قمر الاتصالات

جزء من سلسلة عن
رحلة الفضاء
تاريخ تاريخ رحلات الفضاء سباق الفضاء الجدول الزمني لرحلات الفضاء مسبارات الفضاء البعثات القمرية بعثات المريخ
التطبيقات الاتصالات مراقبة الأرض استكشاف تجسس جيش ملاحة مستعمرة التلسكوبات السياحة
المركبة الفضائية مركبة فضائية روبوتية القمر الصناعي مسبار الفضاء مركبة شحن فضائية مركبة فضائية مأهولة Apollo Lunar Module Space capsules Space Shuttle Space stations Spaceplanes Vostok
Space launch Spaceport Launch pad Expendable and reusable launch vehicles Escape velocity Non-rocket spacelaunch
Spaceflight types Sub-orbital Orbital Interplanetary Interstellar Intergalactic
List of space organizations Space agencies Space forces Companies
Spaceflight portal
v t e

قمر الاتصالات هو قمر صناعي ينقل ويضخم إشارات الاتصالات اللاسلكية عبر جهاز إرسال واستقبال ؛ فهو ينشئ قناة اتصال بين مصدر إرسال وجهاز استقبال في مواقع مختلفة على الأرض . تُستخدم أقمار الاتصالات في تطبيقات التلفزيون والهاتف والراديو والإنترنت والتطبيقات العسكرية . ^[1] توجد العديد من أقمار الاتصالات في مدار ثابت جغرافيًا على ارتفاع 22236 ميلًا (35785 كم) فوق خط الاستواء ، بحيث يبدو القمر الصناعي ثابتًا في نفس النقطة في السماء؛ وبالتالي يمكن توجيه هوائيات أطباق الأقمار الصناعية للمحطات الأرضية بشكل دائم إلى تلك النقطة ولا يتعين عليها التحرك لتتبع القمر الصناعي. يشكل البعض الآخر مجموعات أقمار صناعية في مدار أرضي منخفض ، حيث يتعين على الهوائيات الموجودة على الأرض متابعة موضع الأقمار الصناعية والتبديل بين الأقمار الصناعية بشكل متكرر.

تنتقل الموجات الراديوية المستخدمة في روابط الاتصالات عن طريق خط البصر وبالتالي تعوقها انحناءة الأرض. الغرض من أقمار الاتصالات هو نقل الإشارة حول منحنى الأرض مما يسمح بالاتصال بين نقاط جغرافية متباعدة على نطاق واسع. ^[2] تستخدم أقمار الاتصالات مجموعة واسعة من الترددات الراديوية والميكروويف . لتجنب تداخل الإشارة، وضعت المنظمات الدولية لوائح تحدد نطاقات التردد أو "النطاقات" التي يُسمح لبعض المنظمات باستخدامها. يقلل هذا التخصيص للنطاقات من خطر تداخل الإشارة. ^[3]

في أكتوبر 1945، نشر آرثر سي كلارك مقالاً بعنوان "المرحلات الفضائية" في المجلة البريطانية Wireless World . ^[4] وصف المقال الأساسيات وراء نشر الأقمار الصناعية في مدارات ثابتة جغرافيًا لنقل الإشارات اللاسلكية. وبسبب هذا، غالبًا ما يُستشهد بآرثر سي كلارك باعتباره مخترع مفهوم قمر الاتصالات، ويُستخدم مصطلح "حزام كلارك" لوصف المدار. ^[5]

كان أول قمر صناعي للأرض هو سبوتنيك 1 ، الذي وضعه الاتحاد السوفييتي في مداره في 4 أكتوبر 1957. وقد طوره ميخائيل تيخونرافوف وسيرجي كوروليف ، بناءً على عمل كونستانتين تسيولكوفسكي . ^{[6] تم تجهيز سبوتنيك 1 بجهاز} إرسال لاسلكي على متنه يعمل على ترددين 20.005 و40.002 ميجا هرتز، أو طول موجي 7 و15 مترًا. لم يتم وضع القمر الصناعي في المدار لإرسال البيانات من نقطة على الأرض إلى أخرى، ولكن كان المقصود من جهاز الإرسال اللاسلكي دراسة خصائص توزيع الموجات الراديوية في جميع أنحاء الغلاف الأيوني. كان إطلاق سبوتنيك 1 خطوة رئيسية في استكشاف الفضاء وتطوير الصواريخ، ويمثل بداية عصر الفضاء . ^[7]

هناك فئتان رئيسيتان من أقمار الاتصالات، سلبية ونشطة . تعكس الأقمار الصناعية السلبية الإشارة القادمة من المصدر فقط، باتجاه جهاز الاستقبال. مع الأقمار الصناعية السلبية، لا يتم تضخيم الإشارة المنعكسة عند القمر الصناعي، وتصل كمية صغيرة فقط من الطاقة المرسلة بالفعل إلى جهاز الاستقبال. نظرًا لأن القمر الصناعي بعيد جدًا عن الأرض، فإن الإشارة الراديوية تضعف بسبب فقدان مسار الفضاء الحر ، وبالتالي تكون الإشارة المستقبلة على الأرض ضعيفة جدًا. من ناحية أخرى، تعمل الأقمار الصناعية النشطة على تضخيم الإشارة المستقبلة قبل إعادة إرسالها إلى جهاز الاستقبال على الأرض. ^[3] كانت الأقمار الصناعية السلبية هي أول أقمار الاتصالات، لكنها قليلة الاستخدام الآن.

