دور الإلكترونيات الرقمية في الاتصالات الساتلية

إن نظم الاتصالات الساتلية هي العمود الفقري للوصلات العالمية الحديثة، مما يتيح لكل ما يُستقى من البث التلفزيوني الحي والوصول إلى شبكة الإنترنت في المناطق النائية إلى وصلات محددة للملاحة والقيادة العسكرية، ويكمن في صميم هذه النظم وجود مجموعة معقدة من الإلكترونيات الرقمية المسؤولة عن التجهيز والتوسيع والتعديلات والتوجُّه عبر المسافات المدارية التي يمكن أن تمتد بين عشرات الآلاف من الكيلومترات.

التحديات الرئيسية التي تواجه الإلكترونيات الرقمية في بيئة الفضاء

صعوبة الإشعاع وآثار الأحداث الوحيدة

وقد يكون أكبر تهديد لأجهزة شبه الموصل في المدار هو الإشعاع، إذ أن البيئة الفضائية مليئة بالبروتونات المحصورة والكهرباء في أحزمة فان ألين، والأشعة الكونية المجرية، والجسيمات الشمسية المشتعلة، وعندما تصيب هذه الجسيمات مناطق حساسة من رقاقة رقمية، فإنها يمكن أن تسبب في حدوث اضطرابات في خلايا الذاكرة أو السجلات ذات القيمة الدرقية العالية.

ولزيادة سوء الأمور، فإن تقلص حجم السمات في العمليات الحديثة لسواتل الملاحة (التي بلغت الآن 7 دقائق وما دونها) يزيد من قابلية التأثر باليورانات الصغيرة لأن الأنهار الأصغر تتطلب أقل تكلفة لقلب دولة، ومع ذلك فإن هذه العمليات المتقدمة توفر مزايا الأداء والطاقة التي يحتاجها الساتل بشدة، فالتوتر بين استخدام السيليكون التجاري المقطع وتحقيق التسامح الإشعاعي اللازم يحدد الكثير من التحدي الحالي في تصميم الإلكترونيات الفضائية.

Constraints Power and Energy Efficiency

وتولد السواتل الكهرباء إما عن طريق الألواح الشمسية (الصفائف الفوتاتوغرافية) أو عن طريق المولدات الكهربائية الحرارية التي تستخدم في إطار النظائر المشعة، وفي كلتا الحالتين تكون الطاقة المتاحة محدودة للغاية - وهي عادة بضع كيلووات لسواتل كبيرة للاتصالات الأرضية، وغالبا ما تكون مجرد خيام لمئات من الرؤوس في عملية استخدام أجهزة القياس الرقمية الصغيرة،

إدارة حرارية في فاكوم

وفي فراغ الفضاء، لا يوجد أي خلط أو انحراف عن طريق الهواء لإزالة الحرارة، ولا يمكن نقل الحرارة إلا عن طريق الإشعاع أو عن طريق التصريف المباشر من خلال هيكل المركبة الفضائية، وتولد الأجهزة الإلكترونية الرقمية حرارة النفايات، ولا سيما في الدوائر المتحركة ذات السرعة العالية، ويجب إزالة هذه الحرارة بكفاءة لإبقاء درجات الحرارة المحيطة داخل الحدود الآمنة.

التنميط والتغليف

كما أن كل كيلوغرامات ترسل إلى المدارات تبلغ آلاف الدولارات، كما أن قيود الحجم داخل نظام إنصافي هي أيضا قيود صارمة، إذ أن أجهزة التحكم والتداول بالبيانات يجب أن تكون صغيرة ومجهزة للشحن، مما يؤدي إلى استخدام حلول متكاملة للغاية مثل تصميمات التعبئة الإلكترونية للصدمات المتعددة الأطراف، ومع ذلك فإن عوامل التداخل في الحجم الحساسية للصدمات.

النزاهة الإشارة والحصانة الضيقة

ويجب أن تعمل الأجهزة الإلكترونية الرقمية في أحد السواتل في بيئة غنية بالضوضاء الكهرومغناطيسي، وتعتمد أجهزة إرسال ذات طاقة عالية، ونظم الدفع الكهربائي، وحتى محركات المركبات الفضائية نفسها على تداخل بين الأزواج في خطوط رقمية حساسة، كما أن وصلة الاتصالات نفسها تعاني من فقدان المسارات، والتفشي في الغلاف الجوي، وتحولات دوبلر.

الحلول الهندسية والابتكارات

Radiation —-Hardened by Design (RHBD) and Process Hardening

ولمكافحة آثار الإشعاع، وضعت الصناعة نهجين واسعين: تضييق نطاق العمليات وتصعيد التصميم، وتوضع عناصر مجهزة بالعملية على مواضع فرعية متخصصة )مثل الموصلات الفوقية، أو البرمجيات الفوقية المغناطيسية( أو تستخدم عمليات الحرق المصممة في إطار نظام " صاد - / " ، وهي عملية مصممة في إطار عملية " اكس -

L-Power Circuit and Architecture Techniques

ومن ثم فإن القيود المفروضة على الطاقة قد أدت إلى ابتكارات في كل من المعدات والبرامجيات، ومن ناحية المعدات، يستخدم المهندسون الفولطية الدينامية والارتفاع بالتواتر، وتوسيع الساعات، وتوسيع الطاقة للحد من الاستهلاك عندما لا تكون هناك حاجة إلى الأداء الكامل، كما يجري استكشاف طريقة الحساب المتزامنة أو القريبة من الأرض لزيادة تخفيض الطاقة.

