تاریخچه ماهواره های مخابراتی

دانشمندان نوید می دهند که سده بیست و یکم، گواه انقلاب واقعی در نظام ارتباطات فضایی خواهد بود که در طی بیست سال آینده منجر به تغییر مفاهیم زندگی بشر خواهد شد، مثلاً آموزش و بهداشت و دیگر خدمات ضروری به برکت ارتباطات برتر و از میان خلاء با شتاب و کارایی والایی انجام خواهد گرفت. شبکه های اطلاعاتی با افق های دورتر و فراگیرتر گسترش خواهد یافت تا همه عرصه های تجاری، صنعتی، کشاورزی، علمی و رفاهی را دربرگیرد. طی چند سال آینده شبکه هایی از ماهواره ها در فضا گسترش خواهند یافت که شماره شان به هزاران هزار می رسد و کاربردهای گوناگونی خواهند داشت.

تا اویل سال ۱۹۶۰ میلادی غیر از چند ارتباط محدود که توسط دستگاه بی سیم برقرار شده بود مسئله انتخاب وجود نداشت و به علت ظرفیت کم و تقاضا برای ارتباطات بیشتر، انباشته بودن طیف های فرکانسی و ضعف سیستم انتقال صوتی تنها وسیله ارتباطی بین قاره ای کابل تلفنی زیردریایی بود. اما در سال ۱۹۶۰ میلادی یعنی تقریباً سه سال بعد از پرتاب اولین سفینه شوروی، آمریکایی ها نخستین قمر مصنوعی مخابراتی را در مدار زمین قرار دادند که قطر این قمر بزرگ ۳۰ متر بود و در ارتفاع ۱۵۰۰ کیلومتری زمین گردش می کرد. این قمر مجهز به نوعی آینه بود که امواج را از ایستگاه های فرستنده می گرفت و به ایستگاه های گیرنده که به علت کروی بودن زمین نمی توانستند آنها را به صورت مستقیم دریافت کنند منعکس می کرد. به این ترتیب اولین ارتباط آزمایشی به وسیله ماهواره بین دو نقطه دوردست آمریکا یعنی از کالیفرنیا تا نیوجرسی برقرار شد و قسمت اعظم انرژی اشعه ای که از ایستگاه فرستنده ارسال می شد در فضا پخش و تنها قسمت کوچکی از آن توسط ماهواره منعکس می شد و برای اینکه اشعه منعکس شده قابل استفاده شود لازم بود به وسیله ایستگاه عظیم و پرقدرتی تقویت شود که نتیجه کار مطلوب نبود به همین دلیل آمریکایی ها شروع به ساختن قمر مصنوعی مخابراتی جدیدی کردند که امواج را به وسیله آنتن هایی از زمین دریافت و پس از تقویت به سوی ایستگاه های گیرنده زمینی ارسال کند. و اندیشه استفاده از ماهواره ها به صورت رله برای ارتباطات راه دور ابتدا از سوی نویسنده معروف داستان های علمی تخیلی و یکی از بنیانگذاران انجمن انگلیسی بین ستاره ها آرتورسی کلارک مطرح شد و در مقاله ای در اکتبر سال ۱۹۴۵ میلادی مجله جهان بی سیم چاپ شد که این مقاله سرآغازی برای شروع فعالیت های جدی ارتباطات ماهواره ای شد.

کلارک با درنظر گرفتن سه ماهواره در ارتفاع ۳۶ هزار کیلومتری از سطح زمین و روی محیط مدار دایره ای شکل دور کره زمین به فواصل مساوی از هم، پوشش ارتباط ماهواره ای تمام سطح زمین را میسر می ساخت. بعد از چاپ مقاله کلارک طی ده سال سه اختراع مهم انجام شد که مورد استفاده آنها در ساخت ماهواره ها است؛ اولی سلول های خورشیدی است که تبدیل کننده انرژی نوری خورشید به الکتریسیته هستند، دوم انواع مختلف ترانزیستور و سوم لامپ تقویت موج رادیویی بوده است. در واقع این نوع تقویت کننده ها با طیف وسیع فرکانس و بازدهی حدود ۲۰ الی ۴۰ درصد از معمولی ترین نوع تقویت کننده در امواج مخابراتی ماهواره ای محسوب می شوند.

