Kémműholdas tévhitek

A műholdakkal bárki bárhol bármikor megfigyelhető?

Azt tapasztalom, ha műholdas megfigyelés kerül szóba, nem meglepő módon az átlag embernek nincs sok fogalma arról mi fán is terem. Jó eséllyel láthatta mondjuk az 1998-as "A Közellenség" című filmet Will Smith főszereplésével, amiben több alkalommal a kormányzati szervek használnak műholdas követést, amihez elég csak a koordinátáit megadni a kezelőnek, és már érkezik is a videó felvétel. Talán nem rontom el nagyon, az egyébként nem rossz film élvezetét, ha elárulom - az abban bemutatott műholdas technológia igencsak sci-fi jellegű. Persze a bemutatott eszközök alapvetően léteznek, de nem pont így, nem pont ebben a formában és nem hogy 25 éve, hanem így még ma sem.

Több filmben is nagyon hasonlóan ábrázolják, a műholdas megfigyelést, ezért elérkezett az ideje, hogy  kapcsolódó félreértéseket, tévhiteket tisztázzuk. Ezzel többek között az lenne a cél, hogy megértsük az ilyen műholdak gyakorlati használatát, valamint annak korlátait, egyúttal a 4iG HUSAT műhold programjában megvalósuló Magyar Föld megfigyelő hálózat alkalmazhatóságát is szeretném perspektívába helyezni. A HUSAT programról már foglalkoztam egy hosszabb eszmefuttatásban, de abban leginkább a pénzügyi, piaci megvalósításán volt a fókusz. Ezzel együtt érdemes az olvasást azzal kezdeni. A bejegyzésben szereplő példák alapját nagyrészt a Airbus fejlesztett Pleiades műholdcsalád, illetve a MAXAR Worldwiew műholdak adatai szolgáltatják, mert ezeknél érhető el a legmegbízhatóbb és legrészletesebb dokumentáció. 

Szóval mi is a probléma a filmben látható műholdas megfigyeléssel?

Kezdjük azzal, hogy a kereskedelmi Föld megfigyelő műholdak nem tudnak élő képet, nemhogy élő videót sugározni. Ennek egyik oka, hogy ezek a műholdak alacsony Föld körüli pályán keringenek, aminek nyomán a keringési szög sebességük a magasság függvényében 0.5-1.5 fok/másodperc. A műholdak orientációját több tengelyes lendkerék, giroszkóp rendszer végzi, ami kalkulál ezzel a sebességgel és folyamatosan a cél terület irányába forgatja az eszközt. Vagyis az optika önmagában nem, az csak a komplett műholdal együtt mozog. Ugyanez irányba tartott mozgás szükséges a nagy méretű képi vagy videó fájlok letöltésére, ezúttal azonban a Földi átjátszó állomás irányába. Természetesen a kémműholdak kommunikálnak Geostacionárius Kommunikációs műholdakkal is, de ekkor ugyanúgy irányba kell fordulni, csak ezúttal az átjátszó műhold felé.

 

Airbus CMG 15-45 S Control Moment Giroszkóp (CMG),  közepes méretű műholdakhoz, élettartama 10 év LEO pályán. Lendülete CMG-nként 15Nm, nyomatéka pedig 45 Nm. Egy ilyen giroszkópnak tömege 18.4 kg és képes egy 500kg tömegű műhold irányítására is.

Felmerülhet a kérdés, hogy miért nincs a Föld felé néző műhold másik felén egy antenna ami egyúttal a GEO műhold felé fordulna?

Ezt Newton III. törvénye – az erő–ellenerő (azaz a kölcsönhatás) törvénye teszi nehezen kivitelezhetővé.. A műhold precíziós irányba tartását a már említett nyomaték szabályozással működő lendkerekek, giroszkópok végzik, és mivel a műhold szabadesésben gyakorlatilag súlytalanságban van, ezt relatíve kis nyomatékkal képesek nagy pontossággal végrehajtani. Ebbe a kontrollált stabilitásba rondítana bele egy újabb független mozgást előállító rendszer. Vagyis egymásnak ellenében dolgozó mozgatás gyakorlatilag lehetetlenné teszi az optika pontos célra tartását és a nagy sávszélességű antenna egy idejüleg való irányítását. Aki már állított be parabola antennát az tudhatja, hogy milyen fontos annak pontos tájolása, ez ugyanúgy igaz a műholdak esetében is. Egy új szériás műhold esetében a kalibrációs folyamat hónapokat is igénybe vehet. Egy már üzemben lévő műhold új példányánál ez az idő már rövidebb.

