منظومة الأقمار الصناعية والاتصالات .. التطورات والآفاق
بدأت الأجيال المبكرة من سلسلة أقمار إنتلسات باستخدام الصمّامات ذات الموجات المرتحلة (TWT) traveling wave tubes. للحصول على تضخيم القدرة المطلوب للإشارة المرسلة من القمر الاصطناعي، ثم ظهر بعد ذلك استخدام مضخات القدرة ذات الحالة الصلبة (الترانزستور) (SSPAs) Swlid State Power Amplifiers، إلا أن مضخات القدرة هذه كانت تعمل بنظام class A حيث لا يرتبط استهلاك القدرة الكهربائية بقدر الإشارة المضخمة، وبذلك فإن مردود efficiency هذه المضخات يصل إلى ذروته عند التشغيل عند حد التشبع Saturation.
والمعروف أن التشغيل عند حد التشبع، أو قريبا منه، يؤدي إلى تشويه الإشارة المرسلة، إلا أنه في التطبيقات التي يرسل فيها حامل موجي واحد Signal Carrier، مثل إرسال التلفزيون بتضمين التردد FM-TV، يمكن التغلب على هذا التشويه باستخدام مرشحات خرج Output filters. أما التطبيقات التي تستخدم فيها حوامل متعددة multiple carriers كما هي الحال في نظام الهواتف، فإن التشوهات الناتجة لا يمكن التغلب عليها بسهولة. ولذلك فإنه يجب في هذه الحالة تشغيل مضخم القدرة عند نقطة بعيدة عن حد التشبع بمقدار تدعيمي back off أو تشغيله في منطقة خطية، وذلك للحصول على مردود مقبول مع التخلص من تشويه الإشارة.
إن الموازنة بين المردود والتشغيل بقدرة مقبولة من تشويه الإشارة تمثل محور ارتكاز عند تصميم مضخمات القدرة. وإن العمل بمضخمات TWT يحقق مردودا يبلغ نحو 20% عند نسبة إشارة إلى تشويه C/I مقدارها 20 ديسيبل، بينما العمل بمضخمات قدرة صنعت حديثا في معامل COMSAT يمكن أن يحقق مردودا يبلغ 40% عند نفس النسبة C/I. وفي الواقع، فقد أمكن التوصل إلى مردود مساو 51% بمعامل COMSAT، لمضخم قدرة ذي ثلاث مراحل ويعطي 2 واط عند العمل في النطاق الترددي C .
وعلى جانب آخر، حرصت كبريات الشركات العالمية على تطوير إنتاجها من الصمّامات TWT ذات القدرة العالية اللازمة للإرسال التلفزيوني المباشر. وهدف التطوير هو زيادة القدرة مع تخفيض وزن الصمام وزيادة فترة عمره الافتراضي، والتطور الكبير الذي حدث في هذا المجال هو الانتقال من المضخمات TWT التي تستخدم التجاويف المقرونة coupled cavities إلى مضخمات تستخدم حلزونا helix لنقل الطاقة، وبذلك أمكن التطور من صمامات ذات قدرة 60 واط إلى صمامات قدرتها تصل إلى 280 واط. ويتميز المضخم ذو الحلزون بأنه أصغر وأخف وأرخص وذو نطاق المضخمات ذات القدرة العالية من النوع ذي الحلزون.
تطور تكنولوجيا الهوائيات في الأقمار الصناعية
في البداية كانت هوائيات الأقمار الاصطناعية بسيطة جدا ومكونة من مجموعة ثنائيات dipoles مرتبة رأسيا Vertical array وموازية لمحور دوران القمر حول نفسه. ولذلك كان من الضروري أن يكون النموذج الإشعاعي radiation pattern دائرياً أو لااتجاهياً Omnidirectional. ولما كان القمر يغطي من سطح الأرض زاوية مقدارها 5،17 درجة من موقعه في المدار الثابت، فقد كانت تفقد نسبة كبيرة من قدرة القمر، وتصل الإشارة إلى سطح الكرة الأرضية ضعيفة جدا، ولذلك يلزم لتحقيق الاتصال عبر القمر محطة أرضية كبيرة ذات هوائي 32 مترا. وقد كانت أقمار إنتلسات من الجيلين الأول والثاني التي أطلقت خلال الفترة ما بين عام 1965 إلى عام 1967 مزودة بهوائي بسيط من هذا النوع.
وللتغلب على مشكلة الفقد الكبير في طاقة قمر الاتصالات، فقد تم تطوير تصميم أقمار إنتلسات بحيث يدور الهوائي في اتجاه معاكس لدوران المركبة الفضائية حول نفسها وبنفس السرعة. بهذه الطريقة أمكن تثبيت موضع الهوائي بالنسبة لسطح الأرض، وأمكن استخدام هوائي مخروطي horn عرض حزمته الإشعاعية 5،17 درجة. وهكذا أمكن تركيز قدرة قمر الاتصالات في اتجاه سطح الأرض فقط، وأمكن لأول مرة تغطية الكرة الأرضية كلها بواسطة ثلاثة أقمار من هذا النوع.
وعلى الرغم من تركيز قدرة قمر الاتصالات على سطح الكرة الأرضية، إلا أنه كانت تفقد نسبة كبيرة من هذه القدرة في مياه المحيطات والبحار، وكان لابد من تطوير نظام هوائيات أقمار الاتصالات بحيث تسقط أشعة الهوائي في حزم مركزة spot beams على المناطق المطلوبة فقط. ولقد أمكن تحقيق ذلك بواسطة هوائيات الجيل الرابع من أقمار إنتلسات التي حملت هوائيين على شكل أطباق عاكسة مكافئية parabolic reflectors. وقد أمكن التحكم في أشعة هذه الهوائيات من الأرض لتوجيهها إلى المناطق التي تتطلب كثافة عالية من دوائر الاتصال.
وتشير الحسابات الهندسية إلى أن تطوير هوائيات أقمار الاتصالات وتحسين أدائها حقق لنظم أقمار الاتصالات مميزات كبيرة أكبر من أي مميزات أخرى أمكن تحقيقها بتطور باقي النظم الفرعية الأخرى لأقمار الاتصالات. ولذلك فقد اتجهت بحوث تطوير أقمار الاتصالات منذ أوائل سبعينات القرن الماضي نحو تصميم هوائيات تتشكل حزمها الإشعاعية بحيث تسقط على سطح الأرض مفصلة طبقا لحدود معينة.
