بررسی کامل ماهواره تراسار ایکس TerraSAR-X

ماهواره TerraSAR-X، یک ماهواره مشاهده زمین آلمانی است که در 15 ژوئن 2007 از پایگاه فضایی بایکونور قزاقستان پرتاب شد. این ماهواره با استفاده از رادار با دیافراگم مصنوعی (SAR) در باند X (طول موج 31 میلی‌متر، فرکانس 9.65 گیگاهرتز)، تصاویر راداری با رزولوشن بالا از سطح زمین ارائه می‌دهد. ماهواره تراسار ایکس در مدار نزدیک به قطبی با ارتفاع 514 کیلومتر حرکت می‌کند و به دلیل طراحی مدولار و توانایی تصویربرداری مستقل از شرایط آب‌وهوایی، به ابزاری کلیدی برای کاربردهای علمی، تجاری و نظامی تبدیل شده است. این ماهواره نتیجه همکاری بین مرکز هوافضای آلمان (DLR) و شرکت ایرباس دیفنس اند اسپیس (Airbus Defence and Space) در قالب یک مشارکت عمومی-خصوصی (PPP) است و داده‌های آن از طریق شرکت اینفوترا (Infoterra) تجاری‌سازی می‌شود. با بررسی ماهواره تراسار ایکس همراه ابرار صنعتی باشید.

فناوری راداری SAR چیست؟

رادار با دیافراگم مصنوعی (Synthetic Aperture Radar یا SAR) یک فناوری تصویربرداری فعال است که با ارسال پالس‌های مایکروویو به سطح زمین و دریافت سیگنال‌های بازتاب‌شده، تصاویر دوبعدی یا سه‌بعدی با رزولوشن بالا تولید می‌کند. SAR با استفاده از حرکت ماهواره، یک آنتن مجازی بزرگ ایجاد می‌کند که امکان دستیابی به رزولوشن بالاتر نسبت به رادارهای سنتی را فراهم می‌سازد. این فناوری از امواج مایکروویو (در باند X برای TerraSAR-X) استفاده می‌کند که می‌توانند از ابرها، دود و تاریکی نفوذ کنند. SAR همچنین از طریق پلاریزاسیون‌های مختلف (مانند HH، VV، HV، VH) اطلاعات بیشتری در مورد ساختار سطح مانند پوشش گیاهی یا سازه‌ها ارائه می‌دهد. پردازش داده‌های SAR شامل الگوریتم‌های پیچیده‌ای مانند فیلتر تطبیقی برای کاهش نویز و افزایش وضوح است.

تفاوت TerraSAR-X با ماهواره‌های نوری

ماهواره‌های نوری مانند لندست یا سنتینل-2 از نور مرئی و مادون قرمز برای تصویربرداری استفاده می‌کنند، در حالی که TerraSAR-X از رادار SAR در باند X بهره می‌برد. ماهواره‌های نوری به نور خورشید وابسته‌اند و در شرایط ابری یا شب قادر به تصویربرداری نیستند، اما TerraSAR-X می‌تواند در هر زمان و در هر شرایط جوی عمل کند. رزولوشن تصاویر نوری معمولاً به شرایط جوی و زاویه خورشید بستگی دارد، در حالی که TerraSAR-X رزولوشن تا 25 سانتی‌متر را در حالت Staring Spotlight ارائه می‌دهد. داده‌های SAR اطلاعات ساختاری و بافتی سطح را فراهم می‌کنند، در حالی که تصاویر نوری بیشتر بر رنگ و بازتاب طیفی تمرکز دارند. با این حال، پردازش داده‌های SAR پیچیده‌تر و محاسباتی‌تر از تصاویر نوری است.

مزایای ماهواره راداری نسبت به ماهواره‌های نوری

ماهواره‌های راداری مانند TerraSAR-X چندین مزیت نسبت به ماهواره‌های نوری دارند. اول، توانایی تصویربرداری در تمام شرایط جوی و در شب، که آن‌ها را برای نظارت مداوم ایده‌آل می‌کند. دوم، SAR می‌تواند از لایه‌های نازک مانند پوشش گیاهی یا خاک خشک نفوذ کند و اطلاعات زیرسطحی ارائه دهد. سوم، داده‌های SAR امکان تجزیه‌وتحلیل دقیق تغییرات سطح زمین (مانند فرونشست یا حرکت یخچال‌ها) را از طریق تکنیک‌هایی مانند تداخل‌سنجی (InSAR) فراهم می‌کنند. چهارم، رزولوشن بالای TerraSAR-X (تا 25 سانتی‌متر) برای شناسایی اشیاء کوچک مانند خودروها یا سازه‌ها مناسب است. در مقابل، ماهواره‌های نوری در ارائه جزئیات بصری واضح‌تر در شرایط ایده‌آل برتری دارند، اما محدودیت‌های جوی آن‌ها را غیرقابل اعتماد می‌کند.

