مقاله بررسی جامع ماهواره

دسته بندي : فنی و مهندسی » کامپیوتر و IT
مقاله بررسي جامع ماهواره در 48 صفحه ورد قابل ويرايش

ماهواره:

با پرتاب ماهواره اسپاتنيك (Sputnik) در سال 1957 ميلادي عصر تسخير مدارهاي آسماني توسط انسان آغاز گرديد. اولين ماهواره توسط شوروي سابق پرتاب گرديد. اين ماهواره همانند يك توپ نقره اي بود و كمتر از يك فوت اندازه داشت همچنين داراي آنتهايي بود كه صداي بيپ بيپ را به زمين مخابره مي كرد تا ما متوجه شويم كه آنها اولين ها در فضا هستند. ولي به فاصله بسيار اندكي بعد از آن ماهواره معروف اكسپلورر – 1 (Explorer-1) توسط آمريكا به فضا پرتاب گرديد. رقابت اين دو كشور موجب گرديدند تا تعداد ماهواره هاي پرتاب شده به شدت افزايش يابند. به تدريج كشورهاي ديگر نيز با كمك دوابر قدرت جهاني موفق به ساخت و پرتاب ماهواره گردند. هم اكنون بالغ بر پنج هزار ماهواره حول زمين در حال گردش هستند و مأموريتهاي مختلفي را انجام مي دهند.

ما همه نوع اطلاعات از ماهواره كسب مي‌كنيم بعضي از مواردي كه براي دستيابي به ‌آنها از ماهواره ها استفاده مي‌كنيم عبارتند از:

- اطلاعات هواشناسي مانند بارش باران، برف، ابر بودن هوا، درجه حرارت.

- اطلاعات اقيانوسها مانند دماي آنها، امواج، موقعيت كوههاي يخي شناور.

- اطلاعات ديگر مانند لايه اوزن و تأثير خورشيد بر روي زمينه مغناطيسي كرة زمين.

- اطلاعات جاسوسي و عكسبرداري از مناطق مختلف كره زمين.

هر ماهواره با توجه به تجهيزات و پيشرفتگي آن داراي عمري محدود مي با شد. ماهواره هايي كه در مدار پايين جو زمين (LEO) حدوداً چند صد كيلومتر بالاتر از زمين حركت مي‌كنند ممكن است به طور اتفاقي به داخل جو زمين كشيده شوند وسپس بسوزند.

ماهواره هايي كه در قسمت بالاتر قرار دارند ممكن است براي مدت زيادي در آنجا قرار گيرند. فضاپيماهايي مانند ويجر 1و2 كه به قسمت خارج منظومه شمسي فرستاده شده اند، هنوز درحال حركت و جلو رفتن هستند. آنها مظومه شمسي را ترك نكرده اند اما زماني كه اين كار را بكنند به رفتنشان ادامه خواهند داد. چيز زيادي بيرون بين ستارگان وجود ندارد. سرما و تاريكي در آنجا حكمفرماست. انرژي آنها تمام خواهد شد. اما بر روي هر فضا پيمايي يك پلاك به همراه علائم و تصاويري قرار داده شده است.

بنابراين اگر شخصي در آنجا آنها را پيدا كند فضا پيماها داراي نقشه اي هستند كه آن اشخاص بتوانند بيايند و ما را پيدا كنند. هر چند شانس خيلي كمي وجود دارد كه شخصي آنها را پيدا كند.

علاوه بر اين، كشور روسيه تا جايي پيش رفته است كه به پرتاب ماهوارة حامل موجودات زنده به فضا اقدام كرده است. يك موشك روسي ماهواره تحقيقاتي حامل موجودات زنده را براي انجام آزمايشات علمي در يك مأموريت دو هفته اي به مدار فرستاد. ماهوارة Photon حامل موجودات زنده اي چون عقرب، خرچنگ، سمندر آبي و مارمولك مي باشد كه به فضا پرتاب شده و پس از پايان دو هفته مأموريت به زمين باز خواهد گشت. اين ماهواره توسط يك موشك «سايوز» از پايگاه بايكونور در قزاقستان پرتاب شد.

