الاتصالات الفضائية

اتصالات فضاييه

Space communication - Communication spatiale

الاتصالات الفضائية

محمد خالد شاهين

يُقصد بالاتصالات الفضائية space communications الاتصال بين مركبة في الفضاء الخارجي والأرض بوساطة الأمواج الكهرطيسية العالية التردد. ويمثل توفير مثل هذا الاتصال متطلباً أساسياً لأي مهمة فضائية.

ويمكن عدّ الاتصالات الساتلية حالة خاصة من الاتصالات الفضائية؛ إذ تقتصر فيها مهمة الساتل satellite على تأدية دور محطة ترحيل relay بين نقاط مختلفة ومتباعدة على سطح الأرض.

وتُعدّ المنظومات الجزئية الآتية ضرورية لضمان حسن عمل منظومة الاتصالات الفضائية:

* الأوامر: وتُعنى بإرسال التعليمات إلى المركبة الفضائية.

* القياس من بعد: وهي مسؤولة عن إرسال المعطيات العلمية ومعطيات التطبيقات من المركبة الفضائية إلى الأرض.

* الملاحقة: ووظيفتها تحديد بُعد المركبة الفضائية عن الأرض وسرعتها الشعاعية radial velocity نحوها أو بعيداً عنها، بقياس كل من زمن الإرسال الراديوي ذهاباً وإياباً round-trip وإزاحة دوبلر Doppler الترددية.

متطلبات منظومات الاتصالات الفضائية

أقرت إدارة الطيران والفضاء الوطنية الأمريكية ناسا (National Aeronautics and Space Administration (NASA ووكالة الفضاء الأوربية إيزا? (European Space Agency (ESA في عام 2009 إرسال مهمة لدراسة كوكب المشتري وأقماره، ومهمة أخرى لزيارة أكبر أقمار زُحل. وتمثل هاتان المبادرتان خطوات مهمة تحدد مستقبل علم الكواكب، وقد تُقدِّم قرائن عن نشأة المنظومة الشمسية وعن توفر ظروف ملائمة للحياة في مكان آخر إلى جانب كوكب الأرض. كما أقرت وكالات الفضاء الوطنية في كل من روسيا (رفسا RFSA) والصين (سنسا CNSA) والهند (أيزرو ISRO) واليابان (جاكسا JAXA) برامج استكشاف أخرى للقمر والمريخ وعدد من الكويكبات.

تحتاج مثل هذه المهمات إلى منظومات اتصالات وبنى اتصالاتية مرنة وفعالة ومتينة وموثوقة؛ إذ تؤدي تلك المنظومات دوراً حيوياً في الجوانب العملياتية وفي وصلة المعطيات العلمية الهابطة وفي توعية عامة الناس فيما يخص المهمات المأهولة.

وتتضمن متطلبات منظومات الاتصالات الفضائية والملاحة الفضائية:

- توفير الترابط connectivity مع مركبات الاستكشاف والبرامج العلمية.

- معرفة موضع المركبة الفضائية معرفة دقيقة.

- نقل معطيات المهمة.

- القياس من بعد للمركبة.

- الأوامر الصوتية.

وتفرض هذه المتطلبات قيوداً على تصميم محطات الاستقبال الأرضية وقيوداً أشد على تصميم المركبات الفضائية.

متطلبات محطات الاستقبال الأرضية:

تتسبب المسافات الهائلة التي تفصل المركبات الفضائية عن الأرض (أكثر من مليار كيلومتر للكواكب ما بعد المشتري) بجعل الإشارة المستقبلة على الأرض من مسابر الفضاء العميق deep-space ضعيفة للغاية. وتُعطى استطاعة الإشارة المستقبَلة بالعلاقة (1):

حيث P_t الاستطاعة عند خرج المرسل، وG_t و G_r ربح هوائيّي الإرسال والاستقبال على الترتيب، وl طول موجة الإشارة المرسلة، وR المسافة بين المرسل والمستقبل (المدى)، وK معامل فقد المنظومة والذي يأخذ بالحسبان عوامل فَقْد عديدة، من أهمها فَقْد الكِبال cables والموصلات والفَقْد الناجم عن عدم الدقة في توجيه الهوائيات والفقد الناجم عن عدم مواءمة استقطاب هوائيّي الإرسال والاستقبال، والفَقْد الناجم عن المطر والعوامل الجوية الأخرى.