Airbus Pleidas 1A műhold sematikus rajza. Az antennák az optikával egy irányba mutatnak

Kis sávszélességű adatkapcsolat persze lehet folyamatos, amin keresztül lehet utasításokat küldeni az eszközre, de ez is jobbára a komolyabb kormányzati műholdak képessége. A kisebb műholdak előre megadott protokollok szerint dolgoznak. Pontosan rögzítve vannak azok a földrajzi pontok ahol adatot sugároznak le, adatot vesznek fel.

A jövőben történhet ezen a területen is változás, a műholdak közötti lézeres kommunikációs kapcsolatok létrehozásával, valamint a Starlink féle nagy sűrűségű alacsony pályás kommunikációs műholdas konstellációk felhasználásával, de ezt csak a kevésbé költség érzékeny kuncsaftok, amilyen az állami szervezetek, jellemzően a katonaság engedheti meg majd, hisz ott lehet igazán fontos az adat mielőbbi hozzáférése.

Ehhez kapcsolódóan érthetjük meg, miért is jelenik meg a Föld megfigyelő műholdaknál a Mesterséges Intelligencia használata. Egy AI algoritmus már a műhold fedélzeten képes olyan kép elemzések elvégzésére, mint például a kiválasztott cél terület feletti felhőzet érzékelése, ami esetében felesleges lenne elküldeni az egyébként is hasznavehetetlen felvételt, ezzel is időt sávszélességet spórolva. 

Miért is fontos az adatkapcsolat sávszélessége?

Akár Szintetikus Apertúra Radarral végzett vagy Elekro Optikai megfigyelésről is beszélünk, minden esetben nagy fájlokról van szó. Hogy némi fogalmunk legyen mekkora adat mennyiségről is ez egy kép esetében az UmbraSpace magán vállalat egy konkrét példája jól érzékelteti. A cég a kategóriájában kicsi mindössze 65kg tömegű műholdját használva 11.2másodperces adatgyűjtést végzett London felett. A műhold ekkor kb 500 km magasságon keringett 7580m/s sebességgel, vagyis az adatgyűjtés 11.2s alatt közel 85km tett meg ezáltal ekkora apertúrát szintetizát. Ez pedig 7.7GB nyers adatot eredményezett amiből az alkalmazott algoritmus készített 1.2TB hamis-színes képet 16cm felbontással.

A már tömörített "butított" 233MB 40.3K x40.3K Londoni kép letölthető itt; tinyurl.com/3cn67fv4 Forrás: UmbraSpace 

Optikai felvétel esetében a fájl mérete függ a terület méretétől, a spektrális módtól, a felbontástól, a formátumtól és a kép-tömörítéstől. A fenti példa egy 30 cm-es felbontású, Pan- sharpened, élesített, 4 sávos, 14×14km 196 km²-es tipikus fájl méreteit mutatja. Forrás: Airbus

A könnyebb kezelhetőség érdekében ezeket a felvételeket blokkolta darabolják. Forrás: Airbus

Egy ilyen 2020 augusztus 20-án készített szegmens Budapestről. A műhold a Kínai Jilin. Forrás: Link

Az eredeti képből készült nagyítás mutatja meg a műhold valódi képességét. Forrás; Link

 Ugyancsak többször találkozni azzal a tévhittel, és ez a Filmben is megjelenik, ahogy a műhold ráközelít "bezoomol" a célra, és így akár akár egy autó rendszámát is képesek  leolvasni. A Filmben is gyakorlatilag végtelen mélységig nagyítható a felvétel tökéletesen kivehetők a részletek.

Nos, a legjobb minőségű kereskedelmi műholdak felbontása 15-30cm/pixel, de ezt már esetenként szoftveres - algoritmus javítással érik el, ami némileg hasonlíthat a filmekben látott pixeles kép feljavitására, de ennek is megvannak a korlátai.

A bal oldali Maxar-képen egy lakóutca látható, amelyet a WorldView-3 készített 31 cm-es felbontással. A jobb oldali kép ugyanaz, HD algoritmussal feldolgozva. A napelemek vonalai élesebbek, és az apró részletek, például az autók szélvédője és a növényzet szélei is tisztábbak a HD-képen. Forrás: Maxar HD Technology 

 Egy alacsony pályás optikai műhold képi minőségét több tulajdonság határozza meg, az alábbiakban a három legfontosabb tényezőt emelném ki.