در سال ۱۹۶۲ میلادی، تاریخ ارتباطات ورق خورد و نخستین ماهواره از نوع رله و تقویت کننده ای به نام تله استار در دهم ژوئیه همین سال از سوی آمریکا در مدار قرار گرفت و برای اولین بار برنامه ای از تلویزیون آمریکا توسط این قمر مصنوعی که بر بالای اقیانوس اطلس قرار داشت منعکس و برای مردم نمایش داده شد و به دنبال آن دومین ماهواره از همین نوع چند ماه بعد پرتاب شد و ماهواره تله استار در مداری که فاصله آن بین ۹۰۰ تا ۵۵۰۰ کیلومتر بالاتر از سطح دریا قرار داشت نصب شد. این ماهواره ها تقریباً هر دو ساعت و نیم یک بار کره زمین را دور می زدند و به دلیل اینکه کره زمین در هر ۲۴ ساعت یک بار به دور خود می چرخد ارتباط بین دو نقطه از زمین فقط چند بار در شبانه روز امکان پذیر بود و این ماهواره تنها مدت کوتاهی در یک نقطه قابل رویت می ماند که این مدت به ارتفاع مدار قمر مصنوعی که از سطح دریا قرار داشت وابسته بود. برای برقراری ارتباط دائمی، فقط یک راه به نظر می رسید و آن اینکه ماهواره باید در بالای یک نقطه از زمین در ارتفاع معینی ثابت بماند که ظاهراً خیلی مشکل بود ولی عملاً وقتی زمان گردش ماهواره به دور زمین ۲۴ ساعت باشد همزمان با کره زمین به دور آن خواهد گشت و از نظر ما در آسمان بی حرکت خواهد ماند چون این قمر مصنوعی در یک مدار دایره ای حرکت می کند که مرکز آن منطبق بر مرکز کره زمین و صفحه این دایره نیز عمود بر محور زمین است. این مدار دایره ای به موازات خط استوا خواهد بود و همین طور به دلیل سرعت قمر مصنوعی نمی تواند از مقدار معینی کمتر باشد به دلیل آنکه قمر مصنوعی باید در ۲۴ ساعت یک بار به دور زمین چرخش نماید، می بایست محیط دایره ای مسیر قمر مصنوعی و در نتیجه ارتفاع مدار آن را بیشتر کرد.محاسبات و تجربه های عملی نشان داده که برای این منظور، باید ارتفاع ماهواره از سطح دریا حدوداً ۳۶ هزار کیلومتر باشد؛ فاصله ای که در آن از طرف زمین نیروی جاذبه به ماهواره وارد نمی شود. این مدار را اصطلاحاً مدار ژئوسنکرون یا زمین آهنگ می نامند. وقتی که ماهواره به ارتفاع ۳۶ هزار کیلومتری از سطح دریا رسید آن را به آرامی منحرف می کنند که در بالای نقاط انتخاب شده باقی بماند ولی در صورت انحراف از مسیر اصلی و دور شدن از نقطه دلخواه توسط موتورهای عکس العملی کوچکی که در آنها تعبیه شده و از ایستگاه های کنترل زمین هدایت می شوند آن را دوباره به وضعیت مطلوب برمی گردانند. بدین ترتیب سیر تحولات ماهواره های مخابراتی ادامه پیدا کرد تا به امروز که شاهد به کارگیری تکنیک های بسیار پیشرفته در این سیستم ها جهت ارتقای سطح کیفیت و افزایش ظرفیت آنها هستیم.

ماهواره مخابراتی

ماهواره مخابراتی نوعی ماهواره است که برای مخابره تصویر و پیام و داده ها بکار می رود.ماهواره مخابراتی معمولاً در مدار ژئوسنکرون زمین و در بالای خط استوا و هماهنگ با سرعت زمین و با زاویه‌ای ثابت، حرکت می‌کند، و قسمت مشخصی از سطح زمین را بطور ثابت پوشش می‌دهد. چنین ماهواره‌ای از یک ایستگاه زمینی نیز بصورت یک نقطه ثابت، قابل رویت است. ماه، خورشید، و دیگر ستارگان و سیارات منظومه شمسی باعث تأثیرگذاری بروی ماهواره در مدار خود می‌شود که احتمال جابخایی از مکان خود را دارد. برای جلوگیری از این مشکل، موتورهای مخصوصی که به‌وسیله ایستگاه‌های زمینی کنترل می‌شوند، ماهواره‌ها را در مکان خود ثابت نگه‌می‌دارند.

جهت برقراری ارتباط از یک ایستگاه زمینی ، معمولا احتیاج به یک دیش بزرگ که به نام آنتن آپلینک معروف است ، می باشد و باعث تمرکز اطلاعات ارسالی به ماهواره می شود.در ارتباط بین ماهواره و ایستگاه زمینی معمولا از دو نوع موج و فرکانس متفاوت استفاده می شود.دیش نصب شده بر روی ماهواره ، سیگنال ارسالی از ایستگاه زمینی را دریافت کرده و به یک دستگاه گیرنده می رساند و پس از یک سری پردازش ، به فرستنده ماهواره انتقال می دهد و از طریق آنتن فرستنده ماهواره ، مجددا به سمت زمین بازتابش داده می شود.

