منظومه‌های سنجش از دور ماهوارهای با تهیه تصاویر ماهوارهای به‌صورت روزانه و ایجاد دسترسی دائم به چنین دادههای باارزشی، کاربردهای بسیاری داشته و کارشناسان در حوزه‌های پرشماری از آن‌ها بهره می‌برند. از جمله این حوزه‌ها می‌توان به مطالعات هواشناسی و اقلیمی، کشاورزی، تعیین محدوده اراضی، طراحی شبکه جاده‌ای و همچنین مقابله با بلایای طبیعی اشاره کرد. دراین‌میان، منظومه‌های سنجشی اپتیکال (نوری) که متداول‌ترین نوع در سراسر جهان محسوب می‌شوند، قادر به تصویربرداری در شرایط آب‌و‌هوایی خاص مانند شرایط ابرناکی یا مه نیستند؛ امری که چالشی مهم برای چنین سامانه‌هایی به‌شمار می‌رود.
ازاین‌رو، طی سال‌های اخیر اپراتورهای ماهوارهای از کشورهای مختلف جهان اقبال زیادی به توسعه منظومه‌های ماهوارهای مجهز به فناوری رادار دهانه ترکیبی یا SAR (سرواژه Synthetic Aperture Radar) از خود نشان داده‌اند و چندین شرکت نیز برنامه خود را برای ایجاد چنین منظومه‌هایی در آینده اعلام کرده‌اند. ماهوارههای SAR در مقایسه با ماهوارههای اپتیکال، امکان تصویربرداری در همه نوع شرایط آب‌و‌هوایی و در همه ساعات شبانه‌روز را دارند؛ امری که خدمات‌رسانی از طریق آن‌ها را به گزینه‌ای جذاب برای اپراتورها بدل می‌کند.
معرفی فناوری SAR
در فناوری SAR که از آن برای افزایش قدرت تفکیک مکانی تصاویر سنجنده‌های راداری بهره گرفته می‌شود، حرکت ماهواره برای افزایش مدت زمان رصد به‌صورت تحلیلی مورد استفاده قرار گرفته و مسئله محدودیت طول آنتن که تعیین‌کننده قدرت تفکیک مکانی در سنجنده راداری است، مرتفع می‌شود. بدین ترتیب که در سنجنده های SAR، پالس امواج الکترومغناطیسی بهطور متوالی به اهداف ارسال و بازتاب آن به‌صورت یکنواخت دریافت می‌گردد. با حرکت ماهواره، مکان آنتن نسبت به هدف تغییر می‌کند که با پردازش و تلفیق دادههای ثبت‌‌شده متوالی، امکان ایجاد تصاویری با قدرت تفکیک مکانی بیشتر فراهم می‌شود.
همچنین تلفیق منظم دادههای دریافتی، معادل دهانه مجازی آنتنی بوده که ابعاد آن بیشتر از ابعاد فیزیکی آنتن سنجنده است. کشورهای اروپایی در زمینه بهره‌گیری از این فناوری در قالب منظومه‌های ماهوارهای جزو کشورهای پیشرو بوده و برای اولین بار فنلاند اقدام به توسعه یک منظومه ماهوارهای SAR نمود.
منظومه‌های ماهوارهای SAR
تاکنون چندین شرکت در جهان اقدام به ایجاد منظومه‌های SAR کرده‌اند که از جمله آن‌ها می‌توان به شرکت‌هایی از کشورهای فنلاند، ایالات متحده و ژاپن اشاره کرد. ماهوارههای منظومه‌های این شرکت‌ها عمدتا کوچک بوده و در حدود ۱۰۰ کیلوگرم وزن دارند. تهیه تصاویر با قدرت تفکیک مکانی بالا توسط این ماهوارههای SAR سبک وزن دستاورد قابل‌توجهی است؛ موفقیتی که ابتدا شرکت فنلاندی آیسای (ICEYE) بدان دست یافت.
آیسای اولین شرکتی در سراسر جهان محسوب می‌شود که منظومه ماهوارهای SAR ایجاد کرده است. آیسای از سال ۲۰۱۸ توسعه سامانه‌ای با همین نام را آغاز نمود و تاکنون ۹ ماهواره را برای این منظور در مدار لئو قرار داده است. ماهوارههای آیسای هر کدام کمتر از ۱۰۰ کیلوگرم وزن دارند و از این جهت در زمره سبک‌ترین ماهوارههای مجهز به رادار دهانه ترکیبی قرار می‌گیرند.
