Podgląd radarowy w wydaniu New Space. Firmy czasów przełomu [ANALIZA]

Sięgać szerzej, widzieć lepiej – od radaru lotniczego do mikrosatelitów SAR

Tempo zmian na globalnym rynku satelitarnych układów radarowej obserwacji Ziemi jest czymś znamiennym, nawet na tle innych dynamicznie ewoluujących segmentów branży nowych technologii. Należy przy tym pamiętać, że sama technologia SAR ma rozległy rodowód i zastosowanie obejmujące zdecydowanie nie tylko satelity, a w dodatku podlega szybkiej ewolucji i rynkowej ekspansji. Według zapowiedzi i wyliczeń z 2020 roku, przedstawionych m.in. przez agencje konsultingowe Global Market Insights Inc. oraz Mordor Intelligence, cały rynek radarowej obserwacji Ziemi (tak z orbity, jak i w obrębie atmosfery – z platform powietrznych i naziemnych) do 2026 roku co najmniej podwoi swoją dotychczasową wartość. Analitycy spodziewają się, że skala przychodów w tej gałęzi sektora osiągnie wówczas między 6,5 mld a 8,5 mld USD (w porównaniu do zanotowanych w 2020 roku 3,3 mld USD). Znaczący udział w tym mają uzyskać komercyjne systemy satelitarne, wśród których coraz szerzej reprezentowane są instrumenty zminiaturyzowane, rozwijane przez spółki segmentu New Space.

Sama formuła SAR i metody jej wykorzystania w obserwacji Ziemi są przy tym znane i praktykowane już od dawna. Pierwsze próby wdrożenia koncepcji radaru o syntetycznej aperturze sięgają jeszcze lat 50-tych XX wieku i dotyczą zdolności prowadzenia rozpoznania z pokładu samolotów zwiadowczych. Instrumenty SAR pozwalają na dokładne rejestrowanie obrazów terenu z zastosowaniem mikrofal. Umożliwia to prowadzenie obserwacji w warunkach nikłej widoczności – nawet w sytuacji pełnego zachmurzenia, zadymienia oraz w nocy.

Dowodem na niezwykłą przydatność radarowych obserwacji satelitarnych było w ostatnim czasie chociażby wypatrzenie przez europejskiego satelitę Sentinel-1A na Morzu Czarnym uszkodzonego przez Ukraińców rosyjskiego krążownika rakietowego „Moskwa". Jak informował wówczas portal Space24.pl: Co ciekawsze – instrumenty radarowe, które co prawda cechują się niską rozdzielczością, zdołały wyłapać "zamieszanie" wokół jednostki, świadczące o istniejącym wówczas pożarze, który w danym momencie trawił "Moskwę". Oznaczałoby to, że okręt został uchwycony przez Sentinela w niedługi czas po trafieniu jednostki przez pociski Neptun, a na kilka godzin przed swoim zatonięciem.

Wróćmy jednak do samej zasady działania satelitów wyposażonych w radar z syntetyczną aperturą, najczęściej określany po prostu akronimem SAR. Kluczem do postępu w tej materii było zastosowanie substytutu jednolitej anteny o trudno osiągalnej średnicy. Zamiast rozległej konstrukcji zbierającej wyemitowane i odbite od terenu fale na całej swojej powierzchni, zdecydowano się potraktować zbiorczo osobne odczyty sygnału odbieranego przez pojedynczą antenę z porównywalnych, stosunkowo nieodległych od siebie miejsc na trasie jej przemieszczenia

Uzyskanie tej tzw. syntetycznej apertury radarowej pozwoliło szerzej rejestrować odbite od powierzchni Ziemi promieniowanie mikrofalowe i tworzyć na tej podstawie dokładniejsze zobrazowania. W dalszej perspektywie umożliwiło też powstanie pierwszych wydajnych satelitów z sensorami radarowymi, których odbiorniki mogły zbierać zobrazowania o rozdzielczości przestrzennej rzędu nawet pół metra — oferując zatem niejednokrotnie rozdzielczość porównywalną bądź lepszą jak w przypadku równolegle stosowanych optycznych kamer satelitarnych. Wymagały one jednak do działania odpowiednio rozbudowanego ładunku użytecznego i zapewnienia należytych zasobów energii – której taki system SAR potrzebował dużo.

