القمر الصناعي الراداري TECSAR - سنة في الفضاء

القمر الصناعي الراداري TECSAR، الذي يرسل صورا متميزة من نوعها، هو تعبير عن قدرة الصناعة في إسرائيل - وخاصة صناعة الطيران - على تصميم وتصنيع الأقمار الصناعية وإطلاقها إلى الفضاء

أوري نفتالي مجلة جاليليو

في 21 يناير 2008، تم إطلاق أول قمر صناعي إسرائيلي SAR (رادار الفتحة الاصطناعية) - TECSAR - من الهند. اسم TECSAR مشتق من مجموعة تكنولوجيا SAR الفضائية، ويشير إلى الغرض من الرادار - إظهار تكنولوجيا SAR المحمولة في الفضاء. تتيح هذه التقنية إمكانية إنتاج صورة رادارية للمنطقة التي تم تصويرها ليلاً ونهاراً، في جميع الظروف الجوية وفي جميع ظروف الرؤية. لقد أطلق الإطلاق الناجح للقمر الصناعي والصور الممتازة التي قدمها الصعداء لجميع المشاركين في تطويره. سنركز هنا على الإنجاز التكنولوجي المثير للإعجاب، والذي يتم التعبير عنه في قدرة الصناعة في إسرائيل - وخاصة صناعة الطيران - على تصميم وتصنيع الأقمار الصناعية (خاصة أقمار الرادار) وإطلاقها إلى الفضاء. ونشير إلى أن برنامج التطوير بدأ من الصفر، دون أي خبرة سابقة مع أقمار SAR.

أداء من الدرجة الأولى

تسع دول فقط تنتمي إلى نادي الدول التي تمتلك القدرة الفضائية المثالية (التطوير والإنتاج والإطلاق)، وهذه الدول (حسب الترتيب الزمني لإطلاق أول قمر صناعي): الاتحاد السوفييتي (واليوم: روسيا)، الولايات المتحدة، فرنسا، أستراليا (التي لا تنشط حالياً)، اليابان، الصين، بريطانيا (التي أطلقت هذا النشاط ولكنها لم تواصله)، الهند وإسرائيل (ومنذ نشر مقال غاليليو قبل نحو شهرين، إيران ك حسنًا). بل إن عدد الدول التي لديها القدرة الإنتاجية للأقمار الصناعية الرادارية محدود أكثر: الولايات المتحدة وروسيا وألمانيا وكندا واليابان وإيطاليا وإسرائيل.

تم اختيار مصنع MBT لصناعة الطيران في الثمانينيات من القرن الماضي لقيادة المشاريع الفضائية لدولة إسرائيل. ومنذ ذلك الحين، اكتسب المصنع الكثير من الخبرة في مجال بناء وإطلاق وتشغيل أنواع مختلفة من الأقمار الصناعية: أقمار المراقبة الكهروضوئية، أقمار الاتصالات، والآن أقمار الرادار. وتتفوق الأقمار الصناعية التي تنتجها الصناعة الإسرائيلية في خفة وزنها الناتج عن محدودية الإطلاق من إسرائيل، وأداء من الدرجة الأولى نتيجة لاحتياجات إسرائيل الخاصة. مصنع مبات هو المقاول الرئيسي للقمر الصناعي TECSAR. قامت شركة Alta Systems - إحدى الشركات التابعة لصناعة الطيران - بتطوير وتصنيع رادار القمر الصناعي TECSAR. بدأ تطوير رادارات SAR في شركة Elta منذ حوالي 25 عامًا، وتقوم شركة Elta اليوم بتصنيع وتجميع رادارات SAR لمجموعة متنوعة من الطائرات: الطائرات المقاتلة والطائرات التنفيذية والطائرات الخفيفة وحتى الطائرات بدون طيار (مركبات جوية بدون طيار). ولذلك تم اختيارها لقيادة تطوير الرادار للنظام الفضائي.