أدى العمل الذي بدأ في مجال جمع المعلومات الاستخبارية الكهربائية في مختبر أبحاث البحرية الأمريكية في عام 1951 إلى مشروع يسمى Communication Moon Relay . أبدى المخططون العسكريون منذ فترة طويلة اهتمامًا كبيرًا بخطوط الاتصالات الآمنة والموثوقة كضرورة تكتيكية، وكان الهدف النهائي لهذا المشروع هو إنشاء أطول دائرة اتصالات في تاريخ البشرية، حيث يعمل القمر، القمر الطبيعي للأرض، كمرحل سلبي. بعد تحقيق أول اتصال عبر المحيط بين واشنطن العاصمة وهاواي في 23 يناير 1956، تم تدشين هذا النظام علنًا ووضعه في الإنتاج الرسمي في يناير 1960. ^[8]

كان أول قمر صناعي تم بناؤه خصيصًا لنقل الاتصالات بشكل نشط هو مشروع SCORE ، بقيادة وكالة مشاريع الأبحاث المتقدمة (ARPA) وتم إطلاقه في 18 ديسمبر 1958، والذي استخدم مسجل شرائط لحمل رسالة صوتية مخزنة، وكذلك لاستقبال وتخزين وإعادة إرسال الرسائل. تم استخدامه لإرسال تحية عيد الميلاد إلى العالم من الرئيس الأمريكي دوايت د. أيزنهاور . كما نفذ القمر الصناعي العديد من عمليات الإرسال في الوقت الفعلي قبل فشل البطاريات غير القابلة لإعادة الشحن في 30 ديسمبر 1958 بعد ثماني ساعات من التشغيل الفعلي. ^{[9] [10]}

كان الخليفة المباشر لبرنامج SCORE مشروعًا آخر بقيادة وكالة مشاريع الأبحاث المتقدمة يسمى Courier. تم إطلاق Courier 1B في 4 أكتوبر 1960 لاستكشاف ما إذا كان من الممكن إنشاء شبكة اتصالات عسكرية عالمية باستخدام أقمار صناعية "مكررة متأخرة"، والتي تتلقى المعلومات وتخزنها حتى يتم إصدار الأوامر بإعادة بثها. بعد 17 يومًا، أدى فشل نظام القيادة إلى إنهاء الاتصالات من القمر الصناعي. ^{[11] [12]}

أطلق برنامج تطبيقات الأقمار الصناعية التابع لوكالة ناسا أول قمر صناعي يستخدم في الاتصالات التتابعية السلبية في إيكو 1 في 12 أغسطس 1960. كان إيكو 1 عبارة عن قمر صناعي بالون مطلي بالألمنيوم يعمل كعاكس سلبي لإشارات الميكروويف . كانت إشارات الاتصالات ترتد من القمر الصناعي من نقطة على الأرض إلى أخرى. سعت هذه التجربة إلى إثبات جدوى البث العالمي لإشارات الهاتف والراديو والتلفزيون. ^{[12] [13]}

كان تلستار أول قمر صناعي تجاري نشط للاتصالات المباشرة، وكان أول قمر صناعي لنقل الإشارات التلفزيونية عبر المحيط الأطلسي. كان تابعًا لشركة AT&T كجزء من اتفاقية متعددة الجنسيات بين AT&T ومختبرات بيل للهاتف ووكالة ناسا ومكتب البريد العام البريطاني ومكتب البريد الوطني الفرنسي لتطوير الاتصالات عبر الأقمار الصناعية، وقد أطلقته وكالة ناسا من كيب كانافيرال في 10 يوليو 1962، في أول إطلاق فضائي برعاية خاصة. ^{[14] [15]}

كانت تجربة أخرى لتتابع سلبي كانت مخصصة في المقام الأول لأغراض الاتصالات العسكرية هي مشروع ويست فورد ، الذي قاده مختبر لينكولن التابع لمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا . ^[16] بعد فشل أولي في عام 1961، أدى الإطلاق في 9 مايو 1963 إلى تشتيت 350 مليون ثنائي قطب إبرة نحاسية لإنشاء حزام عاكس سلبي. على الرغم من أن حوالي نصف ثنائيات القطب فقط انفصلت عن بعضها البعض بشكل صحيح، ^[17] تمكن المشروع من إجراء التجارب والتواصل بنجاح باستخدام الترددات في طيف نطاق SHF X. ^[18]

كان القمر الصناعي سينكوم 2 التابع لشركة هيوز للطائرات ، والذي أُطلق في 26 يوليو 1963، هو السلف المباشر للأقمار الصناعية الثابتة بالنسبة للأرض. وكان سينكوم 2 أول قمر صناعي للاتصالات في مدار متزامن مع الأرض . وكان يدور حول الأرض مرة واحدة يوميًا بسرعة ثابتة، ولكن لأنه كان لا يزال يتحرك من الشمال إلى الجنوب، كانت هناك حاجة إلى معدات خاصة لتتبعه. ^[19] وكان خليفته، سينكوم 3 ، الذي أُطلق في 19 يوليو 1964، أول قمر صناعي للاتصالات الثابتة بالنسبة للأرض. حصل سينكوم 3 على مدار متزامن مع الأرض، دون حركة من الشمال إلى الجنوب، مما جعله يبدو من الأرض كجسم ثابت في السماء. ^[20]

كان برنامج القمر الصناعي التجريبي لينكولن ، الذي أجراه مختبر لينكولن أيضًا نيابة عن وزارة الدفاع الأمريكية ، امتدادًا مباشرًا للتجارب السلبية لمشروع ويست فورد . ^[16] تم إطلاق قمر الاتصالات النشط LES-1 في 11 فبراير 1965 لاستكشاف جدوى الاتصالات العسكرية طويلة المدى ذات النطاق X في الحالة الصلبة النشطة. تم إطلاق ما مجموعه تسعة أقمار صناعية بين عامي 1965 و1976 كجزء من هذه السلسلة. ^{[21] [22]}

