المبحث الثاني

المكونات الرئيسية لمنظومة الأقمار الاصطناعية

الخاصة بالاستشعار عن بُعد، ونظم الإطلاق

في إطار التزايد المطرد لدور العلم والتقنية الحديثة في تحديد مكانة الدول ودرجة تأثيرها على المسرح الدولي، أصبحت علوم الفضاء والأقمار الاصطناعية وتطبيقاتها المتعددة تمثل أحد أهم الأركان الرئيسية في تلبية مطالب التنمية والمصالح القومية العليا، للوصول إلى مكانة متقدمة في هذا السباق.

وقد انعكس ذلك بشكل غير مسبوق في استخدام البعد الفضائي في مجالات الاستطلاع والإنذار والاتصالات. ونتناول فيما يلي تقديماً لمكونات منظومة الأقمار الاصطناعية والأنواع المختلفة منها، من حيث الاستخدام، مع التركيز على منظومة الأقمار الاصطناعية الخاصة بالاستطلاع بالتصوير والاستشعار عن بُعد.

أولاً: المكونات الرئيسية لمنظومة القمار الاصطناعية الخاصة بالاستطلاع بالتصوير والاستشعار عن بُعد

تتكون منظومة هذه الأقمار الخاصة بالاستطلاع بالتصوير والاستشعار عن بُعد، من العناصر الرئيسية الآتية (اُنظر شكل الهيكل التنظيمي لقمر اصطناعي)

1. الجزء الفضائي (القمر الاصطناعي):

ويحتوي على المعدات الآتية (اُنظر صورة قمر اصطناعي للاستطلاع)

أ. الحمل المفيد (payload) للقمر الاصطناعي: عبارة عن مستشعرات وكاميرات وكهروبصرية ذات طيف واحد، أو كاميرات ذات أطياف متعددة حساسة لجميع الألوان المرئية، أو مستشعر راداري.

ب. المركبة الفضائية Bus: وهى تحمل المعدات المختلفة للقمر وتوفر لها التثبيت الميكانيكي المستقر، وتشمل جسم القمر، ووحدات الطاقة الكهربية، ووحدات التحكم الحراري، ومعدات التحكم المتكامل، وأنظمة الدفع، ومعدات تداول البيانات الرقمية، ونظام الاتصالات مع المحطات الأرضية.

2. الجزء الأرضي

ويحتوى على المعدات الآتية

أ. المحطة الأرضية للتحكم وإرسال الأوامر الخاصة بالتحكم في القمر الاصطناعي.

ب. المحطة الأرضية لاستقبال ومعالجة الصور الفضائية (معالجة ـ تخزين ـ تحليل).

ج. مركز التحكم والتخطيط للمهام.

3. الإطلاق (المدارات ـ صواريخ الإطلاق)

عبارة عن المدارات وصواريخ الإطلاق.

1. الجزء الفضائي (القمر الاصطناعي)

أ. الحمل المفيد للقمر الاصطناعي

(1) المستشعرات الكهروبصرية

تتميز المستشعرات الكهروبصرية بقدرتها على إنتاج صور فضائية في مختلف الحيزات الطيفية، بقدرات تحليل أرضية مختلفة، وذلك لتسهيل عملية تمييز وتصنيف الأهداف المختلفة. ويعيب هذه المستشعرات اعتماد تشغيلها على وجود ضوء، ومن ثم تفقد ميزة التصوير الليلي وكشف تحركات القوات، التي غالباً ما تحدث ليلاً. كما يعيبها أيضاً التأثر بالعوامل الجوية المختلفة، مثل السحاب والضباب والأمطار، وكذلك عدم القدرة على اختراق سطح الأرض.  (اُنظر صورة مستشعرات كهروبصرية)

وقد استُخدمت في الماضي كاميرات مزودة بأفلام، وتعمل هذه الكاميرات كمستشعرات كهروبصرية لالتقاط الصور، أما الآن فتستخدم مستشعرات ذات تقنيات رقمية متقدمة، مزودة بمصفوفات تستطيع كشف الطاقة المشعة أو المنعكسة، خلال جزء من الطيف الكهرومغناطيسي، تمكن من الحصول على صور رقمية ذات جودة عالية، بسهولة أكثر وبدقة أعلى من الكاميرات التقليدية. وهناك المستشعرات ذات الطيف المتعدد، وهي تنتج صوراً يمكنها كشف الفروق الصغيرة خلال حيزات متعددة من الطيف، تمكن من تحليل البيئة والأرض المحيطة بها.

