כולנו מכירים את תחושת האלוהות הקטנה הזו: אתם פותחים את אפליקציית Google Earth או גוגל מפות, מקלידים כתובת, והמסך מבצע צלילה חופשית ומסחררת ממעוף הציפור הגלובלי, דרך האטמוספירה, ישר אל הגג של הבית שלכם, אל המכונית שחונה ברחוב או אל בריכת השחייה של השכנים. החוויה הזו מרגישה כל כך חלקה, מיידית ומובנת מאליה, שקל מאוד לשכוח שהיא לא קסם. מאחורי הפיקסלים החדים הללו עומדת תשתית חומרה פיזית, אכזרית ויקרה להחריד שחגה מעל הראשים שלנו במצולות החלל.
הלוויין המטורף של Google Earth // גוגל
התמונות שאתם רואים על המסך אינן מופקות ממצלמות רגילות. רוב המידע הראייתי ברזולוציה הגבוהה של גוגל מגיע מלוויין צילום מסחרי ספציפי - מפלצת הנדסית בשם WorldView-3. הלוויין הזה, שחג במסלול לוויני נמוך (LEO) בגובה של כ-616 קילומטרים מעל פני הים, טס במהירות מטורפת של כ-27,350 קמ"ש. בקצב הזה, הוא מקיף את כדור הארץ כולו פעם בשעה וחצי בערך. אבל הנתון המדהים באמת הוא המפרט הטכני של המצלמה שמותקנת עליו.
איך מייצרים זום חללי?
אם אי פעם החזקתם מצלמת SLR מקצועית עם עדשת טלפוטו (זום) ארוכה של 300 מ"מ או 600 מ"מ המיועדת לצילומי ספורט או טבע, אתם בוודאי יודעים שמדובר בצינור כבד ומאסיבי. כעת, נסו לדמיין את המצלמה של WorldView-3: היא מחזיקה באורך מוקד פנומנלי של 16 אלף מ"מ (או במילים אחרות: 16 מטרים).
איך מצליחים לדחוס עדשה באורך של בניין בן ארבע קומות לתוך לוויין שממדיו אינם עולים על גודל של מכונית מסחרית קטנה? התשובה היא הנדסה אופטית חכמה. המצלמה של הלוויין אינה בנויה כצינור זכוכית ישר, אלא פועלת כטלסקופ מחזיר אור.
מה זה אומר? במקום שהאור יעבור דרך שורה ארוכה של עדשות זכוכית עבות וכבדות בקו ישר, האור שנכנס אל תוך המרכב של WorldView-3 נע לאורך צינור חלול, פוגע במראה ראשונית קעורה וענקית שנמצאת בתחתיתו, ומוחזר ממנה חזרה אל עבר מראה משנית קטנה יותר בחלקו העליון. המראה המשנית מחזירה את האור שוב כלפי מטה, דרך חור קטן במרכז המראה הראשונית, ישירות אל החיישן.
המשחק המקבילי הזה של "פינבול" באמצעות קרני אור מאפשר לקפל אורך מוקד אסטרונומי של 16 מטרים לתוך מרכב פיזי קצר וקומפקטי בהרבה.
הלב של המערכת
לאחר שקרני האור סיימו לדלג בין המראות של הטלסקופ, הן ממוקדות על גבי חיישן דיגיטלי מתקדם מסוג CCD (Charge-Coupled Device).
עבור חובבי צילום מודרניים, מדובר בהחלטה הנדסית מעניינת. כמעט כל הסמארטפונים והמצלמות הביתיות שלכם עברו כבר לפני שנים להשתמש בחיישני CMOS בשל העובדה שהם זולים בהרבה לייצור, צורכים שבריר מהחשמל, ומאפשרים עיבוד תמונה מהיר ישירות על השבב. אבל כשאתם נמצאים בחלל החיצון ומצלמים את כדור הארץ מגובה של 600 קילומטרים, חוקי המשחק משתנים.
כדאי לדעת: למה לוויינים עדיין מעדיפים חיישני CCD? החיישנים הללו מציעים איכות תמונה עדיפה משמעותית במצבים קיצוניים. הם מתאפיינים בטווח דינמי רחב בהרבה (היכולת לראות פרטים גם באזורים מוצלים מאוד וגם באזורים מוארים מאוד בו-זמנית), רמת רעש דיגיטלי נמוכה, ואחידות מושלמת בין הפיקסלים. בנוסף, חיישני CCD פועלים באמצעות "סגר גלובלי" שקולט את כל הפיקסלים בפריים בדיוק באותו שבריר שנייה. מכיוון שהלוויין טס במהירות עצומה, שימוש בחיישן CMOS רגיל (הפועל בשיטת Rolling Shutter הסורקת את השורות בזו אחר זו) היה מייצר עיוות ויזואלי קשה ומורחב של פני השטח (אפקט הג'לו).