به‌علاوه، آیسای با بهره‌گیری از این منظومه خدمتی را برای مشتریان تجاری خود ارائه می‌دهد که شامل تصویربرداری راداری نقطه‌ای از یک مکان مشخص با دقت ۱ متر است. تصاویر راداری دقیق نقطه‌ای از این جهت اهمیت دارند که در آن‌ها می‌توان بین اشیا کوچک تمایز قائل شد؛ همچنین نظارت بر حجم انبارها، تعداد خودروها، تخمین خسارت دارایی‌ها و پایش حمل و نقل نفت با کشتی از موارد استفاده این تصاویر محسوب می‌شوند. علاوه‌بر این‌ها، آیسای حدود یک سال پیش از ارائه دادههای تصویری راداری با وضوح ۰.۲۵ متر از طریق منظومه خود خبر داد.
نمای ماهوارههای آیسای
شرکت آمریکایی کاپلا اسپیس (Capella Space) نیز در حال توسعه سامانه ماهوارهای SAR با نام کاپلا بوده و برای این منظور تاکنون ۵ ماهواره را در مدار لئو قرار داده است. ماهواره اول سال ۲۰۱۸ در مدار قرار گرفت و دارای ۴۰ کیلوگرم وزن است؛ سایر ماهوارههای کاپلا در حدود ۱۰۰ کیلوگرم وزن دارند. قرار است در نهایت ۳۰ ماهواره برای تشکیل منظومه کاپلا به فضا پرتاب شود که همه آن‌ها را کاپلا اسپیس، خود، توسعه می‌دهد.
این ماهوارهها که در باند X فعالیت می‌کنند، قادر به تصویربرداری با قدرت تفکیک مکانی زیر ۰.۵ متر از سراسر زمین بوده و برای این منظور مجهز به یک آنتن بازتابنده ۳.۵ متری مبتنی‌بر شبکه مش هستند. دادههای تهیه‌شده توسط این منظومه در حوزه‌هایی مانند کشاورزی، مقابله با بلایای طبیعی و پایش زیرساخت‌ها به‌کار گرفته می‌شوند.
همچنین موسسه ژاپنی iQPS (سرواژه Institute for Q-shu Pioneers of Space) در سال ۲۰۱۹ با قرار دادن اولین ماهواره SAR در مدار، توسعه یک منظومه ماهوارهای موسوم به QPS-SAR را آغاز کرد؛ منظومه‌ای که تاکنون دو ماهواره را شامل می‌شود و تا سال ۲۰۲۵ تعداد ۳۶ ماهواره برای ایجاد آن به مدار تزریق خواهد شد. کاربران از طریق سامانه QPS-SAR می‌توانند علاوه‌بر مشاهده اشیای در حال حرکت مانند دام و وسایل نقلیه، دادههای تصویری از زمین را نیز بهطور مداوم دریافت کنند.
نمای ماهواره QPS-SAR
این ماهوارهها با وزنی در حدود ۱۰۰ کیلوگرم، دارای قدرت تفکیک مکانی ۱ متر بوده و هر ۱۰ دقیقه یک بار دادههای مربوط به یک نقطه مشخص از سراسر زمین را بهروزرسانی می‌کنند. آنتن راداری ماهوارههای مذکور یک آنتن سهموی با وزن ۱۰ کیلوگرم و قطر ۳.۶ متر است. مهندسان iQPS قصد دارند با گسترش سطح آنتن‌های سهموی، فناوری ماهوارههای آینده این منظومه را به‌روز کرده و مدت زمان پایش یک نقطه توسط ماهوارهها را افزایش دهند. به‌علاوه، آن‌ها در نظر دارند ماهوارههای آینده این منظومه را به سامانه‌های پیشران مجهز کنند. دراین‌میان شرکت‌های دیگری نیز از برنامه خود برای توسعه منظومه‌های SAR طی سال‌های آتی خبر داده‌اند.
گسترش توسعه منظومه‌های ماهوارهای SAR در سال‌های آتی
درحالحاضر شرکت‌هایی از کشورهای مختلف جهان در فکر توسعه منظومه‌های SAR هستند که دراین‌میان نام کشورهای آسیایی بیشتر به‌چشم می‌خورد. چین که همواره سعی داشته در رقابت با ایالات متحده در حوزه فناوری‌های فضایی گوی سبقت را برباید، از جمله این کشورهاست. ژاپن نیز به‌فکر ایجاد منظومه‌های SAR دیگر در آینده است.
