م/ محمد أحمد زكي
16-05-2005, 04:02 PM
geosynchronous system.
Antennas
One of the biggest differences between a low earth satellite and a geosynchronous satellite is in their antennas. As mentioned earlier, the geosynchronous satellite would require nearly 10,000 times more transmitter power, if all other components were the same. One of the most straightforward ways to make up the difference, however, is through antenna design. Virtually all antennas in use today radiate energy preferentially in some direction. An antenna used by a commercial terrestrial radio station, for example, is trying to reach people to the north, south, east, and west. However, the commercial station will use an antenna that radiates very little power straight up or straight down. Since they have very few listeners in those directions (except maybe for coal miners and passing airplanes) power sent out in those directions would be totally wasted.
The communications satellite carries this principle even further. All of its listeners are located in an even smaller area, and a properly designed antenna will concentrate most of the transmitter power within that area, wasting none in directions where there are no listeners. The easiest way to do this is simply to make the antenna larger. Doubling the diameter of a reflector antenna (a big "dish") will reduce the area of the beam spot to one fourth of what it would be with a smaller reflector. We describe this in terms of the gain of the antenna. Gain simply tells us how much more power will fall on 1 square centimeter (or square meter or square mile) with this antenna than would fall on that same square centimeter (or square meter or square mile) if the transmitter power were spread uniformly (isotropically) over all directions. The larger antenna described above would have four times the gain of the smaller one. This is one of the primary ways that the geosynchronous satellite makes up for the apparently larger transmitter power which it requires.
أحد أكبر الفروقات بين القمر القريب من الأرض و القمر المتواقت أرضياً هو هوائياتهم. و كما أشرنا سابقاً فإن القمر المتواقت سيحتاج 10000 ضعف من الطاقة المرسلة، فيما لو كانت جميع المكونات نفسها (في القمرين).
على كل حال فإن أحد الطرق البديهية لخلق اختلاف هو في تصميم الهوائي. عملياً ، جميع الهوائيات المستخدمة اليوم تشع الطاقة باتجاه ما ( و بهذا الاتجاه بالذات ). مثلاً الهوائي المستخدم في محطة راديو تجارية أرضية سيحاول أن يصل للناس شمالاً وجنوباً ، شرقاً و غرباً . على أي حال فإن المحطات التجارية ستستخدم هوائيات تنشر مقدار ضئيل جداً من الطاقة مباشرة للأعلى أو مباشرة للأسفل. وبما أنهم يملكون عدداً ضئيلاً جداً من المستمعين في هذه الاتجاهات ( ربما فيما عدا عمال مناجم الفحم و الطائرات العابرة )، فإن الطاقة المرسلة في هذه الاتجاهات سوف تضيع كلياً.
قمر الاتصالات حمل هذا المبدأ لأبعد من ذلك. إن جميع مستمعيه يتواجدون في مساحة ضيقة ، و أسلوب تصميم الهوائي سوف يركز معظم طاقة المرسل ضمن تلك المساحة، دون تضيعها في الاتجاهات حيث لا يوجد مستمعين. الطريقة الأمثل لتحقيق ذلك هي ببساطة جعل الهوائي أكبر. إن مضاعفة قطر الهوائي العاكس ( صحن كبير ) سوف ينقص مساحة بقعة الأشعة إلى الربع من تلك التي ستكون للعاكس الأصغر . نحن نشرح هذا بمصطلح يدعى ربح الهوائي.الربح ببساطة يخبرنا كم هي كمية الطاقة التي ستسقط في السنتمتر المربع الواحد ( أو المتر المربع أو الميل المربع ) بهذا الهوائي زيادةً عن الطاقة التي ستسقط بنفس ذلك السنتمتر المربع ( أو المتر المربع أو الميل المربع ) إذا كانت طاقة المرسل تنتشر بانتظام ( بشكل متساوي ) في جميع الاتجاهات. الهوائي الأكبر الموصوف أعلاه سوف يمتلك ربحاً أكبر بأربع مرات من ذاك الأصغر منه. هذه إحدى الطرق الأساسية التي يستعملها القمر الصناعي المتواقت أرضياً من أجل الطاقة الأعظم (بشكل واضح) التي يحتاجها.
