گفت‌و‌گو با دكتر مهتا مقدم مسؤول تيم سيستمهاي راداري كاسيني

[دانه کولانه]

گفت‌و‌گو با دكتر مهتا مقدم مسؤول تيم سيستمهاي راداري كاسيني

گفت‌و‌گو: علي شمس

پروژه‌هاي جديد «ناسا» و ماجراي خبرسازترين مأموريت فضايي جهان

پايان سفر هفت ساله فضاپيمايي «كاسيني» و استقرار آن در مدار سياره «كيوان» و پرتاب و فرود تاريخي كاوشگر آن - هويگنس - بر سطح قمر اسرار آميز «تيتان» در نخستين روزهاي سال ميلادي جديد كه از آن به عنوان بزرگترين و بلند پروازانه‌ترين ماموريت اكتشافي فضايي ياد شده، ‌مدتها در كانون توجه محافل علمي و خبري جهان قرار داشت.

با اين حال، عبور موفق فضاپيماي «كاسيني» از حلقه‌هاي پيرامون سياره كيوان و ماموريت خبرساز و استثنايي «هويگنس» تنها بخشي از مراحل ماموريت چهار ساله كاوشگر «كاسيني» در اطراف سياره كيوان (زحل) است كه با هدف بررسي اقمار متعدد اين سياره غول پيكر و پاسخ دادن به برخي از مهمترين سوالات بشر درباره چگونگي شكل گيري سياره‌ها و حيات احتمال در نقاط ديگر منظومه شمسي طراحي شده و با دقت و حساسيت ويژه دنبال مي‌شود.

گروه «علمي پژوهشي» خبرگزاري دانشجويان ايران (ايسنا)، در پيگيري روند شكل‌گيري و اجراي اين ماموريت فضايي كه نمونه كم نظيري از همكاري‌هاي مشترك علمي بين آژانس فضايي اروپا، ناسا و آژانس فضايي ايتاليا است در گفت‌وگو با دكتر مهتا مقدم، دانشيار علوم و مهندسي رادار دانشگاه «ميشيگان» و از مهندسان مجرب آزمايشگاه پيشرانش جت (JPL) ناسا كه به عنوان مهندس سيستم، مسئوليت نظارت بر عملكرد اعضاي تيم سيستم‌هاي راداري «كاسيني» و هماهنگي اين تيم با ساير بخش‌هاي پروژه را به عهده داشته است، توضيحات و ديدگاه‌هاي وي را پيرامون جنبه‌هاي مختلف اين ماموريت از جمله روند شكل‌گيري و اجراي آن، ‌اهداف اين ماموريت و چشم انداز آتي آن، چالش‌ها و مخاطرات احتمالي پروژه در مراحل مختلف اجرا و نحوه رفع آنها، سيستم‌هاي نرم‌افزاري و سخت افزاري رادار فضاپيما، نحوه ارتباط آن با كاوشگر هويگنس و ايستگاه‌هاي زميني، دستاوردهاي اين ماموريت تاريخي و ... جويا شده است.

دانشمند ايراني ناسا و عضو تيم ويژه طراحي ماموريت‌هاي فضايي آزمايشگاه پيشرانش جت (JPL) در اين گفت‌وگو همچنين درباره فعاليت‌ها و پروژه‌هاي برخي ديگر از بخش‌هاي ناسا از جمله طرح‌هاي مطالعاتي «ناسا» درباره سياره زمين، رادار SAR و نحوه عملكرد و كاربردهاي آن و استفاده‌هاي JPL از اين رادار، تيم X ناسا و فعاليت‌هاي آن و ... توضيحاتي ارائه داده است.

به گزارش «ايسنا»، دكتر مهتا مقدم در سال 1344 در تهران متولد شد. دوره ابتدايي را در دبستان «هدف» به پايان برد و پس از آن به عنوان اولين گروه ورودي به مدرسه تيزهوشان (سازمان ملي پرورش استعدادهاي درخشان) رفت و تا سال 1980 (1359) آنجا بود. وي سال دوم نظري را به صورت جهشي پشت سرگذاشت و در دبيرستان «فراست» ثبت نام كرده و در سال 1361 از اين مدرسه فارغ التحصيل شد. پس از آن در همان سال به آمريكا سفر كرد و در ژانويه سال 1983 (1361) در دانشگاه «كانزاس» ثبت نام كرد.

وي مدرك ليسانس خود را در سال 1365 از اين دانشگاه اخذ كرد و مدارك فوق ليسانس و دكتري خود را نيز در رشته‌هاي مهندسي برق و كامپيوتر به ترتيب در سال‌هاي 1989 (1368) و 1991 (1370) از دانشگاه ايلينويز در اوربانا كمپين دريافت كرد.

دكتر مقدم سال‌هاي 1991 تا 2003 را در بخش علوم و مهندسي رادار آزمايشگاه JPL موسسه فناوري كاليفرنيا در پاسادنا بود.

وي در آزمايشگاه JPL رويكردها و الگوريتم‌هاي نوآوري براي تفسير كميتي از تصويرپردازي چند كاناله SAR مبتني بر تكنيك‌هاي پخش متقابل تحليلي قابل كاربرد براي رسانه‌هاي تركيبي و تصادفي ارائه كرد.

وي همچنين يك رويكرد كميتي براي آميزه داده‌ها براي تركيب SAR و داده‌هاي حسي نوري كنترل از راه دور براي تخمين غيرخطي از پارامترهاي سطح و گياهي ارايه كرد.

ساير اقدامات و ارايه‌هاي دكتر مقدم شامل طراحي ابزار و فناوري‌هاي اندازه گيري راداري جديد براي خصيصه زير سطح‌ها و زيرتاق‌ها است.

وي هم اكنون و در گذشته عضو اصلي و همكار تحقيقاتي بر روي چندين پروژه تحقيقاتي بوده و هست و بيش از 100 مجله و مقاله كنفرانسي دارد.

