לוויין תקשורת

לוויין תקשורת הוא לוויין מלאכותי המשמש למטרות תקשורת - כלומר, העברת אותות בין שתי נקודות על פני כדור הארץ. לוויין כזה מתפקד אפוא בדרך כלל כתחנת ממסר בחלל. בשמשו כתחנת ממסר, תפקידו לקלוט אותות שמשודרים אליו מנקודה אחת (או מספר נקודות) על פני כדור הארץ, ולשדר אותם בחזרה אל כדור הארץ, תוך כיסוי שטח מרוחק או גדול יותר, למוקדי קליטה שונים.

הצורך בלוויני תקשורת התעורר באמצע המאה ה-20 עם העלייה בשכיחות מקלטי טלוויזיה בבתים פרטיים. עד לאותה תקופה מקלטי הרדיו היו אמצעי התקשורת הנפוץ לתקשורת המונים, ובו הועברו תוכניות בידור ומהדורות חדשות עיקריות. שידורי הרדיו בוצעו בתדר בינוני או נמוך. לעומתם, שידורי הטלוויזיה בוצעו בתדר גבוה יותר, בגלל הצורך להעביר מידע רב יותר (תמונה וקול). בעוד ששידורי הרדיו יכלו להסתמך על תכונת ההחזרה של שכבת היונוספירה כדי להפיץ עצמם לטווחים גדולים מאוד, הרי ששידורי הטלוויזיה לא הוחזרו כלפי כדור הארץ משכבה זו, בגלל התדר הגבוה שלהם, וחדרו דרכה בהמשיכם לחלל החיצון ולפיכך שידורי הטלוויזיה הוגבלו לטווחים קצרים בהרבה. כדי לתת מענה לבעיה זו פותחו לווייני התקשורת, המשמשים כמעיין 'מראות' קטנות בחלל, המחזירות לכיוון כדור הארץ את השידורים בתדר גבוה הבוקעים ממנו ואינם מוחזרים דרך שכבת היונוספירה. עם התקדמות הטכנולוגיה והמעבר הגובר לשיטות שידור ספרתי שבהן נעשה שימוש בתדרים גבוהים והולכים, הפכו לווייני התקשורת לנדבך מרכזי וחשוב במערך התקשורת הגלובאלי וכיום הם משמשים לא רק לתעבורת שידורי טלוויזיה אלא גם לתעבורת אינטרנט, טלפוניה וגם תחנות רדיו.

רוב לווייני התקשורת נמצאים במסלול גאוסטציונרי. לוויין במסלול זה נראה מפני כדור הארץ כנמצא במיקום קבוע בשמים. בשל חשיבותו של מסלול זה נתון מיקום הלוויינים בו לתקינה ולרגולציה על ידי ארגון התקשורת העולמי לתקשורת רדיו ה-ITU-R. מסלול זה נמצא מעל קו המשווה בגובה של 35,786 ק"מ.

לווייני תקשורת אחרים נמצאים במסלול מולניה, במסלולים אליפטיים, או במסלולים נמוכים פולאריים, או לא פולאריים.

עם התפתחות הגלובליזציה, והדרישה לטלקומוניקציה, נעשים ניסיונות שונים להנגשת האינטרנט בכל נקודה על פני כדור הארץ. התפתחות והוזלת תחום הלוויינות הופכים תהליך זה לאפשרי, בין השאר על ידי פריסת מערכי לוויינים המספקים ערוצי תקשורת שונים.