وتدخل عوامل عديدة في تحديد ربح الهوائي منها طول الموجة، وأبعاد فتحة الهوائي، ومعامل الفاعلية. ويُعطى ربح هوائي ذي فتحة دائرية - على سبيل المثال - بالعلاقة (2):

وتمثل فيها D قطر الهوائي، و l طول الموجة، و h فاعلية الهوائي والتي تراوح عادة بين 0.6 و 0.7.

الشكل (1) محطة الاستقبال الأرضية ?كانبيرا? للاتصالات الفضائية العميقة.

?ويتطلب ضَعف الإشارة المستقبَلة خفضاً جذرياً للتداخل الناجم عن المصادر الطبيعية والصنعية على حد سواء. لذا يتوجب استخدام تردد إرسال عالٍ بما فيه الكفاية لإنقاص الضجيج الناجم عن مجرة درب التبانة Milky Way، والتي تشكل المجموعة الشمسية جزءاً منها. كما ينبغي اختيار موقع المحطة الأرضية المستقبِلة بعيداً عن المراكز المأهولة المتقدمة تقانياً من أجل خفض الضجيج الصنعي، وأيضاً ينبغي اختيارها في مكان جاف لتفادي التضعيف attenuation الناجم عن المطر الذي تخضع له الإشارة الراديوية من جهة، وتفادي ازدياد حرارة ضجيج الهوائي بنتيجة رطوبة الغلاف الجوي والسحاب من جهة أخرى. ويتوجب كذلك على هوائيات الاستقبال أن تكون قابلة للتوجيه وكبيرة الحجم لرفع نسبة استطاعة الإشارة المستقبلة إلى استطاعة الضجيج. وتُستخدم مضخمات أولية منخفضة الضجيج low-noise preamplifiers? لخفض حرارة ضجيج محطة الاستقبال. وأخيراً تشتمل المحطة على حواسيب فائقة وتجهيزات معالجة معطيات رقمية متطورة.

ويبين الشكل (1) مثالاً على محطة استقبال أرضية في منظومة اتصالات فضائية.

متطلبات المركبات الفضائية:

تخضع تجهيزات الاتصال على متن المركبات الفضائية إلى قيود صارمة فيما يخص الاستطاعة والوزن والحجم؛ إذ قد يصل وزن تجهيزات الاتصال إلى100 كغ. أما الاستطاعة على متن المركبة الفضائية فهي مورد نفيس، لذا تُستخدم تقنيات لإنقاص استهلاكها من قبل منظومة الاتصال. ويُعدّ المرسلُ المستهلكَ الأكبر للاستطاعة؛ مما يفرض زيادة مردوده efficiency إلى الحد الأعظم. من جانب آخر، تُعدّ الموثوقية reliability متطلباً بالغ الأهمية نظراً لضرورة ضمان عمل التجهيزات مدة قد تصل إلى عدة عقود، وفي بيئات فضائية شديدة الصعوبة من جوانب مختلفة كالحرارة والإشعاع. وطُورت مكونات وتجهيزات ذات موثوقية عالية جداً لهذه الغاية. كما يُعتمد على التكرار redundancy لتفادي الفشل الوحيد النقطة، إذ يمكن - على سبيل المثال - استخدام حتى ثلاثة مستقبلات أوامر تعمل بآنٍ واحد نظراً لحراجة دور هذا المستقبل في عمل المركبة الفضائية وأهميته. ويبين الشكل (2) مثالاً على مركبة فضائية تستخدم منظومة اتصالات فضائية.

الشكل (2) المسبار ?أوريون 1?.

مصادر المعطيات في الاتصالات الفضائية

تُصنَّف المعطيات المطلوب إرسالها بوساطة منظومات الاتصالات الفضائية على الرغم من تباينها في ثلاث فئات رئيسية: المعطيات الخاصة بالبيئة الداخلية للمركبة الفضائية والمعطيات العلمية ومعطيات التطبيقات.

