Radar Temelleri

Uydulara Uzaklık Ölçümleri

Bir uyduya göre konum- ya da uzaklık tayini, yalnızca değişik radar yöntemlerinden birisi kullanılarak yapılabilir. Örneğin 2· 10¹⁰ km gibi çok uzakta bulunan Voyager 1 ve Voyager 2 gibi uydulara uzaklık ölçümleri için bir birincil radarın gücü yetersiz kalmaktadır. Radar denklemine göre bu ölçüm için boyutları gerçek dışı olan bir anten ve gönderim gücü gerekecekti. Bu nedenle çok uzun menzillerdeki uydular için yapılacak ölçümlerde ancak ikincil radar yöntemleri kullanılabilir.[1][2]

Voyager uydusunun bordasında bu amaçla bir özel transponder bulunmaktadır. Bir yer istasyonu S-bandında 2,11 GHz de sorgulama işareti („uplink“) gönderir. Gönderim gücü yaklaşık 20 kW tır. (Bu, uçuş güvenlik radarlarında gördüğümüz değerin yaklaşık on katıdır.) S-bandındaki anten kazancı hemen hemen 63 dBi olarak verilmektedir. Bununla beraber, gönderici-/alıcı tekniğindeki bir basit darbe modülasyonunda, yürütme zamanı (runtime) ölçümlerinin ilgili darbe kenarı kaybedilmeden yapılabilmesi için çok büyük bant genişlikleri gerekecekti. Bu nedenle, transpondere, sadece bir farklı frekansa dönüştürülen ve geri gönderilen, bir özel darbe deseni (pulse pattern) gönderilir. Transponder bu işareti tam evreuyumlu işler. Yani: Alınan yer-uydu frekansının özgün değerine ve faz açısına sadık kalınır, yalnızca bir farklı frekansa dönüştürülür: Dönüştürme oranı tam olarak 240/221 olup, uydu-yer (downlink) frekansı yaklaşık 2,3 GHz dir. Aynı zamanda bir farklı frekans bandına da dönüştürülür: Buradaki dönüştürme oranı 11/3, uydu-yer frekansı ise X-bandında yaklaşık 8,42 GHz dir.[3] Transponder anteninin çapı 3,7 m olup, kazancı S-bandında 36 dBi, X-bandında ise 48 dBi dir. Gönderim gücü sadece 12 W tır.

Yer istasyonunda, alınan transponder yanıtı, gönderilen işaretin bir atomik zaman saatinin zaman taramasıyla (time frame/time grid) kaydedilmiş kopyası ile ilintilendirilir (correlated) ve böylece geçen süre (transponderin bilinen tepki süresi de hesaba katılarak) kesinlikle belirlenir. Bu yöntemle uzaklık oldukça doğru hesaplanır. Ancak, işaretin varma süresinin şimdiden bir günden daha fazla olması ve öte yandan Voyager uydusunun 62 140 km/h gibi hızla yoluna devam etmesi nedeniyle bu ölçülen menzil sadece transponder aktivitesinin zaman noktası için geçerliydi.[3]

Bu yanıt, iyonosferin elektromanyetik dalgaların yayılma hızı üzerindeki etkilerini telafi edebilmek için başlangıçta iki farklı frekans bandında düşünüldü. Fakat daha sonra, radar işaretleri için göreli zaman gecikmesi (Shapiro delay) çok iyi bir doğrulukla ölçülebildi.[3]

Derin Uzay Ağı

Yalnızca bir uyduya ait bir ölçüm yapabilmek için bile, yeryüzünde Derin Uzay Ağı (Deep Space Network, DSN) denilen bir bütün anten sistemi gerekir. Antenler, en az biri daima transponder yanıtının tam olarak beklendiği yönde inip-kalkabilecek şekilde dağılmıştır. Yürütme zamanları çok uzun olduğundan (günümüzde 1,5 gün), tek bir büyük anten kullanılması durumunda, yeryüzünün dönmesi nedeniyle transponder yanıt işareti antene, büyük bir olasılıkla antenin uyduyu görmediği yeryüzünün ters tarafına ulaşacaktı.

Eğer birkaç sorgulama istasyonu ya da birkaç transponder görev yapıyorsa görev yapan tüm donanım standardize edilmiş olmalıdır. Sorgulama sistemi antenlerinin çapı 70 m dir. Bu antenler Goldstone (Kaliforniya), Madrid (İspanya) ve Canberra da (Avustralya) konuşlanmıştır. Ayrıca transponderler de standartlaştırılmıştır. Bunlar, örneğin Küçük Derin Uzay Transponderi (Small Deep Space Transponder, SDST) ya da sadece Derin Uzay Transponderi (Deep Space Transponder, DST) olarak adlandırılmışlardır. Doğal olarak bu transponderler değişik amaçlı uygulanabilir. Bunlar, yalnızca ikincil bir radar sisteminin bir bileşeni olarak çalışmakla kalmaz, uydu ile iletişim kurmak için de kullanılırlar. Sadece bu tekrarlayıcı-işlevi, bu transponderin yürütme zamanının ölçümü için de kullanılabilmesi imkânını sağlar.

Hem anten boyutunun küçülmesi, hem de olabildiğince iyi bir yönlülük sağlanması amacıyla taşıyıcı frekans bölgesi olarak X–bandından başlayan Ka–bandına kadar uzanan çok yüksek bir frekans bölgesi seçilmiştir. Daha önceki transponderler ve hem de yeryüzüne yakın bölgedeki transponderler atmosferik zayıflamaların az olduğu (yaklaşık 1 dB) S-bandında da çalışırlar.

NASA’nın Deep Space Network now web sayfasında her bir yer istasyonunun güncel eylemleri verilmektedir. Örneğin bu sayfada Voyager-sondasından alınan yanıt işaret gücünün -160 dBm civarında olduğu bildirilmektedir.