שימושי לווייני תקשורת
לווייני התקשורת משמשים כיום במגוון רחב של שימושים שונים, ולהלן העיקריים שבהם:
שידורי טלוויזיה ישירים לציבור DBS - שידורים המשודרים מתחנת קרקע דרך הלוויין ישירות לבתיהם של מנויי שירותי טלוויזיה רב ערוציים
הפצת ערוצי טלוויזיה בין אולפנים וממוקדי שידור אל מערכות טלוויזיה בכבלים
שירותי דיווח חדשותי של ערוצי טלוויזיה ממקום התרחשותם של אירועים (אירועים מתוכננים כגון אירועי ספורט או קונצרטים, או אירועים חדשותיים כגון אסונות טבע, מלחמות ופיגועים)
טלפוניה רב ערוצית - חיבור מנקודה לנקודה בין שתי תחנות קרקע של אפיקי טלפוניה רבי ערוצים, לצורך תקשורת בינלאומית או בין עירונית. בעוד שימוש זה היה בתחילת ההיסטוריה של לווייני התקשורת הנפוץ ביותר, הוא הולך ונדחק מפני כבלים אופטיים תת-ימיים המעבירים ערוצי טלפוניה בכמות גדולה בהרבה ובעלות נמוכה יותר. עם זאת יש עדיין שימוש נרחב בשירות הזה במדינות מתפתחות, בתקשורת לערים מרוחקות, וכגיבוי לשעת חירום למקרה של קריסת הכבלים האופטיים.
טלפוניה ניידת - שירות טלפון למנויים בודדים הנמצאים באזורים מרוחקים בהם אין קישור לטלפונים סלולריים, לרבות תקשורת טלפונית לכלי שיט וכלי טיס.
תשתית לרשתות סלולריות כאשר ממסרי הרשת נמצאים באזורים מבודדים.
תקשורת נתונים למערכות עסקיות גדולות - VSAT.
תקשורת אינטרנט לאזורים מרוחקים, כאשר לא כלכלי או בלתי אפשרי לחבר מנויים לתשתית הטלפונית או לתשתית הטלוויזיה בכבלים. אחת החברות המספקות שירותים מעין אלו היא Starlink אשר לוויניה סובבים את כדור הארץ כמערך לוויינים.
הפצת סרטי קולנוע בפורמט דיגיטלי מאולפנים למספר רב של בתי קולנוע בו-זמנית.
תקשורת לוויינים צבאית - מגוון רחב של שימושים, קשר לכלי טיס וכלי שיט, קשר לכוחות מבצעיים באזורי לחימה, הנחיית חימוש מונחה מדויק תקשורת בין מפקדות, ותקשורת מלווייני ביון וצילום אל תחנות קרקע על פני כדור הארץ.

שיגורים ראשונים
הלוויין הראשון ששוגר לחלל היה הלוויין הסובייטי ספוטניק 1 (בשנת 1957). הלוויין לא היה לוויין תקשורת במובן העכשווי של המילה, אולם הוא שידר סדרת אותות (צפצופים) בתדרים שונים, תוך שאינו מקבל כל מידע מן הקרקע, בעיקר כדי להדגים את יכולתה הטכנולוגית של ברית המועצות.

לוויין התקשורת האמריקאי הראשון, פרויקט SCORE, ראשי תיבות של Signal Communications Orbit Relay Equipment. לוויין זה שוגר ב-1958 והשתמש במכשיר הקלטה אנלוגי (בסלילים) כדי לאחסן ולשדר הלאה מסרים קוליים. הוא שימש להעברת ברכת חג המולד לעולם מפיו של נשיא ארצות הברית דאז דווייט אייזנהאואר. 

בשנת 1960, שיגרה נאס"א את הלוויין Echo. הלוויין, בצורת בלון בקוטר 30 מטר עשוי מיריעת פוליאסטר דקה מצופה אלומיניום, שימש כממסר פסיבי - אותות שודרו מהקרקע, פגעו במשטח המחזיר של הלוויין, והוחזרו לתחנת קרקע אחרת.

הלוויין קורייר 1B (שנבנה בידי חברת פילקו) שוגר אף הוא ב-1960, והיה הלוויין הראשון בעל משחזר (Repeater) פעיל.

טלסטאר היה לוויין התקשורת הפעיל הראשון ששימש לתמסורת ישירה של שידורים. הוא היה שייך ל-AT&T כחלק מהסכם בינלאומי בין AT&T, מעבדות בל, נאס"א, משרד הדואר הבריטי ומשרד הדואר הצרפתי (PTT). מטרת השותפות הייתה לפתח לוויין תקשורת שישמש את כל השותפים. טלסטאר שוגר על ידי נאס"א מנמל החלל קייפ קנוורל ב-10 ביולי 1962, והיה לוויין התקשורת הראשון שנבנה במימון פרטי. טלסטאר נע במסלול אליפטי (השלים הקפה כל שעתיים ו-37 דקות) בזווית של 45° מעל קו המשווה. 

הלוויין שקדם ללווייני התקשורת שהוצבו במסלול גאוסטציונרי הוא הלוויין Syncom 1 של חברת יוז איירקראפט ששוגר ב-26 ביולי 1963. סינקום 1 הסתובב סביב כדור הארץ אחת ליממה במהירות זוויתית קבועה, אך מכיוון שעדיין הייתה לו תנועה צפונה ודרומה, נדרש ציוד מיוחד כדי לעקוב אחריו.

הצלחות בשיגורי לווייני תקשורת הביאו לסגירת פרויקט ווסט פורד.

לוויין תקשורת סובייטי ראשון "מולניה" שוגר בשנת 1965.

סינים הצטרפו לשימוש החלל לצורכי תקשרות בשנות ה-80 של המאה ה-20 עם תחילת שיגורי לווייני Chinasat.

