Elég csak a jelenleg is zajló konfliktusokra gondolni, hogy érzékeljük az optikai hírszerző/felderítő műholdak nyújtotta képességek fontosságát, legyen szó a tengeri hajózás nyomon követéséről, szárazföldi katonai felderítésről, vagy akár katasztrófa sújtott területek feltérképezéséről. Amíg az űrrepülés kezdetén ezen képességek kizárólagosan csak az Amerikai illetve Szovjetek számára voltak elérhetőek, manapság minden magára valamit is adó ország rendelkezik optikai műholdas felderítéssel. Kína ezen a területen mára technológiailag és számosságot tekintve is az élvonalban tartozik.

A soktonnás nagy kormányzati holdak vagy a kisebb kereskedelmi szolgáltatók eszközei abban szinte mind megegyeznek, hogy alacsony Föld körül pályán (300-700km magasságban) végzik a felszín fényképezését. Ennek kézenfekvő oka, hogy minél közelebb az eszköz a felszínhez, értelem szerűen annál jobb felbontás érhető el. Na most ennek függvényében kellene értelmezni Kína kategóriájában szinte egyedül álló és folyamatosan bővülő Geostacionárius 35.786 km magasságban keringő optikai műholdas műhold flottáját. Ebben a bejegyzésben arra teszek kísérletet, hogy jó közelítéssel meghatározzam a Yaogan-41 képességét, ami nem egy egzakt művelet, lévén ezek a tulajdonságok titkosítottak.

Az állami tulajdonban lévő Xinhua hírügynökség hivatalos közleménye szerint a Yaogan-41 polgári célokra, például földfelmérésekre és mezőgazdasági megfigyelésre, árvíz védelemhez használják majd. Valójában már az is érdekes, hogy egyáltalán elismerték a Yaogan-41 optikai kép-alkotó voltát, ugyanis a Yaogan nevet a titkos katonai eszközök azonosítására használják. (Hasonlóan az Oroszoknál alkalmazott Kozmosz jelöléshez) A műhold titkos voltát hangsúlyozó körülmény, hogy szokatlan módon a rakéta indításról videót nem, csupán pár képet publikáltak.

Kínának ez már a negyedik dedikált ilyen típusú műholdja. Az első még civil besorolású Gaofen-4 2015 ben indult. (A műhold használatával gyűjtött adatokból több tudományos-környezeti tanulmányt is publikaltak, mint például a Bohai tenger Clorofil-a változást figyelve.) Ezt követte 2020-ban a Gaofen-13-1 majd 2023-ban 3 újabb hold Gaofen-13-2 a korábbi írasban tárgyalt SAR képalkotó Ludi Tance 4-01 és végül a Yaogan-41. A jelek szerint ezzel még korántsem ért véget a flotta bővítés.

A korábbi Gaofen műholdakkal szemben a YG-41 már egy teljesen új generációs, azoknál nagyobb méretű és jobb képességű műholdat takar.

Erre utaló jel, hogy amíg a 4600kg-os Gaofen-4 et a Hosszú Menetelés CZ-3-al állították pályára, a Yaogan-41-hez Kína a jelenlegi legnagyobb rakétáját a Hosszú Menetelés CZ-5 használta (ilyennel indították a Mars missziót és a Tiangong állomás elemeit is) de még így sem volt elég nagy a raktere, ezért módosított hosszabb nagyobb befogadású orr kúpot kellett készítsenek amivel összességében több mint 6 méterrel növekedett a CZ5 ezen verziója, így ez lett a legnagyobb rakéta amelyet Kína valaha indított. A hordozó-rakéta GTO képessége elérheti akár a 14 tonnát.

Csillagászati vagy Föld megfigyelő teleszkóp esetében, a fő komponens az optikai tükör-rendszer. A tükör elsőre talán nem tűnhet egy túl bonyolult valaminek, a valóságban nagyon fejlett technológiát igényel a nagy méretű és nagy pontosságú optika elkészítése. Egy űrtávcső tükre pedig még komolyabb kihívást jelent, ugyanis a földi teleszkópokkal szemben annak súlya korlátozó tényező, az űr vákuumában való működés, a hőmérséklet változást deformálódás nélkül tűrő szerkezetet kíván. Ezért is kap egyre nagyobb figyelmet a szilícium-karbid (sic) világszerte, léven magas szintű merevség és méret-stabilitás érhető el vele, relatív alacsony tömeggel.

