Flották az égben

“Elmentem a Fehér Házba, és megmondtam Kennedy elnöknek, hogy a kommunikációs műholdak sokkal fontosabbak, mint az, hogy embert juttassunk az űrbe, mivel a műholdak ötleteket küldenének az űrbe, és az ötletek tovább élnek, mint az emberek.” - emlékezett vissza John F. Kennedyvel való beszélgetésére Newton N. Minow, az Egyesült Államok Szövetségi Kommunikációs Bizottságának (FCC) egykori elnöke, akinek hivatali ideje alatt, 1962-ben indult az első aktív amerikai kommunikációs műhold az űrbe. Minow felismerte, hogy a Föld körül keringő műholdak rendkívül fontos szerepet játszhatnak az emberiség életében, nem csak katonai szempontból, hanem a mindennapok tevékenységeit illetően is, az elmúlt évtizedekben pedig bebizonyosodott, hogy mennyire igaza volt:

immár a modern technológiákra alapozott civilizáció jóformán működésképtelen lenne műholdas konstellációk nélkül.

Jelenleg körülbelül 12 000 aktív műhold kering a fejünk felett a szakértők szerint, és a számuk drasztikusan növekedik a SpaceX Starlink rendszerének és a hozzá hasonló megakonstellációk kiépítése miatt. Csak Starlink műholdból körülbelül 7700 volt működőképes idén júniusban, emellett rengeteg halott műhold is köröz a Föld körül, amelyek már nem használhatóak, tehát lényegében űrszemétnek minősülnek. Ha csak az alacsony Föld körüli pálya (a Föld felszínétől számítva körülbelül 2000 kilométeres magasság alatti régió) adatait nézzük, az egyre inkább a Starlink egységekkel népesül be, nem véletlenül: az alacsony Föld körüli pálya jól használható kommunikációs célokra is, bár a telekommunikációs műholdakat inkább a GEO (geostacionárius pálya) 36 000 kilométer magasság körüli részén szokták tartani a stabil közvetítés érdekében. Az ENSZ távközlési ügynöksége, az ITU (International Telecommunication Union) leírása szerint 2014-ben még csak ezer aktív műholdat tartottak számon. Az elmúlt évtizedben történt hihetetlen fejlődéshez pedig az is hozzájárult, hogy megjelentek a korábbiaknál jóval kisebb, könnyebb szatellitek, amelyeknek a feljuttatása nagyságrendekkel olcsóbb, mint elődeiké. A “LEO forradalma” közel sem ért véget, minél több kereskedelmi szereplő biztosít szállítószolgáltatást, azaz rakétákat, amelyek az űrbe viszik a műholdakat, és minél nagyobb az igény a műholdak adataira, annál nagyobb a verseny a Föld körüli pályák műholdsztrádává való átalakítására.

A szemük mindig a Földön tartják

Felsorolni is nehéz lenne, hogy a felhasználás céljától függően mi mindenre alkalmas egy műhold, de a különféle missziókat négy nagyobb csoportba lehet sorolni: a kommunikációs műholdak mellett léteznek földmegfigyelési, navigációs vagy csillagászati munkákat, kutatásokat segítő űreszközök. A földmegfigyelést végző műholdak jelentik az egyik legizgalmasabb kategóriát, hiszen ezek tartják szemmel a bolygót a nap huszonnégy órájában, láthatóvá téve olyan részleteket és változásokat, amelyeket máshogy lehetetlen lenne monitorozni. Az UNOOSA (United Nations Office for Outer Space Affairs) jelenleg több mint 600 aktív földmegfigyelési műholdat tart számon, amelyeket különböző nemzetek az űrbe küldtek. Ezek a műholdak segítenek az időjárás nyomon követésében, a geológiai, hidrológiai vizsgálatokban, a természeti katasztrófák észlelésében, de fontos szerepet játszanak a mezőgazdasági munkák kivitelezésében és a katonai felderítésben is.

Hogyan működik egy földmegfigyelő műhold?