مدار و موقعیت عملیاتی ماهواره TerraSAR-X

ماهواره تراسار ایکس در مدار خورشیدآهنگ (Sun-synchronous) نزدیک به قطبی با ارتفاع 514 کیلومتر و شیب 97.44 درجه حرکت می‌کند. این مدار به گونه‌ای طراحی شده که ماهواره در امتداد مرز روز و شب زمین (Dusk-Dawn Orbit) حرکت کند و همیشه زاویه بهینه برای دریافت انرژی خورشیدی داشته باشد. دوره بازگشت برای یک نقطه خاص در استوا 11 روز است، اما در مناطق قطبی مانند شمال اروپا، این زمان به 3-4 روز کاهش می‌یابد. از اکتبر 2010، TerraSAR-X به همراه ماهواره دوقلوی خود، TanDEM-X، در تشکیلات نزدیک (فاصله چند صد متری) پرواز می‌کند تا داده‌های تداخل‌سنجی برای مدل‌سازی سه‌بعدی زمین جمع‌آوری کند. عملیات زمینی توسط DLR در اوبرپفافنهوفن مدیریت می‌شود.

انواع حالت‌های تصویربرداری در ماهواره تراسار ایکس

ماهواره TerraSAR-X در شش حالت تصویربرداری اصلی عمل می‌کند: 1) Staring Spotlight (رزولوشن تا 25 سانتی‌متر، صحنه 4×3.7 کیلومتر)، مناسب برای شناسایی دقیق اشیاء؛ 2) High-Resolution Spotlight (رزولوشن 1 متر، صحنه 10×5 کیلومتر)؛ 3) Spotlight (رزولوشن 2 متر، صحنه مشابه)؛ 4) StripMap (رزولوشن 3 متر، صحنه 30×50 کیلومتر)؛ 5) ScanSAR (رزولوشن 18 متر، صحنه 100×150 کیلومتر)؛ و 6) Wide ScanSAR (رزولوشن 40 متر، صحنه 270×200 کیلومتر). این حالت‌ها امکان تعادل بین رزولوشن و پوشش منطقه‌ای را فراهم می‌کنند. همچنین، ماهواره از پلاریزاسیون‌های تک، دوگانه یا کامل (quad-polarimetric) پشتیبانی می‌کند که برای کاربردهای خاص مانند طبقه‌بندی پوشش زمین استفاده می‌شود.

تفکیک مکانی و زمانی تصاویر

تفکیک مکانی TerraSAR-X بسته به حالت تصویربرداری از 25 سانتی‌متر (Staring Spotlight) تا 40 متر (Wide ScanSAR) متغیر است. این رزولوشن بالا امکان شناسایی جزئیات کوچک مانند ساختمان‌ها یا وسایل نقلیه را فراهم می‌کند. تفکیک زمانی (revisit time) برای استوا 11 روز است، اما در عرض‌های جغرافیایی بالاتر به 3-4 روز کاهش می‌یابد. در تشکیلات با TanDEM-X، میانگین زمان بازگشت جهانی به کمتر از 24 ساعت می‌رسد. پاسخ سریع ماهواره (تغییر حالت تصویربرداری در 1-3 ثانیه) و توانایی چرخش برای تصویربرداری دوطرفه در کمتر از 5 دقیقه، آن را برای کاربردهای عملیاتی مانند پاسخ به بلایا مناسب می‌کند. داده‌ها معمولاً چند ساعت پس از جمع‌آوری در دسترس هستند.