Niemniej rozwiązanie to szybko okazało się nieocenione w istotnych rządowych zastosowaniach jak: zwiad wojskowy, zarządzanie kryzysowe, urbanistyka i planowanie przestrzenne, a także działalność służb i kontrola granic – w tym, śledzenie jednostek nawodnych czy też wycieków ropy na morzach i oceanach. W miarę powiększania się konstelacji satelitów radarowych, pojawiły się zresztą też pochodne i szersze zastosowania – jak analiza skali przemieszczeń gruntu (w tym występowania szkód górniczych) oraz rejestrowanie dyslokacji i ruchu obiektów (dzięki porównywaniu różnic między wieloma obrazami SAR). Dość wspomnieć, że możliwość wykonywania satelitarnych zobrazowań radarowych z tej samej pozycji w przestrzeni, ale w różnym czasie, umożliwiła rejestrowanie na obserwowanym obszarze odchyleń i przemieszczeń o skali zaledwie kilku milimetrów.

Nowa fala

Równolegle do stosowania ciężkich satelitów SAR prowadzono żywe rozważania nad możliwością połączenia zdolności obserwacji radarowej z zyskującymi na znaczeniu w XXI wieku mikroplatformami satelitarnymi. Nowe rozwiązania COMPACT-SAR miały zapewnić mniejsze koszty produkcji, wyniesienia i użytkowania oraz krótszy czas dostaw, przy jak najmniejszej stracie na jakości obrazu. Osiągnięcie tego celu wymagało początkowo uwzględnienia dużych ograniczeń wymuszających użycie znacznie lżejszych, mniej "energożernych" sensorów radarowych.

Warto przy tym wspomnieć, że już w styczniu 2008 roku praktycznie potwierdzono, że ładunki radarowe mogą działać z powodzeniem na mniejszych satelitach – w ramach misji TecSAR-1/Ofeq-8 (obiekt o masie 270 kg, stworzony przez Israel Aerospace Industries i Elta Systems). Niemniej, był to nadal system powstały w ramach skomplikowanego, długotrwałego i kosztownego procesu produkcji. W dalszym ciągu istniały też poważne bariery, aby budować jeszcze mniejsze satelity obserwacji radarowej, z których można by w krótkim czasie tworzyć całe konstelacje SAR.

W datowanym z kolei na 2011 rok opracowaniu akademickim z brytyjskiego University of Surrey podkreślano, że wyzwaniem stojącym przed twórcami kompaktowych satelitów SAR pozostaje w dalszym ciągu efektywna kosztowo konwersja oraz pogodzenie wymagań pomniejszonych anten z ograniczonymi zasobami, jakie można zmieścić na platformie mikrosatelitarnej. W zaprezentowanej wówczas analizie badawczej stwierdzono, że odpowiednio tani i skuteczny ładunek SAR mógłby działać w mikrofalowym paśmie L, zapewniając niezbyt zadowalającą rozdzielczość przestrzenną 30 m oraz pokrycie fragmentu terenu o rozmiarach 30x30 km. Jako platformę zdatną do zapewnienia działania takiego ładunku uznano wówczas system SSTL-150 przenoszący prostą rozkładaną antenę paraboliczną.

Przedstawiony w badaniu zamysł sprawdzono w praktyce jedynie częściowo, w ramach misji eksperymentalnego mikrosatelity TechDemoSat 1 (TDS 1) w 2014 roku. Zbudowany w zakładach Surrey Satellite Technology Ltd (SSTL) obiekt miał całkowitą masę rzędu 150 kg (przy zakładanych 50 kg samego ładunku użytecznego). W jego skład wchodził zalążkowy układ radaru z syntetyczną aperturą dostarczony przez spółkę Airbus Defence and Space oraz szereg niepowiązanych z nim urządzeń badawczych.

