Fińsko-polskie satelity SAR – rewolucja w obserwacji Ziemi [ANALIZA]

Pierwsze radary z syntetyczną aperturą funkcjonowały w oparciu o analogowe komputery optyczne, wykorzystujące światło przetwarzane na wiązkę lasera i techniki holograficzne do wykonania zobrazowania danego obszaru na powierzchni Ziemi. Współcześnie są doskonalone i znane jako technika obrazowania teledetekcyjnego, która może dostarczać precyzyjnych informacji o nieruchomych obiektach bez względu na panujące warunki atmosferyczne. Oznacza to, że skanowanie terenu przy pomocy wiązki radarowej może przenikać przez chmury i gromadzić dane nawet w warunkach zaciemnienia danego obszaru na Ziemi. Oprócz posiadania tych oczywistych atutów SAR zapewnia szereg innych możliwości, których nie jest w stanie zagwarantować kosmiczne zobrazowanie optyczne.

Korzyści z zastosowania SAR w technologiach kosmicznych

Po pierwsze, należy do nich wysoka rozdzielczość niezależna od odległości (ang. High Resolution Independent of Distance) przekładająca się na możliwości uzyskania szczegółowego zobrazowania pomimo odległości czujnika SAR znajdującego się w przestrzeni kosmicznej względem powierzchni Ziemi. Oznacza to, że wysokość orbity, na której znajduje się satelita wyposażona w radar z syntetyczną aperturą nie wpływa na jakość przesyłanych danych obrazowych. Stanowi to przewagę ponad satelitami zdolnymi do prowadzenia rozpoznania optycznego. W ich przypadku odległość pomiędzy czujnikiem optycznym a obiektem znajdującym się na Ziemi jest kluczowa, by zobrazowanie mogło zostać zrealizowane z sukcesem i bez naruszenia parametrów rozdzielczości.

Po drugie, zmienna rozdzielczość i pokrycie (ang. Variable Resolution and Coverage), co oznacza opcję elektronicznego, w pełni zdalnego kontrolowania SAR w celu dokonania zmian wprowadzonych parametrów dotyczących rozdzielczości i pokrycia określonego terenu. W praktyce pozwala to na zbieranie obrazów na małych obszarach z najwyższą rozdzielczością, na średnich obszarach ze średnią rozdzielczością lub na dużych obszarach z najniższą rozdzielczością.

Po trzecie, spójne pokrycie danego obszaru (ang. Coherent Illumination), obejmujące kontrolowane metody obrazowania przy pomocy SAR, polegające na tworzeniu obrazów podaperturowych, które podkreślają wyraziste cechy i ruch obiektów znajdujących się na określonej powierzchni terenu, gęste modele wysokościowe, precyzyjne pomiary ruchu powierzchni, a także serie zmian amplitudy oraz spójności.

Fińsko-polskie rozwiązanie dostępne na rynku

Na światowym rynku działa kilka firm, które oferują produkty z zakresu radarowej obserwacji Ziemi. Na ten moment światowym liderem jest fińsko–polskie przedsiębiorstwo ICEYE, funkcjonujące na rynku technologii kosmicznych, które rozpoczęło swoją działalność w 2014 roku. Po roku od zainaugurowania działalności, w ramach misji obserwacji Ziemi, firma sformułowała koncepcję użycia radaru z syntetyczną aperturą (ang. Synthetic Aperture Radar – SAR) do monitorowania dryfujących elementów lodu, które potencjalnie mogą stwarzać zagrożenie w środowisku morskim dla statków odbywających rejs w rejonach podbiegunowych.

Od tego czasu na przestrzeni kolejnych lat eksploatacja urządzeń wyposażonych w SAR uległa rozwojowi. Od 2018 roku w przestrzeń kosmiczną wystrzelono ponad 30 satelitów tego rodzaju wyprodukowanych przez ICEYE, a w 2024 roku firma planuje wyniesienie przynajmniej 20 kolejnych.

Charakterystyka satelitów SAR od firmy ICEYE

Budowa satelitów firmy ICEYE została zoptymalizowana w taki sposób, aby nie tylko ograniczyć ich gabaryt zewnętrzny, ale także zapewnić redukcję kosztów ponoszonych podczas eksploatacji, w porównaniu do satelitów starszych generacji. Satelity te charakteryzują się całkowitą masą własną wynoszącą 120 kg, a także zostały wyposażone w baterię zapewniającą im pracę przez 1,4 kWh. Jest ona zasilana przez pięć paneli solarnych o maksymalnej mocy 345 W.

Kluczowym elementem w budowie technicznej satelity jest syntetyczna apertura posiadająca dedykowaną antenę, którą można elastycznie manewrować w przestrzeni kosmicznej podczas skanowania określonego obszaru na Ziemi przy użyciu wiązki radarowej. Komunikacja radiowa pomiędzy satelitami SAR a infrastrukturą naziemną odbywa się w paśmie częstotliwości S oraz X, z czego łączność w relacji „łącze w dół” (ang. downlink) przebiega wyłącznie za pośrednictwem pasma X. Wybór tego zakresu częstotliwości radiowej jest nieprzypadkowy.

Pasmo X zapewnia unikatowe charakterystyki, stanowiąc idealne rozwiązanie do implementowania w sensorach kosmicznych. Należy zaliczyć do nich możliwości przenikania przez warstwę chmur, smogu, pyłu wulkanicznego, burz piaskowych oraz dużą odporność na rozpraszanie przez światło widzialne i gazy atmosferyczne.