سیگنال ارسالی به سطح زمین، به وسیله دیش های معمولی ، دریافت و جمع اوری شده و به دستگاه گیرنده ماهواره ، از طریق "LNB" انتقال داده می شود.ماهواره ها معمولا در سه مدار "GAO" ، "MAO" ، "LAO" قرار می گیرند.این مدارها را به ترتیب با ارتفاع کمتر و متوسط و سنکرون نسبت به زمین شناخته می شوند. مدار ژئوسنکرون دارای صفحه ای است که این صفحه از خط استوا می گذرد.

قدرت سیگنال دریافتی بر روی زمین، نسبت به فاصله و زاویه و.... ماهواره و نقطه گیرندگی، متفاوت بوده و بصورت یک الگوی خاص به نام سایه ماهواره معرفی می‌شود. همیشه قدرت سیگنال ماهواره در مرکز سایه، بیشترین مقدار را دارا می‌باشد و در گوشه‌ها، از کمترین مقدار، برخوردار است. توجه به این نکته لازم است که دریافت سیگنال در خارج از سایه، احتیاج به دیش‌های بزرگ تر، دارد. امواج سانتی متری، جهت ارسال سیگنال ماهواره به زمین، مورد استفاده قرار می‌گیرد که محدوده فرکانسی آنها بین 3-30 مگاهرتز می باشد.

دلیل اصلی استفاده از این امواج رادیویی کوتاه، انتشار راحت امواج و تأثیرات کم نویز و مزاحمت‌های فرکانسی است. البته فرکانسهای بالاتر از 15 گیگاهرتز ، بصورت وحشتناکی به ‌وسیله اکسیژن هواوبخار آب تضعیف می‌گردند. ماهواره‌ها سیگنالهای ارسالی خود را بصورت قطبی و با دو حالت افقی و عمودی ارسال می‌کنند و گاهی اوقات نیز بصورت دورانی، چپ گرد و راست گرد. در سیستم‌های دیجیتال، امکان ارسال دیتا و چندین شبکه تلویزیونی و رادیویی بروی یک فرکانس وجود دارد.

معماری شبکه نسل دوم

معماری شبکه GPRS

UMTS

معماری شبکه نسل سوم موبایل

ماهواره های مصنوعی

ماهوارهٔ مصنوعی شی ایست که توسط انسان ساخته شده و به طور مداوم در حال حرکت در مداری حول زمین یا اجرام دیگری در فضا می باشد. بیشتر ماهواره های ساخته شده تاکنون حول کره زمین در حرکتند و در مواردی چون مطالعه کائنات، ایستگاه های هوا شناسی، انتقال تماس های تلفنی از فراز اقیانوس ها، ردیابی و تعیین مسیر کشتی ها و هواپیماها و همینطور امور نظامی به کار می روند...... ماهواره هایی نیز وجود دارند که دور ماه، خورشید، اجزام نزدیک به زمین و سیاراتی نظیر زهره، مریخ و مشتری در حال گردش می باشند. این ماهواره ها اغلب اطلاعات مربوط به جرم آسمانی که حول آن در گردشند را جمع آوری می کنند.

به جز ماهواره های مصنوعی مذکور اشیای در حال گردش دیگری نیز در فضا وجود دارند از جمله فضا پیما ها، کپسول های فضایی و ایستگاه های فضایی که به آنها نیز ماهواره می گوییم. البته اجرام دیگری نیز در فضا وجود دارند به نام زباله های فضایی شامل بالابرنده های مستهلک راکت ها، تانک های خالی سوخت و ... که به زمین سقوط نکرده اند و در فضا در حرکتند.

اتحادیه سویت پرتاب کننده اولین ماهواره مصنوعی، اسپاتنیک ۱، در سال ۱۹۵۷ بود. از آن زمان ایالات متحده و حدود ۴۰ کشور دیگر سازنده و پرتاب کننده ماهواره به فضا بوده اند. امروزه قریب به ۳۰۰۰ ماهواره فعال و ۶۰۰۰ زباله فضایی در حال گردش به دور زمینند.

اجزای سیسستم ماهواره ای مخابرات

سیستم ماهواره‌ ای مخابرات مجموعه ‌ای است از ایستگاههای فضایی و ایستگاههای زمینی به منظور ایجاد ارتباطات رادیویی. بخشی از این سیستم ماهواره‌ ای می ‌تواند تنها از یک ماهواره و ایستگاه‌های زمینی مربوطه تشکیل شود. این مجموعه ، یک شبکه ماهواره‌ ای نامیده می‌شود.

