ماهواره های ارتفاع پایین و اینترنت اشیا : انقلابی در راه است

در دهه اخیر، ماهواره‌های کوچک و اینترنت اشیا به شکل قابل توجهی، آینده حضور بشر در فضا را تغییر داده اند. سرمایه فراوانی که در تجارت و اکتشافات فضایی وجود دارد، از سیستم‌های منحصر به فرد انجام‌دهنده ماموریت‌های خاص به سمت ماهواره‌های موجود در یک مجموعه فضایی برای به دست آوردن اهدافی بزرگ‌تر حرکت کرده است.

اگر چه تولید انبوه ماهواره های کوچک و اینترنت اشیا، کارخانه‌های بزرگ با خطوط مونتاژی عرضه محصولات استاندارد را در ذهن تداعی می کنند، اما ممکن است این کار چندان هم آسان نباشد. تولید در حجم بالا برای دستیابی به پوشش جهانی که سهامداران تجاری و دولتی به دنبال آن هستند، ضروری است. در این نوع تجارت، مشکلات جدید در کنترل کیفیت، استانداردها و طراحی برای تولید، و نیز چالش های مونتاژ خودکار، ادغام و آزمایش باید برطرف شود – تمام اینها باید با ملاحظات هزینه که برای موفقیت در آغاز کار حیاتی است، متعادل شود. توسعه و پرتاب ده ها، صدها و حتی هزاران ماهواره کوچک در حال انجام است و به طور حتم تأثیرات انقلابی به همراه خواهد داشت.

نخستین ماهواره های نزدیک به مدار زمین چند دهه پیش به فضا پرتاب شدند. این “پرتابه ها” هزینه‌های زیادی برای مالیات دهندگان به همراه داشتند و در مالکیت و اختیار حکومت های ملی بودند. علیرغم این هزینه‌ها، در طول دو یا سه سال گذشته صنعت ماهواره‌های نزدیک به زمین، در بخش خصوصی، به صورت تصاعدی رشد کرده ‌است و این سؤال را در ذهن ایجاد می کند که چه عاملی سبب این علاقه شده است.

هدف اصلی این گروه ها از هزاران ماهواره کوچک (مجموعه ماهواره ها) اتصال صد درصدی و پوشش جهانی است. در حال حاضر جهان حدود چهار میلیارد کاربر فعال اینترنتی دارد، یعنی حدود ۳.۵ میلیارد نفر دیگر وجود دارند که فعلاً به اینترنت دسترسی ندارند. هنگامی که هر مجموعه ماهواره جدید، در مدار قرار می گیرند، همزمان پوشش صددرصدی در حوزه های دیگر – مانند نظارت و تصویربرداری مداوم از سرتاسر جهان – را نیز فراهم می کند. در اینجای بحث دو تعریف می تواند سودمند باشد:

• زمانی که ماهواره در مداری همگام با زمین (GSO) قرار می‌گیرد، یک تناوب مداری دارد که با دوره چرخش محوری زمین در حدود ۲۳ ساعت ۵۶ دقیقه و ۴ ثانیه (یک “روز نجومی”) منطبق است. عناوین مختلفی همچون مدار ثابت زمینی، مدار ثابت با زمین، مدار همگام با خط استوای زمین (GEO)، به مسیری اطلاق می‌شود که از دایره ای به دور استوا، در حدود ۳۵۷۸۶ کیلومتر بالاتر از خط استوا و هم مسیر با جهت چرخش سیاره تشکیل شده است.
• مدار نزدیک به زمین در ارتفاع ۲۰۰۰ کیلومتر بالاتر از سطح زمین طبقه‌بندی شده است، که در یک دوره مداری بین ۸۴ دقیقه تا ۱۲۷ دقیقه باقی می‌ماند. هر شی که زیر آستانه تقریبی ۱۶۰ کیلومتر قرار داشته باشد، دچار افت مداری سریع و کاهش ارتفاع خواهد شد، بنابراین ماهواره های نزدیک به مدار زمین، بالاتر از این منطقه خطر پرواز می کنند.