ساير مسووليت‌هاي اصلي وي شامل مهندسي سيستم‌ها براي رادار كاسيني، سرپرست گروه علمي JPL براي Light SAR و رييس علمي تيم X اين آزمايشگاه است.

دكتر مقدم، رييس و دستيار رييس در چندين اجلاس كنفرانسي و دستيار رييس هيات رادار دركارگاه NASA/ESTO براي تعريف فناوري‌ها و سناريوهاي ارزيابي راداري در آينده بوده است.

وي در حال حاضر سرپرستي يك پروژه برنامه انكوباتور ابزاري ناسا براي طراحي فناوري‌ها و اجزاي ارزيابي پيشرفته براي يك وسيله SAR توليد فضايي با فركانس پايين (UHF+VHF) براي اندازه گيري جهاني از رطوبت خاك عميق و زيرتاق است.

ساير پروژه‌هاي تحقيقاتي دكتر مقدم شامل طراحي و تحليل رادارهاي فركانس كوتاه براي ويژگي زير سطح و زيرتاق، نقشه كشي سطحي و زميني مقداري از تصويرپردازي ماهواره‌يي چند حسگر، طراحي اجزاي فناوري آنتن با مقياس بزرگ براي رادار آينده و كاربردهاي راديومتري و تحليل تئوري از مشكلات پخش بالعكس و پيش رونده مربوط به فناوري‌هاي راداري بالا است.

وي در حال حاضر دانشيار مهندس الكترونيك و علوم رايانه در دانشگاه ميشيگان است و در اين دانشگاه وظيفه تدريس واحدهاي درسي در رشته‌هاي الكترومغناطيس و رادار و سرپرستي يك گروه پژوهشي بر روي اين موضوعات را برعهده دارد.

دكتر مقدم يك عضو ارشد IEEE عضو كميسيون B در URSI آكادمي الكترومغناطيس و عضو افتخاري انجمن‌هاي Phi Kappa Phi و Tau Beta Pi و Eta Kappa Nu است.

ايسنا: طراحي و ساخت فضاپيماي كاسيني و هويگنس از چه سالي آغاز شد و كي به پايان رسيد؟

« پروژه كاسيني در ابتدا در اواسط سال 1980 طرح‌ريزي شد. بخش اصلي توسعه پروژه در سال 1997 با پرتاب فضاپيما و آغاز سفر هفت ساله آن به سمت كيوان و منظومه قمري آن به ويژه تيتان پايان يافت. كاسيني داراي تعدادي سيستم‌هاي اندازه‌گيري شامل رادار، راديومتر، دوربين‌ها، طيف‌سنج‌ها و ابزار منطقه‌يي و ذره‌يي است. اين سيستم‌ها به طور كلي به دو نوع سيستم‌هاي كنترل از راه دور و سيستم‌هاي حاضر در محل يا در دسترس تقسيم مي‌شوند.

كاوشگر هويگنس كه به سمت تيتان رها شد و اطلاعات شگفت‌انگيزي درباره‌ي اين قمر به دست آورد، تنها وسيله‌اي است كه فضاپيما را ترك خواهد كرد. در حال حاضر در مجموع 12 وسيله به تنهايي بر روي فضاپيما سوار است و شش وسيله نيز بر روي هويگنس مي‌باشد.

كاسيني بزرگ‌ترين و پرهزينه‌ترين پروژه سياره‌يي ناسا است. بايد متذكر شد كه آژانس فضايي آمريكا (ناسا)، آژانس فضايي اروپا (اسا) و آژانس فضايي ايتاليادر پروژه كاسيني همكاري دارند.كاوشگر هويگنس در آژانس فضايي اروپا ساخته شد و توسط ناسا به فضاپيماي كاسيني ملحق شد. همچنين آزمايشگاه JPL ناسا مدارپيما را مديريت كرده و ساخته است. »

ايسنا: شما از چه زمان و در چه بخشي از اين طرح همكاري داريد؟ آيا اين همكاري ادامه دارد؟

« همكاري من با پروژه كاسيني در سال 1994 آغاز شد و تا پرتاب فضاپيما در سال 1997 ادامه يافت. من همكاري پاره وقتم را با پروژه تقريبا تا سال 2000 براي كمك به تحليل وضعيت سيستم رادار هم‌زمان با ارسال اطلاعات دوره‌يي درباره سلامت سيستم‌هاي مختلف از سوي فضاپيما، ادامه دادم.

در طول مرحله پيشرفتي پروژه، با تيم رادار كاسيني همراه بودم و به عنوان مهندس سيستم‌هاي آن مسووليت اطمينان از عملكرد صحيح سيستم‌ها تا پايان را بر عهده داشتم. يك مهندس سيستم به طور كلي بايد مطمئن شود كه يك سيستم مقرر مطابق با ويژگي‌هاي طراحي شده عمل كند و تمام زيرسيستم‌ها نيز به خوبي كار كنند.

به علاوه، نقش مهندس‌هاي سيستم بسيار مهم است زيرا اين افراد هستند كه مسئوليت تاييد نهايي تمامي سيستم‌ها را بر عهده دارند. هر مشكلي كه توسط يك مهندس سيستم پيدا شود به مهندسان سخت افزاري كه اساسا نقش تعمير اشكالات و بازگرداندن گزارش به مهندسان سيستم را دارند، گزارش مي‌شود. تحليل‌هاي مخصوص و ابزار شناسايي كه از سوي مهندسان سيستم شناخته شده به آن‌ها اجازه مي‌دهد مشكلات را كشف كرده و پاسخي براي تيم سخت افزاري تهيه كنند.»