معطيات البيئة الداخلية للمركبة:

تقدم المحسّات sensors الموزَّعة على متن المركبة الفضائية في مواضع مختارة معلومات عن مجموعة من المقادير الفيزيائية المرتبطة بحالة المركبة الفضائية مثل الحرارة والضغط والتسارع والجهد والتيار. وتُعدّ مراقبة هذه المعطيات من قبل مركز المراقبة والتحكم على الأرض أمراً حيوياً لكشف الأعطال وتصحيحها أو تجاوزها إضافة إلى تقييم التوجهات مثل تدني degradation البطاريات والخلايا الشمسية والكساء الحراري.

المعطيات العلمية:

تتضمن هذه المعطيات المعلومات الضرورية لإنجاز أهداف المهمة. وتصدر هذه المعطيات عادة عن محسّات للإشعاعات الكهرطيسية عند أطوال موجية مختلفة. وتتنوع مصادر هذه الإشعاعات من الأحداث الفيزيائية الفلكية العنيفة التي حدثت في الفضاء العميق منذ قرابة 10مليارات سنة إلى الانبعاثات الشمسية الدورية. ويحتاج نقل هذه المعطيات - والتي تصاغ عادة على شكل صور إلى الأرض بعد جمعها - إلى عرض مجال كبير يبلغ مئات الميغاهرتز. لكن يتطلب توفير مثل هذه الاحتياجات من عرض المجال لمسابر الفضاء العميق مركبات فضائية ذات كتلة هائلة وتكلفة باهظة، لذا تعتمد تلك المسابر على مقايضة عرض المجال الأقل بأزمنة إرسال أطول. ويمكن خفض معدل خطأ البت bit error rate بمعالجة إحصائية للإرسالات المتلاحقة للصورة ذاتها من المسبار الفضائي.

كما يتوفر صنف آخر من الدراسات العلمية والمرتبط بالبيئة الخارجية المباشرة للمركبة الفضائية مثل قياس الحقل المغنطيسي الأرضي والشمسي شدة واتجاهاً، وقياس تركيب الغلاف الجوي الأرضي (أو لكواكب أخرى) المتأين والحيادي إضافة إلى الضغط والحرارة والكثافة.

معطيات التطبيقات:?

وتشتمل على المعطيات التي تُقدَّم دورياً كخدمة لمستخدمي صور سطح الأرض لدراسة موارد الأرض والتي يقدمها الساتل لاندسات7? (Landsat7) على سبيل المثال (الشكل 3)، وصور الغلاف الجوي لدراسة الطقس والمناخ كالتي يقدمها الساتل البيئي العملياتي الثابت بالنسبة إلى الأرض (Geostationary Operational Environmental Satellite (GOES). وتستخدم مثل هذه الصور عرض مجال من عدة ميغاهرتز.

الشكل (3) الساتل ?لاندسات 7?

وثمة نوع آخر من معطيات التطبيقات والمتمثل في المعلومات المرسلة من منصات جمع المعطيات على الأرض والمرحّلة من قبل المركبات الفضائية إلى محطات المعالجة الأرضية بوساطة القياس من بعد، وتتطلب هذه المعطيات عرض مجال من رتبة عدة كيلوهرتز. وتكون عادة معطيات التطبيقات جزءاً من خدمة مكفولة، فإذا ما أخفقت مركبة فضائية عملياتية حلَّت مكانها مباشرة مركبة أخرى موجودة على المدار، أو مركبة توضع على المدار بعد مدة قصيرة للاستمرار في تقديم الخدمة.?

التحديات الرئيسية

تتمثل أهم المشكلات الرئيسية من وجهة نظر الاتصالات في أزمنة تأخير انتشار كبيرة ومتغيرة (إذ تراوح من 3 إلى 20 دقيقة للمسار من المريخ إلى الأرض)، وفَقْد مسار كبير جداً، وندرة موارد، وسعات وصلات مباشرة وعكسية غير متناظرة، وترابط connectivity متقطع للوصلة (بسبب كسوف السواتل والمركبات الفضائية والمسابر الفضائية وفشل الوصلة الشائع بنتيجة الاضطرابات)، وغياب بنية تحتية اتصالاتية ثابتة، واستطاعات إرسال عالية بنتيجة كبر المسافات، ومحدودية استطاعة عتاديات الاتصالات وكتلتها وحجمها، وتكلفة العتاديات والبرمجيات العالية وتعقيدها، وفي صعوبة تحقيق توافقية راجعة backward compatibility بنتيجة التكاليف العالية لإجرائيات النشر والإطلاق.

