Πώς λειτουργούν οι δορυφόροι;

Οι δορυφόροι επικοινωνούν ανταλλάσσοντας ηλεκτρομαγνητικά κύματα, είτε στην επιφάνεια της Γης είτε στο διάστημα, που αιωρούνται πάνω από έναν πόλο ή περιφέρονται καθημερινά γύρω μας. Η επικοινωνία δεν χρειάζεται απαραίτητα να λαμβάνει χώρα στο ραδιοφάσμα. Το τηλεχειριστήριο της τηλεόρασής σας επικοινωνεί με τον αποκωδικοποιητή του με υπέρυθρα κύματα, ενώ τα τηλέφωνα επικοινωνούν με μικροκύματα.

Το Google Earth σάς παρέχει την ευκαιρία να επισκεφτείτε οποιοδήποτε μέρος στη Γη, ωστόσο τι κάνουν οι περισσότεροι άνθρωποι; Κοιτάξτε το δικό τους σπίτι. Στην πραγματικότητα, το Google Earth δεν σας δείχνει μόνο εικόνες υψηλής ανάλυσης. σαν τον Σκρουτζ σε ένα από τα φαντάσματά του, πρακτικά πετάγεσαι εκεί, καθώς μπορείς να δεις πεζούς που περπατούν και ζωντανή κίνηση! Πώς όμως το Google Earth επιτυγχάνει αυτό το κατόρθωμα;

Με δορυφόρους!

Τι είναι ο δορυφόρος;

Η λέξη δορυφόρος δεν περιγράφει απαραίτητα ένα μηχανικό κιβώτιο που επιπλέει στο διάστημα με ηλιακούς συλλέκτες συνδεδεμένους και στις δύο πλευρές. Σε γενικότερους όρους, δορυφόρος είναι κάθε αντικείμενο που βασίζεται στο διάστημα που περιστρέφεται γύρω από έναν πλανήτη. Για παράδειγμα, το φεγγάρι είναι ένας φυσικός δορυφόρος, ενώ οι δορυφόροι που εκτοξεύονται για τη διάδοση της επικοινωνίας και την πλοήγηση είναι τεχνητοί, ανθρωπογενείς δορυφόροι.

Για να τοποθετηθεί ένας δορυφόρος σε μια σταθερή τροχιά γύρω από τη Γη, πρέπει να ξεπεράσει τη βαρυτική έλξη της Γης και την αντίσταση του αέρα στην κατώτερη ατμόσφαιρά της. Η ταχύτητα με την οποία ξεφεύγει από αυτό το τράβηγμα είναι η ταχύτητα διαφυγής, η οποία είναι περίπου 7 μίλια ανά δευτερόλεπτο. Ακόμη και μετά τη διαφυγή της Γης, η τάση ενός δορυφόρου να παραμείνει στην τροχιά του αμφισβητείται από τη συνεχή έλξη της βαρύτητας της Γης.

Η γραμμική του ταχύτητα το ωθεί προς τα έξω, ενώ η βαρύτητα το τραβά προς τα μέσα προς τον πλανήτη. Ο δορυφόρος τελικά εγκαθίσταται σε μια τροχιά όταν αυτές οι δυνάμεις εξισορροπηθούν.

Η ταχύτητα διατήρησης ενός δορυφόρου σε τροχιά είναι πολύ μεγαλύτερη και είναι γνωστή ως τροχιακή ταχύτητα, η οποία είναι περίπου 17.000 μίλια την ώρα.

Οι δορυφόροι διατίθενται σε δύο τύπους:

1. Πολικό:Αυτοί οι δορυφόροι αιωρούνται πάνω από τους πόλους και παρακολουθούν τη Γη ενώ αυτή περιστρέφεται συνεχώς κάτω από αυτούς, έτσι ώστε τελικά ολόκληρη η Γη να υπόκειται στον έλεγχο τους, καθώς παραμένουν στην ίδια θέση.
2. Γεωσύγχρονη ή Γεωστατική:Αυτά είναι συνημμένα σε μια συγκεκριμένη τοποθεσία, καθώς η περιστροφή τους συγχρονίζεται με την περιστροφή της Γης. Αυτά χρησιμοποιούνται για την παρακολούθηση ή την επικοινωνία με τους δέκτες σε μια συγκεκριμένη τοποθεσία.

