إن نظم الاتصالات الساتلية حيوية للوصل العالمي، مما يتيح لكل ما يبثه التلفزيون من ملاحية الشبكة العالمية لتحديد المواقع، وفي قلب هذه النظم يكمن عنصر حاسم: مجهز الإشارات الرقمية، يساعدنا فهم دور نظام المعلومات الاقتصادية في تقدير مدى كفاءة الاتصالات الساتلية وموثوقيتها العالية، وتتوسع هذه المادة في هذا الأساس، وتستكشف الأعمال الداخلية لنظم المعلومات الفضائية في الشبكات الفضائية، والقيود المحددة لبيئة تجهيز الإشارات الساتلية، والتكنولوجيات الناشئة.

ما هو مُعالجة رقمية؟

وإحدى أجهزة الإرسال الرقمية هي جهاز تشغيل مصغر متخصص مصمم لإجراء حسابات رقمية عالية السرعة، وخلافاً لوحدات الاستهلاك العام الغرض، فإن برامج الدعم الرقمية تُستخدم على النحو الأمثل لتجهيز الإشارات في الوقت الحقيقي، مما يجعلها أساسية في نظم الاتصالات، والتجهيزات السمعية، والتطبيقات الرادارية، وتنجز هذه البرامج من خلال هيكل هارفارد يفصل بين البرامج وذاكرة البيانات، ووحدات التدريب على التزود بالأجهزة ذات التراكم الجزئي.

في الاتصالات الساتلية يجب أن يتعامل نظام الارسال مع مسارات من اشارات انجابية رقمية من أجهزة الارسال الساتلية

دور نظام المعلومات الاستراتيجية في الاتصالات الساتلية

وفي نظم الاتصالات الساتلية، تؤدي نظم الاتصالات الساتلية عدة مهام حاسمة تكفل نقل البيانات بشكل واضح وموثوق، وتشمل هذه المهام تعديل البيانات، وتخفيضها، والتصفية، وتصحيح الأخطاء، وتزيين الإشارة، وترميزها رقمياً، وتوفر نظم المعلومات الرقمية مرونة أكبر ودقة أكبر مقارنة بأساليب القياس، ويمكن الآن الاستعاضة عن أجهزة إعادة الإرسال الساتلية التي تستخدم أجهزة تكييف وأجهزة استنشاق ذات حجم أقل من وحدات تصميم المركبات الرقمية.

تعديل الإشارة وإزالة العزل

وتدرج نظم إدارة الدعم الميداني البيانات في إشارات الترددات اللاسلكية من خلال تقنيات تعديل النطاقات مثل تعديل النطاق الترددي، وربط خطوط الانتقال بالمرحلة، وأجهزة التحكم في الترددات البشرية، وأجهزة التحكم في الترددات الارتجاعية، وأجهزة التحلل الحرارية، وأجهزة الترددات العالية، وأجهزة الترددات الساتلية، وفي نهاية الاستلام، تخفض الإشارات إلى استرجاع البيانات الأصلية، وهذه العملية حيوية لتكييف المعلومات على مسافات كبيرة مع الحد الأدنى من الخسائر.

كما أن الجانب المخفض متطور بنفس القدر، إذ تغلق الخوارزميات المتزامنة على التردد الناقل وتوقيت الرموز، حتى عندما تكون التحولات في دوبلر موجودة بسبب الحركة الساتلية، وتعالج مجموعة من السواتل الثابتة التي تستخدمها شركة دوبلر، بعض الهيرتس، ولكن تجارب المدار المنخفض مثل ستارلينكتر، تحولات عدة كيلوهرتز.

خفض عدد المواضع والمصابين

وكثيرا ما تواجه إشارات السواتل ضوضاء وتدخلات، وتستخدم أجهزة الاستعلام الرقمية أجهزة لاستباق الإشارات غير المرغوب فيها، وتعزيز وضوح البيانات المتلقاة وسلامتها، مما يحسن أداء النظام عموما، ولا سيما في البيئات الصعبة، ويمكن أن تزيل أجهزة الاستنفاد الاصطناعي، ومرشحات الاندفاع غير النهائية، وهي أجهزة مشتركة، وكل منها مع مقايضة بين قنوات التكفير والقنوات المتاخمة للشبكة.

فالتقنيات المتقدمة مثل التصفيف التكييفي تتيح لجهاز إدارة الدعم الميداني معرفة خصائص الضوضاء في القناة وإلغائها في الوقت الحقيقي، وهذا مفيد بصفة خاصة لإلغاء التدخل الذاتي في النظم الساتلية الكاملة أو لتخفيف التدخل من السواتل المجاورة في الأماكن المدارية المزدحمة، ويمتد الحد من الضوضاء إلى الحياة المفيدة للسواتل الأقدم من خلال التعويض عن التدهور التدريجي لمكونات التماثل.