المجالات الترددية المستخدمة

الشكل (4) كيفية استخدام الطيف الراديوي في وكالة ناسا.

يُخصِّص الاتحاد الدولي للاتصالات عالمياً طيف الأمواج الراديويةradio frequency (RF) لصفوف متنوعة من الخدمات تبعاً للمناطق المختلفة من العالم. وتستخدم منظوماتُ الاتصالات الفضائية والملاحة الفضائية الترددات المعتمدة بموجب توصيات مؤتمرات الراديو العالمي التي ينظّمها دورياً الاتحاد الدولي للاتصالات. وتستوجب الاحتياجات المتزايدة من عرض المجال bandwidth متابعة الإجراءات لتخصيص أجزاء إضافية من الطيف الكهرطيسي أو حماية التشارك. ويُعدّ التنسيق التام للطيف بين الوكالات الفضائية الدولية أمراً حيوياً.

تستعمل الاتصالات الفضائية ثلاثة مجالات ترددية رئيسية ُتصنَّف ضمن الأمواج المِكروية هي المجال S وX وK عند ترددات من رتبة الغيغاهرتز والتي توافق أطوالاً موجية من رتبة عشرات السنتيمترات. بيد أن الإشارات عند الترددات فوق 20 غيغاهرتز تعاني مشاكلَ امتصاص ضمن الغلاف الجوي وعلى الأخص عند 22 غيغاهرتز والموافق لتردد رنين الماء.

ويُستعمل المجال الترددي S من 2 غيغاهرتز إلى 4 غيغاهرتز إلى جانب شبكة الفضاء العميق والمهمات الفضائية من قبل منظومات الاتصالات النقالة الأرضية والساتلية.

أما المجال الترددي X والذي يمتد من 8 غيغاهرتز إلى 12.5 غيغاهرتز فهو المجال المفضَّل المستخدم في العديد من المهمات العلمية والرصد الفلكي الراداري إضافة إلى الاتصالات العسكرية والأرصاد الجوية.

أما المجالات الترددية Ku (من12,5 - 18غيغاهرتز) و K (من 18- 26,5 غيغاهرتز) و Ka (من 26,5 - 40 غيغاهرتز)؛ فتُستعمل للقياسات من بعد ومنظومات الاتصالات المتقدمة.

وتجرى الأبحاث والدراسات لتطوير منظومات اتصالات عند ترددات أعلى بهدف إنقاص حجم الهوائيات من جهة وزيادة معدلات الإرسال للمعطيات الهائلة الواجب نقلها من دون أخطاء، وهذا ما يفرض توفر عرض مجالات إرسال من عدة ميغاهرتز.

ويبين الشكل (4) كيفية استخدام الطيف الراديوي في إدارة الطيران والفضاء الوطنية (ناسا).

التقانات الرئيسية لمنظومات الاتصالات الفضائية وتقنياتها?

تؤدي منظومات اتصالات الفضاء العميق إضافة إلى تقانات إطلاق المركبات الفضائية - غير المأهولة الحالية والمأهولة المنظورة - والتحكم فيها دوراً رئيساً في استكشاف الفضاء واستخدامه المنشود. وتمثل اتصالات الفضاء العميق بيئة أكثر تحدياً لاتصالات المعطيات، مقارنة بالاتصالات الساتلية والأرضية على حد سواء، من حيث كبر المسافات والانخفاض الشديد لنسبة الإشارة إلى الضجيج ، وارتفاع أزمنة تأخير انتشار الإشارات، وارتفاع معدلات تلف المعطيات، والأحداث المعطلة للاتصال disruption events، وعدم تناظر عرض مجال الوصلتين الصاعدة والهابطة وغير ذلك من العوامل.

