ماهواره‌ کوچک کیوب‌ست (تاسواره) را بشناسید

ماهواره‌ کوچک کیوب‌ست چیست

ماهواره‌ کوچک کیوب‌ست: در حالت کلی ماهواره‌ها ساختاری هستند که قابلیت دریافت، ارسال، و تقویت سیگنال را در فضا دارند. بر اساس موقعیت، آن‏ها قادراند که محدوده‌‏ی پوشش پهن با برد ارتباطات مخابراتی زیادی را فراهم کنند. گسترش ماهواره‌های مرسوم مقدار قابل‌‏توجهی هزینه، زمان، و منابع را در بر خواهد داشت. 

ویژگی های ماهواره‌های کوچک کیوب‌ست

این گونه ماهواره‌ها کم‏‌هزینه‌‏اند، توان کم‏تری مصرف می‌کنند و زمان توسعه‏‌ی سریع‏تری را امکان‏‌پذیر می‌کنند. در همان زمان، مشابه ماهواره‎های مرسوم عملی و مستحکم هستند. ماهواره‌های کوچک کیوب‌ست ماهواره‎‌هایی با ساختار حجمی 10 سانتی‏متر مکعب و وزن کم‏تر از 1 کیلوگرم هستند. به طور نمونه، از اجسام سبک ‏وزن تجاری برای ساخت اجزای بدنه‏‌ی آن استفاده شده است. ماهواره‌ کوچک کیوب‌ست بر اساس وزن و اندازه‌‏ای که دارد به عنوان بخشی از خانواده‏‌ی ماهواره‎‌های کوچک شناخته می‏‌شود. شکل 1 یک نمونه ماهواره کوچک(تاسواره) در مدار زمین را نشان می دهد.

 

انتخاب اندازه‌‏ی ماهواره‌های کوچک کیوب‌ست

انتخاب اندازه‏‌ی ماهواره‌ کوچک کیوب‌ست به مشخصات اجزای نصب‏‌شده و اجزای پرتاب بستگی دارد. آن‏ها معمولا در مدارات  LEO که ارتفاع آن‏ها بین 160 تا 2000 کیلومتر از سطح زمین هستند قرار داده می‌‏شوند، که چندین سال در فضا عمر می‌کنند.

تاریخچه ماهواره‌های کوچک کیوب‌ست (تاسواره)

اولین کیوب‌ست‏ها با همکاری دانشگاه پلی‏‌تکنیک کالیفرنیا و دانشگاه استنفورد در سال 1199 شروع به گسترش کردند و در سال 2002 پرتاب شدند. هدف ماموریت کال‏پلی، استفاده از فضاپیمای دانشگاه استنفورد به نام اوپال(شکل 2) به عنوان پرتاب‏گر پیشنهادی کیوب‌ست بود. این پروژه با گسترش استاندارد‏های پرتاب که به اسم استقرار مداری پلی‌‏میکروستلایت(P-POD) شناخته می‌شود، شروع شد.

 

معیارهای تئوری در ماهواره‌ کوچک کیوب‌ست (تاسواره)

در کنار ساختارهای کیوب‌ست، معیارهای تئوری مانند وزن و اندازه‏‌ی کیوب‌ست باید با مشخصات پرتاب‏‌کننده برای اطمینان از استقرار موفق در فضا مطابقت داشته باشد. چندین الزامات برای استقرار P-POD ازجمله وضعیت مانند فاصله‏‌ی بین لبه‏‌های کیوب‌ست از نرده‏‌ها برای جلوگیری از اصطکاک و قرار گرفتن سریع در مدار هستند. در کنار این‏‌ها فضاهای زیادی برای پنل‏‌های خورشیدی، آنتن‏‌ها و یا اجزای دیگر با گسترش احتمالی تا 10 سانتی‏متر در دسترس باشد.

از آن زمان کیوب‌ست‏های متنوع با سازه‏های مختلفی گسترش یافته‏‌اند. برای مثال ماهواره‌ کوچک کیوب‌ست 1U استاندارد، که اندازه‏ی آن 1 واحد از مکعب  است، 3U، 6U، و حتی 12U که به ترتیب 3، 6، و 12 برابر واحد استاندارد هستند.

در این مقاله یک بررسی جامع از برنامه‌‏های ماهواره‎‌های کوچک با آنتن‏‌های به کار گرفته شده در آن‏‌ها را بررسی می‌کند. مهم‌‏تر از همه چالش‏‌هایی شامل توسعه و روش‏های جدیدی که به این آنتن‌ها اعمال می‌شود. فضا و محدودیت‏‌ها در این ماهواره‌‎ها نیز مورد بحث قرار می گیرد.

