شرح الأقمار الصناعية
نظام اتصالات الأقمار الصناعية
تستخدم
الأقمار الصناعية في الاتصالات ونقل المعلومات حيث تمتاز بقدرتها على نقل
المعلومات إلى عدد كبير من أجهزة الاستقبال المنتشرة عبر مناطق جغرافية واسعة قد
يصعب ربطها بالأسلاك مثل الجزر والجبال وغيرها.
الأقمار
الصناعية للاتصالات هي محطات في الفضاء تعمل على تقوية الإشارات التي تصل إليها
وإعادة بثها بترددات مختلفة حتى لا تتداخل الأمواج المرسلة والمستقبلة. وكلما
ارتفع القمر الصناعي عن سطح الأرض، احتاج إلى طاقة أكبر لتوصيل المعلومات إلى
الأرض من جهة وزادت المساحة التي يغطيها على الأرض من جهة أخرى.
مم يتكون القمر الصناعي؟
يتكون كل
قمر صناعي من الأجزاء الآتية:
1. أجهزة استقبال: لاستقبال المعلومات من المحطة الأرضية أو
من الأقمار المجاورة.
2. أجهزة بث: تقوم بإرسال المعلومات إلى الأرض أو إلى
الأقمار الصناعية الأخرى وتعتمد قدرة البث على المسافة التي تفصل القمر الصناعي عن
جهة الاستقبال.
3. دارات
كهربائية ومعالجات: لمعالجة
المعلومات وتوصيلها من أجهزة الاستقبال إلى أجهزة البث.
4. مصدر للطاقة
الكهربائية: وذلك لتشغيل جميع هذه الدارات الكهربائية التي
بداخل القمر الصناعي.
أصناف وأنواع القمر الصناعي بحسب الارتفاع والموقع
تصنف الأقمار الصناعية إلى أربعة أنواع بحسب
ارتفاعها عن سطح الأرض وهي:
الأقمار الصناعية عالية الموقع، الأقمار
الصناعية ثابتة الموقع، الأقمار الصناعية متوسطة الموقع، الأقمار الصناعية منخفضة
الموقع.
الأقمار الصناعية عالية الموقع (HEO)
وهي الأقمار الصناعية التي تغادر مدار الأرض،
لتمر بجانب كواكب أخرى، بهدف تصويرها ودراستها عن قرب. كما أنها لا تعود إلى مدار
الأرض بتاتاً. وكثيراً منها ما يتم تدميره
بعد أداء مهمته، وذلك بسبب الظروف القاسية التي قد يتعرض اليها ذلك النوع من
الأقمار الصناعية أثناء رحلته عبر الفضاء. إذ أن هذا النوع من الستلايت مخصص لمهمة
واحدة، وهي جمع البيانات والمعلومات عن المنطقة التي يصل اليها وارسالها الى الأرض
لتحليلها.
الأقمار الصناعية ثابتة الموقع حول الأرض (GEO)
هي أعلى الأقمار الصناعية ارتفاعا تصل إلى
ارتفاع 35 ألف كم عن الأرض ويبدو للمشاهد بأن القمر لا يتغير مكانه بالنسبة للأرض
أي أن القمر يبقى فوق البقع الأرضية بشكل دائم وذلك لأنه يدور بنفس سرعة دوران
الأرض حول نفسها. ويغطي القمر الواحد حوالي 42% من مساحة الأرض أي أن ثلاثة أقمار
يمكن أن تغطي مساحة الكرة الأرضية.
وبإنشاء اتصال بين هذه الأقمار يمكن توصيل
معلومات بين أي نقطتين بالعالم من خلال هذه الأقمار الثلاثة. وفي الوقت الحالي
يدور حول الكرة الأرضية أكثر من مئة قمر صناعي ثابت الموقع.