SAR القمر الصناعي - من أجل لا شيء؟

منذ عدة سنوات، لدى إسرائيل القدرة على استقبال الصور البصرية من الفضاء، لكن الأقمار الصناعية البصرية مثل إيروس، أوفيك، سبوت، لاندسات، إيكونوس والأقمار المماثلة لا يمكنها التقاط صور في ظروف الرؤية الضعيفة، مثل الليل، الغيوم، الضباب، الرمال والعواصف الترابية. تقلل هذه القيود بشكل كبير من كفاءة الأقمار الصناعية الكهروضوئية. ولذلك فإن هذه الأقمار الصناعية تكاد تكون عديمة الفائدة في تلك المناطق من الأرض التي تغطيها سحب ثابتة إلى حد ما. في المقابل، فإن المستشعر الموجود في القمر الصناعي الراداري "يجلب الشمس معه"، أي أنه "يضيء" السطح بشكل فعال، وبفضل الطول الموجي الطويل نسبيا الذي يستخدمه، فإن هذا القمر الصناعي قادر على تقديم الصور حتى عندما تفشل الأنظمة الأخرى . يقوم جهاز استشعار الرادار بنقل الإشعاع الكهرومغناطيسي، لذلك فهو حساس بشكل خاص للأجسام المعدنية التي تعكس هذا الإشعاع بقوة. ولذلك يستطيع الرادار اكتشاف الأجسام الكبيرة التي من صنع الإنسان، مثل الطائرات والمركبات والقطارات والسفن بطريقة جيدة. وبهذه الطريقة، من الممكن تحديد موقع حطام الطائرات المحطمة أو السفن المنكوبة، والمساعدة في جهود الإنقاذ. ينقل الرادار إشارة متحكم بها، وبالتالي يتجنب الاعتماد على مصادر الضوء الطبيعية، التي ليس لها سيطرة على الإشارة الواردة منها. من خلال بيانات الإشارة المرسلة، يمكن الحصول على معلومات دقيقة جدًا حول المنطقة التي تم تصويرها.

رادار SAR

الغرض من رادار SAR هو إنتاج صورة للسطح الذي تم تصويره. للحصول على صورة واضحة، عليك الحصول على دقة (دقة) جيدة قدر الإمكان، في حدود الأمتار. ومع ذلك، فإن دقة الرادار ضعيفة إلى حد ما سواء في اتجاه المدى أو في اتجاه السمت (اتجاه المدى هو الاتجاه الذي تتحرك فيه الموجات المرسلة من الرادار إلى الهدف، في حين أن اتجاه السمت هو في اتجاه السمت). حركة الرادار (انظر الصورة 2). تم تصميم أنظمة SAR "لإجبار" الرادار على إنتاج قدرة فصل جيدة في المدى والسمت. نستخدم تقنيات مختلفة من أجل تحسين دقة محوري الصورة: يتم تحقيق دقة جيدة في النطاق باستخدام تقنية تسمى "ضغط النبض"، والتي سنشرحها لاحقًا. في اتجاه السمت، يمكن تحسين الدقة عن طريق الإرسال من "هوائي" افتراضي طويل جدًا، ومن هنا جاء اسم رادار الفتحة الاصطناعية، أي رادار الفتحة الاصطناعية.

تقنية تحسين الفصل في اتجاه المدى في الرادار العادي الذي ينقل الطاقة على شكل نبضات، تحدد مدة النبضة الدقة، وبالتالي فإن الدقة الناتجة قد تكون في مدى مئات الأمتار وحتى الكيلومترات. في الأنظمة المحمولة جواً، من الممكن التمييز بين الطائرات حتى عند هذه الدقة، لأنها أهداف فردية. ومن ناحية أخرى، فمن الواضح أنه مع هذه القرارات لا يمكن الحصول على صور واضحة لسطح الأرض. من أجل الحصول على دقة 1.5 متر في الرادار القياسي، على سبيل المثال، يجب إرسال نبضة لمدة عشرة نانو ثانية (ns). تنقل مثل هذه النبضات القصيرة طاقة منخفضة جدًا، مما سيضعف أداء الرادار بشكل كبير. لذلك، هناك حاجة إلى طريقة لنقل نبضة طويلة، مع الحصول على الدقة المطلوبة في اتجاه النطاق. الطريقة التي تتيح ذلك تسمى "ضغط النبض". في هذه الطريقة يتغير تردد الإرسال أثناء النبضة. عندما يتغير التردد خطيًا، تسمى الإشارة LFM Linear Frequency Modulation)، انظر الصورة التالية). بفضل تغيير التردد يتم إنشاء نوع من "الوسم" داخل النبضة، بحيث يمكن فصل أجزاء النبضة المختلفة وربطها بأهداف مختلفة، حتى لو كانت هذه الأهداف أقرب إلى بعضها البعض من الدقة الأساسية (بدون "ضغط النبض"). إذا كان الأمر كذلك، فإن ضغط النبضة يقطع الاتصال بين الدقة وطول النبضة ويجعل الدقة تعتمد على تغير التردد أثناء إرسال النبضة (عرض الفيلم) فقط. وبما أن عرض الفيلم المرسل في التكنولوجيا الحالية يمكن أن يصل إلى عشرات ومئات الميغاهيرتز، فإن دقة الإشارة المضغوطة يمكن أن تكون في حدود بضعة أمتار أو حتى أقل. ولذلك يتم استخدام طريقة ضغط النبض في جميع رادارات SAR لتحسين الدقة في اتجاه المدى (الخط الذي يربط الرادار بالهدف). ومع ذلك، يتم استخدام هذه الطريقة في أنواع أخرى من الرادار لتحسين الدقة في اتجاه المدى. إن ما يميز رادار SAR هو قدرته على ضغط الإشارة في اتجاه السمت أيضًا، وهي القدرة التي سنشرحها على الفور.