وظهرت الهوائيات محددة الإشعاع shaped beams، وهي هوائيات تشمل عددا كبيرا من عناصر التغذية مرتبة في شكل صفيف array من العناصر التي يتم توزيع القدرة عليها ينسب مختلفة تؤدي إلى تشكيل الحزمة الإشعاعية المطلوبة. وفي نفس الوقت، حدث تطور كبير في تحسين أداء الهوائي نتيجة استخدام الهوائيات ذات العواكس التي توضع فيها عناصر التغذية خارج بؤرة العاكس.
ولم يقف التطوير عند حدود التغطية المشكلة طبقا لحدود منطقة معينة، بل بدأ في الفترة الأخيرة العمل على توسيع النطاق الترددي لعمل الهوائي بغرض استخدام هوائي واحد لكل من الإرسال والاستقبال، وذلك باستخدام عناصر تغذية ذات تعاريج corrigated feeds.
نظم الأقمار الاصطناعية للاتصالات والبث المباشر
أدى التطور التكنولوجي في هوائيات الأقمار الاصطناعية إلى ظهور عدد من نظم أقمار الاتصالات المختلفة.
ويمكن تقسيم هذه النظم حسب منطقة التغطية إلى ثلاثة نظم، هي:
1- أنظمة الاتصالات الدولية (بين دول العالم).
2- أنظمة الاتصالات الإقليمية (بين دول منطقة دولية محددة).
3- أنظمة الاتصالات المحلية (داخل دولة معينة).
وهناك علاقة بين مساحة منطقة الخدمة للقمر الاصطناعي وبين حجم المحطة الأرضية المناسبة للتعامل معه، فأقمار الاتصالات الدولية تتسع منطقة خدمتها لتشمل نحو ثلث الكرة الأرضية، وتصل إشارتها ضعيفة جدا. ولذلك تلزم محطة أرضية كبيرة للتعامل معها، ويتراوح قطر الهوائي فيها من 10 إلى 32 مترا. وأقمار الاتصالات الإقليمية تنحصر منطقة خدمتها داخل منطقة دولية محددة وتصل إشارتها بدرجة متوسطة. ولذلك تكفي محطة أرضية متوسطة للتعامل معها يتراوح قطر الهوائي فيها من مترين إلى 10 أمتار. أما أقمار الاتصالات المحلية، فتتركز حزمتها الإشعاعية داخل دولة محددة وتصل إشارتها قوية يمكن التقاطها بجهاز صغير ذي هوائي قطره يتراوح بين 75 سنتيمترا ومترين.
(1)- أنظمة الاتصالات الدولية:
منذ نحو ثلاثين عاما تحققت الاتصالات الدولية عبر الأقمار الاصطناعية عن طريق نظامين دوليين كبيرين، هما الإنتلسات INTELSAT والإنترسبوتنيك INTERSPUTNIK. ونعرض موجزاً لهما، كما نبين الخصائص الرئيسية لكل منهما.
الإنتلسات:
تكونت المؤسسة الدولية للاتصالات بالأقمار الاصطناعية إنتلسات عام 1964م وتتكون حاليا من 168 دولة تمتلك وتشغل نظام الإنتلسات الدولي يخدم العالم أجمع. ويستخدم النظام أساسا للاتصالات المحلية domestic systems. ويتكون نظام الإنتلسات حاليا من 58 قمرا في المدار المتزامن الثابت فوق المحيطات الأطلسي والهندي والباسفيكي ومن أكثر من 850 محطة أرضية. ويصل الإنتلسات بين أكثر من 172 دولة ومنطقة حول الكرة الأرضية.
الإنترسبوتنيك:
الإنترسبوتنيك مؤسسة دولية حكومية عضويتها مفتوحة لكل الدول، وقد وقعت اتفاقية تأسيسها في 15 تشرين الثاني- نوفمبر، وأصبحت سارية المفعول في 12 تموز- يوليو 1972، وسجلت في الأمم المتحدة. وقد كون نظام إنترسبوتنيك لتوفير وثائق ونظم تبادل برامج الإذاعة والتلفزيون، والمواصلات الهاتفية والبرقية والمعلومات الأخرى بين مختلف الدول. وقد صيغت الأسس القانونية والفنية لنظام إنترسبوتنيك في إطار التعاون بين الدول الاشتراكية (سابقا) لاستخدام الفضاء الخارجي للأغراض السلمية.
وقد اشترك في نظام إنترسبوتنيك حينذاك 12 دولة هي: الاتحاد السوفييتي (السابق)، وأفغانستان، وبلغاريا، وكوبا، وتشيكوسلوفاكيا، واليمن، وجمهورية ألمانيا الديمقراطية، وهنغاريا، ومنغوليا، وبولندا، ورومانيا، وفيتنام. ويعمل نظام إنترسبوتنيك في الوقت الحالي بإيجار الأقمار الروسية. ويشمل النظام قمرين في المدار الثابت في الموقعين 14 درجة شرقا (منطقة الأطلسي)، و53 درجة شرقا (منطقة المحيط الهندي)، وتستخدم وحدتي معيد إرسال transponder في كل قمر للمواصلات والبرقية ولتبادل برامج الراديو والتلفزيون. ويعمل حاليا في هذا النظام 23 محطة أرضية.
(2)- أنظمة الاتصالات الإقليمية:
أدى التطور الكبير في تكنولوجيا الاتصالات والهوائيات إلى إمكانية تصميم أنظمة للاتصالات الإقليمية توفر الاتصال بالأقمار الاصطناعية عن طريق محطات أرضية أصغر في الحجم، وبذلك يمكن زيادة عددها وانتشارها في المناطق النائية. وقد ظهر من هذه الأنظمة نظام عربسات ARABSAT ونظام يوتلسات.
