לוויין המכ”ם TECSAR – שנה בחלל

לוויין המכ”ם TECSAR, ששולח תצלומים מעולים מסוגם, הוא ביטוי ליכולתה של התעשייה בישראל − ובייחוד של התעשייה האווירית − לתכנן, לייצר לוויינים ולשגרם לחלל

אורי נפתלי | מגזין גליליאו

בתאריך 21 בינואר 2008 שוגר מהודו לוויין ה-SAR (Synthetic Aperture Radar) הראשון של מדינת ישראל − TECSAR. השם TECSAR נגזר מן הצירוף Technology SAR Satellite, ומציין את ייעודו של המכ”ם – מדגים טכנולוגיית SAR חללית. טכנולוגיה זו מאפשרת להפיק מהמכ”ם תמונה של השטח המצולם ביום ובלילה, בכל תנאי מזג אוויר ובכל תנאי ראות. שיגורו המוצלח של הלוויין והתצלומים המעולים שהוא מספק שחררו אנחת רווחה מפי כל המעורבים בפיתוחו. נעמוד כאן על ההישג הטכנולוגי המרשים, המתבטא ביכולת של התעשייה בישראל − ובייחוד של התעשייה האווירית − לתכנן, לייצר לוויינים (ובפרט לווייני מכ”ם) ולשגרם לחלל. נציין שתכנית הפיתוח החלה מאפס, בלי כל ניסיון קודם בלווייני SAR.

ביצועים מן השורה הראשונה

תשע מדינות בלבד שייכות למועדון המדינות שיש להן יכולת חללית מושלמת (פיתוח, ייצור ושיגור), ואלה הן (לפי הסדר הכרונולוגי של שיגור הלוויין הראשון): ברית-המועצות (והיום: רוסיה), ארצות-הברית, צרפת, אוסטרליה (שאינה פעילה כיום), יפן, סין, בריטניה (ששיגרה אך לא המשיכה בפעילות זו), הודו וישראל (ומאז פרסום הכתבה בגלילאו לפני כחודשיים, גם איראן). מספר המדינות בעלות יכולת הייצור של לווייני מכ”ם מצומצם אף יותר: ארצות-הברית, רוסיה, גרמניה, קנדה, יפן, איטליה וישראל.

מפעל מב”ת (MBT) של התעשייה האווירית נבחר בשנות השמונים של המאה הקודמת להוביל את מיזמי החלל של מדינת ישראל. מאז צבר המפעל ניסיון רב בתחום הבנייה, השיגור והתפעול של לוויינים מסוגים שונים: לווייני תצפית אלקטרו-אופטיים, לווייני תקשורת, וכעת לווייני מכ”ם. הלוויינים שמייצרת התעשייה הישראלית מצטיינים במשקל קל, הנובע ממגבלות השיגור מישראל ובביצועים מן השורה הראשונה, הנובעים מן הצרכים המיוחדים של ישראל. מפעל מב”ת הוא הקבלן הראשי של לוויין ה-TECSAR. חברת אלתא מערכות – חברה-בת של התעשייה האווירית − פיתחה וייצרה את המכ”ם של לוויין ה-TECSAR. פיתוח מכ”מי ה-SAR החל בחברת אלתא לפני כ-25 שנה, וכיום אלתא מייצרת ומרכיבה מכ”מי SAR למגוון כלי טיס: מטוסי קרב, מטוסי מנהלים, מטוסים קלים ואף כטב”מים (כלי טיס בלתי מאוישים). לפיכך נבחרה להוביל את פיתוח המכ”ם למערכת החללית.



לוויין SAR – על שום מה?