في الولايات المتحدة، شهد عام 1962 إنشاء شركة كومسات للاتصالات ، وهي شركة خاصة كانت تخضع لتعليمات حكومة الولايات المتحدة بشأن مسائل السياسة الوطنية. ^[23] وعلى مدار العامين التاليين، أدت المفاوضات الدولية إلى اتفاقيات إنتلسات، والتي أدت بدورها إلى إطلاق إنتلسات 1، المعروف أيضًا باسم إيرلي بيرد، في 6 أبريل 1965، والذي كان أول قمر صناعي تجاري للاتصالات يتم وضعه في مدار متزامن مع الأرض. ^{[24] [25]} وفرت عمليات إطلاق إنتلسات اللاحقة في الستينيات خدمة متعددة الوجهات وخدمة الفيديو والصوت والبيانات للسفن في البحر (إنتلسات 2 في 1966-1967)، واستكمال شبكة عالمية بالكامل مع إنتلسات 3 في 1969-1970. بحلول ثمانينيات القرن العشرين، ومع التوسعات الكبيرة في سعة الأقمار الصناعية التجارية، كانت شركة إنتلسات في طريقها لتصبح جزءًا من صناعة الاتصالات الخاصة التنافسية، وبدأت في الحصول على منافسة من أمثال شركة بان أم سات في الولايات المتحدة، والتي، ومن عجيب المفارقات، تم شراؤها من قبل منافستها اللدودة في عام 2005. ^[23]

عندما تم إطلاق إنتلسات، كانت الولايات المتحدة هي مصدر الإطلاق الوحيد خارج الاتحاد السوفييتي ، الذي لم يشارك في اتفاقيات إنتلسات. ^[23] أطلق الاتحاد السوفييتي أول قمر صناعي للاتصالات في 23 أبريل 1965 كجزء من برنامج مولنيا . ^[26] كان هذا البرنامج فريدًا أيضًا في ذلك الوقت لاستخدامه لما أصبح يُعرف آنذاك باسم مدار مولنيا ، والذي يصف مدارًا بيضاويًا للغاية ، مع وجود أوج مرتفعين يوميًا فوق نصف الكرة الشمالي. يوفر هذا المدار وقت توقف طويل فوق الأراضي الروسية وكذلك فوق كندا عند خطوط عرض أعلى من المدارات الثابتة جغرافيًا فوق خط الاستواء. ^[27]

عادةً ما يكون لأقمار الاتصالات أحد ثلاثة أنواع أساسية من المدار ، بينما تُستخدم تصنيفات مدارية أخرى لتحديد تفاصيل المدار بشكل أكبر. المدار الأرضي المتوسط ​​والمدار الأرضي المنخفض هما مداران غير ثابتان بالنسبة للأرض (NGSO).

• تتمتع الأقمار الصناعية الثابتة جغرافيًا بمدار ثابت جغرافيًا (GEO)، والذي يبعد 22236 ميلًا (35785 كيلومترًا) عن سطح الأرض. يتميز هذا المدار بخاصية خاصة وهي أن الموضع الظاهري للقمر الصناعي في السماء عند مشاهدته من قبل مراقب أرضي لا يتغير، حيث يبدو القمر الصناعي "ثابتًا" في السماء. وذلك لأن فترة مدار القمر الصناعي هي نفس معدل دوران الأرض. تتمثل ميزة هذا المدار في أن الهوائيات الأرضية لا يتعين عليها تتبع القمر الصناعي عبر السماء، حيث يمكن تثبيتها للإشارة إلى الموقع في السماء الذي يظهر فيه القمر الصناعي.
• الأقمار الصناعية ذات المدار الأرضي المتوسط ​​(MEO) هي الأقرب إلى الأرض. وتتراوح ارتفاعات المدار من 2000 إلى 36000 كيلومتر (1200 إلى 22400 ميل) فوق الأرض.
• وتُعرف المنطقة الواقعة أسفل المدارات المتوسطة باسم مدار الأرض المنخفض (LEO)، وتقع على ارتفاع يتراوح بين 160 إلى 2000 كيلومتر (99 إلى 1243 ميل) فوق الأرض.

نظرًا لأن الأقمار الصناعية في المدارات الأرضية المنخفضة والمتوسطة تدور حول الأرض بشكل أسرع، فإنها لا تظل مرئية في السماء لنقطة ثابتة على الأرض بشكل مستمر مثل القمر الصناعي الثابت بالنسبة للأرض، ولكنها تبدو لمراقب على الأرض وكأنها تعبر السماء و"تغرب" عندما تمر خلف الأرض خارج الأفق المرئي. لذلك، فإن توفير إمكانية الاتصالات المستمرة بهذه المدارات المنخفضة يتطلب عددًا أكبر من الأقمار الصناعية، بحيث يكون أحد هذه الأقمار الصناعية مرئيًا دائمًا في السماء لنقل إشارات الاتصالات. ومع ذلك، نظرًا لقربها من الأرض، يمكن للأقمار الصناعية في المدارات الأرضية المنخفضة والمتوسطة الاتصال بالأرض مع زمن انتقال أقل وبقوة أقل مما هو مطلوب من مدار متزامن مع الأرض. ^[28]

عادةً ما يكون مدار الأرض المنخفض (LEO) مدارًا دائريًا على ارتفاع يتراوح بين 160 إلى 2000 كيلومتر (99 إلى 1243 ميلًا) فوق سطح الأرض، وبالتالي تكون فترة (الوقت اللازم للدوران حول الأرض) حوالي 90 دقيقة. ^[29]

وبسبب ارتفاعها المنخفض، لا يمكن رؤية هذه الأقمار الصناعية إلا من دائرة نصف قطرها حوالي 1000 كيلومتر (620 ميلاً) من نقطة القمر الصناعي الفرعية. بالإضافة إلى ذلك، تغير الأقمار الصناعية في مدار أرضي منخفض موقعها بالنسبة لموقع الأرض بسرعة. لذا، حتى بالنسبة للتطبيقات المحلية، هناك حاجة إلى العديد من الأقمار الصناعية إذا كانت المهمة تتطلب اتصالاً مستمرًا.