عربسات:
بدأت فكرة إنشاء القمر الاصطناعي العربي عربسات في ستينات القرن الماضي أثناء اجتماع وزراء الإعلام العرب في بنزرت بتونس عام 1967 لاستخدامه في مجال الإعلام والتعليم للوصول إلى المناطق العربية النائية. إلا أن المشروع قد تغير اتجاهه بعد ذلك وتولاه وزراء المواصلات في الدول العربية. وقد أطلق قمران من أقمار عربسات: الأول في 28 شباط- فبراير 1985 وتبين بعد تشغيله أن به قناتين عاطلتين، وأطلق القمر الثاني في 17 حزيران- يونيو 1985 وبه 25 قناة قمرية وهي كلها صالحة للتشغيل الكامل، وكان العمر المتوقع لهذا القمر 7 سنوات، ويغطي المنطقة العربية كلها، ثم جرى تمديده عمره، وذلك بتشغيله في مدار مائل inclined orbit.
وتتوزع الأقنية القمرية لعربسات على النحو التالي:
- 11 قناة لخدمة الهاتف الإقليمي في النطاق C.
- 11 قناة للخدمات المحلية في النطاق C.
- قناتان لنقل برامج التلفزيون في النطاق C.
- قناة للتلفزيون الجماعي في النطاق S.
ويتم حاليا نقل البرامج والأخبار إلى محطة مركزية في تونس لتجميعها وتنسيقها، ثم إعادة إرسالها إلى المحطات الأرضية في الدول العربية المشتركة في النظام. وهناك اتجاه في عدد من الدول العربية لتحويل الشبكات المحلية في الدول المرتبطة بنظام إنتلسات إلى نظام عربسات. وهذه الشبكات توفر إمكانية توزيع قناة تلفزيونية داخل كل منها. وتشير التجارب المستفادة من تشغيل عربسات حتى الآن إلى أن الاستخدام الأمثل لنظام عربسات يجب أن يكون في مجال الشبكات المحلية لتوزيع برامج التلفزيون وفي إنشاء شبكة عربية للتلفزيون العربي.
(3)- أنظمة الاتصالات المحلية:
أقام عدد من الدول أنظمة للاتصالات المحلية منهما: كندا TELESAT، الولايات المتحدة GSTAR, SBS, WESTAR. COMSTAR, SATCOM اليابان CS-2، روسيا LOUTCH, STATIONAR, MOLYNA-3 فرنسا TELECOM-1 الهند INSAT، إندونيسيا PALAPA.
وكانت اليابان أول دولة تستخدم أقمار البث المباشر، وهي أقمار ذات قدرة عالية (BS-2) يمكن عن طريقها استقبال برامج التلفزيون مباشرة في المنازل بواسطة هوائيات صغيرة على شكل طبق. ويعمل القمر الياباني BS-2 منذ تموز- يوليو 1987، ويبث تسع أقنية تلفزيونية. أما البث المباشر فقد بدأ فعلا في أوروبا منذ أوائل 1988، فقد أطلقت ألمانيا الغربية قمرها TV-SAT في شباط- فبراير 1988، ولكن البث لم يتم بسبب عطل في أجهزة توليد الطاقة (وهو عدم فتح خلايا الطاقة الشمسية) أدى إلى عدم التمكن من فرد هوائيات الإرسال والاستقبال، وقد سويت تلك المشكلة بعد إطلاق القمر الثاني. وقد نجحت فرنسا في إطلاق قمرها TDF-1 للبث التلفزيوني المباشر في 27 تشرين الأول- أكتوبر 1988، كما أطلقت بريطانيا قمر BSB قبل نهاية 1989، وقمر إيطالي sarit -A-1 قبل نهاية عام 1990.
أقنية التلفزيون القمرية
تُستقبل الأقنية التلفزيونية القمرية بواسطة عدد من الأنظمة يمكن حصرها في ثلاثة نظم رئيسية وهي:
1- نظام البث المباشر direct broadcast system: في هذا النظام يقوم القمر الاصطناعي بعمل محطات الإرسال التلفزيوني الأرضية حيث يكون الإرسال موجها مباشرة إلى الجمهور.
2- نظام توزيع لعدد من النقط multipoint: في هذا النظام يقوم القمر بإرسال القنوات التلفزيونية إلى عدد من مراكز التوزيع، ثم تقوم هذه المراكز بإعادة بثها إما عن طريق محطات إرسال أو عن طريق كوابل أرضية.
3- نظام الإرسال مغلق الدارة closed circuit transmission: هذا النظام لا يستخدم لتوزيع البرامج إلى الجمهور، ولكن يستخدم لتبادل الأخبار والبرامج بين عدد من محطات التلفزيون، وتقوم هذه المحطات بإعادة صياغة المادة المرسلة والتعليق عليها ثم إرسالها إلى الجمهور.
وهذه النظم الثلاثة تستخدم خمسة من النطق الترددية المختلفة:
1 .النطاق الترددي فوق العالي (714 ميغاهرتز): استخدم التلفزيون السوفييتي (سابقا) هذا النطاق منذ سبعينات القرن الماضي للإرسال عن طريق القمر الاصطناعي EKran في الموقع 99 درجة شرقا الذي تشاهد برامجه في آسيا وشرق أفريقيا بواسطة هوائيات خاصة UHF ذات تردد فوق العالي وذات استقطاب دائري. وهذا القمر يستهدف أساسا الإرسال التلفزيوني إلى سيبيريا.
2. النطاق الترددي S (2540 -2655 ميغاهرتز): يبث كل من القمرين عربسات (19 درجة، 26 درجة شرقا) قناة غزيرة الإشعاع في هذا النطاق الترددي، وتغطي هذه القناة المنطقة العربية كلها.
3. النطاق الترددي C (3675- 4200 ميغاهرتز): تستخدم المؤسسات الدولية (إنتلسات، عربسات، إنترسبوتنك، وغيرها) هذا الحيز منذ أوائل سبعينات القرن الماضي لنقل الإشارات التلفزيونية إلى مناطق واسعة.
4. النطاق الترددي Ku (95،10 -75.12 جيغاهرتز): يستخدم هذا النطاق في نظم الإرسال المباشر والاتصالات من خلال الحزم المركزة، ويقسم إلى نطق فرعية حسب المناطق المختلفة في العالم.
5. النطق الترددية Ka (أعلى من 13 جيغاهرتز): يركز اهتمامه على استخدام الترددات حول 14 جيغاهرتز و 20 جيغاهرتز وينتظر استخدام هذه النطق بصفة منتظمة.
