Research

วงโคจรชนิดพิเศษสำหรับดาวเทียมสำรวจโลก


ดร.มานพ อ้อพิมาย  
อาจารย์ประจำภาควิชาวิศวกรรมระบบวัดคุมและแมคคาทรอนิกส์​ ​ 
คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีมหานคร  
2 พฤศจิกายน 2557  

       การสำรวจโลกจากระยะไกลโดยใช้ดาวเทียม (Satellite Remote Sensing) เป็นการใช้ประโยชน์จากข้อมูลที่ได้จากอุปกรณ์ตรวจวัด (sensor) ที่ติดตั้งไปกับตัวดาวเทียม เช่น กล้องถ่ายภาพซึ่งก็คืออุปกรณ์ตรวจวัดคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในย่านความถี่ที่ตาของมนุษย์สามารถมองเห็นได้ หรืออุปกรณ์ตรวจวัดคลื่นในช่วงความถี่อื่นๆ เช่น คลื่นอินฟราเรด, ไมโครเวฟ และ เรดาร์ เป็นต้น ดังนั้นสภาวะที่พึงประสงค์สำหรับระบบส่วนใหญ่ คือ การที่ดาวเทียมสามารถโคจรไปทำการตรวจวัดยังตำแหน่งเป้าหมายได้อย่างแม่นยำ ในสภาพแวดล้อมที่เอื้ออำนวยต่อการนำข้อมูลไปใช้ประโยชน์ เช่น สภาวะแสงที่เหมาะสมสำหรับการถ่ายภาพ เป็นต้น
       
อย่างไรก็ตาม สำหรับดาวเทียมสำรวจซึ่งส่วนใหญ่จะอยู่ในวงโคจรต่ำใกล้โลก (Low-Earth Orbit, LEO) การได้มาซึ่งสภาวะทั้งสองอย่างข้างต้นเป็นเรื่องที่ไม่ง่ายนัก เนื่องจากดาวเทียมต้องโคจรอยู่ในสภาพแวดล้อมที่ไม่เป็นอุดมคติ กล่าวคือนอกจากแรงดึงดูดของโลกซึ่งเรามักสมมติว่าเป็นทรงกลมแล้ว ยังมีแรงอื่นๆอีกมากมายที่มีผลต่อการเคลื่อนที่ของดาวเทียม เช่น แรงดึงดูดจากดวงจันทร์และดวงอาทิตย์, แรงต้านจากอากาศ เนื่องจากในวงโคจร LEO ยังคงมีอนุภาคอากาศอยู่ และความไม่สม่ำเสมอของแรงดึงดูดเนื่องจากโลกของเราไม่ได้เป็นทรงกลมที่สมบูรณ์ เป็นต้น ซึ่งแรงรบกวนทั้งหลายเหล่านี้จะส่งผลให้วงโคจรของดาวเทียมเกิดการเปลี่ยนแปลงอย่างซับซ้อนตลอดเวลา และไม่ได้เป็นรูปวงรีสมบูรณ์ที่วางตัวนิ่งอยู่ในอวกาศตามกฎของเคปเลอร์ (Kepler’s Laws) อย่างที่เราคุ้นเคยกัน

รูปที่ 1 โลกของเราไม่ได้เป็นทรงกลมที่สมบูรณ์ ทำให้แรงโน้มถ่วงที่กระทำกับดาวเทียมไม่สม่ำเสมอตลอดวงโคจร
(ที่มา: http://www.agi.com/resources/academic-resources/astro primer/primer91.htm)