Ανατομία ενός δορυφόρου

Έλεγχος στάσης

• Οι δορυφόροι πρέπει να λαμβάνουν ακριβείς μετρήσεις από τη θέση τους σε τροχιά χωρίς ταλάντευση. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο σταθεροποιούνται τακτικά, που ονομάζεται έλεγχος στάσης.
• Η γυροσκοπική κίνηση χρησιμοποιείται για τη σταθεροποίηση της θέσης των καμερών ενός δορυφόρου και του προσανατολισμού του στο διάστημα σε σχέση με το αντικείμενο που βρίσκεται σε τροχιά.
• Χωρίς σταθεροποίηση, ένας δορυφόρος μπορεί να αποκλίνει από την πορεία του προς το διάστημα ή προς τη Γη, παρέχοντας ανακριβή αποτελέσματα και καθιστώντας τον αναξιόπιστο.
• Τα γυροσκόπια περιστρέφονται έως και 6.000 RPM για σταθεροποίηση τριών αξόνων και περίπου 60-70 RPM για έναν κυλινδρικό δορυφόρο σταθεροποιημένου σπιν.

Σώμα ή λεωφορείο

Το σώμα ενός δορυφόρου φιλοξενεί τον απαραίτητο επιστημονικό εξοπλισμό που διαθέτει. Έχει σχεδιαστεί ειδικά για να τα μεταφέρει με ασφάλεια στο διάστημα. Οι μηχανικοί πρέπει να λαμβάνουν υπόψη έναν αριθμό διαφορετικών στόχων κατά το σχεδιασμό και την ανάπτυξη του αμαξώματος.

• Το εξωτερικό στρώμα το προστατεύει από διαστημικά σωματίδια ή μικρομετεωρίτες που επιπλέουν στο διάστημα.
• Υλικά κατά της ακτινοβολίας που το προστατεύουν από την επιβλαβή ακτινοβολία UV του ήλιου.
• Ο δορυφόρος πρέπει να διατηρεί μια άνετη θερμοκρασία για σωστή λειτουργία και πρέπει να μεταφέρει τη θερμότητα μακριά από τον εξοπλισμό του.
• Δομές για υποστήριξη και σύνδεση υλικών.
• Ένας άλλος σημαντικός παράγοντας είναι η οικονομία. Η ανάπτυξή του θα πρέπει να είναι οικονομική, όπως και σε σχέση με το κόστος, όσον αφορά τα έξοδα, τη μακροζωία και το βάρος του.

Επικοινωνία

Τα κυκλώματα που είναι υπεύθυνα για την επικοινωνία είναι γνωστά ως αναμεταδότες του δορυφόρου. Ένας δορυφόρος επικοινωνεί είτε μεταδίδοντας είτε λαμβάνοντας σήματα.

Πομπός

Ο πομπός είναι ένας συνδυασμός πολλών μεμονωμένων κυκλωμάτων.

1. Τροφοδοσία:Για την παροχή σταθερής ισχύος σε όλα τα κυκλώματα ενός πομπού για τη λειτουργία τους.
2. Ταλαντωτής:Το κύκλωμα ταλαντωτή παράγει ένα σήμα ραδιοσυχνότητας, το οποίο είναι ένα ημιτονοειδές κύμα σταθερού πλάτους. Αυτό το κύμα είναι γνωστό ως φορέας, καθώς αργότερα συνδυάζεται με τις πληροφορίες που πρέπει να μεταδοθούν και κυριολεκτικά τις μεταφέρει στον εαυτό του.
3. Διαμορφωτής:Αυτό το κύκλωμα συνδυάζει τον φορέα με τις πληροφορίες που πρέπει να μεταδοθούν μεταβάλλοντας κάποια παράμετρο του φορέα, όπως το πλάτος ή τη συχνότητά του.
4. Ενισχυτής:Οι δορυφόροι χρησιμοποιούν επίσης ενισχυτές για να ενισχύσουν ένα εξασθενημένο σήμα και να το επαναμεταδώσουν σε άλλους δορυφόρους.
5. Κεραία:Τέλος, αυτό το ενισχυμένο σήμα περνά στην κεραία, η οποία χρησιμοποιεί ανακλαστήρες για να εκτοξεύει και να εκπέμπει το σήμα ως ραδιοκύματα προς τον δέκτη.