إن إطلاق الأقمار الصناعية ذات المدارات المنخفضة حول الأرض أقل تكلفة من إطلاق الأقمار الصناعية الثابتة، وبسبب قربها من الأرض، فإنها لا تتطلب قوة إشارة عالية (تقل قوة الإشارة بمقدار مربع المسافة من المصدر، وبالتالي يكون التأثير كبيرًا). وبالتالي هناك مقايضة بين عدد الأقمار الصناعية وتكلفتها.

بالإضافة إلى ذلك، هناك اختلافات مهمة في المعدات الموجودة على متن الطائرة وعلى الأرض اللازمة لدعم النوعين من المهام.

مجموعة من الأقمار الصناعية التي تعمل في انسجام تُعرف باسم كوكبة الأقمار الصناعية . هناك كوكبتان من هذا القبيل، تهدفان إلى توفير خدمات الهاتف عبر الأقمار الصناعية والبيانات منخفضة السرعة، في المقام الأول للمناطق النائية، وهما نظاما إيريديوم وجلوبال ستار . يحتوي نظام إيريديوم على 66 قمرًا صناعيًا، يبلغ ميل مدارها 86.4 درجة وتوفر الروابط بين الأقمار الصناعية توفر الخدمة على سطح الأرض بالكامل. ستارلينك هي كوكبة إنترنت عبر الأقمار الصناعية تديرها سبيس إكس ، وتهدف إلى توفير تغطية عالمية للوصول إلى الإنترنت عبر الأقمار الصناعية .

من الممكن أيضًا تقديم تغطية متقطعة باستخدام قمر صناعي في مدار أرضي منخفض قادر على تخزين البيانات المستلمة أثناء المرور فوق جزء من الأرض وإرسالها لاحقًا أثناء المرور فوق جزء آخر. سيكون هذا هو الحال مع نظام CASCADE لقمر الاتصالات CASSIOPE الكندي . نظام آخر يستخدم طريقة التخزين والتوجيه هذه هو Orbcomm .

المدار الأرضي المتوسط ​​هو قمر صناعي في مدار ما بين 2000 و35786 كيلومترًا (1243 و22236 ميلًا) فوق سطح الأرض. تشبه أقمار MEO أقمار LEO في الوظائف. تكون أقمار MEO مرئية لفترات زمنية أطول بكثير من أقمار LEO، وعادة ما تكون بين 2 و8 ساعات. تتمتع أقمار MEO بمنطقة تغطية أكبر من أقمار LEO. تعني مدة الرؤية الأطول لقمر MEO والبصمة الأوسع أن هناك حاجة إلى عدد أقل من الأقمار الصناعية في شبكة MEO مقارنة بشبكة LEO. أحد العيوب هو أن مسافة قمر MEO تمنحه تأخيرًا زمنيًا أطول وإشارة أضعف من قمر LEO، على الرغم من أن هذه القيود ليست شديدة مثل قيود قمر GEO.

مثل المدارات الأرضية المنخفضة، لا تحافظ هذه الأقمار الصناعية على مسافة ثابتة من الأرض. وهذا على النقيض من المدار الثابت بالنسبة للأرض، حيث تكون الأقمار الصناعية دائمًا على مسافة 35786 كيلومترًا (22236 ميلًا) من الأرض.

عادةً ما يكون مدار القمر الصناعي متوسط ​​المدار الأرضي حوالي 16000 كيلومتر (10000 ميل) فوق الأرض. ^[30] وفي أنماط مختلفة، تقوم هذه الأقمار الصناعية برحلتها حول الأرض في أي وقت من 2 إلى 8 ساعات.

• في عام 1962، تم إطلاق قمر الاتصالات تلستار . كان قمرًا صناعيًا متوسط ​​المدار حول الأرض مصممًا للمساعدة في تسهيل إشارات الهاتف عالية السرعة. على الرغم من أنه كان أول طريقة عملية لنقل الإشارات عبر الأفق، إلا أن عيبه الرئيسي سرعان ما تم إدراكه. نظرًا لأن فترة مداره البالغة حوالي 2.5 ساعة لم تتطابق مع فترة دوران الأرض البالغة 24 ساعة، فقد كانت التغطية المستمرة مستحيلة. كان من الواضح أنه يجب استخدام العديد من المدارات الأرضية المتوسطة من أجل توفير تغطية مستمرة.
• في عام 2013، تم إطلاق أول أربعة أقمار صناعية من مجموعة مكونة من 20 قمرًا صناعيًا في المدار الأرضي المتوسط. توفر أقمار O3b خدمات الإنترنت ذات النطاق العريض ، وخاصة للمواقع النائية والاستخدام البحري والجوي، وتدور على ارتفاع 8063 كيلومترًا (5010 ميلًا). ^[31]

بالنسبة للمراقب على الأرض، يبدو القمر الصناعي في مداره الحملي ساكنًا، في موضع ثابت في السماء. وذلك لأنه يدور حول الأرض بسرعة زاوية الأرض (دورة واحدة في اليوم النجمي ، في مدار استوائي ).

يعد المدار الثابت بالنسبة للأرض مفيدًا للاتصالات لأنه يمكن توجيه الهوائيات الأرضية نحو القمر الصناعي دون الحاجة إلى تتبع حركة القمر الصناعي. وهذا غير مكلف نسبيًا.

في التطبيقات التي تتطلب العديد من الهوائيات الأرضية، مثل توزيع DirecTV ، فإن التوفير في المعدات الأرضية قد يفوق تكلفة وتعقيد وضع القمر الصناعي في المدار.

