Wojna w Ukrainie, a możliwości krajowych programów zwiadu satelitarnego

Jakie są parametry kamer zwiadowczych opracowywanych w Polsce dla potrzeb obserwacji satelitarnych? Co tego typu instrumenty mogą zobaczyć na polach walk? 

W ostatnich tygodniach ofensywa wojsk rosyjskich na Ukrainie wyraźnie pokazała jak istotny w dzisiejszych czasach jest zwiad optyczny z wykorzystaniem satelitów obserwacyjnych. Dzięki dostępowi do zobrazowań konstelacji firmy Maxar i europejskiego Copernicus, cały zachodni świat może śledzić zmiany na linii frontu oraz zgrupowania wojsk rosyjskich. Polska od kilku lat finansuje projekty badawczo-rozwojowe, które mają na celu opracowanie platform i instrumentów do obserwacji właśnie takich zdarzeń. Jak na dzień dzisiejszy wyglądają parametry opracowywanych kamer zwiadowczych, czym się od siebie różnią i co mogłyby zobaczyć na terenie dzisiejszych walk? Na te pytania odpowiadamy w krótkiej analizie.

Co można zobaczyć z orbity? 

Rosyjska agresja na Ukrainę pokazała bardzo dokładnie z jakimi rodzajami sytuacji zwiadowczych możemy mieć do czynienia na współczesnym polu bitwy. Operacja wojskowa angażująca wiele pojazdów opancerzonych, czołgów i sprzętu kołowego, oznacza ich przemieszczanie głównie po infrastrukturze drogowej. Zobrazowania monitorujące sieć drogową, pozwalają zarówno na ocenę zdolności taktycznej, rozlokowania i liczebności wojsk przeciwnika. Oznacza to również konieczność podwyższonej rozdzielczości zobrazowania, co przekłada się na instrumenty optyczne o aperturach co najmniej (średnicy) rzędu 150-250 mm, jeśli rozważać obrazowanie z orbity o wysokości 350-550 km. Rozdzielczość przestrzenna takiego teleskopu to od 2 do 0,9 m/pix.

Innym przykładem obiektów, które są aktualnie uważnie śledzone na terytorium Ukrainy i Rosji to efekty działań zbrojnych, czyli pożary, zniszczona infrastruktura czy wyrządzone zniszczenia oraz szkody w obiektach cywilnych, takich jak szkoły, szpitale czy sklepy. Możliwość monitorowania tego typu obiektów, daje po części informacje taktyczne, ale również ważne sygnały przekazywane do wiadomości publicznej, związane z rodzajem agresji jaką stosuje przeciwnik, w tym agresji na ludność cywilną. Ma to szczególne znaczenie w informowaniu na temat potencjalnych działań łamiących prawo międzynarodowe i traktaty wojenne. W tym przypadku optyka ma znacznie mniejsze wymogi rozdzielczości i można takie zobrazowania uzyskać stosując apertury na poziomie do 100 mm. Rozdzielczość w tym przypadku to od 2 do 6 m/pix.

Ostatni typ zobrazowań wydzielony na potrzeby tej analizy to obiekty kamuflowane, bardzo często na terenach leśnych, które to mogą mieć bardzo ważne znaczenie taktyczne, dlatego też są aktywnie ukrywane przez przeciwnika. Zdjęć ukazujących takie obiekty na próżno szukać w masowych mediach, ponieważ do ich uzyskania stosuje się najbardziej czułe układy obrazujące o najwyższej dostępnej rozdzielczości i bardzo często utajnione, ze względu na niejawne rozwiązania techniczne. Teleskopy, pozwalające na takie zobrazowania posiadają apertury na poziomie powyżej 300 mm, a w nieoficjalnych analizach znaleźć można informacje o posiadanych na wyposażeniu USA satelitach o rozmiarze kosmicznego teleskopu Hubble, jednak dostosowanych do zwiadu satelitarnego. Mowa tutaj o rozdzielczościach na poziomie poniżej 0.9 m/pix, a w odtajnionym kilka lat temu na Twitterze Donalda Trumpa wpisie, opinia publiczna mogła zobaczyć zdjęcie satelitarne Irańskiej wyrzutni rakiet w rozdzielczości nawet na poziomie 0.15 m/pix. Warto tu zaznaczyć, że żaden podmiot komercyjny (jak na razie) na Ziemi nie umożliwia zobrazowań w takiej rozdzielczości.