الأقنية القمرية في النطاق الترددي C
استخدم الاتحاد السوفييتي (السابق) النطاق الترددي C مبكرا كوسيلة لنقل أقنية التلفزيون بمردود عال إلى مراكز الإرسال التلفزيوني المنشأة في المناطق النائية. وتعتبر سلسلة غوريزونت Gorizont أكثر هذه الوسائل كفاءة، فكل منها مجهز ليشع حزمة مركزة ذات قدرة عالية 46-48 ديسيبل، وحزمتين شبه كرويتين hemispheric، وحزمتين أرضيتين global.
وينحصر إشعاع الحزمة المركزة داخل الاتحاد السوفييتي (السابق) ويمكن استقبالها بهوائي قطره حوالي 90 سنتيمترا. أما الحزم الأربع الأخرى فتغطي معظم أوروبا وآسيا، حيث يمكن التقاط البرنامج الأول للتلفزيون الروسي. كذلك يمكن مشاهدة البرنامج الثاني للتلفزيون الروسي في آسيا والشرق الأوسط. وهناك بعض أجزاء من أميركا الشمالية يمكنها مشاهدة البرنامج الثاني، وذلك من خلال سلسلة أقمار مولينا Molyna، وهي أقمار غير ثابتة تتحرك في مدار بيضاوي (غير ثابت) وتصل إلى وضع ساكن فوق كندا لمدة أربع ساعات يمكن في أثنائها استخدام قمر من أقمار مولينا لكافة أغراض الاتصالات، ومنها الخط الساخن المشهور بين موسكو وواشنطن، ويُستخدم عدد من هذه الأقمار في مواضع مختلفة بحيث يمكن تغطية منطقة الخدمة بصفة مستمرة.
أما في أميركا الشمالية، فإن تطور استخدام الأقنية القمرية التلفزيونية في هذا النطاق كان محدودا بالمقارنة بانتشار الأقنية الروسية، وذلك لأسباب تجارية. ذلك أن معظم الخدمات التلفزيونية في أميركا الشمالية تخطط على أساس تجاري، مما أدى إلى إنشاء عدد ضخم من محطات الإرسال الأرضية تبث عددا كبيرا جدا من الأقنية التلفزيونية كلها موجهة ومركزة في المناطق المزدحمة بالسكان. أما المناطق البعيدة ذات الكثافة السكانية المنخفضة فلم تجد اهتماما من الشركات التجارية التلفزيونية، إلا أن ظهور الأقمار الاصطناعية شجع بعض الشركات على نقل البرامج إلى هذه المناطق، ثم توزيعها بنظام الكوابل الأرضية إلى عدد محدود من المشتركين، أو إعادة بثها بمحطات إرسال صغيرة.
وعندما انتشرت هذه الأقنية التلفزيونية بين الجمهور، بدأت الشركات التلفزيونية في استخدام نظام البعثرة scrampling لتضمن الحصول على رسوم المشاهدة من الجمهور، ولمزيد من السيطرة على تحصيل الرسوم، فقد استخدم نظام آخر أكثر تعقيدا وهو التشفير cyphering. وهذا الموقف أدى إلى انتشار الأقنية القمرية داخل أميركا الشمالية. وهناك عدد كبير من الأنظمة الإقليمية تستخدم النطاق الترددي C لإذاعة أقنية إقليمية، مثل palapa الإندونيسي وInsat و Aussat الأسترالي،Arabsat العربي، Morelos المكسيكي،وBrasilsat البرازيلي.
وعلى الرغم من أن أقمار إنتلسات ذات قدرة منخفضة، إلا أن هنالك اتجاها متزايداً إلى استخدام أقنية النطاق C بأقمار إنتلسات لتغذية برامج منتظمة الى أوربا الغربية، مثل برامج القوات المسلحة الأمريكية AFRTS، والسينما التلفزيونية الأوربية MTV-Europ. وتقع أقمار إنتلسات الناقلة لهذه البرامج وغيرها فوق المحيطات الثلاثة، كما قدمنا، في المواقع 174درجة، 180 درجة شرقا فوق المحيط الباسفيكي، وفي المواقع 60 درجة، 63 درجة، 66 درجة شرقا فوق المحيط الهندي، وفي المواقع 1 درجة، 18.5درجة، 21.5 درجة، 24.5 درجة، 27.5 درجة، 31 درجة، 34.5 درجة، 53 درجة غربا فوق المحيط الأطلسي.
والملاحظ أن استقبال الأقنية التلفزيونية من أقمار إنتلسات يتطلب هوائيات كبيرة، إلا أنه مع تطور تكنولوجيا أجهزة الاستقبال فإنه من المتوقع استقبال أقنية إنتلسات في المستقبل القريب بهوائيات معقولة الحجم بالنسبة للجماهير.
الأقنية المرئية في النطاق الترددي KU
إن منطقة التغطية للأقنية القمرية في النطاق KU أقل بكثير من منطقة التغطية للأقنية القمرية في النطاق C ويستخدم نظام إنتلسات هوائيات ذات حزم مركزة لبث الأقنية في النطاق KU، ويتاح بكل قمر هوائيان يوجه أحدهما شرقا باستقطاب رأسي، ويوجه الآخر غربا باستقطاب أفقي، ويمكن توجيه كليهما الى منطقة معينه حسب الطلب، ولكن يثبت عادة كل هوائي لتغطية منطقة معينة كما هو مبين فيما يلي: بريطانيا ومعظم أوروبا تخدمها حزمة من الموقع 27.5 درجة غربا، ألمانيا تخدمها حزمة من الموقع 60.0 شرقا، تركيا وإيران تخدمهما حزمة من الموقع 66.0 شرقا، إيطاليا تخدمها حزمة الموقع 18.5 درجة غربا، أوروبا تخدمها حزمة من الموقع 34.5 درجة غربا.
ويتم الإرسال في هذه الحزم في النطاق ذي الترددات التي تتراوح بين 10.95 و 11.7 جيغاهرتز، وقد أمكن إعادة استخدام نفس التردد في مناطق مختلفة دون حدوث تداخل، وذلك نتيجة للفصل بين الأقنية عن طريق الاستقطاب المتعامد والحزم المنفصلة، والملاحظ أن استخدام الأقنية القمرية في النطاق Ku في تزايد مستمر سواء في نظم الاتصالات الدولية أو نظم الاتصالات الإقليمية مثل نظام القمر الأوربي والقمر أسترا الذي يوجه إرساله الى دول غرب أوروبا.