       ผลสำคัญประการหนึ่งที่เกิดจากแรงรบกวน โดยเฉพาะแรงดึงดูดที่ไม่สม่ำเสมอของโลก คือการหมุนรอบแกนโลกของระนาบวงโคจรด้วยอัตราที่ขึ้นอยู่กับรูปร่าง, ขนาดและมุมเอียงของระนาบวงโคจรเทียบกับระนาบเส้นศูนย์สูตร ซึ่งถ้าเราเลือกค่าของวงโคจรดังกล่าวให้เหมาะสม เราจะได้วงโคจรพิเศษที่มีอัตราการหมุนของระนาบสอดคล้องกับอัตราการหมุนรอบดวงอาทิตย์ของโลก (Sun-Synchronous Orbit) คือประมาณ 1 องศาต่อวัน ซึ่งจะทำให้ระนาบวงโคจรทำมุมคงที่กับทิศทางของดวงอาทิตย์ตลอดเวลา และเราสามารถเลือกค่ามุมดังกล่าวเพื่อให้ได้สภาวะที่เกิดประโยชน์สูงสุดต่อการใช้งานดาวเทียม เช่น ดาวเทียมสำหรับถ่ายภาพมักจะเลือกมุมประมาณ 30 องศา นั่นคือเวลาที่ดาวเทียมโคจรผ่านตำแหน่งบนระนาบเส้นศูนย์สูตรในแต่ละรอบจะอยู่ที่ 10 นาฬิกา ซึ่งเป็นเวลาที่มีสภาพแสงพอเหมาะสำหรับการถ่ายภาพ เป็นต้น

รูปที่ 2 ระนาบวงโคจรที่ทำมุมคงที่กับทิศทางของดวงอาทิตย์จะทำให้ได้สภาพแสงที่เหมาะสมสำหรับการถ่ายภาพ 
(ที่มา: http://www-personal.umich.edu/~mjregan/MCubed/Pages/O&C.html)

       สำหรับดาวเทียมที่ติดตั้งอุปกรณ์ตรวจวัดด้วยระบบเรดาร์ เช่นดาวเทียมประเภท SAR (Synthetic Aperture Radar) มุมกระทบของแสงจากดวงอาทิตย์ไม่ใช่ปัจจัยสำคัญต่อการทำงานของตัวตรวจวัด แต่เป็นพลังงานไฟฟ้าที่ผลิตได้จากแผงโซลาร์เซลล์ที่มีความสำคัญมากกว่า เนื่องจากระบบดังกล่าวต้องการพลังงานค่อนข้างสูง ดังนั้นระนาบวงโคจรของดาวเทียมมักจะถูกกำหนดให้ทำมุมตั้งฉากกับดวงอาทิตย์ นั่นคือ ดาวเทียมจะโคจรผ่านระนาบเส้นศูนย์สูตรที่เวลา 6 นาฬิกาในตอนเช้าและตอนเย็น (Down-Dusk Orbit) เพื่อให้แผงโซลาร์เซลล์หันเข้ารับพลังงานได้ตลอดเวลาโดยไม่มีช่วงที่ดาวเทียมเคลื่อนเข้าสู่เงามืดของโลกเลย

รูปที่ 3 ระนาบวงโคจรของดาวเทียมประเภท SAR ที่ตั้งฉากกับทิศทางของดวงอาทิตย์เพื่อให้แผงโซลาร์เซลล์สามารถผลิตพลังงานไฟฟ้าได้ตลอดเวลา
(ที่มา: https://earth.esa.int/web/guest/missions/esa-operational-eo-missions/smos/space-segment/satellite)

       ในการสำรวจโดยใช้ดาวเทียมนั้น เพื่อให้เกิดความต่อเนื่องในการตรวจวัด เราอาจต้องควบคุมให้ดาวเทียมมีเส้นทางการโคจรผ่านเส้นทางเดิมในทุกๆคาบเวลาที่กำหนด  (Repeat Groundtrack Orbit) ตัวอย่างเช่น ดาวเทียมไทยโชติ (THEOS) ของไทย จะโคจรผ่านตำแหน่งเดิมทุกๆประมาณ 26 วัน ซึ่งถ้าวงโคจรไม่ถูกรบกวนและมีระนาบที่วางตัวคงที่อยู่ในอวกาศแล้ว ดาวเทียมจะสามารถกลับมาโคจรเหนือตำแหน่งเดิมได้เมื่อระยะทางทั้งหมดที่ดาวเทียมเคลื่อนที่ตามจำนวนรอบที่กำหนด (สำหรับไทยโชติคือ 369 รอบ) มีค่าเท่ากับระยะทางที่โลกหมุนรอบตัวเองได้ใน 26 วันพอดี แต่ในความเป็นจริงแล้ววงโคจรจะถูกรบกวนและมีการเปลี่ยนแปลงไปตามเวลาดังกล่าวแล้วข้างต้น ดังนั้นการคำนวณหาขนาดของวงโคจรที่เหมาะสมจึงต้องคิดรวมผลดังกล่าวด้วย

