ปัจจุบัน ในประเทศไทยหรือในต่างประเทศ ได้ใช้ห้วงอวกาศในความได้เปรียบในการถ่ายภาพ ด้วยความสูง ตั้งแต่ 100 กิโลเมตรผ่านเส้น Kerman line ทำให้กล้องที่อยู่ความสูงระดับนั้น สามารถมองภาพได้ไกลและ กว้างมากขึ้น ทำให้เป็นที่นิยมในปัจจุบันในด้านการสำรวจภูมิประเทศ การวางผังเมือง การเกษตรและการป่า ไม้ รวมทั้งความมั่นคงของประเทศ ที่เป็นกระแสในระดับโลกนั้น
ภาพถ่ายดาวเทียม ณ กรุง Kiev ประเทศยูเครน จากดาวเทียมทางทหาร KH-11 KENNEN หรือเรียกว่า
CRYSTAL ของสหรัฐอเมริกา เป็นดาวเทียม EO ดวงแรกของโลก นำส่งเมื่อ ธันวาคม พ.ศ.2520
(ที่มาภาพ:
https://handwiki.org/wiki/Engineering:KH-11_Kennen)
กล้องประเภทอิเล็กโทรออปติก โดยหลักการจะใช้การรับแสงผ่านรูรับแสงที่ได้รับจากการสะท้อนจาก แสงอาทิตย์ ซึ่งเป็นเทคนิคการถ่ายภาพประเภท Passive เพราะไม่จำเป็นต้องใช้พลังงานในการทำให้รับข้อมูล เข้าไปในเซนเซอร์ ดังนั้นการออกแบบกล้องประเภทนี้เหมือนกับกล้องถ่ายภาพธรรมดาบนโลก ทำให้มีราคาถูก และกล้องที่นิยมใช้ทั่วไปในวงการกิจการอวกาศโลก
กล้อง EO ดาวเทียม SOP ของบริษัท LKD Aerospace
(ที่มาภาพ: LKD Aerospace)
ด้วยการปฏิบัติภารกิจถ่ายภาพในอวกาศของดาวเทียม มีความแตกต่างกับการถ่ายภาพบนพื้นพอสมควร
ดังนั้นการออกแบบภารกิจ การออกแบบดาวเทียม และการปฏิบัติงานของดาวเทียม จำเป็นต้องมีหลักการการ
ออกแบบ แบ่งการออกแบบเป็น 4 มิติ โดยมีปัจจัยที่เกี่ยวข้องในแต่ละมิติ ดังนี้
1. ความละเอียดเชิงพื้นที่ (Spatial Resolution) เป็นการระบุความละเอียดของจุดภาพ อธิบายได้ว่าเป็น ขนาดความกว้างยาวของพิกเซลของภาพ นิยมเรียกขนาดพิกเซลนี้ว่าค่า GSD (Ground Sampling Distance) ซึ่งถ้าความละเอียดเชิงพื้นที่ยิ่งมากขึ้นจะสามารถถ่ายภาพได้ละเอียดมากขึ้น มีผลต่อการระบุ ลักษณะภูมิประเทศที่ถ่ายได้ละเอียดยิ่งขึ้น แต่ความกว้างในการถ่ายจะน้อยคงหรือแคบลง
ภาพความแตกต่างของภาพถ่ายดาวเทียมที่มีความละเอียดเชิงพื้นที่มากไปน้อย
(ที่มา: GIS Geography)
ปัจจัยที่เกี่ยวข้อง
- ขนาดของรูรับแสง (Aperture Diameter) ถ้ารูรับแสงมีขนาดใหญ่ จะสามารถรับภาพได้มากหรือมี
รายละเอียดมากขึ้น
- ความสูงของวงโคจร เปรียบเสมือนการวางกล้องใกล้หรือไกลจากโลก แสดงว่าความสูงยิ่งต่ำ กล้องจะใกล้โลก
มากขึ้น และจะถ่ายภาพได้ละเอียดยิ่งขึ้น
- ขนาดของเซ็นเซอร์หรือขนาดโฟกัส ความละเอียดภาพจะแปรผันตรงกับขนาดของเซ็นเซอร์
- ประสิทธิภาพการควบคุมท่าทางของดาวเทียม ความสามารถในการล็อคท่าทางของดาวเทียม จะมีผลต่อ