1. Az Optika

Az ilyen rendszerekben jellemzően Korch vagy Cassergain elrendezésű távcsövet alkalmaznak a kompaktabb szerkezet végett. Ez egy több tükörrel szerelt komplex, de fix gyújtótávolsagú rendszer.

PleiadesNeo Korsch távcső bontott ábrán. Forrás: Airbus

 

PleiadesNeo műhold architektúra, jól megfigyelhető, hogy az optika a műholdas buszba süllyesztve helyezkedik el, a kompakt kialakítás végett. Forrás: Airbus - A legtöbb optikai műhold is nagyon hasonló kialakítású.

Adja magát a 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.

 2022-es MAXAR felvétel a Parlament és környékéről. Az internetes megjelenés miatti tömörebb formátum ugyan sokat ront a minőségen, de referenciának így is megfelel. Ez a kép így is csak egy részlete az eredeti felvételnek..

A valódi látószög ennél is nagyobb..

A MAXAR WorldView esetében ez 13×13 km, az Airbus PleiadesNeo ez 14×14 km, de még a kisebb optikával szerelt műholdak is bőven 5×5 területet látnak egyszerre. Forrás: 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. Még annak működési alapja azonban sem változott, hisz 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 színhez tartozo hullámhossz tartományát engedik át. Ez ugyanakkor csökkenti az érzékenységet. Ebből kifolyólag több felbontást különböztetnek meg. Pankromatikus; Multi-spektrumú, és kombinált Pan-sarpened.

Képalkotó módok és azok felbontásának szemléletése. A Pan-sharpened eljárás, amikor egy pancromatikus legjobb felbontású szürke árnyalatos felvételre "ráhúzzák" a multi-spektrum felvételt.

Felmerülhet a kérdés, hogy ugyan miért ez a fokú komplikáltság, a multi spektrumos képalkotás? Nos, például a mezőgazdaság, erdőgazdálkodás a különböző spektrumon készített felvételekből a vegetacióra vonatkozóan tud adatokat kinyerni, hisz a különböző növénytakaró máshogy veri vissza a különböző hullámokat.

Orosz Meteor-M №2-4 2025 január 14- én különböző spektrumban készített felvételei Északnyugat Magyarországról. - Oké, ezt nem kém műhold készitette, de a lényeg ugyanaz, meg aztán igen szép felvétel. :)

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. Ugyanakkor indultak tesztek elliptikus pályán dolgozó műholdakkal is, ahol a pálya alján a műhold 200km közelében készít felvételeket, a még jobb felbontás érdekében.

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.

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.

Jól nagyítható PleidasNeo készítette 30cm GSD kép Liszabonról. Forrás; Airbus további letölthető minta felvételek; https://space-solutions.airbus.com/newsroom/satellite-image-gallery/pleiades-neo/

A vázoltakból talán már sejteni lehet, hogy a műholdas Föld megfigyelés nem kifejezetten úgy működik mint egy hagyományos értelmében vett fényképezőgép. Sokkal inkább kép alkotásról beszélhetünk mint egyszerű felvétel készítésről.

Ezzel együtt találni az interneten olyan  műholdas videó felvételeket, amin látható mondjuk egy repülőgép. Az ilyen felvétel alkalmasint nemileg félrevezető lehet, mert nem úgy készül, hogy a repülőgép lett volna a cél, hanem pusztán a reptér vagy annak környéke kerül felvételére, és a kiválasztott objektum vagy gép szerkesztési utómunkálatok során kerül a videó anyag középpontjába, azt az illúziót állítva elő, hogy a műhold követné azt. Emlékeztetném az olvasót, akár egy 14×14 km nyersanyag kerül rögzítésre, és abból csak kivágják annak egy részletét. Vannak már kifejezetten videó készítésre is alkalmas műholdak, de azok felbontása még messze elmaradt a hagyományos optikai megfigyelőkétől.  

 Kína legnagyobb optikai Jilin műholdas konstellációja készített videó felvétel Atlanta nemzetközi repülőtérről.

Szub-orbitális rakéta tesztről készített Jilin videó felvétel.

Ezek a videók bár kétségtelenül igen látványosak, de a leghosszabb se éri el meg az egy percet sem, és ezzel egyúttal el is érkeztünk a következő problémához.

A Közellenség filmben mindössze másodperceket van szükség a koordináták megadása után a a műhold képi anyag megérkezésehez. 