Kína ezen a területen ért el áttörést azzal, hogy 2019-ben elkészítette első 4 méter átmérőjű SiC tükrét. A Changchun Optikai, Finom Mechanika és Fizika Intézet, a Kínai Tudományos Akadémia (CIOMP, CAS) munka-társai Xuejun Zhang vezetésével előállított SiC aszférikus tükre, kategóriájában a világ legnagyobbja.

Korábban a Herschel távcső fő tükre volt a legnagyobb SiC a maga 3,5 m átmérőjével, de a relatív durva alak pontossága (3 μm) némileg korlátozta a működési spektrumtartományát a távoli infravörös és sub-milliméterben tartományra. 2014-ben a látható fény spektrumában elérhető legnagy SIC tükör a Francia REOSC és Boostec cég gyártotta de az is csak 1,54 m × 0,49 m tükör volt. Ez is jól érzékelteti mekkora előrelépést jelent a 4 méteres kínai tükör a konkurensekhez képest ebben a technológiaban. A publikációban a SiC tükör alapját képező váz szerkezet súlya 120kg/m2 . Gyors számítással megkapjuk, hogy a 4méteres tükör felülete közelítőleg 12.5m2 vagyis a súlya ennek megfelelően 1500kg - másfél tonna! Nyilván vannak ennél nagyobb átmérőjű tükrök, de azok a nagy tömeg okán nem alkalmasak űr felhasználásra.

Hogy jobban perspektívába helyezzük a kínai csillagászati teleszkóp/tükör fejlesztést, érdemes egy rövid kitérőt tenni az amerikai Hubble űrtávcsőre. A talán leghíresebb űr teleszkópot kizárólagosan tudományos feladatokra tervezték, de vele párhuzamosan futott a kormányzati hír-szerzés Keyhole (kulcslyuk) programjának új típusú kém műholdas fejlesztése is.

A két program nagyon hasonló technológiai kihívást támasztott az akkori mérnököknek, így nem meglepő, hogy azok egyes elemében megegyeznek. A Hubble és a KH-11 műhold fő építője a nagy katonai beszállító Lockheed Martin volt. A két műhold optikai valamint felépítési és szerkezeti hasonlóságáról 2012-ben bizonyosodhattunk meg, amikor az Egyesült Államok Nemzeti Felderítő Hivatala, (US National Reconnaissance Office) a NASA-nak adományozta két titkosított távcsövét csillagászati műholdas felhasználásra. Az egyik ilyenből készül a Nancy Grace Roman infravörös űrtávcső. Ezek megépített, de fel nem használt hardverek voltak az NRO kém műholdas programjából. A NASA tisztviselők nyilatkozata szerint, a két távcső megjelenése és szerkezete nagyon hasonló a Hubble távcsőhöz. A fő tükör átmérő is 2.4 méter. Az eszközöket valamikor a 1990-es évek vége és a 2000-es évek elején készítették. Az NRO az új és modernebb KH12 műholdak rendszerbe állításával elavulttá váltak a raktárban álló távcsövek. Pár eszközt a CCD-t és az elektronika egy részét nemzet-biztonsági okok miatt eltávolították valamint az eszköz egyes részei továbbra is titkos. Az ilyen közvetett információkból azért jó képet kaphatunk az USA egy generációval korábbi kémműholdas képességéről.

Több technológia párhuzamos fejlődésére volt szükséges a nagyobb űrteleszkóp megépítéséhez, ezért is, fejlődött szorosan együtt az USA csillagászati távcsőve a kémműholdas programmal. Így már talán az sem meglepő, hogy nagyon hasonló fejlesztési párhuzam figyelhető meg ezúttal Kínában is. Nem véletlen, hogy az ország az idén tervezi felbocsátani első a méreteiben a Hubble-hoz hasonló, nagyméretű csillagászati távcsövét.

A CSST is egy buszméretű teleszkóp. A fő tükör átmérője két méter, kicsit kisebb, mint a Hubble Űrteleszkóp (2.4m), de látómezeje 350-szer nagyobb, mint a Hubble - ezt Liu Jifeng közölte a Kínai Nemzeti Csillagászati ​​Obszervatóriumok (NAOC) igazgató-helyettese egy Xinhu-ban megjelent interjúban. Azóta publikálták a optika és a teleszkóp főbb paramétereit is. Okkal feltételezhető, hogy több hardveres rész, a szenzor vagy akár a műholdas busz, és orientációt végző precíz giroszkóp rendszer is megegyezhet.

Ez mind nagyon érdekes, de a kérdés, hogy ugyan mire lehet képes egy GEO kém műhold?

