Problém číslo jedna

S naprostou jistotou lze tvrdit, že dnes prakticky neexistuje místo na světě, které by bylo před úderem balistických raket naprosto bezpečné. Odborníci se shodují v názoru, že největším problémem je zjistit, kdy a kde byla raketa odpálena, kterým směrem poletí a kde leží její předpokládaný cíl. Logicky z toho vyplývá, že jediné prostředky schopné poskytovat takové informace o balistických raketách musí působit v kosmu, nikoliv na Zemi - jsou to družice včasné výstrahy.

Dalším problémem je určitě skutečnost, že potenciální místa, odkud mohou být rakety odpáleny, jsou ve skutečnosti velmi rozsáhlé prostory. Na těchto velkých plochách je velmi nesnadné zjišťovat relativně malé a málo výrazné objekty o velikosti řádově jednotek až desítek metrů z velké vzdálenosti z kosmu. Nezbytným požadavkem je naprostá provozní spolehlivost družicových senzorů i vysokorychlostních komunikačních kanálů, jinak by funkce výstrahy neměla smysl. Speciální družice musí být schopné vést spojitou kontrolu v celosvětovém měřítku. Bez moderních technologií, technicky složitých a provozně náročných rozvinutých systémů by bylo naplnění této představy pouhou teorií.

Se včasnou výstrahou úzce souvisí rovněž spolehlivý a rychlý přenos informace z kosmu na Zemi. Kosmické systémy včasné výstrahy s využitím družicového spojení úzce spolupracují se střediskem řízení bojové činnosti systému protiraketové obrany, které data získaná družicemi systému SBIRS využívá k navedení antiraket do vypočteného bodu střetu s bojovou hlavicí a současně je má poskytovat pozemním informačním systémům velení a řízení a protiraketovým zbraňovým systémům pro konečnou fázi letu.

Historie a současnost výstražných družic

Družice výstražného systému DSP (Defense Support Program) působí na geostacionární oběžné dráze ve výšce 35 862 km od roku 1970. Pro snímání zemského povrchu byly vybaveny infračervenými detektory pro zjišťování hořících motorů startujících balistických raket, tzn. v jejich vzestupné fázi. Možnosti systému DSP však odpovídají podmínkám a stavu mezikontinentálních balistických raket 70. let. Ale od té doby rakety dosáhly tak velkých počtů a takového rozšíření, že v případě hromadného raketového úderu by byl systém DSP s největší pravděpodobností zahlcen. Proto vyvstala potřeba vývoje kvalitativně nového výkonnějšího systému včasné výstrahy, který by zastarávající systém DSP postupně nahradil.

Americká firma Lockheed Martin proto nyní pracuje na vývojovém projektu dokonalejšího kosmického infračerveného výstražného systému pod názvem SBIRS (Space-Based Infrared System). Na projektu se podílejí i další firmy, např. GenCorp AeroJet (systém řízení družic, telemetrie, měření parametrů oběžných drah), Northrop Grumman (infračervené detektory), Honeywell (prostředky zpracování dat) a další. Celkové výdaje na realizaci systému SBIRS se odhadují na 10 mld. USD. Systém SBIRS má v porovnání se soudobým družicovým výstražným systémem DSP s několika družicemi s infračervenými teleskopickými senzory zabezpečovat několikanásobně rychlejší a přesnější data o startech balistických raket všech kategorií kdekoliv na světě. Tato data budou přímo využitelná v různých zbraňových systémech na válčišti.

Účel systému SBIRS

Klíčovým úkolem systému SBIRS je poskytovat americkému systému protiraketové obrany údaje o místu a času odpálení, určení technických parametrů a sledování drah letu balistických raket v celosvětovém měřítku ve fázích od odpálení až po konečnou sestupnou fázi, resp. po opětovný vstup bojových hlavic do horních vrstev atmosféry. Má poskytovat přesné a aktuální údaje o místu odpálení pro účely operativního provedení úderu na odpalovací zařízení a tak znemožnit odpálení další rakety. Systém má rovněž úzce spolupracovat s pozemními radary a nasměrovat je tak, aby spolehlivě zachytily přilétající rakety a jejich bojové hlavice a vyhodnocovat stav těchto objektů (cílů) po zásahu. V době míru má systém monitorovat všechny testovací zkoušky balistických raket na celém světě a vyhodnocovat jejich data. Tato data mají umožňovat případné budoucí efektivní použití systému protiraketové obrany proti nové raketové hrozbě. Systém má poskytovat větší objem dat, nutných pro určení času a přesného předpokládaného bodu zásahu, než jiné soudobé systémy. To dovoluje použít menší počet antiraket a vyloučit klamné bojové hlavice. Současně má být využíván k přehledu a pozorování objektů v kosmu zejména pro vyloučení kolize družic s jinými družicemi a různými předměty.