 Ez a már tárgyalt kommunikációs kihívások miatt sem lehetséges, amihez még jön a keringési pálya miatti korlátok. A kis számú konstellációknál minden esetben a napszinkon pályát valasztják a Föld megfigyelő műholdak számára, aminek különlegességét az adja, hogy a pálya síkja és a Nap iránya által bezárt szög állandó. Ezért a napszinkron műholdak adott felszíni részlet felett helyi időben mérve mindig azonos időpontban haladnak át, tehát együtt járnak a Nappal. Csak minimális időközönkénti pálya emelésre van szükség. Ezen a pályán a Föld egész felülete elérhető.

A keringési periódus a magasság függvényében változó, a gyakorta alkalmazott 400-800 km magasságban kb 92 - 97 perc, és ebből már sejteni lehet, hogy a műhold egy Földrajzi pont közelében csak rövid ideig tartózkodik. Egy ilyen műhold műhold közel 8km/s-el kering 400km-en. Vagyis 10perc alatt megtesz 4800 km! Az egy területre való rálátás így adott pályától függően kb. max 1-2perc de ez alatt is nagyot változik a betekintési szög.

Rakéta indítás Infravörös felvételen a Xiopm-SPACE Xiguang-1-01 műholdjával. Ezt a videót azért kedvelem, met itt lehet talán a legjobban érzékelni a műhold perspektíva változását.

Tehát ott tartunk, hogy a kémműholdunk csak igen rövid ideig tartózkodik a kívánt pozícióban, de nyilván valóban ha több műholdak dolgozunk akkor legalább ez a rövid idő megsokszorozzható.

A gyakorlat azt mutatja, hogy a kisebb konstellációknál is átlagosan két műhold kerül egy pálya síkra, egymástól távolságot hagyva. A következő hasonló tulajdonságú pálya síkot a korábbihoz képest némileg elforgatva, de ugyanakkora inklanációval állítják be.

Az Airbus Pleidas és PleiadesNeo 6 műholdja peldáján levezetve vegyük sorra, mennyi idő is mire egy felvétel elkészül és eljut az ügyfélhez.

Az Airbus 3 Földi állomást használ. A központi Toulouse mellett, két az északi sarkkör közelében lévőt használják a utasítás kiadáshoz. Minden egyes műholdhoz minden pályán új feladatterv tölthető fel, ami 25 percenként új tervet jelent a konstellációhoz.

Uplink

Downlink

A letöltés elindulhat, ha a műhold az állomás láthatósági körzetbe ér. A sarkköri állomások azért ideálisak mert az alkalmazott közel poláris, napszinkon pálya minden keringési periódus alkalmával elhalad a sarkkör felett, így vagy a Kanadai vagy a Svéd állomás vétel körzetében.

Innen továbbítják az adatokat a franciaországi Toulouse-ban lévő Main Operating Center (MOC).

A feldolgozott képek letöltése közvetlenül fogadó partnerek hálózatán (Partner Operating Center - POC) történik.

Természetesen Airbus, a Maxar, és a komolyabb konstellációkkal valamint ügyfelekkel rendelkező hálózatok lehetőséget biztosítanak kiemelt szerződött ügyfelek számára, hogy saját gyűjtési terveket készítsenek, illetve a megfelelő hardver birtokában direktben a kapcsolatot létesíthessen a műholdal, arra utasítást töltsön fel, és képet töltsön le. Az ehhez szükséges szoftverrel a helyszínen is elvégezhető a kép feldolgozása.

A Honvédség épp a közelmúltban szerzett be mobil telepítesű VSAT antenna terminálokat. Ezzel a Geostacionárius Kommunikációs műholdakkal állnak kapcsolatban, de egy ilyen vagy nagyon hasonló rendszer ugyanúgy alkalmas lehet alacsony pályás műholdal való kapcsolatra is. Forrás; https://www.facebook.com/share/p/1BDYdbtVK2/

Ugyanakkor fontos megemlíteni, ez önmagában még nem feltétlenül jelent gyorsabb elérést.

MAXAR webes ügyfél felülete. A kiválasztott területet a Kabuli reptér, az alsó sávban pedig az átlagosan két hetenként végzett korábbi felvételek. Az apa gyakorlat, hogy a nagyobb érdeklődésre számot tartható területeket külön megrendelés nélkül is bizonyos gyakorisággal fényképezik, ezzel az adatbázisuk is növekszik, egyúttal pedig a kép felismerő különböző algoritmusok is taníthatóak.