A földmegfigyelő műholdak alapvetően kétféle módon tudják a bolygót vizsgálni: passzív és aktív távérzékeléssel. A passzív távérzékeléssel működő eszközök a napfény földfelszínről történő visszaverődését érzékelik, és a működési hullámhossz-tartományuktól függően lehetnek elektro-optikai, infravörös vagy hiperspektrális típusúak is, az aktív távérzékelésen alapuló műholdak pedig a szenzoruk által kibocsátott elektromágneses impulzusok visszaverődését érzékelik, és leggyakrabban radarral, esetenként lidarral üzemelnek. A passzív távérzékelés előnyét a természetesebb, színes képek megjelenítése jelenti, míg az aktív rendszerek sokkal hatékonyabban dolgoznak felhős időben és olyan látási viszonyok között, amelyek az optikai műszerek számára kihívást jelentenek. A SAR (szintetikus apertúrájú radar) által kibocsátott, majd a műholdhoz visszaérkező jelek képesek a felhőkön, sőt akár a növényzeten vagy a talaj felső rétegén is áthatolni. De pontosan mit és milyen jól látnak a műholdak, amelyek figyelik a világot?

És be tudnak-e látni az épületekbe, esetleg egyenesen a szobánkba is?

A jelenlegi legjobb felbontású műholdas eszközök az EOS Data Analytics szerint körülbelül 30 centiméteres térbeli felbontással rendelkeznek, ami azt jelenti, hogy az általuk készített kép egy pixelén látható régió egy 30x30 centiméteres területnek felel meg a Földön. Ez már egészen jó rálátást enged egy adott helyszínre, ami alapján a sok száz kilométerre a magasban keringő űreszköz segítségével is jól meghatározható a megfigyelni kívánt térség minden részlete és változása. Az Airbus Pléiades Neo műholdjaitól kezdve a Maxar WorldView eszközein át számos kereskedelmi szolgáltató kínál ilyen nagyfelbontású megfigyelési adatokat, a 30 centiméteres felbontás pedig az European Space Imaging leírása alapján elegendő ahhoz, hogy felismerhetőek legyenek a felvételeken az eltérő terményfajták egy mezőgazdasági területen, vagy különbséget lehessen tenni a járműtípusok/márkák között.

Míg egy több mint 10 méteres felbontással dolgozó műhold csak elnagyolt, szinte homályos képet mutat például egy városról, addig az 1 méternél jobb felbontású felvételeken már felismerhetőek az autók, a strandon a napernyők, a fák és bokrok is.

Az egyes emberek, kisebb állatok, utcán sétáló járókelők és kutyák viszont még ilyen jó felbontás mellett sem látszanak igazán jól. A jobb minőség pedig nagyobb költségekkel is jár, így abban az esetben, ha valaki igazán részletes képeket szeretne beszerezni egy területről, akkor mélyebben a zsebébe is kell nyúlnia érte. Aki viszont beéri kevesebbel, annak több opció áll rendelkezésre, az Európai Űrügynökség Sentinel-1 és Sentinel-2 műholdjainak adatai például ingyenesen hozzáférhetőek: a Sentinel-1 radarfelvételeket készít, míg a Sentinel-2 optikai berendezésekkel van felszerelve, felbontásuk 60, 20 és 10 méteres sávokban mozog.

Érkeznek a magyar műholdak

Hamarosan már hazánkban készülő műholdak is figyelik majd a Földön zajló tevékenységeket, mivel a 4iG Űr- és Védelmi Technológiák Zrt. a HUSAT program keretében saját műholdflottát küld az űrbe az elkövetkező években. A vállalat a Martonvásárban épülő Remtech központban fogja elkészíteni az alacsony Föld körüli pályán keringő HULEO elnevezésű űreszközöket, amelyek a flotta nagyobb részét teszik ki, emellett egy műholdat, ami magasabb, geostacionárius pályára készül, és telekommunikációs célokat szolgál, külföldi partner biztosít majd. Az itthon készülő műholdak közül hat VHR (Very High Resolution, azaz nagyon nagy felbontású) elektrooptikai műhold (HUEOP) lesz, kettő pedig szintén VHR radarfelvételeket készítő szintetikus apertúrájú radaros műhold (HUSAR). A VHR SAR eszközök radarral dolgoznak ugyan, de felbontás tekintetében kiemelkedő minőséget nyújtanak: általánosságban 2 méter alatti a felbontásuk, de ideális körülmények között 1 méteres felbontást is képesek elérni. Ahogy korábban említettük, a radaros műholdakon nem fognak ki a felhők, sem a füst vagy a köd, ezért ezek az eszközök különösen hatékonyak olyan helyzetben, ahol fontos az állandó jellegű, akár éjszakai monitorozás, sőt, a SAR műholdak még a lombkoronák alá is be tudnak lesni.

És hova tudnak még belesni?