לישראל יש מזה שנים אחדות יכולת לקבל תמונות אופטיות מהחלל, אך לוויינים אופטיים כדוגמת לווייני ארוס (EROS), אופק, ספוט (SPOT), לנדסאט (Landsat), איקונוס (Ikonos) ודומיהם, אינם יכולים לצלם בתנאי ראות גרועים, כגון לילה, עננות, ערפל, סופות חול ואבק. הגבלות אלה מקטינות מאוד את יעילותם של הלוויינים האלקטרו-אופטיים. לפיכך, לוויינים אלה כמעט חסרי תועלת באותם אזורים של כדור-הארץ המכוסים בעננות די קבועה. לעומתם, החיישן בלוויין המכ”מי “מביא את השמש איתו”, כלומר “מאיר” את פני השטח בצורה אקטיבית, והודות לאורך הגל הארוך יחסית שבו הוא משתמש, לוויין זה מסוגל לספק תמונות גם כאשר מערכות אחרות כושלות. החיישן המכ”מי משדר קרינה אלקטרומגנטית, ולכן הוא רגיש במיוחד לעצמים מתכתיים המחזירים קרינה זו בעצמה רבה. לכן מכ”ם יכול לזהות בצורה טובה כלים גדולים מעשה ידי-אדם, דוגמת מטוסים, כלי רכב, רכבות וספינות. כך ניתן לאתר שברי מטוסים שהתרסקו או אניות במצוקה, ולסייע במאמצי החילוץ וההצלה. המכ”ם משדר אות מבוקר, וכך נמנעת התלות במקורות הארה טבעיים, שאין שליטה על האות המתקבל מהם. מנתוני האות המשודר אפשר לקבל מידע עדין ביותר על השטח המצולם.

מכ”ם SAR

מטרתו של מכ”ם SAR היא להפיק תמונה של פני השטח המצולם. כדי לקבל תמונה ברורה, יש לקבל יכולת הפרדה (רזולוציה) טובה ככל האפשר, מסדר גודל של מטרים. אולם, למכ”ם פשוט יש רזולוציה גרועה למדי הן בכיוון הטווח והן בכיוון האזימוט (כיוון הטווח הוא הכיוון שבו נעים הגלים המשודרים מן המכ”ם למטרה, ואילו כיוון האזימוט הוא בכיוון התנועה של המכ”ם, וראו תמונה 2). מערכות SAR נועדו “לאלץ” את המכ”ם לייצר יכולת הפרדה טובה בטווח ובאזימוט. אנו משתמשים בטכניקות שונות על מנת לשפר את הרזולוציות של שני צירי התמונה: רזולוציה טובה בטווח מושגת על-ידי שימוש בטכניקה הנקראת “דחיסת פולס”, שנסביר בהמשך. בכיוון האזימוט אפשר לשפר את הרזולוציה על-ידי שידור מ”אנטנה” וירטואלית ארוכה מאוד, ומכאן השם Synthetic Aperture Radar, כלומר מכ”ם מִפתָח סינתטי.

טכניקת שיפור ההפרדה בכיוון הטווח במכ”ם רגיל, המשַדר אנרגיה בפולסים, משך הפולס קובע את הרזולוציה, ולכן הרזולוציה המתקבלת עלולה להיות בתחום של מאות מטרים ואף קילומטרים. במערכות מוטסות אפשר להבחין במטוסים גם ברזולוציות אלה, מכיוון שמדובר במטרות בודדות. לעומת זאת, ברור שברזולוציות אלה לא ניתן לקבל תמונות ברורות של פני הקרקע. כדי לקבל במכ”ם רגיל רזולוציה של 1.5 מ', לדוגמה, יש לשדר פולס במשך של עשר ננו-שניות (ns). פולסים כה קצרים משדרים אנרגיה נמוכה מאוד, דבר שיפגע משמעותית בביצועי המכ”ם. לכן, נדרשת דרך לשדר פולס ארוך, אך לקבל בכל זאת את הרזולוציה המבוקשת בכיוון הטווח. השיטה המאפשרת זאת נקראת “דחיסת פולס”. בשיטה זו תדירות השידור משתנה במהלך הפולס. כאשר התדירות משתנה בצורה לינארית, האות נקרא LFM Linear Frequency Modulation), ראו בתמונה הבאה). הודות לשינוי התדירות נוצרים כעין “סימונים” בתוך הפולס, ולכן אפשר להפריד בין חלקי הפולס השונים ולשייך אותם למטרות שונות, גם אם מטרות אלה קרובות זו לזו יותר מהרזולוציה הבסיסית (ללא “דחיסת פולס”). אם כן, דחיסת הפולס מנתקת את הקשר בין הרזולוציה לבין אורך הפולס והופכת את הרזולוציה לתלויה בשינוי התדירות בזמן שידור הפולס (רוחב הסרט) בלבד. מכיוון שבטכנולוגיה הקיימת רוחב הסרט המשודר יכול להגיע לעשרות ולמאות מגה-הרץ, רזולוציית האות הדחוס יכולה להיות מסדר גודל של מטרים בודדים ואף פחות מכך. לכן שיטת דחיסת הפולס משמשת בכל מכ”מי ה-SAR לשיפור הרזולוציה בכיוון הטווח (הקו המחבר את המכ”ם והמטרה). עם זאת, שיטה זו משמשת בעוד סוגים של מכ”ם לשיפור הרזולוציה בכיוון הטווח. ייחודו של מכ”ם ה-SAR הוא בביצוע דחיסת אות גם בכיוון האזימוט, יכולת שאותה נסביר מיד.