- ایستگاه های فضایی : ایستگاه فضایی شبکه ماهواره‌ای مخابرات، از ماهواره (بخش اصلی شبکه) و دستگاه های جانبی تشکیل شده‌است.

- ساختمان ماهواره : ماهواره از دوبخش تجهیزات مخابراتی وغیرمخابراتی تشکیل شده‌است. زیرسیستم‌های مخابراتی، آنتن ها و تکرارکننده‌ها هستند. در بخش مخابراتی، دستگاهی وجود دارد که وظیفه تکرارکننده‌های رله رادیویی را انجام می‌دهد و ترانسپاندر نام دارد. ترانسپاندرها سیگنالهای فرستاده شده از زمین را دریافت و پس ازتقویت و تغییر فرکانس آنها را به زمین می‌فرستند. آنتنهای مربوط به این ترانسپاندرها طوری طراحی شده‌اند که فقط قسمت‌هایی از سطح زمین را که درون شبکه ماهواره‌ای قرار دارند، پوشش می‌دهد. یک ماهواره معمولاً آنتنی همه جهته دارد که برای دریافت سیگنالهای فرمان صادره از زمین به کار می‌رود زیرا آنتنهای دیگر ماهواره احتمال دارد به سوی زمین نباشند. آنتن همه جهته همچنین برای کنترل سیستم‌های فرعی در زمان پرتاب ماهواره و تعیین موقعیت آن به کارمی رود. بخش غیرمخابراتی ماهواره که در واقع قسمت پشتیبانی فنی آن است شامل سیستم کنترل حرارتی، سیستم کنترل موقعیت و مدار، ساختمان مکانیکی، سیستم منبع تغذیه وموتور اوج است.

- سیستم کنترل حرارتی ماهواره : این سیستم باید درجه حرارت دستگاهها و تجهیزات درون ماهواره را در حد متعادل و متعارف حفظ کند.

- سیستم کنترل موقعیت مدار : کنترل موقعیت ماهواره آن است که جهت تابش پرتو فرکانسهای رادیویی آنتن را برای منطقه مورد نظر در روی زمین ثابت نگه‌ می‌ دارد.

- ساختمان مکانیکی : ساختمان ماهواره باید به گونه‌ای طراحی شده باشد که بتواند نیروهایی را که بر اثر فشارهای دینامیکی در هنگام روشن شدن موتور و پرتاب وارد می‌شود، تحمل کند. بدنه ماهواره معمولاً از آلیاژ آلومینیوم سبک ساخته می‌شود که شامل سلولهای خورشیدی و منعکس کننده‌های آنتن نیز هست. این قسمت از ترکیب موادی مانند فیبرکربن که دارای استحکام وثبات ساختمانی خاصی است ساخته می‌شود.

- سیستم منبع تغذیه : منبع اصلی تغذیه معمولاً سلولهای خورشیدی هستند. انرژی خورشیدی جذب شده برای شارژکردن باتریهای ذخیره نیزمورداستفاده قرارمی گیرد. این باتریهاازنوع نیکل – کادمیم هستند.

- موتوراوج : نقش موتوراوج ایجاد مدار دایره‌ ای شکل وجلوگیری ازانحرافات مداری ماهواره‌ است.بعضی مواقع با استفاده از موتور اوج ماهواره ها را در مدار ثابت مستقر می کنند.

- ایستگاه‌های زمینی : ایستگاههای زمینی سیستم‌های ماهواره‌ای مخابرات براساس نوع استفاده ازآنهاعبارت اند از: ایستگاههای ثابت، ایستگاههای سیار. ایستگاه‌های زمینی ماهواره معمولاً ازچند قسمت تشکیل شده‌اند. آنتن، فرستنده، گیرنده، سیستم‌های کنترل برقراری ارتباط ومنابع تغذیه مورد لزوم ایستگاه هر یک ازاجزای فوق شامل قسمت‌های مختلفی‌اند که متناسب با نوع ایستگاه زمینی، حجم وتجهیزات آنها متفاوت خواهدبود.