وتدخل تقنيات وتقانات كثيرة في تصميم منظومات الاتصالات الفضائية عموماً واتصالات الفضاء العميق خصوصاً، وتنفيذها وتحديد أدائها، مثل تقانات الإرسال والاستقبال وترميز المصدر وترميز القناة والتعديل وكشف التعديل والنفاذ المتعدد والهوائيات والشبكات.

الهوائيات: تُصنَّف هوائيات الاتصالات الفضائية عادة في فئتين: هوائيات المحطات الأرضية وهوائيات المركبات الفضائية، ولكل منهما تقنياته ومتطلباته الخاصة. وتخضع هوائيات المركبات الفضائية لأبحاث عديدة وجهود متواصلة سعياً إلى تحقيق انخفاض التكلفة وخفة الوزن ورفعة الأداء. ومن بين هذه الأبحاث تقانة الهوائيات القابلة لإعادة التشكيل reconfigurable والهوائيات الكسورية fractal والهوائيات القابلة للنشر والهوائيات القابلة للنفخ inflatable، وتتميز الأخيرة بخفة الوزن وسهولة النشر وصغر حجم التخزين.

ويبين الشكل (5) هوائياً قابلاً للنفخ مصمماً للاتصالات الفضائية.

الشكل (5) هوائي قابل للنفخ.

التعديل والترميز: تستخدم منظومات الاتصالات الفضائية أنماط تعديل وترميز تحقق الفاعلية من حيث عرض المجال bandwidth-efficiency اللازم للإرسال. ويُختار نمط التعديل والترميز الذي يحقق الموازنة بين مقدار تقلب الغلاف (المطال الآني) وفاعلية عرض المجال من جهة، والموازنة بين الاستطاعة وفاعلية عرض المجال (أو بين فاعلية معدل التدفق throughput ونسبة طاقة البت إلى كثافة استطاعة الضجيج (E_b/N₀ من جهة أخرى. وتتوفر عشرة أنماط رئيسية مستخدمة أو منظورة لتطبيقات الاتصالات الفضائية تحقق فاعلية عرض المجال، منها التعديل بترميز النبضة/والتعديل الطوري/ وترميز عدم العودة إلى الصفر PCM/PM/NRZ والتعديل بترميز النبضة/والتعديل الطوري/وترميز ثنائي الطور PCM/PM/Biphase. ويحقق التعديل الرقمي بإزاحة الطور التربيعي لفيهر Feher بالمجال القاعدي FQPSK-B معدل التدفق الأعلى (عرض المجال الأضيق) على حساب تدني معدل الخطأ، أما التعديل بإزاحة الطور ?الاثناني? مع ترميز عدم العودة إلى الصفر BPSK/NRZ بالترميز التوربيني (أو الفائق السرعة) turbo-coded بمعدل 1/3، فيوفر فاعلية الاستطاعة على حساب عرض المجال؛ ومن ثمّ يحقق متطلبات تطبيقات الفضاء العميق.

ويسمح تحقيق الجمع بين الرموز التوربينية والرموز النِّديِّة ذات الكثافة المنخفضة low- density parity code بتحسين أداء اتصالات الفضاء العميق.

التحكم المتكيّف في الاستطاعة: عملت وكالات الفضاء - وعلى الأخص ناسا- ضمن خطة تطوير الجيل القادم من منظومات الاتصالات الفضائية على صياغة متطلبات الاتصالات ومواصفاتها لأنواع عدة من الوصلات: الأرض- القمر، والأرض- المريخ والفضاء- الأرض والفضاء- الفضاء، ويطلق على الأخيرة اسم الوصلات التصالبية scrosslink. وتحتاج منظومات الاتصالات الفضائية - وعلى الأخص اتصالات الوصلات التصالبية - إلى تضمين تقنيات التحكم في الاستطاعة فيها، فمن دونها لا تكون المنظومات قادرة على استمثال مستوى الاستطاعة مع خفض التداخل إلى الحد الأدنى في الوقت ذاته.

ويسمح التحكم في الاستطاعة المتكيّف بخفض التداخل مع المستقبلات الأخرى، وزيادة سعة الجزء المخصَّص من الطيف إلى الحد الأعلى، وزيادة فاعلية استطاعة المركبة الفضائية، والمواءمة مع تغير ظروف المهمة والاتصالات. وتُصنَّف خوارزميات التحكم في الاستطاعة في فئتين: خوارزميات الحلقة المفتوحة وخوارزميات الحلقة المغلقة.

