مروری بر ماهواره های مخابراتی ایران – جمهورآنلاین

به گزارش جمهور آنلاین، سوم مرداد ماه «ماهواره ناهید ۲» از سری مجموعه های ناهید از پایگاه وستوچنی روسیه با موشک سایوز به فضا پرتاب شد. این ماهواره دومین سری از ماهواره های ساخته شده ناهید است که اولین آن در زمان پرتاب، با مشکل فنی از سوی پرتابگر بومی مواجه شد و هرگز به فضا نرسید اما این دومین مجموعه با موفقیت به فضا پرتاب شده و پس از در مدار قرارگرفتن اطلاعات خود را به زمین ارسال کرد.

در این گزارش به دنبال معرفی ماهواره های ناهید ۱ و ۲ هستیم و به برشماری ویژگی های هر کدام بپردازیم.

ماهواره ناهید ۱ و آرمان دستیابی به دانش فنی ماهواره های مخابراتی

ماهواره مخابراتی ناهید ۱ که برای نخستین بار در کشور در پژوهشکده سامانه‌های ماهواره پژوهشگاه فضایی ایران به کارفرمایی سازمان فضایی ایران طراحی و ساخته شد؛ ماموریت این ماهواره دستیابی به فناوری طراحی و ساخت ماهواره های مخابراتی زمین آهنگ بود که در مراسم روز ملی فناوری فضایی با حضور رئیس جمهور وقت در بهمن سال ۱۳۹۵، رونمایی شد.

در طراحی ناهید ۱ پایه‌ اصلی فناوری‌های مورد نیاز ماهواره‌های عملیاتی کشور به کار گرفته شده بود تا آرمان دستیابی به دانش فنی ماهواره‌های مخابراتی زمین آهنگ محقق شود و یک ماهواره ایرانی در مدار LEO قرار گیرد.

از آنجا که کسب دانش فنی توسعه ماهواره های مخابراتی زمین آهنگ همواره از اهداف مورد توجه ایران بوده است و کشورمان تجربه و توانمندی خوبی در زمینه طراحی، ساخت و پرتاب ریز ماهواره های آزمایشی در مدارهای پایینی زمین را دارد، در پروژه ناهید ۱، یک ریز ماهواره برای دستیابی به بخشی از فناوری های مخابراتی ماهواره زمین آهنگ ساخته شد.

برای ماهواره ناهید ۱ ماموریت های « باز کردن صفحات خورشیدی در مدار»، «ارتباط در باند مخابراتی Ku در مدار»، «تصویربرداری و تخمین نرخ باز شدن صفحات خورشیدی» تعریف شده بود. همچنین فراهم کردن تجهیزات آزمون مکانیزم های فضایی، تجهیزات مخابراتی فرکانس بالا و طراحی بخش های آن، تعیین و کنترل وضعیت سه محوره، ارتباط مخابراتی دائم در باند S، از اهداف ثانویه پروژه ناهید ۱ بود.

ناهید۱ ماهواره‌ای مکعب مستطیلی محصور به مکعبی به بعد ۸۰ سانتی متر طراحی شده بود که علاوه بر صفحات خورشیدی نصب شده روی بدنه، از دو صفحه خورشیدی بازشونده بهره می برد. این ماهواره با جرم ۵۰ کیلوگرم قرار بود در ارتفاع ۴۰۰ کیلومتری زاویه میل ۵۵ درجه شناور شود که پس از قرار گیری در این مدار، باز کردن صفحات خورشیدی و ارتباط در باند KU را به آزمون بگذارد.

قرار بود این ماهواره بعد از پرتاب از مراحل باز شدن صفحات خورشیدی تصویربرداری کند و با استفاده از این تصاویر، نرخ گسترش صفحات تخمین زده شود. ارتباط مخابراتی این ماهواره در باند S و بدون نیاز به نشانه روی انجام گیرد و عمری آن نزدیک به یک سال باشد.