ويشتمل المخطط الصندوقي للمستشعرات الكهروبصرية الرقمية الخاصة بالقمر الاصطناعي على:

(أ) تلسكوب لتركيز الإشعاع الساقط على المستوى البؤري.

(ب) مستوى بؤري يتكون من كاشف ومعدات ضوئية إضافية ضرورية لتجميع الصور.

(ج) الدوائر الإلكترونية الخاصة بالتقريب، والتي تتكون من كاشف ودوائر دفع ومكبر ابتدائي ومحول من نمطي إلى رقمي.

(د) دوائر إلكترونية خاصة بتداول المدلولات الرقمية وضغطها، تتكون من معالج دقيق للتشغيل والتحكم والتشكيل والضغط.

(2) المستشعرات الرادارية

هي مستشعرات إيجابية يوجد بها مصدر طاقة خاص بها، وهي ترسل أشعة الطاقة الكهرومغناطيسية إلى الأرض وتكوّن الصور بتحديد توقيتات النبضات المنعكسة بدقة من الأشياء الموجودة على الأرض. (اُنظر صورة قمر ذي مستشعر راداري)

ويتميز هذا النوع من المستشعرات بعدم اعتماده على ضوء الشمس، واعتماده فقط على الموجات الكهرومغناطيسية المنعكسة، ما يمكّن من التصوير ليلاً ونهاراً، وعدم التأثر بالظروف الجوية، والقدرة على اختراق الأهداف (أحد خصائص الموجات الكهرومغناطيسية).

ويعيب المستشعرات الرادارية الحاجة إلى هوائيات ضخمة، قد يصل وزنها إلى 750 كجم، واستهلاك كمية كبيرة من الطاقة الكهربية، نظراً لزيادة الوزن، ما يترتب علية ارتفاع التكلفة وانخفاض قدرات التحليل الطيفي، لاعتماده على تردد إرسال وحيد. (اُنظر صورة كهروبصرية ذات قدرة تحليل)

2. المركبة الفضائية Bus

أ. وظائف المركبة الفضائية Bus

(1) توفير مكان للحمل المفيد والوحدات الفرعية الأخرى للقمر الاصطناعي، بحيث تحقق توائماً ميكانيكياً مستقراً.

(2) تحقيق التوائم مع القاذف المستخدم للإطلاق.

(3) تحمل الأحمال المختلفة المتوقع حدوثها للقمر خلال مراحل دورة حياته (التكامل ـ الاختبار ـ النقل ـ الإطلاق ـ المناورة في المدار)، وذلك دون التأثير على أداء المعدات متكاملة.

ب. عناصر المركبة الفضائية Bus

(1) وحدات الطاقة الكهربية

تستخدم لتوليد وتخزين وتنظيم الطاقة الكهربية اللازمة، لضمان تغذية القمر خلال فترات تنفيذ مهامه، وتشمل أنظمة التغذية بمكوناتها، مثل مصادر التغذية الابتدائية من الخلايا الشمسية، وأنظمة تخزين الطاقة.

(2) وحدات التحكم الحراري

تعمل على المحافظة على درجة حرارة المكونات الإلكترونية داخل القمر في حدودها المقررة، خلال جميع مراحل مهمتها، وتتكون من عوازل ذات طبقات متعددة، وشرائط ذات انبعاثية منخفضة وأخرى ذات انبعاثية عالية، وطلاء لجسم السفينة الفضائية، ومسخنات ومجموعة ثرموستات، ومرايا سطح ثابتة، ودروع إشعاع حراري. (اُنظر صورة هيكل مركبة فضائية)

(3) معدات التحكم المتكامل

تؤدي الوظائف الآتية:

(أ) تجميع بيانات القياس وتشكليها وتشفيرها.

(ب) استقبال أوامر القيادة من بعد، سواء في الوقت الحقيقي أو في الوقت غير الحقيقي.

(ج) التحكم في صمامات الدفع الأخرى.

(د) التحكم الحراري.

(هـ) إدارة البطاريات.

(4) أنظمة الدفع

تًستخدم في تصحيح وضع القمر بناء على أوامر المحطة الأرضية كالأتي:

(أ) تصحيح الأخطاء نتيجة الإطلاق.

(ب) المحافظة على وضع المدار.

(ج) توفر عزم التحكم حول محاور الدوران أثناء الإطلاق.

(5) معدات تداول البيانات الرقمية

وهى المعدات الخاصة بتجميع ومعالجة وإرسال بيانات المستشعرات الرقمية، وتؤدي الوظائف الآتية:

(أ) تخزين البيانات أو المدلولات الرقمية للحمل الأساسي، أو المفيد.

