Infografika - "špionážní" družice

Obrázek/Figure 1.
SPOT satellites. SPOT-1 was the first successful non-military high-resolution satellite.
Copyright: CNES.

Po delší době se mi podařilo dodělat druhou infografiku (první je zde), opět věnovanou kosmickým observatořím, ale tentokrát těm namířeným na Zemi. Počet družic, které sledují či sledovaly Zemi, jde do tisíců, takže jsem vybral jen ty, které mne nyní nejvíce zaujaly a to družice s optickými přístroji s vysokým rozlišením. To znamená družice sledující povrch Země v elektromagnetické části spektra s vlnovou délkou zhruba 0,38 až 12 mikrometrů. Jako vysoké rozlišení je bráno rozlišení 10 metrů na pixel (či GSD - Ground Sampled Distance nebo GRD - Ground Resolved Distance) a lepší. To znamená, že v infografice jsou i družice s velmi vysokým rozlišením (pod 1 m/pix) a to včetně vojenských družic optického průzkumu ("špionážní družice").
V seznamu ale chybí z prostorových důvodů kamery na pilotovaných lodích a stanicích. Většina stanic měla na palubě kamery s rozlišením 5 až 10 metrů, výjimkou byly některé ruské Saljuty, které nesly monstrózní kameru AGAT-1 s ohniskovou vzdáleností 7200 mm a průměrem optiky 1 metr (největší v Rusku až do příchodu moderních kamer na palubách družic Araks a Persona).

Infografika je dostupná buďto jako menší obrázek 3 (rozlišení 14 268 × 3480 pixelů) nebo jako velký obrázek (20 600 × 5078 pixelů), který je možné stáhnout zde. Samozřejmě nejlepší verzí je originální PDF, dostupné přes Google Documents.

Celá infografika je rozdělená na dvě části, oddělené šedou osou znázorňující zemský povrch a umístěnou hned pod modrým pásem, znázorňujícím přibližně tloušťku hustších vrstev atmosféry. Nad touto osou je část informující o výšce nad zemským povrchem a pod je část věnována informacím o rozlišení. Všechny družice jsou seřazeny postupně od levé strany dle data vypuštění první úspěšné družice.

Každý typ družice je v infografice znázorněn barevnou siluetou, kde barva kóduje státní příslušnost vlastníka (viz obrázek 2 s anglickými popisky). Silueta svým umístěním znázorňuje průměrnou výšku nad zemským povrchem u civilních družic a minimální běžnou výšku u družic vojenských (mnohé z těchto družic mají rozsáhlé manévrovací schopnosti a mohou klesnout krátkodobě i do nižších výškových hladin). Siluety nejsou vzájemně v nějakém přesném poměru velikostí, ale přihlížel jsem zhruba k velikostem družic, takže miniaturní družice jsou maličké (např. DLR-TUBSAT), zatímco obří družice mají siluety největší (třeba řada KH-11). Siluety jsou zpravidla zepředu, takže družice by se pohybovaly směrem ven z monitoru. Výjimkou jsou starší družice řady KH a řady Zenit, které by zepředu vypadaly až příliš fádně, takže jsou znázorněny zboku.

Přibližně z místa, kde ústí optika hlavní kamery je u družic kužel, který se rozbíhá tak, že v místě nulové výšky jeho průměr odpovídá šířce snímané území. Značky na ose v nulové výšce umožňují odhad průměru snímaného území. Delší značky jsou od sebe vzdáleny 10 km a mezi nimi jsou po pěti kilometrech umístěny značky kratší.

Obrázek/Figure 2.
Described image of the example satellite from the infographic.
Kredit/Credit: Daniel Macháček.

Pod částí s výškovými údaji je část s údaji o rozlišení, přičemž stupnice je zde logaritmická. U každé družice je pak obdélník, který dosahuje až k hranici nejlepšího rozlišení dané družice. V případě, že je družice vybavena více přístroji, které mají odlišnou šíři snímaného území, či rozlišení, jsou pak tyto informace znázorněny samostatným obdélníkem. Často nejsou o některé družici publikovány žádné oficiální údaje, takže je třeba se spokojit jen s odhady (to se týká převážně vojenských družic). Poté mají obdélníky přerušovaný okraj.

Nad každou siluetou je název družice a údaj o rocích kdy družice daného typu dodávaly, či byly schopny dodávat snímky. Na siluetě je pak v případě, že stejný typ družice letěl ve větším počtu, číselný údaj o počtu úspěšných misí. Pro lepší přehlednost a prohlížení při menším zvětšení je pak jméno družice (často i s alternativním názvem) umístěné i v obdélníku znázorňujícím rozlišení.

