وبلاگ

ای از ماهواره می پردازیم و سپس ماهواره های تصویربرداری را بیشتر مورد بررسی قرار می دهیم.
ماهواره یک ابزار مخابراتی است که حدود چند دهه قبل توسط انسان اختراع و به خدمت گرفته شده است و ایده آن بعد از جنگ جهانی دوم به وجود آمد که برای اولین بار به نام Sputnik توسط کشور شوروی سابق به فضا پرتاب شد. از آن تاریخ به بعد یک رقابت بسیار شدیدی بر سر ساخت و ارسال ماهواره بین دو ابر قدرت وقت آغاز شد.
ماهواره های مخابراتی در حالت کلی به دو نوع Regenerative و Conventional تقسیم می شود از نظر ساختار یک ماهواره از دو قسمت کلی 1-  Payload و 2- Platform تشکیل شده است.
بخش Platform که ساختار کنترلی و مکانیکی و صفحات خورشیدی را شامل می شود ولی بخش Payload مأموریت مخابراتی یک ماهواره را بر عهده دارد.
در زمینه ساخت و ارسال ماهواره ها، بخش پرتاب (Lunch) ماهواره بسیار مهم و پیچیده می باشد. که یک ماهواره باید از یک مکان معین از کره زمین و یک زمان معین از سال پرتاب گردد. البته مدل های قرار گرفتن آن در فضا (Constellation) به صورت قراردادی توسط دانشمندان مطرح گردیده است.
از نظر موقعیت قرار گرفتن ماهواره در فضا به صورت سه لایه زیر تعریف می شود:
1- لایه Low Earth Orbit :LEO

2- لایه Medium Earth Orbit :MEO

3- لایه Geostationary Earth Orbit :GEO
یک سیستم مخابرات ماهواره ای دارای 3 بخش اصلی می باشد:
1- بخش فضائی
2- بخش کنترل
3- بخش زمینی
عملکرد بخش فضائی بستگی به نوع کاربرد و هدف از ارسال دارد. بخش کنترلی (TT & C) (Tracking telemetry and Command) بخش مدیریتی ماهواره را بر عهده دارد. بخش زمینی بستگی به نوع کاربرد دارد و عملکرد آن نیز متفاوت است. در ضمن قسمتی از بخش کنترلی در ایستگاه زمینی نیز وجود دارد.
یکی از پارامترهای بااهمیت در مخابرات ماهواره ای، لینک های ماهواره ای می باشد که شامل موارد زیر می باشد:
1- لینک بالا رونده Uplink
2- لینک پایین رونده Downlink
3- لینک بین ماهواره ای Intersatellite link
در لینک بالا رونده، سیگنال از ایستگاه زمینی به سمت ماهواره و در لینک پایین رونده، سیگنال از ماهواره به سمت ایستگاه زمینی ارسال می گردد. لینک بین ماهواره، ارتباط بین دو ماهواره است که می تواند یک Optical link نیز باشد.
از نظر تخصیص فرکانس مخابرات ماهواره ای، کره زمین (از نظر ارتباطی) را به 3 منطقه بزرگ تقسیم کرده اند که شامل موارد زیر می باشد:
1- منطقه شماره 1: اروپا و آفریقا و خاورمیانه و قسمتی از روسیه
2- منطقه شماره 2: کشورهای آمریکایی
3- منطقه شماره 3: آسیا و اقیانوسیه و قسمتی از خاورمیانه و قسمتی از روسیه