الأقمار الصناعية متوسطة الموقع (MEO)
هي الأقمار الصناعية الواقعة بين حزاميّ
فان ألن وهي أحزمة مشحونة كهربائيا وترتفع هذه الأقمار بين 5 إلى 20 ألف كم عن
الأرض ومن أهم تطبيقات هذا النوع من الأقمار نظام التوقيع الكوني GPS
الذي يمكن استخدامه في تحديد مكان الأجسام على سطح الأرض.
الأقمار الصناعية منخفضة الموقع (LEO)
يكون ارتفاع هذه الأقمار أقل من ألف كم عن
سطح الأرض، ولها عدة تطبيقات في مجال الاتصالات من أشهرها نظام إرديوم Iridium الذي تألف من 66 قمراً
صناعياً منخفض المدار. تعمل على توصيل خدمة هاتف القمر الصناعي لأي مكان في العالم
بحيث يتصل الشخص من هاتفه المتنقل الخاص مع القمر الصناعي الذي يقوم بتوجيه الرسالة
إلى الطرف المقصود على الأرض.
ومن الأمثلة الأخرى نظام تليدسيك Teledesic ونظام الثريا اللذان يهدفان إلى توصيل خدمة
الانترنت عن طريق الأقمار الصناعية إلى أي نقطة في العالم.
أصناف وأنواع القمر الصناعي من حيث الأداء والوظيفة
الأقمار الفلكية الفضائية
وهي أقمار
خصصت لمراقبة تحركات الكواكب والنجوم والأجرام السماوية المختلفة والبحث العلمي
المتعلق بدراسة الفضاء ومراقبة الأرض وتحولاتها. وتقوم بدراسة وتحليل تركيب الفضاء
الخارجي وكمية انبعاث الاشعاعات من النجوم ودراسة الأبعاد والتوسع الكوني الذي
يحصل بين النجوم والمجرات وغيرها. ومن أشهر تلك الأقمار الصناعية التلسكوب هابل Hubble Space Telescope والذي تم اطلاقه في العام
1990 بهدف رؤية النجوم والأجرام السماوية عن كثب ووضوح تام من الفضاء الخارجي
وبالزاوية المطلوبة.
الأقمار المستخدمة للاتصالات والبث التلفزيوني
وهي أقمار
تم تخصيصها بهدف نقل المعلومات الاذاعية والبث التلفازي والاتصالات مثل الأنترنت
وغيرها. ومن الأمثلة عليها NileSat،
ArabSat، Amos، وغيرها.
أقمار مراقبة الأرض ودراسة الأحوال الجوية والطقس
القمر الصناعي
لمراقبة الطقس، هو نوع من الأقمار الصناعية التي تستخدم في المقام الأول لمراقبة الطقس
والمناخ للأرض والتنبؤات الجوية. يمكن أن تكون الأقمار الصناعية ذات مدارات قطبية،
تغطي الأرض بالكامل بشكل غير متزامن أو ثابت بالنسبة للأرض. تلك الأقمار تعد
الأكثر أهمية، إذ أنها تحذرنا من الفيضانات والأعاصير والارتفاع المفرط في درجات
الحرارة وسرعة الرياح وغيرها. ومن الأمثلة على تلك الأقمار الصناعية القمر الروسي Elektro-L No.1، القمر الياباني MTSAT-2، القمر الأوروبي Meteosat، والقمر الصيني Fengyun.
أقمار الملاحة الخاصة بنظام التوقيع الكوني GPS
وهي مجموعة من الأقمار الصناعية والتي تقوم
بالدوران حول الكرة الأرضية على ارتفاع 20000 كلم، وتدور حول الأرض بمعدل مرتين كل
يوم. يقوم نظام التوقيع الكوني بتقسيم الكرة الأرضية إلى أبعاد إحداثيات افقية
وعمودية وارتفاع. حيث يمكن أن تحدد أي نقطة في العالم على شكل إحداثيات سينية
وصادية وزينية عن طريق إرسال إشارات إلى عدد الأقمار الصناعية المشاركة في هذا النظام.