Složení systému SBIRS

Systém SBIRS má být tvořen dvěma hlavními kosmickými částmi -- SBIRS High (vysoká) se 4 družicemi umístěnými na geostacionární oběžné dráze (GEO) a 2 družicemi na vysoké eliptické oběžné dráze (HEO) a SBIRS Low (nízká) s 20 až 30 družicemi na nízkých křižujících oběžných dráhách. Toto provozní uspořádání umožňuje nejen globální pokrytí, ale i včasnou výstrahu před odpálením balistických raket řádově v sekundách. V roce 2001 systém SBIRS Low přešel pod Agenturu protiraketové obrany a v roce 2002 byl přejmenován na STSS (Space Tracking and Surveillance System) a někdy je též nazýván Brilliant Eyes.

SBIRS High

Jednou z výhod družic SBIRS High, umístěných na geostacionárních oběžných dráhách (ve výšce 36 000 km nad Zemí), je jejich schopnost spojitého sledování a monitorování prakticky celého zemského povrchu. Jejich senzory mohou detekovat a automaticky sledovat jak strategické, tak taktické balistické rakety v průběhu "horké" startové fáze, resp. ve fázi hoření hnacích motorů.

Družice mohou určit polohu odpalovacího zařízení s tak vysokou přesností, že je taktické letouny a další zbraňové systémy mohou zničit dříve, než je schopno odpálit další balistickou raketu.

Družice jsou vybaveny dvourežimovou detekční aparaturou. Vyhledávací snímací infračervený senzor se širokým zorným polem pracuje v blízké infračervené části spektra a slouží k rychlému celosvětovému přehledu raket ve startové a postartové fázi (tzn. když hoří motory). Vstupní informaci předává stabilnímu sledovacímu infračervenému senzoru s úzkým zorným polem pro přesnou detekci, rozpoznávání a automatické sledování dráhy letu rakety. Tato data předá družicím SMTS, které převezmou další automatické sledování rakety. Senzor je uložen na stabilizované základně ve dvou rovinách.

Technické vybavení družice má zahrnovat přehledový infračervený senzor se širokým zorným polem SWIR (od horizontu po horizont a několik stupňů za horizont), sledovací senzor Pathfinder s úzkým zorným polem pro pásma SWIR, MWIR, MLWIR, LWIR a viditelnou oblast kmitočtového spektra pro sledování mořské hladiny a povrchu Země. Pro zabezpečení spojení mezi družicemi má být vybavena spojovacím zařízením pracujícím na kmitočtu 60 GHz, pro přenos dat družice-Země a Země-družice zařízením pracujícím na kmitočtech 44 a 20 GHz a pro přenos řídicích povelů mezi pozemním řídicím střediskem a družicí v kmitočtovém pásmu 2 až 4 GHz. Provozní spolehlivost družice a všech technických prostředků se odhaduje na 99 %.

Proces včasné výstrahy má nesmírný vliv na efektivní fungování globálního informačního systému. O raketovém úderu tak mohou být s dostatečným předstihem informována pozemní vojska, velitelské orgány plánující obranu před raketovým úderem, obsluha zbraňových protiraketových systémů i civilní obrana. Data získaná a zpracovaná systémem SBIRS představují jeden ze samostatných zdrojů rozsáhlých informačních systémů, které mají v blízké budoucnosti ulehčit celkové vyhodnocování situace na bojišti.