- آنتن ایستگاههای زمینی : به طور کلی آنتن فرستنده، انرژی الکتریکی حاصل از یک منبع را در فضا به صورت امواج الکترومغناطیسی پخش می‌کند. سپس آنتن گیرنده این امواج رامی گیرد و به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند. در هر سیستم مخابرات رادیویی، آنتن نقش حساس و مهمی دارد، زیرا با انتخاب آنتنهای مناسب ونصب وتنظیم صحیح آنهامی توان تاحدزیادی بازدهی سیستم رابالا برد. علایم و سیگنالهای فرستاده شده از ماهواره توسط آنتنهای بزرگ یا کوچک دریافت می‌شود و سپس به دستگاه تقویت کننده انتقال می‌یابد. ایستگاههای زمینی دارای دو نوع آنتن فرستنده و گیرنده به صورت بشقابی در اندازه‌های مختلف هستند. این آنتنها اطــــلاعات را به صورت امواج رادیویی به فضا می‌فرستند یا از فضا دریافت می‌کنند. آنتن ایستگاههای زمینی در ابعــــاد بزرگ و ساختمان مکانیکی معینی ساخته می‌شوند که قطر نوع قدیمی آنها به بیش از ۳۰۰ تن می‌رسد. از آنجا که فرکانس مورد نظر برای سرویس ثابت ماهواره در محدوده فرکانسهای مگاهرتز و گیگاهرتز است.

ارتباطات ماهواره ای

ارتباطات ماهواره ای می توانند به دو شکل زیر باشند :

- ارتباط نقطه به نقطه : يك فرستنده (گيرنده) را در يك نقطه از زمين به گيرنده (فرستنده) در نقطه اي ديگر متصل مي سازد.

- ارتباط پخشی : اطلاعات فرستنده اي را براي گيرنده هاي متعدد در نقاط مختلف پخش مي كند. مانند پخش تلويزيوني.

انواع ماهواره ها

ماهواره های مصنوعی بر اساس ماموریت هایشان طبقه بندی می شوند. شش نوع اصلی ماهواره وجود دارند. (۱) تحقیقات علمی، (۲) هواشناسی، (۳) ارتباطی، (۴) ردیاب، (۵) مشاهده زمین، (۶) تاسیسات نظامی. ماهواره های تحقیقات علمی اطلاعات را به منظور بررسی های کارشناسی جمع آوری می کنند. این ماهواره ها اغلب به منظور انجام یکی از سه ماموریت زیر طراحی و ساخته می شوند. (۱) جمع آوری اطلاعات مربوط به ساختار، ترکیب و تاثیرات فضای اطراف کره زمین. (۲) ثبت تغییرات در سطح و جو کره زمین. این ماهواره ها اغلب در مدارهای قطبی در حرکتند. (۳) مشاهده سیارات، ستاره ها و اجرام آسمانی در فواصل بسیار دور. بیشتر این ماهواره ها در ارتفاع کوتاه در حرکتند. ماهواره های مخصوص تحقیقات علمی حول سیارات دیگر، ماه و خورشید نیز حضور دارند.

ماهواره های هواشناسی به دانشمندان برای مطالعه بر روی نقشه های هواشناسی و پیش بینی وضعیت آب و هوا کمک می کنند. این ماهواره ها قادر به مشاهده وضعیت اتمسفر مناطق گسترده ای از زمین می باشند. بعضی از ماهواره های هواشناسی در مدارهای سان سینکرنوس، قطبی، در حرکتند که توانایی مشاهده بسیار دقیق تغییرات در کل سطح کره زمین را دارند. آنها می توانند مشخصات ابرها، دما، فشار هوا، بارندگی و ترکیبات شیمیایی اتمسفر را اندازه گیری نمایند. از آنجا که این ماهواره ها همواره هر نقطه از زمین را در یک ساعت مشخص محلی مشاهده می کنند.

دانشمندان با اطلاعات به دست آمده قادر به مقایسه دقیق تر آب و هوای مناطق مختلفند. ضمنا شبکه جهانی ماهواره های هواشناسی که در این مدارها در حرکتند می توانند نقش یک سیستم جستجو و نجا ت را بر عهده گیرند. آنها تجهیزات مربوط به شناسایی سیگنال های اعلام خطر در همه هواپیما ها و کشتی های خصوصی و غیر خصوصی را دارا هستند. بقیه ماهواره های هواشناسی در ارتفاع های بلند تر در مدارهای ژئوسینکرنوس قرار دارند. از این مدارها، آنها می توانند تقریبا نصف کره زمین و تغییرات آب و هوایی آن را در هر زمان مشاهده کنند. تصاویر این ماهواره ها مسیر حرکت ابرها و تغییرات آنها را نشان می دهد. آنها همینطور تصاویر مادون قرمز نیز تهیه می کنند که گرمای زمین و ابرها را نشان می دهد.