(ب) تشكيل وحدة البيانات أو المدلولات الرقمية للقناة الافتراضية.

(ج) التحميل والتشكيل لوحدة الدخول على القناة.

(د) التعديل بإزاحة زاوية الوجه رباعياً.

(هـ) تكبير وإرسال بيانات الحمل الأساسي.

(6) نظام الاتصالات مع المحطات الأرضية

(أ) مستجيب (Transponder) يعمل في الحيز الترددي (S-band).

(ب) هوائيات تشع في جميع الاتجاهات في الحيز (S).

(ج) مجموعة معدات التردد العالي. (اُنظر صورة غرفة تمثيل الفراغ) و(صورة اختبار منظومة الاتصالات)

3. الجزء الأرضي لمنظومة الأقمار الصناعية

أ. المحطة الأرضية للتحكم في القمر

تختص المحطة الأرضية للتحكم في القمر، بصفة عامة، بتحقيق الاتصال المستمر بالقمر أثناء عمله تحت كل الظروف، كما ترسل أوامر التحكم في القمر فيما يخص المدار وزوايا التصوير واعتبارات الندى والتتبع، وكذلك استقبال وتحليل ومعالجة بارامترات التليمتري. (اُنظر صورة المحطة الأرضية للتحكم)

ولتحقيق هذه المهام يستلزم أن يكون هوائي القمر من نوع (Omni-directional antenna)، لتحقيق الاتصال مع المحطة الأرضية في جميع الأوقات والظروف المختلفة، وأن يكون هوائي المحطة الأرضية من نوع (high gain directional antenna). (اُنظر شكل مخطط لمركز تحكم)

ب. المحطة الأرضية لاستقبال الصور الفضائية من القمر.

ج. مركز التحكم والتخطيط للمهام.

4. الإطلاق

أ. مدارات الأقمار الاصطناعية الخاصة بالاستطلاع بالتصوير

تختلف مدارات الأقمار العسكرية الخاصة بالاستطلاع بالتصوير عن مدارات أقمار الاتصالات. كما تختلف أيضاً مدارات الأقمار العسكرية الحاملة لمستشعرات وكهروبصرية عن الحاملة لمستشعرات رادارية. وبصفة عامة، فإن الأقمار الخاصة بالاستطلاع بالتصوير تدور في مدار الأرض المنخفضLow Earth Orbit LEO))، في ارتفاعات تراوح بين 500 – 1000 كم، وعلى هذه الارتفاعات يستطيع القمر الدوران حول الأرض في مداره المخصص من 14 – 16 دورة يومياً، بسرعة تبلغ حوالي 7 كم/ ثانية، ويمكن التحكم في اختيار الأقمار لمسح مناطق معينة في أوقات معينة من طريق دراسة عوامل المدار، وهى

(1) ارتفاع المدار

يتناسب ارتفاع المدار عكسياً مع قدرة التحليل الأرضية، وطردياً مع كمية الوقود المطلوبة لإطلاقه إلى مداره.

(2) ميل المدار

يُعرف ميل المدار بأنه الزاوية المحصورة بين المستوى الذي يصنعه القمر أثناء دورانه في مداره، مع المستوى الاستوائي الدائري.

(3) معدل التكرار

يُعد معدل التكرار لتصوير المنطقة نفسها أحد البارامترات المهمة عند تحديد مهام الأقمار العسكرية، وبصفة عامة، فإنه كلما زادت مساحة التغطية، زاد معدل التكرار، ويجب ألا يقل معدل التكرار عن مرة أو مرتين يومياً.

(4) توقيت المرور

يفضل التحكم في مدار الأقمار بحيث تمر فوق مناطق الاهتمام عندما تكون الشمـس مائلـة حوالـي 20 - 40 درجة، أي حوالي من الساعة 1030 إلى 1430.

ب. أنواع مدارات الأقمار الاصطناعية العسكرية الخاصة بالاستطلاع بالتصوير والاستشعار عن بُعد

(1) المدار المتزامن مع الشمس

يتميز هذا المدار بأن القمر يمر في منطقة محددة في وقت ثابت يومياً (أثناء فترات سطوع الشمس)، وهذا، بالطبع، بالغ الأهمية للأقمار الحاملة لمستشعرات كهروبصرية، حيث يمكنها تصوير جميع مناطق العالم من خط الاستواء إلى القطبين الشمالي والجنوبي. ولكن يعيب هذا المدار عدم تركيزه على منطقة تكون صغيرة نسبياً، كما أن عدد مرات مروره فوق مناطق الاهتمام قليل نسبياً. (اُنظر شكل مدار متزامن مع الشمس) و(شكل مدار غير متزامن) و(شكل مدار قمر متزامن)