Na uwagę zasługuje fakt, że większość obiektów jest możliwa do obserwacji w paśmie widzialnym. Pasmo podczerwone, szczególnie SWIR i termiczne, choć trudniejsze w zobrazowaniu, dają możliwość uwidocznienia obiektów o wyższej temperaturze, np. silniki, pożary i działające maszyny. Warto zaznaczyć, że w odróżnieniu od technik obrazowania SAR, niemal każdy instrument optyczny wymaga dobrej pogody.

Konflikt problemem nawet dla liderów branży

W ostatnich tygodniach do informacji publicznej trafiały rozliczne zdjęcia i dane pochodzące z satelitów między innymi firmy Maxar. Ten amerykański podmiot planuje niebawem wdrożyć najbardziej zaawansowaną konstelację satelitarną o nazwie WorldView Legion. Dzięki deklarowanym rozdzielczościom na poziomie do 31 cm/pix możliwe jest zrealizowanie niemal wszystkich kluczowych zobrazowań taktycznych na terenie Ukrainy, Rosji i Białorusi. W szczególności uwaga całego świata skupiła się na sześćdziesięcio-kilometrowym korku rosyjskich czołgów i wozów bojowych w drodze do Kijowa oraz na zgrupowaniach wojsk u granic Ukrainy jeszcze przed konfliktem. 

Warto zauważyć, że w pierwszych 10 dniach inwazji konstelacja firmy Maxar została wykorzystana do granic swoich możliwości z kilku powodów. Przede wszystkim konstelacja o względnie małej liczbie satelitów nie zapewnia małego czasu rewizyty, co w połączeniu z niesprzyjającym zachmurzeniem powodowało stosunkowo niewielką liczbę szans na obrazowanie. Na udostępnionych do informacji publicznej obrazach często widać duże zniekształcenie perspektywy, spowodowane obserwacją pod bardzo dużym kątem odchylenia od nadiru (czyli kierunku obserwacji prostopadłego do ziemi), co jest bardzo niekorzystne dla jakości zobrazowań i ich rozdzielczości. 

Obecnie żaden polski, ani nawet europejski podmiot nie jest w trakcie znanego publicznie procesu badawczego pozwalającego na uzyskanie optycznych zobrazowań o rozdzielczości zbliżonych do firmy Maxar, jednak istnieje duża liczba podmiotów opracowujących instrumenty zdolne do obserwacji na poziomie 1 m/pix.

Zdjęcie MAXAR odchylone mocno od nadiru / Credits – MAXAR

Dotychczasowe polskie próby obrazowania satelitarnego

Analizując polskie zdolności zwiadu satelitarnego i lotniczego, warto zacząć od obecnych wyników podmiotów działających w tym obszarze. Najprawdopodobniej pierwszym polskim satelitą, który dostarczył zdjęcia satelitarne Ziemi jest PW-Sat2. Zdjęcia uzyskane z kamery opracowanej do zupełnie innego celu naukowego, w grudniu 2018 roku pokazują naszą planetę w bardzo szerokim polu widzenia. Nie sposób określić rozdzielczości przestrzennej obrazu, jednak szacunki wskazują raczej na całe kilometry na piksel. Oprócz wartości historycznej, obrazowanie tego typu nie niesie żadnej wartości naukowej ani taktycznej, jednak oczywiście należy pamiętać, że w żadnym z tych celów kamera ta nie była umieszczona w satelicie.