شرکت سینسپکتیو (Synspective) دیگر شرکت ژاپنی است که قصد دارد یک منظومه ماهوارهای SAR با نام استریکس (StriX) شامل ۲۵ ماهواره ایجاد کند؛ ماهواره‌هایی که ساخت آن‌ها نیز توسط همین شرکت انجام می‌شود. سینسپکتیو اولین ماهواره این منظومه با نام استریکس-آلفا (StriX-α) را سال ۲۰۲۰ در مدار قرار داد. استریکس-آلفا با وزن ۱۵۰ کیلوگرم دارای دو صفحه است که باتری‌های خورشیدی و آنتن راداری باند X را حمل می‌کنند. البته ماهوارههای این منظومه قرار بود با وزن ۱۰۰ کیلوگرم طراحی شوند که وزن اولین نمونه آن ۵۰ کیلوگرم بیشتر از وزن طراحی اولیه است.
قدرت تفکیک مکانی ماهوارههای منظومه یادشده بین ۱ تا ۳ متر بوده و مطابق اعلام این شرکت، تا سال ۲۰۲۲ تعداد ۶ ماهواره در مدار قرار خواهند گرفت. سینسپکتیو هنوز تاریخ دقیقی را برای تکمیل منظومه خود اعلام نکرده است. هدف سینسپکتیو از ایجاد این منظومه، ارائه خدمات جغرافیایی به شرکت‌ها، دولت‌ها و سازمان‌های تحقیقاتی است؛ خدماتی که شامل ارائه دادههای با کیفیت بالا و کاربرپسند برای برنامه‌ریزی‌های توسعه شهری، نظارت بر ساخت‌وسازها و زیرساخت‌ها و همچنین واکنش مناسب به بلایای طبیعی می‌شود.
استارت‌آپ چینی اسپیس‌تی‌وای (SpaceTY) نیز قصد ایجاد یک منظومه ماهوارهای سنجشی SAR را داشته و برای این منظور سال گذشته میلادی ماهوارهای به‌نام های‌سی-۱ (Hisea-1) را در مدار زمین قرار داد. های‌سی-۱ کوچک‌ترین ماهواره SAR باند C جهان و اولین ماهواره SAR تجاری چین تاکنون محسوب می‌شود. منظومه یادشده تی‌وای-مینی‌سار (TY-MiniSAR) نام دارد و مطابق برنامهریزیها قرار است ۵۶ ماهواره برای توسعه آن در مدار قرار گیرد.
های‌سی-۱ دارای وزنی معادل ۱۸۵ کیلوگرم بوده و از باس تی‌وای-مینی‌سار (TY-MINISAR) بهره می‌برد. ماهواره مذکور که اپراتوری آن برعهده موسسه تحقیقاتی CETC38 چین است، ۳ سال عمر طراحی دارد. ماهوارههای منظومه تی‌وای-مینی‌سار با هزینه کم توسعه می‌یابند و از قدرت تفکیک مکانی بالایی برخوردارند. های‌سی-۱ اخیرا تصاویری از جمله یک عکس با قدرت تفکیک مکانی ۳ متر از ایالت تنسی آمریکا به زمین ارسال کرده است.
این ماهواره همچنین موفق به تهیه تصاویری با قدرت تفکیک مکانی ۱ متر در حالت متمرکز بر یک محدوده شده است. استارت‌آپ مذکور برنامه دارد در آینده قدرت تفکیک مکانی ماهوارههای منظومه تی‌وای-مینی‌سار را به ۰.۵ متر رسانده و همچنین وزن، ابعاد و هزینه توسعه آن‌ها را کاهش دهد. البته چنین قابلیت‌هایی از چشم دولت‌ها برای بهره‌گیری در مقاصد نظامی دور نمانده و آن‌ها نیز وارد حوزه منظومه‌های ماهوارهای SAR شده‌اند.
بهره‌برداری‌های نظامی از منظومه‌های ماهوارهای SAR
ماهوارههای SAR با توجه به قابلیت تهیه تصاویر در تمام ساعات شبانه‌روز و همه نوع شرایط آب‌و‌هوایی توجه ارگان‌های نظامی را به‌خود جلب کرده‌اند. درهمین‌راستا نیروی فضایی ایالات متحده (U.S. Space Force) به‌دنبال توسعه یک سامانه متشکل از ماهوارههای راداری کوچک برای شناسایی اهداف متحرک روی زمین است؛ امری که منظور از آن استفاده برای مقاصد نظامی در شلوغی میدان نبرد عنوان می‌شود. این ماهوارهها GMTI (سرواژه Ground Moving Target Indication) نام دارند و برای تشخیص اشیا در حال حرکت مانند هواپیما و فیلتر کردن اجسام بی‌حرکت مانند تپه‌ها یا درختان در یک محیط شلوغ به‌کار می‌روند.