برنامه ماهواره کوچک کیوب ست (تاسواره)

فناوری‏‌های ماهواره‌‌‏ای به طور گسترده‌‏ای در بسیاری از جنبه‏‌های زندگی امروزی مانند پخش تلویزیونی، موبایل‌‏‌های ماهواره‌‏ای، رادارها، برنامه‌‌‏های تصویربرداری، و پیش‏‌بینی آب و هوا مورد استفاده قرار می‏‌گیرد. با این حال، اخیرا ابداع ماهواره‎‌های کوچک، برنامه‌‏‌های کابردی را در بخش کوچکی از زمین که توسط ماهواره‎‌های بزرگ‏تر برای مشاهدات زمین و پیش‌‏بینی وضع آب و هوا پشتیبانی می شد را امکان پذیر کرده است.

 

 

براساس اندازه‌‏ی آن‏‌ها، زمان توسعه هزینه‏‌ها در مقایسه با ماهواره‌‌‎‌های مرسوم به طور قابل‌توجهی کاهش می‏‌یابد.

با این حال، سیستم‏‌های ارتباطی برنامه‏‌ی کیوب‌ست‏‌ها در چند سال گذشته مورد بحث قرار گرفته است. علاوه بر این برنامه‌‏‌های کنونی در زیربخش‌‏‌های بعدی توضیح داده شده است. کیوب ست‌ها همانطور که در شکل 3 نیز نشان داده شده است، در حال بهبود و سازگاری برای استفاده در سایر برنامه‏‌های خاص و پیشرفته‏‌تر است.

مشاهدات زمین و آب و هوا در ماهواره‌ کوچک کیوب‌ست

مشاهده زمین از سال 1960 توسط ماهواره‌‌‏ی هواشناسی ایالات متحده انجام شده است. هدف مشاهده زمین اندازه‏‌گیری مشخصات زمین برای فهم بهتر آب و هوا، بلایای طبیعی، آلودگی، و آب است. ماهواره‌‌ه‏ای که در مدار زمین قرار می‏‌گیرد تصویری از سطح زمین و نقشه‏‌ی منطقه‏‌ی متمرکز بر اساس مفهوم رادار را اسکن می‌کند.

هم‌‏چنین ممکن است با استفاده از همین تکنیک و به کمک آنتن‌ها و رادارهای با بهره‌‏ی بالا مشخصات خاک را اندازه‏‌گیری کرد.

در همین حال آژانس فضایی اروپا (ESA) و اداره ملی حمل و نقل هوا و فضا(NASA)، اولین ماهواره برای مشاهدات زمینی خود را در سال 1990 و 2000 تولید کردند.

ماهواره‌‌‏ی بزرگ‏تر ENYISAT به وسیله‏‌ی ESA برای این برنامه ساخته شد(شکل 4).

نیاز به ماهواره‎‌های کوچک مثل کیوب‌ست‌‏ها به دلیل نیاز به توده پیام‌‏های آزاد شده برای اطمینان از کارایی با استفاده از یک پرتاب قابل فهم بود.

بهترین تحقیقات کیوب‌ست‏‌ها تاکنون شامل اندازه‏‌گیری دی‏‌اکسیدکربن و ناپدیدشدگی رادیویی GNSS، تحقیقی که روی صداسازی مایکروویو جوی چندطیفی به وسیله‏‌ی ماهواره‏‌ی مایکرومس دانشگاه MIT انجام شده است.

جمع‌‏آوری نتایج ابرهای دارای ذرات توسط کیوب‌ست کلود ناسا انجام می‌شود. علاوه بر این از کیوب‌ست‏‌ها برای اهداف آموزشی نیز استفاده می‌شود، برای مثال مشاهدات دقیق زمین با استفاده از کیوب‌ست‏‌ها انجام می‌شود.

مشاهدات آب و هوا درماهواره‌ کوچک کیوب‌ست

برای مشاهدات آب و هوا عملکرد ماهواره‏ای برای اطمینان از نتایج کامل و دقیق اندازه‌گیری ضروری است. به عنوان مثال یکی از محدودیت‏‌های اصلی ماموریت اندازه‌گیری باران استوایی (TRMM)، استفاده از تعدادی از ابزارها در LEO می باشد. که قادر به ارائه نتایج کامل اندازه‏‌گیری توسط مشاهدات کوتاه ‏مدت آب و هوایی نیست.