Kontynuowana współpraca obu tych podmiotów na polu obserwacji radarowej przyniosła wkrótce (w 2018 roku) stworzenie i wyniesienie już pełnoprawnego brytyjskiego satelity teledetekcyjnego NovaSAR-S 1. Był to jednak obiekt o większej masie, rzędu 430 kg, bazujący na ładunku użytecznym Airbusa umieszczonym na platformie pokrewnej względem SSTL-300. Zastosowany układ radarowy dostosowano do prowadzenia obserwacji w paśmie S, zapewniając rozdzielczość przestrzenną w przedziale 6-30 m.

W tym czasie na światową "scenę" zaczęły już wkraczać pierwsze komercyjne mikrosatelity SAR podmiotów kojarzonych z nurtem New Space. To one w istocie skutecznie zapoczątkowały użytkowe wykorzystanie mikrosatelitów w roli wydajnych platform obserwacji radarowej. Co więcej, pierwszy w dziejach satelita SAR o masie poniżej 100 kg został rozmieszczony w styczniu 2018 roku przez młodą fińsko-polską firmę, której współzałożycielem i obecnym CEO jest polski przedsiębiorca – Rafał Modrzewski.

ICEYE

Założona w 2014 r. i wywodząca się z Finlandii spółka ICEYE szybko i spektakularnie przebyła drogę od wschodzącego startupu z dużymi ambicjami do wiodącej w skali całego globu spółki sektora teledetekcji satelitarnej. Od momentu wprowadzenia na orbitę opisanego wyżej mikrosatelity ICEYE-X1 (ICEYE POC1 – będącego jeszcze demonstratorem technologii), na przestrzeni zaledwie 4 lat spółka rozmieściła w przestrzeni okołoziemskiej w sumie aż 16 obiektów. Co ciekawe, drugi z demonstratorów (mikrosatelita X2, będący już udoskonalonym projektem względem pierwszego) pozostał aktywny aż do tej pory, pozostając na orbicie od grudnia 2018 roku.

Oprócz dotychczas sprawdzonych użytkowo dwóch generacji własnych satelitów, firma ICEYE dostarczała już także systemy podglądu orbitalnego na zamówienie dla klientów zewnętrznych. Wśród klientów firmy znajdują się różni odbiorcy państwowi – w tym, siły zbrojne Finlandii, Stanów Zjednoczonych, a także rządy Wielkiej Brytanii oraz Brazylii. Jeszcze na 2022 rok zapowiedziano natomiast rozpoczęcie rozmieszczania kolejnej wersji składników własnej konstelacji satelitów SAR. Systemy te mają być nieco bardziej masywne od poprzedników, mieszcząc się nadal w przedziale mikrosatelitarnym, rzędu od 75 do 125-150 kg.

Firma zwraca przy tym uwagę, że oferowany przez nią układ z sensorem radarowym jest prawdopodobnie najbardziej zminiaturyzowanym rozwiązaniem tego rodzaju dostępnym obecnie na rynku. To właśnie dzięki temu firma przełamała istniejące dotąd ograniczenia w stosowaniu mikrosatelitarnych systemów SAR, uzyskując z nich (jako pierwszy na świecie dostawca) dane radarowe o rozdzielczości przestrzennej poniżej 1 metra. W praktyce zdolności te w pewnych oferowanych komercyjnie trybach pozwoliły na uzyskiwanie rozdzielczości rzędu nawet 0,5 m – zapowiedziano przy tym, że kolejnym osiągniętym użytkowo celem jest skala 0,25 m (tryb Spot).

Szczególnym osiągnięciem przedsiębiorstwa o fińsko-polskim rodowodzie jest wprowadzenie zdolności określanej jako Daily Coherent Ground Track Repeat (GTR). Dzięki temu kolejne przeloty satelity nad danym terytorium odbywają się z zachowaniem dokładnie takiej samej geometrii orbity. W efekcie podczas kolejnych przejść satelita przelatuje dokładnie nad tymi samymi punktami na powierzchni Ziemi oraz prowadzi obserwacje obszarów zainteresowania regularnie patrząc pod takim samym kątem.