שיפור יכולת ההפרדה באזימוט

במכ”ם רגיל הרזולוציה באזימוט נקבעת על-ידי גודל אלומת המכ”ם במרחב, ובדרך-כלל זו רזולוציה מסדר גודל של קילומטרים. מכיוון שאנטנה רחבה מייצרת אלומה צרה, ולהפך, לכאורה כל שעלינו לעשות כדי לשפר את הרזולוציה הוא להגדיל את רוחב האנטנה המשדרת, ועל-ידי כך להקטין את גודל האלומה. עם זאת, ברור מאליו שאי-אפשר להגדיל את האנטנה ליותר ממטרים ספורים או כמה עשרות מטרים לכל היותר; יתרה מכך, כדי לקבל רזולוציה של מטרים בודדים נדרשת אנטנה באורך מאות מטרים ואפילו קילומטרים. כדי לקבל אנטנה כה ארוכה אנו מייצרים אנטנה סינתטית (ולכן השם: מכ”ם מפתח סינתטי). כלומר, אלפי פולסים משודרים מאנטנה קטנה יחסית במשך זמן מסוים. במשך זמן זה המכ”ם נע וכך נוצרת למעשה אנטנה סינתטית ארוכה מאוד, באורך הנדרש לשם קבלת רזולוציית הצילום המבוקשת. היכולת ליצור את האנטנה הסינתטית טמונה ביכולת לנצל הסחות תדר קלות, הנגרמות בגלל תנועת המכ”ם. הסחות אלה נובעות מאפקט דופלר (ראו בהמשך): כידוע, תדר הצפירה של רכב נוסע גבוה יותר כאשר הרכב מתקדם לעברנו ויורד עם התרחקותו; שינוי זה של התדירות ידוע כאפקט דופלר. תופעה זו קיימת גם בקרינה אלקטרומגנטית, ובכללה גלי מכ”ם. כדי ליצור את הסחות הדופלר, מכ”מי SAR חייבים להיות בתנועה יחסית למטרה המצולמת. כל נקודה בשטח ה”מואר” (המוקרן) באלומת המכ”ם מחזירה את השידור בתדר המוזז בהסטת דופלר אופיינית, כאשר ההזזה תלויה בשינוי המהירות היחסית (כגודל וקטורי) בין הנקודה הנבדקת ובין המכ”ם. ובמילים אחרות, מכל נקודה בשטח המצולם אנו מקבלים הסחת דופלר המשתנה לפי מיקום המכ”ם ביחס למטרה (תמונה 4).

אפשר להראות שבזוויות קטנות, תדירות הדופלר של כל נקודה המוארת באלומת המכ”ם משתנה בצורה לינארית בזמן תנועת המכ”ם: אך זהו בדיוק אותו סוג של שינוי תדר שנוצר על מנת לשפר את הרזולוציה בטווח! אלא שבציר הטווח שינוי התדר נוצר על-ידי שינוי התדירות במהלך הפולס המשודר, ולעומתו, בכיוון האזימוט התנועה היחסית בין המכ”ם למטרה היא שיוצרת את שינוי התדר. מכיוון שצורת האות המתקבלת דומה, אותן שיטות המאפשרות את שיפור הרזולוציה בטווח משמשות לשיפור הרזולוציה באזימוט. עם זאת, עלינו לזכור שהחזר הדופלר מכל מטרה לא מגיע בנפרד, אלא בבת אחת מכל השטח המואר על-ידי האלומה, ולכן עלינו להפריד בין ההחזרים השונים. אפשר לדעת בדיוק את תדר ההחזר הצפוי מידיעת מיקום המכ”ם והמטרה בכל רגע, ומכאן לסנן את התדרים שאינם מתאימים לתדר המצופה (להבדיל ממכ”ם רגיל, במכ”ם SAR לא מחפשים מטרות – מיקום המטרות ידוע מראש; עצמת ההחזר היא הנעלם). כפי שקורה בכיוון הטווח, רזולוציית התמונה בכיוון האזימוט נקבעת על-ידי רוחב הסרט של האות שתדירותו משתנה בצורה לינארית, ה-LFM. הרזולוציה באזימוט תלויה בצורה הפוכה בזמן הצילום. לכן, כל שעלינו לעשות כדי לשפר את הרזולוציה באזימוט, הוא לצלם בזמן ארוך יותר, כלומר ליצור אנטנה סינתטית ארוכה יותר. זמני צילום של כמה שניות יביאו לרזולוציה של מטרים בודדים. אפקט דופלר על קצה המזלג אפקט דופלר גורם להסחת אורך הגל של גלים כאשר המקור נע ביחס לצופה. אם הטווח אל המטרה וחזרה הוא , הרי שהפאזה הנצברת על-ידי הגל האלקטרומגנטי במהלך הדרך היא:

 אם יש תנועה יחסית בכיוון הניצב של המכ”ם ביחס למטרה, אזי פאזה זו משתנה. קצב שינוי הפאזה מגדיר את התדירות, ולכן התנועה גורמת לשינוי הופעת תדירות של:



וזו מוגדרת כתדירות דופלר.

שימושי SAR

היתרונות הגדולים של צילום ה-SAR החלו להיבדק ולבוא לידי ביטוי בשנים האחרונות, ושיטות מתוחכמות יותר משמשות כעת לעיבוד תמונות ה-SAR. לכאורה, זהו צילום מתקדם שמאפשר לעבוד בכל תנאי תאורה, אבל בכל זאת − זה רק צילום. אולם, השליטה בגל המשודר והאפשרות לדעת בדיוק מה שודר בכל רגע נתון, מאפשרות לקבל הרבה יותר נתונים על השטח המצולם. צילומי SAR משמשים גם למעקב אחרי כיפות הקרח של הקטבים בתקופות שבהן האפלה מונעת מחיישנים אחרים לשדר נתוניםעצם קבלת התמונה חשוב לשימושים רבים. למשל, מעקב רציף אחרי כתמי נפט הנראים היטב בתמונת ה-SAR, או מעקב אחרי קרחונים גם בשעות הלילה (תמונה 5). אכן, צילומי SAR משמשים למעקב אחרי כיפות הקרח של הקטבים בתקופות שבהן האפלה מונעת מחיישנים אחרים לשדר נתונים (תמונה 6).

מכ”ם ה-TECSAR

הדרישות מלוויין ה-TECSAR − הרזולוציה, הכיסוי, המשקל והתמרון − גבוהות ביותר, ומכ”ם ה-TECSAR, שפותח כדי לענות עליהן, מצטיין במשקלו הנמוך ובביצועיו המצוינים. לווייני SAR נחשבו תמיד ללוויינים כבדים, בגלל הצורך במערכת חשמל בעלת הספק גבוה. משקלם של לווייני SAR אחרים בעולם מגיע לכמה טונות ואף מעל לעשרה טון. והנה ה-TECSAR תוכנן מראש תוך שימוש בחומרים ובשיטות שנועדו לצמצם מאד את המשקל עד כדי 300 ק”ג בלבד. משקלו המועט של הלוויין וכן מומנט ההתמדה הנמוך שלו, מעניקים זריזות רבה בהפעלתו ובביצוע תמרונים, שאין לוויינים כבדים יכולים לבצע. כדי לקבל מכ”ם במשקל כה נמוך, בוצע תכנון קפדני למשקל הרכיבים השונים. כך, למשל, המשטח המחזיר של האנטנה בנוי מרשת, ולא משטח מלא. רשת זו שוקלת מעט מאוד והצלחנו לפתח רשת כזו שאינה פוגעת בביצועי המכ”ם. חרף משקלו הנמוך מלוויינים דומים בעולם, אין ביצועי הלוויין נופלים – ואף עולים – על ביצועי מערכות אחרות. כדי לקבל ביצועים אלה, הלוויין מסוגל לצלם במספר אופני פעולה:

• אופן סריקה (Strip mode)
• אופן התמקדות (Spot mode)
• אופן סריקה רחבה (Wide coverage mode)
• אופן פסיפס (Mosaic mode)