ماهواره های ارتباطی در واقع ایستگاه های تقویت کننده سیگنال ها هستند، از نقطه ای امواج را دریافت و به نقطه ای دیگر ارسال می کنند. یک ماهواره ارتباطی می تواند در آن واحد هزاران تماس تلفنی و جندین برنامه شبکه تلوزیونی را تحت پوشش قرار دهد. این ماهواره ها اغلب در ارتفاع های بلند، مدار ژئوسینکرنوس و بر فراز یک ایستگاه در زمین قرار داده می شوند. یک ایستگاه در زمین مجهز به آنتنی بسیار بزرگ برای دریافت و ارسال سیگنال ها می باشد. گاهی چندین ماهواره که دریک شبکه و درمدارهای کوتاهترقرار گرفته اند، امواج را دریافت و با انتقال دادن سیگنال ها به یکدیگر آنها را به کاربران روی زمین در اقصی نقاط آن می رسانند. سازمانهای تجاری مانند تلویزیون ها و شرکت های مخابراتی در کشورهای مختلف از کاربران دائمی این نوع ماهواره ها هستند.

به کمک ماهواره های ردیاب، کلیه هواپیماها، کشتی ها و خودروها بر روی زمین قادربه مکان یابی با دقت بسیار زیاد خواهند بود. علاوه بر خودروها و وسایل نقلیه اشخاص عادی نیز میتوانند از شبکه ماهواره های ردیاب بهره مند شوند.در واقع سیگنال های این شبکه ها در هر نقطه ای از زمین قابل دریافتند.دستگاه های دریافت کننده، سیگنال ها را حداقل از سه ماهواره فرستنده دریافت و پس از محاسبه کلیه سیگنال ها، مکان دقیق را نشان می دهند. ماهواره های مخصوص مشاهده زمین به منظور تهیه نقشه و بررسی کلیه منابع سیاره زمین و تغییرات ماهیتی چرخه های حیاتی در آن، طراحی و ساخته می شوند. آنها در مدارهای سان سینکرنوس قطبی در حرکتند. این ماهواره ها دائما در شرایط تحت تابش نور خورشید مشغول عکس برداری از زمین با نور مرئی و پرتوهای نا مرئی هستند. رایانه ها در زمین اطلاعات به دست آمده را بررسی و مطالعه می کنند. دانشمندان به کمک این ماهواره معادن و مراکز منابع در زمین را مکان یابی وظرفیت آنها را مشخص می کنند.همینطور می توانند به مطالعه بر روی منابع آبهای آزاد و یا مراکز ایجاد آلودگی و تاثیرات آنها و یا آسیب های جنگل ها و مراتع بپردازند. ماهواره های تاسیسات نظامی مشتمل از ماهواره های هواشناسی، ارتباطی، ردیاب و مشاهده زمین می باشند که برای مقاصد نظامی به کار می روند.برخی از این ماهواره ها که به ماهواره های جاسوسی نیز شهرت دارند قادر به تشخیص دقیق پرتاب موشکها، حرکت کشتی ها در مسیر های دریایی و جابجایی تجهیزات نظامی در روی زمین می باشند.

انواع مدارها

مدارهای ماهواره ها اشکال گوناگونی دارند. برخی دایره شکل و برخی به شکل بیضی می باشند. مدارها از لحاظ ارتفاع (فاصله از جرمی که ماهواره حول آن در گردش است) نیز با یکدیگر تفاوت دارند. برای مثال بعضی از ماهواره ها در مداری دایره شکل حول زمین خارج از اتمسفر در ارتفاع ۲۵۰ کیلومتر(۱۵۵ مایل) در حرکتند و برخی در مداری حرکت می کنند که بیش از ۳۲۲۰۰ کیلومتر (۲۰۰۰۰ مایل) از زمین فاصله دارد. ارتفاع بیشتر مدار برابر است با دوره گردش ( مدت زمانیکه ماهواره یک دور کامل در مدار خود حرکت می کند) طولانی تر. یک ماهواره زمانی در مدار خود باقی می ماند که بین شتاب ماهواره ( سرعتی که ماهواره می تواند در طی یک مسیر مستقیم داشته باشد ) و نیروی گرانش ناشی از جرم آسمانی که ماهواره تحت تاثیر آن می باشد و دور آن در گردش است تعادل وجود داشته باشد. چنانچه شتاب ماهواره ای بیشتر از گرانش زمین باشد ماهواره در یک مسیر مستقیم از زمین دور می شود و چنانچه این شتاب کمتر باشد ماهواره به سمت زمین برخواهد گشت.