מסלול גאוסטציונרי

לוויין במסלול גאוסטציונרי מקיף את כדור הארץ במסלול מעגלי, במישור קו המשווה בגובה שבו מהירותו הזוויתית שווה לזו של כדור הארץ עצמו, דהיינו - הקפה אחת סביב כדור הארץ ב-24 שעות בדיוק. לוויינים במסלול הגאוסטציונרי נקראים לוויינים גאוסטציונריים, ונראים כאילו הם נמצאים בנקודה קבועה מעל קו המשווה של כדור הארץ. המסלול הגאוסטציונרי שימושי ללווייני תקשורת משום שאנטנות קרקעיות, שחייבות להיות מכוונות לעבר הלוויין, יכולות לפעול באורח יעיל בלי שיהיה צורך בציוד יקר כדי לעקוב אחר תנועת הלוויין. בפרט ביישומים הדורשים מספר גדול של אנטנות קרקעיות (כמו אלה המשמשות yes הטלוויזיה בלוויין להפצת שידורי הטלוויזיה לבתים). החיסכון בציוד קרקעי יכול להצדיק את העלות הנוספת הכרוכה בהעלאת לוויין למסלול הגאוסטציונרי שהוא מסלול גבוה מאוד.

יתרונות לווייני התקשורת הגאוסטציונריים

 הלוויין נראה כאילו הוא נמצא במקום קבוע מעל פני כדור הארץ ולכן אין צורך באנטנות עקיבה.
 הלוויין "רואה" חלק גדול מפני כדור הארץ ולכן לוויין אחד יכול לשמש לכיסוי תקשורתי של שטח גדול.
הלוויין מכסה שליש מכדור הארץ כך שבאופן תאורטי שלושה לווייני תקשורת יכולים לכסות את כל כדור הארץ .
 בהיות הלוויין אפקטיבית מחוץ לאטמוספירה של כדור הארץ יכול אורך החיים שלו להגיע לכדי 15 שנה ויותר.

מגבלות לווייני התקשורת הגאוסטציונריים
 הלוויין נמצא בגובה גדול מאוד (כ-35,600 ק"מ) ולכן עלויות שיגורו וייצורו גבוהות מאוד, זמני השיגור חייבים להיות מתואמים זמן רב מראש ויכולים להתבצע רק במקומות ספורים בעולם.
 בגלל מיקום הלוויין מעל קו המשווה, אין לו כיסוי תקשורתי לאזורים הצפוניים ביותר והדרומיים ביותר על פני כדור הארץ - אזורי הקטבים.
 בגלל מרחקו הגדול של הלוויין, נדרש ציוד התקשורת, על פני הקרקע ובלוויין להיות יקר ומסובך יותר. כך למשל היו תחנות הקרקע הראשונות שפעלו מול לוויינים גאוסטציונריים בעלות אנטנות בקוטר של עשרות מטרים, ומגברי קליטה מקוררים בחנקן נוזלי. כיום, תחנות הקרקע קטנות וזולות הרבה יותר אולם זה התאפשר על ידי הגדלה וסיבוך של מערכות התקשורת על גבי לוויין התקשורת עצמו. נדרש שימוש באנטנות כיווניות ביותר, מגברים רבי עצמה ומערכות כוח שיספקו הספקי שידור גבוהים ללוויין בחלל.
 גובהו הרב של הלוויין גורם להשהיה של כ-1/4 שנייה של האות האלקטרומגנטי העובר דרכו. השהיה זו מעצימה את תופעת ההד בשיחות טלפון, ומחייבת שימוש במבטלי הד. השיהוי גם עלול לפגוע ביעילותם של פרוטוקולי תקשורת נתונים.

היסטוריה של הלוויינים הגאוסטציונריים
התפיסה של לווייני התקשורת הגאוסטציונריים הוצעה לראשונה על ידי ארתור סי. קלארק, בהתבסס על עבודתו של קונסטנטין ציולקובסקי ועל מאמר משנת 1929 של הרמן פוטוצ'ניק שעליו חתם בשם הרמן נורדונג. באוקטובר 1945 פרסם קלארק מאמר שכותרתו "ממסרים מחוץ לכדור הארץ" במגזין הבריטי "עולם האלחוט". המאמר תיאר את הבסיס לפיתוח לוויינים מלאכותיים במסלולים גיאוסטציונריים למטרת ממסור אותות רדיו. לפיכך נחשב קלארק ממציא לוויין התקשורת.