 

 

با این وجود می‌‏توان از طریق اجرای مجموعه‏‌ای از ابزارهای رسوب‏گذاری بارش در LEO، هزینه‏‌ی زمان‏بندی و منابع را کاهش داد. به این ترتیب کیوب‌ست‏‌ها به عنوان یک ساختار جایگزین برای این برنامه و بهینه‏‌سازی ویژگی‏‌های موجود برای یک ماهواره‌‏ی رادار انتخاب می‌شود.

پیش بینی وضعیت هوا در ماهواره‌ کوچک کیوب‌ست

یکی دیگر از برنامه‏‌های جالب برای ماهواره‌ کوچک کیوب‌ست به عنوان پیش‏‌بینی آب و هوا شناخته می‌شود. هدف آن ارائه‏‌ی یک هشدار اولیه از طوفان در منظومه‌ی شمسی با استفاده از چند کیوب‌ست در خوشه است. مفهوم این است که پیش‌‏بینی هوا از منظومه‏‌ی شمسی با ایجاد یک کیوب‌ست با پیام خاص، بهره‏‌ی بالای آنتن برای انتقال داده‏‌ها با نرخ زیادی به زمین است.

باقی کیوب‌ست‌‏ها از آنتن‌های با بهره پایین برای ارتباطات بین هر ماهواره داخل مدار زمین استفاده می‌کند. در چنین موقعیت‏‌هایی لینک‏‌های ارتباطی بین کیوب‌ست‏‌ها حساس هستند، چون آن‏‌ها با فاصله‌‏ی نامعینی از مدار هدف قرار گرفته‏‌اند.

در کنار آن هم‏چنین کیوب‌ست برای نیروهای دفاعی هم‏چون نیروی هوایی برای مانیتور یا رصد کردن فضا استفاده شده‌‏اند. این ارتباط بین چندین کیوب‌ست که در مدار LEO می‏‌توانست منابع را در این‏‌چنین نظارتی بهینه کند.

 

تحقیقات فضایی در ماهواره‌های کوچک کیوب‌ست

کیوب‌ست‏‌ها در برنامه نانو ماهواره‏‌ای که به عنوان ردیابی نانوماهواره‌ه‏ای کشتی‏‌ها (NTS) (شکل 5) شناخته‏‌شده‌‏ا‌ند، مورد استفاده قرار گرفته‏‌اند. این برنامه‏‌ی آزمایشی برای آزمایش ماهواره در محیط فضای واقعی برای اطمینان از برقراری ارتباط در بخش رادیویی بین گیرنده سیستم شناسایی خودکار (AIS) و فرستنده AIS در LEO در محدوده‌‏ی 100 کیلومتر در نظر گرفته شده است.

این سیستم قادر به جمع‏‌آوری پیام‏‌ها از فضا است تا از ترافیک دریایی جهانی و دیگر برنامه‌‏‌های معمول، اطلاع‏‌ رسانی کند. ماموریت NTS جمع‏‌آوری سیگنال AIS در محدوده‏ی LEO، اندازه‌گیری فرکانس رادیویی اطراف آن از 160 تا 162 مگاهرتز با شناسایی سطح نویز و ارائه‌‏ی یک زمینه برای ماموریت آینده است. ساختار NTS فقط، همراه با دو رشته برای سلول‏‌های خورشیدی است که به عنوان منبع توان عملکرد فضاپیما عمل می‌کند.

در مطالعات فضایی ماهواره‌‌های کوچک کیوب‌ست می‏‌توانند به عنوان اکتشافات سیارکی مورد استفاده قرار گیرند. بودجه‌‏ی قابل‌‏توجهی برای چنین اکتشافاتی می‌‏تواند با استفاده از کیوب‌ست‌‏‌ها کاهش یابد. هم‏چنین ماموریت‏‌ها را می‏توان به دو روش پیاده‌‏سازی کرد. روش اول استفاده از کیوب‌ست تنها به عنوان کاوش‌گر، روش دوم استفاده از ماهواره‎‌‌های مرسوم به عنوان حامل کیوب‌ست است. برای اکتشافات فضایی عمیق عملکرد در باند x به باندهای VHF،UHF، و باند S ترجیح داده می‌شود.

 

ارتباطات در ماهواره های کوچک کیوب ست (تاسواره)

مسلما مهم‏ترین کاربرد ماهواره‌های کوچک کیوب‌ست در جنبه‌‏ی ارتباطات است. شناسایی الزامات آن با برآورد یک بودجه‏ی لینک مناسب برای اطمینان از ارتباط کارآمد بین فضا به زمین یا فضا به فضا شروع می‌شود. برای ارتباط بین کیوب‌ست ها، یک فرکانس کار بالاتر در باند S یا به طور خاص در 2.45 گیگاهرتز ترجیح داده می‌شود.