?الحلول المقترحة لمنظومات الاتصالات الفضائية

تمثل تقانات الاتصالات الراديوية (radio frequency (RF والبصرية optical النهجين الأساسيين في بناء?وصلات اتصالاتية نقطة لنقطة على مسافات بعيدة جداً، ولكل منهما سمات مميزة. إذ توفر منظومات الاتصالات الراديوية تغطية واسعة النطاق وخدمة الإذاعة المتعددة multicasting واتصالات لاسلكية نقطة لنقطة سهلة وتطبيقات لا اتجاهية omni-directional. في حين لا تخضع منظومات الاتصالات البصرية إلى قيود ناظمة من حيث استخدام الترددات وعرض المجال، وهي منيعة ضد التشويش والاعتراض من قبل أطراف معادية. كما تتميز منظومات الاتصالات البصرية باستهلاك استطاعة أقل، وبعرض مجال أكبر ومن ثَمَّ سعة أكبر، وتجهيزات أصغر حجماً. ويتطلب تحقيق اتصال بمعدل معطيات محدّد في منظومة الاتصالات البصرية ثلث قطر الهوائي، ونصف الكتلة، ونصف الاستطاعة الرئيسية المطلوبة في منظومة الاتصالات الردايوية. ولعل أهم نقاط ضعف الاتصالات البصرية الفضائية التي تشتمل على وصلة مع محطة أرضية هو تأثير الغلاف الجوي والذي يتجلى على شكل وميض scintillation بصري والتوهين attenuation الناجم عن السحب. وتسهم هذه الظواهر إلى جانب عوامل أخرى في تدني نسبة استطاعة الإشارة إلى الضجيج لمنظومة اتصالات بصرية مع المسافة بصورة أسرع من تدني تلك النسبة لمنظومة اتصالات راديوية.

ويمكن لمنظومة اتصالات بصرية تقليدية تعتمد على تعديل الشدة intensity modulation وعلى الكشف المباشر direct detection مع مضخم ليفي مشاب بالإربيوم erbium-doped fiber amplifier منخفض الضجيج (مضخم أولي)؛ تحقيق معدلات إرسال تفوق 10غيغاهرتز بالثانية، لكن التجارب برهنت على محدودية الحساسية بقدر 40 - 50 فوتوناً بالبت. كما اقتُرِحت منظومات بصرية تعتمد على استخدام تعديل الشدة وثنائيات ضوئية انهيارية كمستقبلات، إضافة إلى تقنيات تعديل وترميز ملائمة لمثل هذه المنظومات، والتي يُعقد عليها الأمل في تحقيق وصلات اتصالات بين المريخ والأرض في المهمات الفضائية بالمستقبل المنظور.

ومع أن الأفضلية الواضحة لمنظومات الاتصالات البصرية الفضائية والتي تجاوزت مراحل الاختبار على المدار؛ فإن منظومات الاتصالات الراديوية تتمتع بكونها تقانات مجربة وناضجة؛ مما دفع بالعديد من مهمات الكواكب البينية المنظورة للاعتماد على المنظومات الراديوية.

وثمة مقترحات عديدة لمنظومات هجينة راديوية وبصرية تحقق التكامل بين هذين النهجين.

شبكات الاتصالات الفضائية

تصنّف شبكات الاتصالات الفضائية الحالية في أنواع ثلاثة:

- الشبكة الفضائية space network والتي تتألف من منظومة سواتل ترحيل تدور حول الأرض على مدارات منخفضة الارتفاع.

- شبكة الفضاء العميق deep space network، وتتألف من ثلاث منشآت؛ واحدة بالقرب من مدريد في إسبانيا والثانية في كانبيرا Canberra في أستراليا والثالثة في جولدستون Goldstone في كاليفورنيا بالولايات المتحدة الأمريكية مزودة بهوائيات كبيرة لاستقبال إرسال المهمات الفضائية من الفضاء العميق (على مسافة تزيد على 2 مليون كيلومتر).