كشور عزيز ما ايران نيز از قافله عقب نماند، و نخستين ماهواره ايران به كمك روسيه از پايگاه روسي پلستسك به مدار زمين فرستاده شد.

ماهوارة سينا يكي از چهار مسافر موشك كاسموس 3 روسيه بود كه به فضا فرستاده شده و در ارتفاع 700 كيلومتري از سطح زمين در مدار معين خود قرار گرفت. روسيه، چين، بريتانيا نيز ماهواره خود را همسفر سينا – 1 كرده بودند. ساخت اين ماهواره 32 ماه به طول انجاميد. اين ماهواره تحقيقاتي و داراي سيستمي مخابراتي و دو دوربين است كه با دقت 250 و 50 متر از منابع طبيعي و محصولات كشاورزي تصوير مي گيرد. همچنين بعد از حوادث طبيعي نظير زلزله مي توان از اين ماهواره براي تسهيل عمليات امداد كمك گرفت. وزن تقريبي اين ماهواره 170 كيلو گرم است.

ايران اكنون چهل و سومين كشوري است كه در فضا ماهواره دارد. ماهوارة مصباح نيز در شرف تكميل شدن و پرتاب قرار دارد. اين ماهواره نيز توسط سازمان فضايي روسيه در مدار قرار مي گيرد. كاربرد ماهوارة مصباح، ذخيره و ارسال اطلاعات است كه كار آن اتصال بين ايستگاه هاي زميني به صورت ذخيره و ارسال، تشخيص منابع و معادن، هواشناسي و كنترل ها سامانه هاي انتقال برق،‌ نفت و گاز است. ارتفاع ماهوارة مذكور 1000 كيلومتر است. در مدار ارتفاع پايين (LEO) قرار مي‌گيرد. وزن آن 75 كيلوگرم و اندازه اش 80*50*50 سانتيمتر مي باشد كه مي توان اين ماهواره را در زمرة ميكرو ماهواره ها قرار داد. تعداد دور آن در شبانه روز 14 دور خواهد بود و 45 دقيقه مي توان آنرا در شبانه روز رويت كرد. طول عمر مفيد اين ماهواره 3 سال است. علاوه بر اين ماهواره: زهر نيز كه يك ماهوارة ملي است در شرف پرتاب قرار دارد.

ماهواره يك سيستم مخابراتي، التكريكي و مكانيكي و ... است. اگرچه عمده ترين وظيفه يك ماهواره دريافت و ارسال اطلاعات از و به ايستگاه زمين است. ولي در اين بين مجموعه هاي ديگري نيز فعاليت مي كنند كه عملكرد صحيح مخابراتي ماهواره وابسته به صحت و كاربرد آنها نيز مي باشد.

ماهواره ها با توجه به نوع مأموريتي كه انجام مي دهند بر اساس پارامترهاي مختلف به انواع گوناگون دسته بندي مي گردند.

تقسيم بندي ماهواره ها را مي توان به گونه هاي زير نام برد:

1- تقسيم بندي بر اساس وزن

2- تقسيم بندي بر اساس مأموريت

3- تقسيم بندي بر اساس مدار حركت

در نوع اول از تقسيم بندي ماهواره ها به انواع زير تقسيم مي شوند.

1- ماهواره هاي بزرگ

2- ماهواره هاي متوسط

3- ماهواره هاي كوچك (Mini)

4- ماهواره هاي ريز (Micro)

5- ماهواره هاي ريزتر (nano)

6- ماهواره هاي خيلي ريز (Pico)


بيش از 1000 كيلوگرم

بين 500 تا 1000 كيلوگرم

بين 100 تا 500 كيلوگرم

بين 10 تا 100 كيلوگرم

كمتر از 10كيلوگرم

كمتر از 1 كيلوگرم

درنوع دوم از تقسيم بندي، ماهواره ها به ماهواره هاي ناوبري و هدايت، نقشه برداري، تصويري، هواشناسي، تجسسي و چند منظوره كه هر كدام عمليات خاصي را انجام مي دهند تقسيم مي گردند.

