Obrazy satelitarne w czasie rzeczywistym, czy obserwacja na żywo jest możliwa?

Zobrazowania satelitarne o bardzo wysokiej rozdzielczości (VHR), na których można zobaczyć dokładne szczegóły terenu, są dostępne z innych rodzajów satelitów. Udostępniane są zazwyczaj w ciągu kilku do kilkudziesięciu godzin po wykonaniu. Można je pozyskać z naszej platformy OnGeo™ Intelligence w formie Raportu zobrazowań satelitarnych OnGeo™ Intelligence. Obrazy w raporcie są katalogowane w serię czasową i prezentowane w interaktywnej formie dokumentu PDF. Ten format nie wymaga używania specjalistycznego oprogramowania, aby przeglądać obrazy swojego miejsca z kosmosu. Czas pomiędzy wykonaniem obserwacji a otrzymaniem jej przez użytkownika zależy od tempa procesów zdefiniowanych przez operatorów satelitarnych i polityki udostępniania informacji. Często najnowsze obrazy są udostępniane z opóźnieniem ze względu na ich konkurencyjną wartość.

Satelitarne Technologie Obserwacji Ziemi

Jeżeli poświęcisz chwilę, opowiem Ci, jak działa satelitarna technologia obserwacji Ziemi i dlaczego nie można obserwować Twojego życia z kosmosu w czasie rzeczywistym.

Najpierw wymienię ograniczenia obserwacji Ziemi z kosmosu na żywo, a następnie omówię każde z tych ograniczeń. A więc co ogranicza obserwacje z kosmosu?

• Ruch satelitów i wysokość orbit: Satelity muszą utrzymywać określone orbity na określonych wysokościach nad Ziemią, co wpływa na ich ruch i obszary zasięgu.
• Komunikacja radiowa: Im dalej jest satelita, tym sygnał jest mniej przepustowy.
• Optyka: Im dalej jest satelita od Ziemi, tym gorsza jest rozdzielczość obrazowania.
• Widoczność i oświetlenie powierzchni Ziemi: Czynniki takie jak dzień, noc, chmury i mgła mogą utrudniać lub ograniczać widoczność powierzchni Ziemi.
• Krzywizna Ziemi: Krzywizna Ziemi ogranicza możliwości odbioru sygnału przez satelitę.

Satelita obserwacyjny to metalowe pudełko o różnych wymiarach: od wielkości piłki nożnej do wielkości autobusu. Satelita nie ma silników napędowych ani skrzydeł, ale musi się utrzymać nad powierzchnią Ziemi. Nie spada na Ziemię ani nie ucieka w przestrzeń kosmiczną. Jak działa zatem technologia satelitarna?

 Orbity satelitarne i zasady powstawania obrazów satelitarnych

1. Co utrzymuje satelitę na orbicie?

Satelitę nad powierzchnią Ziemi utrzymuje prędkość ruchu oraz siła grawitacji. Siła grawitacji przyciąga satelitę w kierunku Ziemi, satelita ciągle usiłuje spaść, ale jego prędkość powoduje zakrzywienie trajektorii lotu, a zatem wywołuje siłę odśrodkową. Siła odśrodkowa ruchu po łuku równoważy zatem siłę grawitacji. Jest to taki sam stan równowagi sił jak ten, który nas utrzymuje w równowadze, gdy jedziemy na rowerze lub motocyklu na łuku drogi. Oczywiście na powierzchni Ziemi inne są łuki (prędkości kątowe) i inna wartość przyciągania ziemskiego oraz inne osiągane prędkości. Zapewnienie równowagi siły odśrodkowej i dośrodkowej w kosmosie wyznacza orbity, po których poruszają się satelity. Im odleglejsza orbita, tym prędkość satelity musi być mniejsza. Ponieważ w kosmosie opór ruchu jest zaniedbywalny, wystarczy nadać satelicie prędkość inicjalną, a ta utrzymuje się przez wiele lat lub tysiącleci.

Spójrzmy tylko na księżyc, jak długo towarzyszy Ziemi w roli naturalnego satelity, ani nie spadł ani nie odleciał.

Przedstawione uwarunkowania fizyczne powodują pewne ograniczenia technologii. Satelity muszą bardzo szybko się przemieszczać. Na niskich orbitach poruszają się  zawrotną dla warunków ziemskich prędkością 7 do 8 km/s (ok. 27 000 km/h). Na wysokiej orbicie geostacjonarnej satelity poruszają się z prędkością niewiele ponad 3 km/s co zapewnia, że obieg satelity wokół Ziemi odbywa się w tym samym czasie co pełen obrót Ziemi. Tylko satelita geostacjonarny może stale obserwować ten sam obszar Ziemi. Z naszej ziemskiej perspektywy wisi on w stałym punkcie, zwykle nad równikiem i na nas patrzy. Korektę trajektorii lotu satelity zapewniają małe silniki rakietowe.