ความละเอียดได้เช่นกัน
2. ความละเอียดเชิงสเปกตรัม (Spectral Resolution) เป็นความสามารถในการจำแนกความถี่ของช่วง
ความถี่ หรือ แบนด์ (Band) ของรังสีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ซึ่งเป็นปัจจัยหลักของการเลือกดูสีในพื้นที่ถ่ายภาพ
ถ้ามีความละเอียดเชิงสเปกตรัมที่ดี จะสามารถแยกแยะสสารที่ต้องการทราบเช่น พืช ไฟ ความชื้น และ โลหะ
แต่อาจจะเพิ่มคลื่นรบกวน (Noise) และเพิ่มความซับซ้อนในระบบ และปริมาณข้อมูลที่ต้องทำการดาวโหลด
ความละเอียดเชิงสเปกตรัมของดาวเทียม WorldView-3 และความละเอียดจุดภาพ
(ที่มา: ESA)
ปัจจัยที่เกี่ยวข้อง
- จำนวนแบนด์ภาพ สามารถแบ่งตั้งแต่ 1 แบนด์หรือเรียกว่า Panchomatic อาจเป็นหลายแบนด์ เรียกว่า
Multispectral จนไปถึงหลักร้อยแบนด์ หรือเรียกว่า Hyperspectral
- เทคโนโลยีการกรองแสง (Filter) และการเกลี่ยแสง (Grating) ทำให้สามารถระบุความกว้างของแต่ละแบนด์
ได้
- ความไวต่อการรับแสง สร้างการตอบสนองต่อการรับแสงได้ดียิ่งขึ้น โดยการเปลี่ยนแปลงค่าควันตัมในตัวของ
เซนเซอร์เกิดขึ้นไวยิ่งขึ้น
3. ความละเอียดเชิงรังสี (Radiometric Resolution) เป็นความสามารถในการแยกแยะความเข้มของ
สัญญาณแสงที่ได้รับ ซึ่งการมีความละเอียดเชิงรังสีที่ดี อยากส่งผลทำให้สามารถแยกแยะการเปลี่ยนแปลงของ
แต่ละจุดของพื้นผิวอย่างละเอียด แต่อาจใช้พลังงานมากขึ้นในการถ่ายภาพและการประมวลผลภาพถ่าย อีกทั้ง
ขนาดความจุที่ต้องการจากภาพถ่าย อาจมีมากขึ้น
ปัจจัยที่เกี่ยวข้อง
- ปริมาณระดับ (level) ต่อจุดภาพ เป็นการบันทึกค่าความเข้มในแต่ละจุดภาพในระดับดิจิตอลที่เรียกว่า บิท
(bits) ซึ่งถ้ามีจำนวนบิทมากจะทำให้การเกลี่ยระดับของสีได้ดีขึ้น จะนิยมใช้ 8 บิท (256 ระดับ), 10 บิท
(1042 ระดับ) จนไปถึง 16 บิท
ความแตกต่างของความละเอียดเชิงรังสีระหว่าง 4 บิทกับ 8 บิท
(ที่มา: GIS Geography)
- อัตราส่วนสัญญาณต่อคลื่นรบกวน (Signal-to-Noise Ratio, SNR) วัดความเข้มของสัญญาณแสงที่ได้จาก
การรบกวน ถ้าคลื่นรบกวนมีค่าสูง จะมีผลต่อความเข้มของสัญญาณที่ได้รับ
- การรักษาสภาพของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่รับแสง การสอบเทียบ (Calibration) ของอุปกรณ์จะเป็นการทำ
ให้การวัดคลื่น มีค่าถูกต้องแม่นยำ
4. ความละเอียดเชิงความถี่ของข้อมูล (Temporal Resolution) ระบุความถี่ที่ข้อมูลภาพถ่ายดาวเทียมทำ
การอัพเดท ณ จุดที่ต้องการ ซึ่งความละเอียดเชิงข้อมูล อาจนำมาซึ่งความสามารถในการสังเกตการเปลี่ยนแปลงภูมิประเทศที่ โดยสามารถนำมาประยุกต์ใช้ในการบรรเทาสาธารณภัย การเปลี่ยนแปลงของป่า