รูปที่ 4 ดาวเทียมในวงโคจรเริ่มต้นที่ไม่เหมาะสมจะไม่สามารถโคจรไปตามเส้นทางเหนือตำแหน่งเป้าหมายได้
(ที่มา: http://www.rap.ucar.edu/~djohnson/satellite/coverage.html)

       ตัวแปรที่สำคัญอีกตัวหนึ่งที่ส่งผลต่อการตรวจวัดข้อมูลของดาวเทียม คือระดับความสูงจากพื้นโลกขณะที่ดาวเทียมโคจรผ่านตำแหน่งเป้าหมาย ซึ่งถ้าทุกอย่างเป็นอุดมคติระดับความสูงดังกล่าวจะไม่มีการเปลี่ยนแปลงในทุกจุดของวงโคจร แต่ผลของแรงรบกวนนอกจากจะทำให้ระนาบวงโคจรหมุนรอบแกนโลกแล้ว ยังทำให้รูปร่างและการวางตัวในระนาบเองเปลี่ยนแปลงตลอดเวลาอีกด้วย ซึ่งจะทำให้ดาวเทียมโคจรผ่านตำแหน่งเป้าหมายเดิมด้วยระดับความสูงที่แตกต่างกันไปในแต่ละครั้ง อันจะส่งผลต่อข้อมูลที่ตรวจวัดได้ แต่อย่างไรก็ตาม ภายใต้ความไม่เป็นทรงกลมของโลกจะมีจุดสมดุลอยู่จุดหนึ่งที่ทำให้ดาวเทียมสามารถวางตัวอยู่ได้โดยที่รูปร่างและการวางตัวของระนาบวงโคจรไม่มีการเปลี่ยนแปลง (Frozen Orbit) คือที่ระดับความเอียงวิกฤต 63.4 องศา ซึ่งเป็นตำแหน่งของดาวเทียม Molniya ของประเทศสหพันธรัฐรัสเซีย แต่สำหรับวงโคจรที่มีรูปร่างใกล้เคียงวงกลมที่สมบูรณ์ ตำแหน่งสมดุลดังกล่าวจะมีอยู่ที่ทุกค่าความเอียง เพียงแต่เราต้องคำนวณหาค่าความรีที่เหมาะสมกับขนาดและมุมเอียงของวงโคจรนั้นๆ จะเห็นได้ว่า ถ้าเราเลือกค่าเริ่มต้นต่างๆของวงโคจรให้เหมาะสม เราก็จะได้วงโคจรชนิดพิเศษแบบต่างๆ ที่ช่วยให้ดาวเทียมสำรวจสามารถโคจรผ่านตำแหน่งเป้าหมายได้อย่างแม่นยำ ที่ระดับความสูงเท่าเดิมทุกครั้ง และมีสภาพแสงที่เหมาะสมสำหรับการปฏิบัติภารกิจ   

รูปที่ 5 วงโคจรดาวเทียม Molniya ซึ่งมีค่าความรีสูงมาก สามารถคงรูปร่างและการวางตัวในระนาบโดยไม่ล้มลงได้ เนื่องจากมีค่าความเอียงอยู่ที่จุดสมดุลคือ 63.4 องศา
(ที่มา: http://www.castor2.ca/02_Basics/03_Orbits/04_Molniya/index.html)

<< ย้อนกลับ