Firma Lockheed Martin v srpnu 2004 dokončila stavbu první soupravy speciálního vybavení družice SBIRS High a v březnu 2005 dokončila vývoj důmyslného vysoce výkonného komunikačního podsystému, který byl vestavěn do soustavy. Podsystém zajišťuje jednu z klíčových rolí systému SBIRS -- poskytuje informace o odpálení raket, odolné proti elektronickému rušení, a zpracovaná data z infračervených senzorů s celosvětovým pokrytím přímo informačním systémům velení a řízení bojových jednotek na bojišti. Současně s tím poskytuje spojitý utajený přenos dat řídicích povelů a provozních údajů mezi družicemi a pozemními vyhodnocovacími středisky.

Firma Northrop Grumman počátkem letošního října oznámila, že ukončila sérii 147 akustických a vibračních testů elektronického a senzorového vybavení družic prvního systému SBIRS-High pro geostacionární oběžnou dráhu (GEO). Tyto testy jsou nezbytné k ověření, zda je dostatečně zodolněno, zejména zda odolává hluku a otřesům, které doprovázejí start a vynesení družic na oběžnou dráhu, a tyto vlivy nebudou mít negativní dopad na funkce vybavení družice (telemetrická data, činnost infračerveného senzoru a skeneru, zpracování signálů a datalinku k přenosu dat na Zemi). Nyní toto speciální vybavení předá firmě Lockheed Martin, hlavnímu dodavateli a systémovému integrátorovi systému SBIRS. Počátkem roku 2007 má být zahájena následná série teplotních a podtlakových testů.

SBIRS Low (STSS)

Jedinečnou schopností družicového systému pro nízké oběžné dráhy STSS (SBIRS Low) je přesně sledovat bojové hlavice oddělené od mezikontinentální rakety po většinu jejich letu, průběžně zaměřovat polohy bojových hlavic a přesná data poskytovat systému protiraketové obrany pro navedení antiraket. Družice SBIRS Low budou jedinými družicemi včasné výstrahy se schopností přesného sledování vypuštěných bojových hlavic ve střední fázi letu. Soustava systému SMTS, optimalizovaná pro tento systém, má být tvořena 12-24 družicemi působícími na třech oběžných dráhách (optimální celosvětové pokrytí by si vyžádalo celkem 28 družic na čtyřech oběžných dráhách).

Systém STSS je však navíc schopen velmi přesně nasměrovat pozemní naváděcí radary s cílem zkrátit dobu jejich vyzařování na minimum, omezenou jen na časové rozmezí, kdy se cizí rakety nacházejí v jejich efektivním dosahu. To znamená i podstatné snížení nebezpečí hrozby zničení radaru protiradioelektronickými řízenými střelami.

Firma Raytheon vyvinula signálový a datový počítač, který je 10krát menší než předchozí počítač s obdobnými možnostmi a vyžaduje příkon pouze 175 W. Signálový filtr pro vyloučení vlivů rušení a vydělení užitečného signálu má propustnost 2,1 GB/s. Pro účely extrémního objemu a vysoké rychlosti zpracování dat a v procesu vícenásobného sledování cílů byly vyvinuty speciální aplikační integrované obvody. Jejich výkon stačí pro spojité sledování a vyhodnocování až 100 cílů současně.

Provozní možnosti

Možnost spojení a přenosu dat mezi libovolnými družicemi navzájem umožňuje synchronní zaměřování a měření parametrů balistické dráhy i předávání úlohy sledování cíle, včetně jeho parametrů, z jedné družice na druhou, kterákoliv z nich pak může získaná data vyslat na Zem. Použití tohoto způsobu předávání dat a spojité kontroly podstatně zvyšuje efektivnost antiraket. Družice SBIRS Low představují jakýsi datový a informační most mezi kosmickými senzory a pozemními radary typu XBR/SBX protiraketového systému a tím se výrazně podílejí na jeho přesné činnosti, účinnosti a spolehlivosti zásahu bojových hlavic ve střední a konečné fázi jejich trajektorie.

