Konstelacja satelitów rozpoznania radiolokacyjnego SAR firmy ICEYE.

Małe jest piękne. Satelity rozpoznawcze - miniaturowa rewolucja

Pierwszy sztuczny satelita Ziemi Sputnik (1957 r.) miał masę 83 kg, z czego 50 kg stanowiły ogniwa srebrowo-cynkowe. Produkowana przez nie energia elektryczna wystarczała jedynie do zasilania nadajnika radiowego i wentylatora systemu chłodzenia. Pierwszy amerykański satelita Explorer-1 (1958 r.) miał masę 14 kg, z czego 40% stanowiły baterie niklowo-kadmowe, zaś na dwa nadajniki radiowe i kilka przyrządów badawczych przypadło 8,3 kilogramów. A jednak dzięki miniaturyzacji, a przede wszystkim zastosowaniu tranzystorów, satelita ten odkrył pasy promieniowania uwięzionego Ziemi, co radykalnie zmieniło rozumienie najbliższego środowiska kosmicznego. Okazało się, że to nie masa, czy wielkość, stanowi o uzyskanym wyniku, a postęp techniczny. Jak daleko może on zaprowadzić?

Najpierw zwiększamy parametry

Oczywiście nie jest sztuką wynieść ciężkiego satelitę, jeżeli posiada się rakietę nośną o odpowiednio dużym udźwigu. W pierwszych latach ery kosmicznej przewaga ZSRR nad Stanami Zjednoczonymi w tej kategorii była znaczna, Wostoki były w stanie umieścić na niskiej orbicie okołoziemskiej około pięciu ton ładunku – mniej więcej tyle ważyły pierwsze radzieckie satelity rozpoznawcze typu Zenit, podczas gdy Thor-Agena nieco ponad jedną tonę, a Atlas-Agena poniżej dwóch ton.

Tymczasem zapotrzebowanie na coraz cięższe ładunki – głównie satelity rozpoznania optycznego – bardzo szybko rosło. Najpierw były to satelity ze zwierciadłem głównym o średnicy 1,2 m (KH-8), a potem dwukrotnie większym (KH-11). Również ilość kapsuł, które dostarczały na Ziemię naświetlony materiał zwiększała się – z jednej, poprzez dwie, aż do czterech. W odpowiedzi powstała dla nich rakieta Titan-3 w różnych wersjach, z których największa zdolna była umieścić na orbicie 17 ton.

Satelity rozpoznawcze - miniaturowa rewolucja

Satelity takie cechowały się wysoką rozdzielczością, rzędu nawet 20 cm/piksel, ale miały znaczne ograniczenia. Po pierwsze koszt ich wytworzenia zaczął się zbliżać, a potem przekroczył miliard dolarów za egzemplarz. Po drugie, częstość przelotów nad obszarem zainteresowania zazwyczaj wynosiła jeden raz na dobę. Po trzecie, często zachmurzenie skutecznie uniemożliwiało pozyskanie interesującego materiału fotograficznego. Po czwarte, kapsuły z naświetlonym materiałem, zrzucone w kilku, czy nawet kilkunastotygodniowych odstępach czasu, często zawierały informacje może cenne dla historyków, ale mało użyteczne dla wojsk operacyjnych. Wreszcie po piąte, ale wcale nie najmniej ważne, takie kolosy były doskonałym celem dla broni przeciwsatelitarnej.

Potem zmieniamy technologię

W połowie lat 70. ubiegłego wieku rozpoczęto eliminację czwartego z tych ograniczeń. Taśma filmowa okazała się przestarzała, jej miejsce zajęły matryce CCD. Jako pierwszy wyposażony w matrycę o rozmiarach 800×800, a zatem zaledwie 640 kpix, wystartował w grudniu 1976 r. amerykański satelita KH-11. Choć rozdzielczość tak uzyskanych obrazów była jeszcze znacznie słabsza od tych z filmów, w zamian za to uzyskano inną zaletę – możliwość transmisji obrazu do ośrodka odbiorczego.

Satelita SAR Acadia firmy Capella Space.

Znacznie przyspieszyło to proces obróbki zdjęć, do 2-3 dni, a po wprowadzeniu transmisji danych przez satelitę, do kilkunastu godzin, a więc niemal w czasie realnym. W krótkim czasie zwiększenie rozdzielczości matryc spowodowało całkowite zarzucenie satelitów z filmami zrzucanymi w zasobnikach powrotnych. Jednak nadal nie rozwiązywało to problemu trzeciego – zachmurzenia. Rozwiązaniem okazało się przejście z zakresu widzialnego na mikrofalowe.