31 ס"מ לפיקסל
השילוב המטורף בין אורך המוקד של המראות לבין חיישן ה-CCD המאסיבי מייצר רזולוציה מסחרית שהיא קצה גבול היכולת החוקית המותרת כיום. הלוויין מפיק תמונות ברזולוציה של 31 ס"מ לפיקסל.
המשמעות הפיזיקלית של המספר הזה היא שכל פיקסל בודד על מסך המחשב שלכם מייצג ריבוע של כ-31 ס"מ על הקרקע (בערך רגל אחת). ברמת החדות הזו, הלוויין מסוגל להפריד ולזהות מהחלל את קווי הצבע הלבנים המשורטטים על גבי מגרש כדורסל שכונתי, להבחין בין סוגי מכוניות בכביש המהיר, ואפילו לזהות את הכיוון שאליו פונה פאנל סולארי על גג של בניין.
מעבר לראייה האנושית
אבל WorldView-3 הוא לא סתם מצלמה צבעונית רגילה. העיניים האנושיות שלנו מסוגלות לראות רק שלושה ערוצי צבע (אדום, ירוק וכחול - RGB). המצלמה של הלוויין, לעומת זאת, מסוגלת לחתוך את האור ל-29 רצועות ספקטרליות שונות. בנוסף לאור הנראה, החיישנים שלו קולטים מגוון רחב של תדרי אינפרא-אדום קרוב ואינפרא-אדום בגלים קצרים. היכולת הזו הופכת את הלוויין מכלי צילום פשוט לכלי ניתוח מדעי וכימי רב-עוצמה.
מה זה אומר? לכל חומר על פני כדור הארץ - בין אם מדובר בבטון, פלדה, עץ, סוג מסוים של סלע, או סוגי צמחייה שונים - יש "חתימה ספקטרלית" ייחודית. החומר בולע אורכי גל מסוימים ומחזיר אורכי גל אחרים בצורה קבועה. באמצעות 29 הרצועות הספקטרליות שלו, WorldView-3 יכול לא רק לצלם יער, אלא לנתח את מצב הלחות של הקרקע, לזהות אילו עצים חולים עוד לפני שהם משנים את צבעם, למפות מרבצי מינרלים וסוגי סלעים, ואפילו להבחין בין סוגים שונים של פלסטיק או חומרי בנייה על גגות הבתים.
קצב עבודה מפלצתי
כדי שהמידע יישאר רלוונטי, הלוויין צריך לעבוד בקצב חסר תקדים. המערכת מסוגלת לצלם ולשלוח לתחנות הקרקע כמעט 680 אלף קילומטרים רבועים של תמונות מדי יום ביומו. כדי לסבר את האוזן, מדובר בשטח הגדול פי כמה וכמה משטחה של מדינת ישראל כולה - שמצולם מחדש בכל 24 שעות.
בזכות המסלול הייחודי שלו והיכולת של המרכב להסתובב על צירו באופן דינמי תוך כדי טיסה, הלוויין מסוגל לחזור ולבקר בכל נקודה בודדת על פני כדור הארץ בתוך פחות מ-24 שעות, ולספק צילומי מעקב כמעט בזמן אמת עבור גופים מסחריים, חקלאיים וממשלתיים.
עלות הפיתוח, הבנייה והשיגור של לוויינים מהסוג של WorldView-3 מגיעה למאות מיליוני דולרים. חברות הענק משקיעות את הונן, מדענים מעבירים חיים שלמים בפיתוח מראות אופטיות מדויקות ברמת האטום וחיישני חלל קשוחים, וכל זה קורה ברשת גלובלית מטורפת מעל האטמוספירה - בשביל שנוכל לפתוח את האפליקציה בחינם בטלפון, ולעשות זום-אין כדי לראות אם השכנים בנו פרגולה חדשה בלי אישור, או לבדוק איזה רכב חונה מחוץ לבית של האקסית שלנו.
טעינו? נתקן! אם מצאתם טעות בכתבה, נשמח שתשתפו אותנו