OPTIONAL FOR THE MATHEMATICALLY INCLINED
Antenna gains, like many power specifications are usually quoted in decibels (dB). The ratio of two power levels in decibels is defined as:
ربح الهوائي - كما في الكثير من مواصفات الطاقة- يعطى عادة بالديسيبل
إن نسبة مستويين من الطاقة بالديسيبل يعرف بالشكل:
R = 10 log10 (P1/P2)
If the smaller of the two antenna mentioned above concentrated 100 times as much
power on the receiver as would an antenna which radiated isotropically, then the gain of the smaller antenna would be
إذا كان الهوائي الصغير (من بين الهوائيين المشار إليه أعلاه) يركز طاقة أكثر بمائة مرة في المستقبل من تلك التي يحققها الهوائي الذي يشع الطاقة بشكل متساوي (يعني في جميع الاتجاهات) ، فالربح لهذا الهوائي الأصغر ستكون:
10 log10(100) = 20 dB
The larger antenna then concentrates 4 times as much power at the receiver as does the smaller one, which is 400 times as much as the one which radiates isotropically. Therefore its gain is
الهوائي الأكبر إذاً يركز الطاقة أكثر بأربع مرات في المستقبل مما يفعل الهوائي الأصغر ، و هي 400 ضعف من ذاك الذي يشع الطاقة بشكل متساوي . بناء عليه يكون الربح:
10 log10(400) = 26 dB
The power supplied by the larger is (400/100) = 4 times as great as the smaller, therefore its gain should be greater than the small one by
الطاقة المزودة من الهوائي الأكبر هي 400\100 و تساوي 4 مرات أكبر من الهوائي الصغير ، و بذلك يجب أن يكون ربحه أكبر من ربح الهوائي الصغير بـ
10 log10(4) = 6 dB - which it is.
Power levels are sometimes specified in dBW or dBm. These expressions indicate that the power level in question is being specified as a ratio to 1 watt or 1 milliwatt. For example
أحياناً تقدر مستويات الطاقة بالديسيبل للواط أو الديسيبل للميلي واط . هذه التعابير تدل على أن مستوى الطاقة في المسألة قد عرف نسبة لـ 1 واط أو 1 ميلي واط
مثلا
13 dBW means that
10 log10(مستوى الطاقة بالواط) = 13
In other words, the given power level is really about 20 watts. Similarly, 13 dBm would correspond to 20 milliwatts of power.
بكلام أخر ، مستوى الطاقة المعطى هو فعلياً حوالي 20 واط . و بشكل مشابه الـ 13 ديسيبل / ميلي واط ستقابل 20 ميلي واط من الطاقة.
One other big difference between the geosynchronous antenna and the low earth antenna is the difficulty of meeting the requirement that the satellite antennas always be "pointed" at the earth. For the geosynchronous satellite, of course, it is relatively easy. As seen from the earth station, the satellite never appears to move any significant distance. As seen from the satellite, the earth station never appears to move. We only need to maintain the orientation of the satellite. The low earth orbiting satellite, on the other hand, as seen from the ground is continuously moving. It zooms across our field of view in 5 or 10 minutes.
Likewise, the earth station, as seen from the satellite is a moving target. As a result, both the earth station and the satellite need some sort of tracking capability which will allow its antennas to follow the target during the time that it is visible. The only alternative is to make that antenna beam so wide that the intended receiver (or transmitter) is always within it. Of course, making the beam spot larger decreases the antenna gain as the available power is spread over a larger area , which in turn increases the amount of power which the transmitter must provide.
