مدار خورشيدآهنگ

http://www.noojum.com/images/stories...aghale/m27.jpg
مدارهاي خورشيدآهنگ در بين انواع مدارهاي فضايي از جايگاه ويژه‌اي برخوردار هستند. اين مدارات، طيفي از مدارهاي قطبي با ارتفاع بين 600 تا 800 كيلومتر را تشكيل مي‌دهند. ماهواره‌اي كه در مسير آنها قرار مي‌گيرد، در ساعات معيني از طول روزِ زميني بر فراز نقاط مختلف زمين ظاهر مي‌شود. اين امر باعث مي‌شود تا عكس‌هايي كه ماهواره از مناطق مختلف تهيه مي‌كند، در ساعات مشخصي گرفته شده باشند و لذا به‌دليل ثابت بودن ميزان بازتاب نور خورشيد در آنها، عكس‌ها قابل تطابق باشند.
مقدمه
مدارهاي ماهواره‌هاي فضايي به اقسام گوناگوني قابل تقسيم‌بندي و تمايز هستند. مدار خورشيدآهنگ يكي از انواع مدارهاي فضايي است كه خاصيت ويژه‌اي دارد. ماهواره‌اي كه در مدار خورشيدآهنگ قرار گيرد، مانند همه ماهواره‌هاي مدار كم‌ارتفاع زميني، به دور كره زمين و بر فراز مناطق مختلف آن در پرواز است،اما با اين ويژگي كه ماهواره تقريباً در ساعات مشخصي بر فراز مناطق مختلف زمين قرار مي‌گيرد. مثلاً اگر منطقه الف را بر روي زمين در نظر بگيريم،‌ ماهواره هميشه راس يك ساعت محلي معين از روز، بر فراز آن ظاهر مي‌شود. اين مساله،‌ كمك مي‌كند تا تصاويري كه ماهواره از آن محل تهيه مي‌كند به لحاظ ميزان روشنايي و بازتابش نور يكسان باشد. لذا تصاوير قابل مقايسه و پديده‌ها در آنها قابل رديابي هستند.
منشاء اين خاصيت، ناهمگوني هندسه كروي زمين است كه مقدار بسيار كمي حالت پَخي دارد [1]. همواره در فيزيك و مهندسي، پديده‌هايي اينچنيني، كه به نوعي ناهمگوني ايجاد مي‌كنند و مساله را از مسير ايده‌آل رياضي دور مي‌كنند، براي طراحان چالش‌برانگيز و پيچيده هستند. مهندسان مجبورند چنين پديده‌هايي را پيش‌بيني كرده و درصدد رفع و جلوگيري از بروز آنها برآيند و اين مساله، يعني صرف زمان و هزينه بيشتر. اما اين‌بار، اين ناهمگوني و كروي نبودن كامل زمين، نه تنها پديده مزاحمي نيست، بلكه به كمك ماموريت‌هاي عكسبرداري و سنجشي فضايي مي‌آيد كه شرح آن در ادامه خواهد آمد.