PWSat-2 Pierwsze polskie zdjęcie Ziemi z kosmosu / Credits – PW-Sat2

Po sukcesie satelity PWSat-2 należy wspomnieć o próbie zobrazowania Ziemi satelitą Światowid z laboratoriów firmy SatRevolution. Uzyskane zobrazowania niestety nie spełniły oczekiwań pokładanych przed misją, jednak stanowiły ważny krok techniczny i wizerunkowy dla firmy. Szacunkowo Światowid dostarczył zobrazowania na poziomie 90 m/pix (przed lotem firma deklarowała < 3 m/pix w końcowych fazach misji). Zdjęcia tego rodzaju wciąż nie dostarczają wartości taktycznej, jednak w skrajnych przypadkach mogłyby dostarczyć informację na temat poziomu zniszczeń miast i infrastruktury.

Jedno ze zdekodowanych zdjęć z satelity Światowid / Credits – Sat Revolution

Polska firma skupiająca się na projektowaniu i dostarczaniu instrumentów optycznych do satelitów, Scanway, w ostatnim czasie osiągnął ważny kamień milowy w obrazowaniu z dużej wysokości. Spółka od kilku lat pracuje między innymi w konsorcjach z WAT, Creotech Instruments i CBK PAN, związanymi z satelitami do obrazowania orbitalnego. Najbliższa misja o nazwie STAR VIBE zakłada wysłanie w polsko-niemieckim satelicie teleskopu produkcji Scanway o aperturze 50 mm. Jest to demonstrator technologii obrazowania, jednak dla celów rozwojowych spółka w ostatnim tygodniu wysłała misję stratosferyczną z tym lekkim teleskopem skierowanym w nadir. Uzyskane obrazy o rozdzielczości 37 cm/pix pozwalają na rozróżnienie celów naziemnych, zarówno wojskowych jak i cywilnych. Analiza jako pierwsza publikuje obrazy uzyskane w misji z 2.03 nad Dolnym Śląskiem. Obrazy uzyskane zostały z wysokości niemal 30 km, zatem z pułapu stratosfery. Nie trudno wyobrazić sobie wartość takich zobrazowań w aktualnym konflikcie rosyjsko-ukraińskim. Scanway pracuje obecnie nad przystosowaniem optyki i elektroniki akwizycji obrazu do misji taktycznych.

Obrazy Scanway uzyskany w misji 02.03 nad Dolnym Śląskiem / Credits – Scanway

Trwające projekty polskich podmiotów 

W Polsce na przestrzeni ostatnich lat rozpoczął się szereg różnego rodzaju projektów, które są powiązane z obserwacją Ziemi. W grupie firm, które te projekty prowadzą jest KPLabs, Scanway, CBK PAN oraz SatRevolution.

KPLabs, gliwicka firma, rozwija swojego nanosatelitę klasy CubeSat 6U (Intuition-1), którego główny cel to przetwarzanie danych hiperspektralnych na pokładzie autorskiego superkomputera, opartego o moduły FPGA. Oczywiście, układ optyczny jest również konstrukcji gliwickiej firmy. Deklarowane parametry jakościowe zobrazowań to sceny wielkości 40 x 40 km i rozdzielczość 25 m/pix. Satelita z tym ładunkiem obrazującym ma być w pełni funkcjonalny na orbicie w 2023 roku. 

W Scanway realizowanych jest w tej chwili kilka projektów wewnętrznych i zewnętrznych. U podstaw kompetencji teleskopowych firmy jest projekt ScanSAT, który współfinansowany był z NCBiR. Zakończył się on prototypem urządzenia obrazującego. Na podstawie tego projektu rozwinięty został szereg innych aktywności – czyli teleskopy do misji EagleEye, PIAST oraz STAR VIBE. 

EagleEye to projekt konsorcjalny realizowany w ramach środków NCBiR razem z Creotech Instruments oraz CBK PAN. W ramach tego projektu tworzony jest pełnoprawny mikrosatelita o rozdzielczości zobrazowań na poziomie 1 m/pix. Jest to wartość, która pozwala na oferowanie światowym podmiotom takiego rozwiązania. Oczywiście, korelacja rozdzielczości z wielkością zdjęcia oznacza, że zobrazowanie z misji EagleEye nie pozwoli na uchwycenie np. całego Wrocławia. Warto pamiętać, że taka sama zależność występuje w przypadku teleskopów satelitów Maxar, natomiast nie ogranicza to obszar zastosowania takich zobrazowań.