ايسنا: «كاسيني» در طول ماموريت خود چه اطلاعاتي را درباره سياره كيوان و قمرهاي آن كسب مي‌كند؟ آيا در طول چهار سال آينده ماموريت جانبي ديگري ـ مثل هويگنس ـ وجود دارد؟

« چندين جنبه شگفت‌انگيز در مورد كيوان و قمر آن وجود دارد كه هدف كاسيني كشف آن‌ها است. كيوان يك سياره عظيم است كه اكثرا از هيدروژن و هليم تشكيل شده و 33 قمر مشهور دارد. كيوان يك اتمسفر مغناطيسي اساسي دارد. تصور مي‌شود كه رنگ طلايي ظاهر سياره نتيجه گرماي داخلي است كه با بادهاي بسيار سريع (با سرعت بيش از هزار و 800 كيلومتر در سرعت) در اتمسفر آن تركيب مي‌شود.

شهرت كيوان البته به دليل حلقه‌هايش است كه از ذرات بسياري در اندازه‌هاي مختلف (كمتر از يك ميلي‌متر تا چندين متر) تشكيل شده‌اند كه اين ذرات در ابتدا بخش‌هايي از قمرها يا دنباله‌دارها بوده‌اند.

جالب‌ترين قمر كيوان كه تاكنون كشف شده «تيتان» است كه علت آن، داشتن يك اتمسفر مخصوص به خود است كه اين حالت بسيار به ندرت براي يك قمر به وجود مي‌آيد. وضعيتاين قمر تقريبا مشابه وضعيت زمين در ميلياردها سال پيش يعني قبل از آغاز حيات بر روي آن است و بنابراين مي‌تواند منبعي براي درك منشا پيدايش زمين و حيات باشد. كاسيني اولين فضاپيمايي است كه تا كنون به دور منظومه كيواني گرديده است.

[دانه کولانه]

اين فضاپيما گردش خود را از جولاي سال 2000 با ورود به مدار آغاز كرد كه چهار سال طول خود كشيد و در نهايت اين فضاپيما 70 دور در مدار مي‌چرخد تا انواع اطلاعات مختلف را درباره سياره و برخي از اقمار آن به ويژه تيتان جمع‌آوري كند. از اهداف اصلي ماموريت بررسي و جست‌وجوي حلقه‌ها و موقعيت‌هاي آن‌ها و نيز اندازه‌گيري اتمسفر مغناطيس و جو كيوان است.

بازرسي جو و سطح سازنده تيتان هدف اصلي ديگري است كه ابزارهاي مختلف كاسيني تاكنون اين ماموريت‌ها را آغاز كرده‌اند. به ويژه، كاوشگر هويگنس چند ماه پيش براي جمع‌آوري مقياس‌ها درباره‌ي تركيبات شيميايي جو تيتان به سمت اين قمر رها شد.

به همراه آن ابزار مربوطه تصويري از كيوان و اقمار آن را با جزييات درباره، دما، حوزه‌هاي پرتوي، تركيبات سطح و اتمسفر، ذرات داغ و خنثي، بادهاي خورشيدي و ... ترسيم خواهند كرد.

در ادامه اين ماموريت، فضاپيماي كاسيني بارها دور منظومه كيوان خواهد چرخيد و اندازه‌گيري‌هايي را از خارج فضاپيما تهيه خواهد كرد؛ البته هيچ كاوشگر ديگري شبيه هويگنس كه فضاپيما را ترك كند وجود ندارد.»

ايسنا: عمر مفيد فضاپيماي «كاسيني» چقدر است؟ اين فضاپيما پس از پايان ماموريت چه سرنوشتي خواهد داشت؟

« طول مدت ماموريت اين فضاپيما چهار سال است ولي به رغم ماموريت‌هاي اوليه اگر پس از پايان چهار سال كاسيني هنوز به خوبي كار كند، اين ماموريت احتمالا افزايش خواهد يافت. در حال حاضر اين امر مشخص نيست، اما ممكن است در صورت سالم ماندن سيستم‌ها و وجود بودجه كافي ناسا تصميم به ادامه ماموريت بگيرد. پروژه موسوم به فضاپيماي دوقلو نمونه بارزي از تمديد ماموريت‌هاي فضايي است كه 27 سال ادامه پيدا كرد و به لبه منظومه شمسي رسيد.

البته وضعيت كاسيني متفاوت است، چرا كه در مدار منظومه كيواني مي‌گردد و بنابراين نمي‌تواند رها شود. به اين ترتيب حتي در صورت افزايش مدت ماموريت دوباره به مدار خود بازخواهد گشت.»

ايسنا: طرح عظيم «هويگنس ـ كاسيني» چقدر هزينه مالي داشته است و چه كشورهايي در اين طرح همكاري دارند؟

« هزينه پروژه كاسيني در حدود 3/3 ميليارد دلار تخمين مي‌زنند. من از جزييات اين بودجه اطلاع ندارم اما بايد متذكر شد كه بخش عمده اين هزينه‌ها صرف ادامه ماموريت مي‌شود و تنها صرف توليد آن نشده است. هميشه يك نگراني در تصميمات گسترش مدت ماموريت وجود دارد. سهم ناسا از بودجه تاكنون بيشتر از آژانس‌هاي فضايي اروپا و ايتاليا بوده است و ناسا بيش از دو سوم بودجه را پرداخت كرده است.»

ايسنا: با توجه به اين كه برنامه‌ريزي ماموريت «هويگنس» از سال‌ها قبل انجام شده بود آيا در اين مدت با مشكل پيش‌بيني نشده‌اي در سيستم ارتباطي «كاسيني» و «هويگنس» مواجه نشديد؟ چطور اين مشكل را رفع كرديد؟

« يك اشكال مهم در طراحي خط ارتباطاتي ميان فضاپيماي كاسيني و كاوشگر هويگنس وجود داشت. اين اشكال از اين واقعيت نشات گرفت كه وقتي يك موج (مانند امواج صوتي و راديويي) از يك منبع در حال حركت منتقل مي‌شوند، يك گيرنده در جلوي منبع شاهد افزايش در فركانس موج خواهد بود، در حالي كه گيرنده پشت منبع فركانس پايين‌تري را اندازه‌گيري خواهد كرد.