(2) المدار غير المتزامن مع الشمس (المائل)

يحقق هذا المدار عدد مرور أكبر نسبياً فوق مناطق الاهتمام، وفترات مكوث أطول نسبياً فوق نطاق المحطة الأرضية، تبعاً لزاوية ميل المدار. ويسهل إطلاق أقماره في اتجاه حركة الأرض نفسها بصواريخ الإطلاق التجارية، بينما يصعب إطلاق أقماره في اتجاه معاكس لحركة الأرض بهذه الصواريخ، ما يتطلب توافر القدرة الذاتية في مجال الصواريخ الباليستية، أو في مجال الإطلاق من الجو بواسطة الطائرات لتنفيذ هذا النوع من الإطلاق.

وتختلف مواقع الإطلاق للأقمار العسكرية الخاصة بالاستطلاع بالتصوير تبعاً لنوع المهمة المستهدفة، والمناطق المطلوب تصويرها، وبارامترات المدار المختلفة. وبصفة عامة، فإنه يفضل إطلاق هذه الأقمار من مواقع قريبة للمستوى الاستوائي، لتحقيق ميزتين، هما: إمكانية إطلاق القمر بأي زاوية ميل بالنسبة لمداره لزيادة عدد مرات المرور فوق مناطق الاهتمام، والاستفادة من سرعة دوران الأرض حول محورها.

5. صواريخ الإطلاق

تستخدم لإطلاق القمر إلى المدار الابتدائي المخطط له، ثم باستخدام أنظمة الدفع الموجودة بالقمر يوجه القمر إلى المدار النهائي له. (اُنظر شكل مجموعة صواريخ إطلاق) و(صورة منصة إطلاق صاروخ) و(صورة إطلاق الأقمار الاصطناعية)

ففي عصر التقنيات الحديثة، يكون الحصول على المعلومات المختلفة والاستفادة من تقنيات الاستشعار عن بُعد لحماية الإنسان، وأخذ الاحتياطات والتدابير اللازمة والمسبقة لحماية الأرواح والممتلكات. كما أن للاستشعار عن بُعد علاقة في كثير من المجالات العلمية والتطبيقية، نذكر منها:

أ. في المجال الزراعي (اُنظر شكل تصنيف التربة وتراكيبها)

(1) تحديد وتوقع مقدار المحاصيل الزراعية.

(2) إعداد الخرائط اللازمة لتحديد المناطق الزراعية.

(3) اكتشاف الآفات الزراعية وأمراض النباتات والأشجار.

(4) حفظ المناطق الزراعية من التلوث، وذلك من خلال المراقبة المستمرة والدراسة.

(5) مراقبة التصحر.

(6) مراقبة حرائق الغابات.

ب. في مجال الجيولوجيا والخرائط (اُنظر صورة عمل خرائط للمنطقة)

(1) تساعد الصور الجوية والفضائية على إعداد وتحديث الخرائط القديمة بدقة متناهية، بحيث تعطي معلومات متعددة ومفيدة.

(2) إعداد الخرائط الجيولوجية.

(3) تحديد مواقع البراكين وتحديد تحرك الطبقات الأرضية.

(4) تحديد خطوط التصدعات المختلفة.

(5) البحث عن المصادر الطبيعية والمواد الخام.

ج. في مجال حماية البيئة (اُنظر شكل تحديد خطوط التصدعات)

يلعب الاستشعار عن بُعد دوراً مهماً في دراسة الكرة الأرضية وبيان التغيرات التي تظهر على سطحها، ومن ثم نتعمق في مجال حماية البيئة الطبيعية في مكافحة التلوث بشتى أشكاله، حيث يساعد الاستشعار عن بُعد على دراسة:

(1) تلوث الجو والهواء.

(2) تلوث المياه.

(3) تأثير المصانع على البيئة.

(4) تأثير النفايات في تلوث البيئة.

(5) إعداد خرائط خاصة بالمناطق المحمية.  

د. مراقبة التغيرات البيئية وتأثير الطبيعة على الإنسان والبيئة (اُنظر شكل ارتفاع وانخفاض سطح الأرض)

إن المراقبة الدورية للبيئة الطبيعية من ارتفاعات مختلفة، يعني إتاحة المجال أمامنا للحصول على نتائج مستمرة تمكننا من وضع الدراسات الصحيحة، وكذلك الحلول الصحيحة.