تصحيح الأخطاء ونزاهة البيانات

يمكن أن تحدث الأخطاء أثناء انتقالها بسبب تخفيض الغلاف الجوي، والإشعاع الشمسي، أو قصور الأجهزة، أو التصادم مع الحطام الفضائي، وتطبق شركة DSP تصويب الأخطاء في كشف هذه الأخطاء وتحديدها، وتكفل مطابقة البيانات الواردة للبيانات المرسلة، وهذه العملية حاسمة في الحفاظ على وصلات اتصال موثوقة.

بروتوكولات إعادة التكرار الآلي يمكن أن تدار أيضا بواسطة نظام إدارة الدعم الميداني، ولكن في وصلات ساتلية مع تأخيرات في النشر الطويل (250 مترا لرحلات جولة حول الأرض)، يفضل الاتحاد الأوروبي أن يتجنب إعادة النقل إلى رؤوس عامة، وقدرة إدارة الدعم الميداني على تجهيز عمليات التزيين تسمح له بتصحيح الأخطاء في معدلات البيانات التي تتجاوز 1 غموض، مما يجعل السواتل الحديثة ذات الإنتاج العالي ممكنا.

DSP Hardware Constraints in Space

ويجب أن يعمل الساتل DSP في ظروف متطرفة: فراغ، وتقلبات درجة الحرارة من - 150 درجة مئوية إلى + 120 درجة مئوية، وارتفاع مستويات الإشعاع المؤين، ولا تكون الورقات التجارية الموحدة مناسبة، وتخضع المجهزات ذات الكفاءات الفضائية لفحص دقيق، ويمكن أن تُجمع من خلال التصميم أو الحماية، ويمكن أن تتسبب البيئة الإشعاعية في حدوث حالات إزعاج (قلبات الحوض) أو حالات الارتداد التي تدمر الشريحة.

الطاقة هي قيد آخر، فاللوحات الشمسية للسواتل تنتج ويتاج محدود وكل ملليوات تستخدمها عملية تجهيز الإشارات تقلل من الطاقة المتاحة للمضخم النهائي للمرسلين، ويجب على مهندسي نظام المعلومات الإدارية أن يوازنوا بين تجهيزات الطاقة وكفاءات الطاقة، وكثير من أجهزة دعم السواتل الحديثة تشمل مسرعات مكرسه للمعدات الكهربائية والإلكترونية، وعمليات الفرز، وتحول من القاعدة العامة الغرض إلى 100 مرة.

أمثلة على نظم المعلومات الاستراتيجية المستخدمة في النظم الساتلية

عدد من أسر نظام إدارة الدعم الميداني تمّت تداولها على السواتل، وسلسلة أجهزة تكساس TMS320C67x، مع قدرتها على نقاط العائمة، استخدمت في برنامج نظم الاتصالات السلكية واللاسلكية الفضائية في ناسا، وشركة Xilinx (الانيوم AMD)

مزايا استخدام نظم المعلومات الإدارية في النظم الساتلية

  • High-speed processing capabilities]: يمكن أن تنفذ برامجيات DSPs بلايين العمليات المتعددة التراكم في الثانية، مما يتيح تجهيز القنوات الساتلية الواسعة النطاق في الوقت الحقيقي.
  • Flexibility in implementing complex algorithms: Modulation schemes, filter coefficients, and error correction codes can be changed via software uploads, allowing a satellite to adapt to developments ground segment standards.
  • Improved signal quality and robustness : Digital processing eliminates the drift and nonlinearity inherent in analog circuits, deliver consistent performance over the satellite's 15-year lifetime.
  • Reduced equipment complexity with digital processing]: يمكن أن يحل نظام إدارة المحتوى الوحيد محل عشرات المكونات المشابهة، وتقليص الكتلة، وحجمها، وخطر الفشل في المكونات.
  • القدرة على تحديث وتحديث وظائف النظام عن طريق البرمجيات : تم استخدام تحديثات البرامجيات في المدار لإصلاح الحشرات، وإضافة خدمات جديدة، بل وإعادة تشكيل خطة تردد الساتل دون تنقيح مكلف للمعدات.

وعموما، فإن إدماج برامج الدعم الميداني في نظم الاتصالات الساتلية يعزز الأداء والموثوقية والقدرة على التكيف، فمع تقدم تكنولوجيا السواتل، ستواصل هذه البرامج الاضطلاع بدور محوري في التمكين من الربط العالمي غير المستقر.

مقارنة تجهيز الإشارات في آناولوجي

أما تجهيز الإشارات المشابهة فهو المعيار الذي يُستخدم للمرسلين المرسلين عبر السواتل في وقت مبكر، فالسيركات المستخدمة للموصلات والمكثفات والمترجمات المفصَّلة إلى أجهزة التصفية وتضخيم الإشارات، وهذه الدوائر تعاني من درجات الحرارة المتطاولة والشيخوخة والتسامح في التصنيع، إذ إن تغيير شكل العزلة يتطلب استبدال المعدات أو إعادة ضبط الترددات، وقد أزالت أجهزة الاتصال اللاسلكية جميع هذه القيود.