معمولاً تمام ماهواره هایی که تحت اختیار و مالکیت خصوصی هستند به مواضع ثابتی در کمربند GEO پرتاب شده‌اند که همگام با چرخش زمین و در مسافت بسیار دورتری از زمین قرار گرفته‌اند – در فاصله بسیار زیادی از کمربند مدار نزدیک به زمین. به همین دلیل، هر ماهواره GEO می تواند مناطق بیشتری از حجم زمین و بخش های آبی را در بربگیرد

هزاران ماهواره و اشیای کوچکتر به مدار پایین پرتاب شده‌اند تا بتوانند به طور کارآمدی به عنوان یک واحد یا یک سیستم در کنار یکدیگر کار کنند. برای دستیابی به پوشش جهانی، مجموعه ماهواره های بزرگی، به ویژه با توجه به موقعیت آنها نسبت به زمین مورد نیاز است. از آنجا که مدارهای نزدیک به زمین، فاصله کمی با زمین دارند، این ضعف را دارند که نواحی بسیار کمتری را پوشش دهند. این امر ناشی از محدودیت میدان دید آنتن‌های روی ماهواره است. از آنجایی که مدت زمان زیادی از چنین وضعیتی می‌گذرد، بازیگران GEO بسیاری نیز در این عرصه وجود دارند. برخی از اپراتورهای اصلی عبارتند از: Intelsat، SES، Eutelsat و Telesat. ماهواره های نزدیک به مدار زمین از یک فناوری جدید و رو به رشد استفاده می کنند و در حال حاضر سه بازیگر اصلی در این حوزه کار می‌کنند: SpaceX، LeoSat و OneWeb.

ایلان ماسک، مدیر عامل اسپیس ایکس در نوامبر سال ۲۰۱۸ عنوان کرد: “اسپیس ایکس شبکه ای متشکل از ۱۲۰۰۰ ماهواره را به عنوان بخشی از پروژه استارلینک خود، با هدف ارائه اینترنت پرسرعت به جهان ایجاد خواهد کرد”. شرکت اسپیس ایکس مطمئناً تنها بازیگری نیست که به دنبال سرعت بخشیدن و تغییر دنیای ماهواره های نزدیک به مدار زمین است، و تنها شرکت بزرگی هم نیست که به ارائه خدمات نوآورانه می‌پردازد. برخی از شرکت‌های نسبتاً گمنام جهت دستیابی به این فرصت، تشکیل شده اند و روی آن‌ها سرمایه‌گذاری شده است. به عنوان مثال، اخیراً شرکتی موسوم به LeoSat Enterprises  تاسیس شده است تا آخرین پیشرفت‌های فن آوری‌های مخابرات ماهواره‌ای را به کار گیرد.

تمرکز این شرکت در رقابت با اسپیس ایکس، بر توسعه و پرتاب یک مجموعه ماهواره‌ای جدید به مدارهای نزدیک به زمین است، تا ادعای خود مبنی بر این که “اولین خدمات دیتای موجود تجاری، پرسرعت و امن در سرتاسر جهان” خواهد بود را محقق سازد.

شرکت LeoSat با داشتن بیش از ۱۰۸ ماهواره ارتباطی مدار پایین در مجموعه‌ی ماهواره‌های خود، می خواهد اولین شرکتی باشد که ماهواره‌هایی با ظرفیت بالا (HTS) داشته باشد که از طریق لینک‌های لیزری به هم متصل هستند. در صورت موفقیت، این رویکرد یک پیکره نوری در فضا ایجاد می‌کند – که ۱.۵ برابر سریع‌تر از پیکره‌های فیبری زمینی است و بی نیاز از هرگونه ارتباط زمینی می‌باشد.

بر اساس گزارش واشنگتن دی سی، در حال حاظر لئوست با شرکت هوافضای فرانسوی ایتالیایی  Thales Alenia Spaceبرای ایجاد شبکه LEO همکاری می‌کند. انتظار می‌رود ماهواره های لئوست در سال ۲۰۲۰ به آسمان پرتاب شوند. پس از عملیاتی شدن، این مجموعه ماهواره ها باعث ایجاد راه‌های ارتباطی و پهنای باندی پرسرعت، کم تأخیر و بسیار ایمن برای فعالیت های تجاری خواهد شد. این شرکت بر سه بازار تمرکز دارد: ارتباط مستقیم مخابراتی، انرژی، تجارت دریایی، دولتی و بین المللی.