ابعاد این ماهواره ۵۷۰×۸۰۰×۶۸۰ میلی متر، جرم ۵۰ کیلوگرم، نوع مدار آن دایروی با ارتفاع ۴۰۰ کیلومتر، طول عمر نزدیک به یک سال، محموله آن صفحات خورشیدی بازشونده و دوربین تصویربرداری از مکانیزم صفحات مخابرات باند Ku است و قرار بود که باند فرکانسی Ku ،UHF، S فعالیت کند.

فناوری های ناهید۱

قرار بود که در زیر سیستم مخابرات ماهواره ناهید۱، ارسال سیگنال بیکن در باندهای S و UHF و ارسال داده های تله متری و تصاویر و دریافت فرمان در باند S به دو صورت دو طرفه، بدون نشانه روی، انجام شود. ارسال فرامین و دریافت داده ها در ایستگاه های زمینی از طریق لینک مخابراتی S انجام گیرد. از باند فرکانسی UHF برای رهگیری ماهواره و برقراری ارتباط اولیه در هر گذر استفاده شود. علاوه بر آن، این ماژول یکی از افزونه های مخابرات باند S در نظر گرفته شد که در مواقع لزوم فعال شود.

یکی دیگر از ماموریت های اصلی ماهواره ناهید۱، عملکرد بخش مکانیزم بود. طی عملکرد مکانیزیم، دو آرایه خورشیدی به اندازه ۹۰ درجه در مدار باز می شد. آرایه ها در هنگام پرتاب در وضعیت بسته قرار می گرفتند و در مدار با فرمان زمینی باز می شدند. برای ثبت چگونگی باز شدن آرایه های خورشیدی، زیر سیستم تصویربرداری در ماهواره تعبیه شده بود که از عملکرد مکانیزیم آنها تصویربرداری کند.

از دیگر ماموریت های اصلی ناهید۱، محموله مخابراتی بود که قرار بود در باند KU عملیات ذخیره و باز ارسال فایل را به انجام رساند. همچنین قرار بود با پرتاب و عملیاتی شدن ناهید۱، برای نخستین بار در کشور از لینک مخابراتی KU بهره گیری شود و این لینک، به عنوان پشتیبان اصلی لینک مخابراتی باند s، در زمان لازم وظیفه ارسال فرامین و دریافت داده ها را عهده دار باشد.

در بخش زمینی دو ایستگاه ارتباط اصلی و پشتیبان باند KU وجود دارد. همچنین به ایستگاه UHF و چهار ایستگاه TT&C با چیدمان مناسب برای داشتن حداکثر قابلیت اطمینان در نظر گرفته شد که ارسال تله کامند، دریافت تله متری و دریافت سیگنال بیکن را انجام دهند. مرکز کنترل ماموریت (MCC) شبکه ایستگاههای زمینی را تکمیل می کند. ارتباط بین ایستگاه ها به صورت تبادل داده و صوت از طریق شبکه ارتباطات زمینی برقرار می شد. قرار بود به منظور افزایش قابلیت اطمینان در برقراری این ارتباط علاوه شبکه اصلی از شبکه پشتیان (VSAT) نیز استفاده شود.

تعیین و کنترل وضعیت ماهواره ناهید۱، سه محوره بود. این زیر سیستم تمامی الزامات مربوط به زیر سیستم های مکانیزم و مخابرات را تامین می کرد. برای تعیین موقعیت ماهواره ناهید۱، از داده های GPS و تخمین نرم افزاری به نحوی استفاده می شد که الزامات بخش فضایی و بخش زمینی را برای انجام موفقیت آمیز ماموریت و ارتباط ماهواره با ایستگاه های زمینی در تمامی گذرها را تامین کند.

ماهواره ناهید ۱ چرا به فضا پرتاب نشد؟

مهمترین دستاوردها و فناوری های ناهید۱ را می توان طراحی ساخت و تست بین پولر رهایش آرایه های خورشیدی، ساخت صفحات خورشیدی با سلولهای گلیم آرسنایدی، ساخت محموله مخابراتی باند KU، توسعه داده پردازی ماهواره با قابلیت افزونگی سخت افزاری و نرم افزاری، تصویربرداری با سرعت و نرخ فشرده سازی بالا مطابق شرایط لینک مخابراتی و نرم افزار تخمین نرخ گسترش صفحات خورشیدی دانست. هرچند هرگز به فضا نرسید.