فرق كبير أخر ما بين الهوائيات المدار المتواقت مع الأرض و هوائيات المدار القريب من الأرض هو صعوبة إيجاد الشرط الذي يجعل هوائي القمر الصناعي موجهاً دائماً للأرض. من أجل الأقمار المتواقتة أرضياً بالطبع يكون الأمر سهل نسبياً. القمر الصناعي ، كما نشاهده من الأرض ، لا يبدو متحركاً لأي مسافة ذات أهمية . المحطة الأرضية ، كما نشاهدها من القمر الصناعي ، لا تبدو متحركة. نحن نحتاج فقط المحافظة على توجيه القمر الصناعي. القمر الصناعي الذي يدور قريباً من الأرض ، فهو كما يبدو من الأرض دائم الدوران. يظهر هذا القمر عبر حقل رؤيتنا في 5 أو 10 دقائق.
بطريقة مشابهة ، فالمحطة الأرضية كما تشاهد من القمر الصناعي هي هدف متحرك. و كنتيجة ، فإن كلاً من المحطة الأرضية و القمر الصناعي بحاجة إلى نوع ما من إمكانية التوجيه والتي ستسمح لهوائياتها بملاحقة الهدف خلال الزمن الذي يكون فيه مرئياً. الخيار الوحيد هو جعل حزمة الهوائي ( الأشعة ) عريضة جداً بحيث يكون المستقبل المطلوب ( أو المرسل ) دائماً ضمنها. طبعاً جعل البقعة الشعاعية أكبر ينقص من ربح الهوائي كما تنتشر الطاقة المتاحة في مساحة واسعة، و التي بدورها تزيد كمية الطاقة التي على المرسل أن يوفرها(يزودها).
Power Generation
You might wonder why we don't actually use transmitters with thousands of watts of power, like your favorite radio station does. There simply isn't that much power available on the spacecraft. There is no line from the power company to the satellite. The satellite must generate all of its own power. For a communications satellite, that power usually is generated by large solar panels covered with solar cells. These convert sunlight into electricity. Since there is a practical limit to the how big a solar panel can be, there is also a practical limit to the amount of power which can generated. In addition, unfortunately, transmitters are not very good at converting input power to radiated power so that 1000 watts of power into the transmitter will probably result in only 100 or 150 watts of power being radiated.
Satellites must also be prepared for those periods when the sun is not visible, usually because the earth is passing between the satellite and the sun. This requires that the satellite have batteries on board which can supply the required power for the necessary time and then recharge by the time of the next period of eclipse.
ربما تساءلت لماذا نحن لا نستخدم فعلياً أجهزة إرسال بآلاف الواطات من الطاقة ، كما تفعل محطة الراديو المفضلة لديك. ببساطة تلك الكمية من الطاقة ليست متاحة في السفينة الفضائية. ليس هنالك خط من شركة الطاقة إلى القمر الصناعي. على القمر الصناعي أن يولد كل طاقته (بنفسه). من أجل أقمار الاتصالات فإن تلك الطاقة تولد عادة بألواح شمسية كبيرة مغطاة بخلايا شمسية التي تحول أشعة الشمس إلى كهرباء. وبما أنه يوجد حدود عملية لكبر الألواح الشمسية ، فإنه كذلك يوجد حدود عملية لكمية الطاقة التي يمكن توليدها. إضافة لذلك ، و لسوء الحظ أجهزة الإرسال ليست جيدة جداً في تحويل طاقة الدخل إلى طاقة مشعة بحيث أن 1000 واط من الطاقة للمرسل قد تسفر فقط عن 100 أو 150 واط من الطاقة المشَعة.
القمر الصناعي يجب أن يكون أيضاً مهيأ لتلك الفترات التي تكون فيها الشمس غير مرئية (طبعاً بالنسبة للقمر الصناعي) عادة بسبب مرور الأرض بين القمر الصناعي و الشمس. هذا تطلب وجود مدخرات على متنه تستطيع تأمين الطاقة اللازمة من أجل وقت الحاجة ، و من ثم يعاد شحنها خلال الزمن الذي يلي فترة الخسوف (طبعاً بالنسبة للقمر الصناعي)...