مایکرویوها امواج الکترومغناطیسی هستند که محدوده فرکانسی آنها تقریبا از 300 مگاهرتز تا 1000 گیگاهرتز می باشد. بیشتر کاربردهای صنعت مایکروویو در محدوده 1 تا 40 گیگاهرتز است. اینگونه امواج چون طول موج بسیار کوتاهی در محیط انتشار دارند امواج مایکروویو یا ریزموج نامیده می شوند.
طیف الکترومغناطیس در انتهای پایین ناحیه مایکروویو مرز بین فرکانس های رادیو و تلویزیون است در حالی که انتهای بالای آن همجوار به طیف های نوری و مادون قرمز می باشد.
مایکروویو در جامعه مدرن ما کاربردهای فراوانی دارد. از فرستادن سیگنال تلویزیون از روی اقیانوس تا پختن غذا در چند دقیقه را شامل می شود. از امواج مغناطیسی به دلیل بالا بودن فرکانس در انتقال اطلاعات آنالوگ و دیجیتال استفاده های زیادی می شود چرا که بالا بودن فرکانس آنها ظرفیت انتقال اطلاعات را در سیستم هایی که از امواج مایکروویو برای انتقال اطلاعات استفاده می کنند افزایش می دهد. توانایی تمرکز امواج رادیویی، تابعی از اندازه آنتن و طول موج عملکرد است. برای یک آنتن با اندازه معین توانایی تمرکز با کم نمودن طول موج بهبود می یابد. برای مثال عرض شعاع رادیویی یک آنتن سهموی به قطر یک متر تقریبا 50 درجه در 1GHZ است در حالی که این عرض فقط 5 درجه در 10GHZ است. برای راندمان مخابرات بین دو نقطه، این نکته مهمی است که سیگنال فرستنده با تمرکز زیاد به طرف آنتن گیرنده جهت گیری کند.
یک سیستم انتقال که در فرکانس 60MHZ کار می کند، اگر پهنای باند آن 6 درصد فرکانس مرکزی باشد، فقط می تواند یک کانال تلویزیون را انتقال دهد، در حالی که اگر همان سیستم بتواند در فرکانس 60GHZ کار کند، با همان درصد پهنای باند، می تواند تقریبا 100 کانال تلویزیونی انتقال دهد.
همین قابلیت های امواج مایکروویو موجب شده است تا در دنیای روبه رشد امروز، که هر روز نیاز به افزایش حجم اطلاعات می باشد، بتوان جوابگوی نیاز وسیع جامعه بشری به ارتباطات بود.
سیستم های رادار، کاربرد اصلی دیگر مایکروویو می باشد. از آنها به عنوان آشکار سازی هواپیما، هدایت موشک های ماورای صوت، مشاهده و ردگیری، هواشناسی و کنترل ترافیک هواپیما در فرودگاه ها استفاده می شود.
2-1) قطعات مایکروویوی
تنوع عظیمی از قطعات جهت استفاده برای کنترل و سیستم تولید سیگنال مایکروویوی وجود دارد. اتصالات هایبرید از جمله این قطعات مایکروویوی هستند.

یک اتصال هایبرید 180 درجه، یک چهار پورتی است که اختلاف فاز بین دو پورت خروجی آن 180 درجه می باشد.

سیگنال تابش از پورت 1 به دو قسمت هم فاز در پورت های 2 و 3 تقسیم می شوند و در پورت 4 سیگنالی نخواهیم داشت که اصطلاحا این پورت ایزوله است. حال اگر سیگنال تابش به پورت 4 اعمال شود به دو قسمت با اختلاف فاز 180 درجه در پورت های 2 و 3 تقسیم خواهد شد و در این حالت پورت 1 ایزوله خواهد بود.
از این قطعه می توان به عنوان جمع کننده استفاده کرد. مجموع سیگنال های تابشی به پورت های 2 و 3 در پورت 1 و تفاضل آنها در پورت 4 خواهد بود از اینروست که گاهی پورت های 1 و 4 را به عنوان پورت های مجموع (E) و تفاضل (^) می نامند.
یک اتصال هایبرید 180 درجه به چند صورت قابل ساخت است.
1- کوپلر حلوقوی جهت دار که به کمک خطوط مایکرواستریپ یا استریپ لاین قابل ساخت هستند.
2- به صورت خط کوپل شده باریک شونده.
3- به صورت هایبرید با اتصال موجبری یا اتصال T جادویی.
اتصال هایبرید نوع اول یا کوپلر حلقوی جهت دار کاربردهای بسیار وسیعی در رادار و مخابرات باند وسیع دارد و در ساخت قطعاتی همچون مخلوط کننده ها، تقسیم توان برای آنتن های آرایه ای میکرواستریپ، تقویت کننده های متعادل، تمیز دهنده فرکانسی، شیفت دهنده های فازی، مدولاتورها و غیره کاربرد دارد.
اما با توجه به مقدار تغییرات دامنه و فاز، VSWR و ایزولاسیون پورت ها، پهنای باند یک کوپلر حلقوی حدود 20 تا 25 درصد فرکانس مرکزی است.
مطالعات و تحقیقات زیادی در مورد افزایش پهنای باند کوپلرهای حلقوی انجام گرفته است. در این پروژه تعدادی از مقالات و تحقیقات انجام شده در زمینه کوپلرهای حلقوی همچنین روش هایی که برای افزایش پهنای باند مؤثر این قطعه و افزایش ایزولاسیون پیشنهاد شده را بررسی خواهیم کرد، در فصل پنجم طرح تقسیم کننده توان با پهنای باند وسیع را معرفی و تحلیل می کنیم و مشخصات یک تقسیم کننده توان پنج پورتی را بیان می کنیم، برای تحلیل مشخصات یک تقسیم کننده توان حلقوی از یک برنامه کامپیوتر که به زبان matlab نوشته شده است، بهره خواهیم گرفت.

