهواره از عملگر ها و قوانین کنترل متفاوت استفاده می شود.
مسأله شناسایی و کنترل وضعیت ماهواره توسط بسیاری از محققین مورد بررسی قرارگرفته است. که هریک از این تحقیقات دارای نقاط قوت و ضعفی است.
1. آقای فن و همکاران به مسئله کنترل وضعیت با استفاده از کنترلر PD پرداخته است دراین کار برای بهبود دقت سمت یابی ماهواره های کوچک از یک چرخ ممنتومی (MW) واقع در محور Pitch ماهواره و میله های مغناطیسی سه محور به عنوان عملگرهای ماهواره برای تولید گشتاور کنترلی استفاده شده است. این طراحی برای ماهواره های کوچک که در مدار LEO هستند، طراحی شده است. زیرا میله های مغناطیسی تنها می توانند درمدارات LEO کاربرد داشته باشند. ولی این عیب همین روش است . [11]