در نوع سوم از دسته بندي، مدار ماهواره ها گوناگون مي باشد كه چند نمونه از آنها مدار ژئو سنكرون، مدار كوتاه يا مدار پايين (LEO) و ... مي باشد.

فلسفه اصلي ظهور و توسعه ماهواره هاي كوچك، راهي براي كاهش هزينه روز افزون ماموريتهاي فضايي و بر چند دليل عمده متكي است. اولين دليل كوچك سازي در صنايع الكترونيك است.

با دقت در روند تكامل محصولات الكترونيكي بويژه در سيستمهاي فضايي مي توان پي برد كه اينگونه محصولات روز به روز كوچكتر، كاراتر و ارزانتر شده اند. امروزه حتي كامپيوتر وحافظه هاي غير فضايي تواناتر از سيستمهاي فضايي گذشته مي‌باشند. دومين عامل ظهور پرتاب كننده هاي كوچك است. كشورهاي داراي تكنولوژي پرتاب از پرتاب كننده هاي كوچك حمايت مي‌كنند. به عنوان مثال روسيه موشكهاي فضايي خود را به منظور بكارگيري، جهت پرتاب ماهواره هاي كوچك اصلاح كرده است. حتي روسيه طرحي فراتر براي موشكهاي نظامي خود نيز ارائه كرده است. دانشمندان فضايي روسيه طرحي را پيشنهاد كرده اند كه بر اساس آن ماهواره هاي كوچك با استفاده از يك موشك جامد سوز كه در زير بال هواپيماي ميگ نصب مي شود راهي مدار گردند. اين موشك ايشيم نام دارد و درحال حاضر يك گروه از دانشمندان روس و قزاق بر روي اجرايي كردن طرح مذكور فعاليت دارند. مكانيزم كار به اين صورت خواهد بود كه هواپيماي ميگ – 31 محموله
(شامل موشك بالابرنده و ماهواره ) را به ارتفاعي در حدود 25 تا 30 هزار متر مي‌رساند و سپس آنر ارها مي سازد و سپس موشك ايشيم به طور مستقل ماهوارة 16 كيلوگرمي را به مداري در حدود 200 كيلومتري خواهد رساند. از ويژگيهاي آن اين است كه به تنها از امنيت بيشتري نسبت به موشكهاي مايع سوز فعلي برخودار است بلكه به لحاظ عدم آلودگي محيط زيست نيز از آنها پيشي مي گيرد. عامل سوم اين است كه به دليل ساده تر بودن خطر پذيري كمتر و هزينه پايينتر بكارگيري ماهواره هاي كوچك در مدار پايين تمايل كشورهاي در حال توسعه به پا نهادن در اين عرصه افزايش چشمگيري يافته است. اگر چه عملكرد ماهواره هاي كوچك در تمام جنبه ها نمي تواند حريف ماهواره هاي بزرگ شود ولي از آنجايي كه در تمام مراحل ساخت و طراحي تحت كنترل مستقيم كشور مربوط قرار دارند از اهميت بالايي برخوردار مي‌باشند.



