Δορυφορικό Τμήμα. 4.1 Εισαγωγή. 4.2 Βασική δομή

Transcript

1 Δορυφορικό Τμήμα Σύνοψη Το δορυφορικό τμήμα, αποτελείται από διαφορετικά υποσυστήματα, κάθε ένα από τα οποία εκτελεί και μια διαφορετική, αλλά εξίσου σημαντική ενέργεια ή λειτουργία. Στα διαφορετικά υποσυστήματα, περιλαμβάνονται, το υποσύστημα τροφοδοσίας ισχύος, το υποσύστημα ελέγχου, το οποίο περιλαμβάνει λειτουργίες όπως ο θερμικός έλεγχος και ο έλεγχος τροχιάς, το υποσύστημα των αναμεταδοτών για την υποστήριξη των επικοινωνιών, καθώς επίσης και το υποσύστημα τηλεμετρίας, ιχνηλάτησης και εντολών (TT&C), το οποίο είναι υπεύθυνο για τη διατήρηση της τροχιακής θέσης και της ορθής λειτουργίας του δορυφόρου στο διάστημα. Στο κεφάλαιο αυτό, αρχικά, πραγματοποιείται μια σύντομη περιγραφή της εξωτερικής και εσωτερικής δομής ενός δορυφόρου, ενώ στη συνέχεια δίνεται έμφαση στην περιγραφή κάθε ενός από τα διαφορετικά βασικά υποσυστήματα. Το κεφάλαιο αυτό, επικεντρώνεται στους τηλεπικοινωνιακούς δορυφόρους γεωστατικής τροχιάς. Προαπαιτούμενη γνώση Το κεφάλαιο του παρόντος βιβλίου απαιτεί από τον αναγνώστη να διαθέτει βασικές γνώσεις τηλεπικοινωνιακών συστημάτων, ενέργειας και διαχείριση πληροφορίας. 4.1 Εισαγωγή Ένα δορυφορικό επικοινωνιακό σύστημα απαρτίζεται από δύο βασικά τμήματα, κάθε ένα από τα οποία αποτελεί το ένα από τα δύο επικοινωνιακά άκρα. Ως εκ τούτου, τα τμήματα αυτά διαχωρίζονται στο επίγειο και στο δορυφορικό τμήμα. Το επίγειο τμήμα περιλαμβάνει τους επίγειους σταθμούς, που μπορεί να είναι είτε κινητοί είτε εγκατεστημένοι σταθερά σε κάποια περιοχή της Γης. Περισσότερες πληροφορίες για το επίγειο τμήμα παρουσιάζονται και αναλύονται στο Κεφάλαιο 5. Αντίστοιχα, το δορυφορικό τμήμα αποτελείται από τους δορυφόρους, καθώς επίσης και τις εγκαταστάσεις που χρειάζονται, για να διατηρούν τις λειτουργίες των δορυφόρων, όπως αυτές συχνά αναφέρονται ως τηλεμετρία, ιχνηλάτιση και εντολές (Telemetry, Tracking & Command, TT&C). Οι εγκαταστάσεις αυτές συνήθως βρίσκονται στο επίγειο τμήμα και χρησιμοποιούνται αποκλειστικά για τους σκοπούς του TT&C. Το επίγειο αυτό κομμάτι καλείται υποσύστημα TT&C, και όπως αναφέρθηκε και νωρίτερα, εντάσσεται στο διαστημικό τμήμα αφού αφορά εξ ολοκλήρου τις λειτουργίες τηλεμετρίας του δορυφόρου. Ο διαστημικός εξοπλισμός χωρίζεται σε υποσυστήματα, ανάλογα με τις επιμέρους λειτουργίες του. Το σώμα του δορυφόρου αποτελείται από διαφορετικά συστήματα, κάθε ένα από τα οποία αναλαμβάνει και διαφορετική λειτουργία. Ένα από τα βασικά υποσυστήματα του δορυφόρου αποτελεί το υποσύστημα τροφοδοσίας ισχύος. Η ισχύς χρησιμοποιείται κυρίως από τους πομπούς του δορυφόρου, καθώς και από τα επιμέρους υποσυστήματα για την υποστήριξή του. Το υποσύστημα ελέγχου, αναλαμβάνει όλες τις λειτουργίες ελέγχου που αφορούν το φορτίο, το θερμικό έλεγχο, καθώς και ελέγχους, που αφορούν τη θέση του δορυφόρου, την τροχιά και τη διατήρησή του πάνω σε αυτή (έλεγχος προσανατολισμού). Τέλος, η επικοινωνία του δορυφόρου με τους επίγειους σταθμούς πραγματοποιείται με τη χρήση των μονάδων κεραιών που διαθέτει ο δορυφόρος, οι οποίες λαμβάνουν και εκπέμπουν σε πολύ υψηλές συχνότητες. Οι μονάδες αυτές συγκροτούν το γενικό υποσύστημα των κεραιών. Επίσης, σε αυτό περιλαμβάνονται και οι μονάδες πομποδεκτών που λαμβάνουν, ενισχύουν και αναμεταδίδουν τα εισερχόμενα σήματα, γνωστοί και ως αναμεταδότες (transponders). Σε αυτό το κεφάλαιο αναλύονται ξεχωριστά όλα τα υποσυστήματα του δορυφορικού τμήματος και οι διαφορετικές λειτουργίες που αναλαμβάνουν. 4.2 Βασική δομή Η βασική εξωτερική δομή ενός δορυφορικού συστήματος, φαίνεται στο Σχήμα 4.1. Όπως εύκολα παρατηρεί κανείς, το εξωτερικό μέρος του δορυφόρου αποτελείται από το υποσύστημα κεραιών, τα ηλιακά πάνελς και το εξωτερικό περίβλημα του σώματος του δορυφόρου (body ή satellite housing). Το σχήμα του εξωτερικού περιβλήματος, του βασικού σώματος του δορυφόρου εξαρτάται από το σύστημα, που χρησιμοποιείται για να κρατήσει τον δορυφόρο εντός της τροχιάς, σε ένα σταθεροποιημένο υψόμετρο. Εάν ο δορυφόρος έχει ένα 4-1

2 σύστημα σταθεροποίησης τριών αξόνων, το σχήμα του θα είναι ένα ορθογώνιο κουτί με ηλιακούς συλλέκτες, οι οποίοι προεξέχουν από δύο αντίθετες πλευρές, όπως αυτό που φαίνεται στο Σχήμα 4.1(α). Εάν ο δορυφόρος έχει ένα σύστημα σταθεροποίησης σπιν, το περίβλημα θα είναι κυλινδρικό (Σχήμα 4.1(β)). Οι ηλιακοί συλλέκτες βρίσκονται εξωτερικά του κυλινδρικού σώματος, και η κεραία, συνδέεται με το υπόλοιπο σώμα του δορυφόρου, χρησιμοποιώντας μια περιστρεφόμενη συσκευή (ρουλεμάν), ώστε να διατηρεί μια σταθερή κατεύθυνση. Σχήμα 4.1 Εξωτερική μορφή δορυφόρου: (α) δορυφόρος με ορθογωνικό σχήμα, (β) κυλινδρικός δορυφόρος Οι κεραίες, ανήκουν στο υποσύστημα κεραιών, στο οποίο περιλαμβάνεται και το εσωτερικό κύκλωμα των αναμεταδοτών που περιγράφεται στην Ενότητα 4.6. Οι εξωτερικές κεραίες χρησιμοποιούνται, προκειμένου να είναι δυνατό να υποστηρίζονται οι εξής δύο λειτουργίες: α) η λήψη και η εκπομπή τηλεπικοινωνιακών σημάτων, και β) η παροχή λειτουργιών ελέγχου και ιχνηλάτησης του δορυφόρου (δίκωνο τηλεμετρίας και ανίχνευσης). Τα εύρη συχνοτήτων ορίζονται στις ζώνες C, Ku και Ka. Οι δορυφόροι με μεταδόσεις στη C-ζώνη, χρησιμοποιούν συχνότητες από 4 έως και 8GHz. Για τις ζώνες Ku και Κa, οι συχνότητες επιλέγονται από 11 έως και 17GHz, και από 20 έως 30GHz, αντίστοιχα. Στο δορυφορικό τμήμα υπάρχει η ανάγκη για κεραίες με μικρές διαστάσεις και μεγάλο κέρδος στη λήψη των σημάτων από τη Γη και στη μετάδοση σημάτων προς τη Γη. Για παράδειγμα, κατά τις μεταδόσεις στη C-ζώνη, η διάμετρος της κεραίας μπορεί να φτάσει έως και τα 3 μέτρα. Οι ηλιακοί συλλέκτες αποτελούν μέρος της κύριας πηγής ενέργειας του δορυφόρου και ανήκουν στο υποσύστημα τροφοδοσίας ισχύος, το οποίο περιγράφεται στην επόμενη Ενότητα. Οι ηλιακοί συλλέκτες αποτελούνται από ομάδες ηλιακών κυψελών, τα οποία υπακούν στην αρχή του φωτοβολταϊκού φαινομένου. Συνήθως, είναι κατασκευασμένα από πυρίτιο και βοηθούν στη συλλογή ηλιακής ενέργειας. Τέλος, το εξωτερικό περίβλημα του δορυφόρου αποτελείται από επιστρώσεις από ειδικά θερμομονωτικά υλικά, τα οποία βοηθούν στη διατήρηση της σωστής θερμοκρασίας των εξαρτημάτων και των κυκλωμάτων που βρίσκονται στο εσωτερικό του, και κατά συνέπεια, στη σωστή λειτουργία του δορυφόρου. Οι επιστρώσεις αυτές απομονώνουν τη θερμοκρασία του εξωτερικού περιβάλλοντος, επιμηκύνοντας έτσι και τη διάρκεια ζωής του δορυφόρου. Όλα τα σήματα και τις καταστάσεις, που προκύπτουν από τις επιδράσεις του εξωτερικού περιβάλλοντος του δορυφόρου, τα επεξεργάζεται το εσωτερικό τμήμα του. Η βασική εσωτερική δομή του φαίνεται στο Διαδραστικό Σχήμα 4.1. Ξεκινώντας από κάτω προς τα πάνω, και χωρίζοντας τα διάφορα 4-2

3 εξαρτήματα σε αντίστοιχα υποσυστήματα, βρίσκουμε ότι το ωφέλιμο φορτίο (πράσινο) περιλαμβάνει τον αναμεταδότη, ο οποίος είναι υπεύθυνος για την «τροποποίηση» του σήματος και τη μεταβίβασή του στην κατάλληλη συχνότητα για εκπομπή, καθώς επίσης και τις κεραίες, οι οποίες χρησιμοποιούνται για την επικοινωνία του δορυφόρου με τη Γη. Επίσης, συναντάμε και στοιχεία, όπως αισθητήρες εικόνων και ψηφιακές κάμερες (μωβ). Τα στοιχεία αυτά χρησιμοποιούνται κυρίως για τη λήψη εικονικών στιγμιοτύπων της επιφάνειας της Γης και τη μετέπειτα επεξεργασία τους, για την αποστολή τους στους επίγειους σταθμούς. Τέλος, στα χαμηλά επίπεδα του δορυφόρου περιλαμβάνεται και ένα σετ από κεραίες, οι οποίες είναι είτε σταθερής διαμέτρου με έναν σταθερό ανακλαστήρα (fixed antennas) και στοχεύουν προς σταθερή κατεύθυνση (κεραίες σταθερής σκόπευσης) είτε κεραίες με παραβολικούς ανακλαστήρες (steerable antennas), οι οποίες μπορούν να στοχεύουν οπουδήποτε, καθώς είναι συνδεδεμένες με ειδική συσκευή καθοδήγησης (κεραίες ρυθμιζόμενης σκόπευσης). Interactive 4.1 Αναδυόμενη εικόνα με την ανατομία του διαστημικού σκάφους Προχωρώντας ένα επίπεδο πιο πάνω, έχουμε συσκευές που ανήκουν στο τμήμα τηλεμετρίας, ιχνηλάτησης και εντολών (γαλάζιο). Πιο συγκεκριμένα, οι συσκευές αυτές αφορούν το υπολογιστικό σύστημα για την εκτέλεση εντολών και γενικά, τον έλεγχο της λειτουργίας του δορυφόρου, ενώ υπάρχουν επίσης και οι επεξεργαστές εισόδου-εξόδου, οι οποίοι ελέγχουν τη ροή των δεδομένων που εισέρχεται και εξέρχεται από τα υπολογιστικά συστήματα. Στα ανώτερα επίπεδα της εσωτερικής δομής του δορυφόρου συναντάμε συσκευές, οι οποίες αφορούν κυρίως τον έλεγχο της θέσης του δορυφόρου, όπως για παράδειγμα οι τροχοί αντίδρασης (reaction wheels). Πρόκειται για μεγάλους τροχούς, που περιστρέφονται σε διάφορες κατευθύνσεις, βοηθώντας τον δορυφόρο να κινείται ή να σταθεροποιεί τη τροχιακή του θέση. Μια άλλη συσκευή αυτής της κατηγορίας, είναι οι ανιχνευτές αστερισμών (star trackers), οι οποίοι αποτελούνται από μικρά τηλεσκόπια, τα οποία εντοπίζουν την ύπαρξη άλλων δορυφόρων και αστερισμών στο διάστημα. Εκμεταλλευόμενοι τη θέση των άλλων δορυφόρων, η διαδικασία αυτή βοηθά τους δορυφόρους να προσανατολίζονται και να πλοηγούνται. Τέλος, έχουμε τις μπαταρίες (κόκκινο), οι οποίες ανήκουν στο υποσύστημα τροφοδοσίας ισχύος, ως δευτερεύουσες πηγές ενέργειας. Οι μπαταρίες αποθηκεύουν ηλεκτρική ενέργεια κατά τη διάρκεια της ηλιοφάνειας και ενεργοποιούνται, όταν στις ηλιακές κυψέλες (solar cells) του δορυφόρου δεν προσπίπτει ηλιακή ροή (περίοδος έκλειψης). 4.3 Υποσύστημα τροφοδοσίας ισχύος Οι απαιτήσεις ηλεκτρικής ενέργειας έχουν αυξηθεί σε σημαντικό βαθμό τα τελευταία χρόνια. Το φαινόμενο αυτό, οφείλεται στους εξής τρεις βασικούς παράγοντες: α) τα συστήματα εκτόξευσης είναι πολύ ισχυρά και μπορούν να εισάγουν φορτία εντός των τροχιών από έως και 5.000kg, β) ο αριθμός των αναμεταδοτών γίνεται όλο και μεγαλύτερος, ενώ παράλληλα οι ενισχυτές σε κάθε αναμεταδότη αυξάνουν την κατανάλωση ενέργειας από τα 10-20Watt στα Watt, και γ) τα συστήματα γεωστατικής τροχιάς (Geostationary Orbit Systems, GOS), τα οποία χρησιμοποιούνται για υπηρεσίες επικοινωνιών, καθώς και η χρήση υβριδικών δορυφόρων, συχνοτήτων 6/4GHz και 14/12GHz, αυξάνουν τις απαιτήσεις ενέργειας από 1kW σε περίπου 15kW. Τα σύγχρονα συστήματα των 30/20GHz, τα οποία χρησιμοποιούν και μικρότερου μεγέθους κεραίες στους επίγειους σταθμούς βάσης, αυξάνουν επιπλέον τις ενεργειακές απαιτήσεις. Η ηλεκτρική ενέργεια, που χρησιμοποιείται για τη λειτουργία του δορυφόρου και των υποσυστημάτων του, εξασφαλίζεται μέσω των συστημάτων που αναλαμβάνουν τη συλλογή ηλιακής ενέργειας, τη μετατροπή της σε ηλεκτρική ενέργεια, όπως επίσης και μέσω των αυτόνομων μονάδων παροχής ηλεκτρικής ενέργειας. Οι αυτόνομες μονάδες (μπαταρίες) αποθηκεύουν την ενέργεια από τους συλλέκτες. Όταν οι συλλέκτες και οι μετατροπείς διακόψουν τη λειτουργία τους, οι μπαταρίες επιστρέφουν την ενέργεια αυτή στα επιμέρους υποσυστήματα του δορυφόρου. Αυτή η κατάσταση τροφοδοσίας αξιοποιείται κυρίως κατά τις περιόδους εκλείψεων ή κατά το διάστημα, όπου ο δορυφόρος δεν διαθέτει άμεση επαφή με τις ακτίνες του Ήλιου. Σύμφωνα με τα παραπάνω διακρίνουμε δύο βασικές πηγές ηλεκτρικής ενέργειας: α) τις κύριες πηγές, και β) τις δευτερεύουσες πηγές ενέργειας. Επίσης, η διατήρηση των βασικών πηγών ενέργειας εξαρτάται από τις διαδικασίες ελέγχου και προστασίας των συστημάτων αυτών. 4-3

4 4.3.1 Κύριες πηγές ενέργειας Παρά το γεγονός ότι τα συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας των δορυφορικών συστημάτων έχουν αναπτυχθεί με βάση τη χρήση της ηλιακής, χημικής και της πυρηνικής ενέργειας, τα συστήματα ηλιακής ενέργειας είναι τα πιο αξιόπιστα και προτιμώνται σχεδόν σε όλες τις δορυφορικές εγκαταστάσεις. Αυτό οφείλεται στην αφθονία του ηλιακού φωτός και ως επί το πλείστον στην αδιάκοπη παροχή ηλιακής ενέργειας, που διατίθεται στο διαστημικό περιβάλλον. Ο Ήλιος, λοιπόν, αποτελεί την κύρια εξωτερική πηγή ενέργειας στους δορυφόρους. Η ηλιακή ενέργεια μετατρέπεται σε ηλεκτρική για την άμεση παροχή ενέργειας σε όλα τα υποσυστήματα του δορυφορικού τμήματος. Η επιλογή των συστημάτων για τη μετατροπή της ηλιακής ενέργειας σε ηλεκτρική ενέργεια εξερευνήθηκε από τους μηχανικούς και τους επιστήμονες κατά τα πρώτα χρόνια της ανάπτυξης διαστημικών συστημάτων. Αρχικά πραγματοποιήθηκε προσπάθεια ανάπτυξης μιας θερμικής μηχανής (Carnot) ως σταθμός παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας με χρήση παραβολικών ηλιακών συλλεκτών. Παράλληλα, χρησιμοποιούνταν ατομικοί συλλέκτες και μπαταρίες. Όλες αυτές οι προσεγγίσεις πλέον έχουν αντικατασταθεί από τις ηλιακές κυψέλες, που κατασκευάζονται από πυρίτιο και οι οποίες μετατρέπουν ένα μέρος της ισοδύναμης ακτινοβολίας του Ήλιου απευθείας σε ηλεκτρική ενέργεια (Roddy, 2006). Επομένως, το βασικό και πρωτεύον συστατικό του συστήματος παροχής ισχύος της δορυφορικής επικοινωνίας περιλαμβάνει τις γεννήτριες ισχύος, οι οποίες αποτελούνται από τις ηλιακές κυψέλες. Κάθε μία από τις ηλιακές κυψέλες παράγει ένα μικρό ποσό ισχύος. Συνεπώς, προτιμάται η εγκατάσταση και η χρήση συστοιχιών από ηλιακές κυψέλες, παράλληλα ή σειριακά συνδεδεμένα μεταξύ τους, ώστε να παράγεται το επιθυμητό και απαραίτητο ποσό ηλεκτρικής ενέργειας του δορυφόρου. Οι ηλιακές κυψέλες μετατρέπουν ένα ποσοστό του προσπίπτοντος ηλιακού φωτός σε ηλεκτρική ενέργεια, καθώς επιτυγχάνουν αποδοτικότητα περίπου από 20% έως και 25% στην αρχή της διάρκειας ζωής τους. Tο ποσοστό αυτό μειώνεται κατά τη διάρκεια ζωής των ηλιακών κυψελών, εξαιτίας της φθοράς της επιφάνειας τους από ενδεχόμενες συγκρούσεις με θραύσματα μετεωριτών στο διάστημα (Pratt, Bostian & Allnut, 2009). Το μέγεθος της υποβάθμισης της αποδοτικότητας εξαρτάται, επίσης, από το είδος της τροχιάς των δορυφόρων, καθώς και από τη μέση ηλιακή δραστηριότητα. Για τον περιορισμό της υποβάθμισης, κάθε ένα στοιχείο προστατεύεται από ένα ειδικό κρυστάλλινο κάλυμμα, το οποίο προστατεύει το εσωτερικό του από τα μεγάλα μήκη κύματος. Η λειτουργία των ηλιακών κυψελών βασίζεται στην αρχή του βολταϊκού φαινομένου, κατά το οποίο οι τεχνητοί ημιαγωγοί ενώνονται, ώστε να δημιουργήσουν ένα ηλεκτρικό κύκλωμα. Οι ημιαγωγοί αυτοί απορροφούν τα φωτόνια από την ηλιακή ακτινοβολία, παράγοντας μια ηλεκτρική τάση. Για μια συστοιχία ηλιακών κυψελών 2x2cm και λαμβάνοντας υπόψη ότι η προσπίπτουσα ηλιακή ροή πάνω στην επιφάνεια των κυψελών είναι κάθετη και περίπου ίση με την κανονικοποιημένη ηλιακή ροή, σε απόσταση ίση με 1 αστρονομική μονάδα (περίπου 1353Watt/m 2 ), η μέγιστη ισχύς ισούται με το γινόμενο του ρεύματος I c επί της τάσης V c ως συνάρτηση του φορτίου. Ωστόσο, η μέγιστη ισχύς εξαρτάται και από τη θερμοκρασία, καθώς μια σημαντική αύξηση της θερμοκρασίας της τάξης του 100%, μπορεί να μειώσει την τάση κατά ποσοστό 11%. Όπως αναφέρθηκε και νωρίτερα, τα ηλιακά στοιχεία κατασκευάζονται συνήθως από πυρίτιο (Si) πάνω σε ένα μονοκρυσταλλικό τσιπ, πάχους από 50 έως και 200μm. Στην πίσω όψη κάθε στοιχείου, τοποθετείται επίσης και μια ανακλαστική επίστρωση, που ονομάζεται ανακλαστήρας πίσω επιφανείας (back surface reflector) για τα φωτόνια, τα οποία δεν έχουν χάσει την ενέργεια τους. Κατά τον τρόπο αυτό, διαπερνούν εκ νέου το ηλιακό στοιχείο, προσφέροντας ολόκληρο το ποσοστό ενέργειάς τους. Με τον εμπλουτισμό των υλικών και τη δημιουργία της αντι-ανακλαστικής επιφάνειας, έχει επιτευχθεί η επικείμενη αύξηση της αποδοτικότητας, καθώς με τον τρόπο αυτό αυξάνεται το ποσοστό διείσδυσης του ηλιακού φωτός. Το πυρίτιο χρησιμοποιείται στους ημιαγωγούς και προτιμάται από άλλα στοιχεία, επειδή παραμένει ημιαγωγός και σε πολύ υψηλότερες θερμοκρασίες. Μία διαφορετική προσέγγιση στην κατασκευή των υλικών ηλιακών κυψελών αποτελεί η χρήση του αρσενιούχου γαλλίου (GaAs), η οποία προσφέρει μια επιπλέον αύξηση στην απόδοση κατά ποσοστό 20% (Maral & Bousquet, 2012). Φυσικά, το κόστος υλοποίησης είναι μεγαλύτερο συγκριτικά με τις κυψέλες πυριτίου, όπως επίσης το μέγεθος (μάζα) και το πάχος, καθώς παρουσιάζουν και μεγαλύτερη αντοχή στην ακτινοβολία. Άλλες τεχνολογίες είναι τα στοιχεία σειριακής πολλαπλής ένωσης (multi-junction cascade, MJC) και τα στοιχεία λεπτής μεμβράνης (thin film). Το συμπέρασμα, το οποίο προκύπτει συγκρίνοντας τις προαναφερθείσες τεχνολογίες, είναι ότι περισσότερο αποδοτικά είναι τα είδη MJC, αλλά με πολύ μεγαλύτερο βάρος και κόστος, ενώ τα στοιχεία λεπτής μεμβράνης είναι λιγότερο αποδοτικά, αλλά με μικρότερο βάρος και πολύ χαμηλότερο κόστος. Μία συστοιχία από αρκετές χιλιάδες ηλιακές κυψέλες συνδεδεμένα μεταξύ τους αποτελεί μια γεννήτρια ισχύος ή ηλιακή γεννήτρια ή αλλιώς έναν ηλιακό συλλέκτη (Σχήμα 4.2). Τα ηλιακά στοιχεία 4-4