Egy optikai műholdas rendszer képességét sokminden határozza meg, de a jobb érthetőség céljából ezúttal a három legfontosabb tenyezőt emelem ki.

1. Az Optika

A műholdas rendszerekben jellemzően Korch távcsöves elrendezést alkalmaznak a kompaktabb szerkezet végett. Ez egy több tükörrel szerelt komplex rendszer. Adja magát az alap feltételezés, hogy a nagyobb tükör nagyobb felbontást tesz lehetővé, de ez nem teljesen igaz. A tükör mérete elsősorban a begyűjtött fény mennyiségével van összefüggésben. A felbontásra annak geometriájából adódó gyújtótávolság a meghatározó. Adott méretű tükör fókusztávolság növelésével azonban csökken az érzékelőhöz érkező jel mennyisége. Ezt a tükör méretének növelésével kompenzálhatjuk. Gyakorlatilag ma már kis méretű műholdak is képesek magas felbontású képek készítésére, bár ez nem jelenti azt, hogy a nagy tükör méretnek ne lennének további előnyei mint a szélesebb látószög okán az egyszerre nagyobb felület fènyképezés. Az optika egy további meghatározó tulajdonsága a begyűjtött fény hullámhossz tartománya, és a Raylight criterion vagy "limit"-ként definiált minimális fényforrás-elkülönülés. Erről bővebben; link

2. Érzékelő - Szenzor

A nagyobb pixel sűrűségű és érzékenyebb szenzor értelemszerűen jobb felbontású képet eredményez. Elég csak a telefonunkban lévő kamera érzékelőjére gondolni. Pár évtized alatt a zajos 320p képektől eljutottunk a sok-megapixeles szín-pontos felvételekhez, miközben az optikai rész érdemben nem változott, csupán a szenzoros szilikon csip fejlődött hatalmasat. A technológia alapja azonban nem változott, maga a CCD továbbra sem differenciál a színek között vagyis alapból pankromatikus üzem-módban fekete-fehér képeket készít. A színes képekhez szűrőket alkalmaznak amik csak adott szín hullámhossz tartományát engedik át. Ez ugyanakkor csökkenti az érzékenységet. Ebből kifolyólag több felbontást különböztetnek meg. Pankromatikus; Multi-spektrumú, és kombinált Pan-sarpened.

3. Távolság

Ez talán a legnyilvánvalóbb. Minél közelebb a műhold a felszínhez annál jobb a felbontás. Az első még filmes kémműholdak jellemzően sokkal alacsonyabban keringtek. Például a KH-9 160×250 km magasságban, hiszen ezen eszközöket korlátozta a fedélzeten betárolt fizikai film mennyisége, ezért eleve rövidebb, maximum 12-18 hónapos működésre tervezték. A mai alacsony pályás kémműholdak már inkább a 400-800km tartományban dolgoznak.

Lényegében ez a három fő tulajdonság kombinációja határozza meg az eszközzel elérhető legjobb felbontást. Az erre használt kifejezést Spatial Resolution (térbeli felbontás) adják meg, valamint a Ground Sampling Distance - GSD (Talaj Minta-vétel Távolság) definiálják.

A Spatial - térbeli felbontás a legkisebb tárgy mérete, amelyet a szenzor még érzékelni képes ennek kalkulálása és értelmezése igen komplex, ezért a műholdas távérzékelésnél gyakran a Spatial felbontás egyik tényezőjét a talaj minta-vételi távolság (GSD) adják meg ami sokkal könnyebben értelmezhető. Ez alatt két egymást követő pixel-középpont közötti távolságot értjük a talajon mérve.

Például a 30 cm-es GSD azt jelenti, hogy a kép egy pixelje lineárisan 30 cm-t jelent a talajon (egy pixel 30×30 cm = 900 cm2 területnek feleltethető meg). Műholdas rendszernél a 30cm GSD már nagyon finom, magas felbontásnak számít. A Google vagy Apple térképeknél is ez a maximális megengedett felbontás, (korábban 50cm volt) de ezt már jellemzően repülőgépes rendszerrel (Areal Photography) érik el, ami lényegesen olcsóbb.

A GSD számítása:

GSD = orbitális magasság × pixel méret /fókusztávolság

Online kalkulátor; https://www.handalselaras.com/calculator/

Tehát minél távolabb van a műhold a Földtől, és minél nagyobb a pixelméret, annál nagyobb a GSD érték. A nagyobb GSD kevésbé látható részletekkel rendelkező képet eredményez.