تحسين القدرة على الانفصال في السمت

في الرادار العادي، يتم تحديد الدقة في السمت حسب حجم شعاع الرادار في الفضاء، وعادة ما تكون هذه الدقة في حدود الكيلومترات. نظرًا لأن الهوائي الواسع ينتج شعاعًا ضيقًا، والعكس صحيح، فمن الواضح أن كل ما يتعين علينا القيام به لتحسين الدقة هو زيادة عرض هوائي الإرسال، وبالتالي تقليل حجم الحزمة. لكن من الواضح أنه من المستحيل زيادة الهوائي إلى أكثر من بضعة أمتار أو بضع عشرات من الأمتار على الأكثر؛ علاوة على ذلك، للحصول على دقة وضوح تبلغ بضعة أمتار، يتطلب الأمر هوائيًا يبلغ طوله مئات الأمتار أو حتى الكيلومترات. للحصول على مثل هذا الهوائي الطويل، نصنع هوائيًا اصطناعيًا (ومن هنا الاسم: رادار المفتاح الاصطناعي). أي أنه يتم إرسال آلاف النبضات من هوائي صغير نسبيًا لفترة زمنية معينة. خلال هذا الوقت يتحرك الرادار وبالتالي يتم إنشاء هوائي اصطناعي طويل جدًا، بالطول المطلوب للحصول على دقة الصورة المطلوبة. تكمن القدرة على إنشاء الهوائي الاصطناعي في القدرة على الاستفادة من انحرافات التردد الطفيفة الناتجة عن حركة الرادار. هذه الانحرافات ناتجة عن تأثير دوبلر (انظر أدناه): كما نعلم، فإن تردد صفارة الإنذار للمركبة المتحركة يكون أعلى عندما تتحرك المركبة نحونا ويتناقص كلما ابتعدت؛ يُعرف هذا التغيير في التردد بتأثير دوبلر. وتوجد هذه الظاهرة أيضًا في الإشعاع الكهرومغناطيسي، بما في ذلك موجات الرادار. لإنشاء إزاحات دوبلر، يجب أن تكون رادارات SAR في حالة حركة بالنسبة إلى الهدف المصور. تقوم كل نقطة في المنطقة "المضاءة" (المسقطة) من شعاع الرادار بإرجاع الإرسال عند التردد المزاح مع إزاحة دوبلر المميزة، حيث يعتمد الإزاحة على التغير في السرعة النسبية (كمقدار متجه) بين النقطة يجري اختبارها والرادار. بمعنى آخر، من كل نقطة في المنطقة المصورة نحصل على انحراف دوبلر يختلف باختلاف موقع الرادار بالنسبة للهدف (الصورة 4).

يمكن إثبات أنه عند الزوايا الصغيرة، يتغير تردد دوبلر لكل نقطة مضاءة بواسطة شعاع الرادار خطيًا أثناء حركة الرادار: ولكن هذا هو بالضبط نفس نوع تغيير التردد الذي تم إنشاؤه لتحسين الدقة في النطاق! لكن في محور المدى يتم إنشاء تغيير التردد من خلال تغيير التردد أثناء النبضة المرسلة، وعلى النقيض من ذلك، في اتجاه السمت، فإن الحركة النسبية بين الرادار والهدف هي ما يخلق تغيير التردد. وبما أن شكل الإشارة الناتجة متشابه، يتم استخدام نفس الأساليب التي تسمح بتحسين الدقة في النطاق لتحسين الدقة في السمت. ولكن يجب أن نتذكر أن انعكاس دوبلر من كل هدف لا يصل بشكل منفصل، بل يصل دفعة واحدة من كامل المنطقة المضاءة بالحزمة، لذا يجب أن نفصل بين الانعكاسات المختلفة. يمكن معرفة تردد العودة المتوقع بالضبط من معرفة موقع الرادار والهدف في أي لحظة ومن ذلك تصفية الترددات التي لا تتوافق مع التردد المتوقع (على عكس الرادار العادي لا يتم البحث عن الأهداف في رادار البحث والإنقاذ (SAR) - موقع الأهداف معروف مسبقًا، وحجم العودة مفقود). وكما هو الحال في اتجاه النطاق، يتم تحديد دقة الصورة في اتجاه السمت من خلال عرض النطاق الترددي للإشارة التي يتغير ترددها خطيًا، LFM. القرار في السمت يعتمد عكسيا على وقت التصوير. لذلك، كل ما يتعين علينا القيام به لتحسين الدقة في السمت، هو التصوير لفترة أطول، أي إنشاء هوائي اصطناعي أطول. ستؤدي أوقات التصوير التي تبلغ بضع ثوانٍ إلى دقة تبلغ بضعة أمتار. تأثير دوبلر على طرف الشوكة يتسبب تأثير دوبلر في تغير الطول الموجي للموجات عندما يتحرك المصدر بالنسبة للراصد. إذا كان المدى إلى الهدف والعودة هو , فإن الطور المتراكم بواسطة الموجة الكهرومغناطيسية أثناء الرحلة هو:

 إذا كانت هناك حركة نسبية في الاتجاه العمودي للرادار بالنسبة للهدف فإن هذه المرحلة تتغير. إن معدل تغير الطور يحدد التردد، وبالتالي فإن الحركة تسبب تغيراً في مظهر التردد لكل من:



ويتم تعريف هذا على أنه تردد دوبلر.

ريال سعودي مفيد

لقد بدأ اختبار وإظهار المزايا العظيمة لتصوير SAR في السنوات الأخيرة، ويتم الآن استخدام طرق أكثر تطوراً لمعالجة صور SAR. ظاهريًا، هذا تصوير متقدم يسمح لك بالعمل في أي ظروف إضاءة، لكنه لا يزال مجرد تصوير فوتوغرافي. ومع ذلك، فإن التحكم في الموجة المرسلة وإمكانية معرفة ما يتم إرساله بالضبط في أي لحظة معينة، يجعل من الممكن الحصول على المزيد من البيانات حول المنطقة المصورة. تُستخدم صور SAR أيضًا لمراقبة القمم الجليدية القطبية خلال الفترات التي يمنع فيها الظلام أجهزة الاستشعار الأخرى من إرسال البيانات، ويعتبر تلقي الصورة أمرًا مهمًا للعديد من الاستخدامات. على سبيل المثال، التتبع المستمر للبقع النفطية التي تظهر بوضوح في صورة SAR، أو تتبع الأنهار الجليدية حتى في الليل (الصورة 5). في الواقع، تُستخدم صور SAR لرصد القمم الجليدية القطبية خلال الفترات التي يمنع فيها الظلام أجهزة الاستشعار الأخرى من إرسال البيانات (الصورة 6).

رادار TECSAR

متطلبات القمر الصناعي TECSAR - الدقة والتغطية والوزن والقدرة على المناورة - عالية للغاية، ورادار TECSAR، الذي تم تطويره لتلبية هذه المتطلبات، يتفوق في وزنه المنخفض وأدائه الممتاز. لطالما اعتبرت أقمار SAR أقمارًا صناعية ثقيلة، نظرًا للحاجة إلى نظام كهربائي عالي الطاقة. يصل وزن أقمار SAR الأخرى في العالم إلى عدة أطنان وحتى أكثر من عشرة أطنان. وهنا تم تصميم TECSAR مسبقًا باستخدام مواد وطرق مصممة لتقليل الوزن بشكل كبير إلى 300 كجم فقط. إن الوزن المنخفض للقمر الصناعي، فضلاً عن انخفاض عزم الثبات، يمنحان مرونة كبيرة في تشغيله وفي إجراء المناورات، وهو ما لا تستطيع الأقمار الصناعية الثقيلة القيام به. من أجل الحصول على رادار بمثل هذا الوزن المنخفض، تم إجراء تخطيط دقيق لوزن المكونات المختلفة. على سبيل المثال، يتكون السطح العاكس للهوائي من شبكة، وليس من سطح صلب. وزن هذه الشبكة قليل جدًا وقد تمكنا من تطوير مثل هذه الشبكة التي لا تضر بأداء الرادار. وعلى الرغم من وزنه الأقل من الأقمار الصناعية المماثلة في العالم، إلا أن أداء القمر الصناعي لا يقل - بل ويتفوق - على أداء الأنظمة الأخرى. للحصول على هذا الأداء، يستطيع القمر الصناعي التقاط الصور في عدة أوضاع للتشغيل:

