Ünite 2: Uzaktan Algılamada Algılama Çeşitleri, Algılayıcı Sistemler ve Algılama Platformları

ALGILAYICI SİSTEMLER

Farklı platformlara yerleştirilen algılayıcı sistemler yeryüzü cisimlerinin yansıtılan/yayılan analog sinyalleri dijitalleştirerek dijital görüntü formatına dönüştürdüler. Algılayıcı sistemler genelde kullanılan ışınım kaynağına göre iki ana gruba ayrılırlar;

• Pasif sistemler,
• Aktif sistemler.

Algılayıcının cisim düzlemi veya görüntü düzlemi tarayan sistem olması, detektör sisteminde kullanılan ayna ve merceğin konumuna bağlıdır. Görüntü düzlemi tarayan sistemde mercek aynadan yansıyan görüntüyü detektör üzerinde odaklar. Cisim düzlemi tarayan sistemde ise mercekten geçen ışık ışınları detektöre gelmeden önce tarama sisteminde kullanılan ayna ile yansıtılır.

Algılayıcı sistemleri sınıflandırmada dikkate alınan diğer bir özellik algılayıcının tarama yapan veya tarama yapmayan özellikte olup olmadığıdır. Tarama yapma özelliği belirli bir zamanda görüntü boyunca algılayıcının hareket etmesini, tarama yapmama özelliği ise algılayıcının görüntü üzerinde sabit tutulmasını veya çok kısa anlık bir zamanda ilgilenilen hedefi algılamasını ifade eder.

Görüntü verisinin alınmasında da kullanılan algılayıcı sistemlerdeki algılama modu iki farklı türdedir.

Çerçeveleme sistemleri: Tüm alandan gelen ışınımı bir kerede alan algılayıcı sistemler (örn. bir fotoğraf kamerası veya TV vidikon). Çerçevelenen alanın büyüklüğü sistemde kullanılan optik sistem ve açıklığı tanımlayan görüş alanına (FOV) bağlıdır.

Tarama sistemleri: Görüntünün belirli bir zaman aralığında bir bütün olarak değil de nokta (görüntüdeki en küçük alan) bazında tarama doğruları şeklinde alınması durumundaki ölçme modudur.

Algılayıcı sistemler kullanılan platforma bağlı olarak üçe ayrılırlar;

• Yer-bazlı algılama sistemleri,
• Uçak-bazlı algılama sistemleri,
• Uydu-bazlı algılama sistemleri.

Algılayıcı sistemler kullanılan elektromanyetik spektrum bölgesine bağlı olarak üçe ayrılırlar;

• Optik algılayıcı sistemler (görücü ve yansıcı kızıl ötesi),
• Isıl algılayıcı sistemleri (ısıl kızıl ötesi),
• Mikrodalga algılayıcı sistemler.

Günümüzde keşif ve haritalama amaçlı kullanılan uydu sistemlerindeki teknolojik gelişmeler göz önüne alındığında mevcut uydu sistemleri üç ayrı grupta toplanmaktadır;

• Birinci kuşak uydu sistemleri (1970-1982),
• İkinci kuşak uydu sistemleri (1982-1997),
• Üçüncü kuşak uydu sistemleri (1997 ve sonrası).

ALGILAMA PLATFORMLARI

Uzaktan algılama sistemleri uzayda farklı eğim ve yörüngelere oturtulabilir ve kullanılan algılayıcılar atmosferin içinde farklı sistemlere (uçak, balon, insansız hava aracı, vb.) yerleştirilebilirler veya arazi (yer-bazlı sistemler) konumlandırılabilirler. Diğer bir ifade ile uzaktan algılama sistemleri birçok farklı platformda çalışabilmektedir. Genelde en yaygın olarak kullanılan uzaktan algılama platformları uçak ve uydu bazlı sistemler olmakla beraber yer-bazlı sistemlerden atmosferin dışında çalışabilen farklı yüksekliklere sahip diğer olası platformlar aşağıda verilmektedir;

Yer-bazlı platformlar: Yer, araç ve/veya kule => 50 m ye kadar.

Uçak-bazlı platformlar: Uçak, helikopter, yüksek-irtifalı uçak, balon => 50 km ye kadar.

Uydu-bazlı platformlar: Roket, uydu, mekik => yaklaşık 100 km ile 36000 km ye kadar.

Uzay mekiği: 250-300 km.

Uzay istasyonu: 300-400 km.

Alçak yörüngeli uydular: 500-2000 km.