Praca satelitów SAR od firmy ICEYE opiera się na funkcjonowaniu w jednym z czterech podstawowych trybów, takich jak: obrazowanie pasmowe (ang. Strip Mode), obrazowanie punktowe (ang. Spot Mode) obrazowanie krytyczne (ang. Dwell Mode) i skanowanie (ang. Scan Mode). Opracowane rozwiązania pozwalają na płynne przejścia pomiędzy poszczególnymi trybami w trakcie prowadzenia obrazowania. W przyszłych wersjach planuje się dodawanie kolejnych trybów w celu dalszego doskonalenia parametrów zobrazowania.

Możliwe obszary wykorzystania satelitów SAR

Analizując zdolności operacyjne oraz parametry techniczne zadeklarowane przez firmę ICEYE w aspekcie konstelacji satelitów wyposażonych w radar z syntetyczną aperturą można wykorzystać je w następujących obszarach:

1. Bezpieczeństwo i obronność – satelity SAR są atrakcyjną technologią do operacyjnego stosowania w sferze militarnej z uwagi na możliwość realizowania obrazowania zarówno w dzień jak i w nocy, a także przez gęste pokrycie chmur, stanowiących naturalne zjawiska występujące na Ziemi. Kolejny atut stanowi prowadzenie komunikacji radiowej, odbywającej się w relacji downlink w paśmie częstotliwości X, które charakteryzuje się bardzo wysokim stopniem odporności na warunki atmosferyczne panujące na Ziemi. Syntetyczna apertura radarowa jest wykorzystywana w siłach zbrojnych od dawna i umożliwia prowadzenie rozpoznania, lecz uzyskanie zdolności zobrazowania z przestrzeni kosmicznej stanowi nowatorski wymiar przewagi informacyjnej. Warto zauważyć, że obecnie nie wszystkie państwa posiadają możliwości korzystania ze zdolności oferowanych przez satelity wyposażone w radar z syntetyczną aperturą. Nie mniej, technologię tą należy uznawać za współczesne i w pełni operacyjne rozwiązanie dla sił zbrojnych dostępne na rynku kosmicznym;

2. Monitorowanie granic państwowych – dzięki któremu realne byłoby kontrolowanie nielegalnych migracji ludności, rejestrowanie niebezpiecznych sytuacji, prowadzenie rozpoznania nad ich rozwojem lub obserwowanie incydentów przygranicznych występujących na terytorium państw sąsiadujących, co może przełożyć się na wczesne ostrzeganie dotyczące np. koncentracji sprzętu wojskowego;

3. Kontrolowanie portów morskich i działań w operacyjnej domenie morskiej – stwarza możliwości pełnienia nadzoru nad portami morskimi oraz ładunkami transportowanymi przez statki. Satelity SAR pozwalają na kontrolowanie zarówno infrastruktury portowej jak i określonych szlaków handlowych na otwartym morzu bez względu na panujące warunki atmosferyczne, ponieważ mogą uchwycić zobrazowanie obejmujące obszar o powierzchni nawet 50 tys. km2.

4. Wykrywanie obiektów naziemnych – jest szczególnie istotne z perspektywy prowadzenia działań militarnych na szczeblu strategicznym. Bez wątpienia ułatwia proces decyzyjny ukierunkowany na niszczenie wybranych elementów infrastruktury krytycznej przeciwnika podczas prowadzenia operacji wojskowej;

5. Monitorowanie środowiska naturalnego – zakres tych funkcjonalności może obejmować m. in. kontrolowanie stanu wylesiania – zmniejszania udziału terenów leśnych w ogólnej powierzchni danego obszaru, kontrolowanie lodu dryfującego występującego głównie w klimacie polarnym, którego topnienie na skutek globalnego ocieplenia powoduje wzrost poziomu wód oceanicznych, ocenianie skutków katastrof naturalnych, pozwalające na wczesne obserwowanie rozmiarów zniszczeń powstałych podczas klęsk żywiołowych, takich jak: tsunami, trzęsienia ziemi, wybuchy wulkanów; w celu zaplanowania działań ukierunkowanych na odbudowę infrastruktury;

6. Monitorowanie i śledzenie wycieków ropy – wycieki ropy poniżej siedmiu ton charakteryzują się niskim prawdopodobieństwem wykrycia. Szacuje się, że te stosunkowo małe incydenty stanowią aż 80% wszystkich wycieków i są szkodliwe dla środowiska naturalnego. Ich wykrycie pozwala na szybkie zneutralizowanie potencjalnie niebezpiecznych skutków i ewentualne wniesienie roszczenia przeciwko morskim sprawcom zanieczyszczeń na danym obszarze.

Podsumowanie

Konstelacje satelitów wyposażonych w radary z syntetyczną aperturą stwarzają możliwości wykorzystania w różnych obszarach, które wskazano w zaprezentowanej analizie. Jednym z nich jest sfera militarna. Jednak uniwersalność tego typu satelitów pozwala również na ich szerokie wykorzystanie przez podmioty cywilne. Oznacza to, że należy je sklasyfikować jako technologie podwójnego zastosowania (ang. dual use). Tak wysoki stopień elastycznego dostosowania do aktualnych potrzeb sprawia, że posiadają one niekwestionowaną przewagę na współczesnym rynku kosmicznym.

Trzeba podkreślić, że wraz z rozwojem oraz doskonaleniem satelitów typu SAR katalog możliwości ich operacyjnego użycia będzie się w przyszłości rozszerzał o nowe obszary.

MATERIAŁ SPONSOROWANY