Sapphire Uydusu

Kanada'nın ilk askeri uydusu olan Sapphire, 2013 yılında fırlatılan ve Dünya'nın 6.000 ila 40.000 kilometre (3.728 ila 24.855 mil) üzerindeki bir yörüngede uzay çöplerini ve uyduları izlemek için tasarlanmış küçük bir uzay aracıdır. [1]. Sapphire, sadece bir uzay aracı olmanın ötesinde, fotonik bilimi için de önemli bir vaka çalışması ve başarı örneğidir. Fotonik, ışığın (fotonların) üretimi, tespiti ve manipülasyonu ile ilgilenen bilim dalı olup, Sapphire gibi uydulardaki kritik sistemlerin temelini oluşturur.

Uydu; Alçak Dünya Yörünge’deki (Low Earth Orbital – LEO) bir mini uydu sistemi olup [2],  Kanada Ulusal Savunma Bakanlığı’nın da (Canadian Department of National Defence-DND) ilk özel uzay görevidir [3]. 

Sapphire Uydusunun Amacı

Sapphire Uydusu 2013 yılında fırlatıldı ve faaliyete geçti ve ABD Uzay Gözetim ağı’na (United States Space Surveillance Network - SSN) katkıda bulunuyor. Kanada ve müttefik uzay tabanlı sistemleri tehdit edebilecek uzaydaki insan yapımı nesneleri (enkaz dahil) tanımlama ve izleme sürecine katkıda bulunuyor [4]. 

Kanada Ulusal Savunma Bakanlığı'na (DND) 6.000 km ile 40.000 km arasındaki yörünge yüksekliklerinde orta ila yüksek Dünya yörüngelerinde insan yapımı ve doğal nesneler hakkında doğru ve zamanında izleme verileri sağlayacak uzay tabanlı bir elektro-optik sensördür [3]. 

Yerleşik Uzay Nesneleri (Resident Space Object-RSO)  

RSO'lar, aktif ve aktif olmayan uyduları, kullanılmış roket gövdelerini ve uzayda onlarca yıldır süren insan faaliyeti tarafından oluşturulan diğer yörünge enkaz parçalarını içerir. Son RSO sayımına göre, ABD Uzay gözetim Ağı (SSN) kataloğu izlenen 9000'den fazla uzay enkazı nesnesi içeriyor [2]. 

Röportaj

"Bulaşık makinesinden daha güzel görünüyor" — Kanadalı Tuğgeneral Rick Pitre.  Sapphire, bir bulaşık makinesi büyüklüğünde olup, yörüngedeki hava trafik kontrolörü olarak görev yapacak bir uzay aracıdır. Dünyayı çevreleyen 10 santimetreden büyük her nesneyi izleyebilecek imkana sahiptir. 

Amaç, yörüngedeki 20.000 parçanın hiçbirinin —bazıları çöp, bazıları milyonlarca dolarlık uydular— birbirine çarpmamasını sağlamaktır. Çünkü 35.000 km/s hızla, beyzbol topu büyüklüğünde bir metal parçasının bir iletişim uydusuna çarpması bir ülkenin telefon şebekesini çökertebilir. 

Sapphire'in fırlatılışında ortaklardan biri olan Kanada Uzay Ajansı'nın uçuş operasyonları yöneticisi Michel Doyon, "Bu durum büyük ihtimalle uzay aracını yok edecek, birçok alt parçaya ayrılmasına ve daha fazla enkaz oluşmasına neden olacak" şeklinde açıklama yaptı. [5] 

Uzayda beş yıllık bir görev olarak planlanan şey, Uzay Alanı Farkındalığına on yıllık bir katkı haline geldi. "On yıl geçmesine rağmen, sensörün yeteneklerinde önemli bir bozulma görmedik," diyor Albay Maskell [1].  (News of 2023) 

Neden Önemli ? 

• Uzay Trafiği Yönetimi ve Çarpışma Önleme : Dünya yörüngesinde giderek artan uydu trafiği ve uzay enkazları, aktif uydular için ciddi bir tehdit oluşturmaktadır. Sapphire, bu nesneleri takip ederek çarpışma riskini en aza indirmeye yardımcı olur. 
• Askeri ve Stratejik Avantaj : Kanada'nın bağımsız bir uzay gözetleme kabiliyeti kazanmasını sağlayarak savunma ve istihbarat alanlarında kritik bir rol oynuyor. 
• Uzayda Uzun Süreli Gözlem Yeteneği : Sapphire, yüksek doğruluklu elektro-optik algılayıcılar kullanarak alçak ve orta dünya yörüngelerindeki nesneleri sürekli olarak izleyebiliyor. 