Dzięki GTR możliwe jest precyzyjne codzienne monitorowanie zmian zachodzących na badanym terytorium. To z kolei pozwala zautomatyzować proces ciągłego wykrywania zmian.

Stały monitoring, który jest dostępny dzięki technologii ICEYE, to pierwsza prawdziwie globalna możliwość spoglądania na rzeczy codziennie, a niekiedy nawet częściej niż raz dziennie. Możemy pozyskiwać zobrazowania dla setek lokalizacji co 12, co 8, co 4, 5, 6 godzin. I ten strumień danych może być przesyłany do nas w sposób ciągły
Rafał Modrzewski, dyrektor generalny i współzałożyciel ICEYE

Pokonywanie przez satelity dokładnie tych samych orbit jest możliwe dzięki wypracowaniu przez firmę zdolności bardzo precyzyjnego manewrowania oraz korygowania trajektorii swoich jednostek. Należy przy tym podkreślić, że satelity ICEYE mają na pokładach znaczne ilości materiału pędnego dla swoich manewrowych silników jonowych.

Istotnym motorem rozwoju spółki na przestrzeni lat były kolejne rundy zewnętrznego finansowania inwestycji, z których – jak dotąd – ICEYE uzyskało na całym świecie aż 288 mln USD. Wraz z nimi znacznym zasileniem budżetu spółki były zamówienia rządowe – przykładowo, pojedynczy kontrakt realizowany dla ministerstwa obrony Brazylii miał zapewnić ICEYE blisko 34 mln USD. Równolegle spółka stała się ważnym partnerem sektorowym Europejskiej Agencji Kosmicznej.

Ponadto, jak poinformowano w październiku 2021 r., zobrazowania gromadzone przez satelity ICEYE będą zasilać zbiory danych europejskiego systemu obserwacji Ziemi Copernicus. Stało się to możliwe na mocy porozumienia podpisanego wówczas pomiędzy przedsiębiorstwem oraz Europejską Agencją Kosmiczną, która informowała wtedy na swojej stronie internetowej: w tym przypadku ESA odpowiada za koordynację wszystkich działań w ramach Copernicus Contributing Mission, na rzecz programu Copernicus, w imieniu Komisji Europejskiej..

Firma podkreśla osobno, że bardzo istotnym czynnikiem jej rozwoju i coraz większego globalnego potencjału oddziaływania jest centrum operacji satelitarnych funkcjonujące w polskim oddziale ICEYE (Warszawa). Przy tym przedstawiciele spółki wskazują, że sprawnie, bezpiecznie i bez zbędnej zwłoki są w stanie transferować obsługę konkretnych satelitów bezpośrednio do infrastruktury klienta (zwłaszcza satelitów na użytek rządowy). Obejmuje to także niezbędny pakiet szkoleniowy i przygotowanie do przetwarzania pozyskiwanych danych radarowych.

Przedsiębiorstwo ICEYE jest ponadto stałym i uznanym partnerem amerykańskiej armii, Narodowej Agencji ds. Wywiadu Geoprzestrzennego (National Geospatial-Intelligence Agency – NGA) oraz Narodowego Biura Rozpoznania (National Reconnaissance Office – NRO). Ponadto ICEYE został zaproszony do udziału w manewrach US Navy, podczas których dostawca danych SAR wykazał się pełną skutecznością w dostarczeniu zleconych zobrazowań. Jak wykazano wówczas, podmiot ten osiągnął zaskakująco korzystne rezultaty jeśli chodzi o czas dostarczenia danych od momentu zdefiniowania zapotrzebowania i zlecenia. Wszystko to jest dowodem kompetencji i stanowi duże wyróżnienie dla firmy, której korzenie wywodzą się spoza USA.