2. Jak wysoko latają satelity obserwacyjne?

Wysokość orbit satelitarnych zależy od ich przeznaczenia. Najniższe orbity zajmują satelity naukowe i te do obserwacji Ziemi w najwyższych rozdzielczościach. Na przykład Międzynarodowa Stacja Kosmiczna (ISS) znajduje się na wysokości około 420 km nad Ziemią i porusza się z prędkością 7,67 km/s, obiegając Ziemię 15,5 razy na dobę. Nowoczesne satelity obrazujące, takie jak Maxar Legion, operują na orbitach o wysokości 450 km, oferując rozdzielczość 30 cm na piksel, co jest porównywalne z rozdzielczością uzyskiwaną z pułapu lotniczego.

Większość satelitów obserwacyjnych znajduje się na wysokościach od 450 do 800 km. Są to nadal niskie orbity w porównaniu do innych typów satelitów. Przykładowo, satelity SkySat operują na orbitach 450, 500 i 600 km, World View2 na 617 km, Pleyades Neo na 620 km, World View3 na 700 km, Landsat 8 na 705 km, a Sentinel2 na 786 km. Satelity te przemieszczają się względem powierzchni Ziemi, więc nie mogą stale obserwować tego samego obszaru.

W przeciwieństwie do nich, satelity na orbicie geostacjonarnej, oddalonej od Ziemi o 36 000 km, mogą obserwować Ziemię w czasie rzeczywistym. Jednak z tej odległości trudno jest dostrzec szczegóły i małe obiekty na powierzchni Ziemi.

3. Jak powstaje obraz satelitarny?

Obraz satelitarny powstaje podobnie jak zdjęcie w aparacie cyfrowym. Pomijając techniczne aspekty związane z optyką, detektorami i stabilizacją obrazu, skupmy się na parametrach zobrazowań satelitarnych. Kluczowym czynnikiem jest rozdzielczość przestrzenna obrazu. Najlepsze cywilne zdjęcia z kosmosu osiągają rozdzielczość 30 cm na piksel. Kilka konstelacji satelitarnych dostarcza obrazy o rozdzielczości między 30 a 50 cm na piksel, co pozwala na obserwację szczegółów terenowych związanych z codziennymi sprawami gospodarczymi. W rozdzielczości 0,3 do 0,5 m można wyróżnić takie szczegóły jak samochody czy pojedyncze drzewa. Rozdzielczości między 0,6 a 2,5 m pozwalają na identyfikację obiektów wielkości budynku, a rozdzielczości 10-30 m umożliwiają analizę powierzchni upraw rolnych, lasów czy wód.

Dodatkowo, obrazowanie satelitarne często rejestruje informacje niedostępne dla ludzkiego oka, takie jak obrazy w bliskiej i środkowej podczerwieni, co pozwala na wizualizację zjawisk niewidocznych dla ludzkiego oka. Interpretacja takich obrazów wymaga jednak specjalistycznej wiedzy. Każdy piksel zdjęcia satelitarnego jest przyporządkowany do konkretnej powierzchni Ziemi, co pozwala na ustalenie położenia geograficznego obiektu. W zależności od rodzaju przetworzenia, błąd położenia piksela może być większy lub mniejszy.

4. Jak pobierany jest obraz satelitarny na Ziemię?

Jedynym sposobem przesyłania informacji z satelity na Ziemię jest łączność radiowa. Obrazy satelitarne są kodowane na satelicie, przesyłane jako sygnał radiowy i dekodowane do obrazu w naziemnej stacji kontroli. Problemem jest jednak duża objętość transmitowanej informacji. Im większa odległość satelity od stacji odbiorczej, tym wolniejszy jest transfer. Satelity krążące nad Ziemią z dużą prędkością szybko znikają z horyzontu, zasłaniane przez krzywiznę Ziemi.

Stąd naziemne stacje kontroli rozmieszczone są w wielu miejscach na całym świecie i wyposażone w ogromne anteny radiowe.
Gdy aktualne zobrazowanie satelitarne znajdzie się na komputerach w naziemnej lokalizacji, podlega wstępnym przetworzeniom i umieszczane jest w hurtowniach danych oraz udostępniane poprzez Internet zgodnie z polityką operatora konstelacji satelitarnej.

5. Od czego zależy jakość obrazowania satelitarnego?

Jakość optycznego obrazowania satelitarnego zależy od stanu atmosfery oraz oświetlenia. Największą przeszkodą są chmury. W niektórych strefach klimatycznych i porach roku trudno jest uzyskać obrazy bezchmurne. Losowość występowania chmur i ich nieprzewidywalność jest najbardziej ograniczającym czynnikiem w wielu regionach świata o określonych porach roku.

Obrazowanie satelitarne wymaga dobrego oświetlenia terenu. Z tego względu satelity obserwacyjne umieszczane są na tzw. orbitach heliosynchronicznych, zaplanowanych w taki sposób, aby trajektoria satelity zapewniała odpowiednie kąty oświetlenia słonecznego w czasie całego przebiegu satelity w strefie dziennej. Oświetlenie nie jest natomiast konieczne przy obrazowaniu radarowym lub termalnym, gdyż w tych technikach obraz powstaje na podstawie innych praw fizyki niż omówione powyżej.

Podsumowując, droga aktualnego obrazu satelitarnego z satelity na Twoje urządzenie mobilne jest bardzo długa w odróżnieniu do sygnału GPS lub sygnału telewizyjnego, który odbierasz bezpośrednio na swoim urządzeniu.