Tipikusan minimum 25-30 perc kell a már kidolgozott utasítás feltöltéséhez, és a konstellációban lévő műholdak számától függően további órák szükségesek a kép-képek elkészítéséhez és majd a letöltéshez.

A HUSAT program 6 optikai műholdját 3 különböző síkon elhelyezve, egy Budapesti és két sarkköri állomással az átlagos kép lehívási idő körülbelül 4 óra lehet, de ez nagyban függ a keringési magasságtól, a műholdak aktuális helyzetétől, illetve a cél terület helyétől. A 6 műhold egy területhez napi 8-9 alkalommal férhet hozzá, a +2 SAR műholdal együtt ez a szám kb 10-12, de itt is változó betekintési szöggel kell számolni.

600 km magas napszinkon pályán keringő műhold látóhatára. Forrás; Maxar

Ugyanazon a pályán egymáshoz képest 180° fázis eltolással 600 km magasan keringő, oldalirányba 45°-os szöggel kitekinteni képes két műhold egy napos útvonala mára napi egy ismételt látogatás biztosít a 40° szélesség felett +/- 30°-os folyosón belül.

 A keringési fázisok lehetővé teszik a műholdak számára, hogy naponta újra meglátogassák a Föld bármely pontját. A nagyobb optikával rendelkező műholdak jobban ki tudják aknázni a magasabb pálya előnyeit, mint az egyszerre látható felszín nagyobb mérete, a földi állomással való hosszabb idejű kapcsolat, illetve a gyakoribb a Földre vetített keringési útvonal ismétlődesét.

 Napszinkon pálya Földi útvonal ismétlődése a magasság függvényében.

Ami a magyar műholdakat illeti, ahogy már kifejtettem, a Remtech képes lehet elsőre is használható műholdat építeni, de ezen túlmenően is sok egyéb tényezőt meg kell majd oldani a piacképes termék előállításához. A tervezés-gyártást megkönnyíti az ipari szabványoknak köszönhetően beszerezhető külsős alkatrészek. Ehhez jön a műhold precíziós vezérlését a kommunikációs kapcsolati hálózatot kiepitese, az ehhez tartozó Földi infrastruktúra. A méretéből adódóan nem számítok lézeres kommunikációs, vagy egyéb extra mondjuk infra képességre, de ez nem is feltétlenül szükséges. Viszont nagy területek AI algoritmus eszköz felismerésre optimalizált, ha úgy tetszik cél felismerő (target recognising) rendszert a Katonaság biztos szívesen venne.

 

Az a gyakorlat a piaci szereplőknél, hogy egy-egy területre specializálják a szolgáltatásukat.

Komolyabb piaci szereplők megoszlása a Főld megfigyelés különböző területein.

Vissza kanyarodva a Közellenség filmben látott műholdas megfigyeléshez, remélem már érthető, hogy miért sci-fi jellegű az abban ábrázolt technológia. Pontosabban, csak az abban megjelenített műholdas megfigyelés. Mert jó minőségű, nagy felbontású élő képes megfigyelés nagyon is létező dolog, csak azt nem műholdak, hanem drónok végzik. Egy drón, a típusától függően órákat, vagy akár egy napot is képes eltölteni egy kijelölt terület felett, folyamatos megfigyelést, követést lehetővé téve. A kém műholdak katonai szempontból nagy területek mélységi megfigyelésre, felderítésére alkalmas. A műholdak nyújtotta "uniformizált" felvétel készítés nyomán pedig jól alkalmazhatóak azok adatain az automatizált (AI)  algoritmusok.

 A fentiek csak nagy vonalakban mutatják be a kereskedelmi optikai műholdas képalkotást. Ha valakit nagyobb mélységben érdekel a téma mindenképp olvasson tovább. Magyar nyelvű tartalom gyakorlatilag nincs, szóval angol nyelv minimum szükséges lesz. 

 

Felhasznált források;

https://wp-cdn.apollomapping.com/web_assets/user_uploads/2021/11/08103301/2021.10_PleiadesNeo_UserGuide-EarlyRelease_20211015.pdf

https://blog.maxar.com/archive

https://www.opensourcesatellite.org/downloads/KS-DOC-01221-01_OSSAT_Optical_Earth_Observation_CONOPs.pdf

Címkék: Magyarország Airbus Satellite Earth Technológia Felbontás Optika Képalkotás Kémműhold 4iG Spy sat Maxar HUSAT PleiadesNeo