تاريخچه شناسايي و كنترل وضعيت ماهواره :

براي آنكه ماهواره ها بتوانند مأموريتشان را به درستي انجام دهند و اهداف مورد نظر را برآورده كنند لازم است كه وضعيتشان (جهتشان) درفضا كنترل شود. دربررسي كنترل وضعيت ماهواره نخستين پرسشي كه پيش مي آيد شناسايي وضعيت ماهواره و چگونگي صحت و يا عدم صحت اطلاعات درمورد حالت كنوني آن است تا بتوان درقدم بعدي به تصحيح آن از طريق اعمال كنترل پرداخت. بهمين علت دقت عملكرد زيرسيستم شناسايي وضعيت از اهميت ويژه اي برخوردار است. علاوه بر آن يكي از مهمترين زير سيستمها نيز سيستم كنترل وضعيت است كه وظيفه جهت دهي و نگهداشتن جهت ماهواره را برعهده دارد. درواقع سيستم كنترل وضعيت ماهواره به كمك عملكردها و قوانين كنترل، جهت ماهواره را كنترل و آنرا پايداري مي نمايد. با توجه به مأموريت ماهواره از عملگر ها و قوانين كنترل متفاوت استفاده مي شود.

مسأله شناسايي و كنترل وضعيت ماهواره توسط بسياري از محققين مورد بررسي قرارگرفته است. كه هريك از اين تحقيقات داراي نقاط قوت و ضعفي است.

1. آقاي فن و همكاران به مسئله كنترل وضعيت با استفاده از كنترلر PD پرداخته است دراين كار براي بهبود دقت سمت يابي ماهواره هاي كوچك از يك چرخ ممنتومي (MW) واقع در محور Pitch ماهواره و ميله هاي مغناطيسي سه محور به عنوان عملگرهاي ماهواره براي توليد گشتاور كنترلي استفاده شده است. اين طراحي براي ماهواره هاي كوچك كه در مدار LEO هستند، طراحي شده است. زيرا ميله هاي مغناطيسي تنها مي توانند درمدارات LEO كاربرد داشته باشند. ولي اين عيب همين روش است . [11]

2. آقاي شوو همكاران يك كنترلر PID مقاوم براي سيستم كنترل وضعيت ماهواره طراحي كرده اند. دراين كار ساختار كنترلر PID براي كنترل وضعيت استفاده شده است و از مفاهيم تئوري كنترل غير خطي HOO براي مقاوم بودن سيستم نسبت به اغتشاشات وارد به سيستم ماهواره استفاده شده است. حسن اين روش كنترل برروي مانور ماهواره حول زواياي بزرگ مي باشد. اما استفاده از تئوري كنترل مقاوم و غير خطي گرچه منجر به طراحي يك كنترلر با عملكرد مطلوبتر مي شود ولي غالباً‌ طراحي و پياده سازي چنين كنترلر هايي پيچيده و دشوار است. [12]

3. آقاي تسيو تراس و همكاران مساله تنظيم را براي معادلات ديناميك سرعت زاويه‌اي براي يك جسم صلب چرخشي حل كردند و با حل اين معادلات كنترل‌هاي خطي بهينه و زير بهينه نتيجه شده است. ساختار كنترلرهاي ساده بوده ولي عيب آن اين است كه كنترلي برروي زواياي وضعيت (زوايان اويلر) صورت نمي گيرد و كنترل تنها برروي سرعت زاويه اي (نرخ زواياي اويلر) انجام مي گيرد. [13]

4. آقاي لاوتون و همكاران براي مساله كنترل وضعيت يك كنترلر بهينه با حل معادلات هميلتون – جاكوبي – بلمن طراحي كرده اند استفاده از اين روش سبب بهبود پاسخ كنترل و ساده شدن حل معادلات بهينه شده است. [14]

5. آقاي پارك و همكاران مساله كنترل وضعيت سه محوره ماهواره رابررسي كرده و دراين كار عدم قطعيتهاي ماتريس اينرسي سيستم را نيز لحاظ كرده اند. مزيت اين روش اي است كه ماهواره مي توان حول زواياي بزرگ مانور انجام دهد. دراين كارگشتاورهاي اغتشاشي وارد برماهواره لحاظ نشده است. [15]