A földmegfigyelő műholdak képein, nem meglepő módon, fentről láthatjuk a tájat: egy város esetében az épületek, járművek tetejére nyílik kilátás és az utcákat is fentről figyelhetjük. Léteznek azonban olyan műholdak, amelyek ennél többre képesek: úgynevezett off-nadír szögben fényképeznek, amivel teljesen más rálátást biztosítanak egy-egy helyszínre.

Az off-nadír (Off Nadir Angle, ONA) azt jelenti, hogy a műhold kis mértékben el tud fordulni, és oldalirányú szögben mutatja az adott területet, tehát nem csak azt fotózza le, ami éppen, közvetlenül alatta helyezkedik el.

Egy városról készült felvételt ez a megoldás sokkal élethűbbé tud varázsolni, mivel így az épületek teteje helyett a falaikat, ablakaikat, homlokzatukat is megjeleníti a műhold kamerája. Persze egy sok-sok kilométerre a felszíntől keringő műholdtól sosem fogunk olyan képeket kapni, amelyek az utcán sétálók szemszögéből láttatják a tájat, de az off-nadír szög lehet akár egészen magas, akár 30 fokos is, ami már sokat segít egy-egy objektum könnyebb felismerésében. Egy probléma akad csak az off-nadír módszerrel: fordított arányban áll egymással a felbontás minősége és az oldalirányú szög nagysága. A műhold a tőle távolabb eső területeket rosszabb felbontásban tudja csak mutatni, az off-nadír esetében pedig nem a hozzá legközelebb eső (a műhold alatti) régiót fotózza, tehát bizonyos értelemben rosszabb képet készít ilyenkor. Ezért tehát elmondható, hogy amíg az off-nadír szög elméletileg lehetővé tenné azt, hogy a műhold esetleg bekukkantson az ablakokon is, addig a valamivel rosszabb felbontás csökkenti a jó rálátás esélyét.

És ne felejtsük el, hogy még a szupernagy felbontású szenzorok sem alkalmasak egyes emberek azonosítására, nemhogy az épületek belső tereinek megfigyelésére.

A SAR műholdak a közvélekedés szerint képesek “keresztüllátni” az épületek falain, de valójában a jel a falakon átjutva olyan gyengévé válik, hogy a szobában mozgó embereket, vagy ott lévő tárgyakat már nem tudja észlelhetővé varázsolni. A SAR műholdakat működtető Capella Space a privát szférájukat féltő emberek aggodalmaira reagálva azonban 2020-ban igyekezett az ilyen fajta félreértéseket tisztázni, és kijelentette, hogy “nem, a SAR nem lát át az épületeken”, aminek oka, hogy a radartechnológiával készült képek tulajdonképpen nem fotók, hanem a rádióhullámok visszatükröződéséből generált vizuális adatreprezentációk. Ezek a rádióhullámok a szilárd felületekről visszaverődnek és nem hatolnak át rajtuk. A szintetikus apertúrájú radarok többféle frekvencián dolgoznak, a leggyakrabban használt közülük a 4-8 Ghz (C-sáv), illetve a 8-12 GHz közötti tartomány (X-sáv), és alkalmasak rá, hogy néhány tíz centiméterre lehatoljanak a levelek közé vagy homokos, lazább talaj alá, emiatt segítségükkel felfedezhetőek például régen elveszett városok, de a sűrűbb anyagú, szilárdabb struktúrák már megálljt parancsolnak nekik.

Ki szabályozza a műholdak működését?

Az adatvédelem szempontjából nem csak a technológia fejlettsége a releváns kérdés, kulcsfontosságú az is, hogy ki és hogyan szabályozza, hogy mit lehet megfigyelni a műholdakkal. A feladatért minden országban más szerv a felelős, a SAR technológia esetében az Egyesült Államokban például a Kereskedelmi Minisztérium felel, ami még a felbontás tekintetében is korlátozza a műholdak üzemeltetőit.