• كان أول قمر صناعي ثابت بالنسبة للأرض هو سينكوم 3 ، الذي أُطلق في 19 أغسطس 1964، واستُخدم للاتصالات عبر المحيط الهادئ بدءًا من التغطية التلفزيونية لدورة الألعاب الأولمبية الصيفية لعام 1964. بعد فترة وجيزة من سينكوم 3، أُطلق إنتلسات 1 ، المعروف أيضًا باسم إيرلي بيرد ، في 6 أبريل 1965 ووضع في مدار عند خط طول 28 درجة غربًا. وكان أول قمر صناعي ثابت بالنسبة للأرض للاتصالات عبر المحيط الأطلسي.
• في 9 نوفمبر 1972، أطلقت شركة تيليسات كندا أول قمر صناعي ثابت بالنسبة للأرض لخدمة القارة، وهو القمر الصناعي أنيك أ1 ، وتبعتها الولايات المتحدة بإطلاق القمر الصناعي ويستار 1 بواسطة ويسترن يونيون في 13 أبريل 1974.
• في 30 مايو 1974، تم إطلاق أول قمر صناعي للاتصالات ثابت بالنسبة للأرض في العالم يتمتع بالاستقرار ثلاثي المحاور : القمر الصناعي التجريبي ATS-6 الذي تم بناؤه لوكالة ناسا .
• بعد إطلاق Telstar عبر أقمار Westar 1 الصناعية، أطلقت شركة RCA Americom (لاحقًا GE Americom، والآن SES ) القمر الصناعي Satcom 1 في عام 1975. كان القمر الصناعي Satcom 1 هو الذي ساعد قنوات التلفزيون الكبلي المبكرة مثل WTBS (الآن TBS ) و HBO و CBN (الآن Freeform ) و The Weather Channel على النجاح، لأن هذه القنوات وزعت برامجها على جميع محطات التلفزيون الكبلي المحلية باستخدام القمر الصناعي. بالإضافة إلى ذلك، كان أول قمر صناعي تستخدمه شبكات البث التلفزيوني في الولايات المتحدة، مثل ABC و NBC و CBS ، لتوزيع البرامج على محطاتها المحلية التابعة. تم استخدام القمر الصناعي Satcom 1 على نطاق واسع لأنه كان لديه ضعف سعة الاتصالات الخاصة بـ Westar 1 المنافسة في أمريكا (24 جهاز إرسال واستقبال مقابل 12 لجهاز Westar 1)، مما أدى إلى انخفاض تكاليف استخدام أجهزة الإرسال والاستقبال. كانت الأقمار الصناعية في العقود اللاحقة تميل إلى امتلاك أعداد أجهزة إرسال واستقبال أعلى.

بحلول عام 2000، كانت شركة هيوز للفضاء والاتصالات (التي أصبحت الآن مركز تطوير أقمار بوينج الصناعية ) قد بنت ما يقرب من 40 في المائة من أكثر من مائة قمر صناعي في الخدمة في جميع أنحاء العالم. ومن بين شركات تصنيع الأقمار الصناعية الكبرى الأخرى شركة سبيس سيستمز/لورال ، وشركة أوربيتال ساينسز مع سلسلة ستار باص ، ومنظمة أبحاث الفضاء الهندية ، وشركة لوكهيد مارتن (التي تملك أعمال آر سي إيه أسترو إليكترونيكس/جي إي أسترو سبيس السابقة)، ونورثروب جرومان ، وألكاتيل سبيس، التي أصبحت الآن ثاليس ألينيا سبيس ، مع سلسلة سبيس باص ، وأستريوم .

يجب أن تعمل الأقمار الصناعية الثابتة فوق خط الاستواء وبالتالي تظهر في مستوى أدنى في الأفق كلما ابتعد جهاز الاستقبال عن خط الاستواء. وهذا من شأنه أن يسبب مشاكل في خطوط العرض الشمالية المتطرفة، مما يؤثر على الاتصال ويسبب تداخل المسارات المتعددة (بسبب انعكاس الإشارات عن الأرض إلى هوائي الأرض).

وبالتالي، قد يظهر قمر صناعي ثابت جغرافيًا أسفل الأفق في المناطق القريبة من القطب الشمالي (والجنوبي). ولذلك، تم إطلاق أقمار صناعية تدور حول مدار مولنيا، في روسيا بشكل أساسي، للتخفيف من هذه المشكلة.

قد تكون مدارات مولنيا بديلاً جذابًا في مثل هذه الحالات. فمدار مولنيا مائل للغاية، مما يضمن ارتفاعًا جيدًا فوق مواضع مختارة أثناء الجزء الشمالي من المدار. (الارتفاع هو مدى موضع القمر الصناعي فوق الأفق. وبالتالي، يكون للقمر الصناعي عند الأفق ارتفاع صفري ويكون للقمر الصناعي الموجود مباشرة فوق الرأس ارتفاع 90 درجة.)

تم تصميم مدار مولنيا بحيث يقضي القمر الصناعي أغلب وقته فوق خطوط العرض الشمالية البعيدة، حيث لا يتحرك بصمته على الأرض إلا قليلاً. وتبلغ فترة عمله نصف يوم، بحيث يكون القمر الصناعي متاحًا للعمل فوق المنطقة المستهدفة لمدة تتراوح بين ست وتسع ساعات كل دورة ثانية. وبهذه الطريقة، يمكن لمجموعة من ثلاثة أقمار صناعية من طراز مولنيا (بالإضافة إلى أقمار احتياطية في المدار) توفير تغطية متواصلة.

تم إطلاق أول قمر صناعي من سلسلة مولنيا في 23 أبريل 1965 وتم استخدامه في النقل التجريبي لإشارات التلفزيون من محطة موسكو إلى محطات الهبوط الموجودة في سيبيريا والشرق الأقصى الروسي، في نوريلسك وخاباروفسك وماجادان وفلاديفوستوك . في نوفمبر 1967 ، أنشأ المهندسون السوفييت نظامًا فريدًا لشبكة تلفزيون وطنية للتلفزيون عبر الأقمار الصناعية ، يُدعى أوربيتا ، والذي كان يعتمد على أقمار مولنيا.