Amire ezúttal alkalmazzuk, hogy jó közelítéssel meghatározzuk különböző optikai műholdas rendszerek és szenzorok eltérő magassághoz tartozó GSD képességét, így tökéletesen megfelel.

A katonai kém műholdak optikai paraméterei nyilván titkosak, de itt vesszük hasznát a Hubble távcsőnek, lévén annak tulajdonságát elég jól ismerjük. További referenciát biztosító eszköz az Airbus építette modern PleidasNeo műhold, aminek technikai paraméterei, referencia értékei és képességéről részletes hivatalos információ érhető el.

A közel egy tonnás PleidasNeo 620km magasságon kering. A fő tükre 65cm aminek gyújtó távolsága 12 900 mm amihez tartozik 30 cm/p GSD érték. A Swath 14×14km

Most helyezzük mellé 620km pályára a "KH11" képességű Hubble távcsövet és fordítsuk a föld felé, hogy kiderüljön mire lehet képes a 1990-es évek technológiai színvonalával. A Hubble fő tükör átmérője 2.4m Gyújtótávolsága 57.6m azaz 57 600 mm f/24. A legnagyobb érzékelője – a széles látószögű kamera– 62 mm x 62 mm Felbontása 23.5 Megapixel - 5760 x 4080=23 500 800 pixel.

 A kalkulált GSD: 16.36 cm/p Ez hozza is a 90-es évek becsült USA kémműholdas technológiai képességét. A KH műholdak valamivel alacsonyabb pályán keringenek. 380km-en a 10.03cm/p GSD èrtékét is elérik. Feltünhet, hogy elérhető felbontást tekintve nincs jelentős különbség a PleidasNeo és a képzelt Hubble távcsövünk között annak ellenére, hogy a tükör átmérő majd négyszeres (65cm vs. 240cm). Ez azért lehetséges mert a lényegesen modernebb PleidasNeo egy nagyobb pixelsűrűségű komolyabb szenzorral van szerelve.

Most pedig térjünk végre a lényegre és kezdjük el vizsgálni a Geostacionárius pályán 35 786 km elérhető értékeket.

Ennek a pályának a referencia műszere a már említett első generációs civil besorolású Gaofen-4 műhold, amiről van némi információ. A tükör átmérője meglepően kicsi mindössze 1.2méter, ebből és a tubus méretéből valamint a megadott 400×400km Swath képességből továbbá az ismert GSD:50m/p értékből vissza számolva a gyújtótávolság körülbelül. 15 000mm. A relatív kis optika kombinált multispektrális (színes) felvételhez és az 50m GSD értékhez pankromatikus módban legalább 8000×8000 pixeltartomá szenzor szükséges. Mivel itt cél a színes kép így a sávok függvényében egy nagyobb szenzor valószínűsíthető. Egy mozaikos 3×3 elrendezésű 150×150 mm hozza az 5000cm/p GSD értéket.

A Yaogan-41 valószínűleg megkaphatta a 4méteres tükröt. A gyújtótávolság a becslések szerint 55 méter (55 000mm) körüli. Ugyancsak okkal feltételezhető, hogy a legmodernebb 6×6= 36 CCD mozaikos szenzorral szerelték, amik egyenként 6000 pixelt tartalmaznak. A tükor Raylight criterion (1,22 yh/D) értéke -6m.Több kalkulációt is végezve 650cm/p - 780cm/p GSD értekeket kaptam. Az eredményt összehasonlítva más elmezők számításaival a Yaogan-41 legjobb felbontása 5m-8m közé tehető. Tekintve a 35 786 km távolságot ez igen potens felderítési képességet tesz lehetővé. Viszonyítás képen a Hubble is hasonlóan teljesítene a GSD: 944cm/p-vel. Tehát reális lehet a 5-8m felbontás.

Az optikai műholdas felderítés gyakorlati alkalmazása.