ماهواره ناهید ۱ به دلیل وجود مشکلات فنی در ماهواره‌بر و همچنین ریسک بالای پرتاب، به فضا پرتاب نشد. با وجود پیشرفت‌های ایران در زمینه ماهواره‌برها و دستاوردهای چشمگیر در این حوزه، میزان موفقیت پرتابگرهای بومی هنوز به سطح پرتابگرهای جهانی نرسیده است به همین دلیل ماهواره ناهید ۲ نیز با پرتابگر سایوز به فضا پرتاب شد ولی حسن سالاریه رییس سازمان فضایی ایران قول داد که ماهواره ناهید ۳ قطعا با پرتابگر سیمرغ به فضا پرتاب شود.

ماهواره ناهید ۲ و دستیابی به مدار لئو

پروژه ماهواره مخابراتی ناهید ۲ طی قراردادی بین پژوهشگاه فضایی ایران و سازمان فضایی ایران به اجرا درآمده است؛ ماهواره ناهید ۲ نخستین گام از برنامه راهبردی دستیابی به ماهواره مخابراتی زمین آهنگ است که مأموریت های آن در دو دسته مأموریت های اولیه و ثانویه تعریف شده است.

در مأموریت های اولیه، تمرکز بر توسعه و تست فناوری های اساسی مورد نیاز مسیر راهبردی است، از جمله آزمون انتقال مداری با استفاده از پیشرانش تک مولفه ای و دستیابی به عمر عملیاتی ۲ سال، آزمون موقعیت یابی رادیویی مستقل از GPS با قابلیت استخراج TLE، آزمون اعمال گشتاور وضعیت با استفاده از پیشرانش و مأموریت مخابراتی از جمله ارتباط مخابراتی S&F، اندازه گیری تشعشعات (دزیمتری) و آزمون ارتباط هم زمان تلفنی نیز به عنوان مأموریت کاربردی و ثانویه در نظر گرفته شده اند.

ماهواره ناهید ۲ یک میکرو ماهواره مخابراتی به شمار می رود که برای انجام ماموریت‌های مخابراتی در مدار LEO و توسعه تکنولوژی زیر سیستم‌های حساس ماهواره‌های مخابراتی GEO طراحی شده است.

این ماهواره یک ماهواره مکعبی شکل است که توان مورد نیاز خود را با استفاده از آرایه‌های خورشیدی روی بدنه تامین می‌کند.این ماهواره با توجه به الزامات ماموریتی تعریف شده از یک زیر سیستم کنترل وضعیت سه محوره با دقت نشانه روی ۳ درجه RMS در هر راستا بهره می‌برد.

ارتباطات مخابراتی ماهواره ناهید ۲ در باندهای فرکانسی S و KU و UHF و VHF انجام می‌شود و برای کنترل حرارت زیر سیستم‌های بحرانی همچون پیشرانش از ترکیب کنترل حرارت فعال و غیر فعال در این ماهواره استفاده شده است.

ماموریت های ناهید ۲ در فضا

انتقال مداری با استفاده از پیشرانش شیمیایی برای اولین بار در کشور، اعمال گشتاور وضعیت با استفاده از پیشرانش گاز گرم برای اولین بار در کشور، دستیابی به عمر عملیاتی ۲ سال در فضا و آزمون زیرسامانه های پلتفرم ماهواره برای عملکرد صحیح، موقعیت یابی رادیویی مستقل از GPS با قابلیت استخراج TLE، ردگیری و کنترل موقعیت یابی یک ماموریت فضایی دارای مانور و ارتقای دقت نشانه روی به ۱ تا ۳ درجه از ماموریت های تعریف شده برای ناهید ۲ به شمار می رود.