Základní údaje družice SBIRS Low (STSS)

Výstavba systému

Výstavba systému probíhá ve čtyřech fázích. První je tvořena sloučením s programy DSP (Defense Support Program), včasného varování o odpálení ALERT (Attack Launch Early Report to Theater) a spojena s uvedením společných pozemních středisek JTAGS (Joint Tactical Ground Station) do provozu. Druhá se vztahuje k nasazení a provozu družic systému SBIRS High Block I. Třetí je soustředěna na rozšíření možností družic systému SBIRS Low v celkové architektuře. Cílem čtvrté fáze je zdokonalení družic obou systémů SBIRS High/Low na základě zkušeností z provozu a požadavků amerického ministerstva obrany. Plný operační provoz systému v plném rozsahu je plánován od roku 2008.

Princip činnosti systému SBIRS

Systém SBIRS ke své činnosti využívá infračervených senzorů. Podstata jeho činnosti vychází ze skutečnosti, že všechny objekty vyzařují přirozené infračervené záření. Teplota tohoto objektu je dána intenzitou vyzařované energie a její specifickou vlnovou délkou a vůbec nezávisí na tom, zda je den, či noc. Proto se objekty dělí na tzv. "horké" a "studené". Jelikož všechny "horké" objekty a tedy i motory startujících raket, intenzívně vyzařují infračervené záření, právě detektory, pracující v infračervené oblasti kmitočtového spektra, jsou vhodné k jejich zjišťování a sledování. Infračervený detektor na družici a nasměrovaný k Zemi může takový teplotně kontrastní objekt detekovat, sledovat, měřit a zaznamenávat trajektorii jeho letu. Navíc infračervené záření, které doprovází hoření hnacích motorů, je spektrálně poměrně přesně vyhraněné a odpovídá určitému typu rakety, což je umožňuje rozpoznávat s poměrně vysokou přesností a pravděpodobností. S ohledem na nutnost vyčleňování horkých cílů současné kosmické detekční systémy využívají fotonové infračervené detektory. Fotonový detektor obsahuje materiál vysoce citlivý na infračervené záření. Fotony dopadající na citlivou vrstvu reagují přímo s materiálem a generují elektrické signály. Plošný detektor je rozdělen na malinké částečky nazývané "pixely". Rozlišovací schopnost detektoru je přímo závislá na velikosti pixelu, jejich vzájemné vzdálenosti a celkovém počtu. Většina soudobých detektorů je postavena na bázi prvků HgCdTe a IsSb. Infračervený detektor je základním a určujícím prvkem složitého infračerveného senzorového systému, který je vybaven důmyslným počítačovým systémem pro zpracování signálů se speciálním jednoúčelovým softwarem. Družice při sledování a zaměřování cílů pracují v párech pro docílení stereoskopického zobrazení. Družice tak umožňují určit polohu odpalovacího zařízení, změřit okamžitou rychlost a zrychlení startující rakety, počet a provedení oddělených bojových hlavic, klamných cílů, případně i úlomky po zásahu s vynikající přesností.

Konstrukce družicových IR senzorů

V případě družicových infračervených senzorových systémů se jedná o paralelní příjem několika detektorů, které detekují signály, vyzařované z dílčích prostorů na Zemi, které se nazývají stopami. Plochy těchto stop jsou závislé na zorném poli optické soustavy a na výšce senzorového systému nad Zemí. Z velké výšky snímá větší prostor, z malé výšky má však mnohem lepší rozlišovací schopnost.

Používány jsou dva druhy senzorových systémů -- stabilní a snímací. Stabilní jsou zaměřeny do stále stejného místa a vyhodnocují časové změny infračerveného vyzařování. Jejich výhodou je, že dokáží vyhodnotit i ty nejmenší a nejrychlejší změny ve svém zorném poli. Zato však s ohledem na postižení požadované plochy vyžadují relativně velkoplošné soustavy detektorů. Naopak snímací technika vyžaduje podstatně menší soustavy detektorů. Detektory mohou být uspořádány i do řad a snímat prostor z jedné strany na druhou (podobně jako skener). Snímání může probíhat i po spirále (tzv. spirálová technika snímání). Výhodou snímacích detekčních soustav je relativně nižší výrobní cena v porovnání s plošnými detektory. Celý prostor snímají periodicky a nedosahují tak vysoké pravděpodobnosti detekce malých změn, zejména na hranicích mezi jednotlivými stopami. U cílů vysoké rychlosti se může stát, že nebudou detekovány vůbec. I když moderní technologie umožňují dosáhnout velmi krátkých period, přesto se nejen u soudobých, ale i u perspektivních infračervených detektorů používají převážně stabilní velkoplošné detekční soustavy. Konkrétní provedení závisí na mnoha faktorech, zejména na počtu družic v sestavě, výšce oběžné dráhy, na provozních požadavcích a dalších.