زماني كه هم فرستنده و هم گيرنده حركت مي‌كنند، سرعت نسبي آن‌ها در طول خطي كه آن‌ها را به هم مرتبط مي‌كند. اين جهش در فركانس مشاهده شده را نشان مي‌دهد. اين وضعيت «Doppler Shift» ناميده مي‌شود كه براي مثال زماني اتفاق مي‌افتد كه ما صداي آژير آمبولانسي را مي‌شنويم.

در ابتدا ما صدايي با فركانس پايين را مي‌شنويم (صداي بم) و هرچه آمبولانس نزديك‌تر مي‌شود، موج صوتي دريافتي شدت بيشتري پيدا مي‌كند (صداي زير)، براي خط ارتباطاتي كاسيني ـ هويگنس، اين پديده بايد به گونه‌اي مناسب در نظر گرفته مي‌شد، چرا كه در طول مهم‌ترين مرحله از فرود هويگنس بر روي تيتان، در حالي كه كاسيني، سفينه مادر در مدار بالا مي‌گردد، سرعت نسبي ميان اين دو بين 5/5 كيلومتر در ثانيه خواهد بود كه نتيجه آن يك Doppler Shift‌ 38 كيلوهرتزي است.

مهندسان آژانس فضايي اروپا پي بردند در حالي كه خط ارتباطي طوري طراحي شده است كه اين جهش در فركانس حاصل سيگنال‌هاي هويگنس به سمت كاسيني در نظر گرفته شد، يك حقيقت ظريف و مربوط ديگر ناديده گرفته شد.

در سيستم‌هاي ارتباطاتي، ارسال سيگنال حاوي اطلاعات در راس يك سيگنال حامل امري متداول است؛ بنابراين اطلاعات، كه يك سيگنال با پهناي باند كوچكتر است، در راس يك موج حامل با فركانس بالاتر حركت مي‌كند. طرح‌هاي گوناگوني براي كد گذاري سيگنال اطلاعاتي جهت دسترسي به كميت و كيفيت بالاي اطلاعاتي براي يك پهناي باند موجود كم در اطراف فركانس حامل متمركز شده وجود دارد.

خط ارتباطاتي ميان كاسيني و هويگنس از يك طرح كدگذاري موسوم به «Phase-Shift Keying » يا PSK براي انتقال بيت‌هايي از جريان داده‌ها شامل يك‌ها و صفرها استفاده مي‌كند. در PSK، مرحله سيگنال ديجيتالي دريافتي مشخص مي‌شود كه آيا به يك بيت «1» يا به يك بيت «0» در مقايسه با يك سيگنال مرجع ترجمه شده است يا نه.

اين امر نيازمند زمان‌بندي دقيقي بين سيگنال دريافتي و سيگنال مرجع است. اگر زمان‌بندي اشتباه باشد، بيت‌ها به اشتباه رمزگشايي مي‌شوند به طوري كه ممكن است يك بيت «1» به اشتباه به بيت «0» تعبير شده و بنابراين كل سيگنال اطلاعاتي در هم ريخته و مغشوش مي‌شود.

اشكال در طراحي خط كاسيني ـ هويگنس اين بود كه اگرچه بر روي سيگنال حامل Doppler Shift توضيح داده شد، فاقد يك طرح مشابه براي سيگنال اطلاعاتي واقعي بود كه بر روي حامل حركت مي‌كند. در نتيجه اين امر باعث گم شدن هم‌زماني ميان دو سيگنال مي‌شود و در نهايت سيگنال مربوطه قابل رمزگشايي نخواهد بود.

يك مهندس سوئدي به نام «بوريس المرز»، كه براي آژانس فضايي اروپا كار مي‌كند، موفق به كشف اين مشكل شد زماني كه وي مهندسان و مديريت پروژه «كاسيني» را در اين واقعيت مطرح كرد، تيمي براي حل اين مشكل تشكيل شد. اگر «كاسيني» هنوز بر روي زمين مي‌بود، راه حل بسيار ساده بود؛ اما با توجه به اين كه فضاپيما تا آن هنگام در مسير حركت بود و بنابراين تعمير نرم‌افزار ثابت كه پارامترهاي سيستم ارتباطاتي را كنترل مي‌كند غير ممكن بوده و بايد راه‌حل‌هاي ديگري پيدا مي‌شد، پس از بررسي بسياري از گزينه‌هاي پيشنهادي، آخرين موردي كه درباره آن به توافق رسيدند، تغيير مسير طراحي شده فضاپيماي «كاسيني» بود به طوري كه در طول فرود «هويگنس» بر سطح «تيتان»، «كاسيني» و «هويگنس» سرعت نسبي صفر در طول خطي كه آن‌ها را به هم مرتبط مي‌كند، داشته باشند.

تنها سرعت نسبي آن‌ها حالت عمود نسبت به آن خط بود كه باعث يك Doppler Shift نمي‌شد. تاثير اين تغيير بر روي ماموريت اين بود كه برخورد با «تيتان» به مدت يك ماه به تاخير افتاد كه پس از آن «كاسيني» قرار بود به مدار از قبل برنامه‌ريزي شده خود بازگردد. از آن جا كه ذخيره سوختي موشك كافي بود، آتش كردن اضافي موشك‌ها تغيير مهمي در ادامه ماموريت ايجاد نمي‌كرد.»

ايسنا: لطفا قدري هم درباره سيستم‌هاي سخت‌افزاري و نرم‌افزاري رادار فضاپيماي «كاسيني» توضيح دهيد.