از آنجا که پدیده های هوای فضا در داخل کشور و حتی در محافل علمی نسبتاً ناآشنا می باشند، فصل اول به شرح مختصری از این پدیده ها اختصاص داده شده است. همچنین در این فصل شاخص های مختلف پدیده های هوای فضا بطور مختصر توضیح داده شده است. فصل دوم تشریح مختصری از عملکرد سیستم قدرت و اجزای آن اثرات زیان آور طوفانهای ژئومغناطیس را مورد بررسی قرار داده است. در این فصل شاخص KP به عنوان معیاری در سیستم های هوشمند قدرت انتخاب شده است. فصل سوم پیش بینی شاخص KP به روشهای مختلف، شبکه های عصبی، روش فازی – عصبی و روش LOLIMOT مورد بررسی قرار گرفته است. و بالاخره فصل چهارم شامل خلاصه ای از دستاوردها، مقایسه نتایج پیش بینی و هشدار، و پیشنهاد برای ادامه کار است.

فصل اول: کلیات
1-1) هدف
1-1-1) پلاسما چیست؟
همه اجسام را می توان به سه گروه جامد، مایع و گاز گروه بندی کرد. اما ماده داخل یک لامپ فلورسنت یا چراغ نئون، و شفق کاملاً با سه گروه ذکر شده متفاوت می باشد. هر یک از این موارد پلاسما می باشند (گاز یونیزه شده).
اغلب گفته م یشود که ٩٩% ماده موجود در طبیعت در حالت پلاسماست، یعنی به شکل گاز الکتریسیته داری که اتم هایش به یونهای مثبت و الکترونهای منفی تجزیه شده باشد. این تخمین هر چند ممکن است خیلی دقیق نباشد ولی تخمین معقولی است از این واقعیت که درون ستارگان و جو آنها، ابرهای گازی و اغلب هیدرژن فضای بین ستارگان به صورت پلاسما هستند. در نزدیکی خود ما، وقتی جو زمین را ترک کنیم بلافاصله با پلاسمایی مواجه می شویم که شامل کمربندهای تشعشعی و ان آلن و باد خورشیدی است. به نظر چنین میرسد که ما در یک درصدی از عالم زندگی می کنیم که در آن پلاسما به طور طبیعی یافت نمی شود. علت این امر را می توان از معادله ساها که میزان یونش یک گاز را در حال تعادل حرارتی نشان می دهد دریافت.