بزرگترین پیشرفت های LEO روی فضاپیماها و ماهواره های کوچک انجام می‌شود. ماهواره‎های ذکر شده، “ماهواره های کوچکی” هستند که به پیشرفت اکتشافات علمی و انسانی کمک کرده، هزینه‌های ماموریت‌های جدید فضایی را کاهش داده و دسترسی به فضا را گسترش داده اند. ماهواره‌های کوچک با ارائه نوآوری‌های فنی، معماری‌های کاملاً جدیدی برای طیف گسترده‌ای از فعالیت‌های فضایی با پتانسیل جهش‌های تصاعدی در علم را امکان پذیر می‌کنند.

برخی از اعضای ناتو در حال بررسی جایگزین‌هایی برای ماهواره های اختصاصی توسعه‌یافته توسط دولت ها برای تولید تصاویر با رزولوشن بالا هستند. این نظریه متعلق به ایالات متحده است که ماهواره‌های تجاری اثبات شده و موفق را با حداقل هزینه‌های مهندسی تکرارناپذیر مامور کند تا به تقویت سیستم‌های فعلی بکار گرفته شده توسط دولت‌های مستقل کمک کند. مزیت این پیشنهاد، تقویت قابلیت اطمینان و مقرون به صرفه بودن سیستمی است که در حال حاضر در فضا استفاده می‌شود و قرار است ریسک و زمان تولید را به میزان قابل توجهی کاهش دهد.

پیش بینی می‌شود مجموعه ماهواره‌های جدید، یا همان ماهواره‌های تجاری بسیار کوچک، هر یک با چرخه عمر کوتاهی که در یک دوره ماهانه یا فصلی دارند، نیروی کار ماهواره تجاری را تقویت کرده و امکان تولید برگشت پذیرتر را برای سیستم‌های آینده فراهم کنند. طول عمر مفید ماهواره‌های GEO به طور متوسط ​​حدود ۱۵ سال است، محدودیتی که در درجه اول از فرسودگی پیشرانه‌های داخلی ناشی می‌شود. این پیشرانه‌ها نیازمند “حفظ مدار” هستند – یعنی حفظ ماهواره در شیار مداری خود و جهت گیری یا قرارگیری، به گونه‌ای باشد که آنتن‌های ماهواره و پانل‌های خورشیدی به جهت صحیحی هدف‌گیری و نشانه‌گذاری کنند.

ناسا کوچک می شود

ناسا قبلاً نقش بزرگی در انقلاب ماهواره‌های کوچک ایفا می‌کرد. به عنوان مثال، برنامه فناوری فضاپیمای کوچک (SSTP) آن، فناوری‌ها و قابلیت‌های جدید فضاپیمای کوچک را برای ماموریت‌های خود در زمینه‌های علمی، اکتشافی و فضایی توسعه و نشان می‌دهد. SSTP رویکرد فضاپیمای کوچک را به عنوان یک تغییر عمده برای ناسا و جامعه فضایی توسعه می‌دهد. به عنوان بخشی از این پروژه، ناسا ابتکاری با عنوان مشارکت‌ فناوری ماهواره‌های کوچک راه اندازی کرده است که نوعی همکاری امیدوار کننده با دانشگاه‌ها در توسعه و بازنمایی فناوری است.

توسعه و تحقق چند پرتاب از سال ۲۰۱۷ تا ۲۰۱۸ برای مأموریت‌های سه فضاپیمای کوچک صورت گرفت که توسط SSTP حمایت و سرمایه گذاری شد. این ماهوار‌ه‌های کوچک تعدادی از فن آوری‌ها را نشان می دهند، از جمله: ارتباطات نوری پرسرعت برای افزایش نرخ‌های نزولی و شکل‌گیری پرواز و فعالیت‌های اتصالی.