5 τοποθετούνται στους ηλιακούς συλλέκτες, καλύπτοντας το 90% της συνολικής του επιφάνειας και παρέχουν την απαιτούμενη ισχύ P. Τα στοιχεία συνδέονται σε σειρά ή παράλληλα και μπορούν να διαθέτουν τάση V μερικών δεκάδων volts και ρεύμα I μερικών δεκάδων ampere. Αντίστοιχα, το πλήθος των στοιχείων, που θα συνδεθούν σε σειρά, εξαρτώνται από τη συνολική τάση V προς την τάση που παράγει ένα μονό στοιχείο V c, ενώ η παράλληλη σύνδεση εξαρτάται από το συνολικό ρεύμα I του συλλέκτη προς το ρεύμα ενός στοιχείου, I c. Στις πραγματικές διατάξεις αυτό. που χρησιμοποιείται συνήθως είναι ο συνδυασμός σειράς-παράλληλης σύνδεσης, ώστε να υπάρχει μέγιστη ολική αξιοπιστία. Σε κάθε μια περίπτωση ξεχωριστά δημιουργούνται προβλήματα, τα οποία αφορούν τη μείωση της ηλεκτρεγερτικής δύναμης, την ανισοκατανομή του ρεύματος, την υπερβολική απώλεια θερμότητας και την καταστροφή της μόνωσης. Επίσης, η ισχύς P c, που παρέχει κάθε στοιχείο του συλλέκτη, εξαρτάται από τις συνθήκες φωτισμού. Αντίστοιχα, η ισχύς P=nP c, που παρέχει ο συλλέκτης, όπου n είναι ο αριθμός των ηλιακών κυψελών, τα οποία είναι συνδεδεμένα σε ένα ηλιακό πάνελ, μεταβάλλεται με τον χρόνο, όπως επίσης και οι απαιτήσεις σε ισχύ του δορυφόρου. Για τον λόγο αυτό, ο υπολογισμός των διαστάσεων του συλλέκτη θα πρέπει να πραγματοποιείται, λαμβάνοντας υπόψη τις χειρότερες συνθήκες ανάλογα με την τροχιά, στην οποία βρίσκεται ο δορυφόρος. Σχήμα 4.2 Ηλιακός συλλέκτης Ο τρόπος με τον οποίο τοποθετούνται οι ηλιακοί συλλέκτες πάνω στον δορυφόρο, εξαρτάται από το σχήμα τους και τον τύπο σταθεροποίησής τους, όπως φαίνεται και στο Σχήμα 4.1. Στους δορυφόρους που σταθεροποιούνται σε τροχιά μέσω περιστροφής, οι ηλιακοί συλλέκτες καλύπτουν το εξωτερικό τμήμα του δορυφόρου. Οι δορυφόροι αυτοί έχουν συνήθως κυλινδρικό σχήμα, συνεπώς δεν προσπίπτει ηλιακό φως σε όλες τις ηλιακές κυψέλες ταυτόχρονα. Αντίστοιχα, στην περίπτωση όπου οι δορυφόροι είναι σταθεροποιημένοι κατά τους τρεις άξονες, μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε διαφορετικών ειδών συλλέκτες, όπως για παράδειγμα, τους εύκαμπτους συλλέκτες, τους ημι-εύκαμπτους και τους άκαμπτους. Και τα τρία αυτά είδη συλλεκτών, ξετυλίγονται μετά την εκτόξευση, και όταν ο δορυφόρος έχει τεθεί σε μόνιμη τροχιά. Επίσης, ο δορυφόρος διαθέτει και συσκευές προσανατολισμού. Τα απαραίτητα στοιχεία λειτουργίας μιας συσκευής προσανατολισμού είναι: α) οι ηλιακοί αισθητήρες, και β) ο κινητήρας οδήγησης με κινούμενες επαφές για τη μεταφορά του ρεύματος στον δορυφόρο. Οι συσκευές προσανατολισμού είναι απαραίτητες για την ανίχνευση των ηλιακών ακτίνων και τη μεταφορά της ενέργειας στα επιμέρους υποσυστήματα του δορυφόρου Δευτερεύουσες πηγές ενέργειας Οι δευτερεύουσες πηγές ενέργειας αποθηκεύουν ενέργεια από την κύρια πηγή, ενώ, όταν αυτή τεθεί εκτός λειτουργίας για ένα συγκεκριμένο διάστημα, την αντικαθιστούν, παρέχοντας στο δορυφορικό σύστημα ηλεκτρική ενέργεια. Για τη διαδικασία αυτή, ο δορυφόρος είναι εξοπλισμένος με ηλεκτροχημικές μπαταρίες, οι οποίες αποθηκεύουν την ηλεκτρική ενέργεια με τη μορφή χημικής ενέργειας και πάντοτε, χρησιμοποιούνται σε συνδυασμό με την ηλιακή ενέργεια, η οποία οδηγείται στις γεννήτριες ηλεκτρικής ενέργειας για την κάλυψη των απαιτήσεων αδιάλειπτης παροχής ηλεκτρικής ισχύος στους δορυφόρους. Στο διαστημικό σκάφος οι μπαταρίες έχουν τη μορφή του Σχήματος 4.3. Οι μπαταρίες δεν χρησιμοποιούνται ποτέ ως το μοναδικό μέσο κάλυψης των ηλεκτρικών ενεργειακών αναγκών του δορυφόρου. Πρόκειται για επαναφορτιζόμενες μπαταρίες, που φορτίζουν κατά τη διάρκεια της περιόδου, όπου η ηλιακή ακτινοβολία 4-5

6 πέφτει στον δορυφόρο. Κατά τη διάρκεια των περιόδων της έκλειψης, όταν η ηλιακή ακτινοβολία αποτυγχάνει να φθάσει στον δορυφόρο, χρησιμοποιούνται οι μπαταρίες για την παροχή ηλεκτρικής ενέργειας. Σε αυτό το σημείο ξεκινά και η αποφόρτισή τους. Οι μπαταρίες παρουσιάζουν διάρκεια έως και 70 λεπτά, στα νεότερα δορυφορικά συστήματα. Οι χαρακτηριστικές παράμετροι των στοιχείων της μπαταρίας συγκεντρώνονται στον Πίνακα 4.1. Στην ουσία, αυτό που παίζει τον μεγαλύτερο ρόλο είναι η χωρητικότητα της μπαταρίας, όπως επίσης και το ποσοστό της ειδικής ενέργειας που αποθηκεύεται σε κάθε μονάδα μάζας. Ωστόσο, η μεγάλη διάρκεια ζωής, που εξαρτάται από το βάθος αποφόρτισης (depth of discharge, DoD) και τη θερμοκρασία, αποτελεί μια από τις επιδιωκόμενες ιδιότητες των χρησιμοποιούμενων μπαταριών, καθώς με τον τρόπο αυτόν αυξάνεται και ο χρόνος παροχής ηλεκτρικής ενέργειας στα υποσυστήματα του δορυφόρου σε ενδεχόμενες εκλείψεις μεγάλης διάρκειας. Το βάθος αποφόρτισης είναι η μοναδική παράμετρος που καθορίζεται από τον χρήστη και εξαρτάται, επίσης, από τον αριθμό των κύκλων φόρτισης και αποφόρτισης που επιθυμούμε. Η σχέση των κύκλων αυτών με το βάθος αποφόρτισης είναι αντιστρόφως ανάλογη. Παράμετρος Συμβολισμός Περιγραφή Διάρκεια Ζωής T life Χρόνος λειτουργίας της μπαταρίας. Εξαρτάται από το DoD και τη θερμοκρασία. Χωρητικότητα C (Ah) Γινόμενο του ρεύματος που αντλείται επί του χρόνου χρήσης. Ειδική Ενέργεια Wh/kg Η ενέργεια που αποθηκεύεται ανά μονάδα μάζας. Μέση Τάση Αποφόρτισης V d (V) Εξαρτάται από την ένταση του ρεύματος αποφόρτισης. Βάθος Αποφόρτισης DoD Ποσοστό αποθηκευμένης ενέργειας, που χρησιμοποιείται στο τέλος της μεγαλύτερης διάρκειας χρήσης, χωρίς επαναφόρτιση. Απόδοση Φόρτισης n ch Λόγος της αποθηκευμένης ενέργειας προς την ενέργεια που καταναλώνεται για την επαναφόρτιση Απόδοση Αποφόρτισης n d Λόγος της ενέργειας, η οποία ανακτάται, προς το μέρος της ενέργειας που χρησιμοποιήθηκε. Πίνακας 4.1 Χαρακτηριστικές παράμετροι στοιχείων μπαταρίας Σχήμα 4.3 Μπαταρίες (fuel tanks) διαστημικού σκάφους (Πηγή: ISAS-JAXA) Η επιλογή της σωστής τεχνολογίας μπαταρίας για έναν δορυφόρο εξαρτάται από πολλούς παράγοντες. Αυτοί περιλαμβάνουν τη συχνότητα χρήσης των στοιχείων της μπαταρίας, το μέγεθος του φορτίου και το DoD. Όπως αναφέρθηκε και νωρίτερα, όσο λιγότερους κύκλους φόρτισης και αποφόρτισης έχουμε, με λιγότερες απαιτήσεις φόρτισης σε κάθε κύκλο, τόσο μεγαλύτερη θα είναι η διάρκεια ζωής της μπαταρίας. Η επιλογή της τεχνολογίας των μπαταριών είναι στενά συνδεδεμένη με την τροχιά στην οποία τίθεται ο δορυφόρος. Οι μπαταρίες, που χρησιμοποιούνται σε LEO δορυφόρους, παρουσιάζουν μεγαλύτερο αριθμό κύκλων φόρτισης και αποφόρτισης συγκριτικά με τις μπαταρίες των δορυφόρων GEO. Οι δορυφόροι LEO έχουν μια τροχιακή περίοδο της τάξης των 100 λεπτών και η περίοδος των εκλείψεων είναι λεπτά ανά τροχιά. Για τους GEO δορυφόρους, η τροχιακή περίοδος είναι 24 ώρες και η διάρκεια των εκλείψεων ποικίλλει από 0 έως και 72 λεπτά κατά τη διάρκεια της ισημερίας. Συνεπώς, οι μπαταρίες για τους LEO δορυφόρους υπόκεινται σε DoD ποσοστού 40%, ενώ οι μπαταρίες των GEO δορυφόρων υποβάλλονται σε μεγαλύτερο DoD, της τάξεως του 80%. Επίσης, η θερμοκρασία αποτελεί έναν από τους πολύ βασικούς παράγοντες, που λαμβάνονται υπόψη κατά τον σχεδιασμό των μπαταριών. 4-6

7 Οι μπαταρίες που χρησιμοποιούνται στους δορυφόρους είναι συνήθως οι εξής: α) νικελίου-καδμίου (NiCd), β) νικελίου-μετάλλου υδριδίου (NiMH), γ) νικελίου-υδρογόνου (NiH2) και δ) μπαταρίες λιθίου (Li). Οι μπαταρίες νικελίου-υδρογόνου επιτρέπουν μεγαλύτερο DoD σε σχέση με τις μπαταρίες νικελίου-καδμίου για τον ίδιο αριθμό κύκλων. Από αυτό προκύπτει μεγαλύτερη ειδική ενέργεια, μεγαλύτερη διάρκεια ζωής, ενώ ταυτόχρονα γίνεται χρήση μιας ελαφρύτερης μπαταρίας για την παροχή του ίδιου ποσοστού ενέργειας. Οι μπαταρίες νικελίου-υδρογόνου παρέχουν όλα αυτά τα βασικά χαρακτηριστικά, καθώς το υδρογόνο είναι πολύ ελαφρύτερο και αποδοτικότερο ως προς την αποθήκευση ενέργειας. Επίσης, παρουσιάζουν μεγαλύτερη ανοχή σε φαινόμενα υπο-φόρτισης, λόγω της μοναδικής ηλεκτροχημείας του συστήματος. Αντίστοιχα, οι μπαταρίες ιόντων λιθίου παράγουν την ίδια ενέργεια όπως οι μπαταρίες νικελίου-μετάλλου υδριδίου, αλλά ζυγίζουν περίπου 30% λιγότερο. Οι μπαταρίες αυτές, ωστόσο, απαιτούν ειδικό χειρισμό, καθώς το λίθιο είναι ένα εύφλεκτο υλικό. Μπορούν να χρησιμοποιηθούν για LEO, MEO, καθώς και GEO δορυφόρους. Οι κατηγορίες αυτές έχουν συγκεκριμένες ενεργειακές προδιαγραφές της τάξεως των Wh/kg (στην περίπτωση των NiCd), Wh/kg (στην περίπτωση των NiMH και NiH2) και Wh/kg (στην περίπτωση των Li-ion μπαταριών). Οι μικροί δορυφόροι LEO χρησιμοποιούν, συνήθως, τις μπαταρίες νικελίου-καδμίου. Οι μπαταρίες νικελίου-υδρογόνου, αντίστοιχα, χρησιμοποιούνται από δορυφόρους GEO, λόγω της μεγαλύτερης ειδικής ενέργειας και του αυξημένου προσδόκιμου ζωής. Τέλος, οι μπαταρίες ιόντων λιθίου, οι οποίες αποκαλούνται και μπαταρίες του μέλλοντος, μπορούν να χρησιμοποιηθούν για LEO, MEO και GEO δορυφόρους Κυκλώματα προσαρμογής ενέργειας Κατά τη διάρκεια της λειτουργίας του εντός τροχιάς, ο δορυφόρος και το υποσύστημα τροφοδοσίας ισχύος περνούν από διαφορετικές καταστάσεις και συνθήκες, που τα επηρεάζουν. Ένας πολύ σημαντικός παράγοντας είναι η θερμοκρασία. Για παράδειγμα, όταν ο δορυφόρος βρίσκεται σε περίοδο έκλειψης, η θερμοκρασία του ηλιακού συλλέκτη μπορεί να πέσει περίπου στους -180 ο C. Όταν η περίοδος της έκλειψης ολοκληρωθεί, η θερμοκρασία αυξάνεται μερικές δεκάδες βαθμούς. Αυτή η απότομη αλλαγή στη θερμοκρασία αυξάνει κατά ένα σημαντικό ποσοστό την τάση, που παρέχουν οι κυψέλες συγκριτικά με την ονομαστική τιμή, που αντιστοιχεί στην ισορροπία θερμοκρασίας. Αντίστοιχα, κατά το διάστημα όπου πραγματοποιείται χρήση των μπαταριών, η τάση στους ακροδέκτες κυμαίνεται από 15 έως 30%, ανάλογα με το DοD. Υπολογίζοντας τις παραμέτρους και εξετάζοντας όλες τις χειρότερες συνθήκες, καταλήγουμε στο συμπέρασμα ότι ο δορυφόρος θα πρέπει να είναι εξοπλισμένος με ειδικά κυκλώματα προσαρμογής ενέργειας, ώστε να αποφεύγεται η γρήγορη υποβάθμιση των ηλιακών στοιχείων. Τα κυκλώματα αυτά βοηθούν στην καλύτερη προσαρμογή της ηλεκτρικής ενέργειας, που διανέμεται στα επιμέρους υποσυστήματα του δορυφόρου, και είναι άμεσα συνδεδεμένα με τα κυκλώματα ελέγχου και προστασίας (Maral & Bousquet, 2012). Για την επίτευξη του παραπάνω στόχου υπάρχουν αρκετές αρχιτεκτονικές και σχηματικές διατάξεις που προτείνονται. Οι δύο βασικότερες από αυτές περιλαμβάνουν: 1) τη χρήση ρυθμιστών, που ελέγχουν τη διανομή της τάσης κατά την περίοδο πλήρους πρόσπτωσης της ηλιακής ροής στην επιφάνεια των κυψελών και 2) την προσέγγιση του κυκλώματος τροφοδοσίας, που δεν πραγματοποιεί χρήση κάποιου ρυθμιστή, και σύμφωνα με την οποία η ηλιακή γεννήτρια τροφοδοτεί άμεσα τον εξοπλισμό πλατφόρμας και το ωφέλιμο φορτίο μέσω μιας μονάδας διανομής. Η σχηματική διάταξη του κυκλώματος αυτού φαίνεται στο Σχήμα

8 Σχήμα 4.4 Κύκλωμα τροφοδοσίας χωρίς ρυθμιστή Η αρχιτεκτονική της μη ρυθμιζόμενης γραμμής τροφοδοσίας είναι απλή. Η μπαταρία συνδέεται με μια ηλιακή γεννήτρια επαναφόρτισης, η οποία είναι συνδεδεμένη με την κύρια γεννήτρια σε σειρά. Η σύνδεση αυτή λειτουργεί κατά τις περιόδους εκτός έκλειψης. Σε αυτή τη περίπτωση, η τάση της γραμμής μεταφοράς μεταβάλλεται, ανάλογα με τις απαιτήσεις της ισχύος που καταναλώνεται. Σημαντικό ρόλο εδώ παίζει και η χαρακτηριστική καμπύλη της ηλιακής γεννήτριας, η οποία μετακινείται ανάλογα με τις διακυμάνσεις της ηλιακής ακτινοβολίας και της θερμοκρασίας των ηλιακών στοιχείων. Αντίστοιχα, κατά τη διάρκεια των εκλείψεων, η μπαταρία συνδέεται με τη γραμμή παροχής ισχύος, αφού αντικαθιστά την κύρια πηγή ενέργειας, παρέχοντας απευθείας ηλεκτρική ενέργεια στα κυκλώματα του δορυφόρου. Η μπαταρία σε αυτό το σημείο καθορίζει το δυναμικό V b της γραμμής που τροφοδοτεί τον εξοπλισμό, ενώ η τάση της γραμμής μειώνεται κατά τη διάρκεια της αποφόρτισης. Η μη ρυθμιζόμενη αρχιτεκτονική του Σχήματος 4.4, είναι αρκετά αξιόπιστη (Maral & Bousquet, 2012). Παρόλα αυτά, τα εξαρτήματα, που συνδέονται με τη γραμμή τροφοδοσίας, υπόκεινται σε μεταβολές της τάξεως των 10 έως και 40%, γεγονός που παραπέμπει σε στοιχεία, τα οποία είναι σχεδιασμένα, έτσι ώστε να είναι ανθεκτικά σε συχνές μεταβολές τάσης. Επίσης, τα κυκλώματα τροφοδοσίας χωρίς ρυθμιστή υφίστανται το φαινόμενο lock-out, σύμφωνα με το οποίο η ηλιακή ενέργεια χρειάζεται μεγαλύτερες διαστάσεις, ώστε να είναι δυνατή η διαφυγή από τη σταθερή κατάσταση, χωρίς τη διακοπή της παροχής ενέργειας στα επιμέρους δορυφορικά κυκλώματα. Οι άλλες δύο αρχιτεκτονικές, που χρησιμοποιούνται συνήθως, αφορούν τη χρήση ρυθμιστών τάσης. Υπάρχουν τα κυκλώματα, τα οποία είναι ρυθμιζόμενα από τον Ήλιο, και τα οποία ρυθμίζουν τη τάση κατά τις περιόδους ηλιοφάνειας, καθώς επίσης και τα συστήματα, τα οποία ρυθμίζουν τη γραμμή μεταφοράς ανεξάρτητα από τον Ήλιο, κατά τις δύο περιόδους έκλειψης και ηλιοφάνειας. Τα κυκλώματα αυτού του είδους αποσυνδέουν την μπαταρία από τη γραμμή τροφοδοσίας μέσω ενός ρυθμιστή αποφόρτισης μπαταρίας (battery discharge regulator, BDR). Η σχηματική απεικόνιση αυτού του κυκλώματος φαίνεται στο Σχήμα 4.5. Σύμφωνα με αυτό, η τάση της ηλιακής γεννήτριας και της γραμμής μεταφοράς διατηρείται σταθερή κατά τις 4-8