6. آقاي شو وهمكاران با استفاده از فيدبك حالت غيرخطي، كنترل وضعيت ماهواره را براي مانورهاي بزرگ انجام داده اند و كنترلر طوري طراحي شده كه سيستم نسبت به اغتشاشات وارد برماهواره مقاوم باشد. انجام مانور با زواياي بزرگ براي سيستم وضعيت باتوصيف ديناميكهاي غير خطي همواره بوده و كنترل آن نيز غيرخطي خواهد بود كه مشكل پياده سازي كنترل غيرخطي وجود دارد [16]

7. آقاي باساليس و همكاران مساله كنترل وضعيت ماهواره را با استفاده از روش تطبيقي بررسي كردند و قانون كنترل تطبيقي براي زوايايي كوچك طراحي شده است. گشتاور اغتشاشات حذف شده است. همچنين دراين كار تنها گشتاور آيروديناميكي وارد بر ماهواره درنظر گرفته شده است و از بقيه گشتاورهاي اغتشاشي صرفنظر شده است. پياده سازي قانون كنترل دراين حالت ساده مي باشد. تصحيح نكردن قانون كنترل درمقابل اغتشاشات موجب نامحدود شدن پارامترهاي كنترل شده و سيستم كنترل تطبيقي داراي عملكرد نامطلوب خواهد بود. و از نظر عملي سبب مي شود كه انتگرال گيرها به حالت اشباع برسند [17]

8. آقاي تابودا و همكاران براي كنترل وضعيت يك ماهواره خاص از كنترل فازي استفاده كرده اند. اما دراين حالت از عملگر موجود به صورت بهينه استفاده نشده و نتايج حاصله ازدقت خوبي برخوردار نبوده اند. زيرا عملگرهاي مورد استفاده توانايي ايجاد گشتاور كنترلي لازم را دربازه خواسته شده توسط كنترل كننده فازي مربوطه دارا نبوند. [18]

9. آقاي كري و همكاران با استفاده از كنترل لغزشي (Sliding control) پايداري سيستم ماهواره را درمقابل عدم قطعيت ها بررسي كرده اند. اگر چه الگوريتم ارائه شده باعث ايجاد عملكردي مناسب براي ماهواره بوده است اما اين روش براي ماهواره هاي كوچك به دليل توان مصرفي زياد كاربرد ندارد. [19]

10.آقاي نتو و همكاران به منظور كنترل وضعيت و براي بررسي پايداري ماهواره باباياس اندازه حركت زاويه اي از روش دوم لياپانوف و با توجه به عدم قطعيت درماهواره واعمال اغتشاشات محدود از كنترل كننده تطبيقي استفاده كرده اند اما پايداري ماهواره با وجود كنترل كننده تطبيقي تضمين نشده است[20].

11.آقاي تسوچيا و همكاران يك روش كنترلي نوع PI براي يك ماهواره با گشتاور دهنده هاي مغناطيسي ارائه كرده اند. عيب اين روش درآن بود كه فقط گشتاور دهنده هاي مغناطيسي بكارمي رفت. درنتيجه فقط براي كنترل وضعيت ماهواره هاي مدار پايين كاربرد داشت. بعلاوه قانون كنترل PI يك قانون كنترل خطي بود و لازم بود كه ديناميك ماهواره دركليه نقاط مسير ماهواره خطي سازي شود وسپس اين قوانين اعمال گردد. [21]

12.آقاي هودگارت و همكاران براي كنترل وضعيت از الگوريتهاي خاموش- روشن براي كنترل وضعيت يك ماهواره مدار پايين استفاده كرده اند. بكارگيري الگوريتهاي ارائه شده، دقت سيستم كنترل وضعيت را به كمتر از رسانده ومصرف انرژي حداقل رابه دنبال خواهد داشت. اكثر ماهواره هايي كه از قانون كنترلي خاموش –روشن استفاده مي كنند از گشتاوردهنده هاي مغناطيسي به عنوان عملگر استفاده مي كنند كه درنتيجه درارتفاعات مداري بالا كاربرد چنداني ندارد. [22]