این امر برای فعال کردن دریافت سیگنال توسط گیرنده‏‌های آنتن کوچک با استفاده ازاین باند از طریق استفاده از آنتن‌های کوچک سازگار با ساختار کیوب‌ست است.

امکان سیستم ارتباط نوری در فضا بین ماهواره کوچک کیوب ست و ایستگاه زمینی

به تازگی محققان در حال بررسی امکان سیستم ارتباط نوری در فضا بین ماهواره و ایستگاه زمینی هستند که مخابرات کوانتومی نامیده می‌شود. ماهواره به وسیله‌‏ی ارسال یک لیزر محدوده فرکانسی میدان نوری به یک ایستگاه پایه روی زمین با دید مستقیم ارتباط پیدا می‌کند، که ایجاد لینک ارتباطی را ممکن می‌کند. این مفهوم ارتباط دوطرفه است اگرچه به موقعیت ماهواره در مدار حساس است.

از این‏رو یک پیام اضافی ردیابی برای تعیین موقیعت کیوب‌ست باید نصب شود. چندین مشخصات پیشنهاد شده است ازجمله لینک بالا رو مشخص شده در 980 نانومتر و لینک پایین رو در 1550 نانومتر مشخص شده است.

در مقایسه با برنامه‏‌های دیگر، ارتباط بین ماهواره‏ای یک فرایند همکاری بین هر کیوب‌ست است که هدف آن جمع‏‌آوری و پخش‏ کردن داده‏‌های مشخص شده به یکدیگر قبل از ارسال داده به زمین است. کیوب‌ست‏های چندگانه به طوررعمده برای تحقیقات فضای عمیق و پیش‌‏بینی هواو فضا کار می‌کنند.

دیگر ارتباطات در کیوب ست (تاسواره)

یک گروه از کیوب‌ست‏‌ها در مکان‏‌های توزیع‏‌شده به طور جداگانه اطلاعات مورد نیاز را جمع‌‏آوری می‌کنند. مشابه آنتن‌های فرکانس‌‏پایین برای پروژه ستاره‌‏شناسی رادیویی (OLEAR)، پروژه QB50 و برنامه‌‏های کابردی که در بخش‏‌های قبلی شرح داده شد. چنین سیستم‌‏هایی مانند یک شبکه‏‌ی حسگر بیسیم (WSN) با گره‏‌های متعدد که در فضا گسترش یافته‏‌اند کار می‌کنند.

بر اساس پروژه‏‌های انجام شده هر یک از ماهواره‌‎ها به یکدیگر متصل می‌‏شوند و تمام اطلاعاتی مانند زمان‏بندی، موقعیت و سایر اطلاعات مربوطه از جمله مشاهدات را به اشتراک می‏‌گذارند. مثال دیگری از چنین ارتباطی، سیستم ماهواره‌ه‏ای ایریدیوم است که فرکانس‏‌های 22.55 تا 23.55 گیگاهرتز برای فعال‏‌کردن ترافیک مسیریابی پایدار از طریق ماهواره‎‌های هم‏سطح و خارج از مرز استفاده می‌کند.

الزامات برای آنتن در ماهواره‌ کوچک کیوب‌ست

اثربخشی سیستم‏‌های ارتباطی کیوب‌ست بر اساس تخمین بودجه‏‌ی لینک تعیین شده است و یکی از اجزای مهم تعیین‏‌کننده‏‌ی آن عملکرد آنتن است. اندازه‌‏ی آنتن در ساختار کیوب‌ست وابسته به بهره و فرکانس کار است. با توجه به نیاز به آرایه‏‌ی آنتن چندمنظوره برای افزایش بهره، استفاده از تکنیک‏‌های کوچک‌‏سازی برای اطمینان از اندازه‏‌ی مناسب آنتن برای پیاده‏‌سازی در ساختار ماهواره‏‌ی کوچک بسیار مهم است.

علاوه بر این آنتن انتخابی برای اطمینان از دستیابی به عملکرد مورد‏نظر باید قطبش مناسب را نشان دهد حتی زمانی که در اندازه‏‌های کوچک طراحی شده است. با توجه به این چالش‏‌ها انتظار می‏‌رود آنتن‌هایی که برای برآوردن الزامات ماهواره‎‌های کوچک انتخاب شده‌‏اند، نسبت به آن‏‌هایی که در ماهواره‎های معمولی راه‌‏اندازی می‌شود متمایز باشد. شکل 6 یک نمونه آنتن مورد استفاده در تاسواره ها را نشان می دهد.