Yüksek yörüngeli uydular: Yaklaşık 36000 km

İlk uzay istasyonu Sovyetler Birliği’nin Salyut uzay istasyonudur. Daha sonra NASA’nın Skylab istasyonu ve Sovyetler Birliği’nin ikinci uzay istasyonu olan Mir yörüngeye oturtulmuştur. Günümüzde 1998 yılında yapımına başlanan ve 350 km yükseklikteki bir yörüngede Dünya etrafında günde 15,7 kez dönmekte olan Uluslararası Uzay İstasyonunda (ISS), yerçekimsiz ortamın yarattığı etkiler araştırılmaktadır. Uluslararası uzay istasyonu bulutsuz gecelerde çıplak gözle görülebilmektedir. Hubble Uzay Teleskobu, NASA ve Avrupa Uzay Ajansı (ESA) tarafından evrenin işleyişine yönelik araştırmalarda kullanılmak üzere 1990 yılında Uzay Mekiği Discovery tarafından Dünya etrafındaki yörüngesine konulan bir uzay teleskopudur.

Belirli bir uygulamaya yönelik özel “algılayıcı sistem mimarisinin” seçiminde platform ve algılayıcı arasındaki bazı özelliklerin uyumlu olması gereklidir. Genel olarak uydulardaki görüntüleme sistemleri için tüm sistem mimarisinin saptanmasına etki eden temel faktörler kapsama alanı, mekansal çözünürlük ve örnekleme-zaman aralığıdır. Bu faktörler platform yüksekliği ve algılayıcı tasarım parametrelerini etkilemektedir.

UYDU SİSTEMLERİ

Genel anlamda herhangi bir cisim etrafında (örn. Galaksi, Güneş, Dünya veya Mars) dönen cisimlere uydu denilmektedir. Bu kapsamında Ay, Dünya’nın uydusu, Dünya ise Güneş’in uydusudur. Doğal uydu olarak adlandırılan bu uyduların dışında insanoğlu tarafından herhangi bir gezegenin çevresindeki bir yörüngeye yeryüzünden fırlatılarak yerleştirilmiş uydu sistemleri de bulunmaktadır ve bu sistemler yapay uydu sistemi olarak adlandırılmaktadır. Günümüzde Dünya’nın yörüngesinde bulunan yaklaşık 950 adet uydu sistemi mevcuttur. Uydular en genel anlamda iki gruba ayrılmaktadır;

• İnsansız uydular: Landsat, Meteosat, Ikonos, Envisat, vb.
• Teknoloji seviyesi: Apollo, Gemini, Uzay mekiği, vb.

UYDU YÖRÜNGELERİ

Uzaydaki yörüngeleri tanımlayan Kepler’in gezegensel hareket yasasına göre Dünya’nın etrafında dönen bir cisim Dünya’nın uydusu olur ve yörünge sayısı sonsuzdur. Yörüngede bulunan uydular birbirlerine göre ters olan yerçekimi ve merkezkaç kuvvetleri (yerçekimi ivmesi uyduyu Dünya’ya doğru çekmekte, merkezkaç kuvveti ise Dünya’dan uzaklaşmaktadır) etkisi altındadır. Yerçekimi kuvveti, Dünya’nın ve uydunun kütlesine, merkezkaç kuvveti ise uydunun kütlesinin yanı sıra hızına da bağlıdır. Yerçekimi kuvvetinin merkezkaç kuvvetine eşit olduğu durumda uydu yörüngede sabit kalır. Kepler’in gezegensel hareket yasaları, Güneş sisteminde bulunan gezegenlerin hareketleri açıklayan üç matematiksel kuralı açıklar:

• Her gezegen, Güneş’in merkezlerinden birinde bulunduğu bir elips üzerinde hareket eder.
• Bir gezegeni Güneş’e bağlayan çizgi, eşit zaman aralıklarında eşit alanlar tarar.
• Bir gezegenin yörüngesel periyodunun karesi, dolandığı elipsin ana eksen uzunluğunun küpü ile doğru orantılıdır. Günümüzde bu yasalar yapay uyduların ve Güneş’in yörüngesinde dolanan farklı cisimlerin (uzak gezegenler, küçük astroidler, vb.) yaklaşık yörüngelerini hesaplamakta kullanılmaktadır.

Uzay çöplüğü uzaydaki başıboş uydu ve roketlerin bulunduğu ortam olarak ifade edilmektedir. Uzayda mevcutta 10 cm’den büyük 10 bin insan yapımı nesne (1 cm’den küçük parçacıkların sayısı ise 10 milyonlarla ifade edilmektedir) bulunduğu tahmin edilmektedir. Gerekli önlem alınmadığı takdirde bu durumun Dünya’nın alçak yörüngesindeki uzay operasyonlarını tehlikeye atacağı düşünülmektedir.

Yapay uyduların yörüngeye gönderilmesi ya da fırlatılması roket adı verilen güçlü motorlarla sağlanır. Belirli bir yörüngede bulunan bir uydu yeni bir yörüngeye oturtulabilir. Bu yörünge değişikliği uyduya bağlanan küçük roketler aracılığı ile yapılır.