المراقبة الحرارية المتقدمة والتبريد السلبي

وتعتمد الإدارة الحرارية الساتلية اعتماداً شديداً على التكنولوجيات السلبية، إذ إن الأنابيب المُحكمة تحتوي على سوائل عمل تُتبخر في الجانب الساخن وتُثبّت في الطرف البارد، وتُنقل الحرارة بمقاومة حرارية منخفضة جداً، وكثيراً ما تكون مُجسّدة في الهيكل لنشر الحرارة من المجهزات إلى أجهزة التشعير.

تكامل النظم والتفاعل بين النظم

وقد أدى الضغط على عملية التصغير إلى تطوير أجهزة سوكية مُعَرَّفة للإشعاع تجمع بين مُجهز وذاكرة ووصلات بينية ومنطق قابل لإعادة تشكيله على أساس نظام غمائي واحد، إذ إن مجموعة قواعد البيانات الرقمية التي تُستخدم في أجهزة الاتصال بالأجهزة الفضائية (LBH) تُستخدم على سبيل المثال، وهي مجموعة من أجهزة الاتصال اللاسلكي ذات النطاق الترددي المتوسط (LON4) التي تُحدَّد بدرجة كبيرة من التعقيدات.

إصلاح الأخطاء الجسيمة وتجهيز الإشارات الإيجابية

وللإبقاء على سلامة الإشارات على القنوات المزعجة، يستخدم جهاز الاستلام الرقمي التابع للسواتل مجموعة من رموز تصحيح الأخطاء الأمامية - مثل رموز التكافؤ بين الكثافة المنخفضة ورموز التربو - التي تقترب من الحد الأقصى لسلسلة شانون - وتضيف هذه الرموز محركات زائدة في جهاز الإرسال، مما يسمح للمتلقي بتصحيح جزء كبير من الأخطاء.

إعادة التوحيد والتصميمات المتسامحة

ونظراً لارتفاع تكلفة الفشل في السواتل، فإن الأجهزة الإلكترونية الرقمية مصممة دائماً تقريباً مع زيادة التواتر، إذ يمكن تحويل وحدات احتياطية مُستلقة أو دافئة (المجهزات، ومصارف الذاكرة، ولوازم الطاقة) إلى ما إذا كانت الوحدة الرئيسية قد فشلت، ومعظم المجهزات الفضائية، وأجهزة الترددات العالية جداً، والإبلاغ عن الأخطاء، مما يؤدي إلى فقدان نظام مراقبة البيانات الدائمة على المستوى الثلاثي.

الاتجاهات المستقبلية: الإلكترونيات الرقمية في الجيل القادم من السواتل

الاستخبارات الفنية على الحافة

وسيُدرج نظام السواتل في المستقبل بصورة متزايدة المعلومات الاستخبارية الاصطناعية والتعلم الآلي مباشرة في الأجهزة الإلكترونية الموجودة على متن الساتل. ويمكن أن تُحدِّد هذه النظم إدارة الطاقة على النحو الأمثل، وتُنبأ بالفشل، وتُعدِّل معايير الاتصال الذكية، بل وتُعدِّل معايير الاتصال بشكل مستقل، ويتطلَّب ذلك مجهزات رقمية ذات مقادير حديثة للشبكة العصبية، ولكن في شكل من أشكال الترددات العالية أو المتناهية.

وصلات بين السواتل البصرية

وتكتسي الأجهزة الإلكترونية الرقمية العالية السرعة أهمية حاسمة بالنسبة للوصلات البصرية بين السواتل )OISL( وتستخدم هذه الروابط الليزر لنقل البيانات بين السواتل بمعدلات تصل إلى ١٠٠ غيغا وما بعدها، ويجب أن تؤدي شبكة الواجهة الرقمية التسلسل/الحيز المكاني، واسترداد الساعات، وشبكة الترددات العضوية الثابتة بسرعة قصوى، وكثيرا ما تكون كفاءة الطاقة مقيسة في شكلات ذات شكل ثنائي.

السواتل المحددة بواسطة برامجيات

ويكتسب مفهوم الساتل المصمم على نطاق برمجيات )S( مسارا، ويستخدم نظام SDS حمولة رقمية مرنة - وهي أساسا مجموعة كبيرة من أجهزة الترددات والتجهيزات الصغيرة - يمكن إعادة برمجتها في المدار لتغيير نطاق الترددات، أو مخططات التعبئة، أو أنماط التغطية، وهذا يتيح منصة ساتلية واحدة لخدمة بعثات متعددة طوال عمرها، مما يقلل من تكلفة كل مستخدم، ويتمثل التحدي في أن تكون التشكيلات الالكترونية الرقمية التي تعمل بنظام الاختبارات الفضائية الجديدة قادرة على إعادة التشكيل دون طاقة.

خاتمة

إن الالكترونيات الرقمية هي النظام العصبي لكل ساتل حديث، مما يتيح القدرة العالية، وخدمات الاتصالات المنخفضة التردد التي يعتمد عليها العالم بشكل متزايد، وتحديات الإشعاع، والطاقة، والمتطرفة الحرارية، والتقليل من درجة الحرارة، وسلامة الإشارات، هي تحديات هائلة، ولكنها لا تزال تواجه تدفقا ثابتا من الابتكارات: من العمليات ذات الازدحام، ومن مدونات التصحيح الخاطئ إلى تحسين البنية الحرارية والبرمجيات.

وللمزيد من القراءة بشأن الآثار الإشعاعية والتخفيف من آثارها، يوفر فريق NASA المعني بآثار الإشعاعات وتحليلها موارد واسعة النطاق، ويمكن العثور على معايير تقنية لنظم البيانات الفضائية في اللجنة الاستشارية لنظم البيانات الفضائية [FSDS] ].