- الشبكة الأرضية ground network والمكوَّنة من منظومة المحطات الأرضية المستخدمة للاتصال مع السواتل التي تدور حول الأرض على نحو رئيسي.??????

الشكل (6) بنية إنترنت الكواكب البينية.

إنترنت الكواكب البينية

مهدت أولى مهمات الاستكشاف التي رعتها إدارة الطيران والفضاء الأمريكية (ناسا) ووكالة الفضاء الأوربية (إيزا)؛ الطريق لحقبة جديدة غزيرة بالمعطيات من مواقع الرصد الأمامية الطويلة الأمد ومركبات الهبوط ومهمات إعادة العينات sample returns والأساطيل المتعددة المركبات الفضائية. ويضاف إلى ذلك برامج الاستكشاف التي تخطط لها وكالات الفضاء الأخرى كالروسية والصينية والهندية واليابانية. وتتطلب المهمات الحالية واللاحقة بنية تحتية اتصالاتية مرنة وفعالة ومتينة قادرة على ربط مراكز المهمات على الأرض بالعناصر الفضائية (التطبيقات المهماتية)؛ وعلى ربط العلماء بالتجهيزات البعيدة (التطبيقات العلمية)؛ وعلى توزيع هذه المعلومات على جميع العلماء حتى على عموم الناس (التطبيقات العمومية). وتتوافق هذه المتطلبات ومشروع إنترنت الكواكب البينية (InterPlanetary Internet (IPN)، الذي يقوم على توفير زيادة كبيرة في معدلات نقل المعطيات واتصالات عالية الأتمتة بين الكواكب البعيدة والأرض.

ويُقسم إنترنت الكواكب البينية المقترحة إلى شبكات فرعية مختلفة تتصدى لمشكلات مختلفة، ومن ثَم لتحديات تقنية مختلفة. ويشتمل هذا? الإنترنت على:

أ- شبكات فِقارية backbone networks: وتحقق بنية تحتية مشتركة للاتصالات بين الأرض والكواكب والأقمار والمسابر الفضائية والعربات الفضائية المؤتمتة rovers بوساطة مركبات فضائية أو سواتل، تؤدي دور عقد شبكة، وتسمح بالإرسال على قنوات فضاء عميق.

ب- شبكات خارجية external networks: وتتألف من عقد هي مركبات فضائية طائرة في الفضاء العميق بين الكواكب والمسابر الفضائية والمحطات الفضائية المدارية. وتملك هذه الشبكات قدرات اتصالاتية بعيدة المدى وقريبة المدى.

ج- شبكات كوكبية planetary networks: وتتكون من شبكة ساتلية وشبكة سطحية. وتوفر الشبكة الساتلية - المكونة من وصلات بين العقد السطحية والسواتل المدارية والعقد الفقارية - خدمة ترحيل بين الشبكة السطحية والشبكة الفقارية، وبين جزأين أو أكثر من الشبكة السطحية. في حين توفر الشبكة السطحية وصلات اتصالاتية بين عناصر الشبكة السطحية مثل المركبات الفضائية الجوالة rovers وعقد الاستشعار sensor nodes والتي قد يكون لها إمكان الاتصال بالسواتل. كما توفر فِقاراً لاسلكياً على الكوكب تستخدمه العناصر السطحية التي ليس لها إمكان الاتصال المباشر مع السواتل.

ويبين الشكل (6) البنية المقترحة لإنترنت الكواكب البينية.