Infračervené detekční systémy jsou pasivní prostředky, pouze "čekají" na signály, vyzářené specifickým objektem, které pak měří a vyhodnocují. Signály vyzářené objektem však musí urazit velkou vzdálenost k detektoru na družici. Navíc mohou být značně utlumeny v důsledku prostupu atmosférou a vlivem špatného počasí. Infračervené detektory proto musí být mimořádně citlivé. Navíc Země vyzařuje značné množství infračervené energie, což způsobuje mnoho nežádoucích šumů do zobrazení. Pro zpracování a vydělení užitečných signálů je proto nutný speciální softwarový algoritmus, který veškeré rušení odfiltruje.

Pozemní vyhodnocovací středisko BM/C⁴I

Součástí systému SBIRS je soustava pozemních vyhodnocovacích, řídicích a monitorovacích středisek, nutná pro utajený a proti rušení odolný přenos informací mezi kosmickou a pozemní částí. Soudobé úsilí se soustřeďuje na vývoj střediska BM/C⁴I, základní stavební prvek budoucí architektury integrovaného systému tzv. vrstvené protiraketové obrany. Střediska mají využívat nejen družicový systém SBIRS, ale i současné a budoucí družicové spojovací systémy. Jejich základem je modulová architektura "otevřeného systému", která dovoluje snadné postupné zdokonalování hardwaru i softwaru v závislosti na vzrůstajících požadavcích a úkolech.

Od roku 1997 je provozováno společné pozemní středisko JTAGS (Joint Tactical Ground Station) amerického pozemního vojska a vojenského námořnictva, které je schopné přijímat data přímo z družic včasné výstrahy DSP v prostoru jejich bojového nasazení. Středisko může pracovat zcela samostatně a umožňuje rovněž výměnu dat v reálném čase v rámci používaných spojovacích sítí všech složek ozbrojených sil na válčišti. Úkolem střediska JTAGS je poskytovat velitelským orgánům výstražné informace o raketovém úderu pro účely přijímání odpovídajících opatření k odvrácení či maximálnímu snížení následků. Souprava střediska JTAGS začleňuje tři antény o průměru 2,8 m pro jednocestný příjem informací z družic, jednu vyhodnocovací a spojovací jednotku v kontejneru o rozměrech 2,8 x 2,8 x 6,7 m, generátor a tažné terénní vozidlo. Technické vybavení střediska včetně softwaru již bylo přizpůsobeno tomu, aby mohlo přímo spolupracovat s družicemi systému SBIRS.

SBIRS rozšiřuje možnosti antiraket

V současné době plánované typy antiraket systému GMD jsou schopné zničit bojové hlavice daleko za hranicí efektivního dosahu radarů zabezpečujících jejich navedení. Ale s využitím dat, které zpracovaná a poskytuje systém SMTS, tyto antirakety mohou být naváděny a zachytávat cizí balistické rakety (bojové hlavice) daleko za hranicemi bráněného státu, rozmístění spřátelených jednotek, či středisek soustředění populace. Co to v praxi znamená? Že další antirakety mohou být odpáleny v dostatečném časovém odstupu od prvních, a to jen v případě nutnosti (tzn. když antiraketa mine svůj cíl, nebo když po zásahu zbudou velké úlomky). Tento způsob střelby s využitím optoelektronického sledování celého procesu výrazně snižuje požadavky na potřebný celkový počet antiraket v operačním použití. Specialisté dospěli k závěru, že včasné zničení bojových hlavic s využitím systému SMTS v konečném důsledku posunuje hranice bráněného prostoru 3 až 5krát.