بدأت الأجيال المبكرة من سلسلة أقمار إنتلسات باستخدام الصمّامات ذات الموجات المرتحلة (TWT) traveling wave tubes. للحصول على تضخيم القدرة المطلوب للإشارة المرسلة من القمر الاصطناعي، ثم ظهر بعد ذلك استخدام مضخات القدرة ذات الحالة الصلبة (الترانزستور) (SSPAs) Swlid State Power Amplifiers، إلا أن مضخات القدرة هذه كانت تعمل بنظام class A حيث لا يرتبط استهلاك القدرة الكهربائية بقدر الإشارة المضخمة، وبذلك فإن مردود efficiency هذه المضخات يصل إلى ذروته عند التشغيل عند حد التشبع Saturation.
والمعروف أن التشغيل عند حد التشبع، أو قريبا منه، يؤدي إلى تشويه الإشارة المرسلة، إلا أنه في التطبيقات التي يرسل فيها حامل موجي واحد Signal Carrier، مثل إرسال التلفزيون بتضمين التردد FM-TV، يمكن التغلب على هذا التشويه باستخدام مرشحات خرج Output filters. أما التطبيقات التي تستخدم فيها حوامل متعددة multiple carriers كما هي الحال في نظام الهواتف، فإن التشوهات الناتجة لا يمكن التغلب عليها بسهولة. ولذلك فإنه يجب في هذه الحالة تشغيل مضخم القدرة عند نقطة بعيدة عن حد التشبع بمقدار تدعيمي back off أو تشغيله في منطقة خطية، وذلك للحصول على مردود مقبول مع التخلص من تشويه الإشارة.
إن الموازنة بين المردود والتشغيل بقدرة مقبولة من تشويه الإشارة تمثل محور ارتكاز عند تصميم مضخمات القدرة. وإن العمل بمضخمات TWT يحقق مردودا يبلغ نحو 20% عند نسبة إشارة إلى تشويه C/I مقدارها 20 ديسيبل، بينما العمل بمضخمات قدرة صنعت حديثا في معامل COMSAT يمكن أن يحقق مردودا يبلغ 40% عند نفس النسبة C/I. وفي الواقع، فقد أمكن التوصل إلى مردود مساو 51% بمعامل COMSAT، لمضخم قدرة ذي ثلاث مراحل ويعطي 2 واط عند العمل في النطاق الترددي C .
وعلى جانب آخر، حرصت كبريات الشركات العالمية على تطوير إنتاجها من الصمّامات TWT ذات القدرة العالية اللازمة للإرسال التلفزيوني المباشر. وهدف التطوير هو زيادة القدرة مع تخفيض وزن الصمام وزيادة فترة عمره الافتراضي، والتطور الكبير الذي حدث في هذا المجال هو الانتقال من المضخمات TWT التي تستخدم التجاويف المقرونة coupled cavities إلى مضخمات تستخدم حلزونا helix لنقل الطاقة، وبذلك أمكن التطور من صمامات ذات قدرة 60 واط إلى صمامات قدرتها تصل إلى 280 واط. ويتميز المضخم ذو الحلزون بأنه أصغر وأخف وأرخص وذو نطاق المضخمات ذات القدرة العالية من النوع ذي الحلزون.
تطور تكنولوجيا الهوائيات في الأقمار الصناعية
في البداية كانت هوائيات الأقمار الاصطناعية بسيطة جدا ومكونة من مجموعة ثنائيات dipoles مرتبة رأسيا Vertical array وموازية لمحور دوران القمر حول نفسه. ولذلك كان من الضروري أن يكون النموذج الإشعاعي radiation pattern دائرياً أو لااتجاهياً Omnidirectional. ولما كان القمر يغطي من سطح الأرض زاوية مقدارها 5،17 درجة من موقعه في المدار الثابت، فقد كانت تفقد نسبة كبيرة من قدرة القمر، وتصل الإشارة إلى سطح الكرة الأرضية ضعيفة جدا، ولذلك يلزم لتحقيق الاتصال عبر القمر محطة أرضية كبيرة ذات هوائي 32 مترا. وقد كانت أقمار إنتلسات من الجيلين الأول والثاني التي أطلقت خلال الفترة ما بين عام 1965 إلى عام 1967 مزودة بهوائي بسيط من هذا النوع.
وللتغلب على مشكلة الفقد الكبير في طاقة قمر الاتصالات، فقد تم تطوير تصميم أقمار إنتلسات بحيث يدور الهوائي في اتجاه معاكس لدوران المركبة الفضائية حول نفسها وبنفس السرعة. بهذه الطريقة أمكن تثبيت موضع الهوائي بالنسبة لسطح الأرض، وأمكن استخدام هوائي مخروطي horn عرض حزمته الإشعاعية 5،17 درجة. وهكذا أمكن تركيز قدرة قمر الاتصالات في اتجاه سطح الأرض فقط، وأمكن لأول مرة تغطية الكرة الأرضية كلها بواسطة ثلاثة أقمار من هذا النوع.
وعلى الرغم من تركيز قدرة قمر الاتصالات على سطح الكرة الأرضية، إلا أنه كانت تفقد نسبة كبيرة من هذه القدرة في مياه المحيطات والبحار، وكان لابد من تطوير نظام هوائيات أقمار الاتصالات بحيث تسقط أشعة الهوائي في حزم مركزة spot beams على المناطق المطلوبة فقط. ولقد أمكن تحقيق ذلك بواسطة هوائيات الجيل الرابع من أقمار إنتلسات التي حملت هوائيين على شكل أطباق عاكسة مكافئية parabolic reflectors. وقد أمكن التحكم في أشعة هذه الهوائيات من الأرض لتوجيهها إلى المناطق التي تتطلب كثافة عالية من دوائر الاتصال.
وتشير الحسابات الهندسية إلى أن تطوير هوائيات أقمار الاتصالات وتحسين أدائها حقق لنظم أقمار الاتصالات مميزات كبيرة أكبر من أي مميزات أخرى أمكن تحقيقها بتطور باقي النظم الفرعية الأخرى لأقمار الاتصالات. ولذلك فقد اتجهت بحوث تطوير أقمار الاتصالات منذ أوائل سبعينات القرن الماضي نحو تصميم هوائيات تتشكل حزمها الإشعاعية بحيث تسقط على سطح الأرض مفصلة طبقا لحدود معينة.