Δέκτης

Ο δέκτης αναχαιτίζει το εκπεμπόμενο κύμα EM και εξάγει τις πληροφορίες μέσα σε αυτό για χρήση. Ο δέκτης αποτελείται από κυκλώματα που αντικατοπτρίζουν τα μεμονωμένα κυκλώματα ενός πομπού.

1. Κεραία:Η κεραία συγκλίνει τα ραδιοκύματα μέσω ενός ανακλαστήρα. Τα κύματα συγκλίνουν περαιτέρω με εστίες, περνώντας μέσα από συστροφές και στροφές για να φτάσουν τελικά στα κυκλώματα όπου υποβάλλονται σε επεξεργασία.
2. Ενισχυτής:Καθώς το σήμα ταξιδεύει μέσω ενός μέσου, μέρος της ενέργειάς του εξασθενεί, γι' αυτό και ενισχύεται ξανά στο τέλος του δέκτη.
3. Δέκτης:Ο δέκτης λαμβάνει πολλαπλά σήματα σε μια ποικιλία συχνοτήτων από διαφορετικούς πομπούς. Ένας δέκτης χρησιμοποιείται για να ακούσετε ένα συγκεκριμένο σήμα που θέλετε να ακούσετε.
4. Εντοπισμός:Στη συνέχεια ο δέκτης αποδιαμορφώνεται το σήμα ή εξάγει τις απαιτούμενες πληροφορίες από το σήμα φορέα.
5. Ενισχυτής:Οι πληροφορίες ενισχύονται ξανά στο τέλος για να ενισχυθούν και να διασφαλιστεί ότι παρέχονται με επαρκή ισχύ.

Πηγή τροφοδοσίας

Ένας δορυφόρος χρειάζεται να λειτουργεί 365 ημέρες το χρόνο, 24/7, περιστρέφοντας και συλλέγοντας δεδομένα. Η πιο άμεσα διαθέσιμη πηγή ενέργειας είναι ο Ήλιος, αλλά ακόμη και ο Ήλιος ελέγχεται από τη Γη κατά τη διάρκεια των εκλείψεων. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο τα ηλιακά κύτταρα συνοδεύονται από μπαταρίες υψηλής απόδοσης.

Συστήματα εντολών και ελέγχου

Αυτός είναι ο εγκέφαλος του δορυφόρου και περιλαμβάνει το σύστημα παρακολούθησης, τηλεμετρίας και ελέγχου (TT&C), το οποίο παρακολουθεί και ελέγχει όλες τις παραμέτρους του δορυφόρου, αποθηκεύει και αναλύει όλα τα δεδομένα και διέπει την επικοινωνία του με έναν ή περισσότερους δορυφόρους.

Τα δεδομένα αποτελούνται από επιστημονικές πληροφορίες ή σήματα τηλεπικοινωνιών, καθώς και από τη θέση και τις πληροφορίες υγείας του δορυφόρου.

Πώς επικοινωνεί ένας δορυφόρος;

Η επικοινωνία δεν χρειάζεται απαραίτητα να λαμβάνει χώρα στο ραδιοφάσμα. Το τηλεχειριστήριο της τηλεόρασής σας επικοινωνεί με τον αποκωδικοποιητή του με υπέρυθρα κύματα, ενώ τα τηλέφωνα επικοινωνούν με μικροκύματα. Η επιλογή ενός συγκεκριμένου τμήματος του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος εξαρτάται από πολλούς παράγοντες, όπως το μέγεθος των κεραιών, την απόσταση μεταξύ των δύο συμμετεχουσών συσκευών και τα εμπόδια μεταξύ τους.

