مقاله بررسی جامع ماهواره در 48 صفحه ورد قابل ویرایش

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.



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]

2. آقای شوو همکاران یک کنترلر PID مقاوم برای سیستم کنترل وضعیت ماهواره طراحی کرده اند. دراین کار ساختار کنترلر PID برای کنترل وضعیت استفاده شده است و از مفاهیم تئوری کنترل غیر خطی HOO برای مقاوم بودن سیستم نسبت به اغتشاشات وارد به سیستم ماهواره استفاده شده است. حسن این روش کنترل برروی مانور ماهواره حول زوایای بزرگ می باشد. اما استفاده از تئوری کنترل مقاوم و غیر خطی گرچه منجر به طراحی یک کنترلر با عملکرد مطلوبتر می شود ولی غالباً‌ طراحی و پیاده سازی چنین کنترلر هایی پیچیده و دشوار است. [12]

3. آقای تسیو تراس و همکاران مساله تنظیم را برای معادلات دینامیک سرعت زاویه‌ای برای یک جسم صلب چرخشی حل کردند و با حل این معادلات کنترل‌های خطی بهینه و زیر بهینه نتیجه شده است. ساختار کنترلرهای ساده بوده ولی عیب آن این است که کنترلی برروی زوایای وضعیت (زوایان اویلر) صورت نمی گیرد و کنترل تنها برروی سرعت زاویه ای (نرخ زوایای اویلر) انجام می گیرد. [13]

4. آقای لاوتون و همکاران برای مساله کنترل وضعیت یک کنترلر بهینه با حل معادلات همیلتون – جاکوبی – بلمن طراحی کرده اند استفاده از این روش سبب بهبود پاسخ کنترل و ساده شدن حل معادلات بهینه شده است. [14]

5. آقای پارک و همکاران مساله کنترل وضعیت سه محوره ماهواره رابررسی کرده و دراین کار عدم قطعیتهای ماتریس اینرسی سیستم را نیز لحاظ کرده اند. مزیت این روش ای است که ماهواره می توان حول زوایای بزرگ مانور انجام دهد. دراین کارگشتاورهای اغتشاشی وارد برماهواره لحاظ نشده است. [15]

6. آقای شو وهمکاران با استفاده از فیدبک حالت غیرخطی، کنترل وضعیت ماهواره را برای مانورهای بزرگ انجام داده اند و کنترلر طوری طراحی شده که سیستم نسبت به اغتشاشات وارد برماهواره مقاوم باشد. انجام مانور با زوایای بزرگ برای سیستم وضعیت باتوصیف دینامیکهای غیر خطی همواره بوده و کنترل آن نیز غیرخطی خواهد بود که مشکل پیاده سازی کنترل غیرخطی وجود دارد [16]

7. آقای باسالیس و همکاران مساله کنترل وضعیت ماهواره را با استفاده از روش تطبیقی بررسی کردند و قانون کنترل تطبیقی برای زوایایی کوچک طراحی شده است. گشتاور اغتشاشات حذف شده است. همچنین دراین کار تنها گشتاور آیرودینامیکی وارد بر ماهواره درنظر گرفته شده است و از بقیه گشتاورهای اغتشاشی صرفنظر شده است. پیاده سازی قانون کنترل دراین حالت ساده می باشد. تصحیح نکردن قانون کنترل درمقابل اغتشاشات موجب نامحدود شدن پارامترهای کنترل شده و سیستم کنترل تطبیقی دارای عملکرد نامطلوب خواهد بود. و از نظر عملی سبب می شود که انتگرال گیرها به حالت اشباع برسند [17]

8. آقای تابودا و همکاران برای کنترل وضعیت یک ماهواره خاص از کنترل فازی استفاده کرده اند. اما دراین حالت از عملگر موجود به صورت بهینه استفاده نشده و نتایج حاصله ازدقت خوبی برخوردار نبوده اند. زیرا عملگرهای مورد استفاده توانایی ایجاد گشتاور کنترلی لازم را دربازه خواسته شده توسط کنترل کننده فازی مربوطه دارا نبوند. [18]

9. آقای کری و همکاران با استفاده از کنترل لغزشی (Sliding control) پایداری سیستم ماهواره را درمقابل عدم قطعیت ها بررسی کرده اند. اگر چه الگوریتم ارائه شده باعث ایجاد عملکردی مناسب برای ماهواره بوده است اما این روش برای ماهواره های کوچک به دلیل توان مصرفی زیاد کاربرد ندارد. [19]

10.آقای نتو و همکاران به منظور کنترل وضعیت و برای بررسی پایداری ماهواره بابایاس اندازه حرکت زاویه ای از روش دوم لیاپانوف و با توجه به عدم قطعیت درماهواره واعمال اغتشاشات محدود از کنترل کننده تطبیقی استفاده کرده اند اما پایداری ماهواره با وجود کنترل کننده تطبیقی تضمین نشده است[20].

11.آقای تسوچیا و همکاران یک روش کنترلی نوع PI برای یک ماهواره با گشتاور دهنده های مغناطیسی ارائه کرده اند. عیب این روش درآن بود که فقط گشتاور دهنده های مغناطیسی بکارمی رفت. درنتیجه فقط برای کنترل وضعیت ماهواره های مدار پایین کاربرد داشت. بعلاوه قانون کنترل PI یک قانون کنترل خطی بود و لازم بود که دینامیک ماهواره درکلیه نقاط مسیر ماهواره خطی سازی شود وسپس این قوانین اعمال گردد. [21]

12.آقای هودگارت و همکاران برای کنترل وضعیت از الگوریتهای خاموش- روشن برای کنترل وضعیت یک ماهواره مدار پایین استفاده کرده اند. بکارگیری الگوریتهای ارائه شده، دقت سیستم کنترل وضعیت را به کمتر از رسانده ومصرف انرژی حداقل رابه دنبال خواهد داشت. اکثر ماهواره هایی که از قانون کنترلی خاموش –روشن استفاده می کنند از گشتاوردهنده های مغناطیسی به عنوان عملگر استفاده می کنند که درنتیجه درارتفاعات مداری بالا کاربرد چندانی ندارد. [22]