برای درک بهتر تعادل بین گرانش و شتاب، جسم کوچکی را در نظر بگیرید که به انتهای یک رشته طناب متصل و در حال چرخش است. اگر طناب پاره شود جسم متصل به آن در یک مسیر صاف به زمین می افتد. طناب در واقع کار گرانش را انجام می دهد تا شی بتواند به چرخش خود ادامه دهد. ضمنا وزن شی و طناب میتوانند نشانگر رابطه بین ارتفاع ماهواره و دوره گردش آن باشد. طناب بلند مانند ارتفاع بلند است. هر چه طناب بلندتر باشد زمان بیشتری نیاز است تا شی متصل به آن یک دور کامل بچرخد. طناب کوتاه مانند ارتفاع کوتاه است و در زمان کمتری شی مذکور یک دور کامل در مدار خود گردش خواهد کرد. انواع گوناگونی از مدارها وجود دارند اما اغلب ماهواره هایی که حول زمین در گردشند در یکی از این چهار گونه مدار حرکت میکنند. (۱) ارتفاع بلند، ژئوسینکرنوس. (۲) ارتفاع متوسط. (۳) سان سینکرنوس، قطبی. (۴) ارتفاع کوتاه . شکل اغلب این گونه مدارها دایره ایست.

مدارهای ارتفاع بلند، ژئوسینکرنوس بر فراز استوا و در ارتفاع ۳۵۹۰۰ کیلومتر(۲۲۳۰۰ مایل) قرار دارند. ماهواره های اینگونه مدارها حول محور عمودی زمین با سرعت و جهت برابر حرکت زمین حرکت می کنند. بنابراین هنگام رصد آنها از روی زمین همواره در نقطه ای ثابت به نظر می رسند. برای پرتاب و ارسال این ماهواره ها انرژی بسیار فراوانی لازم است.

ارتفاع یک مدار متوسط حدود ۲۰۰۰۰ کیلومتر (۱۲۴۰۰ مایل) و دوره گردش ماهواره های آن ۱۲ ساعت است . مدار خارج از اتمسفر زمین و کاملا پایدار است. امواج رادیویی که از ماهواره های موجود در این مدارها ارسال می گردد در مناطق بسیارزیادی از زمین قابل دریافت است. پایداری و وسعت مناطق تحت پوشش این گونه مدارها آنها را برای ماهواره های ردیاب مناسب می نماید.

مدارهای سان سینکرنوس، قطبی، ارتفاع نسبتا کوتاهی دارند. آنها تقریبا از فراز هر دو قطب زمین عبور می کنند.مکان این مدارها متناسب با حرکت زمین به دور خورشید در حرکت است به گونه ایکه ماهواره ی این مدار خمواره در یک ساعت محلی ثابت از استوا عبور می کند. از آنجاییکه این ماهواره ها از همه عرض های جغرافی زمین می گذرند قادرند که اطلاعات را از تمامی سطح زمین دریافت نمایند.

یک مدار ارتفاع کوتاه درست بر فراز جو زمین قرار دارد جاییکه تقریبا هوایی برای ایجاد تماس و اصطحکاک وجود ندارد. برای ارسال ماهواره به این نوع مدارها انرژی کمتری نسبت به سه نوع مدار مذکور دیگر لازم است. ماهواره ها ی مطالعاتی که مسئول دریافت اطلاعات از اعماق فضا می باشند غالبا در این مدارها در حرکتند. برای مثال تلسکوپ هابل که در ارتفاع ۶۱۰ کیلومتر(۳۸۰ مایل) با دوره گردش ۹۷ دقیقه در حرکت است.

آنتن های میکرواستریپ

در کاربردهای هوافضا ، ماهواره و موشک ها که نیاز به اندازه کوچک ، نصب آسان و هزینه پایین است ، از انتن های با برجستگی کم همچون آنتنهای میکرواستریپ استفاده می کنند. در حال حاضر کاربردهای اقتصادی همچون ارتباطات موبایل و مخابرات بی سیم مورد توجه قرار گرفته اند. این آنتن ها به دلیل آنکه با استفاده از تکنولوژی printed-circuit ساده وارزان ساخته می شوند مورد توجه قرار گرفته اند.از لحاظ مکانیکی نیز وقتی بر روی سطح سختی نصب گردند دارای دوام خوبی می باشند.همچنین با انتخاب اشکال مناسب می تواند مد انتشاری را تغییر داد. آنتن های میکرواستریپ دارای تنوع در فرکانس تشدید ، قطبش ، پترن و امپدانس می باشند. از معایب اصلی آنتن های میکرواستریپ می توان به بازدهی کم ، توان پایین ،Q بالا ،پهنای باند فرکانسی کم نام برد. البته در بعضی از کاربردها پهنای باند کم مطلوب می باشد.البته روش های همچون افزایش ضخامت لایه زیرین می توان بازدهی و پهنای باند را گسترش داد. البته این افزایش امواج سطحی که عاملی نامطلوب است را افزایش می دهد ، به دلیل آنکه توان امواج موجود در محیط را جذب می کند.امواج سطحی در سطح لایه حرکت می کنند و در خمیدگی ها و ناپیوستگی ها سطحی (بریدگی های دی الکتریک و سطح زمین) پراکنده می شوند و موجب کاهش پترن آنتن و مشخصات قطبش می گردد. امواج سطحی هنگامی که پهنای باند بزرگ باشد می تواند با استفاده از حفره ها (cavity)  حذف گردند.