 

 

فرکانس کار در آنتن های ماهواره های کوچک

هنوز یک سری فرکانس کار استاندارد برای سیستم‌‏های ارتباطی ماهواره‌‌های کوچک کیوب‌ست وجود دارد. در توسعه‏‌ی اولین کیوب‌ست از فرکانس‌‏‌های رادیویی آماتور در باندهای VHF، و UHF به دلیل هزینه‏‌ی کم و دسترسی بالا توسط کاربران نهایی استفاده می‌شود.

باندهای VHF، و UHF به عنوان فرکانس‌‏‌های خاص برای TT&C در کیوب‌ست‏‌ها انتخاب شده‏‌اند. پس از چندین سال از راه‌‏اندازی اولین کیوب‌ست‏‌‌ها آنتن‌های مختلف در فرکانس‏های عملیاتی مختلفی بر اساس الزامات و کاربردهای آن توسعه‏‌یافته‏‌اند. استفاده گسترده از باند VHF، و UHF برای داده‏‌ها و ارتباطات صوتی نیز توسط پروژه‌‏ی TURKSAT نشان داده شده است.

توسعه‏‌ی سیستم آنتن به دو بخش تقسیم می‌شود: اولین بخش سیستم گیرنده است که شامل آنتن‌‌های دایپل یک‏‌چهارم طول ‏موج با قطر 3 میلی‏متر و طول 50 سانتی‏متر در فرکانس 145 مگاهرتز است. بخش دوم شامل آنتن فرستنده سه بعدی برای لینک پایین‏رو، مودم‌‏ها و فرستنده‌‏ها است.

در کنار باند‏های VHF و UHF و S کیوب‌ست‏های با فرکانس کار باند Ka برای برنامه‏های راداری برای اکتشافات عمیق فضایی توسط ناسا درست شده‌‏اند. آنتن در قالب بازتابنده‏‌ی چتری طراحی شده است و تغذیه‏‌ی آن در وسط شاخ مرکزی آنتن قرار گرفته است که در شکل بالا نشان داده شده است.

 

قطبش دایروی در آنتن های ماهواره های کوچک

علاوه بر نیاز به بهره‌‏ی بالا در فرکانس کار، قطبش کیوب‌ست‏‌ها نیز مهم است. آنتن‌های با قطبش دایروی معمولا در برنامه‌‏‌های مختلف ارتباط ماهواره‏ای به دلیل توانایی بهتر آن‏ها برای دریافت سیگنال‌‏‌های تصادفی نسبت به آنتن‌های با قطبش خطی مورد استفاده قرار می‏‌گیرد. این برای ارتباطات راه دور بین ماهواره و زمین نیز مفید است. طراحی آنتن‌هایی با بهره‏‌ی بالا، پهنای‌‏باند زیاد، و جهت‏‌دهی قطبش دایروی چالش‌‏برانگیز است. شکل 8 یک نمونه آنتن کوچک در ماهواره‌ کوچک کیوب‌ست (تاسواره) را نشان می دهد.

 

 

فشردگی و گسترش اندازه آنتن ها در ماهواره های کوچک

شاید بحرانی‌‌‏ترین پارامتر درآنتن‌های کیوب‌ست اندازه‏‌ی فشردگی باشد. در فرکانس‏‌های کار یک سری آنتن‌‌های استاندارد برای کیوب‌ست‏‌ها وجود دارد ولی این غیرممکن است که یک آنتن بتواند تمام فرکانس‏‌‌ها را تامین کند. بنابراین تکنیک‏‌هایی برای کوچک‏‌سازی آنتن‌ها مهم است، به خصوص زمانی که طراحی آنتن‌ها در فرکانس پایین VHF و UHF و با توجه به طول ‏موج درونی آن‏ها وجود داشته باشد.

 

همانطور که در شکل 9 نشان داده شده است، تکنیک‏‌های کوچک‌‏سازی آنتن‌ها که در آنتن‌های کوچک الکتریکی وجود دارند بسیار مطلوب هستند. مخصوصا زمانی که با محدودیت حجم و فضا رو به رو هستیم. چند نمونه از این تکنیک‏‌ها شامل انعطاف‏‌پذیری، حلزونی‏‌کردن یا مارپیچی‌کردن، و پیچ و خم خوردن ساختار خط آنتن است.

علاوه بر اندازه، بهره‏‌ی بالا و ویژگی‏‌های قطبش دایروی نیز برای ماهواره‌ کوچک کیوب‌ست موردنیاز است. یک روش برای غلبه بر این محدودیت مکانیزم کنار هم چیدن و بازشوندگی هنگام قرار گرفتن در فضا است.