9 περιόδους ηλιοφάνειας, ενώ κατά τις περιόδους των εκλείψεων η μπαταρία παρέχει σε σταθερή ισχύ στη γραμμή μεταφοράς μέσω του BDR. Σχήμα 4.5 Κύκλωμα τροφοδοσίας με χρήση ρυθμιστή αποφόρτισης μπαταρίας Ο ρυθμιστής φόρτισης της μπαταρίας (buttery charge regulator, BCR) συνδέεται με τη γραμμή τροφοδοσίας, παρέχοντας μια ομαλότητα στην τάση της μπαταρίας σε περιόδους ηλιοφάνειας. Τότε η τάση της γραμμής είναι μεγαλύτερη από την τάση της μπαταρίας. Σε περιόδους εκλείψεων η τάση της γραμμής είναι μικρότερη από την τάση της μπαταρίας, ενώ η πρώτη μεταβάλλεται με την αποφόρτιση της μπαταρίας. Τα ρυθμιστικά κυκλώματα, που εξαρτώνται από τον Ήλιο, είναι σχετικά απλά σχετικά με τη λειτουργία και τη χρήση τους. Αντίστοιχα, η σταθερή τάση, που προσφέρεται από το κύκλωμα του Σχήματος 4.5, καθιστά τα συστήματα αυτά περίπλοκα και συνεπώς αρκετά αναξιόπιστα. Ωστόσο, υπάρχουν και άλλοι συνδυασμοί και τρόποι οργάνωσης, οι οποίοι μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την επίτευξη της σταθερότητας της τάσης στις διαφορετικές συνθήκες. Ένα παράδειγμα είναι η χρήση της μπαταρίας ως απομονωτή μετά την έξοδο από την περίοδο έκλειψης. Αυτό βοηθά στον περιορισμό των αυξητικών μεταβολών τάσης σε ένα μη ρυθμιζόμενο δίαυλο, λόγω της μεγάλης ισχύος που παρέχεται από την ηλιακή γεννήτρια σε περιόδους εκλείψεων (χαμηλών θερμοκρασιών). Η επιλογή κάποιου από τους προαναφερθέντες τρόπους οργάνωσης βασίζεται σε κάποια κριτήρια. Ένα από αυτά είναι η συνολική μάζα και η απόδοση του υποσυστήματος τροφοδοσίας. Με βάση το κριτήριο αυτό, η ρυθμιζόμενη γραμμή τροφοδοσίας του Σχήματος 4.5 αποτελεί την καλύτερη επιλογή, λόγω της μικρής μάζας και της αυξημένης απόδοσής της. Επίσης, η τάση της μπαταρίας σε αυτή την περίπτωση δεν καθορίζεται άμεσα από τη γραμμή μεταφοράς, προσφέροντας το πλεονέκτημα της επιλογής του τρόπου, με τον οποίο βελτιώνουμε το πλήθος των στοιχείων της μπαταρίας ανάλογα και με τη διαθέσιμη χωρητικότητα. Τέλος, διάφορες μελέτες (Maral & Bousquet, 2012), (Roddy, 2006) έχουν δείξει πως η απευθείας φόρτιση της μπαταρίας με ένα μέρος της ηλιακής γεννήτριας είναι περισσότερο αποδοτική και χρήσιμη, συγκριτικά με τη χρήση κάποιου ρυθμιστή φόρτισης μπαταρίας Κυκλώματα προστασίας Στο δορυφορικό σύστημα, όπως και σε κάθε άλλου είδους επικοινωνιακό σύστημα, είναι δυνατόν να υπάρξουν βλάβες, οι οποίες αφορούν την τροφοδοσία, τον έλεγχο και άλλα υποσυστήματα. Ιδιαίτερα στην περίπτωση των δορυφορικών επικοινωνιών, και πιο συγκεκριμένα του δορυφορικού τμήματος, λόγω της αυξημένης μάζας και του όγκου των συστημάτων που βρίσκονται στο διάστημα, είναι αδύνατον να προστεθούν περίσσεια στοιχεία, τα οποία θα αντικαθιστούν τα προβληματικά στοιχεία στις ενδεχόμενες 4-9

10 βλάβες. Για τον λόγο αυτό, τα συστήματα του δορυφόρου είναι σχεδιασμένα με τέτοιο τρόπο, ώστε να αντιμετωπίζονται οι επιπτώσεις των βλαβών μέσα από το ίδιο το σύστημα. Ένα παράδειγμα αυτού αποτελεί η διπλή διακλάδωση τροφοδοσίας του υποσυστήματος, που βρίσκεται πάνω από τον δορυφόρο επικοινωνίας. Οι διακλαδώσεις αυτές τροφοδοτούν ολόκληρο το δορυφορικό τμήμα και η ενέργεια που λαμβάνουν προέρχεται από τα πτερύγια ηλιακής ενέργειας. Επίσης, κάθε μια από τις διακλαδώσεις αυτές διαθέτει και ξεχωριστή μπαταρία. Κάθε φορά που έχουμε βλάβη σε μια από τις διακλαδώσεις, ενεργοποιείται η άλλη για την επίτευξη της τροφοδοσίας του δορυφόρου. Αντίστοιχα και με την ίδια λογική, όλα τα δευτερεύοντα εξαρτήματα, όπως διακόπτες, συσκευές ελέγχου και ρυθμιστές, είναι διπλά. Ως βλάβη μπορεί να χαρακτηριστεί και το γεγονός της δυσλειτουργίας ενός στοιχείου. Τα κυκλώματα προστασίας χρησιμοποιούνται στο υποσύστημα τροφοδοσίας, ώστε να προβλέπουν ενδεχόμενες βλάβες, προστατεύοντας έτσι ολόκληρο το υποσύστημα. Ένα παράδειγμα ενός κυκλώματος προστασίας είναι οι περιοριστές αποφόρτισης μπαταρίας. Τα κυκλώματα αυτά βοηθούν στην αποφυγή της αντιστροφής της πόλωσης, και κατά συνέπεια, στη συνεχή ροή της ηλεκτρικής τάσης. Άλλα παραδείγματα αποτελούν η χρήση ανάστροφων πολωμένων διόδων ή η χρήση παράλληλων ηλεκτρονόμων (relays). 4.4 Υποσύστημα ελέγχου Το υποσύστημα ελέγχου του δορυφόρου περιλαμβάνει όλα τα κυκλώματα του δορυφόρου, τα οποία διατίθενται αποκλειστικά και μόνο για τον έλεγχο της λειτουργίας του. Οι έλεγχοι αυτοί αφορούν κυρίως τη θέση του δορυφόρου στην τροχιά, τον προσανατολισμό του, τον έλεγχο του φορτίου, καθώς επίσης και τον θερμικό έλεγχο, ο οποίος κατηγοριοποιείται σε παθητικό και ενεργητικό έλεγχο. Σε αυτή την Ενότητα αναλύονται όλα τα βασικά στοιχεία του υποσυστήματος ελέγχου Έλεγχος προσανατολισμού Ο προσανατολισμός του δορυφόρου στο διάστημα είναι άμεσα συνδεδεμένος με τη θέση, τη σταθεροποίηση του ρυθμού περιστροφής του σώματος του δορυφόρου και τη στροφορμή του. Αρκετά από τα συστήματα, που βρίσκονται πάνω στο σώμα του δορυφόρου, ελέγχουν τον προσανατολισμό του. Η χρησιμότητα του ελέγχου προσανατολισμού βασίζεται στην επιβεβαίωση ότι οι δέσμες των κατευθυντικών κεραιών «στοχεύουν» προς τη σωστή κατεύθυνση. Ωστόσο, η λειτουργία αυτού του συστήματος είναι πολύ σημαντική, καθώς παρέχει και την απαιτούμενη ακρίβεια που απαιτείται από τις φωτοβολταϊκές κυψέλες και τους διάφορους αισθητήρες. Ο έλεγχος της θέσης του δορυφόρου γίνεται στους τρεις άξονες, μέσω αισθητήρων και ενεργοποιητών, οι οποίοι δρουν με σκοπό την επαναφορά και τη διατήρηση του προσανατολισμού του δορυφόρου στην επιθυμητή διεύθυνση. Οι αισθητήρες μπορούν να λειτουργούν, εντοπίζοντας το ασθενές μαγνητικό πεδίο της Γης, τη θέση του ήλιου ή τη θέση των αστεριών και να στέλνουν τα δεδομένα προς επεξεργασία, ώστε να δοθούν οι κατάλληλες εντολές στους ενεργοποιητές, δηλαδή στα πηνία. Στην περίπτωση των περιβαλλοντικών δορυφόρων, τα όργανα ιχνηλάτησης πρέπει να καλύπτουν τις απαιτούμενες περιοχές της Γης. Και αυτή η διαδικασία απαιτεί έλεγχο προσανατολισμού. Διάφορες δυνάμεις, που ονομάζονται ροπές διαταραχής, μπορούν να αλλάξουν τη στάση και τον προσανατολισμό του δορυφόρου. Παραδείγματα των δυνάμεων αυτών είναι τα βαρυτικά πεδία της Γης και της σελήνης, η ηλιακή ακτινοβολία, και οι μετεωρίτες. Η έννοια του ελέγχου του προσανατολισμού δεν πρέπει να συγχέεται με τη διατήρηση της τροχιακής θέσης του δορυφόρου, έννοια η οποία αναλύεται στις επόμενες Ενότητες. Για τον έλεγχο της στάσης του δορυφόρου θα πρέπει να υπάρχουν διαθέσιμες μετρήσεις από τον προσανατολισμό ενός δορυφόρου στο διάστημα, καθώς και για κάθε τάση που έχει ο δορυφόρος να παρεκκλίνει. Μια μέθοδος, που το επιτυγχάνει αυτό, είναι η χρήση υπέρυθρων αισθητήρων, που αναφέρονται ως οριζόντιοι ανιχνευτές (horizontal detectors) και οι οποίοι χρησιμοποιούνται για να εντοπίζουν την επιφάνεια της Γης. Με τη χρήση τεσσάρων υπέρυθρων αισθητήρων, ενός για κάθε τεταρτημόριο, το κέντρο της Γης μπορεί εύκολα να εντοπιστεί ως σημείο αναφοράς. Οποιαδήποτε αλλαγή στον προσανατολισμό ανιχνεύεται από έναν ή περισσότερους αισθητήρες, ενώ ένα αντίστοιχο σήμα ελέγχου, το οποίο παράγεται, ενεργοποιεί μια επαναφορά ροπής. Ο έλεγχος του προσανατολισμού πραγματοποιείται κυρίως πάνω στον δορυφόρο. Υπάρχουν ωστόσο και περιπτώσεις, όπου σήματα ελέγχου μεταδίδονται από τους επίγειους σταθμούς, ώστε ο έλεγχος να 4-10

11 διεξάγεται επί της Γης. Επίσης, όταν επιδιώκεται αλλαγή στον προσανατολισμό, πραγματοποιείται ένας ελιγμός από τα σήματα ελέγχου, τα οποία αποστέλλονται από τους επίγειους σταθμούς βάσης. Οι ροπές διαταραχής μπορούν να δημιουργηθούν με πολλούς τρόπους. Ο παθητικός έλεγχος προσανατολισμού αναφέρεται στη χρήση μηχανισμών που σταθεροποιούν τον δορυφόρο, χωρίς να χρησιμοποιούν κάποιον επιπρόσθετο ειδικό εξοπλισμό στο σώμα του δορυφόρου. Παραδείγματα παθητικού ελέγχου προσανατολισμού αποτελούν η σταθεροποίηση περιστροφής του δορυφόρου (spin satellite stabilization) και η σταθεροποίηση της βαθμίδας βαρύτητας (gravity gradient stabilization). Η δεύτερη εξαρτάται από την αλληλεπίδραση του δορυφόρου με το βαρυτικό πεδίο. Για τους επικοινωνιακούς δορυφόρους χρησιμοποιείται συνήθως η σταθεροποίηση περιστροφής, η οποία και αναλύεται στην Ενότητα Μία άλλη μορφή ελέγχου προσανατολισμού είναι ο ενεργός έλεγχος, κατά τον οποίο δεν χρησιμοποιείται καμία ροπή σταθεροποίησης, η οποία να αντιστέκεται στις ροπές διαταραχής. Αντίθετα, στην περίπτωση του ενεργού ελέγχου εφαρμόζονται διορθωτικές ροπές ως απαιτούμενες για την αντιστάθμιση των ροπών διαταραχής. Οι μέθοδοι, που χρησιμοποιούνται για την παραγωγή των ροπών ενεργού ελέγχου, περιλαμβάνουν τροχιές, ηλεκτρομαγνητικά πηνία και συσκευές αποβολής μάζας, όπως πίδακες αερίου και προωθητήρες ιόντων. Η διατήρηση της θέσης και του προσανατολισμού είναι πολύ σημαντική, για να μπορέσει ο δορυφόρος να επιτελέσει τον σκοπό του. Η ακρίβεια και η αξιοπιστία του ελέγχου θέσης και γενικά του υποσυστήματος ελέγχου καθορίζουν την αποδοτικότητα των υπόλοιπων συστημάτων, όπως ο προσανατολισμός των κεραιών στενής δέσμης και των ηλιακών συλλεκτών. Οι άξονες τριών κατευθύνσεων, που ορίζουν τη θέση και τον προσανατολισμό ενός δορυφόρου, είναι οι άξονες του τοπικού συστήματος συντεταγμένων (yaw, roll, pitch, YRP). Το Σχήμα 4.6(α) απεικονίζει τους τρεις άξονες. Ο κάθετος άξονας (roll-axis) βρίσκεται στο επίπεδο της τροχιάς, και δείχνει προς την κατεύθυνση της ταχύτητας. Ο roll-axis είναι κάθετος στον οριζόντιο άξονα (yaw-axis), ο οποίος δείχνει προς το κέντρο της Γης. Τέλος, ο εγκάρσιος άξονας (pitch-axis) είναι κάθετος προς τους δύο άλλους και δείχνει προς την κανονική κατεύθυνση του δορυφόρου. Για παράδειγμα, για έναν γεωστατικό δορυφόρο ο pitch-axis δείχνει προς τον Νότο. Επίσης, και οι τρεις άξονες περνούν μέσα από το βαρυτικό κέντρο του δορυφόρου. Για μια γεωστατική τροχιά (Σχήμα 4.6(β)) η κίνηση του δορυφόρου γύρω από τον κάθετο άξονα μετακινεί το αποτύπωμα της κεραίας στην Γη βόρεια και νότια, ενώ η κίνηση γύρω από τον εγκάρσιο άξονα, μετακινεί το αποτύπωμα ανατολικά και δυτικά. Η κίνηση γύρω από τον οριζόντιο άξονα περιστρέφει το αποτύπωμα της κεραίας πάνω στη Γη. Σχήμα 4.6 α) Τρεις άξονες κατευθύνσεων, β) Κίνηση δορυφόρου γύρω από τον κάθετο άξονα Σταθεροποίηση μέσω περιστροφής 4-11

12 Η σταθεροποίηση περιστροφής μπορεί να επιτευχθεί με κυλινδρικούς δορυφόρους. Ο δορυφόρος είναι κατασκευασμένος, έτσι ώστε να είναι μηχανικά ισορροπημένος σε ένα συγκεκριμένο άξονα και στη συνέχεια τοποθετείται, περιστρεφόμενος γύρω από τον άξονα αυτό. Στους γεωστατικούς δορυφόρους, ο άξονας περιστροφής ρυθμίζεται, ώστε να είναι παράλληλος προς τον κάθετο άξονα της Γης, όπως φαίνεται στο Διαδραστικό Σχήμα 4.2. Ο ρυθμός της περιστροφής κυμαίνεται από 50 έως και 100 στροφές ανά λεπτό. Η περιστροφή ξεκινά στη φάση έναρξης, με τη βοήθεια των μικρών πιδάκων αερίου. Όταν δεν υπάρχουν ροπές διαταραχής, ο δορυφόρος με περιστροφή διατηρεί τον σωστό προσανατολισμό του σε σχέση με τη Γη. Οι ροπές διαταραχής προκαλούνται με διάφορους τρόπους, είτε εξωτερικά είτε εσωτερικά του δορυφόρου. Η ηλιακή ακτινοβολία, η βαρυτική κλίση και οι μετεωρίτες, είναι όλα τα παραδείγματα των εξωτερικών δυνάμεων που μπορούν να οδηγήσουν σε ροπές διαταραχής. Αντίστοιχα, η μετακίνηση των στοιχείων στον δορυφόρο, όπως οι κεραίες, μπορούν επίσης να οδηγήσουν στη δημιουργία ροπών διαταραχής. Η ύπαρξη των ροπών αυτών οδηγεί σε μείωση του ρυθμού περιστροφής και σε αλλαγή του άξονα της γωνίας περιστροφής. Οι προωθητήρες ή οι πίδακες μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την αύξηση του ρυθμού περιστροφής και για να μετατοπίσουν τον άξονα πίσω στον σωστό προσανατολισμό. Οι ταλαντώσεις, που προκύπτουν από τις ροπές διαταραχής, και κατά συνέπεια και οι επιπτώσεις αυτών, μπορούν να μειωθούν με τη βοήθεια απορροφητών ενέργειας, οι οποίοι είναι γνωστοί και ως απομονωτές ταλαντώσεων. Interactive 4.2 Σταθεροποίηση μέσω περιστροφής σε γεωστατική τροχιά Σταθεροποίηση σε τρεις άξονες Η σταθεροποίηση, εκτός από την περίπτωση των περιστρεφόμενων δορυφόρων, μπορεί να επιτευχθεί και σε μη κυλινδρικούς δορυφόρους. Η σταθεροποίηση αυτή γίνεται και στους τρεις άξονες, ενώ ο όρος αυτός δηλώνει ένα σύστημα ελέγχου θέσης, στο οποίο ο κύριος δορυφόρος διατηρεί σταθερό προσανατολισμό και με αυτόν τον τρόπο είναι πιο εύκολη η προσαρμογή μεγάλων κεραιών και ηλιακών συλλεκτών, ευθυγραμμισμένων με τον εγκάρσιο άξονα, ώστε να ακολουθούν την καθημερινή κίνηση του ήλιου. Η περιστροφή στον εγκάρσιο άξονα δεν παρέχει γυροσκοπική σταθερότητα, ώστε να αντιμετωπίζονται οι διάφορες ροπές διαταραχής. Για τον λόγο αυτό σχεδιάζονται και χρησιμοποιούνται μηχανές προώθησης για την παροχή ορθών διορθωτικών ροπών. Μία άλλη προσέγγιση είναι η απόκτηση πάλι της γυροσκοπικής σταθερότητας (όπως είχαμε και στη σταθεροποίηση περιστροφής) με τη χρήση ενός ή περισσότερων τροχών αδράνειας. Οι τροχοί αδράνειας παρέχουν στροφορμή στον δορυφόρο, καθώς τοποθετούνται στο επάνω μέρος του (Maral & Bousquet, 2012) Έλεγχος και διατήρηση τροχιακής θέσης Ένας δορυφόρος, εκτός από τον έλεγχο του προσανατολισμού του, είναι πολύ σημαντικό να μπορεί να διατηρεί και τη σωστή θέση του στην τροχιά στην οποία βρίσκεται (orbital slot). Πολλές φορές, και κυρίως στην περίπτωση των γεωστατικών δορυφόρων, η ισημερινή ελλειπτικότητα της Γης παρεκτρέπει κατά ένα μικρό ποσοστό τους δορυφόρους σε όλο το μήκος της γεωστατικής τροχιάς, σε ένα από τα δύο σταθερά σημεία. Για να αντιμετωπιστεί αυτή η ολίσθηση, μία αντίθετα κατευθυνόμενη συνιστώσα ταχύτητας προστίθεται στον δορυφόρο με τη χρήση προωθητήρων, οι οποίοι ενεργοποιούνται περίπου κάθε 2 ή 3 εβδομάδες. Η διαδικασία αυτή επαναφέρει τον δορυφόρο στην αρχική ονομαστική του θέση. Οι ελιγμοί αυτοί ονομάζονται ανατολικοί-δυτικοί ελιγμοί διατήρησης θέσης (east-west station keeping maneuvers). Αντίστοιχα, υπάρχουν και οι ελιγμοί που αφορούν τη μετατόπιση του δορυφόρου κατά το γεωγραφικό πλάτος. Οι κύριες δυνάμεις απόκλισης είναι η βαρυτική έλξη του Ήλιου και της Σελήνης. Για να αποφευχθεί η μετατόπιση στην κλίση που υπερβαίνει τα καθορισμένα όρια, οι προωθητήρες ενεργοποιούνται, ώστε να επιστρέψει η κλίση στην ονομαστική της τιμή (δηλαδή το 0). Οι προωθητήρες πρέπει να ενεργοποιούνται, όταν η κλίση είναι στο μηδέν, ώστε να αποφευχθεί η αλλαγή της κλίσης. Αυτοί οι ελιγμοί ονομάζονται βόρειοι-νότιοι ελιγμοί διατήρησης θέσης (north-south station-keeping maneuvers). 4-12