توانایی عملکرد در شرایط ابری و شب

یکی از ویژگی‌های برجسته ماهواره تراسار ایکس، توانایی تصویربرداری مستقل از شرایط جوی و نور است. امواج مایکروویو باند X می‌توانند از ابرها، دود و مه نفوذ کنند، که این ماهواره را برای نظارت در مناطق با پوشش ابری دائمی مانند جنگل‌های استوایی یا جزایر اقیانوسی ایده‌آل می‌کند. برخلاف ماهواره‌های نوری که به نور خورشید وابسته‌اند، TerraSAR-X می‌تواند در شب تصویربرداری کند، که برای کاربردهایی مانند نظارت دریایی یا پاسخ به بلایا حیاتی است. این قابلیت، همراه با رزولوشن بالا، TerraSAR-X را به ابزاری کلیدی برای نظارت مداوم تبدیل کرده است. به عنوان مثال، در آتش‌سوزی‌های جنگلی یا فوران‌های آتشفشانی، SAR می‌تواند از میان دود تصویربرداری کند.

ساختار بدنه و اجزای فنی ماهواره TerraSAR-X

ماهواره تراسار ایکس بدنه‌ای شش‌ضلعی به طول 5 متر و وزن حدود 1230 کیلوگرم دارد. آنتن فاز آرایه فعال (active phased array) آن، که در باند X عمل می‌کند، می‌تواند پرتو رادار را در زوایای 20 تا 60 درجه بدون حرکت ماهواره هدایت کند. این ماهواره از پنل‌های خورشیدی برای تأمین انرژی و باتری‌های لیتیوم-یون (ظرفیت اولیه 108 آمپرساعت) برای عملیات در سایه زمین استفاده می‌کند. سیستم پیشرانش هیدرازین امکان تنظیم مدار را فراهم می‌کند. TerraSAR-X همچنین مجهز به پایانه ارتباط لیزری (LCT) است که برای انتقال داده با سرعت 5.6 گیگابیت بر ثانیه تا فاصله 5500 کیلومتر آزمایش شده است. اجزای آن برای عمر طراحی 5 ساله ساخته شده‌اند، اما تا 2023 همچنان عملیاتی است.

سازمان‌ها و نهادهای مسئول پروژه

ماهواره TerraSAR-X از طریق مشارکت عمومی-خصوصی (PPP) بین مرکز هوافضای آلمان (DLR) و ایرباس دیفنس اند اسپیس اجرا شد. DLR مسئول طراحی مأموریت، کنترل ماهواره و استفاده علمی از داده‌هاست و عملیات زمینی را از طریق مرکز عملیات فضایی آلمان (GSOC) و مرکز داده‌های سنجش از دور آلمان (DFD) مدیریت می‌کند. ایرباس بخشی از هزینه‌های توسعه و ساخت را تأمین کرد و از طریق زیرمجموعه خود، اینفوترا، حقوق تجاری داده‌ها را در اختیار دارد. آژانس فضایی اروپا (ESA) نیز از طریق برنامه مأموریت‌های شخص ثالث، داده‌های TerraSAR-X را توزیع می‌کند. مؤسسات تحقیقاتی DLR مانند مؤسسه رادار و میکروویو در توسعه فناوری نقش داشتند.

اهداف اصلی از پرتاب ماهواره TerraSAR-X

اهداف اصلی TerraSAR-X شامل ارائه داده‌های SAR با رزولوشن بالا برای کاربردهای علمی، تجاری و عملیاتی است. از نظر علمی، این ماهواره برای تحقیقات در زمینه‌های هیدرولوژی، زمین‌شناسی، اقیانوس‌شناسی، اقلیم‌شناسی و نظارت بر بلایا طراحی شد. هدف تجاری آن ایجاد بازار برای محصولات داده‌ای از طریق اینفوترا بود. TerraSAR-X همچنین برای تولید مدل‌های ارتفاعی دیجیتال (DEM) با دقت بالا، به‌ویژه از طریق مأموریت TanDEM-X، استفاده می‌شود. کاربردهای عملیاتی شامل نظارت بر زیرساخت‌ها، مدیریت منابع طبیعی و پشتیبانی از مأموریت‌های دفاعی و امنیتی است. این ماهواره با ارائه داده‌های دقیق و به‌روز، شکاف‌های موجود در نقشه‌برداری جهانی را پر می‌کند.