آمریکا درحالحاضر برای تشخیص چنین اهدافی از هواپیماهایی موسوم به JSTARS (سرواژه Joint Surveillance Target Attack Radar System) استفاده می‌کند که از سامانه‌های راداری برای این منظور بهره می‌برند؛ اما مقامات ایالات متحده نگران آسیب‌پذیری هواپیماهای مذکور در مقابل حملات موشکی هستند. بنابر اظهارات مقامات نیروی فضایی، بهره‌گیری از فناوری ماهواره علاوه‌بر حل این مشکل، کاهش هزینه‌ها را نیز به‌دنبال خواهد داشت.
شرکت آمریکایی تریدنت اسپیس (Trident Space) نیز که برای توسعه منظومه ماهوارهای SAR طرح‌ریزی نموده، از سازمان‌های نظامی ایالات متحده و کشورهای هم‌پیمان آن به‌عنوان خریداران بالقوه چنین تصاویری یاد کرده است. مطابق برنامهریزیها این شرکت نخستین ماهواره منظومه خود را طی سال جاری میلادی در مدار قرار می‌دهد و سپس ۶ ماهواره دیگر را در سال ۲۰۲۳ به فضا می‌فرستد. همچنین در سال‌های پس از آن، سالیانه ۱۲ ماهواره را به مدار لئو تزریق خواهد کرد تا منظومه‌ای با ۴۸ ماهواره در فضا ایجاد کند.
نخستین ماهواره شرکت تریدنت برای بیشتر عرض‌های جغرافیایی روزانه ۲ الی ۵ بار بهروزرسانی داده فراهم می‌کند. این بهروزرسانی با تکمیل منظومه به هر ۱۰ دقیقه یک بار رسیده و قدرت تفکیک مکانی ماهوارههای منظومه مورد بحث ۱ متر تا ۰.۳ متر خواهد بود. هزینه تصاویر تهیه‌شده با قدرت تفکیک مکانی یک متر تقریبا ۱۰ دلار به‌ازای هر کیلومترمربع عنوان شده است؛ مبلغی که مدیران تریدنت اسپیس معتقدند برای رقابت در بازار ایالات متحده و جهان مناسب است.
شرکت تریدنت اسپیس با بررسی طراحی‌های اولیه برای ماهوارههای خود به این نتیجه رسیده که بهینه‌ترین حالت، طراحی ماهواره ۳۰۰ کیلوگرمی است. عمر این ماهوارهها در مدار ۴ سال خواهد بود و با فروش دادههای آن‌ها در طول عمر ماهواره، ۴۴۰ میلیون دلار به‌دست می‌آید؛ این در حالی است که هزینه استقرار هر ماهواره ۴۲ میلیون دلار خواهد بود. به‌علاوه، استفاده از فناوری پیشرفته کامپوزیت باعث کاهش هزینه‌های آنتن‌های باند X در ماهوارههای این شرکت شده است. بااینوجود از نظر کارشناسان، کاهش هزینه‌های خدمات‌رسانی منظومه‌های SAR که با روش‌های نوآورانه توسعه می‌یابند برای استفاده بیشتر از دادههای این منظومه‌ها در آینده امری حائز اهمیت است.
آینده منظومه‌های ماهوارهای SAR
کارشناسان یک شاخص عملکرد را برای مقایسه خدمات‌رسانی دو گره منظومه‌های SAR ابداع کردند؛ گروه اول که با استفاده از فناوری‌های رایج توسعه می‌یابند و گروه دوم که از فناوری‌های نوآورانه بهره می‌برند. براین‌اساس، اطلاعات به‌دست‌آمده از مقایسه ۱۵ منظومه ماهوارهای SAR کوچک در حال توسعه و یا برنامه‌ریزی‌شده برای آینده، نشان از ارزش بالای منظومه‌های ماهوارهای SAR کوچک در ارائه خدمات در مقایسه با سایر منظومه‌های سنجشی دارد.
همچنین مطابق انتظارات، باتوجه‌به توسعه روزافزون بازار ماهوارههای SAR برای دادههای رصد زمین، مزایای استفاده از منظومه‌های مجهز به این فناوری و همچنین پیش‌بینی رشد سالانه ۷.۵ درصدی این بازار طی سال‌های آینده، انتظار می‌رود بازار دادههای ماهوارهای SAR تا سال ۲۰۲۴ نرخ رشد سالیانه ۱۰.۳ درصدی را تجربه کند. بااینوجود، اگر اهداف پیش‌بینی‌شده برای کاهش هزینه چنین خدماتی در آینده نزدیک محقق نشود، مخارج توسعه و عملیاتی کردن این منظومه‌ها می‌تواند مانعی بر سر راه گسترش استفاده از آن‌ها باشد.