وظهرت الهوائيات محددة الإشعاع shaped beams، وهي هوائيات تشمل عددا كبيرا من عناصر التغذية مرتبة في شكل صفيف array من العناصر التي يتم توزيع القدرة عليها ينسب مختلفة تؤدي إلى تشكيل الحزمة الإشعاعية المطلوبة. وفي نفس الوقت، حدث تطور كبير في تحسين أداء الهوائي نتيجة استخدام الهوائيات ذات العواكس التي توضع فيها عناصر التغذية خارج بؤرة العاكس.
ولم يقف التطوير عند حدود التغطية المشكلة طبقا لحدود منطقة معينة، بل بدأ في الفترة الأخيرة العمل على توسيع النطاق الترددي لعمل الهوائي بغرض استخدام هوائي واحد لكل من الإرسال والاستقبال، وذلك باستخدام عناصر تغذية ذات تعاريج corrigated feeds.
نظم الأقمار الاصطناعية للاتصالات والبث المباشر
أدى التطور التكنولوجي في هوائيات الأقمار الاصطناعية إلى ظهور عدد من نظم أقمار الاتصالات المختلفة.
ويمكن تقسيم هذه النظم حسب منطقة التغطية إلى ثلاثة نظم، هي:
1- أنظمة الاتصالات الدولية (بين دول العالم).
2- أنظمة الاتصالات الإقليمية (بين دول منطقة دولية محددة).
3- أنظمة الاتصالات المحلية (داخل دولة معينة).
وهناك علاقة بين مساحة منطقة الخدمة للقمر الاصطناعي وبين حجم المحطة الأرضية المناسبة للتعامل معه، فأقمار الاتصالات الدولية تتسع منطقة خدمتها لتشمل نحو ثلث الكرة الأرضية، وتصل إشارتها ضعيفة جدا. ولذلك تلزم محطة أرضية كبيرة للتعامل معها، ويتراوح قطر الهوائي فيها من 10 إلى 32 مترا. وأقمار الاتصالات الإقليمية تنحصر منطقة خدمتها داخل منطقة دولية محددة وتصل إشارتها بدرجة متوسطة. ولذلك تكفي محطة أرضية متوسطة للتعامل معها يتراوح قطر الهوائي فيها من مترين إلى 10 أمتار. أما أقمار الاتصالات المحلية، فتتركز حزمتها الإشعاعية داخل دولة محددة وتصل إشارتها قوية يمكن التقاطها بجهاز صغير ذي هوائي قطره يتراوح بين 75 سنتيمترا ومترين.
(1)- أنظمة الاتصالات الدولية:
منذ نحو ثلاثين عاما تحققت الاتصالات الدولية عبر الأقمار الاصطناعية عن طريق نظامين دوليين كبيرين، هما الإنتلسات INTELSAT والإنترسبوتنيك INTERSPUTNIK. ونعرض موجزاً لهما، كما نبين الخصائص الرئيسية لكل منهما.
الإنتلسات:
تكونت المؤسسة الدولية للاتصالات بالأقمار الاصطناعية إنتلسات عام 1964م وتتكون حاليا من 168 دولة تمتلك وتشغل نظام الإنتلسات الدولي يخدم العالم أجمع. ويستخدم النظام أساسا للاتصالات المحلية domestic systems. ويتكون نظام الإنتلسات حاليا من 58 قمرا في المدار المتزامن الثابت فوق المحيطات الأطلسي والهندي والباسفيكي ومن أكثر من 850 محطة أرضية. ويصل الإنتلسات بين أكثر من 172 دولة ومنطقة حول الكرة الأرضية.
الإنترسبوتنيك:
الإنترسبوتنيك مؤسسة دولية حكومية عضويتها مفتوحة لكل الدول، وقد وقعت اتفاقية تأسيسها في 15 تشرين الثاني- نوفمبر، وأصبحت سارية المفعول في 12 تموز- يوليو 1972، وسجلت في الأمم المتحدة. وقد كون نظام إنترسبوتنيك لتوفير وثائق ونظم تبادل برامج الإذاعة والتلفزيون، والمواصلات الهاتفية والبرقية والمعلومات الأخرى بين مختلف الدول. وقد صيغت الأسس القانونية والفنية لنظام إنترسبوتنيك في إطار التعاون بين الدول الاشتراكية (سابقا) لاستخدام الفضاء الخارجي للأغراض السلمية.
وقد اشترك في نظام إنترسبوتنيك حينذاك 12 دولة هي: الاتحاد السوفييتي (السابق)، وأفغانستان، وبلغاريا، وكوبا، وتشيكوسلوفاكيا، واليمن، وجمهورية ألمانيا الديمقراطية، وهنغاريا، ومنغوليا، وبولندا، ورومانيا، وفيتنام. ويعمل نظام إنترسبوتنيك في الوقت الحالي بإيجار الأقمار الروسية. ويشمل النظام قمرين في المدار الثابت في الموقعين 14 درجة شرقا (منطقة الأطلسي)، و53 درجة شرقا (منطقة المحيط الهندي)، وتستخدم وحدتي معيد إرسال transponder في كل قمر للمواصلات والبرقية ولتبادل برامج الراديو والتلفزيون. ويعمل حاليا في هذا النظام 23 محطة أرضية.
(2)- أنظمة الاتصالات الإقليمية:
أدى التطور الكبير في تكنولوجيا الاتصالات والهوائيات إلى إمكانية تصميم أنظمة للاتصالات الإقليمية توفر الاتصال بالأقمار الاصطناعية عن طريق محطات أرضية أصغر في الحجم، وبذلك يمكن زيادة عددها وانتشارها في المناطق النائية. وقد ظهر من هذه الأنظمة نظام عربسات ARABSAT ونظام يوتلسات.