المصدر (http://www.nawatt.com)
Antennas
One of the biggest differences between a low earth satellite and a geosynchronous satellite is in their antennas. As mentioned earlier, the geosynchronous satellite would require nearly 10,000 times more transmitter power, if all other components were the same. One of the most straightforward ways to make up the difference, however, is through antenna design. Virtually all antennas in use today radiate energy preferentially in some direction. An antenna used by a commercial terrestrial radio station, for example, is trying to reach people to the north, south, east, and west. However, the commercial station will use an antenna that radiates very little power straight up or straight down. Since they have very few listeners in those directions (except maybe for coal miners and passing airplanes) power sent out in those directions would be totally wasted.
The communications satellite carries this principle even further. All of its listeners are located in an even smaller area, and a properly designed antenna will concentrate most of the transmitter power within that area, wasting none in directions where there are no listeners. The easiest way to do this is simply to make the antenna larger. Doubling the diameter of a reflector antenna (a big "dish") will reduce the area of the beam spot to one fourth of what it would be with a smaller reflector. We describe this in terms of the gain of the antenna. Gain simply tells us how much more power will fall on 1 square centimeter (or square meter or square mile) with this antenna than would fall on that same square centimeter (or square meter or square mile) if the transmitter power were spread uniformly (isotropically) over all directions. The larger antenna described above would have four times the gain of the smaller one. This is one of the primary ways that the geosynchronous satellite makes up for the apparently larger transmitter power which it requires.
أحد أكبر الفروقات بين القمر القريب من الأرض و القمر المتواقت أرضياً هو هوائياتهم. و كما أشرنا سابقاً فإن القمر المتواقت سيحتاج 10000 ضعف من الطاقة المرسلة، فيما لو كانت جميع المكونات نفسها (في القمرين).
على كل حال فإن أحد الطرق البديهية لخلق اختلاف هو في تصميم الهوائي. عملياً ، جميع الهوائيات المستخدمة اليوم تشع الطاقة باتجاه ما ( و بهذا الاتجاه بالذات ). مثلاً الهوائي المستخدم في محطة راديو تجارية أرضية سيحاول أن يصل للناس شمالاً وجنوباً ، شرقاً و غرباً . على أي حال فإن المحطات التجارية ستستخدم هوائيات تنشر مقدار ضئيل جداً من الطاقة مباشرة للأعلى أو مباشرة للأسفل. وبما أنهم يملكون عدداً ضئيلاً جداً من المستمعين في هذه الاتجاهات ( ربما فيما عدا عمال مناجم الفحم و الطائرات العابرة )، فإن الطاقة المرسلة في هذه الاتجاهات سوف تضيع كلياً.
قمر الاتصالات حمل هذا المبدأ لأبعد من ذلك. إن جميع مستمعيه يتواجدون في مساحة ضيقة ، و أسلوب تصميم الهوائي سوف يركز معظم طاقة المرسل ضمن تلك المساحة، دون تضيعها في الاتجاهات حيث لا يوجد مستمعين. الطريقة الأمثل لتحقيق ذلك هي ببساطة جعل الهوائي أكبر. إن مضاعفة قطر الهوائي العاكس ( صحن كبير ) سوف ينقص مساحة بقعة الأشعة إلى الربع من تلك التي ستكون للعاكس الأصغر . نحن نشرح هذا بمصطلح يدعى ربح الهوائي.الربح ببساطة يخبرنا كم هي كمية الطاقة التي ستسقط في السنتمتر المربع الواحد ( أو المتر المربع أو الميل المربع ) بهذا الهوائي زيادةً عن الطاقة التي ستسقط بنفس ذلك السنتمتر المربع ( أو المتر المربع أو الميل المربع ) إذا كانت طاقة المرسل تنتشر بانتظام ( بشكل متساوي ) في جميع الاتجاهات. الهوائي الأكبر الموصوف أعلاه سوف يمتلك ربحاً أكبر بأربع مرات من ذاك الأصغر منه. هذه إحدى الطرق الأساسية التي يستعملها القمر الصناعي المتواقت أرضياً من أجل الطاقة الأعظم (بشكل واضح) التي يحتاجها.