یک ماهواره کوچک دقیقا چیست؟ این تعریف اختیاری است اما ناسا ماهواره ها، با وزنی کمتر از ۱۸۰ کیلوگرم را ماهواره های کوچک در نظر می‌گیرد. سایر اصطلاحات متداول مورد استفاده برای ماهواره های کوچک عبارت هستند از:

• مینی ماهواره – ۱۰۰ کیلوگرم یا بالاتر
• میکرو ماهواره – ۱۰ کیلوگرم تا ۱۰۰ کیلوگرم
• نانو ماهواره – ۱ کیلوگرم تا ۱۰ کیلوگرم
• پیکو ماهواره – ۱۰ گرم تا ۱ کیلوگرم
• فمتو ماهواره – ۱ گرم تا ۱۰ گرم

ماهواره مکعبی (CubeSat) دسته‌ی ویژه ای از نانو ماهواره ها است. یک واحد ماهواره مکعبی (۱U) دارای ابعاد cm 10 ×cm  ۱۰ ×cm  ۱۱ است، همچنین آنها در اندازه های U 1.5، U 2، U 3 و U 6 نیز ساخته شده اند.

فضاپیمای کوچک نمایانگر کلاسی نوظهور از ماهواره ها، روبات‌ها و سیستم‌هایی است که از اندازه کوچک خود بهره می‌گیرند تا جهت کاهش هزینه ها، از مزایای اشتراک گذاری در فرصت‌های پرتاب مجرد (سواری مشترک) استفاده کنند. همچنین فضاپیمای کوچک در افزایش تعداد قابلیت‌های فنی که در فن آوری پیشرفته و صنایع الکترونیکی ظاهر می‌شوند و روی آن‌ها سرمایه‌گذاری می‌شود.

دانشمندان، چه در داخل دولت و تجارت باشند چه در دانشگاه، از فقدان مشاهدات اساسی در فضا متأسف هستند. این مسئله در حال حاضر یک عامل محدود کننده مهم در بسیاری از زمینه‌های تحقیقی است. پیشرفت‌های اخیر علمی و فناوری – در حسگرها و فن آوری های فضاپیما – دستیابی به اندازه گیری‌های کلیدی از مأموریت‌های ماهواره کوچک و کم‌هزینه را امکان پذیر می‌سازد. یکی از جنبه‌های امیدوار کننده این توسعه، چشم انداز مشاهدات چندنقطه ای در فضا است که برای پرداختن به بسیاری از مشکلات برجسته پیش روی تجارت و علم بسیار حیاتی است.

اندازه گیری‌های مبتنی بر فضا از طریق ماهواره‌های کوچک پتانسیل زیادی در پیشرفت اکتشافات و افزایش درک جمعی ما از اتفاقات روی زمین دارند. در نتیجه، برخی از دولت‌های ملی در حال افزایش حمایت مالی خود از شرکت‌ها و دانشگاه‌هایی هستند که با ماهواره‌های کوچک کار می‌کنند تا این سیستم‌ها را توسعه دهند، بسازند، به آسمان پرتاب کنند، و سپس در حالی که در مدار قرار دارند، آنها را بکار گیرند و در نهایت، داده های غنی را تحلیل کنند.

به طور خلاصه، تغییرات بزرگی در صنعت ماهواره در حال وقوع است. ماهواره‌های کوچک برای ارائه چابکی، مقرون به صرفه بودن، برگشت پذیری و تصاویر با وضوح بالا در حال رشد هستند. همزمان، رهبران دولت‌ها در حال بررسی تهدیدهای احتمالی از سوی مخالفان نظامی بی‌شمار نسبت به “سیستم‌های موروثی” با پایه فضایی هستند که هم اکنون در مدار هستند. دبورا لی جیمز، دبیر پیشین نیروی هوایی ایالات متحده، اخیراً برخی از تفکرات و پیش بینی‌های خود را به اشتراک گذاشت. وی با اشاره به زمان کنونی به عنوان زمان نوآوری و تهییج سرمایه‌گذار، با امید به اکتشافات جدید فضایی و روش‌های جدید تجارت، گفت: “ما در آغاز دوره رنسانس فضایی هستیم و تازه وارد آن شده ایم”.

به طور فزاینده ای، فن آوری‌های نوظهور ماهواره کوچک نزدیک به زمین، جهت تأمین لایه‌ای مکمل برای سیستم‌های بزرگتر – به ویژه ماهواره هایGEO  – و ارائه یک رویکرد جدید و موردنیاز برای اطمینان از قابلیت‌های مبتنی بر فضا در نظر گرفته می شود.