Capella Space

Uznawana obecnie za największego konkurenta ICEYE na globalnym rynku kompaktowych rozwiązań SAR, amerykańska firma Capella rozwija swoją działalność od 2016 roku. Prowadzona jest przez byłego inżyniera NASA Jet Propulsion Laboratory, będącego jednocześnie jej założycielem (Payam Banazadeh). Podobnie jak bezpośrednia konkurencja, Capella wdraża technologię umożliwiającą użytkowe wykorzystanie mikrosatelitów do pozyskiwania i przetwarzania danych radarowych wysokiej rozdzielczości (rzędu ok. 0,5 m).

Kalifornijska spółka rozpoczęła rozmieszczanie swojej infrastruktury orbitalnej od demonstratora Capella 1 (Capella Denali), który znalazł się w przestrzeni okołoziemskiej w grudniu 2018 roku. Z kolei pierwsze użytkowe składniki konstelacji lekkich instrumentów obserwacji radarowej tej firmy zaczęły trafiać na orbitę w sierpniu 2020 roku. Podstawowym założeniem jej rozwoju jest skompletowanie bazowej sieci 7 mikrosatelitów opartej głównie na użytkowej konstrukcji wykorzystanej w misji demonstratora Capella 2 (Sequoia). Są to obiekty o masie blisko 112 kg, wyposażone w sensor radarowy korzystający z pasma X.

Jak do tej pory, Capella Space jest w trakcie kompletowania swojej bazowej, siedmioskładnikowej konstelacji (po misji z początku 2022 roku rozmieszczonych pozostawało sześć egzemplarzy generacji Whitney). Docelowo jednak przewidywane jest dalsze rozwijanie sieci orbitalnej, która w wariancie maksimum ma składać się z 36 obiektów mikrosatelitarnych. Nazwa kalifornijskiej firmy padała w ostatnich latach dość często w kontekście projektów i próbnych zamówień mikrosatelitarnych realizowanych na potrzeby amerykańskich sił zbrojnych.

Umbra

Firma Umbra powstała w 2015 r. Jej siedzibą jest Santa Barbara w stanie Kalifornia. Przedsiębiorstwo stawia sobie za cel dostarczanie zobrazowań SAR z rozdzielczością dochodzącą do 25 cm, a nawet lepszą. Umbra planuje stworzyć na niskiej orbicie okołoziemskiej konstelację swoich urządzeń, na którą złożą się co najmniej 24 satelity.

Przewagę konkurencyjną firma zamierza zdobyć dzięki swojej opatentowanej rozkładanej antenie, którą satelita rozwija dopiero na orbicie. Obrazowo opisał to w czerwcu 2021 roku portal breakingdefense.com: Antena składa się „jak origami", aby zmieścić się w bardzo małym opakowaniu, ale rozkłada się, tworząc bardzo dużą aperturę potrzebną do obserwacji szerokiego pasa ziemi (...). Na orbicie antena rozkłada się dzięki konstrukcji z szeregiem żeber przymocowanych do centralnego hubu. Konstrukcja anteny pokryta jest elastycznym materiałem dobrze odbijającym promieniowanie elektromagnetyczne. Ta innowacyjna technologia zapewnia możliwość pozyskiwania wysokiej jakości zobrazowań SAR przy relatywnie niskim zużyciu energii elektrycznej przez satelitę.

W styczniu 2021 r. Umbra pochwaliła się pozyskaniem 32 mln USD w ramach udanej rundy finansowania. Pierwszy satelita firmy, ważący 65 kg Umbra-SAR 2001, poleciał 30 czerwca 2021 r. Druga jednostka, Umbra 02, została wystrzelona 13 stycznia 2022 r. Według zapewnień Todda Mastera, który w przedsiębiorstwie pełni rolę COO, Umbra nastawia się przede wszystkim na sprzedaż danych satelitarnych, natomiast nie jest zainteresowana oferowaniem powiązanych z tym usług analitycznych czy też sprzedażą własnych satelitów radarowych.