ويستخدم هذا النظام لأغراض عسكرية وفي الطيران والملاحة، ويسمح هذا النظام لأي شخص
أو جسم أن يحدد موقعه على الأرض. وبربط التطبيق بخرائط، يمكن معرفة خط السير
اللازم اتباعه للوصول من عنوان إلى آخر.
انتشرت أجهزة التوقيع الكوني بشكل كبير في
السيارات لتسهيل الوصول إلى الأماكن المقصودة، حيث يقوم الشخص بتحديد العنوان
المنوي الوصول إليه فيقوم النظام بحساب ورسم الطريق الذي يجب اتباعه مستعينا في
ذلك بأجهزة وبرمجيات خاصة تعتمد على خرائط جغرافية وقواعد بيانات تتضمن معلومات عن
حالة الطرق كل هذا مقابل رسم خدمة ما. ويمكن استخدام النظام التوقيع الكوني لمراقبة الأشخاص ومتابعتهم وتحديد إحداثيات
السيارات والسفن والطائرات وغيرها في أي وقت ومكان.
الأقمار المستكشفة والمستشعرة عن بعد
هي أقمار تستشعر
الحرارة عن بعد Remote
Sensing Satellites،
مثل حرارة باطن الأرض والتغيرات المفاجئة في درجات الحرارة، والتنبؤ بحدوث زلازل
أو براكين، ومراقبة درجات حرارة الأرض ومقارنتها بأوقات مختلفة. من أهم مهام تلك
الأقمار، الكشف عن وجود المواد المشعة المخصبة مثل اليورانيوم والبلوتونيوم المصدر
أو المهرب إلى البلاد الأخرى بهدف صنع قنبلة نووية أو تفجيرها أو حتى بيعها بهدف
التجارة بها.
الأقمار العسكرية المتقدمة
وهي أقمار خصصت لأهداف التجسس والمراقبة عن
كثب وعن قرب. إضافة إلى أن بعضها مجهز ومهيئ بأسلحة غير تقليدية ذات تكنولوجيا
عالية وفتاكة باستطاعتها أن تصيب الهدف من الفضاء. كما وأن هذا النوع من الأقمار
العسكرية تعتمد عليه الصواريخ عابرة القارات والطائرات من دون طيار في التحكم
البعيد وغيرها.
أسئلة وأجوبة عن الأقمار الصناعية
سؤال: من هو أول قمر صناعي ومتى تم
اطلاقه؟
جواب: تم إطلاق
أول قمر صناعي روسي عام 1957، سمي بالقمر سبوتنك 1 Sputnik.
سؤال: لماذا لا تسقط الأقمار الصناعية؟ وما هي سرعة دوران القمر الصناعي حول الأرض لبقائه في مداره؟
جواب: هنالك
عاملان أساسيان يعتمد عليهما ثبات موقع القمر في المدار؛ الأول هو ارتفاع القمر
الصناعي عن سطح الأرض، والثاني هو السرعة الملازمة لذلك الارتفاع. فإذا قلت سرعة
القمر الصناعي سقط إلى سطح الأرض، أما إذا زاد القمر الصناعي من سرعته خرج عن
مداره إلى مدار أعلى، أو غادر كلياً المدارات حول الكرة الأرضية لينطلق إلى الفضاء
الواسع. فمثلاً، إذا كان بعد الساتلايت عن سطح الأرض 200 كلم، فيجب أن تكون سرعته
الأفقية في المدار 7700 متر / ثانية ليحافظ على ذلك المدار.
سؤال: كيف تقوم الأقمار الصناعية بنقل المعلومات؟
جواب: يتم نقل
المعلومات من الأقمار الصناعية إلى الأرض وبالعكس لاسلكياً عن طريق الأمواج
الكهرومغناطيسية بترددات معينة ومختلفة.