OPTIONAL FOR THE MATHEMATICALLY INCLINED
Antenna gains, like many power specifications are usually quoted in decibels (dB). The ratio of two power levels in decibels is defined as:
ربح الهوائي - كما في الكثير من مواصفات الطاقة- يعطى عادة بالديسيبل
إن نسبة مستويين من الطاقة بالديسيبل يعرف بالشكل:
R = 10 log10 (P1/P2)
If the smaller of the two antenna mentioned above concentrated 100 times as much
power on the receiver as would an antenna which radiated isotropically, then the gain of the smaller antenna would be
إذا كان الهوائي الصغير (من بين الهوائيين المشار إليه أعلاه) يركز طاقة أكثر بمائة مرة في المستقبل من تلك التي يحققها الهوائي الذي يشع الطاقة بشكل متساوي (يعني في جميع الاتجاهات) ، فالربح لهذا الهوائي الأصغر ستكون:
10 log10(100) = 20 dB
The larger antenna then concentrates 4 times as much power at the receiver as does the smaller one, which is 400 times as much as the one which radiates isotropically. Therefore its gain is
الهوائي الأكبر إذاً يركز الطاقة أكثر بأربع مرات في المستقبل مما يفعل الهوائي الأصغر ، و هي 400 ضعف من ذاك الذي يشع الطاقة بشكل متساوي . بناء عليه يكون الربح:
10 log10(400) = 26 dB
The power supplied by the larger is (400/100) = 4 times as great as the smaller, therefore its gain should be greater than the small one by
الطاقة المزودة من الهوائي الأكبر هي 400\100 و تساوي 4 مرات أكبر من الهوائي الصغير ، و بذلك يجب أن يكون ربحه أكبر من ربح الهوائي الصغير بـ
10 log10(4) = 6 dB - which it is.
Power levels are sometimes specified in dBW or dBm. These expressions indicate that the power level in question is being specified as a ratio to 1 watt or 1 milliwatt. For example
أحياناً تقدر مستويات الطاقة بالديسيبل للواط أو الديسيبل للميلي واط . هذه التعابير تدل على أن مستوى الطاقة في المسألة قد عرف نسبة لـ 1 واط أو 1 ميلي واط
مثلا
13 dBW means that
10 log10(مستوى الطاقة بالواط) = 13
In other words, the given power level is really about 20 watts. Similarly, 13 dBm would correspond to 20 milliwatts of power.
بكلام أخر ، مستوى الطاقة المعطى هو فعلياً حوالي 20 واط . و بشكل مشابه الـ 13 ديسيبل / ميلي واط ستقابل 20 ميلي واط من الطاقة.
One other big difference between the geosynchronous antenna and the low earth antenna is the difficulty of meeting the requirement that the satellite antennas always be "pointed" at the earth. For the geosynchronous satellite, of course, it is relatively easy. As seen from the earth station, the satellite never appears to move any significant distance. As seen from the satellite, the earth station never appears to move. We only need to maintain the orientation of the satellite. The low earth orbiting satellite, on the other hand, as seen from the ground is continuously moving. It zooms across our field of view in 5 or 10 minutes.
Likewise, the earth station, as seen from the satellite is a moving target. As a result, both the earth station and the satellite need some sort of tracking capability which will allow its antennas to follow the target during the time that it is visible. The only alternative is to make that antenna beam so wide that the intended receiver (or transmitter) is always within it. Of course, making the beam spot larger decreases the antenna gain as the available power is spread over a larger area , which in turn increases the amount of power which the transmitter must provide.