Teknik Özellikler  

• Boyut :  1m3  1m3  
•  Ağırlık : 148 kg  [1]         
• Yörünge : 771 km × 786 km, 98.63°  [6] 
• Güç : Güneş hücreleri [3]   
• Ortalama güç tüketimi : 14 W  [2] 
• Spektral Aralık : 0.3 – 0.9 um [2]  &  VIS- NIR [1] 
• Teleskop Türü : Üç Aynalı Anastigmat (TMA) Teleskobu  [7] 
• Aynalar : Alüminyum [8]    
• Kaplama : Protect Silver [8] (Gümüş kaplama, görünür bantta alüminyuma göre %20 daha fazla yansıtıcılık sağlar, daha yüksek SNR, daha zayıf nesneleri tespit edebilme) 
• Etkili Görüş alanı (FOV ): 1,4º x  1,4º  [2] 
• Aperture (açıklık): 15 cm [7] 

Uydu, Güneş’le senkronize bir yörüngede, her zaman gün doğumu ya da gün batımı çizgisine yakın bir şekilde hareket edecek. Teleskop, en fazla yansıyan güneş ışığını alabilecek şekilde Güneş’ten uzak bir yöne bakacak. Görüntüleme sistemi, istenmeyen ışığı azaltmak için bir ışık engelleyici ve optikleri korumak için bir açıklık kapağı içerecek. [1]  

Pasif bir optik sensör olan Sapphire, uzaydaki nesnelerin görüntülerini yakalamak için güneşten yansıyan ışığa güvenir [1]. 

Payload şu bileşenlerden oluşur ;  

• OIS (Optik Görüntüleme Alt Sistemi) (L-3 Communications SSG Tinsley tarafından tasarlanmıştır) ,
• DHCS'den (Veri İşleme ve Kontrol Alt Sistemi) .

OIS, eksen dışı bir TMA (Üç Aynalı Anastigmat) teleskopu, FPA (Odak Düzlemi Montajı) ve CCD ön yükselteçleri ile ilişkili iki yedekli CCD (Yük Bağlantılı Aygıt) dedektör sistemini içerir [2]. 

OIS (Optik Görüntüleme Alt Sistemi) 

• Eksen dışı TMA (Üç Aynalı Anastigmat) teleskop : Bu, aynalarla çalışan özel bir teleskop türüdür. Üç aynadan oluşan gelişmiş bir teleskop optik düzenidir. Eksen dışı olması, ışık yolunun aynaların ortasından değil, yanından geçmesini sağlar. Bu da görüntü kalitesini artırır ve merkezi engelleri ortadan kaldırır. Eksen dışı olduğu için görüntüde parazit veya kararma yapacak merkez engeller yoktur. Geniş görüş alanı sunar, net ve bozulmamış görüntüler elde edilir. Uzayda, uzak hedefleri yüksek çözünürlükle gözlemlemek için idealdir. 
• FPA (Odak Düzlemi Montajı) : Teleskopun topladığı ışığın tam olarak odaklandığı alandır. Buraya dedektör yerleştirilir. FPA, dedektörleri sabitleyen ve aynı zamanda onları elektronik sistemlerle bağlayan bir yapıdır. Görüntünün oluştuğu “ekran” gibi düşünebilir ama bu ekran ışığı ölçer, görüntü göstermez. 
• CCD dedektörler : Bu parçalar, teleskopun topladığı ışığı elektrik sinyaline çeviren dedektörlerdir. Fotoğraf makinesindeki sensör gibi düşünebilirsin. Uzaydaki görüntüyü sayısal hale getirip işlenmesini sağlarlar.  

Sapphire Uydusunda akadan aydınlatmalı (Back Illuminated CCD Detector) kullanılmıştır. Kuantum verimleri yüksek olması sebebiyle [2]. 

• CCD ön yükselteçleri (pre-amplifiers) : CCD’nin ürettiği sinyal genelde çok zayıf olur. Bu yüzden önce bu sinyaller yükseltilir. Ön yükselteçler, görüntü kalitesini bozmadan sinyali güçlendirir. Böylece zayıf ışıkta bile net veri elde edilir. 

Sistemde üç aynalı ve eksen dışı çalışan özel bir teleskop tasarımı kullanılıyor (TMA). Daha önce RapidEye uydusunda bu tür bir teleskop tamamen alüminyumdan yapılmış ve başarıyla kullanılmış. Yani bu tasarım uzayda denenmiş, uçuş geçmişi olan güvenilir bir sistem. Bu yüzden, Sapphire adlı yeni bir görev için de bu tasarım düşük riskli ve uygun bir teknoloji olarak görülüyor.  [2] 

NOT: Görüntülerde hedefler (RSO'lar), yıldız arka planına karşı ışık noktaları olarak görünür [8]. 

Yıldızlardan Ayırt Etme Yöntemleri  Nasıl ?

Yıldız Kataloğu ile Karşılaştırma (Star Catalog Matching)

• Sapphire’in yer segmentindeki işleme sistemi, gözlem yaptığı alandaki tüm yıldızların konumlarını önceden tanımlı yıldız kataloglarıyla karşılaştırır. 
• Görüntüdeki her ışık noktası, katalogdaki yıldızlarla eşleşmeye çalışılır. 
• Eşleşmeyen noktalar → potansiyel RSO’dur.