مزایای مخابرات ماهواره ای

ارتباط از طریق ماهواره مزایا و معایبی دارد. تا ظهور ماهواره های مخابراتی، ارتباط از طریق فضا برای فواصل دور با استفاده از پخش کننده های دوباره رادیویی پشت سرهم، رادیوی فرکانس خیلی پایین (پایین تر از 30 کیلوهرتز) و رادیوی فرکانس بالا یا موج کوتاه انجام می شد (3-30 مگاهرتز) این دو مورد ذاتاً محیط هایی با ظرفیت پایین هستند که تنها برای کاربردهای خاص مناسبند و پخش کننده های دوباره ی رادیویی پشت سرهم توسط گستره های زمینی محدود می شوند. بنابراین ماهواره جاهای خالی عظیمی را پر کرده است بطوریکه توانایی ارسال با ظرفیت های بالایی را به فواصل دور بر روی خشکی یا آب دارا می باشد. همچنین به علت هندسه ی منحصر به فردش، محیط ارتباطات ماهواره ای ذاتاً یک محیط پخش با توانایی طبیعی جهت ارسال همزمان از یک نقطه به یک تعداد اختیاری از نقاط دیگر، در حوزه ی پوشش ماهواره می باشد.

برخی از مزایای شاخص ارتباطات ماهواره ای وقتی با دیگر سیستم های تک پخش کننده دوباره مقایسه می شود، به طور خود کار مشخص می گردند. اول این که پخش کننده های دوباره ی ماهواره ای  ذاتاً از نوع پخش در حوزه ی وسیع هستند یعنی یک نقطه به چند نقطه.درصورتی که تمام پخش کننده های دوباره ی زمینی، نقطه به نقطه هستند. دوم اینکه مدارهای ماهواره ای می توانند به سرعت نصب شوند. همین که ماهواره در موقعیت باشد، ایستگاه های زمینی می توانند نصب شوند و ممکن است ارتباط، ظرف چند روز یا چند ساعت برقرار گردد. بنابراین یک ایستگاه ممکن است به طور نسبتاً سریع از محلی جابجا شده و در جای دیگر دوباره نصب شود. مدارهای زمینی از هر نوع که باشند، زمانی را جهت نصب نیاز دارند. مزیت سوم اینست که ارتباطات سیار به راحتی توسط مخابرات ماهواره ای قابل حصول است و اصولا مخابرات ماهواره ای انعطاف پذیری منحصر به فردی در ارتباط بین وسایل نقلیه ی متحرک دارد. بنابراین ماهواره، یک جایگزین برای رادیوی موج کوتاه در این زمینه خاص شده و مزایای قابل اطمینان مهمی دارد(شبکه های زمینی ممکن است ارتباط بین وسایل نقلیه را توسط رادیوهای سلّولی برقرار کنند)

مخابرات ماهواره ای، دارای مزایای اقتصادی نیز می باشد. هزینه های ماهواره مستقل از فاصله هستند، درصورتی که هزینه های  شبکه های زمینی متناسب با فاصله اند. گذرگاه فاصله در جائیکه هزینه ها برابر باشند، به طور نسبی توسط ماهواره خیلی بهتر است. باوجود این، پس از پرتاب و در مدار قرارگرفتن ماهواره، هر گاه تعمیر نیاز باشد، تقریباً غیرممکن است و به علاوه تجهیزات ماهواره  در معرض فشارهای محیطی شدیدی هستند. در مقایسه با کابل فیبر نوری، ارتباطات ماهواره ای از نظر کیفیت سیگنال ارسالی برتری داشته و محل ایستگاه های ارسالی و دریافت اطلاعات، مستقل از فاصله هستند. همین که دو ایستگاه از نظر جغرافیایی در داخل حوزه ی پوشش تشعشع آنتن ماهواره قرارگیرند، آن دو ایستگاه ارسال اطلاعات با کیفیت یکسان خواهند داشت، خواه از هم 60 کیلومتر و یا 2000 کیلومتر فاصله داشته باشند. برای ارتباطات نواحی دور در دشت ها، که دارای مسیرهای باریک هستند و همین طور در نواحی کوهستانی، مخابرات ماهواره ای تنها راه با صرفه است. به طور مشابه، در فعالیت های جستجو، امداد و ناوبری، ماهواره ها مزایایی عرضه می کنند که هیچ سیستم دیگری نمی تواند عرضه کند.