13 Η διόρθωση τροχιάς (orbital correction) πραγματοποιείται μέσω εντολών από το ΤΤ&C του επίγειου σταθμού, η οποία παρακολουθεί τη θέση του δορυφόρου. Οι ανατολικοί/δυτικοί και βόρειοι/νότιοι ελιγμοί διατήρησης θέσης, συνήθως διεξάγονται με τους ίδιους προωθητήρες, που χρησιμοποιούνται για τον έλεγχο του προσανατολισμού. Στην περίπτωση της τοποθέτησης του δορυφόρου σε μία κεκλιμένη τροχιά, το north-south stationkeeping maneuvers μπορεί να παραλειφθεί. Με αυτόν τον τρόπο επιτυγχάνεται εξοικονόμηση βάρους, αφού δεν είναι απαραίτητο να μεταφερθούν καύσιμα γι αυτούς τους ελιγμούς. Επίσης, με τον τρόπο αυτό επιτυγχάνεται και αύξηση του ωφέλιμου φορτίου. Ο δορυφόρος τοποθετείται σε μια κεκλιμένη τροχιά, περίπου 2,5 έως 3 ο. Κατά τη διάρκεια μιας περιόδου, η τροχιά θα αλλάξει σε ισημερινή και στη συνέχεια θα συνεχίσει να αυξάνεται η έγκλιση. Ωστόσο, η διάταξη αυτή απαιτεί τον εντοπισμό των κεραιών στους επίγειους σταθμούς βάσης Θερμικός έλεγχος Ο θερμικός έλεγχος εξασφαλίζει τη διατήρηση της θερμοκρασίας στα στοιχεία του δορυφόρου, διασφαλίζοντας έτσι τη σωστή λειτουργία του. Οι δορυφόροι, όπως αναλύθηκε και προηγουμένως, υπόκεινται σε μεγάλες θερμοκρασιακές διακυμάνσεις. Η μία πλευρά του δορυφόρου είναι πάντα στραμμένη προς τον Ήλιο, οπότε εκεί έχουμε υψηλές θερμοκρασίες, ενώ η πλευρά του δορυφόρου, η οποία βρίσκεται προς το διάστημα, υπόκειται σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες. Οι διαφορές αυτές είναι δυνατό να προξενήσουν μεταβολές στα επιμέρους υποσυστήματα του δορυφόρου. Είναι πολύ σημαντικό, ο εξοπλισμός του δορυφόρου να μπορεί να λειτουργεί, όσο το δυνατόν, σε ένα σταθερό περιβάλλον θερμοκρασίας. Για την επίτευξη του στόχου αυτού, έχουν ληφθεί διάφορα μέτρα, όπως η τοποθέτηση θερμικών επιστρώσεων (θερμικές κουβέρτες) και ασπίδων, οι οποίες μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως μονωτικά υλικά. Τα πλαίσια θερμοκρασίας εντός των οποίων πρέπει να διατηρείται ο εξοπλισμός του δορυφόρου, είναι διαφορετικά, ανάλογα με τη λειτουργική κατάσταση του δορυφόρου. Για παράδειγμα, τα πλαίσια θερμοκρασίας του εξοπλισμού, όταν ο δορυφόρος βρίσκεται σε αναμονή, είναι διαφορετικά από αυτά που ισχύουν, όταν βρίσκεται σε λειτουργία. Τα κυκλώματα των δορυφόρων που βρίσκονται σε λειτουργία, παράγουν τη δική τους θερμότητα, η οποία πρέπει να απομακρύνεται. Αντίστοιχα, όταν ο δορυφόρος είναι σε αναμονή, πολλές φορές είναι αναγκαίο να αυξηθεί η θερμοκρασία του, ώστε να αποφευχθεί η υπερβολική πτώση της θερμοκρασίας του. Ο θερμικός έλεγχος αναλαμβάνει τη διαδικασία αυτή, προσδιορίζοντας τα βασικά όρια θερμοκρασίας Προδιαγραφές θερμικού ελέγχου Τα πλαίσια θερμοκρασίας δεν διαφέρουν μόνο στις δύο πλευρές του δορυφόρου, αλλά διαφέρουν και στα επιμέρους εξαρτήματα του δορυφόρου. Για παράδειγμα, η ηλιακή γεννήτρια παρουσιάζει ανοχή σε πολύ μικρότερες θερμοκρασίες, συγκριτικά με την μπαταρία, η οποία βρίσκεται σε λειτουργία και η οποία αντέχει σε θερμοκρασίες άνω του μηδενός. Φυσικά, τα όρια των θερμοκρασιών, στα οποία πρέπει να υπόκεινται τα διάφορα υποσυστήματα, πρέπει να καθορίζονται με τέτοιο τρόπο, ώστε να διασφαλίζεται η σωστή λειτουργία τους, ενώ ταυτόχρονα να αποτελούν ευρύτερα όρια, μέχρι το σημείο εκείνο στο οποίο ο εξοπλισμός υφίσταται σημαντική υποβάθμιση. Σημαντικό ρόλο στις προδιαγραφές του θερμικού ελέγχου παίζουν και τα χαρακτηριστικά του διαστημικού περιβάλλοντος. Κατά τη διάρκεια ζωής του, ο δορυφόρος υπόκειται σε διάφορες εξωτερικές πηγές ακτινοβολίας, όπως οι ακτίνες του ήλιου και η υπέρυθρη ακτινοβολία από τη Γη, με διαφορετικές φασματικές κατανομές και γεωμετρική μορφή. Όλες οι ακτινοβολίες από τις εξωτερικές πηγές απορροφώνται με διαφορετικό τρόπο και κατά διαφορετικό ποσοστό από την επιφάνεια του δορυφόρου. Επίσης, οι συχνές μεταβολές της θέσης και της απόστασης του δορυφόρου αλλάζουν τις συνθήκες φωτισμού, ενώ αντίστοιχα το διαστημικό περιβάλλον απορροφά ολόκληρη την ακτινοβολία του δορυφόρου. Όλα τα χαρακτηριστικά του περιβάλλοντος, και οι διαφορετικές αλλαγές και ακτινοβολίες, παρουσιάζονται στο Σχήμα

14 Σχήμα 4.7 Χαρακτηριστικά διαστημικού περιβάλλοντος Σύμφωνα με την αρχή του ελέγχου θερμότητας, η μέση θερμότητα τόσο του εξοπλισμού όσο και του δορυφόρου ως ένα σύνολο στοιχείων εξαρτάται από τη θερμότητα που ακτινοβολούν και απορροφούν οι επιφάνειες των στοιχείων, τη θερμότητα που εκπέμπεται ή λαμβάνεται μέσω της αγωγιμότητας της μηχανικής σύνδεσης του κάθε εξαρτήματος ή των επιφανειών του δορυφόρου, καθώς επίσης και από την εσωτερική θερμότητα που παράγεται από το εσωτερικό του δορυφόρου (κυκλώματα και άλλα). Συνεπώς, ο έλεγχος της θερμοκρασίας εξαρτάται από τη ρύθμιση της απορροφητικότητας (absorptivity) ή της ικανότητας εκπομπής (emissivity) των επιμέρους επιφανειών και της θερμικής αγωγιμότητας μεταξύ των διαφορετικών τμημάτων. Επίσης, είναι δυνατό να σχεδιαστεί κατάλληλη διάταξη, προκειμένου οι επιφάνειες που εκπέμπουν ακτινοβολία να στοχεύουν στο διάστημα, έτσι ώστε να αποβάλλεται και να απορροφάται ολόκληρο το μέρος της θερμότητας, που εκλύεται μέσω των ακτινοβολιών από το διάστημα. Οι ρυθμίσεις αυτές διευκολύνουν την ανταλλαγή θερμότητας στα διάφορα στοιχεία του δορυφόρου, καθώς επίσης ελαχιστοποιούν τη λαμβανόμενη θερμότητα. Επίσης, για περιπτώσεις, όπου η θερμοκρασία είναι σε πολύ χαμηλά επίπεδα, είναι δυνατό να παρέχονται τοπικές πηγές θερμότητας, όπως για παράδειγμα οι ηλεκτρικές συσκευές θέρμανσης, ώστε να εξισορροπείται η θερμότητα, όταν αυτό είναι απαραίτητο. Ο θερμικός έλεγχος μπορεί να πραγματοποιηθεί είτε παθητικά είτε ενεργητικά. Και οι δύο περιπτώσεις αναλύονται στις επόμενες Ενότητες Παθητικός έλεγχος Όλα τα στοιχεία ακτινοβολούν θερμική ενέργεια σε ένα ποσοστό, ανάλογα με τη θερμοκρασία τους και την αποδοτικότητά τους ως προς την εκπομπή ισχύος. Τα παθητικά συστήματα θερμικού ελέγχου για οχήματα εκτόξευσης και δορυφόρους, κάνουν χρήση μηχανικών υλικών, ώστε να ελέγχουν τις ποσότητες ενέργειας, οι οποίες εκπέμπονται και απορροφώνται. Τα υλικά υψηλής εκπομπής χρησιμοποιούνται για να εκλύουν την περίσσεια ενέργεια θερμότητας στο διάστημα, έτσι ώστε να επαναφέρουν τον δορυφόρο στη σωστή θερμοκρασιακή κατάσταση. Αυτά τα υλικά μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να ακτινοβολούν την ενέργεια, η οποία έχει συγκεντρωθεί από ένα ενεργό θερμικό σύστημα ελέγχου, όπως περιγράφεται στην επόμενη Ενότητα Το διαστημικό σκάφος, αντίστοιχα, μπορεί να απομονωθεί από τις μεταβολές του εξωτερικού περιβάλλοντος μέσω της χρήσης πολλαπλών στρωμάτων μόνωσης (multiple layer insulation, MLI), δηλαδή ειδικών μονωτικών κουβερτών, που αποτελούνται από πολλά στρώματα υλικών χαμηλού συντελεστή εκπομπής. Η αναλογία της απορρόφησης της ηλιακής ενέργειας προς τον συντελεστή εκπομπής 4-14

15 των υλικών, που φωτίζονται από τον ήλιο, επιλέγεται για να μεταφέρει το επιθυμητό ποσό της ηλιακής ενέργειας στο διαστημόπλοιο. Από τη στιγμή που ο παθητικός έλεγχος βασίζεται στις ιδιότητες της απορρόφησης και της εκπομπής, μένει μόνο να οριστούν οι όροι αυτοί ως εξής: Απορροφητικότητα, α: ορίζεται ως ο λόγος του ποσού απορρόφησης ισχύος ανά μονάδα επιφανείας, προς την προσπίπτουσα ισχύ. Ικανότητα Εκπομπής, ε: ορίζεται ως ο λόγος της εκπεμπόμενης ισχύος ανά μονάδα επιφανείας προς την ισχύ που θα εξέπεμπε ένα μέλαν σώμα ανά την ίδια μονάδα. Π.χ. για ένα μέλαν σώμα, ε=1. Οι τιμές των a και ε εξαρτώνται από τα διαφορετικά είδη επιφανείας τα οποία μπορούν να χρησιμοποιηθούν. Στον Πίνακα 4.2, συγκεντρώνονται διάφορες τιμές των a και ε για τα διαφορετικά υλικά και τα είδη των επιφανειών. Τα μέταλλα αυτά χρησιμοποιούνται πιο συχνά για τον θερμικό έλεγχο. Άλλα υλικά, τα οποία χρησιμοποιούνται για τις επιστρώσεις, είναι τα μέταλλα, συμπεριλαμβανομένων του χαλκού, χρωμίου και νικελοχρωμίου για άλλες εφαρμογές Ο λόγος των δύο αυτών ιδιοτήτων α/ε, είναι πολύ σημαντικός για τον καθορισμό της μέσης θερμοκρασίας, για μια επιφάνεια στην οποία προσπίπτει ηλιακή ροή. Υλικό Τυπική τιμή ε Τυπική τιμή α Λόγος α/ε Επίστρωση Χρυσού 0,02 0,28 14 Επίστρωση Ασημιού 0,02 0,07 3,5 Αλουμίνιο 0,03 0,12 4 Λευκή Βαφή 0,9 0,17 0,18 Μαύρη Βαφή 0,89 0,97 1,08 Πίνακας 4.2 Τιμές απορροφητικότητας α και ικανότητας εκπομπής ε για τις διαφορετικές επιστρώσεις υλικών Για την απομάκρυνση της περίσσειας θερμότητας, που δημιουργείται από τα εξαρτήματα επικοινωνίας του δορυφόρου, χρησιμοποιούνται οι ακτινοβολητές (radiators). Ο λόγος α/ε για τις επιφάνειες αυτές είναι πολύ μικρός, και επομένως μπορούν και απορροφούν όσο το δυνατόν λιγότερη ηλιακή ακτινοβολία. Για τον υπολογισμό της επιφάνειας S, από την οποία χρειάζεται να απομακρυνθεί η αποβαλλόμενη θερμική ισχύς, θεωρούμε ότι κατά τη διάρκεια όπου επιτυγχάνεται θερμοκρασία ισορροπίας T(K), το σύνολο της θερμικής ισχύος P και της ισχύος, που απορροφάται από τον Ήλιο, είναι ίσο με την ακτινοβολούμενη ισχύ της επιφάνειας αυτής. Συνεπώς, ισχύει η παρακάτω εξίσωση: P + af SUN S = evsst 4 (4.1) όπου τα α και ε είναι οι αντίστοιχοι συντελεστές απορροφητικότητας και ικανότητας εκπομπής του ακτινοβολητή, Φ SUN είναι η ηλιακή ροή και v είναι ο παράγοντας παρατήρησης από την επιφάνεια ακτινοβολίας, ο οποίος μπορεί να κυμαίνεται από 0,85 έως και 0,9. Γνωρίζουμε ότι η εκπεμπόμενη ισχύς ανά μονάδα επιφανείας ενός ιδανικού μέλανος σώματος (Watt/m 2 ) είναι ίση με σt 4, όπου Τ είναι η θερμοκρασία ισορροπίας και s = 5, Wm -2 K -4 είναι η σταθερά του Stefan-Boltzmann (Maral & Bousquet, 2012). Στην ουσία αποτελεί ένα συμπλήρωμα του ποσοστού των στερακτινίων του διαστήματος, η οποία αποκρύπτεται από εμπόδια. Έτσι, έχοντας μια τιμή για τη θερμοκρασία ισορροπίας και με τη χρήση της εξίσωσης (4.1), μπορούμε να υπολογίσουμε την επιφάνεια S, στη χειρότερη περίπτωση ηλιακής ακτινοβολίας. Ο υπολογισμός της τιμής της ροής Φ SUN πραγματοποιείται ανάλογα με το αν η επιφάνεια που θέλουμε να υπολογίσουμε είναι κάθετη ή παράλληλη προς το επίπεδο του ισημερινού, και εξαρτάται από την απόκλιση δ και την απόσταση R SUN από τον Ήλιο. Ο υπολογισμός περιλαμβάνει τιμές σε αστρονομικές μονάδες (ΑU). Στo Σχήμα 4.8 φαίνονται οι μεταβολές της ροής της ηλιακής ακτινοβολίας στην επιφάνεια Βορρά-Νότου ενός γεωστατικού δορυφόρου, ο οποίος στρέφεται προς τον Ήλιο. 4-15

16 Σχήμα 4.8 Μεταβολές ροής ηλιακής ακτινοβολίας στην επιφάνεια Βορρά-Νότου ενός GEO δορυφόρου (α) Επίδραση απόκλισης δ του ήλιου, (β) Επίδραση της ροής ακτινοβολίας λόγω της απόστασης R SUN από τον ήλιο μόνο (1,00=1370 W/m 2 ) (γ) Συνδυασμός απόκλισης δ και μεταβολής απόστασης R SUN (1,00=1366 W/m 2 ) Για μια επιφάνεια κάθετη στο επίπεδο του ισημερινού, η τιμή της ροής Φ SUN δίνεται από τη σχέση: F SUN = cos( d ) 1370, Watt / m 2 (4.2) d 2 όπου η ποσότητα 1370Watt/m 2 είναι η προσπίπτουσα ροή σε επιφάνεια κάθετη στη ροή ακτινοβολίας για απόσταση 1ΑU από τον Ήλιο. H χειρότερη δυνατή περίπτωση είναι ακριβώς πριν από την εαρινή ισημερία. Άρα, από το Σχήμα 4.8, έχουμε δ=4,3 ο και 1/(R SUN) 2 =1,

17 Αντίστοιχα, για μια επιφάνεια παράλληλη στο επίπεδο του ισημερινού, η τιμή της ροής Φ SUN δίνεται από την εξίσωση: F SUN = cos ( 90o -d ) 1370, Watt / m 2 (4.3) d 2 Στην περίπτωση αυτή, έχουμε δύο χειρότερες δυνατές καταστάσεις: α) ακριβώς πριν το χειμερινό ηλιοστάσιο, για μία επιφάνεια που βρίσκεται στο νότιο τμήμα του δορυφόρου, και β) κατά το θερινό ηλιοστάσιο, για μία επιφάνεια που βρίσκεται στη βόρεια πλευρά του δορυφόρου. Λαμβάνοντας τις αντίστοιχες τιμές από τα διαγράμματα του Σχήματος 4.8, παίρνουμε και τη σωστή τιμή της ροής Φ SUN. Αυτό που ισχύει γενικά είναι ότι οι τιμές της ροής Φ SUN είναι μικρότερες για επιφάνειες που είναι παράλληλες στο ισημερινό επίπεδο Ενεργητικός έλεγχος Τα ενεργά συστήματα θερμικού ελέγχου, όπως οι θερμαντήρες αντίστασης, τα θερμο-ηλεκτρικά ψυγεία ή ψύκτες, και οι σωλήνες θερμότητας, είναι κάποια από τα πολύ βασικά εργαλεία για τη διαχείριση της θερμοκρασίας σε συγκεκριμένες περιοχές του διαστημικού συστήματος. Τα συστήματα αυτά χρησιμοποιούνται για τον έλεγχο της μέσης θερμοκρασίας. Τα συστήματα θέρμανσης καταναλώνουν πολύτιμη ηλεκτρική ενέργεια. Τα συστήματα ψύξης, επίσης, καταναλώνουν ισχύ και στην πραγματικότητα συγκεντρώνουν μόνο τη θερμική ενέργεια σε έναν μικρότερο όγκο, ο οποίος πρέπει ακόμη παθητικά να ακτινοβολείται στο διάστημα. Ο ενεργητικός έλεγχος χρησιμοποιείται ως συμπλήρωμα του παθητικού ελέγχου. Ο παθητικός έλεγχος προτιμάται περισσότερο από τον ενεργητικό έλεγχο, λόγω του χαμηλού κόστους, της απλότητάς του και της αξιοπιστίας του Υποσύστημα τηλεμετρίας, ιχνηλάτησης & εντολών (TT&C) Το υποσύστημα τηλεμετρίας, ιχνηλάτησης και εντολών (telemetry, tracking & command, TT&C) εκτελεί πολύ βασικές λειτουργίες, που αφορούν τη διατήρηση της σωστής λειτουργίας του δορυφόρου. Το υποσύστημα αυτό διαχειρίζεται και ελέγχει τις δεδομένες τιμές θέσης, τροχιάς, προσανατολισμού, καθώς επίσης και τη γενική κατάσταση του δορυφόρου, όλων των αισθητήρων και των επιμέρους υποσυστημάτων του. Οι λειτουργίες του TT&C, αποτελούν πολύπλοκες διαδικασίες, οι οποίες απαιτούν εξειδικευμένες εγκαταστάσεις τόσο στον δορυφόρο, όσο και στη Γη. Η δομή του επίγειου τμήματος ελέγχου φαίνεται στο Σχήμα Όπως φαίνεται, περιλαμβάνει κεραίες ΤΤ&C, έναν δέκτη τηλεμετρίας και έναν πομπό εντολών, το υποσύστημα ιχνηλάτησης, μονάδες επεξεργασίας και λειτουργίες ανάλυσης. Το επίγειο αυτό τμήμα αποστέλλει ειδικά σήματα ελέγχου (μηνύματα εντολών) στον δέκτη του δορυφόρου για τη διασφάλιση της ακρίβειας της τροχιακής του θέσης, και γενικά για τη μεταβολή της κατάστασης, σε περίπτωση ενδεχόμενου λάθους. Η λογική, αφορά τον έλεγχο της ορθής λειτουργίας του εξοπλισμού. Στη συνέχεια, μετά το πέρας των κατάλληλων μετρήσεων, ο δορυφόρος αποστέλλει μέσω του υποσυστήματος TT&C στο επίγειο μέρος του, τα αποτελέσματα των υπολογισμών και τις γενικότερες πληροφορίες σχετικά με τη λειτουργία και την κατάσταση του δορυφόρου. Με αυτό τον τρόπο, γίνεται επαλήθευση των εντολών που στάλθηκαν από το επίγειο στο δορυφορικό τμήμα. Η διαδικασία αυτή μπορεί να πραγματοποιηθεί και αντίστροφα, με τα υποσυστήματα του δορυφόρου να ανιχνεύουν τη δυσλειτουργία και να αποστέλλουν μηνύματα τηλεμετρίας στο επίγειο τμήμα (Miani & Agrawal, 2011). O έλεγχος και η παρακολούθηση του δορυφόρου επιτυγχάνεται από εξειδικευμένο ανθρώπινο δυναμικό, που διαθέτουν πρόσβαση σε εξειδικευμένο εξοπλισμό, ή με αυτοματοποιημένο τρόπο. Στο δορυφορικό τμήμα, για την υποστήριξη του TT&C, είναι εγκατεστημένες οι κεραίες για το TT&C, ένας δέκτης εντολών και ένας πομπός τηλεμετρίας και ιχνηλάτησης. Επίσης, περιλαμβάνονται και αισθητήρες ιχνηλάτησης, καθώς και εγκατεστημένα υπολογιστικά συστήματα, τα οποία επεξεργάζονται και μορφοποιούν τις εντολές. Οι ζεύξεις του υποσυστήματος TT&C με το επίγειο μέρος του πραγματοποιούνται σε ένα μικρό εύρος ζώνης, της τάξεως των 100MHz, στην S-ζώνη. Η συμφόρηση στις ζώνες αυτές περιορίζεται, αφού οι ζεύξεις του υποσυστήματος TT&C δρομολογούνται από τον εξοπλισμό του δορυφόρου, και επομένως χρησιμοποιούν 4-17