« سيستم‌هاي سخت‌افزاري «كاسيني» شامل ابزارهاي اندازه‌گيري علمي مختلف، زيرسيستم‌هاي انرژي مسوول تهيه انرژي براي سيستم‌هاي سخت‌افزاري مختلف ديگر (با استفاده از ژنراتورهاي راديو ايزوتوپ ترموالكتريكي)،سيستم كنترل موقعيتي و صوتي براي كنترل وضعيت، آوا و تعيين موقعيت فضاپيما، الگوي رانشي براي ايجاد اطمينان در هنگام تغيير ضروري مسير و جهت فضاپيما، زيرسيستم‌هاي فركانس راديويي و آنتني براي ارتباط ‌گيري با زمين (در اين جا يك آنتن با گيرندگي بالا و دو آنتن باگيرندگي پايين وجود دارد كه براي ارسال اطلاعات و داده‌ها و نيز تبادل دستور و كنترل سيگنال‌ها به كار مي‌روند)، زيرسيستم كنترل فرمان و داده‌ها كه تمام زيرسيستم‌ها و دسته‌بندي‌هاي اطلاعاتي را كه از كنترل كننده‌هاي زميني دريافت مي‌كند براي فرمان دادن به هرچيز ديگري در فضاپيما، كنترل مي‌كند، دستگاه ثبت داده براي جمع‌آوري و ضبط داده‌ها از تمام ابزار بار مفيد علمي (اين وسيله بر خلاف وسايل ضبط نواري قبلي جامد است)، يك زيرسيستم ساختاري براي ايجاد حمايت ساختاري و متحد كردن تمام تجهيزات و چندين زيرسيستم سخت‌افزاري ديگر از جمله زيرسيستم‌هاي سيم‌كشي، زيرسيستم‌هاي دسته‌بندي الكترونيك و زيرسيستم كنترل دما است.

« كاسيني» همچنين داراي سيستم‌هاي نرم‌افزاري مختلف براي كنترل سخت‌افزار و ايجاد ارتباط بين آن‌ها، فضاپيما و زمين است.»

ايسنا: «كاسيني» براي ارتباط با زمين و «هويگنس» از چند رادار و سيستم ارتباطي استفاده مي‌كند؟ آيا براي پيشگيري از مشكلات احتمالي رادارهاي جايگزين هم براي آن پيش‌بيني شده است؟

« ارتباطات با زمين از طريق آنتن‌هايي با گيرندگي بالا (HGA) و دو آنتن با گيرندگي پايين (LGA-2 و LGA-1) صورت مي‌گيرد.

اين دو منتقل كننده خودكار مسير ارتباط دو طرفه ميان «كاسيني» و تعدادي از ايستگاه‌هاي رديابي بر روي زمين كه شبكه فضايي عميق ناسا را تشكيل مي‌دهد، ايجاد مي‌كند. آنتن‌هاي ضعيف‌تر برنامه پشتيباني براي ارتباط ‌گيري در موقعيت‌هاي اضطراري مانند نقص در جريان برق ارايه مي‌كند.

به طور طبيعي آنتن قوي‌تر ارتباط با زمين را برقرار مي‌كند. اين آنتن هم‌چنين به عنوان آنتني براي رادار تصويري كاسيني و وسيله راديومتري استفاده مي‌شود. در طول بخش ابتدايي از سفر، اين آنتن به عنوان يك چتر محاظفت از خورشيد براي فضاپيما عمل مي‌كند.»

ايسنا: فضاپيماي «كاسيني» چطور از اين فاصله بسيار زياد اطلاعات خود را به زمين مي‌رساند؟

« اطلاعات از «كاسيني» و به سمت آن از طريق شبكه فضايي عميق (DSN) ناسا كه يك شبكه گسترده از آنتن‌هاي بزرگ بر روي زمين است، منتقل مي‌شوند. ايستگاه‌هاي اين شبكه در سه موقعيت اساسي متمركز مي‌شوند. يك رديف آنتن در گلداستون در كاليفرنياي آمريكا، يكي نزديك مادريد در اسپانيا و مجموعه ديگر نزديك كانبرا در استراليا قرار دارد.

اين موقعيت‌ها تقريبا 120 درجه از طول جغرافيايي از هم فاصله دارند و امكان نظارت‌هاي دايمي از فضاپيماي مختلف هم‌زمان با چرخش زمين را فراهم مي‌كند. هم مقر اين شبكه مجموعه‌اي از آنتن‌هاي منعكس كننده سلجمي شكل با گيرندگي قوي دارد.»

ايسنا: آيا در جريان ارسال اين اطلاعات پارازيت يا اختلالي ايجاد نمي‌شود؟

« امكان بروز اختلال يا قطع ارتباطات همواره وجود دارد. اين مشكلات حتي مي‌توانند در سايت‌هاي شبكه فضايي ناسا كه ممكن است يك يا چندين آنتن آن گهگاهي دچار اشكال شود و يا بر روي كاسيني به وجود آيند. در اغلب موارد مشكلات دايمي و يا بسيار جدي نيستند. اگر يكي از اين پايگاه‌ها دچار اشكال شود، معمولا دو مقر ديگر دريافت و انتقال داده‌ها را ادامه مي‌دهند.»

ايسنا: آيا كنترل «كاسيني» صرفا از طريق ايستگاه‌هاي زميني است؟( يعني اگر ارتباط آن با زمين براي مدتي قطع شود، امكان ادامه فعاليت آن وجود دارد؟)

« بله، «كاسيني» هم‌اكنون تنها از طريق ايستگاه‌هاي زميني كنترل مي‌شود. از آن جا كه فضاپيما تاكنون از زمين دور بوده است، مگر اين كه سيگنال بسيار قوي از آن و يا به سمت آن مخابره شود، ارتباطات قابل اطمينان قابل برقرار شدن نيستند. قدرت يك سيگنال پس از مسافرت در مسافت بالاي يك ميليارد كيلومتر بسيار كمتر مي‌شود؛ بنابراين، يك سيستم آنتي بسيار حساس بر روي زمين مورد نياز است.