และ การใช้งานในทางทหาร
ปัจจัยที่เกี่ยวข้อง
- ลักษณะของวงโคจร วงโคจรแต่ละประเภทจะให้ลักษณะเส้นทางการผ่านและฟุตปริ้นของดาวเทียมที่
สามารถมองเห็นโลกได้ ซึ่งวงโคจรยิ่งมีความสูงมาก จะมีฟุตปริ้นที่ใหญ่กว่า แต่แลกกับความละเอียดภาพที่
ต่ำลงเพราะอยู่ไกลโลก และอีกปัจจัยที่คำนึงของวงโคจรคือ เวลาในการกลับมาสู่พิกัดเดิม (Revisit Time)
สามารถนิยามได้จาก เวลานับจากครั้งสุดท้ายที่ดาวเทียมสามารถถ่ายภาพได้ หรือ เวลานับจากครั้งสุดท้ายที่
ดาวเทียมผ่านจุดเดียวกันในลักษณะตั้งตรง (Nadir Pointing) วงโคจรที่นิยมใช้ในการถ่ายภาพมากที่สุดคือ วง
โคจรรอบโลกพ้องคาบโลกโคจรรอบดวงอาทิตย์ (Sun-synchronous Orbit, SSO) ซึ่งเป็นวงโคจรรอบโลก
ระดับต่ำ (Low Earth Orbit, LEO) นิยมที่ความสูงเฉลี่ย 500 – 1000 กิโลเมตร ตามการออกแบบของผู้ผลิต
- ความกว้างแนวถ่ายภาพ (Swath Width) ของกล้อง นอกจากปัจจัยของวงโคจรแล้ว ความกว้างแนว
ถ่ายภาพของกล้องเป็นการทำให้ความคลอบคลุมของภาพทำได้ดีขึ้น เป็นการลดเวลาในการกลับมาสู่พิกัดเดิม
ของการถ่ายภาพ และเพิ่มโอกาสในการถ่ายภาพจากที่เดิมได้
- ความคล่องตัว (Agility) ในการเปลี่ยนแปลงท่าทาง (Attitude) ของดาวเทียม ในกรณีเป้าหมายการถ่ายภาพ
ออยู่นอกแนวถ่ายภาพเมื่อดาวเทียมอยู่ในสภาพตั้งตรง ดาวเทียมจำเป็นต้องเปลี่ยนท่าทาง (กล้องติดดาวเทียม
เกือบทั้งหมดจะหมุนไม่ได้) เพื่อให้กล้องสามารถส่องเป้าหมายได้ การที่ดาวเทียมสามารถเปลี่ยนแปลงท่าทาง
ได้รวดเร็ว หรือใช้เวลาอันสั้นในการเปลี่ยนแปลงท่าทาง ทำให้เพิ่มโอกาสในการถ่ายภาพในเป้าหมายที่ใกล้กัน
มากขึ้นได้
ภาพจำลองเส้นทางผ่านของดาวเทียม และลักษณะฟุตปริ้นและแนวถ่ายภาพของดาวเทียม
(ที่มา: AGI)
- ลักษณะของกลุ่มดาวเทียม (Constellation) ของการถ่ายภาพ การเพิ่มจำนวนดาวเทียมและสร้างกลุ่ม
ดาวเทียมที่ออกแบบไว้เพื่อเพิ่มโอกาสในการถ่ายภาพและลดเวลาในการกลับมาสู่พิกัดเดิม ณ เป้าหมายที่
ต้องการ
จากทั้ง 4 มิติ ที่ได้กล่าวมา ล้วนแสดงให้เห็นถึงความสำคัญในการแบ่งเบาการออกแบบ ถ้าการออกแบบมีขีด ความสามารถที่สูงมาก ความซับซ้อนตั้งแต่ระบบย่อย (Subsystem) ภายในดาวเทียม ความต้องการด้าน ข้อมูลที่ประมวลผลและส่งผ่านสู่สถานีภาคพื้น พลังงานที่ต้องการใช้ในการถ่ายภาพ จนไปถึงเรื่องราคาที่สูง ทำ ให้ต้องคำนึงถึงความคุ้มค่าในภารกิจที่ต้องการ และควรแบ่งเบาขีดความสามารถให้พอเหมาะกับภารกิจเพราะ งบประมาณในภารกิจมีจำกัด
บทความโดย
ร.อ.กันต์ จุลทะกาญจน์