18 τις τυπικές ζώνες των δορυφόρων. Σε αυτή την περίπτωση, όμως, προκύπτει ένα πολύ βασικό πρόβλημα: οι κεραίες, οι οποίες τοποθετούνται στους δορυφόρους, είναι κατευθυντικές, με αποτέλεσμα μια αλλαγή στη θέση του δορυφόρου να μπορεί να διακόψει τη ζεύξη του υποσυστήματος ΤΤ&C. Στην περίπτωση αυτή, το επίγειο μέρος δεν μπορεί να αποκτήσει πρόσβαση πλέον στον δορυφόρο. Η λύση στο πρόβλημα αυτό είναι η επαναδρομολόγηση των ζεύξεων αυτόματα από τον εξοπλισμό του δορυφορικού τμήματος, με ένα σύστημα εκπομπής-λήψης στην S-ζώνη. Σχήμα 4.9 Δομή επίγειου τμήματος ελέγχου TT&C Εντολές Περιγράφοντας με τη σειρά τη διαδικασία επικοινωνίας του δορυφόρου με το επίγειο μέρος, για τους σκοπούς του TT&C, ξεκινάμε με τις εντολές. Οι εντολές, που λαμβάνονται στον δορυφόρο, αφορούν ρυθμίσεις ή διορθώσεις σημαντικών παραμέτρων του δορυφόρου, όπως η τροχιακή θέση και ο προσανατολισμός. Αρκετά συχνά οι εντολές, που λαμβάνονται από τον δορυφόρο, αποτελούν απάντηση στα μηνύματα του υποσυστήματος τηλεμετρίας. Υπάρχουν αρκετοί τρόποι με τους οποίους μπορούν να εφαρμοστούν οι εντολές: είτε με την άμεση καταχώρηση των αντίστοιχων τιμών, όπως για παράδειγμα της τιμής του ρεύματος σε κάποιον από τις έλικες του δορυφόρου, είτε με την αποθήκευσή τους σε ειδικούς καταχωρητές με εντολές σε δυαδικό σύστημα. Οι εντολές αυτές μπορούν να πραγματοποιούνται είτε αμέσως μετά τη λήψη τους είτε μετά από κάποιο χρονικό διάστημα, μέσω μια κατάλληλης εντολής εκτέλεσης, αφού έχουν αποθηκευτεί στη μνήμη προσωρινά. Εκτός από τη τροχιακή θέση και τις διορθώσεις στον προσανατολισμό, οι εντολές αποστέλλονται στον δορυφόρο από το επίγειο τμήμα και για αλλαγές ως προς τη θέση της κεραίας, για λόγους ελέγχου σκόπευσης, για τη λειτουργία του αναμεταδότη, όπως επίσης και για τον έλεγχο της τάσης των μπαταριών. Οι εντολές μεταδίδονται από το επίγειο τμήμα. Η πληροφορία ρύθμισης ή διόρθωσης, που αποστέλλεται, διαμορφώνει κατάλληλα ένα φέρον σήμα είτε στη συχνότητα είτε στη φάση. Η συχνότητα του φέροντος εξαρτάται από το εύρος ζώνης που χρησιμοποιείται. Το σήμα πληροφορίας είναι τις τάξεως μερικών khz και έχει τη μορφή ενός υποφέροντος σήματος. Λόγω των πολύ χαμηλών ρυθμών μετάδοσης, η χρήση ενός υποφέροντος βοηθά στον σωστό διαχωρισμό του από το φέρον σήμα. 4-18

19 Όπως είναι φανερό, η διαδικασία του συστήματος των εντολών πρέπει να είναι απόλυτα προστατευμένη, τόσο από εξωτερικές απειλές όσο και από εσωτερικούς παράγοντες, για την επιβίωση του δορυφόρου. Ως εξωτερικές απειλές αναφέρονται οι εισβολείς (intruders). Για την αντιμετώπιση τέτοιου είδους προβλημάτων, θα πρέπει να αναπτυχθεί ένα σύστημα, ώστε να μην είναι ευαίσθητο στα σήματα που εκπέμπονται από τους εισβολείς, ενώ ταυτόχρονα να ενισχύεται η ασφάλεια. Βέβαια, είναι πιθανή και η μηεπιτηδευμένη παρεμβολή μεταξύ συστημάτων. Αυτό μπορεί να αντιμετωπιστεί με τη χρήση ραδιοζεύξης εξάπλωσης φάσματος (spread spectrum), η οποία χρησιμοποιεί αποτελεσματικά τις ζώνες συχνοτήτων με δυνατότητες πολλαπλής πρόσβασης στην ίδια ζώνη. Τέλος, στους εσωτερικούς παράγοντες αναλύονται προβλήματα, τα οποία προέρχονται από το ίδιο το σύστημα του δορυφόρου ή της αντίστοιχης ζεύξης. Όταν μια εντολή φτάνει στο δορυφορικό τμήμα, πρέπει να ελέγχεται, ώστε να αποφεύγονται διάφορα, επικίνδυνα για τη ζωή του δορυφόρου, λάθη. Η μέθοδος της επανάληψης επιτρέπει στο σύστημα να επιβεβαιώνει τις εντολές που λαμβάνει, πριν τις εκτελέσει. Με τον τρόπο αυτό λαμβάνονται διάφορες προφυλάξεις, όπως για παράδειγμα η κωδικοποίηση των εντολών ή λέξεων για διόρθωση σφαλμάτων, ή η αναβαλλόμενη εκτέλεση εντολών. Με την ανίχνευση μιας εντολής πάνω στον δορυφόρο αποθηκεύεται στη μνήμη και επανεκπέμπεται πίσω στο επίγειο τμήμα μέσω του υποσυστήματος τηλεμετρίας του δορυφόρου, ώστε να ελεγχθεί και να επαληθευθεί η εγκυρότητά της. Στη συνέχεια, αποστέλλεται ξανά από το επίγειο τμήμα με τη μορφή εντολής, και εκτελείται από τον δορυφόρο Τηλεμετρία Όπως αναφέρθηκε και προηγουμένως, το σύστημα τηλεμετρίας μεταδίδει πληροφορίες σχετικά με τον δορυφόρο στο επίγειο μέρος του υποσυστήματος TT&C. Τα δεδομένα αυτά, συλλέγονται από τους ενσωματωμένους αισθητήρες στον δορυφόρο, και μπορεί να αφορούν, τιμές τάσης από το υποσύστημα ισχύος, θερμοκρασίες, πίεση στις δεξαμενές καυσίμων κ.ά. Οι πληροφορίες αυτές, μπορούν να λαμβάνονται από το επίγειο τμήμα, είτε άμεσα από τον εξοπλισμό του δορυφόρου είτε στην έξοδο μιας μονάδας επεξεργασίας η οποία διαθέτει πρόσβαση στα διάφορα τμήματα του δορυφόρου με την κατάλληλη διαχείριση δεδομένων. Τα δεδομένα που μεταδίδονται είναι είτε καταστάσεις ψηφιακών δεδομένων είτε αναλογικά δεδομένα, τα οποία ψηφιοποιούνται ανάλογα με την ανάλυση και τα περιθώρια μεταβολής του πλάτους του σήματος. Και στην περίπτωση της τηλεμετρίας, τα δεδομένα σε μορφή υποφέροντος διαμορφώνουν ένα φέρον κύμα κατά συχνότητα ή κατά φάση. Επιπλέον, ο ρυθμός δεδομένων είναι επίσης χαμηλός, όπως και στην περίπτωση των εντολών. Λόγω της δυναμικής συμπεριφοράς της εκπεμπόμενης αναλογικής πληροφορίας, ο ρυθμός δειγματοληψίας δεν είναι ο ίδιος για όλα τα σήματα Μορφοποίηση μηνυμάτων εντολών και τηλεμετρίας Προκειμένου τα επίγεια τμήματα του TT&C να είναι σε θέση να επικοινωνούν με το δορυφορικό τμήμα, πρέπει τα μηνύματα, τα οποία ανταλλάσσονται, να υπακούν σε κάποια προκαθορισμένα πρότυπα. Η χρήση των προτύπων και η ομοιογένεια των μηνυμάτων και των δορυφορικών ζεύξεων, που προσφέρουν για κάθε ένα από τα δορυφορικά συστήματα, βοηθούν τους επίγειους διαστημικούς φορείς και τα προγράμματα χειρισμού να συνεργάζονται με τέτοιο τρόπο, ώστε να επιτυγχάνεται η καλύτερη λειτουργία για ολόκληρο το σύστημα (επίγειο και δορυφορικό τμήμα). Επίσης, με τη χρήση ειδικών μορφοποιήσεων εξασφαλίζεται η ορθή απομακρυσμένη διαχείριση των συστημάτων αποκωδικοποίησης εντολών, που βρίσκονται στο δορυφορικό τμήμα. Υπάρχουν δύο βασικοί τύποι προτύπων, που χρησιμοποιούνται για τον σκοπό που αναπτύχθηκε νωρίτερα. Και οι δύο αυτοί τύποι αναπτύσσουν διαφορετικά πλαίσια, ανάλογα με το αν πρόκειται για εντολές ή τηλεμετρήσεις. Πρόκειται για τα πρότυπα PCM (pulse code modulation) και για τα πακέτα προτύπου. Τα πρότυπα PCM ορίζουν τα μηνύματα εντολών σε πλαίσια, τα οποία αποτελούνται από λέξεις με αρκετά bits η κάθε μία. Το μήκος του κάθε πλαισίου εξαρτάται από τα εκάστοτε πρότυπα που χρησιμοποιούνται. Η πρώτη λέξη του πλαισίου, συνήθως, περιλαμβάνει πληροφορίες διεύθυνσης και συγχρονισμού, ενώ όλες οι υπόλοιπες λέξεις επαναλαμβάνονται για τους σκοπούς που περιγράφτηκαν στην Eνότητα Αντίστοιχη οργάνωση παρατηρείται και για τα μηνύματα τηλεμετρίας, τα οποία εκπέμπονται 4-19

20 από τον δορυφόρο (οργάνωση σε πλαίσια). Μία ομάδα πλαισίων αποτελεί μια συγκεκριμένη μορφή. Η οργάνωση των πλαισίων τηλεμετρίας είναι όμοια με την περίπτωση των μηνυμάτων εντολών. Όσον αφορά τα πρότυπα πακέτου, βασίζονται στο πρότυπο απομακρυσμένου χειρισμού/ελέγχου που προτάθηκε από τον διεθνή οργανισμό CCSDS (Consultative Committee for Space Data Systems). Στην ουσία, εμφανίζει μία δομή πολλαπλών στρωμάτων, τα οποία αντιπροσωπεύουν λειτουργίες ή πακέτα που συνδυάζονται για την επίτευξη της αποστολής των εντολών ή των μηνυμάτων τηλεμετρίας αντίστοιχα. Ο συνδυασμός αυτός, αυξάνει την πολυπλοκότητα του συστήματος, ενώ παράλληλα προσφέρει χαμηλή αποδοτικότητα. Η διάσπαση των λειτουργιών αυτών σε στρώματα (που εκτελούνται κατά σειρά), απλοποιεί περαιτέρω το σύστημα απομακρυσμένης διαχείρισης και αυξάνει την αποδοτικότητά του. Φυσικά, όπως συμβαίνει σχεδόν σε όλες τις αρχιτεκτονικές στρωμάτων, και εδώ, τα διαφορετικά στρώματα ανταλλάσσουν πληροφορίες κατάστασης, προσφέροντας έτσι μια αξιόπιστη μέθοδο. Όταν πρόκειται για εντολές, τα διαφορετικά στρώματα αντιπροσωπεύουν ομάδες απλών λειτουργιών, ενώ ακολουθείται η δομή που περιγράφηκε νωρίτερα, για λόγους απλοποίησης της διαδικασίας αποστολής εντολών. Αντίστοιχα, όταν πρόκειται για τηλεμετρία, ενώ ακολουθείται η ίδια δομή σε κάθε στρώμα, ο βασικός σκοπός είναι η πολυπλεξία των διαφορετικών ειδών δεδομένων τηλεμετρίας σε ένα μόνο φυσικό κανάλι, χρησιμοποιώντας την εικονική δημιουργία καναλιών στον μηχανισμό πολύπλεξης. Οι δύο βασικές δομές δεδομένων είναι: α) το πακέτο πηγής, και β) το πλαίσιο μεταφοράς. Το πακέτο πηγής περιλαμβάνει ένα μέρος των δεδομένων πηγής, ως βοηθητικά δεδομένα κατά την αποκωδικοποίηση στο επίγειο τμήμα. Αντίστοιχα, το πλαίσιο μεταφοράς διατηρεί σταθερό μήκος για μια αποστολή, ενώ παράλληλα συμπεριλαμβάνει και τα πακέτα πηγής. Ο λόγος, για τον οποίο γίνεται αυτό, είναι η ελεγχόμενη και πιο αξιόπιστη μεταφορά Ιχνηλάτηση Η παρακολούθηση του δορυφόρου επιτυγχάνεται μέσω των σημάτων που εκπέμπονται από τον δορυφόρο, και τα οποία λαμβάνονται στο επίγειο τμήμα του TT&C. Η ιχνηλάτηση είναι πολύ σημαντική, ιδιαίτερα κατά τις μετατοπίσεις της τροχιακής φάσης κατά την εκτόξευση του δορυφόρου. Για παράδειγμα, η θέση ενός γεωστατικού δορυφόρου τείνει να μετατοπίζεται ως αποτέλεσμα των διαφόρων διαταραχών, όπως αναφέρθηκε και προηγουμένως. Ως εκ τούτου, είναι αναγκαίο το επίγειο τμήμα να είναι σε θέση να παρακολουθεί την κίνηση του δορυφόρου και να αποστέλλει διορθωτικά σήματα (κατάλληλες εντολές), όταν χρειάζεται. Τα σήματα εντοπισμού μεταδίδονται μέσω τηλεμετρίας ή διαμορφώνοντας φέροντα σήματα στις συχνότητες ενός από τα κύρια κανάλια επικοινωνίας. Επίσης, είναι σημαντικό ανά περιόδους να υπολογίζεται το ύψος του δορυφόρου ή η απόστασή του από τη Γη, όπως και η ακτινική ταχύτητα. Η απόσταση καθορίζεται από μετρήσεις της καθυστέρησης μετάδοσης των σημάτων από τον δορυφόρο στο επίγειο τμήμα του TT&C, ενώ η ακτινική ταχύτητα υπολογίζεται μέσω μετρήσεων του φαινομένου Doppler. Στις επόμενες Ενότητες αναλύεται η προσέγγιση υπολογισμού της απόστασης και της ακτινικής ταχύτητας (Pratt, Bostian & Allnutt, 2009) Υπολογισμός απόστασης Ο υπολογισμός της απόστασης πραγματοποιείται, λαμβάνοντας υπόψη μετρήσεις, οι οποίες αφορούν την καθυστέρηση διάδοσης των σημάτων, που λαμβάνονται από τους δορυφόρους στο επίγειο τμήμα. Για τον λόγο αυτό απαιτείται μια εκτίμηση του συνολικού χρόνου διαδρομής ενός σήματος (Round Trip Time, RTT). Ο RTT χρόνος μας δίνει τον ακριβή χρόνο καθυστέρησης. Η διαδικασία είναι απλή: ειδικά σήματα εντολών διαμορφώνουν υποφέροντα τηλεχειρισμού από τον επίγειο εξοπλισμό, στη συνέχεια τα υποφέροντα αυτά αποδιαμορφώνονται από τον δέκτη του δορυφόρου, και τέλος τα ίδια σήματα χρησιμοποιούνται για να διαμορφώσουν το φέρον τηλεμετρίας από τον δορυφόρο στον επίγειο σταθμό. Όσον αφορά τον τύπο των ειδικών σημάτων, που χρησιμοποιούνται, έχουν προταθεί διάφορες προσεγγίσεις (Maral & Bousquet, 2012), όπως ο τόνος (tone), δηλαδή σήμα με σταθερή συχνότητα, αντίστοιχα, σήματα με μεταβλητή συχνότητα κ.λπ. Αν υποθέσουμε, ότι το ειδικό σήμα είναι ένας τόνος (σταθερή συχνότητα f t) και, αν λάβουμε υπόψη τη μεταβολή φάσης Δφ μεταξύ του εκπεμπόμενου και του λαμβανόμενου σήματος, η οποία εξαρτάται από την απόσταση R (στην προκειμένη περίπτωση, λόγω του RTT, έχουμε 2R), η παρακάτω εξίσωση μας δίνει μια εκτίμηση της απόστασης: 4-20