Az űrbeli tevékenységek tekintetében általában minden országra érvényesek az úgynevezett Világűrszerződés (Outer Space Treaty) feltételei, amelyek iránymutatásként szolgálnak az űr “használatát” illetően,

de a részletek kidolgozása már a nemzeti kormányok hatókörébe esik. Az Európai Unió hivatalos földmegfigyelő programja, a Copernicus, az Unió űrprogramjának komponensét képezi, ezért az Európai Bizottság menedzseli, és a tagállamokkal, valamint az Európai Űrügynökséggel együtt számos EU-s szerv felelős a kivitelezésért. Magyarországon a Földmegfigyelési Információs Rendszer (FIR) működtetését a Földmegfigyelési Operatív Központ (FOK) látja el. A 2021. évi CXLIV. törvény értelmében, a Netjogtár leírása szerint a FIR “olyan állami információs rendszer, amely a földmegfigyelési alapadatok beszerzését, feldolgozását, adatbázisba rendezését, az adatbázis adatkezelési és adatfeldolgozási műveleteit, a földmegfigyelési előfeldolgozott adat és földmegfigyelési tematikus adat előállítását, szakmai minőségének vizsgálatát, továbbá az adatok hitelesítését végzi, és azokból adatszolgáltatást biztosít.” A rendszer tartalmazza többek között a Sentinel adatbázisát, amit a Copernicus program részét képezi. Ezek az adatok nyilvánosak, a szabályozás értelmében bárki díjmentesen megismerheti őket, vagyis bármikor utánajárhatunk, mit látnak éppen a magasból az űrsztrádán keringő, minket figyelő szemek.

A földmegfigyelő műholdakat üzemeltető cégek persze a legtöbb esetben olyan célok elérését segítik a felvételekkel, amelyek hasznos ügyet szolgálnak, többek között a városok infrastruktúrájának fejlesztését, az optimálisabb várostervezést, a precíziós mezőgazdaságot és erdészeti tevékenységet, a közmű- és úthálózatok folyamatos monitorozását, a felszíni vízkészletek állapotának nyomonkövetését, a természeti katasztrófák idején a mentési munkákat. A 4iG Űr- és Védelmi Technológiák Zrt., ami a HUSAT program első két műholdját már 2028-ban felbocsátja majd, a műholdak által összegyűjtött adatokat civil és védelmi célokra szánja, a begyűjtött adatokat pedig helyben, a vállalat Chief Geodata Officerének, Dr. Sik Andrásnak a vezetésével dolgozzák fel.

A cél, hogy olyan piaci adatszolgáltatási rendszert építsenek ki, amely széles körben hozzáférhető - magáncégek, uniós szervek, NATO, ESA, Magyarország, sőt, űrképességgel nem rendelkező országok számára is. A földmegfigyelési adatok a katasztrófavédelem, a vízügy, az agrárium, az erdészet, a környezet- és természetvédelem, a klímaváltozás és az urbanisztika területén egyaránt hasznosíthatók, így támogatva változatos lakossági és üzleti alkalmazások kialakítását.

Okos műholdak

A műholdak hatalmas mennyiségű nyers adatot termelnek, amelyet mesterséges intelligencia segítségével lehet hatékonyan feldolgozni, ami létfontosságú a műholdas megfigyelések esetében, hiszen az adatokat használható információvá kell alakítani az ügyfelek számára. A mélytanulási rendszerek, a számítógépes látás, a természetes nyelvfeldolgozás és más eszközök nagyban könnyítik a szakértők munkáját, ezért az alkalmazásuk egyre gyakoribbá válik. A képek előzetes kiválogatásától kezdve a felvételeken látható objektumok felismerésén és értelmezésén át a kategorizálásig számos módon lehet integrálni a mesterséges intelligenciát a munka folyamán, a modelleket pedig arra tréningezik, hogy minél többféle módon tudják kezelni az adatbázisokat.

A napi sok terabyte műholdas adat az MI segítségével lesz értelmezhető,

és ez teszi lehetővé az adatok gazdaságosabb kezelését, hogy az értékes források ne vesszenek kárba. A mesterséges intelligencia emellett abban is segít, hogy az adatok a nem-szakértők számára is könnyebben “emészthetőek” legyenek. Az MI így hidalja át a szakadékot a személytelen adatgyűjtés és a valódi hasznosság között - ráadásul a legújabb fejlesztések révén a mesterséges intelligencia már a műholdak fedélzetén is jelen lehet, helyben végezve a képfeldolgozás első lépéseit -, hogy gyorsabban, kevesebb mennyiségű adat letöltésével jusson el a releváns adat a felhasználóhoz.

A cikk elkészítésében együttműködő partnerünk volt a 4iG Űr és Védelmi Technológiák Zrt.

(Fotó: Kevin Stadnyk/ANIRUDH/Unsplash, Copernicus Sentinel/ESA, ESA ATG medialab, OnGeo Intelligence, ESA/NASA)