• وضع المسح (وضع الشريط)
• وضع البقعة
• وضع التغطية الواسعة
• وضع الفسيفساء

في وضع المسح (الصورة 7)، لا يقوم القمر الصناعي بأي مناورات ويقوم بتصوير الشريط الذي تشير إليه نقطة إضاءة الهوائي. وبما أن هذا الوضع سهل التنفيذ، فقد تم استخدامه في جميع أقمار الرادار الأولى وهو أسلوب تشغيل موجود في كل قمر صناعي لنظام SAR حتى اليوم. ومع ذلك، في هذا النمط من التشغيل يقتصر الاستبانة في السمت على نصف الطول المادي للهوائي. لا يمكن تقصير هذا الطول بشكل كبير، لأنه بعد ذلك سينخفض ​​كسب الهوائي وستكون الإشارة القادمة من الأرض ضعيفة للغاية. إن الوزن المنخفض للقمر الصناعي، فضلاً عن انخفاض عزم الثبات، يوفر مرونة كبيرة في تشغيله وفي أداء المناورات التي لا تستطيع الأقمار الصناعية الثقيلة القيام بها. ومن أجل التغلب على هذا القيد والوصول إلى دقة محسنة، يجب تعليق حزمة الهوائي لمدة وقتا أطول على منطقة التصوير الفوتوغرافي. يتم تنفيذ هذه العملية بطريقة التركيز (Spot، الصورة 9)، والتي تستخدم قدرة المسح الميكانيكي للقمر الصناعي. أثناء العمل، يتم إجراء مناورة بحيث يضيء شعاع الرادار منطقة الصورة لفترة أطول. من هنا يمكننا تمديد وقت التصوير وبالتالي تحسين دقة التصوير. على الرغم من تحسين الدقة في طريقة التركيز، إلا أن شرط "تجميد" الشعاع على الأرض يؤدي إلى تغطية مساحة صغيرة نوعًا ما.



من أجل الاستفادة من مزايا التغطية الواسعة دون المساس بالدقة، تم تطوير طريقة الفسيفساء في ألتا (بالتعاون مع موظفي MBT، ومن بينهم بشكل خاص المرحوم الدكتور أمير كلاين). في وضع التشغيل هذا، تنعكس قدرة المسح الميكانيكي للقمر الصناعي، والتي تمنع (ولكن لا توقف) البقعة على الأرض، وقدرة المسح الإلكتروني للرادار، والتي تمكن الشعاع من الارتداد. بهذه الطريقة يمكننا الحصول على تغطية واسعة بدقة محسنة (الصورة 10). كما ذكرنا، فإن وضع الفسيفساء غير موجود في أي قمر صناعي آخر لـ SAR، ومن المستحيل حاليًا تحقيقه في الأقمار الصناعية الأخرى؛ وذلك لأن القمر الصناعي TECSAR هو الوحيد الذي يجمع بين قدرة المسح الإلكتروني والميكانيكي في نفس الوقت.



وفي الختام فإن تطوير القمر الصناعي TECSAR يعد إنجازا على المستوى العالمي. لتمكين استقبال الصور في أي ظروف إضاءة أو طقس، يستخدم القمر الصناعي حمولة رادارية (حمولة مخصصة) للصور الأرضية. تقنية استخدام الرادار للحصول على صورة تسمى SAR - رادار الفتحة الاصطناعية. تتطلب هذه التقنية اكتشاف إزاحات دوبلر صغيرة لإنشاء هوائي اصطناعي طويل جدًا. إن الدقة الجيدة التي تم الحصول عليها في صور SAR ترجع إلى ضغط نبضة الإرسال من ناحية وضغط إشارة دوبلر من ناحية أخرى. يتيح التصميم المعياري لرادار TECSAR والوزن الخفيف للهيكل تصميم الأقمار الصناعية المشتقة من هذا القمر الصناعي، وهي مناسبة لمجموعة متنوعة من المهام. وبالتالي، على سبيل المثال، سيكون من الممكن تقليل وزن القمر الصناعي بشكل أكبر وتكييفه مع مهمة كوكبية إلى القمر أو المشتري أو الزهرة. إن نجاح أول قمر صناعي TECSAR يعطي زخما كبيرا لتطوير أقمار صناعية إضافية لـ SAR مصنوعة في إسرائيل. في ذكرى صديقي وأخي الدكتور أمير كلاين (2008-1949) شكر وتقدير للدكتور إيلي يادين من "ألتا سيستمز" الذي قرأ مسودة المقال وقدم تعليقاته المفيدة. الدكتور أوري نفتالي هو باحث ومطور في مجال أنظمة الفضاء والذكاء البصري والرادار في شركة Elta Systems Ltd. الدكتور نفتالي يرافق مشروع TECSAR منذ البداية. المصدر: مجلة جاليليو