Miejsce aparatury zakresu optycznego zajęła stacja radiolokacyjna, dla której chmury nie są żadną przeszkodą. Wymagało to co prawda znacznego zwiększenia zasilania systemów ładunku użytecznego, gdyż były to oczywiście radary aktywne, ale jednoczesny postęp w dziedzinie produkcji coraz bardziej sprawnych ogniw fotowoltaicznych (wzrosła ona z niespełna 5 do blisko 30%) spowodował, że nie trzeba było stosować radioizotopowych generatorów termoelektrycznych, co znacznie podwyższyłoby koszta.

Pierwszy satelita zwiadowczy wyposażony w radiolokator, pod nazwą USA-34, wystrzelony został w grudniu 1988 r. w ramach programu o nazwie kodowej Indigo, zmienionej potem na Lacrosse, a w końcu na Onyx. Satelita wyposażony był w stację radiolokacyjną o syntetycznej aperturze (SAR), jej rozdzielczość wynosiła około 1 metra. W klasycznym radarze w celu zwiększenia rozdzielczości zwiększa się wielkość anteny. Prowadzi to do budowy radiolokatorów o dużych antenach, których wymiary potrafią osiągnąć kilkadziesiąt metrów. Wielkość anteny jest ograniczona możliwościami konstrukcyjnymi, szczególnie gdy radar ma być ruchomy.

Satelity rozpoznawcze - miniaturowa rewolucja

Technika SAR polega natomiast na zwiększeniu wirtualnego rozmiaru anteny poprzez nadawanie i odbiór sygnałów sondujących za pomocą anteny umieszczonej na ruchomej platformie. Zarejestrowane sygnały są następnie składane (syntezowane) w taki sposób, jakby pochodziły od elementów składowych jednej dużej anteny, często o wymiarze kilkuset metrów a nawet kilku kilometrów. W wyniku czego można uzyskać obrazy radarowe o bardzo wysokiej rozdzielczości.

Teoretyczna rozdzielczość SAR w kierunku ruchu platformy (statku powietrznego lub satelity rozpoznawczego) jest równa połowie długości anteny (w kierunku ruchu), zatem zmniejszając wymiar anteny, nieco paradoksalnie można zwiększyć rozdzielczość SAR. Jednak obróbka uzyskanego tą techniką obrazu nie jest łatwa.

Do jej tworzenia początkowo wykorzystywane były analogowe komputery optyczne, wykorzystujące światło laserowe i techniki holograficzne. Obecnie obrazy z SAR są uzyskiwane za pomocą technik cyfrowych – za pomocą komputerów macierzowych. W wielu systemach surowe dane radarowe (próbki odebranego sygnału) są przekazywane do naziemnych centrów obliczeniowych, gdzie za pomocą superkomputerów tworzone są obrazy z syntetycznej apertury. Dopiero we współczesnych czasach, dzięki postępowi w zakresie technik komputerowych, możliwe jest przetwarzanie danych bezpośrednio na pokładzie satelity i wysyłka już tylko gotowego obrazu. Zaletą jest znaczne zmniejszenie ilości przesyłanych informacji. Wróćmy jednak do Onyxa.

Choć pozyskiwane przez niego dane były więcej, niż zachęcające, nadal był to potężny obiekt o masie ocenianej na 14,5-15 ton i koszcie jednostkowym rzędu miliarda dolarów. Zatem w dalszym ciągu nie rozwiązywało to problemu kosztowego, a przede wszystkim czasu rewizyty, czyli ponownego przelotu nad tym samym rejonem globu. W tej sytuacji jedynym rozwiązaniem musiało się stać zwielokrotnienie – i to bardzo znaczne – ilości satelitów, przy ich jednoczesnej – i też niemałej – miniaturyzacji.

Potem znów zaczynamy zmniejszać

Jako przykład fazy przejściowej od kilkunastotonowych satelitów wyposażonych w radar SAR do obiektów o masie rzędu, czy nawet poniżej 100 kilogramów, niech posłuży niemiecki system SAR-Lupe, użytkowany przez Bundeswehrę. Składał się z pięciu identycznych satelitów o masie 770 kg każdy, opracowanych przez niemiecką firmę OHB-System, kontrolowanych przez stację naziemną, odpowiedzialną za sterowanie systemem i analizę pobieranych danych.

Zobacz więcej materiałów w pełnym wydaniu artykułu w wersji elektronicznej >>