21 ( ) Dj = 2p f t 2R c Þ R = cdj 4p f t (4.4) όπου c είναι η ταχύτητα του φωτός. Η μεταβολή φάσης Δφ έχει υπολογιστεί ως modulo 2π. Από αυτό μπορεί κανείς να συμπεράνει, ότι ο υπολογισμός θα είναι ίδιος για όλα τα ενδεχόμενα R, αφού: ( ) 2p f t 2R c = 2kp, k = 1,2,... (4.5) Για παράδειγμα, αν θεωρήσουμε k=1, μπορούμε να υπολογίσουμε την αβεβαιότητα της απόστασης ΔR. Υπολογίζοντας για διαφορετικές συχνότητες τόνου και για k=1, οι τιμές αβεβαιότητας που προκύπτουν συγκεντρώνονται στον Πίνακα 4.3. Αυτό που παρατηρείται, είναι ότι για πολύ υψηλές συχνότητες, έχουμε μεγαλύτερη αβεβαιότητα και παράλληλα επιτυγχάνουμε ακρίβεια στη φάση. Αντίστοιχα, για χαμηλές συχνότητες, το μήκος κύματος είναι μεγαλύτερο από την απόσταση που θέλουμε να υπολογίσουμε, και έτσι δεν υπάρχει μεγάλη αβεβαιότητα. Το πρόβλημα αυτό λύνεται, αν μεταδώσουμε ταυτόχρονα δύο συχνότητες τόνου, έναν υψηλής (κύριος τόνος στα 100kHz), και έναν δευτερεύοντα τόνο, η συχνότητα του οποίου προκύπτει από τη διαίρεση του κυρίως τόνου με κάποιον θετικό ακέραιο (διαίρεση με το 5). Τα σήματα που λαμβάνονται στον δέκτη, μετά την αποστολή των δύο τόνων, είναι σε πλήθος ίσα με τον θετικό ακέραιο. Κάθε ένα από αυτά συγκρίνεται με τον δευτερεύοντα τόνο με διαχωρισμό φάσης 2π/5. Μόνο ένα από αυτά βρίσκεται σε φάση με τον λαμβανόμενο δευτερεύοντα τόνο, οπότε και επιλέγεται. Το αποτέλεσμα είναι ένα αντίγραφο του λαμβανόμενου δευτερεύοντα τόνου των 20kHz, αλλά με ακρίβεια φάσης του αρχικού κύριου τόνου των 100kHz. Το σήμα που επιλέχθηκε, χρησιμοποιείται για την περαιτέρω ανάλυση ακολουθώντας την ίδια διαδικασία με πριν. Ο αρχικός κύριος τόνος συνεχίζει να μεταδίδεται ως κύριος, ώστε να εξασφαλιστεί η συνέχεια της αντιγραφής του λαμβανόμενου σήματος. Η διαδικασία αυτή επαναλαμβάνεται για όλους τους δευτερεύοντες τόνους των 4kHz, 800Hz, 160Hz έως τα 32Hz και 8Hz. Με αυτόν τον τρόπο, μπορούμε να καθορίσουμε την απόσταση με μικρή αβεβαιότητα των 8kHz, αλλά με την ακρίβεια φάσης των 100kHz. ft 100kHz 20kHz 4kHz 800kHz 160Hz 32Hz 8Hz ΔR(km) 1,8 9,3 46,8 23, , , Πίνακας 4.3 Αβεβαιότητα απόστασης R συναρτήσει της συχνότητας τόνου f t Υπολογισμός ακτινικής ταχύτητας Οι μετρήσεις του φαινομένου Doppler παίζουν καθοριστικό ρόλο στον υπολογισμό της ακτινικής ταχύτητας. Για τον υπολογισμό ωστόσο, θα πρέπει τα σήματα που εκπέμπονται από και προς τον δορυφόρο να συμφωνούν τόσο σε συχνότητα, όσο και σε φάση. Επίσης, αν θεωρήσουμε ότι ο δορυφόρος έχει μια ταχύτητα v s ως προς το επίγειο τμήμα ελέγχου, τότε η συχνότητα της άνω ζεύξης (uplink), που λαμβάνεται στον δορυφόρο από το επίγειο τμήμα, f UL, περιγράφεται από την εξίσωση: f UL = f ' UL 1+ v 2 é æ s ö ù ê è ç c ø ú (4.6) ë û όπου f UL είναι η ονομαστική συχνότητα του σήματος ανόδου από το επίγειο τμήμα στον δορυφόρο. Η ονομαστική συχνότητα καθόδου f DL, σχετίζεται με την ονομαστική συχνότητα ανόδου f UL, με αναλογία f ' DL / f ' UL = 240 / 221. Άρα, αν αντικατασταθεί στην αντίστοιχη εξίσωση για την εύρεση της συχνότητας των σημάτων καθόδου (downlink) από τον δορυφόρο στο επίγειο τμήμα, αυτό που θα προκύψει, θα είναι: æ f DL = 240 ö é æ è ç 221ø f ' UL 1+ v s ö ê è ç c ø ë ù ú (4.7) û

22 Λαμβάνοντας υπόψη ότι η ταχύτητα του δορυφόρου είναι πολύ μικρή σε σχέση με την ταχύτητα του φωτός, προκύπτει: æ f DL = 240 ö é æ è ç 221ø f ' UL 1+ 2v s ö ù ê è ç c ø ú ë û (4.8) Άρα, μπορούμε πλέον να υπολογίσουμε την ακτινική ταχύτητα ως συνάρτηση της διαφοράς συχνότητας Δf μεταξύ της λαμβανόμενης f DL και της ονομαστικής συχνότητας f DL της μετάδοσης από τον δορυφόρο: æ v s = - c ö æ 221ö è ç 2ø è ç 240ø Df, m / sec f ' UL ( ) (4.9) Διαχείριση δεδομένων στον δορυφόρο Η ενσωματωμένη διαχείριση πληροφοριών (on-board data handling, OBDH) των πρώτων δορυφόρων δεν περιελάμβανε πολλές λειτουργίες, εκτός από τις στοιχειώδεις και λίγα κανάλια TT&C, τα οποία χρησιμοποιούνταν για την επικοινωνία του δορυφόρου με το επίγειο τμήμα ελέγχου. Με την εξέλιξη των δορυφόρων κατά το πέρασμα των δεκαετιών τα κανάλια τηλεμετρίας αυξήθηκαν, ενώ η διαχείριση των δεδομένων περιορίζεται στη λειτουργία δύο βασικών συσκευών. Ο αποκωδικοποιητής εντολών (command decoder) και ο κωδικοποιητής τηλεμετρίας (telemetry encoder) συνιστούν μια συγκεντρωτική αρχιτεκτονική ενσωματωμένης διαχείρισης δεδομένων, η οποία περιορίζεται στις πολύ βασικές λειτουργίες, που αφορούν την επεξεργασία των μηνυμάτων εντολών και τη μορφοποίηση των πληροφοριών τηλεμετρίας. Οι συνδέσεις με αυτές τις δύο βασικές συσκευές υλοποιούνται με τη χρήση μιας υποφέρουσας, η οποία διαμορφώνεται από μια ακολουθία bit, από ή προς το αντίστοιχο σύστημα ραδιοσυχνότητας και από τα σήματα εντολών και τηλεμετρίας, από ή προς τον εξοπλισμό του δορυφόρου. Η διαδικασία αυτή πραγματοποιείται σε όλες τις ζεύξεις, όσες είναι και τα σήματα εντολών και τηλεμετρίας, όπως απεικονίζεται στo Σχήμα

23 Σχήμα 4.10 Αρχιτεκτονική κεντρικού υποσυστήματος TT&C Πιο συγκεκριμένα, κατά τη συγκεντρωτική αρχιτεκτονική, οι λειτουργίες του αποκωδικοποιητή εντολών έχουν ως εξής: αρχικά, πραγματοποιείται συγχρονισμός με την ταχύτητα μετάδοσης bit, ενώ στη συνέχεια γίνεται ανίχνευση των bits. Έπειτα, διαχωρίζονται οι διαφορετικές συνιστώσες μορφής από τα δεδομένα, όπως είναι η διεύθυνση και η κατάσταση λειτουργίας, και μετά αξιολογούνται και αποπολυπλέκονται τα δεδομένα στα διάφορα κανάλια των συσκευών. Τέλος, εκπέμπονται οι εντολές εκτέλεσης. Αντίστοιχα, στην περίπτωση του κωδικοποιητή τηλεμετρίας, τα αναλογικά σήματα τηλεμετρίας ψηφιοποιούνται, τα διαφορετικά κανάλια πολυπλέκονται, και στη συνέχεια, δημιουργείται η μορφή των δεδομένων, προσθέτοντας πλεονάζοντα bits αναγνώρισης και συγχρονισμού. Έπειτα, το υποφέρον δημιουργείται και διαμορφώνεται από την ακολουθία bit, ώστε να δημιουργηθεί το σήμα ενδιάμεσης συχνότητας, το οποίο με τη σειρά του διαμορφώνει το φέρον τηλεμετρίας στον πομπό, για αποστολή από τον δορυφόρο. Η αύξηση του μεγέθους των δορυφόρων και της πολυπλοκότητας τους αποτελούν πολύ σημαντικούς παράγοντες αύξησης των υποστηριζόμενων καναλιών TT&C. Επίσης, η δρομολόγηση των διαφόρων σημάτων πρέπει να πραγματοποιείται ξεχωριστά από τα εξαρτήματα του δορυφόρου προς το υποσύστημα TT&C, με αποτέλεσμα να μεγεθύνεται ο όγκος των καλωδιώσεων. Έτσι, η συγκεντρωτική αρχιτεκτονική καθίσταται ακατάλληλη για τα σύγχρονα δορυφορικά συστήματα. Από την άλλη πλευρά, η ένταξη των μικροεπεξεργαστών και της μνήμης μεγάλης αποδοτικότητας οδήγησαν στη δημιουργία μιας τμηματικής αρχιτεκτονικής ενσωματωμένης διαχείρισης δεδομένων στον δορυφόρο, όσων αφορά τα υποσυστήματα τηλεμετρίας και εντολών. Η τμηματική αυτή αρχιτεκτονική βασίζεται σε έναν δίαυλο μεταφοράς δεδομένων και συμπεριλαμβάνει επιπλέον λειτουργίες, όπως την επεξεργασία δεδομένων, τον συγχρονισμό, την παρατήρηση και τον έλεγχο. Η δομή της φαίνεται στο Σχήμα 4.11 (Maral & Bousquet, 2012). 4-23

24 Σχήμα 4.11 Αρχιτεκτονική τμηματικής διαχείρισης δεδομένων OBDH Τα διαφορετικά τμήματα της αρχιτεκτονικής αυτής αποτελούνται από τον αποκωδικοποιητή εντολών, την κεντρική μονάδα τερματικού, τα απομακρυσμένα τερματικά και τον κοινό δίαυλο δεδομένων, ο οποίος μεταφέρει ή ανταλλάσσει (μέσω ειδικών πρωτοκόλλων) δεδομένα και σήματα συγχρονισμού μεταξύ της κεντρικής μονάδας τερματικού και των υπόλοιπων μονάδων, είτε σήματα ισχύος, ώστε να ενεργοποιήσει τους ηλεκτρονόμους για τη σύνδεση και αποσύνδεση των εξαρτημάτων. Τα υπόλοιπα τμήματα αναλύονται ευθύς αμέσως. Ο αποκωδικοποιητής εντολών, όπως και στη συγκεντρωτική αρχιτεκτονική, αποκαθιστά την ακολουθία bit και διαχωρίζει τις διάφορες συνιστώσες της μορφής των δεδομένων. Υπάρχουν δύο είδη εντολών: α) οι εντολές προτεραιότητας, οι οποίες αποπολυπλέκονται και μεταδίδονται άμεσα στα σχετιζόμενα κανάλια των εξαρτημάτων, και β) οι εντολές, οι οποίες υπόκεινται σε επεξεργασία από την κεντρική μονάδα τερματικού. H κεντρική μονάδα τερματικού (central terminal unit, CTU) εκτελεί λειτουργίες που αφορούν τη διαχείριση των δεδομένων εντολών και τη διανομή και κίνησή τους μέσω του κοινού διαύλου, τη δημιουργία ερωτημάτων για τη λήψη δεδομένων τηλεμετρίας, την πολυπλεξία των δεδομένων από τα μακρινά τερματικά, όπως επίσης και τη διαμόρφωση του υποφέροντος για τη μετέπειτα αποστολή του. Επίσης, η CTU καταγράφει τις κρίσιμες παραμέτρους και λαμβάνει αποφάσεις, ανάλογες των παραμέτρων αυτών. Η CTU είναι συνδεδεμένη με τον ενσωματωμένο υπολογιστή του δορυφόρου, ο οποίος παρέχει την απαιτούμενη δυνατότητα επεξεργασίας, όχι μόνο στην CTU, αλλά και στα υπόλοιπα υποσυστήματα, που διαχειρίζονται δεδομένα με κατανομή χρόνου (time sharing). Η απομακρυσμένη μονάδα τερματικού (remote terminal unit, RTU) χρησιμοποιείται για την ικανότητα διασύνδεσης απλών εξαρτημάτων, χωρίς την ενσωμάτωση κάποιου συστήματος ελέγχου. Η RTU λειτουργεί αμέσως μετά την ενεργοποίηση της CTU. Οι λειτουργίες της RTU αφορούν την απόκτηση δεδομένων εντολών και ερωτημάτων από τον κοινό δίαυλο και τη δρομολόγηση των εντολών στον κατάλληλο εξοπλισμό, μέσω ηλεκτρικών σημάτων, τα οποία απευθύνονται στον συγκεκριμένο εξοπλισμό. Επίσης, η RTU επικοινωνεί με τα τερματικά των χρηστών, μεταφέροντάς τους τα σήματα συγχρονισμού και λαμβάνοντας από αυτούς, σήματα τηλεμετρίας. Τα πιο σύγχρονα δορυφορικά συστήματα, τα απομακρυσμένα τερματικά και οι χρήστες διαθέτουν υπολογιστική μονάδα έξυπνου τερματικού (intelligent terminal unit, ITU), η οποία επιτρέπει την επεξεργασία δεδομένων σε τοπικό επίπεδο. 4-24

25 Η ενσωματωμένη υπολογιστική ισχύς στον δορυφόρο, επιτρέπει την επεξεργασία πληροφοριών και την άμεση δημιουργία των κατάλληλων εντολών στον δορυφόρο. Με τον τρόπο αυτό, αυξάνεται η διαθεσιμότητα του δορυφόρου, όπως επίσης μειώνεται και το φορτίο στο επίγειο τμήμα. Η ιεραρχία ελέγχου επιτυγχάνεται με την αυτόματη μορφοποίηση σε περίπτωση διάσπασης, όπου στο πρώτο επίπεδο υπόκεινται οι λειτουργίες και τα σημαντικά γεγονότα, τα οποία επεξεργάζεται το επίγειο τμήμα, ενώ στο δεύτερο επίπεδο έχουμε τα δεδομένα και τις λειτουργίες, που πραγματοποιούνται στον υπολογιστή του δορυφορικού τμήματος. Ωστόσο, υπάρχει και η δυνατότητα εισαγωγής ενός τρίτου επιπέδου, το οποίο επιτρέπει τον έλεγχο κάθε υποσυστήματος ξεχωριστά, αλλά και την επαναμορφοποίησή τους σε περίπτωση διάσπασης. 4.6 Ωφέλιμο Φορτίο Βασική λειτουργία ενός επικοινωνιακού δορυφόρου είναι η παροχή επικοινωνιακών υπηρεσιών, όπως φωνή, βίντεο και δεδομένα. Παράλληλα, αυτό, το οποίο επιτυγχάνεται με την εξέλιξη και την ευρεία χρήση των δορυφόρων για υπηρεσίες επικοινωνίας, είναι η αύξηση της χωρητικότητας κίνησης. Φυσικά, όπως είναι αναμενόμενο, το μέγεθος, η μάζα και το κόστος είναι πολύ μεγαλύτερα, συγκριτικά με παλαιότερα δορυφορικά συστήματα, όπως για παράδειγμα συμβαίνει στην περίπτωση του τηλεπικοινωνιακού δορυφόρου INTELSAT I με τον INTELSAT VI (Pratt, Bostian & Allnut, 2009). Το κόστος αυτό αντισταθμίζεται με τον ρυθμό αύξησης της χωρητικότητας, αφού πλέον το κόστος ανά μεταδιδόμενο κύκλωμα ή μεταδιδόμενο bit είναι πολύ μικρότερο για κάθε διαδοχική γενιά δορυφόρων. Όπως είναι λογικό να σκεφτεί κανείς για την επίτευξη όχι μόνο της επικοινωνίας του δορυφόρου με το επίγειο τμήμα, αλλά και της παροχής υπηρεσιών επικοινωνίας, οι δορυφόροι είναι εξοπλισμένοι με ειδικά κυκλώματα, τα οποία επιτρέπουν τη λήψη και την αποστολή σημάτων από και προς τη Γη. Τα κυκλώματα αυτά ονομάζονται αναμεταδότες (transpoders) και είναι υπεύθυνα για τη λήψη, τη μεταγωγή, τη διαμόρφωση, την ενίσχυση και την αναμετάδοση ενός σήματος, που προέρχεται από τη Γη. Αυτή η Ενότητα αφορά το τμήμα του υποσυστήματος, που περιλαμβάνει το ωφέλιμο φορτίο. Δηλαδή, τις κεραίες και τους αναμεταδότες, που χρησιμοποιούνται για τη μετατροπή του λαμβανόμενου σήματος στον δορυφόρο και την επανεκπομπή τους στο επίγειο τμήμα. Αρχικά, γίνεται μια αναφορά στο σχέδιο συχνοτήτων των αναμεταδοτών, των κεντρικών συχνοτήτων και των πολώσεων, αναφορικά με το παράδειγμα του Hellas-Sat 2. Στη συνέχεια, πραγματοποιείται ανάλυση της βασικής δομής του αναμεταδότη του διαστημικού σκάφους, και τέλος γίνεται μια αναφορά στα είδη των αναμεταδοτών που υπάρχουν και χρησιμοποιούνται Πλάνο Συχνοτήτων & Πολώσεις Όπως είδαμε και στην Ενότητα 4.2 αυτού του κεφαλαίου, η βασική δομή του δορυφόρου περιλαμβάνει κεραίες διαφορετικών συχνοτήτων, οι οποίες είναι είτε σταθερές είτε ρυθμιζόμενες, ως προς τη σκόπευση. Συνήθως, υπάρχει ένα ζεύγος σταθερών κεραιών F 1 και F 2 και ένα ζεύγος ρυθμιζόμενων κεραιών (steerable antennas) S 1 και S 2. Ο αριθμός των αναμεταδοτών, που μπορούν να χρησιμοποιηθούν, εξαρτάται από τις ανάγκες του κατόχου του διαστημικού σκάφους και το είδος των υπηρεσιών, που πρέπει να υποστηριχθούν. Για παράδειγμα, στην περίπτωση του δορυφόρου Hellas-Sat 2, ο οποίος χρησιμοποιείται για την υποστήριξη υπηρεσιών, όπως Internet, δεδομένων, καθώς και ραδιοτηλεοπτικών υπηρεσιών, έχουμε 30 αναμεταδότες, με εύρος ζώνης 36MHz ο καθένας. Οι αναμεταδότες αυτοί μπορούν να μεταδίδουν ταυτόχρονα, τόσο κατά τις περιόδους έκλειψης όσο και κατά τις περιόδους ηλιοφάνειας. Ο ταυτοχρονισμός στη μετάδοση επιτυγχάνεται με τον κατάλληλο σχεδιασμό των συχνοτήτων, στις οποίες λαμβάνουν τα σήματα τα δύο ζεύγη κεραιών. Στο Σχήμα 4.12 παρουσιάζεται το σχέδιο συχνοτήτων του γεωστατικού δορυφόρου Hellas-Sat 2. Παρατηρούμε πως, τόσο το ζεύγος σταθερών κεραιών F 1 και F 2, όσο και το ρυθμιζόμενο ζεύγος S 1 και S 2, λαμβάνουν σήματα σε κοινά εύρη συχνοτήτων, ανά δύο. Δηλαδή, η κεραία F 1 και η κεραία S 1, λαμβάνουν σήματα στη ζώνη συχνοτήτων με εύρος μεταξύ των 13,75 έως 14 GHz, ενώ η F 2 και η S 2 λαμβάνουν σήματα στη ζώνη συχνοτήτων 14 έως 14,25 GHz. Για την κεραία S 2, το εύρος αυτό αλλάζει ανάλογα με την πόλωση στην άνω ζεύξη. Για παράδειγμα, όταν η S 2 λαμβάνει με κάθετη πόλωση (V) στην άνω ζεύξη, το εύρος αυτό αυξάνεται κατά 0,25 GHz (14-14,50 GHz), ενώ για οριζόντια πόλωση (Η) το εύρος παραμένει το ίδιο. Αντίστοιχα, έχουμε και δύο διαφορετικούς τύπους δεκτών και μετατροπέων, οι οποίοι λειτουργούν σε διαφορετικά εύρη συχνοτήτων, με διαφορετικές κεντρικές συχνότητες. Ο τύπος 1, χρησιμοποιεί δύο εναλλασσόμενους τοπικούς ταλαντωτές στα 1,244 και 1,5 GHz αντίστοιχα, για τη μετάβαση συχνότητας του σήματος από τη ζώνη συχνοτήτων της άνω ζεύξης (13,75-14 GHz, ή 14-14,25 GHz) στη ζώνη συχνοτήτων 4-25