في الولايات المتحدة، تم تأسيس نظام الأقمار الصناعية البيئية التشغيلية الوطنية القطبية في عام 1994 لتعزيز عمليات الأقمار الصناعية القطبية التابعة لوكالة ناسا (الإدارة الوطنية للملاحة الجوية والفضاء) والإدارة الوطنية للمحيطات والغلاف الجوي (NOAA). يدير نظام NPOESS عددًا من الأقمار الصناعية لأغراض مختلفة؛ على سبيل المثال، METSAT للأقمار الصناعية للأرصاد الجوية، وEUMETSAT للفرع الأوروبي من البرنامج، وMETOP للعمليات الجوية.

هذه المدارات متزامنة مع الشمس، أي أنها تعبر خط الاستواء في نفس الوقت المحلي كل يوم. على سبيل المثال، سوف تعبر الأقمار الصناعية في مدار NPOESS (المدني) خط الاستواء، متجهة من الجنوب إلى الشمال، في أوقات الساعة 1:30 مساءً، و5:30 مساءً، و9:30 مساءً

هناك خطط ومبادرات لإخراج أقمار الاتصالات المخصصة إلى ما هو أبعد من المدارات الثابتة بالنسبة للأرض. اقترحت وكالة ناسا LunaNet كشبكة بيانات تهدف إلى توفير "إنترنت قمري للمركبات الفضائية والمنشآت القمرية . مبادرة Moonlight هي مشروع مكافئ لوكالة الفضاء الأوروبية ^{[32] [33]} يُقال إنه متوافق ويوفر خدمات ملاحية لسطح القمر. كلا البرنامجين عبارة عن مجموعات أقمار صناعية مكونة من عدة أقمار صناعية في مدارات مختلفة حول القمر.

ومن المخطط أيضًا استخدام مدارات أخرى. كما تم اقتراح مواضع في نقاط توازن الأرض والقمر لأقمار الاتصالات التي تغطي القمر على غرار أقمار الاتصالات في مدار متزامن مع الأرض. ^{[34] [35]} كما يتم النظر في أقمار الاتصالات المخصصة في مدارات حول المريخ لدعم مهام مختلفة على السطح ومدارات أخرى، مثل مركبة الاتصالات الفضائية المريخية .

تتكون أقمار الاتصالات عادة من الأنظمة الفرعية التالية:

• حمولة الاتصالات، تتكون عادة من أجهزة الإرسال والاستقبال والهوائيات والمكبرات وأنظمة التبديل
• المحركات المستخدمة لإيصال القمر الصناعي إلى مداره المطلوب
• محطة تتبع ونظام تثبيت يستخدم لإبقاء القمر الصناعي في المدار الصحيح، مع توجيه هوائياته في الاتجاه الصحيح، وتوجيه نظام الطاقة الخاص به نحو الشمس
• نظام فرعي للطاقة، يستخدم لتشغيل أنظمة الأقمار الصناعية، ويتكون عادةً من خلايا شمسية وبطاريات تحافظ على الطاقة أثناء كسوف الشمس
• نظام فرعي للقيادة والتحكم، والذي يحافظ على الاتصالات مع محطات التحكم الأرضية. تراقب محطات التحكم الأرضية أداء القمر الصناعي وتتحكم في وظائفه خلال مراحل مختلفة من دورة حياته.

يعتمد عرض النطاق الترددي المتاح من القمر الصناعي على عدد أجهزة الإرسال والاستقبال التي يوفرها القمر الصناعي. تتطلب كل خدمة (التلفزيون، الصوت، الإنترنت، الراديو) كمية مختلفة من عرض النطاق الترددي للإرسال. يُعرف هذا عادةً باسم ميزانية الارتباط ويمكن استخدام محاكي الشبكة للوصول إلى القيمة الدقيقة.

إن تخصيص الترددات لخدمات الأقمار الصناعية عملية معقدة تتطلب التنسيق والتخطيط الدوليين. ويتم ذلك تحت رعاية الاتحاد الدولي للاتصالات . ولتيسير تخطيط الترددات، يتم تقسيم العالم إلى ثلاث مناطق:

• المنطقة 1: أوروبا، وأفريقيا، والشرق الأوسط، وما كان يُعرف سابقًا بالاتحاد السوفييتي، ومنغوليا
• المنطقة 2: أمريكا الشمالية والجنوبية وجرينلاند
• المنطقة 3: آسيا (باستثناء مناطق المنطقة 1)، وأستراليا، وجنوب غرب المحيط الهادئ

في هذه المناطق، يتم تخصيص نطاقات التردد لمختلف خدمات الأقمار الصناعية، على الرغم من أنه قد يتم تخصيص نطاقات تردد مختلفة لخدمة معينة في مناطق مختلفة. بعض الخدمات التي تقدمها الأقمار الصناعية هي:

• خدمة الأقمار الصناعية الثابتة (FSS)
• خدمة البث عبر الأقمار الصناعية (BSS)
• خدمة الهاتف المحمول عبر الأقمار الصناعية
• خدمة الملاحة الراديوية عبر الأقمار الصناعية
• خدمة الأرصاد الجوية عبر الأقمار الصناعية

كان أول وأهم تطبيق تاريخي لأقمار الاتصالات في مجال الاتصالات الهاتفية بين القارات . تنقل شبكة الهاتف العامة الثابتة المكالمات الهاتفية من الهواتف الأرضية إلى محطة أرضية ، حيث يتم نقلها بعد ذلك إلى قمر صناعي ثابت. يتبع الارتباط الهابط مسارًا مشابهًا. تسببت التحسينات في كابلات الاتصالات البحرية من خلال استخدام الألياف الضوئية في بعض التراجع في استخدام الأقمار الصناعية للاتصالات الهاتفية الثابتة في أواخر القرن العشرين.