در این فصل در مورد مبدل های ماتریسی و دو روش کنترلی که به صورت گسترده ای برای کنترل این نوع مبدل ها به کار می رود، توضیح داده می شود. روش کنترل اولی بر پایه تابع انتقال مستقیم و دومی بر پایه مدولاسیون بردار فضایی می باشد. در این فصل اساس استراتژی مدولاسیون در هر دو روش کنترلی بررسی شده و در خاتمه کنترل مبدل ماتریسی بر پایه SVM شبیه سازی شده و نتایج آن بررسی شده است.
2-1- مبدل های ماتریسی کنترل شده توسط تابع انتقال مستقیم
انتقال و کنترل انرژی یکی از مهمترین مراحل در مهندسی برق می باشد، در سال های اخیر این کار با به کارگیری نیمه هادی های قدرت و المان های ذخیره کننده انرژی مانند خازن و سلف انجام گرفته است، و بدین ترتیب چندین خانواده مبدل ها همچون یکسوسازها و اینورترها و چاپرها توسعه یافته اند. هریک از این خانواده ها مزایا و محدودیت های خودشان را دارند.
مبدل های ماتریسی، یک توپولوژی مداری پیشرفته ای است که توانایی تبدیل مستقیم Ac/Ac را دارد، در این نوع مبدل ها هیچ گونه لینک DC وجود ندارد.
مبدل های ماتریسی شامل آرایه ای از سوئیچ های دو طرفه ای می باشد و به گونه ای مرتب شده است که سه فاز منبع ولتاژ را مستقیما و بدون هیچ لینک DC و یا المان های حجیم ذخیره کننده انرژی به سه فاز طرف بار وصل می کند.
مهمترین مشخصات مبدل های ماتریسی عبارتند از:

1- ساده و فشرده بودن

2- تولید ولتاژ بار، با دامنه و فرکانس دلخواه
3- جریان ورودی و خروجی سینوسی
4- عملکرد با ضریب توان واحد
توسعه این نوع مبدل ها با کار اولیه آقایان venturini و Alesina آغاز شد آنها مدار قدرت این نوع مبدل ها را مانند ماتریسی از سوئیچ های قدرت دو طرفه ای قرار دادند و اسم مبدل های ماتریسی را برای آنها برگزیدند. روش مدولاسیون آنها به تابع انتقال مستقیم معروف می باشد که در آن ولتاژ خروجی از حاصل ضرب ماتریس مدولاسیون در ولتاژ ورودی به دست می آید.
دو مشکل اساسی و اولیه در توسعه این نوع مبدل ها وجود داشت اولی کنترل کلیدهای دوطرفه استفاده شده در مبدل ماتریسی به گونه ای که هیچ گونه اضافه جریان و پیک های اضافه ولتاژ که می توانند نیمه هادی های قدرت را بسوزانند، وجود نداشته باشد خیلی مشکل بود. این مشکل با ارائه مقالاتی در زمینه استراتژی کموتاسیون چند مرحله ای برطرف شد.
مشکل دوم در گسترش مبدل های ماتریسی تعداد زیاد المان های قدرت جهت پیاده سازی کلیدهای دوطرفه بود این مشکل نیز امروزه با پیشرفت تئوری نیمه هادی ها و قرار دادن مدارات قدرت حتی در یک مدار مجتمع مرتفع شده است.

QFT یک روش طراحی مهندسی و یکی از روش های کنترل مقاوم است که مبتنی بر تئوری فیدبک بوده و برای دستیابی به خصوصیات مطلوب سیستم (desired performance) با وجود نامعینی و اغتشاش در فرآیند تأکید دارد. در عمل پارامترهای سیستم و در نتیجه ضرائب تابع تبدیل ثابت نبوده و در بازه ای نامعین قرار دارند. در پروسه خطی سازی معادلات سیستم، بخشی از مشخصات سیستم نادیده گرفته می شوند و چون در اکثر این روش ها خطی سازی حول نقطه ای انجام می پذیرد، همیشه این مسئله وجود دارد که تا چه اندازه انحراف از نقطه کار خطی سازی شده معتبر است. بنابراین جبران ساز طراحی شده براساس این روش ها به دلیل عدم وجود مقاومت (robustness) در عمل پاسخگوی سیستم نبوده و اکثر این طراحی ها به صورت تئوری انجام می گیرد.
دینامیک سیستم های واقعی معمولا دستخوش تغییرات بوده و یا مدل آنها حاوی ابهام می باشد. هدف کنترل مقاوم کنترل چنین فرایندهایی است که نمی توان دینامیک حاکم بر آنها را به وسیله یک مدل مشخص و دقیق بیان نمود. ایده کنترل فرایندهای نامعین توسط یک ساختار کنترلی ثابت در روشهای مختلف کنترل مقاوم، توسط ساختار کنترلی متغیر در کنترل تطبیقی مطرح می باشد.