در حال حاضر هيچ مقر ديگري بر روي زمين يا در مدار اطراف زمين وجود ندارد كه برق محدود يا نياز به جريان را براي ماموريت كاسيني هماهنگ كند.»

ايسنا: سيستم ارتباطي كاسيني چگونه طيف متنوع ديتاها مثل اطلاعات دريافتي از «هويگنس» شامل عكس، صدا و اطلاعات به دست آمده از ابزارهاي مختلف آن را دريافت و به زمين ارسال مي‌كند؟

« داده‌هاي جمع‌آوري شده توسط هويگنس از طريق سيستم‌هاي گوناگون جمع‌آوري صدا، تصوير و داده‌هاي راديويي ابتدا ديجيتالي شده و سپس از طريق سيستم‌هاي ارتباطاتي خود آن‌ها به فضاپيماي كاسيني فرستاده شد. در پاسخ سوال‌هاي قبل برخي از ويژگي‌هاي اين سيستم توضيح داده شد.

اطلاعات ارسال شده به كاسيني از هويگنس ضبط شدند و سپس با گذشت زمان به زمين بازگردانده شدند. آنچه در طول فرود هويگنس اتفاق افتاد، اين بود كه يكي از دو كانال ارتباطاتي ميان آن‌ها (در فضاپيماي كاسيني) به اشتباه روشن نشد و بنابراين برخي از داده‌هاي جمع‌آوري شده به سفينه مادر منتقل نشدند.

ايستگاه فضايي اروپا مسووليت اين خطاي كوچك را بر عهده گرفته است. خوشبختانه، چندين تلسكوپ راديويي زميني در آمريكا، استراليا، ژاپن و چين براي گوش دادن به هويگنس در طول اين مدت طراحي شده بودند به طوري كه حجم زيادي از داده‌ها دوباره احيا شدند و در نهايت در اختيار دانشمندان قرار خواهند گرفت.»

[دانه کولانه]

ايسنا: چه خطرات احتمالي «كاسيني» و تجهيزات رادار آن را در اين سفر طولاني فضايي تهديد مي‌كند؟

« به طور كلي موارد زيادي هستند كه مي‌توانند در سيستمي به پيچيدگي «كاسيني» به طور غير طبيعي كار كرده و دچار نقص شوند ولي با طراحي دقيق و اقدامات مهنسي سعي شده است كه در پروژه اين مشكلات پيش‌بيني شده و طرح‌هاي پشتيباني و سيستم‌هاي تصادفي براي جلوگيري از مشكلات و نواقص بزرگ وجود داشته باشد. ده‌ها و صدها سناريوي احتمالي خطا براي هر زيرسيستم بر روي زمين در نظر گرفته شده و هر يك اصلاح مي‌شوند.

البته هنوز ممكن است سناريوهاي ديگري نيز وجود داشته باشند كه ما نمي‌توانيم پيش‌بيني كنيم. گاهي اوقات ساده‌ترين مشكلات ناديده گرفته مي‌شوند (مانند مورد طراحي ايتاليايي از سيستم ارتباطاتي ميان كاسيني و هويگنس كه در سوالات قبل شرح داده شد.) در اين موقعيت‌ها، ما به بهبودپذيري سيستم‌هاي موجود و تجربه و خلاقيت بسياري از مهندسان و دانشمندان باهوش براي حل مشكلات در دقايق آخر اطمينان مي‌كنيم. گاهي اوقات مشكلاتي وجود دارند كه نسبت به آن‌ها نه كنترل و نه راه حلي در اختيار داريم.

نه تنها در مورد «كاسيني» بلكه در مورد هر ماموريت فضايي ديگر، اگر براي مثال زيرسيستم برق دچار نقص شود، هيچ سيستم ديگري كار نخواهد كرد كه بديهي است اين امر مضر است.

خوشبختانه از طريق چندين ماموريت پيشين قابل اطمينان بودن اين زيرسيستم‌هاي اصلي ثابت شده است.

براي تصور سيستم راداري اين قبيل مشكلات مشاهده نشده‌اند ولي براي هر سيستم الكترونيك، آنچه ممكن است در نهايت عمر ماموريت را محدود كند در بياني ساده استهلاك و فرسودگي است.»

ايسنا: آيا امكان تغيير مسير «كاسيني» براي جلوگيري از برخوردهاي احتمالي مثلا برخورد با شهاب سنگها و اجرام كوچك آسماني وجود دارد؟ سيستم‌هاي حساس راداري و ساير بخش‌هاي كاسيني چگونه در مقابل حوادث احتمالي محافظت مي‌شوند؟

« ابعاد كاسيني حدودا دو برابر يك خودروي كوچك است. اندازه آن در حدود هفت متر در چهار متر است و تقريبا دو هزار و 500 كيلوگرم وزن دارد؛ بنابراين برخورد اجرام كوچك به سفينه تاثير مهمي بر عملكرد و مسير آن ايجاد نمي‌كند. برخورد كاسيني با يك جرم بزرگ‌تر مانند يك شهاب سنگ اگرچه غير ممكن نيست اما احتمال آن بسيار اندك است، به ويژه اگر احتمال برخورد دو نقطه در حال حركت را در يك چنين فضاي بزرگي در نظر بگيريد. به منظور حفاظت عليه اجرام خارجي ديگر، زيرسيستم‌هاي مختلفي كه درباره آن شرح داده شد، به كار گرفته مي‌شوند.»