26 της κάτω ζεύξης (12,5-12,75 GHz). Ο τύπος 2 χρησιμοποιεί έναν απλό ταλαντωτή στη συχνότητα των 3,050GHz, για τη μετάβαση από τη ζώνη 14-14,25 GHz (uplink) στη ζώνη 10,95-11,20 GHz. Επίσης, έχουμε και δύο είδη μετατροπέων, που παρέχουν μετάβαση συχνότητας από την άνω ζεύξη ζώνη συχνοτήτων της S 2 (14,25-14,50 GHz) στη ζώνη συχνοτήτων κάτω ζεύξης (11,45-11,70 GHz), με χρήση ενός ταλαντωτή στη συχνότητα των 2,8GHz. Λόγω των δυνατοτήτων εναλλαγής, τα κανάλια 13 έως 24 της F 1 ή τα κανάλια 37 έως 48 της S 2 μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την κάτω ζεύξη στη ζώνη συχνοτήτων μεταξύ των 12,5 έως 12,75 GHz, μέσω της κεραίας F 1. Επίσης, είναι εξίσου δυνατό, τα κανάλια της S 2 (στη ζώνη συχνοτήτων 14,25-14,50 GHz) να χρησιμοποιούνται για την κάτω ζεύξη μέσω της ζώνης συχνοτήτων της F 2 (11,45-11,70 GHz). Σε αυτή την περίπτωση, θα πρέπει, αντίστοιχα, τα κανάλια της F 2 να χρησιμοποιούνται για την κάτω ζεύξη μέσω της κεραίας S 2 στη ζώνη συχνοτήτων 10,95 έως 11,20 GHz. Στο Σχήμα 4.12 τα κανάλια 1-6, 7-12, και μπορούν να εναλλάσσονται, αλλά δεν μπορούν να χρησιμοποιούνται ταυτόχρονα περισσότερα από 12. Η εναλλαγή που ακολουθείται, θα πραγματοποιείται ως εξής: (1, 7, 30), (2, 8, 29) κ.ο.κ. Τα κανάλια 32 και 33 του S 1 μπορούν να συνδεθούν με τα κανάλια 14 και 15 του F 1, καθώς και με τα κανάλια 38 και 39 της S 2. Οι αριθμοί, που αναγράφονται πάνω από τα κανάλια, αντιστοιχούν στις κεντρικές συχνότητες των αναμεταδοτών σε MHz, τόσο για την άνω όσο και για την κάτω ζεύξη. Σχήμα 4.12 Πλάνο συχνοτήτων του δορυφόρου Hellas-Sat 2 (Με την άδεια για ελεύθερη εκμετάλλευση και αναπαραγωγή απο την Hellas-Sat) Όπως αναφέρθηκε και νωρίτερα στην παρούσα ενότητα, παραμένοντας στο παράδειγμα του γεωστατικού δορυφόρου Hellas-Sat 2, οι κεραίες μπορούν να μεταδίδουν και να λαμβάνουν ταυτόχρονα στην ίδια συχνότητα με χρήση δύο κάθετων γραμμικών πολώσεων (οριζόντια Horizontal (H) και κάθετη Vertical (V)), επιτυγχάνοντας έτσι διπλή πόλωση και επαναχρησιμοποίηση συχνότητας. Τα σήματα που λαμβάνονται από ένα είδος πόλωσης, Η ή V, εκπέμπονται στη συνέχεια με χρήση ορθογωνικής πόλωσης V ή H αντίστοιχα Αναμεταδότες Μια τυπική δομή ενός αναμεταδότη, φαίνεται στο Σχήμα Περιλαμβάνει ένα ζωνοπερατό φίλτρο στην είσοδο και στην έξοδο, έναν ενισχυτή χαμηλού θορύβου (low noise amplifier, LNA), ένα κύκλωμα που αποτελείται από έναν τοπικό ταλαντωτή και έναν μίκτη, και τέλος, έναν ενισχυτή ισχύος. Το ζωνοπερατό φίλτρο, στην είσοδο και την έξοδο του κυκλώματος του αναμεταδότη, χρησιμοποιείται για τον περιορισμό της ζώνης του εισερχόμενου και του εξερχόμενου σήματος. Αντίστοιχα, το LNA είναι σχεδιασμένο, ώστε να ενισχύει τα σήματα που φτάνουν από τους επίγειους σταθμούς, τα οποία είναι αρκετά εξασθενημένα λόγω της μεγάλης απόστασης και των διαφόρων φαινομένων που παρεμβάλλουν (Roddy, 2006). Το κύκλωμα του 4-26

27 μετατροπέα συχνότητας (μίκτης και τοπικός ταλαντωτής) χρησιμοποιείται για τη μετατροπή της συχνότητας του λαμβανόμενου σήματος, σε μια άλλη κατάλληλη συχνότητα μετάδοσης από τον δορυφόρο. Αυτό συμβαίνει διότι η συχνότητα της κάτω ζεύξης είναι πάντα μικρότερη από αυτή της άνω, και επομένως, ο μετατροπέας συχνότητας είναι απαραίτητος. Οι δορυφορικοί αναμεταδότες έχουν περιορισμένη ισχύ εξόδου και η απόσταση μεταξύ δορυφόρου και Γης είναι πολύ μεγάλη. Για παράδειγμα, για έναν γεωστατικό δορυφόρο η απόσταση είναι τουλάχιστον km. Για τον λόγο αυτό, η λαμβανόμενη στάθμη ισχύος είναι πολύ μικρή και σπάνια υπερβαίνει τα 0,1mW ήτοι -10dBm. Σχήμα 4.13 Βασική δομή ενός αναμεταδότη Ο δορυφόρος, για να μπορέσει να λάβει τα φέροντα σήματα, τα οποία αποστέλλονται από το επίγειο τμήμα, χρησιμοποιεί είτε μια δέσμη σημείων (spot beam) είτε μια δέσμη ζώνης (zone beam). Οι δέσμες αυτές προσδιορίζουν το πώς θα πραγματοποιηθεί η επικοινωνία. Για παράδειγμα, οι δέσμες ζώνης μπορούν να λάβουν δέσμες σημάτων από οποιοδήποτε πομπό, που εκπέμπει στην προκαθορισμένη ζώνη. Αντίστοιχα, στις δέσμες σημείων ο δορυφόρος μπορεί να λάβει φέροντα σήματα δέσμης μόνο μέσα σε μια συγκεκριμένη περιοχή κάλυψης. Πριν την πλήρη ανάλυση όλων των στοιχείων που αποτελούν τους αναμεταδότες των δορυφορικών συστημάτων, στο Σχήμα 4.14 παρουσιάζεται μια τυπική σχηματική αναπαράσταση χρήσης 12 αναμεταδοτών, για τη διαδικασία παραλαβής του σήματος από τον δέκτη του δορυφόρου στους αναμεταδότες και στη συνέχεια στην κεραία εκπομπής για την αναμετάδοση του φέροντος σήματος. Τα φέροντα, τα οποία λαμβάνονται από τον δέκτη, υπακούν στο φάσμα 5,925 έως 6,425GHz, ενώ όλα έχουν την ίδια πόλωση και μπορούν να λαμβάνονται από μία ή περισσότερες κεραίες. Το ζωνοπερατό φίλτρο εισόδου περνά την πλήρη μπάντα των 500MHz και αποκόβει τον θόρυβο και τις παρεμβολές, που θα μπορούσαν να προκληθούν από σήματα-είδωλα. Μέσα στο ζωνοπερατό αυτό φίλτρο περνούν πολλά διαμορφωμένα σήματα, τα οποία στη συνέχεια ενισχύονται και μετατοπίζονται σε κατάλληλη συχνότητα για εκπομπή. Η συχνότητα αυτή βρίσκεται στο εύρος 500MHz, από 3,7 έως 4,2GΗz. Τέλος, τα σήματα αυτά ανατίθενται σε μπάντες συχνοτήτων, που αντιστοιχούν στους αναμεταδότες. Κάθε ένας από τους αναμεταδότες, έχει εύρος 36ΜΗz, καθώς διατίθεται και ένα εύρος 4MHz ως διάστημα φύλαξης. Ένας αναμεταδότης μπορεί να χειριστεί ένα διαμορφωμένο φέρον, όπως ένα τηλεοπτικό σήμα, ή μπορεί να χειριστεί έναν αριθμό ξεχωριστών φερουσών ταυτόχρονα, όπου η κάθε μία διαμορφώνεται από το δικό της κανάλι βασικής ζώνης. 4-27

28 Σχήμα 4.14 Σχηματική αναπαράσταση χρήσης 12 αναμεταδοτών και ανάθεση κεντρικών συχνοτήτων Δέκτης υπερ-ευρείας ζώνης Ο δέκτης υπερ-ευρείας ζώνης, όπως φαίνεται και στο Σχήμα 4.15, είναι ένας διπλός δέκτης. Ο ένας από τους δύο είναι απενεργοποιημένος, και σε περίπτωση βλάβης του άλλου ενεργοποιείται, ώστε να συνεχίσει να προσφέρει συνδεσιμότητα στο σύστημα. Η περίπτωση του δέκτη, που αποτελεί συνδυασμό δύο πλεοναζόντων δεκτών, αναφέρεται και ως πλεονάζον δέκτης (Roddy, 2006). Όταν τα φέροντα φτάνουν στον δέκτη, περνούν από έναν ενισχυτή χαμηλού θορύβου (LNA). Ο ενισχυτής αυτός προσθέτει λίγο θόρυβο στο φέρον, που πρόκειται να ενισχυθεί, και ταυτόχρονα παρέχει επαρκή ενίσχυση για το φέρον, ώστε να υπερβεί το υψηλότερο επίπεδο θορύβου το οποίο παρουσιάζεται στο επόμενο στάδιο. Στους υπολογισμούς, που αφορούν τον θόρυβο, είναι συνήθως πιο βολικό να αναφέρουμε όλα τα επίπεδα θορύβου στην είσοδο LNA, όπου ο συνολικός θόρυβος στον δέκτη μπορεί να αναφερθεί ως μια τιμή θερμοκρασίας θορύβου του LNA. Στη συνολική θερμοκρασία θορύβου πρέπει να ληφθεί υπόψη και ο θόρυβος, ο οποίος προστέθηκε από την κεραία. Η ισοδύναμη θερμοκρασία θορύβου ενός δορυφορικού δέκτη μπορεί να είναι της τάξης μερικών εκατοντάδων Kelvin. Η έξοδος του LNA περνά στη συνέχεια στον μίκτη, ο οποίος συνδυάζεται με ένα κύκλωμα τοπικού ταλαντωτή, δημιουργώντας τη μονάδα υποβιβασμού συχνότητας ή μετατροπέα συχνότητας ή μεταφραστή συχνότητας, όπως περιγράφηκε και νωρίτερα στο παρόν κεφάλαιο. Το σήμα του τοπικού ταλαντωτή χρησιμοποιείται για τη μετατόπιση συχνότητας, ενώ η συχνότητα του ταλαντωτή είναι σταθερή. 4-28

29 Σχήμα 4.15 Δομή δέκτη υπερ-ευρείας ζώνης Κατά την επόμενη φάση, ακολουθεί ένας δεύτερος ενισχυτής, στην έξοδο του οποίου παρατηρείται συνολική ενίσχυση της τάξεως των 60dB. Στο Σχήμα 4.15, φαίνεται η ενίσχυση, που έχει επιτευχθεί σε κάθε στάδιο, πριν την είσοδο του επόμενου στοιχείου ξεχωριστά, ξεκινώντας ως σημείο αναφοράς την έξοδο από το φίλτρο εισόδου. Οι συχνότητες λειτουργίας των πρώτων ενισχυτών ορίζονται αντίστοιχα στη συχνότητα των 6GHz και 4GHz, με σκοπό να αποτραπεί η ταλάντωση, η οποία θα μπορούσε να συμβεί, σε περίπτωση όπου όλα παρέχονταν στην ίδια συχνότητα. Τέλος, τα φέροντα οδηγούνται στον αποπολυπλέκτη εισόδου, ο οποίος αναλύεται στην Ενότητα (Roddy, 2006) Αποπολυπλέκτης εισόδου Ο αποπολυπλέκτης εισόδου χωρίζει και εισάγει το ενισχυμένο πλέον σήμα εισόδου μέσα στα κανάλια συχνοτήτων του αναμεταδότη, καλύπτοντας το φάσμα συχνοτήτων από 3.7 έως και 4.2GHz. Τα ξεχωριστά κανάλια 1 έως 12 του Σχήματος 4.14 αναπαρίστανται με περισσότερες λεπτομέρειες στο Σχήμα Τα κανάλια είναι συνήθως ομαδοποιημένα σε μονό ή ζυγό αριθμό. Με αυτό τον τρόπο περιορίζεται η παρεμβολή γειτονικών καναλιών (adjacent channel interference), αφού και τα κανάλια μιας ομάδας διαχωρίζονται με τον καλύτερο δυνατό τρόπο. Η έξοδος του δέκτη μεταβαίνει σε έναν διαχωριστή ισχύος, η έξοδος του οποίου γίνεται πλέον είσοδος σε δύο ξεχωριστές αλυσίδες κυκλοφορητών. Στη συνέχεια, το σήμα ευρείας ζώνης διαπερνά τις δύο αλυσίδες και η καναλοποίησή τους (channelization) επιτυγχάνεται με τη χρήση φίλτρων καναλιού που συνδέονται σε κάθε κυκλοφορητή. Κάθε φίλτρο έχει εύρος ζώνης 36MHz και είναι συντονισμένο στην κατάλληλη κεντρική συχνότητα, όπως φαίνεται στο Σχήμα 4.14 (Roddy, 2006). 4-29

30 Σχήμα 4.16 Δομή του αποπολυπλέκτη εισόδου Όσο το σήμα βρίσκεται εντός του αποπολυπλέκτη, αυτό υπόκειται σε σημαντικές απώλειες, οι οποίες αντισταθμίζονται με το συνολικό κέρδος των καναλιών του αναμεταδότη Ενισχυτής ισχύος Η ισχύς για κάθε ένα από τα κανάλια του αναμεταδότη παρέχεται από έναν ξεχωριστό ενισχυτή. Πριν από κάθε ενισχυτή ισχύος προηγείται ένας εξασθενητής εισόδου, ούτως ώστε να επιτραπεί στη μονάδα εισόδου του κάθε ενισχυτή ισχύος, να ρυθμίζεται στο επιθυμητό επίπεδο. Ο εξασθενητής έχει ένα σταθερό τμήμα και ένα μεταβλητό τμήμα. Η σταθερή εξασθένηση είναι απαραίτητη για την εξισορρόπηση των διακυμάνσεων στην είσοδο του εξασθενητή, έτσι ώστε κάθε κανάλι αναμεταδότη να έχει την ίδια ονομαστική εξασθένηση. Όλες αυτές οι προσαρμογές γίνονται κατά τη διάρκεια διέλευσης του σήματος στα επιμέρους τμήματα. Αντίστοιχα, η μεταβλητή εξασθένηση είναι απαραίτητη για τον ορισμό του επιπέδου εξασθένησης, που απαιτείται για διαφορετικούς τύπους υπηρεσιών. Η προσαρμογή της μεταβλητής εξασθένησης, πραγματοποιείται από το επίγειο τμήμα του υποσυστήματος TT&C, όπως περιγράφηκε στην Ενότητα 4.4. Για την παροχή της τελικής ισχύος εξόδου, η οποία απαιτείται για την κεραία εκπομπής, χρησιμοποιείται ευρέως ένας ενισχυτής ειδικού τύπου, που ονομάζεται ενισχυτής λυχνίας οδεύοντος κύματος (traveling-wave tube amplifier, TWTA). Ο ενισχυτής αυτός χρησιμοποιείται για να σχηματίσει μία δέσμη ηλεκτρονίων και αποτελείται από μία διάταξη δέσμης ηλεκτρονίων που περιλαμβάνει έναν θερμαντήρα, μία κάθοδο και ηλεκτρόδια εστίασης. Ένα μαγνητικό πεδίο είναι απαραίτητο, ώστε να περιοριστεί η δέσμη που ταξιδεύει κατά μήκος του εσωτερικού καλωδίου, το οποίο έχει σχήμα έλικα (Roddy, 2006). Το πλεονέκτημα του ενισχυτή TWT, συγκριτικά με άλλους τύπους ενισχυτών λυχνίας, είναι ότι παρέχει ενίσχυση σε ένα πολύ μεγάλο εύρος ζώνης. Επίσης, τα επίπεδα εισόδου στον ενισχυτή TWT πρέπει να ελέγχονται προσεκτικά, ώστε να ελαχιστοποιούνται οι επιπτώσεις ορισμένων μορφών παραμόρφωσης. Το χειρότερο των αποτελεσμάτων της μη γραμμικής μεταφοράς του TWT απεικονίζεται στο Σχήμα Σε εισόδους χαμηλής ισχύος, η σχέση ισχύος εξόδου-εισόδου είναι γραμμική, δηλαδή μία δεδομένη μεταβολή σε db στην ισχύ εισόδου θα παράγει την ίδια αλλαγή σε db στην ισχύ εξόδου. Σε υψηλότερες τιμές ισχύος εισόδου, το σημείο της μέγιστης ισχύος εξόδου είναι γνωστό ως σημείο κορεσμού. Το σημείο κορεσμού είναι ένα πολύ πρακτικό σημείο, καθώς αναφέρονται σε αυτό και οι ποσότητες εισόδου και εξόδου. 4-30

31 Σχήμα 4.17 Χαρακτηριστική μεταφοράς ισχύος ενός TWT Η γραμμική περιοχή του TWT ορίζεται ως το όριο από τον θερμικό θόρυβο στο χαμηλό άκρο, και από αυτό που ορίζεται ως το σημείο συμπίεσης 1-dB στο άνω άκρο. Αυτό είναι το σημείο, όπου η πραγματική καμπύλη μεταφοράς πέφτει 1dB κάτω από την επέκταση της ευθείας γραμμής, όπως φαίνεται στο Σχήμα Η απόλυτη χρονική καθυστέρηση ανάμεσα στα σήματα εισόδου και εξόδου, σε ένα σταθερό επίπεδο εισόδου, δεν είναι γενικά σημαντική. Ωστόσο, σε υψηλότερα επίπεδα εισόδου, όπου η περισσότερη ενέργεια δέσμης μετατρέπεται σε ισχύ εξόδου, η μέση ταχύτητα της δέσμης μειώνεται, και ως εκ τούτου ο χρόνος καθυστέρησης αυξάνεται. Επειδή η καθυστέρηση φάσης είναι ακριβώς ανάλογη προς τον χρόνο καθυστέρησης, αυτό οδηγεί σε μία μετατόπιση φάσεως, η οποία ποικίλλει ανάλογα με το επίπεδο εισόδου. Συμβολίζοντας τη μετατόπιση φάσης από κορεσμό με θ sat και τη μετατόπιση φάσης με θ, η διαφορά φάσης σε σχέση με τον κορεσμό είναι θ-θ sat. Αυτό αναπαρίσταται στο Σχήμα 4.18, συναρτήσει της ισχύος εισόδου. Εάν το σήμα εισόδου αλλάξει επίπεδο ισχύος, η διαμόρφωση φάσης θα έχει ως αποτέλεσμα, αυτό που ονομάζεται AM/PM μετατροπή. Από την κλίση της χαρακτηριστικής μετατόπισης φάσης, προκύπτει ο συντελεστής διαμόρφωσης φάσης, σε μοίρες ανά db. Η καμπύλη της κλίσης ως συνάρτηση της ισχύος εισόδου φαίνεται, επίσης, στο Σχήμα

32 Σχήμα 4.18 Χαρακτηριστική φάσης ενός TWT Κεραία κάλυψης Η επικοινωνία ενός δορυφόρου επιτυγχάνεται, καθορίζοντας την κάλυψη μιας συγκεκριμένης ζώνης ως προς τις ελάχιστες απαιτήσεις σε πόρους ραδιοσυχνότητας. Οι τοποθεσίες, οι οποίες καλύπτονται από τον πομπό του δορυφόρου, προσδιορίζονται από τις γεωγραφικές συντεταγμένες τους και αποτελούν τα σημεία αναφοράς της ζώνης κάλυψης (service zone reference points). Τα διαφορετικά στοιχεία, που λαμβάνονται υπόψη, είναι: α) το περίγραμμα που συνδέει τα σημεία αναφοράς, το οποίο ονομάζεται περίγραμμα ζώνης κάλυψης (service zone contour) και φαίνεται από την ονομαστική θέση του δορυφόρου, β) η κάλυψη ραδιοσυχνότητας (RF coverage), η οποία ορίζει την περιοχή, όπου οι απαιτούμενες επιδόσεις ως προς τους πόρους ραδιοσυχνότητας είναι εξασφαλισμένες, και γ) το περίγραμμα που περιλαμβάνει τη ζώνη κάλυψης, που φαίνεται από τον δορυφόρο, ανεξάρτητα από την κίνησή του, και το οποίο ονομάζεται γεωμετρικό περίγραμμα (geometry contour). Σχήμα 4.19 Σύστημα συντεταγμένων αναφοράς Τα σημεία αναφοράς της ζώνης κάλυψης προσδιορίζονται σε ένα σύστημα συντεταγμένων με κέντρο τον δορυφόρο. Όπως φαίνεται και στο Σχήμα 4.19 έχουμε τον άξονα z, ο οποίος είναι προσανατολισμένος προς την κατεύθυνση κέντρου Γης δορυφόρου, τον κάθετο άξονα y στον z, ο οποίος είναι παράλληλος προς τον άξονα του ισημερινού με κατεύθυνση προς την ανατολή και, έναν άξονα x προσανατολισμένο προς το Βορρά (για έναν γεωστατικό δορυφόρο) και ο οποίος είναι κάθετος προς τους άλλους δύο (y,z). Οι συντεταγμένες θέσης ενός σημείου αναφοράς P, για την περίπτωση ενός γεωστατικού δορυφόρου, υπολογίζονται με βάση το σχετικό γεωγραφικό μήκος L και πλάτος l e του σημείου αυτού. Οι σχέσεις δίνονται ως εξής: ( ) x P = R E sin l e y P = R E cos( l e )sin( L) (4.10) z P = R GEO + R E éë 1- cos( l e )cos( L) ù û 4-32