Další část informací o družicích je znázorněna pomocí skupinky ikon umístěných těsně nad hlavní osou. Zatím jsem jich použil pět. Dvě představují typ družice z hlediska použité technologie pořizování snímků. První z těchto ikonek (políčko filmu) je použita u družic vybavených fotografickými kamerami, které snímají terén na filmový pás, který je nakonec po několika dnech poslán na zemi ve speciálním návratovém modulu. Druhá ikonka (radioteleskop) je věnována družicím s elektro-optickými kamerami s dálkovým přenosem dat (tedy družice, které mohou poslat data na zemi téměř ihned). Vojenské družice jsou představovány třetí ikonou ve tvaru přilba. Pár družic pak má možnost fotit i tepelné vyzařování objektů. Ty jsou znázorněny ikonou "TIR" (Thermal Infrared). V několika případech byly družice vybaveny i videokamerami, v infografice jsou vyznačeny ikonkou ve tvaru filmové kamery.

V současné době je infografika dodělána v podobě jednoho velkého souboru PDF, i když v budoucnu se snad dostanu i k menší vícestránkové verzi. Jednou z nevýhod této velké jednostránkové infografiky je špatná kompatibilita s Acrobat Readerem, alespoň mně se v něm tato vůbec nezobrazí. Proto doporučuji raději zvolit jiný prohlížeč, třeba velmi malý, přesto výkonný prohlížeč SumatraPDF (autor Krzysztof Kowalczyk).

Obrázek/Figure 3.
HIGH-RESOLUTION OPTICAL EARTH OBSERVATION SATELLITES
This is slightly smaller image version of the infographic (14 268 × 3480 pixels). Bigger image is available here (20 600 × 5078 pixels). Full PDF version is here. I cannot open this PDF in Acrobat Reader, so I recommend different PDF viewer, for example SumatraPDF (author Krzysztof Kowalczyk).
Kredit/Credit: Daniel Macháček.

Protože informace o vojenských družicích jsou často velice mlhavé, což pak mimo jiné vede k tomu, že se často objeví informace o parametrech, které jsou úplně mimo fyzikální a technickou realitu, přidal jsem pasáž věnující se krátce odhadům, použitým u těchto družic. Na začátek bych se zastavil u jednoho mýtu, který koluje velmi často. Je to oblíbené tvrzení, že to co vojáci zveřejní, je na daleko horší úrovni, než to co mají k dispozici v současnosti. Ano, to je částečně pravda. Agentury vojenského charakteru skutečně zpravidla nezveřejňují data o svých nejnovějších družicích. Zveřejňují je ale technicky vzdělaní autoři časopisů, jako je třeba Aviation Week nebo Jane's, kteří mají jednak své "speciální" zdroje a samozřejmě také vycházejí z informací, které se utajit nedají, jako je třeba velikost rakety, která tuto družici vynesla, či parametry oběžné dráhy družice. Vojenským průzkumným družicím se také věnují mnozí autoři z řad analytiků, kteří jsou schopni z jednotlivých střípků složit často velmi přesný obrázek o jejich schopnostech, či dokonce vzhledu (namátkou Jeffrey T. Richelson, Dwayne Day či Charles P. Vick).
Obecně platí, že navzdory tomu, že vojenské organizace mají na projekty více finanční prostředků, stále jsou limitovány fyzikálními omezeními (zejména difrakcí) a úrovní soudobé techniky. Proto i tak finančně zajištěné organizaci, jako je americká NRO, se může stát, že není schopna zajistit dotažení do konce u všech svých projektů (viz třeba projekt FIA a jeho FIAsko optické části).

Čína:

O čínském programu je známo jen velmi málo přesných údajů a většina informací jsou jen odhady odvozené z analýzy publikovaných snímků čínských družic a jejich velikosti. V infografice jsou použity odhady, které se zdají být dostatečně věrohodné a nepopírají ani fyzikální zákony ani reálné možnosti technologií.

Obrázek/Figure 4.
HELIOS-II, first European very high-resolution satellite.
Copyright: EADS-ASTRIUM.