Uyduların ömürleri yörünge sabitleştirici roketlerdeki yakıt süresi ile orantılı olup genel olarak 10-15 yıl arasında değişmektedir. Bu dönem sonunda uydu ya uzay çöplüğüne gönderilmekte veya güvenilir bir biçimde düşürülmektedir.

Jiroskop (yalpalık), yön ölçümünde veya ayarlamasında kullanılan ve açısal dengenin korunmasu ilkesine diğer bir deyişle hareketi fizik kurallarına ve merkezkaç ilkesine bağlı olarak çalışan bir alettir. Günümüzde uçak ve gemilerde yön bulmada, uzay araçlarında yörünge kararşığını sağlamada yaygın olarak kullanılmaktadır.

Kepler yasalarına uygun olarak hesaplanmış olan yörünge parametrelerindeki küçük değişimler nedeniyle yörüngenin zamanla değişmesi sürüklenen yörünge olarak adlandırılmaktadır. Yörüngesel düşüş; yörüngenin yarıbüyük eksen uzunluğunun istem dışı nedenlerle (örn. atmosferik sürükleme) yavaş yavaş azalmasıdır. Bir yörüngenin eğimi veya inklinasyonu uydu yörünge düzleminin ekvator düzlemiyle yaptığı açıdır. Yükselen (asceding) uydu geçişi uydunun güneyden kuzeye, alçalan (descending) uydu geçişi ise uydunun kuzeyden güneye doğru hareketini gösterir. Uydunun Dünya etrafında dönerken en yakın olduğu nokta yerberi (perigee), en uzak olduğu nokta yeröte (apogee) olarak adlandırılmaktadır.

Alçak yörüngeli uydular, uzaklık açısından Dünya’ya en yakın yörüngede olup atmosfer ile Van Allen kuşakları arasında (500-2000 km yükseklikte) yer alırlar ve daha çok Güneşle senkronize (eş zamanlı) olarak Dünya etrafında dönerler.

Güneş fırtınaları ile uzaya savrulan radyoaktif parçacıklar Dünya etrafında bulunan manyetik kuşaklar üzerinde birikerek Van Allen kuşaklarını oluştururlar. Bu manyetik alanların %90’ı yerküre içi manyetizmasından kaynaklanır. İlk kez Explorer I uydusu ile 1958 yılında keşfedilmişlerdir. Güneş sisteminde etrafında manyetik alan olan diğer bir gezegen de Merkür’dür. Ancak buradaki manyetik alanın gücü Dünya’nınkinden 100 kat daha azdır.

Orta yükseklikte yörüngeye sahip uydular (MEO), daha çok navigasyon amaçlı kullanılan ve yörüngesel periyotları yaklaşık 2-24 saat olan ve Dünya yüzeyinden yaklaşık 10000 km yükseklikte (GEO uydularından daha alçakta fakat LEO uydularından daha yüksekte) bulunan uydu sistemleridir.

Jeosabit ve Jeosekronize uydu terimleri bazı kaynaklarda eş anlamlı olarak ifade edilmelerine karşın Jeosabit uydular Jeosenkronize uyduların özel bir konumudur. Jeosenkronize terimi sadece yörünge periyodunu, Jeosabit terimi ise yörüngenin biçimini ve yönünü belirtmektedir. ABD Federal iletişim Komisyonu (FCC) tarafından yapılan yönetmeliklerde bu iki uydu yörüngesi için yapılan tanımlamalar aşağıda verilmektedir;

Jeosenkronize uydu: Dönüş periyodu Dünya’nın dönüş hızına eşit hıza sahip uydu.

Jeosabit uydu: Dairesel ve direkt Dünya’nın ekvator düzleminde yer alan ve böylelikle Dünya’ya göre sabit konumda olan uydu, diğer bir deyişle Dünya’ya göre yaklaşık sabit konumda bulunan uydu.

Uydu temelli desteklenmiş navigasyon sistemleri (SBASSatellite Based Augmentation Systems) konumları hassas olarak bilinen referans istasyonlarıdır. Bu sistemler mevcut global konumlama uydu sistemlerinin uydu sinyallerini işleyerek bu sinyallerdeki hataların tespit edilmesi ve sonrasında kullanıcılara belli bir formatta gönderilmesi yönünde destek sağlamaktadır.

KAPSAMA ALANI

Bir uydunun Dünya çevresindeki tam bir dönüşü “devir süresi” ile adlandırılmakta ve yüksekliğe bağlı olarak bu süre değişmektedir. Diğer bir deyişle uydular ne kadar yüksekte ise, kepler yasalarına göre o kadar yavaş hareket etmektedirler. Örneğin, Dünya’dan 160 km yükseklikteki bir uydunun devir süresi yaklaşık 24 saattir. Uydular ile yeryüzünün tümünün kapsanması doğrudan yükseklik ile ilişkilidir, örneğin Dünya ya yakın yörüngelerdeki uydular ile tam bir kapsama sağlanması için kullanılan uydu sayısının arttırılması gerekir.