همچنین در اهداف ثانویه کاربردی آن ارتباط مخابراتی ذخیره و ارسال با قابلیت پشتیبانی از ۲۵۴ کاربر یا پروتکل پیچیده و نوین، آزمون ارتباط همزمان تلفنی توسط ماهواره در لینک KU، اندازه گیری تشعشعات (دزیمتری) و برقراری ارتباط ایمن میان دستگاههای ردیابی و مرکز کنترل ماموریت دیده شده است.

ماهواره مخابراتی ناهید۲ با جرم ۱۲۰ کیلوگرم در مدار ۵۰۰ کیلومتری با شیب ۵۶ درجه تزریق شده است. این ماهواره علاوه بر توسعه راهبرد مخابراتی کشور، توان ارائه خدمات کاربردی ذخیره و ارسال داده و تماس صوتی میان دو کاربر و سنجش تشعشعات فضا را داراست. در ادامه مشخصات کامل تر این ماهواره ارائه شده است.

زیر سیستم و قابلیت های ناهید۲

طراحی سازه صلیبی با نسبت استحکام به وزن بالا با استفاده از ایزولاتور برای کاهش بارهای ارتعاشی صورت پذیرفته است. این طرح سبب کاهش وزن در سازه ماهواره به نسبت چگالی بالای اِلِمان های موجود در آن شده است. همچنین برای این ماهواره ترولی با قابلیت های ویژه و خاص همچون چرخش حول محورهای مختصات و وجود ایولاتور برای کاهش بارهای وارده ناشی از حمل و نقل، ساخته شده است.

یکی از ماموریت های ماهواره دستیابی به فناوری پیشرانش شیمیایی و مانورهای مداری است. به منظور تحقق این مأموریت، زیر سیستم پیشرانش برای ناهید ۲ در نظر گرفته شده که انتقال مداری از ارتفاع ۵۰۰ کیلومتری به ارتفاع ۵۵۰ کیلومتری را با پیشران شیمیایی و سطح رانش ۱ نیوتن با ۴ عدد تراستر و ۴ تراستر رزرو اجرا می کند. پیاده سازی مجموعه پیشرانش شیمیایی تک مولفه و تجمیع آن با سازه از تجربیات جدید داخل کشور در ساخت ماهواره است.

زیر سامانه تعیین و کنترل وضعیت و موقعیت با پایداری سه محوره و دقت نشانه روی ۱ تا ۳ درجه RMS در هر راستا، یکی از مهم ترین زیر سیستم های ماهواره ناهید ۲ است. حسگرهای تعیین وضعیت شامل حسگر خورشید، مغناطیس سنج و جای روی نرخی و عملگرهای کنترل وضعیت شامل عملگر مغناطیسی و چرخ عکس العملی است. که توسط الگوریتم مختص این ماهواره هدایت می شوند تا بهترین دقت ممکن برای ماهواره ناهید ۲ فراهم آید. آزمون های HIL، PIL، SIL روی زیرسیستم تعیین و کنترل وضعیت این ماهواره به طور کامل انجام شده و گواه عملکرد مناسب این زیرسیستم در ماهواره ناهید ۲ است.

ایستگاه زمینی
با توجه به تعدد لینکهای مخابراتی در ماهواره ناهید ۲، ایستگاههای زمینی نیز متعدد و پراکنده بوده و شبکه زمینی قابل اطمینانی برای حفظ ارتباط این ایستگاهها و عملیات موفق ماهواره مورد نیاز است. در این مجموعه هم از ایستگاه های ثابت، هم ایستگاههای سیار و هم از ایستگاههای قابل حمل استفاده شده است. این ایستگاه ها در باندهای فرکانس KU، UHF،VHF ،S ،X قابلیت اجرای عملیات دارند و جمعا در ۶ محل ثابت و یک ایستگاه متحرک ساخته شده اند.