A műholdas felderítés mára nélkülözhetetlen a hírszerzés számára, de korántsem korlátok nélküli. Elég nyilvánvaló, hogy már egy vékony felhőzet is eltakarhatja a megfigyelni kívánt területet, és ugye eleve csak nappali körülmények mellett használható. A kezdeti kis számú de nagy műholdak pályáját ráadásúl könnyű követni, ahogy azt már a hidegháborús időkben is tették. Pontosan ismerte az USA és a Szovjetunió is mikor jár az ellenfelük műholdja a fejük felett, és olyankor az igazán titkos repülőket a hangárban hagyták. Vagy amire Oroszországban ma is látni példát, hogy megtévesztő céllal, harci repülőket festenek fel a kifutó pályák állásaiban. A műholdas technológia fejlődése az utóbbi években lehetővé tette a nagyság-rendel kisebb akár 50-100kg tömegű de sokkal számosabb flották építését. Ezek felbontása is már bőven alkalmassá teszi azokat hírszerző feladatokra és a nagy számukból kifolyólag egy adott területet akár már 15 perces gyakorisággal is elérhetnek. Hátrányuk ugyanakkor a sokkal kisebb Swath, vagyis esetükben pontosabban tudni kell mit is akarnak megfigyelni. (Egy komolyabb műholdnál a Swath 14×14km egy kicsi Jilin műholdnál ez mindössze 4km). A GEO pályáról fényképező Yaogan-41 a maga 5-10m felbontásával a már meglévő rendszerek kiegészítésére születhetett. A 2016-os Nemzetközi Űrhajózási Kongresszuson Kína már a kisebb Gaofen-4-el demonstrálta azon képességét, hogy lehetséges nagyobb hajók illetve azok nyom-vizének, esetenként pedig a hajók kipufogó-gázai keltette atmoszferikus nyomait is észlelni. Emellett a technológia másik előnye az adott terület 24 órás megfigyelési képessége méghozzá nagy, 400×400km Swath képek pár másodperces gyakoriságával. Ilyen mennyiségű adat gyors feldolgozása pedig az AI algoritmusokkal vált elérhetővé. Ezen túlmenően amíg egy alacsony pályás kémműhold megsemmisítésére már léteznek fegyver rendszerek, egy GEO műhold kiiktatása nem csak nehezebb, de a törmelékek az egész Geostacionárius övben keringő összes eszközre veszélyes lenne, akár egy dominó effektus előidézve.

Félreértés ne essék, Kína optikai GEO műholdja kategóriájában egyedül álló, de a technológia egyáltalán nem új. Az időjárási műholdak régóta GEO pályáról fényképezik a Földet, csak azok felbontása kilométeres nagyság-rendben mérhető. Sokkal inkább az a helyzet, hogy Kína az első ország ami nem csak képes a technológia tovább fejlesztésére, de ami talán még fontosabb, érdemben ki is tudja azt aknázni a Földrajzi elhelyezkedése - a relatív egyenlítői közelség, és Geopolitikai érdeklődése (Tajvan, Dél-Kínai tenger sziget viták, stb.) okán. Az amerikaiak a múltban már többször vizsgálták a koncepciót de a jelek szerint a jelenlegi technológiai szinten nem ítélték szükségesnek. A Ball Aerospace azért már evtizedes viszonylatban dolgozik egy új technológiával ami nagyságrendel javithatja majd az elérhető felbontást. A lokáció amennyire előny annyira hátrány is lehet. Oroszország túlságosan északon és túlságosan szélesen terül el ahhoz hogy nekik egy ilyen műhold megérje. Akár felmerülhetne egy Európai Földközi tengert figyelő hold ötlete, de ott a kisebb lélelkvesztő gumi-csónakon, ladikok érkező migránsok még pont az észlelési határ alatt lehetnek. Adottságát tekintve érthető módon Kína mellett még India érdeklődik a nagy-felbontású GEO Föld megfigyelő műhold képesség iránt. Az A-GISAT fedőnevű programot egy konferencián már nagy vonalakban bemutatták, de minden jel szerint még évekre vannak.

 Mit hozhat a jövő a GEO optikai felderítésben?

A legígéretesebb technológia az optikai membránfólia amivel a Bell Aerospace már előrehaladott kísérleteket folytat, de Kína is érdeklődik a dolog iránt. Egy ilyen 20méteres membrán lencsés rendszerrel elméletileg már a méter alatti felbontás is elérhető. 

Az amerikai kutatást a Hubble és a Webb teleszkóp tükrét is epitő Ball Aerospace végzi.

Videó a koncepcióról;

Végül pedig az alufólia sapkát viselő konteósok remélem némileg megnyugodnak, hiszen az arc vagy rendszám-tábla azonosítására képes műholdaktól még nem kell rettegniük, ahogy a filmekben gyakran előforduló folyamatos műholdas megfigyeléstől sem. Arra a megfigyelő drónokat találták ki. ;)

A cikk ismertető céllal készült. Az internetes felületen megjelent információk megbízhatósága, és az azokból kalkulált adatokban elő fordulhat pontatlanság, ezt kéretik figyelembe venni.