فرق كبير أخر ما بين الهوائيات المدار المتواقت مع الأرض و هوائيات المدار القريب من الأرض هو صعوبة إيجاد الشرط الذي يجعل هوائي القمر الصناعي موجهاً دائماً للأرض. من أجل الأقمار المتواقتة أرضياً بالطبع يكون الأمر سهل نسبياً. القمر الصناعي ، كما نشاهده من الأرض ، لا يبدو متحركاً لأي مسافة ذات أهمية . المحطة الأرضية ، كما نشاهدها من القمر الصناعي ، لا تبدو متحركة. نحن نحتاج فقط المحافظة على توجيه القمر الصناعي. القمر الصناعي الذي يدور قريباً من الأرض ، فهو كما يبدو من الأرض دائم الدوران. يظهر هذا القمر عبر حقل رؤيتنا في 5 أو 10 دقائق.
بطريقة مشابهة ، فالمحطة الأرضية كما تشاهد من القمر الصناعي هي هدف متحرك. و كنتيجة ، فإن كلاً من المحطة الأرضية و القمر الصناعي بحاجة إلى نوع ما من إمكانية التوجيه والتي ستسمح لهوائياتها بملاحقة الهدف خلال الزمن الذي يكون فيه مرئياً. الخيار الوحيد هو جعل حزمة الهوائي ( الأشعة ) عريضة جداً بحيث يكون المستقبل المطلوب ( أو المرسل ) دائماً ضمنها. طبعاً جعل البقعة الشعاعية أكبر ينقص من ربح الهوائي كما تنتشر الطاقة المتاحة في مساحة واسعة، و التي بدورها تزيد كمية الطاقة التي على المرسل أن يوفرها(يزودها).
Power Generation
You might wonder why we don't actually use transmitters with thousands of watts of power, like your favorite radio station does. There simply isn't that much power available on the spacecraft. There is no line from the power company to the satellite. The satellite must generate all of its own power. For a communications satellite, that power usually is generated by large solar panels covered with solar cells. These convert sunlight into electricity. Since there is a practical limit to the how big a solar panel can be, there is also a practical limit to the amount of power which can generated. In addition, unfortunately, transmitters are not very good at converting input power to radiated power so that 1000 watts of power into the transmitter will probably result in only 100 or 150 watts of power being radiated.
Satellites must also be prepared for those periods when the sun is not visible, usually because the earth is passing between the satellite and the sun. This requires that the satellite have batteries on board which can supply the required power for the necessary time and then recharge by the time of the next period of eclipse.
ربما تساءلت لماذا نحن لا نستخدم فعلياً أجهزة إرسال بآلاف الواطات من الطاقة ، كما تفعل محطة الراديو المفضلة لديك. ببساطة تلك الكمية من الطاقة ليست متاحة في السفينة الفضائية. ليس هنالك خط من شركة الطاقة إلى القمر الصناعي. على القمر الصناعي أن يولد كل طاقته (بنفسه). من أجل أقمار الاتصالات فإن تلك الطاقة تولد عادة بألواح شمسية كبيرة مغطاة بخلايا شمسية التي تحول أشعة الشمس إلى كهرباء. وبما أنه يوجد حدود عملية لكبر الألواح الشمسية ، فإنه كذلك يوجد حدود عملية لكمية الطاقة التي يمكن توليدها. إضافة لذلك ، و لسوء الحظ أجهزة الإرسال ليست جيدة جداً في تحويل طاقة الدخل إلى طاقة مشعة بحيث أن 1000 واط من الطاقة للمرسل قد تسفر فقط عن 100 أو 150 واط من الطاقة المشَعة.
القمر الصناعي يجب أن يكون أيضاً مهيأ لتلك الفترات التي تكون فيها الشمس غير مرئية (طبعاً بالنسبة للقمر الصناعي) عادة بسبب مرور الأرض بين القمر الصناعي و الشمس. هذا تطلب وجود مدخرات على متنه تستطيع تأمين الطاقة اللازمة من أجل وقت الحاجة ، و من ثم يعاد شحنها خلال الزمن الذي يلي فترة الخسوف (طبعاً بالنسبة للقمر الصناعي)...
المصدر (http://www.nawatt.com)