ايسنا: يكي از مهم‌ترين استدلال‌هايي كه طرفداران ماموريت‌هاي پرخرج فضايي در برابر مخالفان دارند اين است كه ماموريت‌هاي فضايي به توسعه فني و تكنولوژيك در ساير زمينه‌هاي مورد نياز انسان منجر مي‌شود. به نظر شما ماموريت «كاسيني» و به ويژه سيستم راداري آن كه شما از نزديك با آن آشنايي داريد چه دستاوردي علمي و تكنولوژيك براي بشر داشته است؟

« مهمترين سهم كاسيني تهيه اطلاعات جديد و بي‌سابقه درباره قسمت مهمي از منظومه شمسي ما و در نتيجه تهيه سرنخ‌هايي از منابع پيداش آن خواهد بود. بعلاوه، اين ماموريت مهمترين همكاري ميان ايالات متحده و آژانس فضايي اروپا در زمينه يك ماموريت فضايي بوده و راه را به سوي ساير همكاري‌هاي فعلي و آتي ميان اين دو آژانس باز كرده است.

اين ماموريت بدون همكاري تمام شركا امكان‌پذير نمي‌شد و در همين راستا نمادي از روح همكاري و موفقيت بوده است. هم‌چنين تاثيرات آموزشي اين ماموريت را نمي‌توان ناديده گرفت. اين ماموريت تلاش‌ها‌ي بسياري را براي تدريس و اطلاع‌رساني به محصلان مدارس و دانشجويان و دانش‌پژوهان درباره ماموريت‌هاي فضايي، منظومه شمسي، حسگرهاي مختلف كنترل از راه دور، فناوري‌هاي ابزار مستقر و نيز ديناميك‌هاي مداري در پي داشته است.»

ايسنا: لطفا كمي درباره برنامه‌ها و طرح‌هاي «ناسا» درباره سياره زمين توضيح دهيد. ناسا در سياره ما چه اهدافي را دنبال مي‌كند؟

« ناسا اهداف علمي بسياري براي زمين در نظردارد. مطابق با آنچه از اسناد و مدارك ناسا نقل شده است، هدف اين آژانس در علم زمين مشاهده، درك و الگو برداري از نظام اين سياره براي كشف نحوه تغييرات آن در حال حاضر، پيش‌بيني بهتر اين تغييرات و درك نتايج و پيامدهاي زندگي بر روي زمين مي‌باشد.در اين راستا چندين حوزه تحقيقاتي مهم مورد تاكيد قرار مي‌گيرند:

1) سيستم خورشيد- زمين كه در آن خورشيد، بادهاي خورشيدي و سيارات به عنوان يك سيستم واحد مطالعه مي‌شوند و اطلاعات درباره ارتباطات آنها در نهايت براي پيش‌بيني تاثيرات تغييرات خورشيد بر روي ما و زيرساخت حيات ما مورد استفاده قرار مي‌گيرند.

2) تغييرات جوي و آب و هوايي در جايي كه داده‌هاي مقياس جهاني مستقر شده بر روي سيستم‌هايي چون اقيانوس‌ها و كهكشان‌ها جمع‌آوري شده و مورد تجزيه و تحليل قرار مي‌گيرند.

3) چرخه جهاني كربن و اكوسيستم‌ها در شرايطي كه انتشار و چرخه كربن در خشكي، اقيانوس و اتمسفر مشاهده و تحليل شده و براي تعيين كميت توليد جهاني، جريان‌هاي كربن و ديناميك‌هاي پوشاننده خشكي‌ها بكار مي‌روند. هم‌چنين پيش‌بيني روند‌هاي آتي از چرخه كربن از اهداف اصلي اين مبحث علمي است.

4) سطح و داخل زمين، با هدف ارزيابي موقعيت‌هاي فعلي و بررسي روش‌هايي براي پيش‌بيني خطرات طبيعي نشات گرفته از داخل زمين كه در قالب زمين‌لزره‌ها، فوران‌هاي آتشفشاني و زمين لغزه‌ها بروز مي‌كنند.

5) تركيبات اتمسفر براي مطالعه تغييرات در تركيبات شيميايي اتمسفر با گذشت زمان، شامل تاثيرات تغييرات ايجاد شده از سوي بشر مانند سوزاندن سوخت‌هاي فسيلي .

6) آب و هوا، با هدف مطالعه ديناميك‌هاي اتمسفر و تعاملات داخلي آن با خشكي‌ها و اقيانوس‌ها كه در مقابل بر روي پروسه‌هايي كه در كوتاه مدت و طولاني مدت بروز مي‌كنند تاثير مي‌گذارند.

يك حوزه آشكار از اين مطالعه بهبود وضعيت پيش‌بيني شرايط آب و هوايي بويژه براي پيش‌بيني‌هاي طولاني مدت است.

7) چرخه جهاني آب و انرژي در شرايطي كه انتقال آب و انرژي در كل سيستم زمين مورد بررسي قرار مي‌گيرد. اين سيستم شامل انتقال آب در قالب‌هاي مختلف از جمله بارش، ذخائر، آب تخليه شده و آب‌هاي تبخير شده مي‌باشد. اگرچه اهداف علمي به اين بخش‌هاي مجزا تقسيم مي‌شوند، با توجه به اينكه ظاهرا كار سيستم زمين و به طور كلي عملكردهاي آن به هم مرتبط هستند، يك تصوير منفرد و قابل درك تشكيل مي‌دهد.

براي درك اين اهداف، ناسا مقادير قابل توجهي در زمينه مدارگرد‌هاي زميني و ابزار هواي حسي از راه دور از جمله رادارها، ابزار نوري چند طيفي و ماوراء طيفي و حسگرهاي مستقر سرمايه‌گذاري كرده و اين سرمايه‌گذاري هم‌چنان ادامه دارد. اين آژانس هم‌چنين سرمايه‌گذاري مهمي بر روي آزمايش‌هاي زميني و توسعه فناوري براي اثبات مفاهيم مختلف ارزيابي داشته است. به علاوه تحليل‌هاي تئوريك و توسعه الگويي حوزه ديگري از تاكيدات ناسا است.»