عربسات:
بدأت فكرة إنشاء القمر الاصطناعي العربي عربسات في ستينات القرن الماضي أثناء اجتماع وزراء الإعلام العرب في بنزرت بتونس عام 1967 لاستخدامه في مجال الإعلام والتعليم للوصول إلى المناطق العربية النائية. إلا أن المشروع قد تغير اتجاهه بعد ذلك وتولاه وزراء المواصلات في الدول العربية. وقد أطلق قمران من أقمار عربسات: الأول في 28 شباط- فبراير 1985 وتبين بعد تشغيله أن به قناتين عاطلتين، وأطلق القمر الثاني في 17 حزيران- يونيو 1985 وبه 25 قناة قمرية وهي كلها صالحة للتشغيل الكامل، وكان العمر المتوقع لهذا القمر 7 سنوات، ويغطي المنطقة العربية كلها، ثم جرى تمديده عمره، وذلك بتشغيله في مدار مائل inclined orbit.
وتتوزع الأقنية القمرية لعربسات على النحو التالي:
- 11 قناة لخدمة الهاتف الإقليمي في النطاق C.
- 11 قناة للخدمات المحلية في النطاق C.
- قناتان لنقل برامج التلفزيون في النطاق C.
- قناة للتلفزيون الجماعي في النطاق S.
ويتم حاليا نقل البرامج والأخبار إلى محطة مركزية في تونس لتجميعها وتنسيقها، ثم إعادة إرسالها إلى المحطات الأرضية في الدول العربية المشتركة في النظام. وهناك اتجاه في عدد من الدول العربية لتحويل الشبكات المحلية في الدول المرتبطة بنظام إنتلسات إلى نظام عربسات. وهذه الشبكات توفر إمكانية توزيع قناة تلفزيونية داخل كل منها. وتشير التجارب المستفادة من تشغيل عربسات حتى الآن إلى أن الاستخدام الأمثل لنظام عربسات يجب أن يكون في مجال الشبكات المحلية لتوزيع برامج التلفزيون وفي إنشاء شبكة عربية للتلفزيون العربي.
(3)- أنظمة الاتصالات المحلية:
أقام عدد من الدول أنظمة للاتصالات المحلية منهما: كندا TELESAT، الولايات المتحدة GSTAR, SBS, WESTAR. COMSTAR, SATCOM اليابان CS-2، روسيا LOUTCH, STATIONAR, MOLYNA-3 فرنسا TELECOM-1 الهند INSAT، إندونيسيا PALAPA.
وكانت اليابان أول دولة تستخدم أقمار البث المباشر، وهي أقمار ذات قدرة عالية (BS-2) يمكن عن طريقها استقبال برامج التلفزيون مباشرة في المنازل بواسطة هوائيات صغيرة على شكل طبق. ويعمل القمر الياباني BS-2 منذ تموز- يوليو 1987، ويبث تسع أقنية تلفزيونية. أما البث المباشر فقد بدأ فعلا في أوروبا منذ أوائل 1988، فقد أطلقت ألمانيا الغربية قمرها TV-SAT في شباط- فبراير 1988، ولكن البث لم يتم بسبب عطل في أجهزة توليد الطاقة (وهو عدم فتح خلايا الطاقة الشمسية) أدى إلى عدم التمكن من فرد هوائيات الإرسال والاستقبال، وقد سويت تلك المشكلة بعد إطلاق القمر الثاني. وقد نجحت فرنسا في إطلاق قمرها TDF-1 للبث التلفزيوني المباشر في 27 تشرين الأول- أكتوبر 1988، كما أطلقت بريطانيا قمر BSB قبل نهاية 1989، وقمر إيطالي sarit -A-1 قبل نهاية عام 1990.
أقنية التلفزيون القمرية
تُستقبل الأقنية التلفزيونية القمرية بواسطة عدد من الأنظمة يمكن حصرها في ثلاثة نظم رئيسية وهي:
1- نظام البث المباشر direct broadcast system: في هذا النظام يقوم القمر الاصطناعي بعمل محطات الإرسال التلفزيوني الأرضية حيث يكون الإرسال موجها مباشرة إلى الجمهور.
2- نظام توزيع لعدد من النقط multipoint: في هذا النظام يقوم القمر بإرسال القنوات التلفزيونية إلى عدد من مراكز التوزيع، ثم تقوم هذه المراكز بإعادة بثها إما عن طريق محطات إرسال أو عن طريق كوابل أرضية.
3- نظام الإرسال مغلق الدارة closed circuit transmission: هذا النظام لا يستخدم لتوزيع البرامج إلى الجمهور، ولكن يستخدم لتبادل الأخبار والبرامج بين عدد من محطات التلفزيون، وتقوم هذه المحطات بإعادة صياغة المادة المرسلة والتعليق عليها ثم إرسالها إلى الجمهور.
وهذه النظم الثلاثة تستخدم خمسة من النطق الترددية المختلفة:
1 .النطاق الترددي فوق العالي (714 ميغاهرتز): استخدم التلفزيون السوفييتي (سابقا) هذا النطاق منذ سبعينات القرن الماضي للإرسال عن طريق القمر الاصطناعي EKran في الموقع 99 درجة شرقا الذي تشاهد برامجه في آسيا وشرق أفريقيا بواسطة هوائيات خاصة UHF ذات تردد فوق العالي وذات استقطاب دائري. وهذا القمر يستهدف أساسا الإرسال التلفزيوني إلى سيبيريا.
2. النطاق الترددي S (2540 -2655 ميغاهرتز): يبث كل من القمرين عربسات (19 درجة، 26 درجة شرقا) قناة غزيرة الإشعاع في هذا النطاق الترددي، وتغطي هذه القناة المنطقة العربية كلها.
3. النطاق الترددي C (3675- 4200 ميغاهرتز): تستخدم المؤسسات الدولية (إنتلسات، عربسات، إنترسبوتنك، وغيرها) هذا الحيز منذ أوائل سبعينات القرن الماضي لنقل الإشارات التلفزيونية إلى مناطق واسعة.
4. النطاق الترددي Ku (95،10 -75.12 جيغاهرتز): يستخدم هذا النطاق في نظم الإرسال المباشر والاتصالات من خلال الحزم المركزة، ويقسم إلى نطق فرعية حسب المناطق المختلفة في العالم.
5. النطق الترددية Ka (أعلى من 13 جيغاهرتز): يركز اهتمامه على استخدام الترددات حول 14 جيغاهرتز و 20 جيغاهرتز وينتظر استخدام هذه النطق بصفة منتظمة.