Hareket Analizi: Sabit Yıldızlar – Hareketli RSOs

• Yıldızlar göreli olarak sabit görünür, çünkü çok uzaktadırlar. 
• RSO’lar (örneğin uydular), yörüngelerinde hareket ettikleri için, birden fazla karede konum değiştirirler. 
• Zaman içinde pozisyon değiştiren ışık noktaları → RSO olarak tanımlanır. 

CCD’ler zamanla radyasyon nedeniyle bozunur (dark current artışı, dead pixel ve hot pixel oluşumu için) önlemler nelerdir?

Radiation-Hardened (Rad-Hard) CCD Seçimi

• Özel CCD üretimiyle, radyasyona dayanıklı hale getirilmiş modeller (örnek: e2v CCD47-20bi). Yapısal olarak zarar görmeyecek şekilde tasarlanmıştır.

Soğutma – Termal kontrol

• CCD'ler soğutularak dark current minimuma indirgenir. Sapphire -240°C’ye kadar soğutur.
• Dark current sıcaklıkla katlanarak artar: Bu yüzden düşük sıcaklık, CCD’yi daha uzun yaşatır.

Yedek CCD zinciri (Cold Redundancy)

• Sapphire’de olduğu gibi, birincil CCD zarar görürse ikinci yedek sistem devreye alınır.

Görüntü İşleme İle Düzeltme

SBV(Space Based Visible) Sensörü  

Veriler ve açıklamalar referans [9]’daki makaleden özet çıkarılmıştır. Uzay tabanlı görünür ışık sensörü demektir. SBV sensörü, uzaydan görünür ve yakın IR bantlarında (450–950 nm) gözlem yapabilen, küçük boyutlu bir elektro-optik sistemdir. MIT Lincoln Laboratory tarafından geliştirilen bir görünür bantta çalışan uzay gözetleme cihazıdır. Midcourse Space Experiment (MSX) uydusunun bir parçasıdır ve hedefi, uzayda hareketli nesneleri (füzeler, uydular vs.) güneş ışığı yansımalarıyla tespit etmektir. Atmosferin etkisi yok bu sebeple görüntüler daha nettir.   

Optik Sistem ve Teleskop Tasarımı 

Optik Sistem: 

• Tip: Üç aynalı off-axis anastigmat teleskop,
• Aynalar: Altın kaplı (düşük saçılma için).

Optik sistemde;

• Primary Mirror (Birincil Ayna): Sisteme giren paralel ışınları toplar. Genellikle parabolik aynadır, sisteme giren ışınları topladığı için. Ayrıca büyük çaplı ışın toplama kapasitesine sahip. 
• Secondary Mirror (İkincil Ayna): Işığı yeniden odaklar. Genellikle hiperbolik veya eliptik aynadır. Sistemi kompakt hale getirir. Geniş görüş alanından kaynaklanan aberasyonları düzeltmede etkilidir. 
• Tertiary Mirror (Üçüncül Ayna): Işığın yolunu değiştirir veya son odak düzlemine yönlendirir. Genellikle eliptik ya da özel şekillendirilmiş asferik aynadır. 
• Aperture (Açıklık): 15 cm
• F/Numarası: f/3
• Görüş Alanı (FOV): Toplamda ~1.4° × 6.6°

 Diğer Optik Elemanlar: 

• Lyot Stop: Difraksiyonla gelen yanal ışığı engeller.  (Lyot stop, optik sistem içinde uygun bir konuma yerleştirilmiş sınırlayıcı bir açıklıktır. Diffraction etkisiyle optik eksen dışına kaçan ışın sebebiyle görüntüde "halelenme", "parlama" gibi istenmeyen sonuçları engeller.) 
• Field Stop: Görüş dışı kaynaklardan gelen ışığı keser. (Field stop, görüş alanını sınırlar, görmek istenmeyen bölgelerden gelen ışığın sisteme girmesini önler.) 
• Fold Flat Mirror: Işığı odak düzlemine yönlendirir, ayrıca radyasyon koruması sağlar. (Optik sistemin daha kompakt hale gelmesi için ışığın yolunu kıvırmak gerekebilir. Fold mirror (katlama aynası) Işık demetini 90° ya da istenen başka bir açıyla başka yöne "kıvırır". Radyasyon parçacıklarına karşı fiziksel bir bariyer görevi de görebilir. Mekanik ve Termal düzenleme için gereklidir.) 

 Termal Tasarım: 

• Athermal yapı: Aynalar ve gövde aynı alüminyumdan; sıcaklık değişimlerinde birlikte genleşip odak kaçmasını önler. 

Sensör Teknolojisi-CCD Özellikleri: 

• Model: MIT/LL CCID7 
• Sayısı: 4 adet, 1×4 dizilim 
• Çözünürlük: 420×422 piksel (görüntü + depolama alanı) 
• Piksel boyutu: 27×27 μm 
• Yapı: Frame-transfer CCD  (Görüntü alanı + Depolama alanı) Yeni görüntü alınırken önceki görüntü depolanır. Böylece çakışma olmaz ve hızlı pozlama yapılabilir. 
• Kuantum verimi: ~%28 (Her 100 fotondan yaklaşık 28’i etkili sinyale dönüşüyor demektir.)