Τα κύματα υφίστανται ένα φαινόμενο που ονομάζεται περίθλαση, το οποίο τα κάνει να παρεκκλίνουν και να ταξιδεύουν γύρω από ένα εμπόδιο. Η περίθλαση μπορεί να λάβει χώρα μόνο εάν το μήκος κύματος ενός κύματος είναι συγκρίσιμο με το μέγεθος του εμποδίου. Τα μεγάλα μήκη κύματος των ραδιοκυμάτων επιτρέπουν την εύκολη διάθλασή τους γύρω από κτίρια και βουνά.

Τα ραδιοκύματα που μεταδίδονται από τους δορυφόρους αντανακλώνται επίσης από τα φορτισμένα σωματίδια της ιονόσφαιρας. Αυτό είναι εξαιρετικά χρήσιμο όταν δύο δορυφόροι στη Γη χρειάζεται να επικοινωνήσουν, αλλά δεν βρίσκονται απευθείας σε ευθεία λόγω της καμπυλότητας της Γης. Η κεραία εκπομπής προβάλλει τα κύματα σε συγκεκριμένες γωνίες πρόσπτωσης έτσι ώστε να ανακλώνται από την ιονόσφαιρα προς την κατεύθυνση του δέκτη.

Οι δορυφόροι μπορούν επίσης να επικοινωνούν με τη βοήθεια ενός διαστημικού δορυφόρου. Οι δορυφόροι που κρέμονται στο διάστημα συμπεριφέρονται σαν καθρέφτης, εκτρέποντας τα σήματα προς την κατεύθυνση του δορυφόρου που το λαμβάνει. Οι διαστημικοί δορυφόροι όχι μόνο αντανακλούν σήματα, αλλά τα ενισχύουν και τα εκπέμπουν εκ νέου, καθώς εξασθενούν λόγω της συνεχούς διάχυσης στο μέσο και της απορρόφησης από την ατμόσφαιρα.

Εύρος ζώνης και μετάδοση

Το ραδιοφάσμα περιλαμβάνει ένα εύρος συχνοτήτων στις οποίες μπορούν να ταξιδέψουν οι πληροφορίες. Ωστόσο, η επικοινωνία πραγματοποιείται μόνο σε συγκεκριμένες συχνότητες που ορίζονται από τη Διεθνή Ένωση Τηλεπικοινωνιών με έδρα τη Γενεύη της Ελβετίας. Οι συχνότητες ομαδοποιούνται για να σχηματίσουν εύρη ζώνης. Μπορούν να είναι σήματα στενής ζώνης (kHz), τα οποία χρησιμοποιούνται για περιορισμένες υπηρεσίες, όπως τηλεειδοποίηση και επικοινωνία χαμηλών δεδομένων, ή ευρυζωνικά σήματα (MHz), τα οποία χρησιμοποιούνται για προηγμένη επικοινωνία, όπως μετάδοση βίντεο.

Η μετάδοση από έναν σταθμό στη Γη σε έναν δορυφόρο στο διάστημα ονομάζεται ανερχόμενη ζεύξη. Στη συνέχεια, ο δορυφόρος το ενισχύει και επαναδρομολογεί αυτό το σήμα - σε διαφορετική συχνότητα - πίσω στη Γη σε έναν ή περισσότερους δέκτες. Αυτό ονομάζεται κατερχόμενη ζεύξη. Η περιοχή που καλύπτεται από την ακτινοβολία στη Γη ονομάζεται αποτύπωμά της.

Οι δορυφόροι είναι εξαιρετικά χρήσιμες συσκευές που μας βοηθούν να κατανοήσουμε την ακατανόητη γεωγραφία του πλανήτη μας. Αν και οι δορυφόροι έχουν αποκτήσει πρόσφατα κακή φήμη, καθώς επιτρέπουν σε γνωστούς τεχνολογικούς κολοσσούς διαφημιστικές εταιρείες και οργανισμούς ασφαλείας να μας κρατούν υπό συνεχή επιτήρηση και να μη σέβονται το απόρρητό μας, εξακολουθούν να μας συνδέουν με ανθρώπους σε όλο τον κόσμο μέσω των οθονών του τηλεφώνου ή του υπολογιστή μας και βοηθούν προσεγγίζουμε αυτούς τους ανθρώπους πλοηγώντας μας μία στροφή τη φορά.