سؤال: ما هو المبدأ الفيزيائي الذي
يعمل عليه القمر الصناعي؟
جواب: يرتكز مبدأ عمل حركة ومسار القمر الصناعي
على مبدأ فيزيائي يسمى بمبدأ مدفع نيوتن. حيث يشير هذا المبدأ إلى أن الجسم
المقذوف من نقطة ما مرتفعة عن سطح الأرض، ستسقط سقوطا حرا حول الكرة الأرضية عند
قذفها بسرعة معينة مع المحافظة على تلك السرعة. والشكل التالي يوضح المبدأ:
سؤال: ما هي سرعة الإفلات؟
جواب: هي
السرعة التي يجب أن ينطلق بها الجسم بعكس اتجاه الجاذبية الأرضية كي يستطيع التخلص
منها والتحرر إلى الفضاء الخارجي، وهي تكافئ 11 كم / ثانية.
سؤال: لماذا لا نرى الأقمار الاصطناعية
بأعيننا؟
جواب: الأقمار
الصناعية أقمار معتمة بطبيعتها، كما وأن ارتفاعها الشاهق يجعلها غير مرئي للناظر
من سطح الأرض. لكن إذا تم اضاءة جميع أطراف القمر الصناعي ليلا، فإن بالإمكان ملاحظته
ولو قليلا حتى بدون مساعدة المنظار أو التلسكوب.
سؤال: كم عدد الأقمار الصناعية التي تدور حول الأرض؟
جواب: وفقاً لمؤشر الأجسام المطلقة في الفضاء الخارجي،
والذي يحتفظ به مكتب الأمم المتحدة لشؤون الفضاء الخارجي (UNOOSA)، كان هناك 4987 قمراً صناعياً تدور حول الكوكب
في بداية العام؛ بزيادة قدرها 2.68 ٪ مقارنة بنهاية أبريل 2018.
سؤال: لماذا لا تصطدم الأقمار الصناعية
مع بعضها البعض؟
جواب: قد تتصادم الأقمار الصناعية عند عدم
وجود تنسيق بين مداراتها. لذلك عند إطلاق أي قمر صناعي يتم اعطاءه مداراً
مستقلاً عن الأقمار الأخرى والتي تدور حول الأرض. ويتم ذلك عن طريق الاتفاق والتعاقد
مع إحدى الشركات الفضائية المتخصصة في ذلك.
سؤال: ما أصل الكلمة الإنجليزية ساتلايت
Satellite؟
جواب: تم اشتقاق
الكلمة ساتلايت من الكلمة العربية ساتل، والتي تعني تابع إلى، فالقمر ساتل إلى الأرض
أي يتبعها ويدور حولها، وجمع كلمة ساتل هي سواتل أي متتابعين واحداً وراء الآخر.
ثم دخلت اللغات الأخرى لتصبح بالإنجليزية Satellite.
سؤال: ما هو مصدر الطاقة الكهربائية الذي
يعمل عليه القمر الصناعي؟
جواب: يعمل
القمر الصناعي على مصدر الطاقة الشمسية التي يتم امتصاصها وتحويلها إلى طاقة
كهربائية عن طريق أنواع مختلفة من الخلايا الشمسية المستخدمة ليتم تخزينها في
البطاريات. عادة ما تكون أكثر الخلايا الشمسية كفاءة في الإنتاج حالياً هي الخلايا
الكهروضوئية متعددة الوصلات. حيث تستخدم هذه الخلايا مزيجاً من عدة طبقات من زرنيخيد
الغاليوم gallium
arsenide
وفوسفيد الإنديوم الغاليوم indium gallium phosphide والجرمانيوم germanium
للحصول على مزيد من الطاقة من الطيف الشمسي.
سؤال: ما هو اختصار الرموز HEO، GEO، MEO، LEO، GPS؟
جواب: في الجدول التالي توضيح لكل معنى من الرموز
التي في السؤال
|
الاختصار
|
معنى
الاختصار بالكلمات
|
|
HEO
|
High
Earth Orbit
|
|
GEO
|
Geostationary
Earth Orbit
|
|
MEO
|
Medium
Earth Orbit
|
|
LEO
|
Low
Earth Orbit
|
|
GPS
|
Global
Positioning System
|