33 Το γεωμετρικό περίγραμμα περικλείει τη ζώνη κάλυψης, καθώς και όλες τις ζώνες αβεβαιότητας. Οι ζώνες αυτές περιλαμβάνουν όλες τις μετατοπίσεις του συγκεκριμένου σημείου, οι οποίες οφείλονται σε μετατοπίσεις της τροχιάς ή της τροχιακής θέσης του δορυφόρου (Pratt, Bostian & Allnutt, 2009). Συνεπώς, η ζώνες αβεβαιότητας αναπαριστούν ένα κύκλο, με κέντρο το σημείο P και ακτίνα ίση με το γωνιακό σφάλμα σκόπευσης. Για τις κεραίες που διαθέτουν μηχανισμούς ελέγχου σφάλματος σκόπευσης, το σφάλμα σκόπευσης εξαλείφεται, όμως, λόγω της μετακίνησης του δορυφόρου, το περίγραμμα της ζώνης αυτής μεταβάλλεται. Το γεωμετρικό περίγραμμα δείχνει τη μέγιστη περιοχή κάλυψης και ο κώνος, που σχηματίζεται από την κάλυψη της κεραίας, έχει γωνία ναδίρ ξ=17,4 o (για έναν γεωστατικό δορυφόρο). Σε αυτήν την περίπτωση, η γωνία ανύψωσης είναι ίση με μηδέν. Οι σταθμοί, που βρίσκονται στο περίγραμμα με γωνία ανύψωσης ίση με μηδέν, έχουν τις κεραίες τους σε οριζόντια θέση. Η έννοια του γεωμετρικού περιγράμματος, καθώς και ο ορισμός της δέσμης η οποία σχετίζεται με τη ζώνη κάλυψης και το γεωμετρικό περίγραμμα, αναλύεται εκτενέστερα στο Κεφάλαιο Είδη αναμεταδοτών Υπάρχουν τρία βασικά είδη αναμεταδοτών, η αρχιτεκτονική των οποίων διαφέρει σημαντικά από τη μια στην άλλη. Σε αυτή την Ενότητα αναλύονται οι αρχιτεκτονικές των διαφανών αναμεταδοτών απλής δέσμης, των αναμεταδοτών πολλαπλής δέσμης και των αναγεννητικών αναμεταδοτών. Η οργάνωση της αρχιτεκτονικής των επαναληπτών, εξαρτάται από τα επιμέρους υποσυστήματά του, τα οποία είναι μη-γραμμικά. Συνεπώς, πρώτα γίνεται μια μικρή αναφορά στον χαρακτηρισμό των μη-γραμμικών εξαρτημάτων Μη-γραμμικά συστήματα Στα μη-γραμμικά συστήματα γνωρίζουμε πως η συμπεριφορά του εξοπλισμού εξαρτάται από τα επίπεδα του σήματος που εφαρμόζεται στην είσοδο. Το πλάτος, η φάση και τα επίπεδα ισχύος του σήματος, αποτελούν πολύ βασικούς παράγοντες, για τους οποίους έχουν δημιουργηθεί διαφορετικά πρότυπα και μοντέλα ώστε να οριστούν τα διαφορετικά σημαντικά φαινόμενα. Το πιο απλό μοντέλο που έχει οριστεί για τον σκοπό αυτό, είναι το μοντέλο ενίσχυσης μέσω πολυωνύμων. Το μοντέλο αυτό, λαμβάνει υπόψη μόνο το πλάτος του σήματος. Στην πράξη, η τάση εξόδου, ειδικά για υψηλά επίπεδα, δεν μεταβάλλεται ανάλογα με το πλάτος του σήματος εισόδου. Αυτό μπορεί να αντιμετωπιστεί, λαμβάνοντας υπόψη το στιγμιαίο πλάτος S o του σήματος εξόδου, ως πολυωνυμική συνάρτηση του στιγμιαίου πλάτους S i του σήματος εισόδου. Αυτό περιγράφεται από την εξίσωση (4.11). Οι σταθερές α, β, γ κ.λπ, όπως και η τάξη του πολυωνύμου, χρησιμοποιούνται, ώστε να αποδοθεί η πραγματική χαρακτηριστική καμπύλη του ενισχυτή, με όσο το δυνατόν περισσότερη ακρίβεια. S o = as i + bs i 3 +g S i (4.11) Η φάση του σήματος εξόδου, επηρεάζεται, επίσης, από τα μη-γραμμικά φαινόμενα και αυτό εξαρτάται από το πλάτος του σήματος εισόδου. Συνεπώς, η αναπαράσταση αυτή δεν συμπεριλαμβάνεται στη διαμόρφωση του πολυωνυμικού μοντέλου, αλλά η μεταβολή φάσης Δφ υπολογίζεται συναρτήσει της ισχύος εισόδου P i, ως ανεξάρτητο μοντέλο. Για παράδειγμα: Dj = a 1- e -bp i éë ù û +g P i (4.12) Οι σταθερές α, β και γ επιλέγονται κατάλληλα, ώστε να ταιριάζουν στην πραγματική χαρακτηριστική καμπύλη. Φυσικά, η χαρακτηριστική καμπύλη μεταφοράς ισχύος διαφέρει από τη λειτουργία απλού φέροντος με τη λειτουργία πολλαπλών φερόντων (Maral & Bousquet, 2012), όπως μπορεί να παρατηρήσει κανείς στο Σχήμα 8.21 του Κεφαλαίου 8. Στην πρώτη περίπτωση, όπου έχουμε λειτουργία απλού φέροντος, αν ένα μηδιαμορφωμένο φέρον με στιγμιαίο πλάτος S i = Asin( w i t) εφαρμοστεί στην είσοδο, το στιγμιαίο πλάτος του σήματος εξόδου με τη χρήση της εξίσωσης (4.11) παράγεται ως ένα άθροισμα όρων, από τα οποία το ένα έχει γωνιακή συχνότητα ω 1, και τα άλλα αποτελούνται από αρμονικές με συχνότητες πολλαπλάσιες του ω i. Αντίστοιχα, στην περίπτωση λειτουργίας πολλαπλών φερόντων θεωρούμε ότι το σήμα, που εφαρμόζεται στην είσοδο της συσκευής, είναι ένα σύνολο από ημιτονοειδή σήματα. Το στιγμιαίο πλάτος του σήματος εξόδου 4-33

34 (με τη χρήση της εξίσωσης (4.11)) δίνει τους όρους των γωνιακών συχνοτήτων εισόδου (ω 1, ω 2, ω 3,...) και συχνότητες αντίστοιχες με τους γραμμικούς συνδυασμούς των συχνοτήτων αυτών. Οι συνδυασμοί αυτοί αποτελούν τα παράγωγα ενδοδιαμόρφωσης. Τα περιττά παράγωγα εμφανίζονται κοντά στις συχνότητες εισόδου και το πλάτος τους μειώνεται με το βαθμό τους. Τα προβληματικά παράγωγα είναι αυτά της τρίτης τάξης, που έχουν τη μορφή 2 f i - f j και f i + f j - f k Διαφανείς αναμεταδότες απλής δέσμης Η αρχιτεκτονική ενός διαφανούς αναμεταδότη παρουσιάζεται στo Σχήμα Στόχος και αυτού του είδους αναμεταδότη είναι η επίτευξη μεγάλου κέρδους ισχύος, με χαμηλή ενεργό θερμοκρασία θορύβου εισόδου, μετατροπή συχνότητας και υψηλή ισχύς εξόδου για μεγάλη ζώνη συχνοτήτων. Η διάταξη του Σχήματος 4.20, παρέχει μετατροπή διπλής συχνότητας. Με τη χρήση αυτής της διάταξης επιτυγχάνεται η απαιτούμενη ολική απολαβή ισχύος στη συχνότητα μετάδοσης προς τη Γη (downlink frequency). Σχήμα 4.20 Αρχιτεκτονική δομή διαφανούς αναμεταδότη με απλή μετατροπή συχνότητας Ο ενισχυτής χαμηλού θορύβου, που βρίσκεται στον δέκτη του διαφανούς αναμεταδότη, παρέχει την απαιτούμενη ενεργή τιμή θερμοκρασίας θορύβου εισόδου, στη συχνότητα μετάδοσης που χρησιμοποιείται στην άνω ζεύξη (από τον επίγειο σταθμό προς στον δορυφόρο). Στη συνέχεια, η συμβολή του θορύβου του μίκτη περιορίζεται με την υψηλή απολαβή της τάξεως των 20 έως και 40dB. Το κύκλωμα του μίκτη με τον τοπικό ταλαντωτή διενεργεί τη μετατροπή συχνότητας, η οποία εξασφαλίζει την αποσύζευξη (decoupling) μεταξύ εισόδου και εξόδου του αναμεταδότη (Ippolito, 2008). Ανάλογα με τις ζώνες συχνοτήτων κάποια ζητήματα τεχνολογικού περιεχομένου μπορούν να δυσκολέψουν την επίτευξη υψηλής απολαβής ισχύος στη συχνότητα της κάτω ζεύξης. Σε τέτοιες περιπτώσεις, απαιτείται διπλή μετατροπή συχνότητας, η οποία χρησιμοποιεί μία ενδιάμεση συχνότητα (intermediate frequency, IF) μικρότερης τιμής, από τη συχνότητα μετάδοσης της κάτω ζεύξης. H μετατροπή της συχνότητας της άνω ζεύξης διεξάγεται είτε στον δέκτη, σε ολόκληρο το εύρος ζώνης του συστήματος με έναν μόνο μίκτη, είτε στο τμήμα υποδιαίρεσης σε κανάλια, όπου εκεί έχουμε τόσους μίκτες όσο είναι και το πλήθος των καναλιών. Στη συνέχεια, τα σήματα ενισχύονται, και τέλος, περνούν από ένα επιπλέον επίπεδο μετατροπής συχνότητας, ώστε να αυξηθεί η συχνότητα τους για την αποστολή τους προς τους επίγειους σταθμούς. Οι δορυφόροι INTELSAT λειτουργούν στην Ku-ζώνη με διπλή μετατροπή συχνότητας και ενδιάμεση συχνότητα στα 4GHz. Μετά τη μετατροπή συχνότητας ακολουθεί επιπλέον ενίσχυση του επιπέδου του σήματος. Το επίπεδο του θορύβου ενδοδιαμόρφωσης είναι αμελητέο στις εισόδους κάθε επιπέδου της διάταξης. Το καθορισμένο μέγιστο επίπεδο ισχύος του θορύβου ενδοδιαμόρφωσης μπορεί να ξεπεραστεί, όταν το σήμα φτάσει σε ένα δεδομένο επίπεδο ισχύος, μετά από όλα τα στάδια ενίσχυσης. Ο θόρυβος ενδοδιαμόρφωσης θα πρέπει να είναι αρκετά χαμηλός σε οποιοδήποτε δεδομένο επίπεδο ισχύος. Αυτό εξαρτάται από την τεχνολογία που χρησιμοποιείται. Ένα παράδειγμα είναι η εφαρμογή της τεχνικής της υποδιαίρεσης της ζώνης συχνοτήτων λειτουργίας σε πολλά κανάλια (καναλοποίηση). Σύμφωνα με αυτή την τεχνική, η ζώνη συχνοτήτων του συστήματος διαιρείται σε αρκετές υποζώνες, οι οποίες ενισχύονται χωριστά. Έτσι, έχουμε υπο-κανάλια μικρότερου εύρους, με μικρότερο αριθμό υποφέροντων, και κατά συνέπεια, ο θόρυβος ενδοδιαμόρφωσης είναι πολύ μικρότερος (συγκριτικά με την περίπτωση, όπου χρησιμοποιείται ολόκληρο το εύρος του 4-34

35 συστήματος). Η ενίσχυση των φερόντων συνεχίζεται μέσα στο κανάλι, μέχρι να φτάσει στο απαιτούμενο επίπεδο ισχύος. Η ενίσχυση στα κανάλια του επαναλήπτη χρησιμοποιεί έναν προενισχυτή (preamplifier), ο οποίος παρέχει την απαιτούμενη ισχύ για να λειτουργήσει στα στάδια εξόδου. Ο ενισχυτής αυτός ονομάζεται οδηγός ενίσχυσης (driver amplifier) και συνδέεται με μία συσκευή μεταβλητής απολαβής (variable gain), η οποία ρυθμίζεται με τηλεχειρισμό. Με αυτόν τον τρόπο αντισταθμίζονται οι μεταβολές στην απολαβή του ενισχυτή ισχύος κατά τη διάρκεια ζωής του δορυφόρου. Ο τελευταίος ενισχυτής υψηλής ισχύος (high power amplifier, HPA) παρέχει την ισχύ που απαιτείται, ώστε να προωθηθούν οι υποφέρουσες στον αποπολυπλέκτη εξόδου, στην έξοδο κάθε καναλιού (Roddy, 2006) Αναμεταδότες πολλαπλής δέσμης Κατά τη χρήση του αναμεταδότη πολλαπλής δέσμης τα σήματα, τα οποία φτάνουν από το επίγειο τμήμα στις πολλαπλές κεραίες λήψης του δορυφόρου, περνούν στην αντίστοιχη έξοδο του επαναλήπτη και τροφοδοτούνται στις διάφορες κεραίες εκπομπής του δορυφορικού συστήματος. Οι διαφορετικές κεραίες καλύπτουν διαφορετικές ζώνες. Υπάρχουν δύο βασικά είδη διαμόρφωσης, τα οποία θα μπορούσαν να εφαρμοστούν στους αναμεταδότες πολλαπλής δέσμης. Η πρώτη αφορά τον συνδυασμό δεκτών και πομπών, οι οποίοι αποτελούν ανεξάρτητα δίκτυα. Αυτό σημαίνει ότι για κάθε ένα ζεύγος κεραιών θα υπάρχει και ένας ανεξάρτητος αναμεταδότης. Κάθε ένας από τους χρησιμοποιούμενους αναμεταδότες θα λειτουργεί σε διαφορετική ζώνη συχνοτήτων και με δύο ορθογώνιες πολώσεις, για την περίπτωση όπου δύο ζεύγη κεραιών λειτουργούν στην ίδια ζώνη. Αντίστοιχα, η δεύτερη διαμόρφωση περιλαμβάνει τη σύνδεση μεταξύ διαφόρων δεσμών. Επίσης, χρησιμοποιούνται και συνδυασμοί των παραπάνω διαμορφώσεων. Οι διασυνδέσεις των δεσμών μπορεί να είναι είτε σταθερές είτε ημι-σταθερές και αποφασίζονται κατά τον σχεδιασμό του ωφέλιμου φορτίου του δορυφόρου. Αν υποθέσουμε ένα σύστημα με Μ δέσμες λήψης στην άνω ζεύξη και Ν δέσμες εκπομπής για την κάτω ζεύξη, κατά την περίπτωση των σταθερών διασυνδέσεων ο δορυφόρος περιέχει τόσους ενεργούς δέκτες, όσες είναι και οι δέσμες μετάδοσης προς τον δορυφόρο. Αντίστοιχα, ο αριθμός των πολυπλεκτών εξόδου είναι ίσος με τον αριθμό των δεσμών εκπομπής. Το πλήθος των καναλιών του αναμεταδότη είναι πολλαπλάσιο του N, αν υπάρχει ισορροπία στην κίνηση μεταξύ των περιοχών, και τα κανάλια έχουν το ίδιο εύρος. Ωστόσο, στην περίπτωση των ημι-σταθερών διασυνδέσεων, ο τρόπος σύνδεσης των καναλιών του επαναλήπτη με τις εισόδους των κεραιών εκπομπής δεν είναι απόλυτα προκαθορισμένος. Σε αυτή την περίπτωση, μέσω τηλεχειρισμού, αναδιαμορφώνεται η διασύνδεση μεταξύ της εισόδου του καναλιού και των εισόδων των πολυπλεκτών, με τις εισόδους των κεραιών εκπομπής. Με αυτό τον τρόπο, προσαρμόζεται η χωρητικότητα δέσμης ανάλογα με τη μεταβολή της κίνησης των επικοινωνιών. Η αναδιαμόρφωση των διασυνδέσεων θα πρέπει να είναι γρήγορη και για τον σκοπό αυτό χρησιμοποιούνται γρήγορες συσκευές μεταγωγής Αναμεταδότης με αναγέννηση σήματος Η δομή ενός αναγεννητικού αναμεταδότη παρουσιάζεται στο Σχήμα Οι βασικές λειτουργίες του αναγεννητικού αναμεταδότη είναι η αποδιαμόρφωση και η επαναδιαμόρφωση των φερόντων σημάτων, τα οποία φτάνουν στην έξοδο της κεραίας λήψης του αναμεταδότη. Επίσης, η συσκευή μεταγωγής χαμηλών συχνοτήτων δρομολογεί τα πακέτα από μια ειδική δέσμη μετάδοσης προς τον δορυφόρο στην κατάλληλη δέσμη μετάδοσης από αυτόν προς τον επίγειο σταθμό. Στις επόμενες παραγράφους αναλύονται τα διαφορετικά εξαρτήματα κωδικοποίησης, αποκωδικοποίησης και επεξεργασίας σημάτων χαμηλής ζώνης συχνοτήτων των αναγεννητικών αναμεταδοτών. Ανάλογα με τη ψηφιακή διαμόρφωση, η οποία έχει προηγηθεί της μετάδοσης προς τον δορυφόρο, η αποδιαμόρφωση στον αναμεταδότη του δορυφόρου μπορεί να είναι είτε σύγχρονη είτε διαφορική. Κατά τη σύγχρονη αποδιαμόρφωση (coherent demodulation), το αρχικό σήμα λαμβάνεται, πολλαπλασιάζοντας το διαμορφωμένο σήμα με το φέρον, που δημιουργείται στον δέκτη, το οποίο έχει πλάτος μεγαλύτερο ή ίσο του πλάτους της μεγαλύτερης φασματικής συνιστώσας του σήματος χαμηλής συχνότητας. Ο δέκτης εκμεταλλεύεται τη γνώση της φάσης του φέροντος για την ανάκτηση της πληροφορίας. Η διαμόρφωση φάσης τεσσάρων καταστάσεων (quadrature phase shift keying, QPSK), σε συνδυασμό με την τεχνική πολλαπλής πρόσβασης με διαίρεση συχνότητας, παρέχει αυξημένη αποδοτικότητα όσον αφορά τη σύγχρονη 4-35

36 αποδιαμόρφωση. Αντίστοιχα, κατά τη διαφορική αποδιαμόρφωση (differential demodulation) ο δέκτης δεν χρησιμοποιεί κάποια φάση αναφοράς, αλλά συγκρίνει τη φάση του λαμβανόμενου φέροντος για τη διάρκεια μετάδοσης ενός συμβόλου με τη φάση του στη διάρκεια του προηγούμενου συμβόλου. Συνεπώς, ο δέκτης ανιχνεύει μεταβολές φάσης. Η υλοποίηση σε σχέση με τη σύγχρονη αποδιαμόρφωση είναι απλούστερη, αλλά απαιτεί διαφορική κωδικοποίηση στον πομπό και έχουμε επιδείνωση του BER κατά έναν παράγοντα περίπου 2 για την ίδια τιμή E b/n o. Σχήμα 4.21 Αρχιτεκτονική δομή αναμεταδότη με αναγέννηση σήματος Οι αναγεννητικοί δορυφόροι προσφέρουν ένα πολύ σημαντικό πλεονέκτημα: μπορούν να χρησιμοποιούν πολλαπλή πρόσβαση διαίρεσης συχνότητας στη μετάδοση προς τον δορυφόρο, και πολλαπλή πρόσβαση διαίρεσης χρόνου κατά τη μετάδοση από τον δορυφόρο στα επίγεια τμήματα. Με τον τρόπο αυτό, η ισχύς του πομπού χρησιμοποιείται με τον καλύτερο δυνατό τρόπο. Η αποδιαμόρφωση των σημάτων, που φτάνουν στην είσοδο του πομπού, μπορεί να πραγματοποιηθεί με τη χρήση μιας σειράς από φίλτρα διέλευσης συχνοτήτων, επικεντρωμένα στα διάφορα φέροντα, τα οποία θα διαθέτουν και από έναν αποδιαμορφωτή. Αυτό δεν αποτελεί βέλτιστη λύση, στην περίπτωση όπου έχουμε διαφορετικά φέροντα με τον ίδιο ρυθμό μετάδοσης δεδομένων, αφού το πλήθος τους ανά συχνότητα θα είναι αρκετά μεγαλύτερο. Για τον λόγο αυτό, σε πολλά συστήματα εξετάζεται η περίπτωση της μαζικής αποδιαμόρφωσης όλων των φερόντων. Η αποδιαμόρφωση πολλαπλού φέροντος διαθέτει αρκετές τεχνικές, οι οποίες επεξεργάζονται το σήμα στη ζώνη χαμηλών συχνοτήτων, και στη συνέχεια μεταβάλουν τη συχνότητά του κοντά στη ζώνη των χαμηλών συχνοτήτων. Η επεξεργασία αυτή μπορεί να πραγματοποιηθεί για όλα τα φέροντα μαζί. Η δομή του διαμορφωτή είναι πολύ πιο απλή από εκείνη του αποδιαμορφωτή. Η διαμόρφωση μπορεί να γίνει είτε με τη χρήση ενδιάμεσης συχνότητας, είτε άμεσα στη συχνότητα εκπομπής από τον δορυφόρο. Συνήθως, χρησιμοποιείται διαμόρφωση φάσης τεσσάρων καταστάσεων. Τέλος, η λειτουργία δρομολόγησης των πακέτων της συσκευής μεταγωγής χαμηλών συχνοτήτων μπορεί να διεξαχθεί με διαφορετικές τεχνικές, όπως οι δομές τριών σταδίων time-space-time (TST), οι οποίες υποθέτουν μεταδόσεις σε ριπές δεδομένων μέσα από τρία στάδια. Αντίστοιχα, υπάρχουν και οι δομές απλού σταδίου (time - T), οι οποίες δεν μπορούν να μεταδώσουν τις σειρές δεδομένων σε πολλούς προορισμούς ταυτόχρονα. Η διαδικασία αυτή προβλέπει οργάνωση των δεδομένων των κυκλωμάτων χρονισμού, με ενδιάμεσες μνήμες. 4-36