پروژه ایجاد مدل سه‌بعدی از زمین

از اکتبر 2010، TerraSAR-X و TanDEM-X در تشکیل نزدیک پرواز می‌کنند تا مدل WorldDEM را تولید کنند، یک مدل ارتفاعی دیجیتال جهانی با دقت عمودی 2 متر (نسبی) و 10 متر (مطلق) و رزولوشن شبکه‌ای 12×12 متر. این پروژه با استفاده از تداخل‌سنجی SAR (InSAR) داده‌های همزمان را جمع‌آوری می‌کند تا نقشه‌ای یکپارچه از سطح زمین ایجاد کند. WorldDEM که از سال 2014 در دسترس قرار گرفت، برای کاربردهایی مانند نقشه‌برداری توپوگرافی، برنامه‌ریزی شهری و مدیریت بلایا استفاده می‌شود. این مدل نسبت به مدل‌های قبلی مانند SRTM دقت و پوشش بهتری ارائه می‌دهد. تا سال 2012، این دو ماهواره کل سطح زمین را حداقل یک‌بار نقشه‌برداری کردند. DLR مسئول تولید این مدل است.

کاربرد در کشاورزی دقیق و منابع طبیعی

ماهواره تراسار ایکس در کشاورزی دقیق برای نظارت بر سلامت محصولات، رطوبت خاک و الگوهای آبیاری استفاده می‌شود. داده‌های SAR امکان تشخیص تغییرات در پوشش گیاهی و شناسایی بیماری‌های گیاهی را فراهم می‌کنند، حتی در شرایط ابری. در مدیریت منابع طبیعی، این ماهواره برای نقشه‌برداری پوشش زمین، نظارت بر جنگل‌زدایی و ارزیابی تالاب‌ها کاربرد دارد. پلاریزاسیون‌های مختلف SAR اطلاعات دقیقی در مورد ساختار گیاهان ارائه می‌دهند، که برای طبقه‌بندی گونه‌های گیاهی مفید است. به عنوان مثال، داده‌های TerraSAR-X برای بهینه‌سازی آبیاری در مناطق خشک و نظارت بر فرسایش خاک استفاده شده‌اند. این داده‌ها همچنین در برنامه‌ریزی پایدار منابع طبیعی و حفاظت از اکوسیستم‌ها نقش دارند.

مقایسه با رقبای بین‌المللی

ماهواره TerraSAR-X با ماهواره‌های SAR دیگر مانند RADARSAT-2 (کانادا)، KOMPSAT-5 (کره جنوبی) و COSMO-SkyMed (ایتالیا) رقابت می‌کند. RADARSAT-2 در باند C (رزولوشن 3-100 متر) عمل می‌کند و برای نظارت دریایی مناسب است، اما رزولوشن آن از TerraSAR-X کمتر است. KOMPSAT-5 با رزولوشن 1 متر در باند X مشابه است، اما پوشش جهانی و انعطاف‌پذیری کمتری دارد. COSMO-SkyMed با چهار ماهواره، زمان بازگشت کوتاه‌تری (چند ساعت) ارائه می‌دهد، اما رزولوشن آن (تا 1 متر) به پای Staring Spotlight TerraSAR-X نمی‌رسد. ماهواره‌های تجاری مانند Capella Space (آمریکا) و ICEYE (فنلاند) نیز رزولوشن بالا (تا 50 سانتی‌متر) ارائه می‌دهند، اما ناوگان کوچک‌تر آن‌ها پوشش کمتری دارد. TerraSAR-X با دقت هندسی بی‌نظیر و WorldDEM مزیت رقابتی دارد.

امنیت و استفاده در دفاعی و نظامی

ماهواره تراسار ایکس به دلیل رزولوشن بالا و توانایی تصویربرداری در همه شرایط، کاربردهای گسترده‌ای در دفاع و امنیت دارد. داده‌های آن برای نظارت بر مرزها، شناسایی مسیرهای قاچاق و رصد فعالیت‌های نظامی استفاده می‌شوند. تکنیک‌های InSAR امکان تشخیص تغییرات میلی‌متری زمین، مانند تونل‌سازی یا جابجایی تجهیزات، را فراهم می‌کنند. در مأموریت‌های اطلاعاتی (GEOIMINT)، تصاویر با رزولوشن 25 سانتی‌متر برای شناسایی اهداف کوچک مانند خودروها یا تأسیسات نظامی به کار می‌روند. این ماهواره همچنین در پاسخ به بحران، مانند ارزیابی خسارات پس از حملات یا بلایا، نقش دارد. داده‌های ماهواره TerraSAR-X توسط دولت‌ها و سازمان‌های نظامی برای برنامه‌ریزی عملیات و افزایش امنیت ملی استفاده می‌شوند.

منبع: ابرار صنعتی