להלן נקודות ציון חשובות בהיסטוריה של לווייני התקשורת הגאוסטציונריים:

 לוויין התקשורת הגאוסטציונרי הראשון Syncom 3 - שוגר באוגוסט 1964 לוויין תקשורת אמריקני שאיפשר שידור משחקי אולימפיאדת טוקיו ב-1964 לארצות הברית.
 הקמת ארגון אינטלסאט - אוגוסט 1964, ארגון בינלאומי שהיה בראשיתו התאגדות של מדינות שהפעילו במשותף לווייני תקשורת לצורך תקשורת לוויינים בינלאומית.
 1965 - לוויין התקשורת הגאוסטציונרי המסחרי הראשון של רשת אינטלסאט שכונה EARLY BIRD, ואיפשר העברת 240 שיחות טלפון בו-זמנית או ערוץ טלוויזיה אחד. שירות מסחרי של הלוויין ניתן בארצות הברית, צרפת, גרמניה המערבית ובריטניה.
 1967 - לוויין אינטלסאט מסדרה II, מעל האוקיינוס האטלנטי והאוקיינוס השקט.
 1968 - 1970 - פריסת לווייני אינטלסאט מסדרה III, בכל לוויין 1500 שיחות טלפון, ארבעה ערוצי טלוויזיה, או צירוף שלהם. כיסוי גלובלי של כדור הארץ, פרט לאזורי הקטבים.
 ינואר 1971 - לווייני אינטלסאט מסדרה IV - שאפשרו 400 שיחות טלפון בו זמנית.
 נובמבר 1971 - ייסוד אינטרספוטניק, ארגון מתחרה לאינטלסאט על ידי תשע מדינות קומוניסטיות בראשות ברית המועצות.
 נובמבר 1972 - שיגור ANIK 1 הקנדי - יישום מערכת התקשורת הלוויינית הלאומית הראשונה מחוץ לארצות הברית.

לווייני תקשורת נמוכי מסלול
מסלול נמוך הוא מסלול מעגלי בגובה של מעל 160 ק"מ מעל פני השטח של כדור הארץ. משך ההקפה הממוצע במסלול זה הוא כ-90 דקות. 
בשל מסלולם הנמוך, הקשר עם הלוויין הוא עד לטווח של אלף קילומטרים ולא מחצית מכדור הארץ לערך כמו בלווייני התקשורת הגאוסטציונריים. בנוסף, לוויינים במסלול ארץ נמוך משנים את מיקומם ביחס לתחנות הקרקע במהירות, כך שאפילו ליישומים מקומיים נדרשים לוויינים רבים כדי לשמור על תקשורת רציפה. ואולם, הצבת לווייני תקשורת במסלול נמוך היא זולה בהרבה מאשר לוויינים גאוסטציונריים, ובנוסף, בשל קרבתם לקרקע, לא נדרש אות חזק כדי לתקשר עימם לפיכך ישנה תחלופה בין מספר הלוויינים ועלותם. בנוסף, יש הבדלים גדולים בציוד שבתוך הלוויין ובציוד הקרקעי הנדרש לתמוך בשני סוגי הלוויינים.

קבוצת לוויינים הפועלת במתואם נקראת קונסטלציית לוויינים. שתי קונסטלציות כאלה שנועדו לשפר את קליטת הטלפוניה, במיוחד באזורים מרוחקים היו "אירידיום" ו"גלובל סטאר". במערכת "אירידיום" יש 66 לוויינים. בעבר תוכננה גם מערכת לוויינים נמוכי מסלול, המגובה בכספי היזם פול אלן, מבעלי מיקרוסופט, שהייתה אמורה להכיל עד 720 לוויינים אולם המיזם פשט את הרגל לפני שיגור הלוויין הראשון.
לוויינים כאלה מסוגלים להציע כיסוי רציף ממסלול נמוך בזכות יכולתם לאגור מידע שהם קולטים כשהם חולפים מעל חלק אחד של כדור הארץ ומשדרים אותו כשהם נמצאים באזור אחר. כזה הוא הלוויין הקנדי "קסיופאה" של חברת "CASCADE", וO3b שהיא תשתית תמסורת לוויינית עבור אזרחי העולם שאין להם כיום נגישות לאינטרנט רחב-סרט.

אינטרנט ולוויינים

עם התפתחות הגלובליזציה, והדרישה לטלקומוניקציה, נעשים ניסיונות שונים להנגשת האינטרנט בכל נקודה על פני כדור הארץ. התפתחות והוזלת תחום הלוויינות הופכים תהליך זה לאפשרי.
חברות שונות מנסות להניח את התשתית המתאימה חברות כמו Starlink בבעלותו של אילון מאסק ו-OneWeb בבעלותו של ריצ'רד ברנסון.

קישורים חיצוניים

אתר לווייני התקשורת

הערות שוליים

לוויינים
שיטות טלקומוניקציה