ويعتمد توصيف حركة مرور traffic شبكة إنترنت الكواكب البينية على التطبيقات. ففيما يخص التطبيقات المهماتية يُعدّ إرسال التقارير المتضمنة القياسات من بعد لحالة المركبات الفضائية ولصحة رواد الفضاء إلى مركز المهمة أحد الأمثلة عليها. أما بالنسبة إلى التطبيقات العملية فيبرز نهج جديد يُسمى ?الوجود الافتراضي?. ويقوم هذا النوع من التطبيقات على إرسال كميات كبيرة من المعلومات عن كوكب بعيد مرصود للسماح للعلماء أو للروبوتات ورواد الفضاء بالتفاعل مع النماذج العالية الدقة للمنطقة المرصودة. وأخيراً يمكن توسيع نطاق التطبيقات المنظورة لمهمة فضائية ولشبكة الاتصالات ذات الصلة لتشكل ما هو أكثر من مجرد إدارة المهمات الفضائية أو التطبيقات العلمية. إذ يمكن لعامة الناس ممن يتصفحون الإنترنت اليوم النفاذ إلى مواقع وب web في أماكن نائية (كالقارة القطبية الجنوبية على سبيل المثال)، وقد يكونون في المستقبل قادرين على النفاذ إلى المخدِّمات في الفضاء لطلب المعطيات مباشرة. وهذا يدخل في إطار تطبيقات العموم. وتسمح تقانات جديدة بتحقيق اتصال مع مخدمات الوب على متن المحطات الفضائية الدولية والمسابر الفضائية والمركبات الفضائية على القمر أو الكواكب الأخرى في المنظومة الشمسية.

الأبحاث والآفاق المستقبلية

تتركز الأبحاث الحالية والمشاريع المنظورة على تذليل الصعوبات التي تعترض تنفيذ منظومات اتصالات فضائية بعيدة المدى ذات موثوقية عالية ومعدلات نقل عالية جداً. كما تسعى دراسات عديدة إلى تطوير تصميم تقانات الاتصالات الراديوية والبصرية على حد سواء واستمثالها. ويَحظى إيجاد حلول شبكية جديدة باهتمام خاص نظراً لدورها الحيوي. ويمثل بنيان الشبكة المتحملة التأخير delay tolerant network (DTN) أداة مهمة لهذه الغاية. ويعتمد هذا البنيان أساساً طبقة بروتوكولات مصرورة bundle protocol layer منفذة تحت طبقة التطبيق، وتعمل مباشرة فوق طبقات النقل والشبكة ووصلة المعطيات. ويحظى مشروع إنترنت الكواكب البينية باهتمام كبير بوصفه بنية تحتية شبكية واتصالاتية لدعم المهمات الفضائية بما فيها مهمات استكشاف الفضاء العميق.

التصنيف :

المجلد: المجلد الأول

رقم الصفحة ضمن المجلد : 114

آخر أخبار الهيئة :

البحوث الأكثر قراءة

اصدارات الموسوعة العربية

أسماء الباحثين

هل تعلم ؟؟

• - هل تعلم أن الأبلق نوع من الفنون الهندسية التي ارتبطت بالعمارة الإسلامية في بلاد الشام ومصر خاصة، حيث يحرص المعمار على بناء مداميكه وخاصة في الواجهات

• - هل تعلم أن الإبل تستطيع البقاء على قيد الحياة حتى لو فقدت 40% من ماء جسمها ويعود ذلك لقدرتها على تغيير درجة حرارة جسمها تبعاً لتغير درجة حرارة الجو،

• - هل تعلم أن أبقراط كتب في الطب أربعة مؤلفات هي: الحكم، الأدلة، تنظيم التغذية، ورسالته في جروح الرأس. ويعود له الفضل بأنه حرر الطب من الدين والفلسفة.

• - هل تعلم أن المرجان إفراز حيواني يتكون في البحر ويتركب من مادة كربونات الكلسيوم، وهو أحمر أو شديد الحمرة وهو أجود أنواعه، ويمتاز بكبر الحجم ويسمى الش

• هل تعلم أن الأبسيد كلمة فرنسية اللفظ تم اعتمادها مصطلحاً أثرياً يستخدم في العمارة عموماً وفي العمارة الدينية الخاصة بالكنائس خصوصاً، وفي الإنكليزية أب

• - هل تعلم أن أبجر Abgar اسم معروف جيداً يعود إلى عدد من الملوك الذين حكموا مدينة إديسا (الرها) من أبجر الأول وحتى التاسع، وهم ينتسبون إلى أسرة أوسروين

• - هل تعلم أن الأبجدية الكنعانية تتألف من /22/ علامة كتابية sign تكتب منفصلة غير متصلة، وتعتمد المبدأ الأكوروفوني، حيث تقتصر القيمة الصوتية للعلامة الك

شراء النسخة الورقية