لا تزال الاتصالات عبر الأقمار الصناعية تُستخدم في العديد من التطبيقات اليوم. تحتاج الجزر النائية مثل جزيرة أسينشين وسانت هيلينا ودييجو جارسيا وجزيرة إيستر ، حيث لا توجد كابلات بحرية في الخدمة، إلى هواتف عبر الأقمار الصناعية. هناك أيضًا مناطق في بعض القارات والبلدان حيث تكون الاتصالات السلكية واللاسلكية الأرضية نادرة أو غير موجودة، على سبيل المثال مناطق كبيرة من أمريكا الجنوبية وأفريقيا وكندا والصين وروسيا وأستراليا. توفر الاتصالات عبر الأقمار الصناعية أيضًا اتصالاً بحواف القارة القطبية الجنوبية وجرينلاند . استخدامات أخرى للأراضي للهواتف عبر الأقمار الصناعية هي الحفارات في البحر، كنسخة احتياطية للمستشفيات والجيش والترفيه. غالبًا ما تستخدم السفن في البحر، وكذلك الطائرات، الهواتف عبر الأقمار الصناعية. ^[36]

يمكن إنجاز أنظمة الهاتف عبر الأقمار الصناعية بعدد من الوسائل. على نطاق واسع، غالبًا ما يكون هناك نظام هاتف محلي في منطقة معزولة مع رابط بنظام الهاتف في منطقة أرضية رئيسية. هناك أيضًا خدمات تقوم بتوصيل إشارة راديو إلى نظام هاتف. في هذا المثال، يمكن استخدام أي نوع تقريبًا من الأقمار الصناعية. تتصل الهواتف عبر الأقمار الصناعية مباشرة بمجموعة من الأقمار الصناعية الثابتة أو المنخفضة المدار الأرضي. ثم يتم إعادة توجيه المكالمات إلى منفذ فضائي متصل بشبكة الهاتف العامة.

مع تحول التلفاز إلى السوق الرئيسية، أصبح الطلب على توصيل عدد قليل نسبيًا من الإشارات ذات النطاق الترددي الكبير إلى العديد من أجهزة الاستقبال في وقت واحد أكثر دقة من قدرات الأقمار الصناعية المتزامنة مع الأرض . يتم استخدام نوعين من الأقمار الصناعية للتلفزيون والراديو في أمريكا الشمالية: الأقمار الصناعية للبث المباشر (DBS) والأقمار الصناعية ذات الخدمة الثابتة (FSS).

إن تعريفات أقمار FSS وDBS خارج أمريكا الشمالية، وخاصة في أوروبا، أكثر غموضًا بعض الشيء. فمعظم الأقمار الصناعية المستخدمة في البث التلفزيوني المباشر إلى المنازل في أوروبا لها نفس خرج الطاقة العالي مثل أقمار فئة DBS في أمريكا الشمالية، ولكنها تستخدم نفس الاستقطاب الخطي مثل أقمار فئة FSS. ومن الأمثلة على ذلك مركبات الفضاء Astra و Eutelsat و Hotbird في مدار فوق القارة الأوروبية. وبسبب هذا، فإن مصطلحي FSS وDBS أكثر استخدامًا في جميع أنحاء قارة أمريكا الشمالية، ونادرًا ما يكونان شائعين في أوروبا.

تستخدم أقمار الخدمة الثابتة النطاق C والأجزاء السفلية من النطاق K _u . تُستخدم عادةً في بث البث من وإلى شبكات التلفزيون والمحطات التابعة المحلية (مثل بث البرامج للشبكات والبرامج المشتركة، واللقطات الحية ، والبث الراجع )، فضلاً عن استخدامها في التعليم عن بعد من قبل المدارس والجامعات، والتلفزيون التجاري (BTV)، ومؤتمرات الفيديو ، والاتصالات التجارية العامة. تُستخدم أقمار الخدمة الثابتة أيضًا لتوزيع قنوات الكابل الوطنية على رؤوس التلفزيون الكبلي.

تُوزع القنوات التلفزيونية الفضائية المجانية عادةً أيضًا على أقمار FSS في نطاق K _u . توفر أقمار Intelsat Americas 5 و Galaxy 10R و AMC 3 فوق أمريكا الشمالية عددًا كبيرًا جدًا من قنوات FTA على أجهزة الإرسال والاستقبال الخاصة بها في نطاق K _u .

كما استخدمت خدمة American Dish Network DBS مؤخرًا تقنية FSS أيضًا لحزم البرامج الخاصة بها والتي تتطلب هوائي SuperDish الخاص بها ، نظرًا لاحتياج Dish Network إلى المزيد من السعة لحمل محطات التلفزيون المحلية وفقًا للوائح "الحمل الإلزامي" الخاصة بلجنة الاتصالات الفيدرالية ، ولمزيد من النطاق الترددي لحمل قنوات HDTV .

القمر الصناعي للبث المباشر هو قمر صناعي للاتصالات ينقل إلى أطباق أقمار صناعية صغيرة ذات بث مباشر (يبلغ قطرها عادةً من 18 إلى 24 بوصة أو 45 إلى 60 سم). تعمل أقمار البث المباشر عمومًا في الجزء العلوي من نطاق الموجات الدقيقة K _u . تُستخدم تقنية DBS لخدمات التلفزيون عبر الأقمار الصناعية الموجهة إلى DTH ( مباشرة إلى المنزل )، مثل DirecTV وDISH Network وOrby TV ^[37] في الولايات المتحدة، و Bell Satellite TV و Shaw Direct في كندا، وFreesat و Sky في المملكة المتحدة وأيرلندا ونيوزيلندا و DSTV في جنوب إفريقيا.

تتطلب أقمار FSS التي تعمل بتردد أقل وطاقة أقل من DBS طبقًا أكبر بكثير للاستقبال (يبلغ قطره من 3 إلى 8 أقدام (1 إلى 2.5 متر) لنطاق K _u ، و12 قدمًا (3.6 متر) أو أكبر لنطاق C). وهي تستخدم الاستقطاب الخطي لكل من مدخلات ومخرجات التردد اللاسلكي للمستجيبين (على عكس الاستقطاب الدائري المستخدم في أقمار DBS)، ولكن هذا فرق فني بسيط لا يلاحظه المستخدمون. كما تم استخدام تقنية أقمار FSS في الأصل للتلفزيون الفضائي DTH من أواخر السبعينيات إلى أوائل التسعينيات في الولايات المتحدة في شكل أجهزة استقبال وأطباق TVRO (استقبال التلفزيون فقط). كما تم استخدامها أيضًا في شكل نطاق K _{u لخدمة التلفزيون الفضائي} Primestar التي لم تعد موجودة الآن .