W ramach projektu PIAST (również współfinansowanego NBCiR)  rozwijana jest konstelacja mikrosatelitów do użytku wojskowego. Urządzenia obrazujące tworzone w ramach tego projektu są zarówno przez Scanway, jak i CBK PAN. Ich celem jest osiągnięcie rozdzielczości na poziomie 5 m/pix i mniej. Z racji tego, że jest to projekt tworzony w ścisłej współpracy z klientem końcowym, można się spodziewać wyników dopasowanych do faktycznych potrzeb.

Ostatni projekt realizowany przez Scanway to misja STAR VIBE, która przetestuje na orbicie teleskop zdolny do obserwacji z rozdzielczością 26 m/pix i szerokością zobrazowania na poziomie 106 km. Jest to projekt, który ma na celu zwalidowanie procesów projektowych oraz integracyjnych teleskopów optycznych i pozwoli na zapewnienie odpowiedniej jakości rozwiązań w misjach EagleEye i PIAST.

SatRevolution to podmiot komercyjny, który specjalizuje się w platformach nanosatelitarnych oraz tworzeniu ładunków obserwacyjnych. Do tej pory na orbitę wysłany został szereg ich satelitów z różnymi teleskopami, natomiast zdjęcia zostały pokazane tylko i wyłącznie z misji Światowid, która miała pozwolić na obrazowanie z rozdzielczością ok. 3-5 m/pix. Inne projekty, realizowane przez firmę w tej chwili to platforma Stork, zapewniająca rozdzielczość 5,8 m/pix oraz REC, która w zamyśle ma być konstelacją o rozdzielczości 50 cm/pix. Szereg satelitów opartych o platformę Stork znalazł się już na orbicie, ale firma nie opublikowała jeszcze pierwszych zobrazowań z tych misji.

Przegląd polskiego rynku pokazuje, że w rzeczywistości jest kilka ciekawych inicjatyw, które mogą dostarczyć wartościowe zobrazowania dla odbiorcy wojskowego w razie potrzeby, a w zdecydowanej większości wypełnią wszystkie wymagania dotyczące jakości zobrazowań dla klienta cywilnego.

Jakie możliwości mogą mieć polskie satelity EO? 

W celu pokazania potencjału instrumentów optycznych polskiej branży kosmicznej dokonano porównania uzyskanych i deklarowanych przez firmy rozdzielczości teleskopów. Dla przejrzystości wizualnej analizy wzięto pod uwagę rozdzielczości 10 m/pix i mniej, ponieważ one stanowią największą wartość w kontekście obrazowania satelitarnego i wywiadowczego.

Stąd przeanalizowano rozdzielczości teleskopów będących częściami: przyszłej polskiej konstelacji nanosatelitarnej PIAST, potencjalnie pierwszego polskiego mikrosatelity do obserwacji Ziemi EagleEye, prototypu nanosatelity do obserwacji Ziemi ScanSAT oraz misji stratosferycznych pod tytułem StratoEye. W celu jak najlepszego wizualnego porównania rozdzielczości za wzorzec przyjęto rozdzielczość teleskopów Maxar.

Założono, że docelowo mamy dostać obraz o rozmiarach 1000×1000 pix z każdego z teleskopów. Poniższa grafika pokazuje w sposób uproszczony, jakiego rozmiaru obszary teoretycznie bylibyśmy w stanie zobaczyć na obrazie 1000×1000 pix w tej samej rozdzielczości.