Současný stav a perspektivy rozvoje systému SBIRS

Nový systém SBIRS je dalším logickým krokem v realizaci družicových infračervených systémů včasné výstrahy. Současně s výstavbou a provozováním systému DSP jsou dlouhodobě budovány rozsáhlý výstražný systém ALERT (Attack and Launch Early Reporting to Theater), provozovaný americkými vzdušnými silami od roku 1995, a síť taktických pozemních středisek JTACS (Joint Tactical Ground Station), provozovaná u amerického pozemního vojska a vojenského námořnictva od roku 1997.

Firma Lockheed Martin vyvinula družicové senzory a speciální vybavení pro účely prvního testování, které bylo úspěšně dokončeno 18. ledna 2006. Vyskytly se ale závažné problémy a vývoj se prodražil z původně plánovaných 4 miliard na 11-12 miliard dolarů. Následkem toho bylo vypuštění družic odloženo z roku 2002 až na rok 2009. Přestože odborníci považují systém SBIRS za velmi problematický, zároveň tvrdí, že je zatím nenahraditelný jiným systémem. Proto dojde k zásadním změnám. Například stávající družicový systém včasné výstrahy DSP bude udržován v provozu déle, než se původně předpokládalo.

V červenci 2006 firma Lockheed Martin oznámila, že vyvinula speciální řídicí a ovládací systém senzorů, který je nezbytný pro správnou funkci infračervených senzorů. Firma Northrop Grumman Electronic Systems má tento software integrovat se zařízením pro signálové zpracování, které je klíčovým prvkem elektronického vybavení družice. Umožňuje vyčlenit užitečný signál z přirozeného přírodního rušení a šumu od pozadí (Země, atmosféry, kosmu). Předpokládá se, že montáž kompletního vybavení bude dokončena v polovině roku 2007 a družice připravena k integraci, testování a vypuštění do konce roku 2008.

Firma Lockheed Martin v současné době na základě uzavřeného kontraktu připravuje dvě kompletní soupravy elektronického a senzorového vybavení pro družice SBIRS a mobilní pozemní prostředky technického a provozního zabezpečení k příjmu a zpracování dat z infračervených senzorů. Podle plánu má být první družice GEO vynesena na oběžnou dráhu koncem roku 2008.

Systém SBIRS High má být v důsledku technických potíží redukován z  pěti na tři družice (možná i dvě). USAF údajně pomýšlejí i na zahájení vývoje nového doplňkového kosmického infračerveného systému výstrahy před balistickými raketami ONIR (Overhead Non-Imaging Infrared). Předpokládá se, že konkurenční systém ONIR bude mít výhodu v tom, že bude využívat nejnovější technologie "nezobrazovacích" senzorů a velmi sofistikované softwarové vybavení. Přitom ale nemá být tak složitý, provozně náročný, a tedy ani tak drahý jako systém SBIRS, zejména pokud jde o výkonové požadavky, a má využívat jednodušší a rychlejší algoritmy vyhodnocování cílů a také moderní programovací jazyk místo zastaralého jazyka ADA.

Kosmický infračervený výstražný systém SBIRS má dát protiraketovému systému USA zcela nový rozměr. Senzory pozemní části systému GMD mají svá fyzikální omezení, související zejména se zakřivením Země. Celosvětové pokrytí systému SBIRS má umožnit přenesení bojové činnosti protiraketového systému, tzn. ničení raket a bojových hlavic, daleko za hranice Spojených států. Fakt, že bojové manévry se mají odehrávat na dalekých přístupech v konečném důsledku znamená, že rizika veškerých negativních dopadů v případě explozí jaderných, chemických a biologických bojových hlavic budou pro samotné Spojené státy minimální. A to je hlavním důvodem toho, proč je uvedení družicového systému SBIRS do provozu považováno za nejdůležitější kvalitativní zlom v celém systému protiraketové obrany USA.

Zdroje: Jane's EO Systems, Jane's Space Systems, BMDS IDC , Defense Industry Daily , FAS, Missile Threat , Lockheed Martin , cndyorks.gn.apc.org, Northrop Grumman , AFA, Space Daily , WIKIPEDIA, DeAgel , SatNews ,Space War .

Článek bude publikovat listopadové číslo ATM - Armády, technika, militaria. Číslo bude v prodeji od 3.11.