ايسنا: لطفا درباره Team X ناسا و مسووليت و فعاليت‌هاي خود در آن توضيحاتي بفرماييد. اين تيم چه برنامه‌هايي را دنبال مي‌كند؟

« تيم X » نام گروهي از مهندسان و دانشمندان است كه با يكديگر و به طور همزمان ماموريت‌هاي مدار زميني يا فضايي را در مدت زماني كوتاه طراحي مي‌كنند. اين يك فضاي مهندسي همزمان است؛ جايي كه افراد با تجارب مختلف مي‌توانند در طراحي ماموريت شركت كنند و با يك طراحي ابتدايي روبرو شوند كه نيازها و ضروريات از نقطه نظر تمام زيرسيستم‌ها را به حساب مي‌آورد.

اين يك فضاي بسيار پويا با گامي سريع است كه طي آن يك مفهوم ابتدايي ارزيابي علمي به يك طراحي ماموريتي در الگويي زماني تبديل مي‌شود.

نقش من در گروه زماني كه در آزمايشگاه JPL بودم اين بود كه مطمئن شوم ماموريت‌ها و ابزار طراحي شده در اقدامات علمي مورد نياز بكار گرفته شوند. به عبارت ديگر، من پل ارتباطي ميان دانشمندان و مهندسان براي حصول اطمينان از اين امر بودم كه دستاورد‌هاي علمي و محدوديت‌هاي مهندسي مي‌توانند همزمان و هماهنگ باشند.»

ايسنا: لطفا درباره رادار SAR، نحوه عملكرد و كاربردهاي آن، مزيت آن نسبت به ساير سيستم‌هاي راداري و استفاده‌هايي كه در آزمايشگاه JPL از آن مي‌شود توضيحاتي بفرماييد؟

« رادار دهانه تركيبي (Synthetic Aperture Radar) يا SAR يك رادار قدرتمند است كه با وجود تركيب يك روزنه آنتني بزرگ از يك روزنه فيزيكي كوچك در آن اين امكان براي ما پيش مي‌آيد كه به تصاوير دقيق و واضح دسترسي پيدا كنيم. در اصل يك آنتن داراي يك ردپا است كه به اندازه آن بسته به طول موج سيگنال دريافتي يا ارسالي بستگي دارد. اين فاكتور دقت رادار را محدود مي‌كند چرا كه هر چه فركانس‌ها كاهش مي‌يابد اندازه فيزيكي آنتن‌ها آنقدر بزرگ مي‌شود كه مي‌تواند تصاوير قابل‌قبولي را در زمين از فضا يا حتي هوا تهيه كند. براي مثال از يك مدار از فاصله 500 كيلومتري و فركانس 2/1 گيگا هرتز ( طول‌موج حدود 25 سانتي متر ) يك آنتن با طول تقريبا يك كيلومتر نياز است تا تصويري با رزولوشن 100 بر روي زمين دريافت شود.

SAR بر اساس تركيب روزنه عمل مي‌كند كه به معني استفاده از يك آنتن كوچكتر بين 10 تا 15 متر است اما يك روزنه بزرگ و موثر به طور مصنوعي همزمان با حركت آنتن با ماهواره يا هواپيما ايجاد مي‌شود و در هر موقعيت ركوردي از سيگنال‌هايي كه از سطح زمين بازگردانده مي‌شوند، گرفته مي‌شود، سپس از راه پردازش كافي سيگنالي تصاوير با وضوح بالا در مقايسه با رزولوشني حاصل آنتن‌هاي بزرگتر بدست مي‌آيد. در واقع در حالت تئوري از اين راه مي‌توان به رزولوشني برابر با نيمي از طول آنتني در راستاي خط پرواز دست پيدا كرد.»

ايسنا: در پايان، لطفا درباره فعاليت‌هاي خود در حوزه رادار SAR و همچنين طرح spaceborne SAR instrument for global measurement of deep and subsoil moisture نيز توضيحاتي بفرماييد. اجراي آن از كي آن شده و چه هدفي را دنبال مي‌كند؟ اين طرح به چه فناوري‌ها و تكنيك‌هايي نياز دارد؟ مسووليت شما در اين طرح چيست؟

« من سال‌ها در حوزه كلي SAR فعاليت كرده‌ام. اين فعاليت شامل جنبه‌هاي مختلف از قبيل مهندسي سيستم‌ها، درجه‌بندي و تفسير داده‌ها، بازگرداندن تحليل‌هاي پراكنده و طراحي ماموريت‌هاي جديد بوده است.

پروژه‌اي كه به آن اشاره كرديد نيز ايده‌اي ناشي از تجربه من با بسياري از سيستم‌هاي راداري ديگر و مشاهده آن است كه آنچه در مطالعه انواع مختلف زيرسطح‌ها وجود نداشت، رادارهايي با فركانس‌هاي پايين بود. هر چه فركانس كمتر باشد نفوذ بيشتر شده و موارد كمتري از قلم مي‌افتد؛ بنابراين من اين ايده را براي ماموريتي با عنوان Microwave Observatory of Subcanopy ارائه كردم.

اين ايده شامل سيستم راداري با فركانس پايين است كه مي‌تواند به جنگل‌ها و درون خاك نفوذ كند و اطلاعات را به سوي دريافت‌كننده رادار درباره شماري از خصوصيات زيرسطح حمل كند.

اين يك سيستم SAR است كه به رغم تكنيك‌هاي روزنه تركيبي هنوز به يك آنتن بزرگ در ترتيب 30 متري نيازمند است. چنين آنتني به طور طبيعي چندين تن وزن دارد اما ما روشي ارائه كرده‌ايم كه اين حجم را تا يك دهم كاهش مي‌دهد.

در حال حاضر اين پروژه در مرحله تحليل و توسعه فناوري است. هنوز نمي‌توان گفت كه اين ماموريت به حقيقت مي‌پيوندد يا خير؛ چرا كه به بسياري از مسائل فني و مالي بستگي دارد. من پژوهشگر اصلي اين پروژه هستم.»

منبع :groups.yahoo.com/group/physics_iran