شرح و تعريف
همان‌گونه كه اشاره شد، عدم كروي بودن كامل سياره زمين،‌ باعث به وجود آمدن انحرافاتي در مسير ماهواره‌ها، ‌ به‌ويژه در مدارهاي كم‌ارتفاع مي‌شود. در مدارات كم‌ارتفاع با زاويه ميل بالا،‌ اين مساله باعث مي‌شود تا صفحه مداري نوعي حركت تقدمي را حول محور قائم گذرنده از مركز خود تجربه كند؛ بدون اينكه تغييري در زاويه ميل يا ديگر پارامترهاي مداري آن به وجود آيد. اين پديده، در مدارهاي با زاويه ميل بالا (كمي بيش از 90 درجه يا به نوعي، مدارهاي قطبي) و ارتفاع حدود 600 الي 800 كيلومتر خودنمايي مي‌كند [1].
ميزان سرعت اين حركت تقدمي صفحه مداري، با زاويه ميل و ارتفاع مداري (فاصله از مركز زمين) رابطه دارد. اين حركت تقدمي را مي‌توان به نوعي سُرِش صفحه مداري نيز تعبير كرد [2]. مهندسان مي‌توانند با تنظيم اين دو عامل، حركت ماهواره خود را در مدار خورشيدآهنگ تنظيم كنند. مدار خورشيدآهنگ، يك مدار قطبي معمولاً كم‌ارتفاع با زاويه ميل 96 تا 98 درجه و دوره تناوب 96 تا 100 دقيقه است كه مي‌تواند دايروي يا بيضوي باشد. اگر مدار به صورت بيضوي باشد، معمولاً نقطه حضيض مداري آن براي گذر در زمان مشخص، تنظيم مي‌شود [3].
ويژگي مهمي كه در مدار خورشيدآهنگ پديد مي‌آيد، اين است كه زاويه تابش نور خورشيد با صفحه مداري، هميشه ثابت مي‌ماند. بنابراين، دوربين‌ها هميشه عكس‌هايي با ميزان روشنايي مشخصي تهيه مي‌كنند. تصوير 1 به خوبي نشان‌دهنده اين مساله است.
براي درك بيشتر مساله مي‌توان از يك مثال استفاده كرد: ماهواره‌اي با دوره چرخش 96 دقيقه را در مدار خورشيدآهنگ، با ارتفاع مشخص، درنظر بگيريد. اين ماهواره در هر 24 ساعت، 15 بار به دور سياره زمين مي‌چرخد. با استفاده از رابطه بين زاويه ميل و ارتفاع مداري،‌ مي‌توان زاويه ميل آن را طوري تنظيم كرد كه هر بار كه ماهواره مثلاً از بالاي سر يك نقطه از مدار استوايي مي‌گذرد، ساعت محلي ثابت باشد. به عنوان مثال، وقتي كه از بالاي سر شهر استوايي الف مي‌گذرد، ساعت 2 بعدازظهر باشد،‌ و در دور بعدي كه از شهر استوايي ب (واقع شده در طول جغرافيايي چند درجه آن ‌طرف‌تر از شهر الف) مي‌گذرد، ساعت محلي شهر ب هم 2 بعد از ظهر باشد. سپس ماهواره پس از يك روز كامل (15 دور) دوباره وقتي به بالاي شهر الف رسيد، دوباره ساعت 2 بعد از ظهر باشد.
انواع خاصي نيز از مدار خورشيدآهنگ وجود دارد. مثلاً مدارهاي خورشيدآهنگي كه صفحه استوايي را هميشه در حوالي ظهر يا نيمه‌شب قطع مي‌كنند (يا به‌عبارت ديگر هميشه در حوالي ظهر يا نيمه‌شب از فراز خط استوا عبور مي‌كنند)، به مدارهاي شب و نيمه‌شبي معروف هستند. مدارهايي نيز كه اين صفحه را در حوالي غروب يا طلوع خورشيد قطع مي‌كنند، به مدارهاي غروب و سپيده‌دم معروفند. ماهواره‌اي كه در اين مدار قرار دارد،‌ هرگز در سايه زمين قرار نمي‌گيرد و هميشه خورشيد به صفحات تامين انرژي آن مي‌تابد. مدار خورشيدآهنگ حول سيارات ديگر، مانند مريخ، نيز وجود دارد [1].

http://www.isa.ir/enc/library/upload/article/29_01.jpg زاويه بين شعاع تابش نور خورشيد با صفحه مداري در فصول مختلف ثابت مي‌ماند (ماهواره لندست).

كاربردهاي مدار خورشيد آهنگ
كاربرد اصلي مدار خورشيدآهنگ در ماهواره‌هاي سنجش از دور است. عكسي كه يك ماهواره از يك نقطه بر فراز زمين تهيه مي‌كند، تا حد زيادي متاثر از موقعيت محل نسبت به خورشيد و ميزان نور خورشيد بازتابش شده از آن مكان است (تصوير 2). براي اينكه ماهواره بتواند عكس‌هاي قابل مقايسه‌اي از يك منطقه تهيه كند، ‌لازم است تا در زمان مشخصي از طول روز از بالاي سر آن عبور كند. به عنوان مثال، اگر دو عكس از منطقه الف، ‌يكي در هنگام ظهر محلي و يكي در هنگام غروب محلي، گرفته شده باشند، به لحاظ پردازش تصوير از ارزش چنداني برخوردار نخواهند بود، ‌زيرا قابل مقايسه نيستند [3]. لذا لازم است تا عكس‌ها در يك زمان محلي گرفته شده باشند تا قابل مقايسه و تطبيق باشند. البته بايد توجه داشت كه تغيير فصول و به تبع آن تغيير زاويه تابش خورشيد به سطح زمين بر روي تصاوير اخذ شده تاثير مي‌گذارد (تصوير 3)[4].

http://www.isa.ir/enc/library/upload/article/29_02.jpg تصوير 2- زاويه بين شعاع تابش نور خورشيد با صفحه مداري

از آغاز عصر فضا تاكنون، بيشتر ماهواره‌هاي سنجش از دور در مدارهاي خورشيدآهنگ به كار گرفته شده‌اند. مدارهاي خورشيدآهنگ غروب و سپيده‌دم نيز در ماهواره‌هاي رادار فعال يا كاوشگرهاي منظومه شمسي (به‌ويژه براي مشاهده دائمي خورشيد) به كار گرفته مي‌شوند [1].
نوشته : iranian space agency

http://www.isa.ir/enc/library/upload/article/29_03.jpg تصوير 3- تغيير زاويه تابش در فصول مختلف

مراجع
[1] - www.wikipedia.org/Sun_synchronous
[2] - Williamson M., "Cambridge dictionary of Space Technology", Cambridge University Press, First Edition, 2001.
[3] - Rycroft M., "The Cambridge Encyclopedia of Space", Cambridge University Press, First Edition,1990.
[4] - landsathandbook.gsfc.nasa.gov