محموله مخابراتی ناهید ۲

مأموریت محموله مخابراتی، رله سیگنال تلفنی میان دو ایستگاه ارتباط زمینی در زمان قرار گیری در افق مشترک در باند فرکانسی KU است. این ماموریت، پایه های اولیه راهبردی برای دستیابی کشور ایران به ماهواره های مخابراتی زمین آهنگ را فراهم کرده است.

همچنین مأموریت محموله ذخیره و ارسال، برقراری ارتباط در بستر ماهواره بین ۲۵۴ کاربر زمینی در باند فرکانسی UHF نیز در دستور کار بوده و پروتکل ارتباطی ذخیره و ارسال در این محموله، به صورت خاصی بوده و در نوع خود در دنیا نوین است.

علاوه بر این، با توجه به اهمیت شناخت محیط فضا از نظر نوع و میزان تشعشعات در این پروژه یک محموله سنجشی تشعشعات (دزیمتر) در نظر گرفته شده است محیطی که دزیمتر برای آن طراحی شده، مدار LEO است. این محموله می تواند میزان تشعشعاتی که در ارتفاع حدود ۵۰۰ کیلیومتری در مدت سه سال به واحد سطح می رسد، را اندازه گیری کند و برای استفاده در طراحی ماهواره های آتی در اختیار مهندسان کشور قرار دهد.

دستاوردهای ناهید ۲ برای پیشرفت علمی ایران

ارائه ۱۰ عنوان ثبت اختراع جدید، ارائه ۳۶ عنوان مقاله پژوهشی داخلی و بین المللی، اجرای فرایند تجمیع و ساخت مدل کیفی و مهندسی مطابق استاندارد ECSS، آزمون و تحویل دهی کامل مدل کیفی (قابل پرتاب با ملاحظات) و مهندسی ماهواره به سازمان فضایی مطابق استاندارد ECSS، ساخت، آزمون و نصب ایستگاههای زمینی، تدوین و نگارش ۳۸۰ عنوان سند علمی ماهواره ناهید۲، همکاری مشترک با دانشگاه در ۱۰ عنوان طرح دانشگاهی، ۲۵ عنوان طرح پژوهشی خاتمه یافته و ۱۳ عنوان طرح پژوهشی در حال انجام از جمله دستاوردهای طراحی و ساخت ناهید ۲ برای جامعه علمی ایران به شمار می رود.

توسعه و کیفیت سنجی صفحه آنتن ماهواره، توسعه و آزمون محموله رله تلفنی KU با قابلیت حذف شیفت داپلر ماهواره، توسعه محموله ذخیره و ارسال در باند UHF با پروتکل ارتباطی ویژه ماهواره، ساخت و توسعه زیرسیستم TT&C در باند S به همراه طیف گسترده ماهواره، توسعه محموله مخابراتی موقعیت یابی رادیویی در باند S ماهواره، توسعه کامپیوتر روی برد ماهواره با پردازنده دارای سابقه فضایی برای ماهواره، توسعه محموله سنجش تشعشعات فضایی TID ماهواره، تدوین کد نرم افزاری سرویسهای PUS نسخه ۲۰۱۸ در ماهواره، توسعه نرم افزار تزریق خطا به منظور آزمون فرایند FDIR ماهواره، توسعه واقعیت مجازی سناریوی کارکردی ماهواره در عمر عملیاتی ماهواره، توسعه امولاتور حسگرهای تعیین و کنترل وضعیت ماهواره، توسعه سخت افزار و نرم افزار در حلقه تعیین و کنترل وضعیت ماهواره، تجمیع بستر آزمون سخت افزار در حلقه تعیین و کنترل وضعیت به دو صورت میز سه درجه آزادی و میز گسترده ماهواره، ساخت و تجمیع بستر آزمون سخت افزار در حلقه تولید و توزیع توان ماهواره، توسعه اولیه آنتن پدستال های ایستگاه زمینی TT&C باند S ماهواره و راه اندازی بستر نرم افزار در حلقه زیرسیستم پیشرانش ماهواره از دیگر دستاوردهای پرتاب و بهره برداری موفقیت آمیز از این ماهواره به شمار می رود.