کنترل های تطبیقی، هوشمند، و مقاوم یک زمینه اشتراک کلی دارند و آن فرض وجود نامعینی در سیستم است. هر سه نوع کنترلرها مدعی ارائه کنترلی خوب و مناسب هستند و هرکدام نقاط ضعف و قوتی نسبت به همدیگر دارند. در کنترل مقاوم تغییرات سیستم را به صورت نامعینی (uncertainty) جمع کرده و به سیستم مربوطه یک سیستم نامعین می گوییم. اولین تفاوت کنترل مقاوم با دیگر استراتژی های کنترلی یعنی تطبیقی و هوشمند، این است که در کنترل مقاوم کرانهای نامعینی باید معلوم باشند. البته در بسیاری از موارد،

 در عمل این کرانها مشخص هستند ولی ممکن است کران نامعینی وسیع باشد، که برای کنترل مقاوم مشکل ساز خواهد بود. کنترل مقاوم در صورت وجود جواب مدعی ارائه یک جبرانسازی منحصر بفرد با ساختار ثابت و خطی می باشد.

در صورتی که کنترل کننده های تطبیقی و هوشمند، کنترلرهای با ساختار متغیر، غیرخطی و اکثرا با محاسبات زمان طولانی می باشند. در نتیجه کنترلر مقاوم بسیار ساده تر و ارزان تر از دو روش دیگر است. حسن دیگر کنترلر مقاومت این است که بر مبنای ریاضیات قوی بوده که این امر در کنترلر تطبیقی و هوشمند کمتر مشاهده می شود. مزیت دیگر کنترل مقاوم نزدیکی آن به کنترل کلاسیک است که در نتیجه می توان از ایده های کنترل کلاسیک در آن سود جست. تئوری فیدبک کمی به عنوان یکی از روش های قدرتمند کنترل مقاوم در طی سه دهه، برای کنترل سیستم های خطی و غیرخطی، تغییرپذیر و تغییر ناپذیر با زمان، زمان پیوسته یا زمان گسسته، SISO، یا MIMO که هریک حاوی عدم قطعیت کراندار باشند، توسعه یافته است. همچنان که قبلا ذکر شد اساس QFT بر آن است که فیدبک جهت مهار نامعینی پارامترهای فرایند و اغتشاش به کار گرفته شود.
از طرف دیگر یک تکنیک کنترلی مبتنی بر روش طراحی برای سیستم های LTI/SISO زمان پیوسته غیرقطعی می باشد. هریک از انواع دیگر سیستم ها به نحوی به مسئله فوق تبدیل می شوند.
البته مطابق تئوری فیدبک، چنانچه تغییرات ناشی از عدم قطعیت فرایند از محدوده عملکرد مجاز فراتر نرود، نیازی به فیدبک نبوده و کنترل پیشخور کافی است. به طور کلی هدف کنترل قرار دادن معیارهای کارائی سیستم در تلرانسهای معین می باشد. با انتخاب فیدبک می توان عدم قطعیت سیستم را به میزان مورد نیاز تلرانس های کارائی فشرده نمود. اولین طراحی کمی براساس ایده های فوق با تحلیل یک فرایند نامعیت LTI/SISO توسط پرفسور هورویتز در سال 1959 انجام گرفت، و پس از آن تاکنون تعمیم و گسترش یافته است.
لازم به ذکر است که تمام تکنیک ها QFT (برای سیستم های MIMO، و غیرخطی با فیدبک خروجی و یا متغییرهای داخلی) مبتنی بر طراحی LTI/SISO هستند و هریک در مراحل تبدیل مسئله طراحی به مسائل LTI/SISO دچار فراطراحی می شوند. تکنیک QFT در سیستم های LTI/SISO تک حلقه، پایه سازنده ای برای بقیه تکنیک های آن است و طبق ادعای پروفسور هورویتز، اگر QFT نتواند یک مسأله نامعینی را حل کند هیچ روش دیگری قادر به ارائه یک پاسخ LTI تک حلقه (فیدبک خروجی) نخواهد بود.