Francie:

Francie patří mezi průkopníky civilních družic s vysokým rozlišením (řada SPOT, viz obr.1), ale od 90. let rozvíjí i program vojenských družic Helios. Ty mají mnoho společného s družicemi řady SPOT, ale využívají výkonnější kamery. Přesné parametry jsou utajované, ale rozlišení je u první generace (Helios 1) většinou udávané okolo jednoho metru a u druhé (Helios 2, obr.4) mezi 0,25 až 0,5 metry. V infografice je Helios 1 uveden s rozlišením 1 metr a s lineárním čidlem (TDI?) CCD s 10 000 prvky. U Heliosu 2 oficiální zdroje naznačují, že je použito obdobné technologie jako u družice SPOT-5 a to dvojice lineárních čidel CCD, které jsou oproti sobě posunuty o půl pixelu (příčně ke směru letu). Syntézou dat z obou čidel je pak získán dvakrát zvětšený snímek, přičemž skutečné rozlišení je asi o 2/3 lepší. Helios 2 je brán se dvěmi lineárními čidly s 20 000 prvky při rozlišení 0,5 m/pixel a možností přepočtení na 0,25 m/pixel s efektivním rozlišením okolo 0,35 m/pix. U družic typu Helios 2 je také oficiálně známo, že jsou jako jedny z mála vybaveny termovizním kanálem (pracujícím zřejmě v pásmu 3 až 5 mikrometrů).

Izrael:

Kupodivu přesných informací o izraelském programu vojenských družic je docela dost a to i z oficiálních zdrojů. Informace jsou dostatečně dobře známy na to, abych je v infografice neuváděl jako odhady, ale fakta (více viz zdroje informací).

Obrázek/Figure 5.
Soviet/Russian Yantar-4K (Kobalt) reconnaissance satellite. Image is from Daniel Marín's blog. Image link redirects you to his page with lots of other images of the Russian reconnaissance satellites.
Copyright: Novosti Kosmonautiky (?).

SSSR/Rusko:

Narozdíl od USA neběží v Rusku žádný podobný program postupného odtajňování informací o průzkumných družicích spojený s oficiálním publikováním dokumentů. Některé informace nejsou sice nadále utajovány, ale jejich zveřejnění je většinou spíše zásluhou různých zainteresovaných lidí, ať už z vojenského prostředí nebo přímo od firem vyrábějících tyto družice. Hodně informací je možné nalézt zejména v časopise Novosti Kosmonautiky a na jeho internetových stránkách. Mnoho starších družic projektu Zenit je umístěno v muzeích a tamtéž je možné najít i nejstarší zástupce projektu Jantar (obr.5). Na základě publikovaných informací o průměrech optiky a použitých formátech filmů je možné si udělat docela přesný obrázek o schopnostech těchto družic. Navíc některé vojenské průzkumné družice byly později využity v civilním programu (Zenit->Resurs-F, Jantar->Resurs-DK), takže mnoho dalších informací proniklo na veřejnost. I o novějších družicích typu Orlets se objevilo několik zajímavých informací (v Novosti Kosmonautiky).Používají například speciální panoramatickou kameru se zrcadlem o průměru 90 cm a obrovským filmovým formátem. Jedno políčko filmu měří neuvěřitelných 2,5×0,4 metru. Jedním snímkem je možné pokrýt rozlohu srovnatelnou s Českou republikou, Skotskem či Jižní Karolínou (až přes 74 000 km²).

Obrázek/Figure 6.
American military mapping reconnaissance satellite KH-9 HEXAGON in hangar.
Copyright: Lockheed (?).

USA:

Údaje o amerických průzkumných družicích jsou převzaty zejména z odtajněných materiálů organizace NRO (National Reconnaissance Organisation). U starších průzkumných družic řady KH (KH-1 až KH-9 - obr.6) bylo zveřejněno velké množství materiálů, které umožňují odvodit většinu podstatných parametrů, jako je rozlišení a velikost snímaného území. Výjimkou jsou jen družice s rozlišením lepším než dvě stopy. Z oficiálně odtajněných jsou to jen družice KH-7 a KH-8 programu GAMBIT-1/3. V jednom z odtajněných dokumentů byl ale tento údaj nechtěně ponechán, takže víme, že rozlišení ke konci programu (2. pol. 70. let až 1. pol. 80. let) bylo v ideálním případě lepší než 4 palce (~10 cm). To odpovídá i odhadům založených na znalosti optického systému a fyzikálních zákonech (zejména tzv. difrakčního limitu pro daný průměr vstupního optického členu a vlnové délce elektromagnetického záření zaznamenávaného kamerou). Rodina družic odvozených od digitálního systému KH-11 je utajovaná a údaje jsou jen odhady založené na jejich velikosti, na odhadovaném průměru velikosti zrcadla (2,34 metru později zvětšeném na průměr mezi 2,4 až ~3,05 m), velikosti průměru zorného pole (až ~2°) a velikosti lineárních CCD čipů se zohledněním k postupnému technickému vývoji, takže nejnovější družice mají lepší parametry než starší typy. Dále bylo publikováno, že přinejmenším první družice KH-11 pořizovaly snímky podobně jako KH-7 a KH-8 v delších pásech po směru letu (viz obr.7) a průměr zobrazovaného území byl srovnatelný či menší. Později přibyly digitální mapovací a možná i panoramatické kamery, protože družice pozdějších typů musely alespoň částečně nahradit schopnosti předchozích typů KH-8 a KH-9. V infografice jsou tyto rozdíly vyjádřeny rozdělením družic rodiny KH-11 na 4 subtypy Block I až Block IV. Zřejmě ojedinělá družice označovaná někdy jako "8X" nebo EIS (Enhanced Imagery System) je znázorněna jako obdoba družice KH-9 Hexagon se dvěmi kamerami s 2,4 metrovými zrcadly stejného typu, které loňský rok darovala NRO organizaci NASA. Darované optické systémy pochází z 90. let, jsou označovány jako space proven (vyzkoušeny v kosmu, či simulovaných kosmických podmínkách) a jsou natolik kompaktní, že je možné je umístit napříč do válce o průměru čtyř metrů (odpovídá zhruba max. průměru družic KH-11). Tato idea je pokud vím, má vlastní. Více o těchto teleskopech, které představovaly špičku na přelomu tisíciletí, je možné se dozvědět zde. "Neviditelná" družice programu MISTY je zahrnuta pod programem KH-11 Block III.