Włodarze firmy chcą zredukować koszty pozyskiwania danych SAR do poziomu porównywalnego z gromadzeniem satelitarnych zobrazowań elektrooptycznych. Jak tłumaczył cytowany przez portal SpaceNews współzałożyciel Umbry Gabe Dominocielo: Nasza autorska technologia poprawia wydajność satelitów, jakość danych i pozwala zbierać [dane dla] wielu obszarów zainteresowania w wysokiej rozdzielczości, co pozwala nam oferować niższe ceny.

W styczniu 2022 r. poinformowano, że satelitarne dane radarowe od Umbry zostaną poddane ewaluacji przez amerykańskie Narodowe Biuro Rozpoznania (National Reconnaissance Office – NRO), jeśli chodzi o możliwość wykorzystania tych produktów do realizacji zadań na rzecz bezpieczeństwa narodowego USA.

Synspective

Startup Synspective rozwijany jest od kilku lat w Japonii. W latach 2015-2022 spółce udało się zgromadzić finansowanie w wysokości 200 mln USD. Firma planuje do końca 2023 r. mieć na orbicie sześć satelitów radarowych, zaś pod koniec roku 2026 dysponować już konstelacją 30 urządzeń. Kluczem do redukcji kosztów ma być relatywnie prosta konstrukcja sensorów Synspective. Każdy z satelitów firmy wyposażany jest w rozkładaną dopiero po osiągnięciu orbity antenę do akwizycji zobrazowań SAR, mierzącą 5 m.

Satelity spółki będą prowadzić zobrazowania w paśmie X. W efekcie pozyskiwane będą obrazy o rozdzielczości 1-3 m, przy szerokości ścieżki obrazowania między 10 a 30 km. Patent na technologię ładunku użytecznego w satelitach Synspective należy do japońskiej agencji kosmicznej JAXA, zaś technologia związana z wykorzystywanymi w tym przypadku platformami satelitarnymi jest własnością Uniwersytetu Tokijskiego. Pierwszy satelita japońskiego przedsiębiorstwa, nazwany StriX-α, poleciał w grudniu 2020 r. Druga jednostka – StriX-β – została wystrzelona pod koniec lutego 2022 roku.

Mikrosatelity SAR sztandarowym symbolem „rewolucji New Space"

Rozwiązania mikrosatelitarne w segmencie obserwacji radarowej zyskują szczególnie mocno na znaczeniu w obszarze zainteresowania innowacjami i nowymi technologiami kosmicznymi – nie tylko po stronie podmiotów rządowych (sił zbrojnych i służb), ale także cywilnych i komercyjnych (firmy branży wydobywczej, ubezpieczeniowe, szereg innych). Do zwracania uwagi na usługi spółek takich jak ICEYE i Capella skłaniają korzystny bilans koszt-efekt oraz elastyczność korzystania z szerokich konstelacji SAR, zwłaszcza w kontekście zdecydowanie większego pokrycia terenu i możliwości podglądu w czasie coraz bardziej zbliżonym do rzeczywistego. Kluczowym wymogiem, który pozostawał dotąd niewypełniony w obserwacji Ziemi, jest możliwość bardzo szybkiego i bardzo częstego śledzenia zmian – przekonywali na początku swojej rynkowej drogi przedstawiciele ICEYE.

Obecnie warunek ten jest już wypełniany w znacząco większym stopniu dzięki istniejącym zalążkom dużych konstelacji mikrosatelitarnej obserwacji radarowej. Dalsze prace nad poprawą tych zdolności są w toku. Mikrosatelity mogą zapewnić potencjalnie jeszcze więcej skuteczności w wypełnianiu różnych zadań i realizacji usług dla użytkowników komercyjnych: teledetekcji, zwiadu radioelektronicznego, monitoringu sytuacji na morzach i oceanach, oceny skutków zjawisk naturalnych i wymuszonych przez człowieka – w tym klęsk żywiołowych i katastrof. Aby spełnić wysokie wymagania w szybko zmieniających się realiach, elastyczność korzystania z takich platform jest kluczowym czynnikiem, co bezpośrednio wynika z rosnącej wydajności rozwiązań zminiaturyzowanych.