د. في مجال الأرصاد الجوية

الأرصاد الجوية هي أحد التطبيقات المدنية التي استفادت مبكراً من الأقمار الاصطناعية، حيث يمكن أن يُعد القمر في هذه الحالة، على أنه برج مراقبة عالٍ جداً، يستطيع أن يكشف مساحة واسعة جداً من سطح الكرة الأرضية والغلاف الجوي الذي يغطيها. كما يستطيع أن يعطي معلومات دقيقة تماماً عن بعض الظواهر الجوية، مثل تشكيلات السحب وحركتها ودرجة حرارتها، وحركة الأعاصير ومتابعتها. وأصبح الآن، وفى معظم الدول يلعب التنبؤ الجوي دوراً اقتصادياً كبيراً في تقدير المحاصيل والغلال، وفي متابعة الأعاصير والزوابع، التي تصل إلى حد الكوارث الطبيعية.

كما يمكن، ودون شك، تقليل الخسائر في الأرواح والممتلكات بشكل كبير، عندما يجري ترحيل السكان من المناطق التي تقع في مسار الأعاصير، ولكن ذلك يحتاج إلى متابعة شبة لحظية "من الأقمار الاصطناعية"، ذلك أن هذه الأعاصير تغير اتجاهاتها بشكل فجائي وسريع ولا يمكن التنبؤ به؛ ولكن لحسن الحظ فإن الأقمار الاصطناعية يمكنها أداء مهمة المتابعة هذه بشكل دقيق. (اُنظر صورة حركة السحب)

يعمل الاستشعار عن بُعد في هذا المجال على

(1) تحديد حركة الغيوم ونوعها ودرجة حرارتها.

(2) رصد المتغيرات المناخية، مثل درجة حرارة سطح الأرض والمسطحات المائية والجبال الجليدية.

(3) تحديد كمية الأمطار المتوقع هطولها.

(4)  دراسة تلوث الهواء.

(5) تساعد على إصدار تنبؤات جوية أكثر دقة، إذ يمكن بواسطتها تحديد مواقع وحركة المنخفضات الجوية والجبهات الهوائية والأعاصير.

وقد استفادت خدمات الأرصاد الجوية من التقدم العلمي الذي حدث أخيراً، حيث بدأ تطوير وسائل جديدة لمراقبة تطورات الغلاف الجوي، واستخدمت البالونات والطائرات في الحصول على معلومات عن طبقات الجو المختلفة، وفي الوقت نفسه، أنشئ نظام عالمي متكامل من المحطات الأرضية والسفن البحرية لمراقبة الجو وتبادل المعلومات. وقد أنشأت منظمة الأرصاد العالمية (WMO) نظام مراقبة للجو على المستوى العالمي، وتسهم فيه جميع الدول. وبدخول الأقمار الاصطناعية والرادار أُضيف عنصران جديدان وتقنية جديدة إلى وسائل مراقبة الجو، وأصبح في الإمكان مراقبة باقي الكواكب. (اُنظر صورة التغيرات الجوية للكواكب)

والآن أصبحت الأقمار الاصطناعية والرادارات برؤيتها الشاملة جزءاً في نظام الأرصاد الجوية العالمي، مكملة بذلك سلسلة من التطورات التقنية التي تمكن الإنسان من السيطرة على الطقس والتعامل معه، وتجنب كوارثه والتخفيف من آثاره السلبية.

هـ. في المجال العسكري (اُنظر شكل الدفاع المضاد للصواريخ)

(1) في مجال الدفاع الجوي الدفاع الصاروخي

(أ) المراقبة الجوية والاستطلاع.

(ب) قياس المدى.

(ج) التحكم في التصويب وتوجيه نيران الأسلحة.

(2) في مجال التجسس

(أ) تحديد المواقع الإستراتيجية والأهداف بدقة.

(ب) تحديد مواقع الجيوش وحجمها وحركتها.

و. في مجال المياه والتربة (اُنظر صورة مراقبة الأنهار والبحيرات)

(19 وضع خرائط دقيقة لمناطق المياه.

(2) دراسة تلوث مياه البحار والأنهار.

(3) تحديد مناطق الفيضانات.

(4) مراقبة حركة الأنهار.

(5) البحث عن المياه الجوفية تحت رمال الصحراء عن طريق صور الرادار.

(6) تقسيم التربة وتحسينها.

(7) إعداد خرائط مناخية للتربة.

(8) دراسة إمكانية حفظ التربة وتحسينها.

(9) مراقبة جفاف الأراضي والبحيرات.