Obszary potencjalnie widoczne na obrazie o rozmiarach 1000×1000 pix, gdzie “km” oznacza wysokość obserwacji dla misji stratosferycznych StratoEye / Credits – Scanway

Warto dodać, że analiza tylko w sposób bardzo względny porównuje rozdzielczości ze względu na to, że każda misja satelitarna znajduje się na innej orbicie, czyli na innej odległości (wysokości) od powierzchni Ziemi. Konstelacja PIAST, rozdzielczość teleskopów której ma osiągnąć wartość 5 m/pix zostanie umieszczona zostanie na orbicie 500 km. Na takiej samej orbicie teoretycznie miałby być umieszczony nanosatelita ScanSAT, żeby osiągnąć założoną rozdzielczość 4 m/pix. W przypadku mikrosatelity EagleEye, rozdzielczość ma osiągnąć 1m/pix na orbicie 350 km. Jeżeli chodzi o loty stratosferyczne, to osiągnięta rozdzielczość wynosi 0,37 m/pix na wysokości 30 km, oraz 0,2 m/pix na wysokości 10 km. 

Obrazy 1000×1000 pix potencjalnie możliwe do uzyskania z każdego z teleskopów (tego samego obszaru). / Credits – Scanway

Podsumowanie

Historia Polski, transformacja ustrojowa oraz problemy państwa nadrabiającego zaległości do swoich zachodnich kolegów nie sprzyjały szybkiemu rozwojowi przemysłu kosmicznego. Wejście do Europejskiej Agencji Kosmicznej w 2012 roku otworzyło nowe perspektywy dla raczkującego przemysłu kosmicznego. W 2017 rozpoczęto pierwsze, większe inicjatywy komercyjne mające na celu stworzenie ładunków do obserwacji Ziemi i jak widać, ten proces nie jest jeszcze zakończony. Najbliższe misje obserwacyjne polecą w tym i przyszłym roku (odpowiednio STAR VIBE oraz EagleEye) i powinny zapewnić pierwsze, satysfakcjonujące wyniki – o ile SatRevolution nie pokaże swoich zobrazowań wcześniej. 

Oczywiście, rozpoznanie z orbity to nie jedyny sposób pozyskiwania zdjęć satelitarnych. Można wykorzystywać do tych celów drony, ale w przypadku dominacji w przestrzeni powietrznej, może to być ryzykowny i kosztowny manewr. Konflikt ukraiński pokazuje, że drony wykorzystywane są bojowe, a lokalne rozpoznanie prowadzone jest z komercyjnych platform dronowych. W przyszłości zapewne możliwe będzie wykorzystanie tzw. HAPS, czyli platform lotniczych mogących krążyć nad danym terenem z wysokości powyżej 20 kilometrów, ale jeżeli ich status prawny nie zostanie zrównany z satelitami i nie będą “nietykalne”, to nie będzie możliwe ich wykorzystanie w konflikcie zbrojnym ze względu na realne ryzyko zestrzelenia. 

Proces tworzenia zdolności do projektowania ładunków obrazujących jest długi, natomiast może zostać znacząco przyspieszony. Trzeba zdać sobie sprawę, że brak Krajowego Programu Kosmicznego i wsparcia państwowego w tym zakresie oznacza konieczność zaangażowania przez firmy własnych środków – co siłą rzeczy spowalnia proces. Ze wsparciem centralnym osiągnięcie takich samych rezultatów jest możliwe znacznie szybciej, co pokazują przykłady państw zachodnich. 

Taka rzeczywistość była obowiązująca aż do wybuchu wojny na Ukrainie. Ta sytuacja pokazuje nam, jak ważne jest rozpoznanie obrazowe. Ilość danych zwiadowczych, przekazywana zapewne przez NATO i poszczególne państwa stronie ukraińskiej pozwala naszym sąsiadom na prowadzenie skutecznej obrony, spowalnianie tempa rosyjskiej agresji i precyzyjne niszczenie sprzętu wojskowego. Bez takich systemów ten konflikt mógłby wyglądać zupełnie inaczej, co pokazuje, że projekty satelitarne mające na celu obrazowanie Ziemi powinny być strategicznymi aktywnościami na szczeblu państwowym. Bez szybkiego wygospodarowania środków na polską konstelację do obserwacji Ziemi, w przypadku konfliktu, który jeszcze do niedawna wydawał się być rodem z science-fiction, jako państwo możemy być w bardzo problematycznej sytuacji, która będzie kosztowała ludzkie życia. 

(K)