Obrázek/Figure 7.
Famous leaked picture of the Soviet Kiev aircraft carrier from USA military electro-optical reconnaissance satellite KH-11. Linear nature of the CCD detectors is clearly visible (image is from push broom imager).

Zdroje informací:

Většina údajů o civilních družicích je převzata ze stránek eoportal.org, které jsou vybaveny i konkrétními citacemi na originální zdroje informací. Pokud byly nějaké informace rozporuplné, snažil jsem se dohledat i další zdroje, ale hlavně ověřit dané parametry výpočtem na základě publikovaných dat. Například u francouzských družic řady Pleiades je někdy udáváno rozlišení 0,5 m/pix, přestože optika této družice takového rozlišení neumožňuje dosáhnout. Pravdivý je tedy druhý udávaný údaj, který se vyskytuje a to 0,7 m/pix (ten už není v rozporu s fyzikou). Informace o startech družic všech typů jsou často získány ze stránek astronautix.com, Space 40, či Gunter's Space Page. Údaje o vojenských družicích jsou kompilace informací z mnoha zdrojů, z nichž nejdůležitějšími jsou odtajněné materiály o projektech KH-1 až KH-9 od americké NRO, zejména série publikací Perry Histories či dokument HEXAGON (KH-9) MAPPING CAMERA PROGRAM AND EVOLUTION. Dalšími zdroji jsou výše zmíněné stránky (Astronautix, Space 40, Gunter's Space Page, eoportal.org) a také globalsecurity.org. Někdy existují i pro vojenské družice oficiální stránky, jako je tomu třeba u programu Helios (nebo zde - PDF). Informace (nebo odhady) o čínském programu družic elektrooptického průzkumu jsou převzaty z materiálů britského nakladatelství Jane's a internetových stránek dragoninspace.com a sinodefence.com. Údaje o izraelském programu průzkumných družic jsou získány ze stránek defense-update.com a stránek společnosti Elbit, která výrábí kamery pro tyto družice. Jak už bylo zmíněno výše, hodně informací o ruském a sovětském programu vojenských družic je převzata z Novosti Kosmonautiky a také analýzou fotografií umístěných na internetovém fóru tohoto časopisu. Ty jsem porovnával s odhady uvedenými na těchto zajímavých čínských stránkách, které obsahují tabulku s odhady rozlišení. Na mnoho zajímavých informací je také možné narazit na fóru Nasaspaceflight. Analýza publikovaných fotografií byla důležitým zdrojem u většiny vojenských družic, protože umožňuje určit možný rozsah průměru zrcadel a tedy i výsledné rozlišení systémů. Šířku snímaného pásu jsem například odvozoval ze známých parametrů optiky, či jejich odhadů. Pokud nebyly k dispozici, použil jsem odhad založený na možné velikosti lineárních čidel (od 5000 pixelů po maximum 100 000 pixelů) a jejich odečítací rychlosti (maximálně ~110 000 řádku za sekundu), která má přímý vliv na výsledné rozlišení. Na závěr bych dodal, že odhady jsou stále jen odhady a na přesná data si budeme muset počkat až do odtajnění dokumentů, ke kterému dříve či později dojde. To už ale budou k dispozici nové družice s lepšími parametry, které budou opět "jen" odhadovány analytiky.