والمبادلات الرئيسية هي أن المعالجة الرقمية تضيف التساهل بسبب التحويل اللاهوتي والتوقف والتأخر في التحلل والتصويب، وبالنسبة للاتصالات الصوتية أو التحكم في الوقت الحقيقي، يجب التقليل إلى أدنى حد من هذا التباطؤ، فالسواتل ذات المدار الثابت بالنسبة للأرض لديها بالفعل تأخير في الدفع باتجاه واحد يبلغ نحو 125 مترا.

المستقبل: السواتل المحددة بالبرمجيات

(اليوم) استخدام أكثر منابر السواتل تقدماً (الجهاز (اللوت) للبث الإذاعي المحدد بـ (س.د.ت.س.ت.م.ع.م)

وبدأت تظهر برامجيات إدارة الدعم التي تتضمن تمديدات لتجهيز ناقلات الأمراض ومعجلات التعلم الآلي في حمولات السواتل، ويمكن أن تؤدي هذه البرامج إلى التكييف والاستشعار الطيفي، بل وحتى تجهيز الصور على متن الساتل لسواتل رصد الأرض، مثلا، يمكن للسواتل المجهزة بمحرك للشبكة العصبية أن تلتقط صورا فائقة الفك الفائق، ولا ترسل سوى البيكسات التي تحتوي على سمات مثيرة للاهتمام بدلا من النطاقات الكاملة للبيانات الخام.

نظم ساتلية حقيقية في العالم

وتظهر عدة مجموعات ساتلية تشغيلية عدم قابلية نظم المعلومات الاستراتيجية للاستقلال:

  • GPS]: يستخدم كل ساتل من السواتل نظام تحديد المواقع نظاماً توجيهياً لتوليد إشارات التوقيت المحددة ومدونات التنقيب التي تمكن أجهزة الاستلام الموجودة على الأرض من حساب الموقف، كما يطبق نظام إدارة الدعم الميداني إبطالاً مضاداً للقذف لحماية الإشارة الملاحية.
  • Iridium NEXT]: تعتمد هذه المجموعة المنخفضة المدارية على برامجيات DSP على متن خطوط اتصال بين السواتل، وبدون التضليل والربط على أساس ثنائي الفينيل متعدد الأطراف، لن تكون شبكة الميوش ممكنة.
  • نظام الفضاء (سي) يستخدم هوائيات متحركة تُدير بواسطة أجهزة الـ دي إس إس لتتبع السواتل وإدارة وصلات المستخدمين، وتحتوي المحطات الأرضية على عدة أجهزة إسعاف ذات أجسام مُعالجة لتصوير الرواسب، والمسح، وتصحيح الأخطاء.
  • هذا الساتل الثابت بالنسبة للأرض يستخدم جهاز توجيه رقمي يمكنه توجيه أي تردد إلى أي شعاع، كل ما يسيطر عليه مصرف من أجهزة إطفاء عالية الأداء.

اعتبارات التصميم الخاصة بالسواتل

وعندما يختار المهندسون أو يصممون نظاماً توجيهياً لإدارة مهمة ساتلية، يجب عليهم أن ينظروا في العوامل التالية:

  • Raadiation tolerance ]: Total ionization dose (TID) and single —event effects (SEE) dictate whether a commercial —offthe —the--shelf DSP can be used or if a ra-waterhard part is needed. NASA's SmallSat Technology Partnership
  • Throughput vs. power]: قد يتطلب ساتل منخفض المدار 100 GOPs (عمليات مليارات في الثانية) لتجهيز النطاقات الواسعة، في حين أن ساتل الطقس الثابت بالنسبة للأرض قد يحتاج فقط إلى 10 ملوثات عضوية ثابتة، ويجب أن تفي الخطة الاستراتيجية المتوسطة الأجل المختارة بهذه المواد دون تجاوز ميزانية الطاقة.
  • Memory and data bandwidth]: الساتل DSPs often have fast-chip SRAM and multiple high-speed chain links (JESD204B or SpaceWire) to connect to ADC/DACs. Insufficient memory can limit the size of FFTs or filter taps.
  • ]Qualification cycle : يتطلب نظام الأفضليات المعينة في الفضاء اختباراً واسعاً، بما في ذلك الفراغ الحراري، والهزاء، والاختبار الإشعاعي، الذي يمكن أن يضيف سنوات إلى الجدول الزمني الإنمائي. ]ESA في متن الكمبيوترات ونظم البيانات تفاصيل إجراءات تحديد مؤهلات الصفحات.

خاتمة

وقد أصبحت مجهزة الإشارات الرقمية النظام العصبي المركزي للهياكل الأساسية الحديثة للاتصالات الساتلية، وقدرتها على معالجة العزلة، وخفض الضوضاء، وتصحيح الأخطاء، والمقاييس التكييفية في الوقت الحقيقي، تتيح معدلات البيانات العالية، والموثوقية، والمرونة التي يتوقعها المستعملون من خدمات السواتل، مع انتقال الصناعة نحو الميزانات، واتباع النطاقات العالية التردد (Ka, V, and optical) وأجهزة الاستعلامية.

For further reading on satellite DSP technology, see the ]IEE article on digital channelizers in satellite payloads and the ]GPS Technical Documentation on signal structure].