الأقنية القمرية في النطاق الترددي C
استخدم الاتحاد السوفييتي (السابق) النطاق الترددي C مبكرا كوسيلة لنقل أقنية التلفزيون بمردود عال إلى مراكز الإرسال التلفزيوني المنشأة في المناطق النائية. وتعتبر سلسلة غوريزونت Gorizont أكثر هذه الوسائل كفاءة، فكل منها مجهز ليشع حزمة مركزة ذات قدرة عالية 46-48 ديسيبل، وحزمتين شبه كرويتين hemispheric، وحزمتين أرضيتين global.
وينحصر إشعاع الحزمة المركزة داخل الاتحاد السوفييتي (السابق) ويمكن استقبالها بهوائي قطره حوالي 90 سنتيمترا. أما الحزم الأربع الأخرى فتغطي معظم أوروبا وآسيا، حيث يمكن التقاط البرنامج الأول للتلفزيون الروسي. كذلك يمكن مشاهدة البرنامج الثاني للتلفزيون الروسي في آسيا والشرق الأوسط. وهناك بعض أجزاء من أميركا الشمالية يمكنها مشاهدة البرنامج الثاني، وذلك من خلال سلسلة أقمار مولينا Molyna، وهي أقمار غير ثابتة تتحرك في مدار بيضاوي (غير ثابت) وتصل إلى وضع ساكن فوق كندا لمدة أربع ساعات يمكن في أثنائها استخدام قمر من أقمار مولينا لكافة أغراض الاتصالات، ومنها الخط الساخن المشهور بين موسكو وواشنطن، ويُستخدم عدد من هذه الأقمار في مواضع مختلفة بحيث يمكن تغطية منطقة الخدمة بصفة مستمرة.
أما في أميركا الشمالية، فإن تطور استخدام الأقنية القمرية التلفزيونية في هذا النطاق كان محدودا بالمقارنة بانتشار الأقنية الروسية، وذلك لأسباب تجارية. ذلك أن معظم الخدمات التلفزيونية في أميركا الشمالية تخطط على أساس تجاري، مما أدى إلى إنشاء عدد ضخم من محطات الإرسال الأرضية تبث عددا كبيرا جدا من الأقنية التلفزيونية كلها موجهة ومركزة في المناطق المزدحمة بالسكان. أما المناطق البعيدة ذات الكثافة السكانية المنخفضة فلم تجد اهتماما من الشركات التجارية التلفزيونية، إلا أن ظهور الأقمار الاصطناعية شجع بعض الشركات على نقل البرامج إلى هذه المناطق، ثم توزيعها بنظام الكوابل الأرضية إلى عدد محدود من المشتركين، أو إعادة بثها بمحطات إرسال صغيرة.
وعندما انتشرت هذه الأقنية التلفزيونية بين الجمهور، بدأت الشركات التلفزيونية في استخدام نظام البعثرة scrampling لتضمن الحصول على رسوم المشاهدة من الجمهور، ولمزيد من السيطرة على تحصيل الرسوم، فقد استخدم نظام آخر أكثر تعقيدا وهو التشفير cyphering. وهذا الموقف أدى إلى انتشار الأقنية القمرية داخل أميركا الشمالية. وهناك عدد كبير من الأنظمة الإقليمية تستخدم النطاق الترددي C لإذاعة أقنية إقليمية، مثل palapa الإندونيسي وInsat و Aussat الأسترالي،Arabsat العربي، Morelos المكسيكي،وBrasilsat البرازيلي.
وعلى الرغم من أن أقمار إنتلسات ذات قدرة منخفضة، إلا أن هنالك اتجاها متزايداً إلى استخدام أقنية النطاق C بأقمار إنتلسات لتغذية برامج منتظمة الى أوربا الغربية، مثل برامج القوات المسلحة الأمريكية AFRTS، والسينما التلفزيونية الأوربية MTV-Europ. وتقع أقمار إنتلسات الناقلة لهذه البرامج وغيرها فوق المحيطات الثلاثة، كما قدمنا، في المواقع 174درجة، 180 درجة شرقا فوق المحيط الباسفيكي، وفي المواقع 60 درجة، 63 درجة، 66 درجة شرقا فوق المحيط الهندي، وفي المواقع 1 درجة، 18.5درجة، 21.5 درجة، 24.5 درجة، 27.5 درجة، 31 درجة، 34.5 درجة، 53 درجة غربا فوق المحيط الأطلسي.
والملاحظ أن استقبال الأقنية التلفزيونية من أقمار إنتلسات يتطلب هوائيات كبيرة، إلا أنه مع تطور تكنولوجيا أجهزة الاستقبال فإنه من المتوقع استقبال أقنية إنتلسات في المستقبل القريب بهوائيات معقولة الحجم بالنسبة للجماهير.
الأقنية المرئية في النطاق الترددي KU
إن منطقة التغطية للأقنية القمرية في النطاق KU أقل بكثير من منطقة التغطية للأقنية القمرية في النطاق C ويستخدم نظام إنتلسات هوائيات ذات حزم مركزة لبث الأقنية في النطاق KU، ويتاح بكل قمر هوائيان يوجه أحدهما شرقا باستقطاب رأسي، ويوجه الآخر غربا باستقطاب أفقي، ويمكن توجيه كليهما الى منطقة معينه حسب الطلب، ولكن يثبت عادة كل هوائي لتغطية منطقة معينة كما هو مبين فيما يلي: بريطانيا ومعظم أوروبا تخدمها حزمة من الموقع 27.5 درجة غربا، ألمانيا تخدمها حزمة من الموقع 60.0 شرقا، تركيا وإيران تخدمهما حزمة من الموقع 66.0 شرقا، إيطاليا تخدمها حزمة الموقع 18.5 درجة غربا، أوروبا تخدمها حزمة من الموقع 34.5 درجة غربا.
ويتم الإرسال في هذه الحزم في النطاق ذي الترددات التي تتراوح بين 10.95 و 11.7 جيغاهرتز، وقد أمكن إعادة استخدام نفس التردد في مناطق مختلفة دون حدوث تداخل، وذلك نتيجة للفصل بين الأقنية عن طريق الاستقطاب المتعامد والحزم المنفصلة، والملاحظ أن استخدام الأقنية القمرية في النطاق Ku في تزايد مستمر سواء في نظم الاتصالات الدولية أو نظم الاتصالات الإقليمية مثل نظام القمر الأوربي والقمر أسترا الذي يوجه إرساله الى دول غرب أوروبا.