تم إطلاق بعض الأقمار الصناعية التي تحتوي على أجهزة إرسال واستقبال في نطاق التردد K _a ، مثل القمر الصناعي SPACEWAY-1 التابع لشركة DirecTV ، وقمر Anik F2 . كما أطلقت وكالة ناسا ومنظمة أبحاث الفضاء الهندية ^{[38] [39]} مؤخرًا أقمارًا صناعية تجريبية تحمل أجهزة إرسال واستقبال في نطاق التردد K _a . ^[40]

كما قدم بعض المصنعين هوائيات خاصة لاستقبال تلفزيون DBS المحمول. باستخدام تقنية نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) كمرجع، تعيد هذه الهوائيات توجيهها تلقائيًا إلى القمر الصناعي بغض النظر عن مكان أو كيفية وضع السيارة (التي تم تركيب الهوائي عليها). تحظى هوائيات الأقمار الصناعية المحمولة هذه بشعبية لدى بعض مالكي المركبات الترفيهية . تستخدم JetBlue Airways أيضًا هوائيات DBS المحمولة هذه لـ DirecTV (التي توفرها LiveTV ، وهي شركة تابعة لـ JetBlue)، والتي يمكن للركاب مشاهدتها على متن الطائرة على شاشات LCD مثبتة في المقاعد.

تقدم محطات الراديو الفضائية خدمات البث الصوتي في بعض البلدان، وخاصة الولايات المتحدة. وتتيح الخدمات المتنقلة للمستمعين التجوال في قارة واحدة، والاستماع إلى نفس البرامج الصوتية في أي مكان.

الراديو عبر الأقمار الصناعية أو راديو الاشتراك (SR) هو إشارة راديو رقمية يتم بثها بواسطة قمر صناعي للاتصالات، والذي يغطي نطاقًا جغرافيًا أوسع بكثير من إشارات الراديو الأرضية.

يتمتع مشغلو الراديو الهواة بالقدرة على الوصول إلى الأقمار الصناعية للهواة، والتي تم تصميمها خصيصًا لنقل حركة الراديو للهواة. تعمل معظم هذه الأقمار الصناعية كمكررات محمولة في الفضاء، ويمكن الوصول إليها عمومًا من قبل الهواة المجهزين بمعدات راديو UHF أو VHF وهوائيات عالية الاتجاه مثل Yagis أو هوائيات الأطباق. نظرًا لتكاليف الإطلاق، يتم إطلاق معظم الأقمار الصناعية للهواة الحالية في مدارات أرضية منخفضة إلى حد ما، وهي مصممة للتعامل مع عدد محدود فقط من الاتصالات القصيرة في أي وقت معين. توفر بعض الأقمار الصناعية أيضًا خدمات إعادة توجيه البيانات باستخدام بروتوكول X.25 أو بروتوكولات مماثلة.

بعد تسعينيات القرن العشرين، تم استخدام تقنية الاتصالات عبر الأقمار الصناعية كوسيلة للاتصال بالإنترنت عبر اتصالات البيانات ذات النطاق العريض. وقد يكون هذا مفيدًا جدًا للمستخدمين الذين يقعون في مناطق نائية، ولا يمكنهم الوصول إلى اتصال النطاق العريض ، أو يحتاجون إلى توفر عالٍ للخدمات.

تُستخدم أقمار الاتصالات في تطبيقات الاتصالات العسكرية ، مثل أنظمة القيادة والتحكم العالمية . ومن الأمثلة على الأنظمة العسكرية التي تستخدم أقمار الاتصالات MILSTAR و DSCS و FLTSATCOM التابعة للولايات المتحدة وأقمار حلف شمال الأطلسي وأقمار المملكة المتحدة (على سبيل المثال Skynet ) وأقمار الاتحاد السوفيتي السابق . أطلقت الهند أول قمر صناعي للاتصالات العسكرية GSAT-7 ، وتعمل أجهزة الإرسال والاستقبال الخاصة به في نطاقات UHF و F و C و K _u . ^[41] تعمل الأقمار الصناعية العسكرية عادةً في نطاقات التردد UHF و SHF (المعروفة أيضًا باسم نطاق X ) أو EHF (المعروفة أيضًا باسم نطاق K _a ).

قد تستخدم معدات مراقبة البيئة في الموقع القريب من الأرض (مثل مقاييس المد والجزر ومحطات الأرصاد الجوية وعوامات الطقس والمسبارات الراديوية ) الأقمار الصناعية لنقل البيانات في اتجاه واحد أو القياس عن بعد والتحكم عن بعد في اتجاهين . ^{[42] [43] [44]} وقد يعتمد على حمولة ثانوية لقمر صناعي للطقس (كما في حالة GOES و METEOSAT وغيرها في نظام Argos ) أو في أقمار صناعية مخصصة (مثل SCD ). يكون معدل البيانات أقل بكثير من معدل الوصول إلى الإنترنت عبر الأقمار الصناعية .

• سلوتن، هيو ر. ما وراء سبوتنيك وسباق الفضاء: أصول الاتصالات عبر الأقمار الصناعية العالمية (دار نشر جامعة جونز هوبكنز، 2022)؛ مراجعة عبر الإنترنت

• رابطة صناعة الأقمار الصناعية
• تاريخ موجز لأقمار الاتصالات محفوظ في 12 مايو 2015 على موقع واي باك مشين بقلم ديفيد جيه ويلان
• ما وراء الغلاف الأيوني: خمسون عامًا من الاتصالات عبر الأقمار الصناعية (ناسا SP-4217، 1997)