באופן סריקה (תמונה 7), אין הלוויין מבצע תמרונים כלשהם ומצלם את הרצועה שעליה מצביע כתם הארת האנטנה. מאחר שאופן זה פשוט לביצוע, נעשה בו שימוש בכל לווייני המכ”ם הראשונים והוא אופן פעולה הקיים בכל לוויין מערכת SAR גם היום. עם זאת, באופן פעולה זה הרזולוציה באזימוט מוגבלת למחצית האורך הפיזי של האנטנה. לא ניתן לקצר אורך זה במידה ניכרת, מכיוון שאז יקטן הֶגבר האנטנה והאות המגיע חזרה מהקרקע יהיה חלש מדי. משקלו המועט של הלוויין, וכן מומנט ההתמדה הנמוך שלו, מעניקים זריזות רבה בהפעלתו ובביצוע תמרונים שאין לוויינים כבדים יכולים לבצעכדי להתגבר על מגבלה זו ולהגיע לרזולוציות משופרות, יש להשהות את אלומת האנטנה זמן רב יותר על אזור הצילום. פעולה זו מבוצעת באופן התמקדות (Spot, תמונה 9), המנצל את יכולת הסריקה המכנית של הלוויין. בפעולה מבצעים תמרון כך שאלומת המכ”ם מאירה את אזור הצילום במשך זמן רב יותר. מכאן נוכל להאריך את זמן הצילום ולכן לשפר את רזולוציית הצילום. אמנם, באופן התמקדות הרזולוציה משופרת, אך הדרישה “להקפיא” את הקרן על הקרקע מביאה לכיסוי שטח קטן למדי.



כדי ליהנות מיתרונות הכיסוי הרחב ללא פגיעה ברזולוציה, פותח באלתא (בשיתוף עם אנשי מב”ת, וביניהם אציין במיוחד את ד”ר אמיר קליין ז”ל) אופן הפסיפס. באופן פעולה זה באה לידי ביטוי יכולת הסריקה המכנית של הלוויין, המעכבת (אך לא עוצרת) את הכתם על הקרקע, ויכולת הסריקה האלקטרונית של המכ”ם המאפשרת את הקפצת האלומה. כך אנו יכולים לקבל כיסוי רחב עם רזולוציה משופרת (תמונה 10). כאמור, אופן הפסיפס אינו קיים באף לוויין SAR אחר, וכיום אי אפשר לממשו בלוויינים האחרים; זאת משום שרק לוויין ה-TECSAR משלב יכולת של סריקה אלקטרונית ומכנית בעת ובעונה אחת.



לסיכום פיתוח לוויין ה-TECSAR מהווה הישג בקנה מידה עולמי. כדי לאפשר קבלת תמונות בכל תנאי תאורה או מזג אוויר, עושה הלוויין שימוש במטע”ד (מטען ייעודי) מכ”מי לצילומי הקרקע. טכניקת השימוש במכ”ם לשם קבלת תמונה נקראת SAR – Synthetic Aperture Radar. טכניקה זו דורשת אבחנה בהסטות דופלר זעירות ליצירת אנטנה סינתטית ארוכה מאוד. הרזולוציה הטובה המתקבלת בצילומי ה-SAR נובעת מדחיסת פולס השידור מצד אחד ומדחיסת אות הדופלרמן הצד השני. תכנונו המודולרי של מכ”ם ה-TECSAR ומשקלו הקטן של המרכב מאפשרים תכנון לוויינים הנגזרים מלוויין זה, והם מתאימים למגוון משימות. כך, למשל, אפשר יהיה להפחית עוד את משקל הלוויין ולהתאימו למשימה פלנטרית לירח, לצדק או לנוגה. הצלחתו של לוויין ה-TECSAR הראשון נותנת דחיפה גדולה לפיתוח לווייני SAR נוספים מתוצרת ישראל. לזכרו של ידידי ורעי ד”ר אמיר קליין (2008-1949) תודות תודה לד”ר אלי ידין מ”אלתא מערכות” שקרא את טיוטת המאמר והעיר את הערותיו המועילות. ד”ר אורי נפתלי הוא חוקר ומפתח בתחום מערכות חלל, מפעל מודיעין חזותי ומכ”ם, אלתא מערכות בע”מ. ד”ר נפתלי מלווה את פרוייקט ה-TECSAR מתחילתו. מתוך: מגזין גליליאו