Když se řekne Meteopress, většině čtenářů se asi vybaví docela nudná kancelář, ve které sedí před monitorem banda meteorologů, koukají na snímky z družic a a svá zjištění prodávají médiím – třeba televizním stanicím. Chyba lávky!
Kdysi tomu tak možná bylo, před pár lety ale šéf Meteopressu Michal Najman vytáhl z pražských hackerspaců ty nejlepší mozky – třeba Honzu Hracha z Brmlabu – a začal stavět unikátní meteorologické radary, o které se nyní zajímá celý svět počínaje Světovou bankou a konče Rakouskem a Austrálií.
Dnes si zkusíme vysvětlit, v čem se pražské mašiny liší od konkurence a proč si po dočtení tohoto článku budou chtít podobný radar postavit všichni kutilové a pravidelní čtenáři našeho seriálu o programování elektroniky.
Stavba c-bandového radaru Meteopress v Krušných horách:
České státní radary
Každý z vás jistě dobře zná srážkové mapy z mobilních aplikací a webových stránek, které znázorňují, kde právě teď prší. Data zpravidla čerpají z dvojice státních radarů ČHMÚ. Jeden se nachází v Brdech a pokrývá Čechy, no a ten druhý stojí na vrcholu Drahanské vrchoviny a hledá bouřky a přeháňky nad Moravou.
Moravský srážkový radar ČHMÚ na vrcholu Skalky a každoroční cyklistický cíl autora článku
Jak takový radar funguje? Uvnitř kulovitého radomu se otáčí parabola a v rychlém sledu za sebou vysílá pulzy v mikrovlnném pásmu C (5 GHz). Proto jim říkáme C-band radary. Když pulz narazí na překážku, část energie se odrazí zpět, zachytí ji detektorová část, no a podle známé rychlosti světla řídící mašina spočítá, v jaké vzdálenosti se asi objekt nachází.
Mikrovlny vyrábí magnetron
Český hydrometeorologický ústav používá C-bandové radary Vaisala WRM200 (PDF datasheet) a ty jako generátor 5GHz signálu magnetron, který se při otáčení paraboly spíná a vypíná, vytváří pulz a detektor poté čeká zlomek času na odpověď.
Uvnitř radomu se otáčí parabola přijímače a vysílače, jehož mikrovlnné pulzy generuje magnetron. Ten na fotografii pochází z běžné mikrovlnné trouby
Jelikož je signál generovaný magnetronem relativně hloupý a neumožňuje žádnou sofistikovanější modulaci, radar musí mít poměrně vysoký výkon, aby detektor zachytil odrazy i z větších vzdáleností, které by se už jinak ztratily v šumu. Jen pro představu, ty české od Vaisaly disponují výkonem 250 kW.
Zároveň jej může zmást rušivé 5GHz vysílání v blízkém okolí. Typicky nejrůznější místní Wi-Fi operátoři, na které pak musí ČHMÚ neustále upozorňovat a volat na pomoc ČTÚ.
Radary používají různá pásma, přičemž každé má své plusy a mínusy
Namísto magnetronu tranzistory
Podobné radary pochopitelně nejsou úplně typické spotřební zboží – pořizovací a instalační cena se vyšplhá až do několika milionů eur, nehledě na to, že musíte na místo přivést kvalitní zdroj elektřiny (viz výkon v řádu stovek kW).
V Meteopressu proto začali doslova na koleni vyvíjet vlastní technologii, která by cenu i spotřebu energie stlačila o nějaký ten řád dolů. Jejich nejnovější radar se diametrálně liší od těch současných a relativně rigidních, těžkopádný magnetron totiž nahrazuje tranzistorová technologie.
Instalace radarů v letech 2017 až 2021:
Co to znamená v praxi? Namísto analogového generátoru 5GHz signálu se použije digitální integrovaný obvod a technologie softwarově definovaného rádia (SDR), pomocí které si mohou inženýři v podstatě vyrobit signál na míru a pak jej jen adekvátně zesílit.
Hloupý 5GHz pulz může nahradit třeba pseudonáhodný signál s určitým vzorem (podobně jako třeba u GPS), který po odrazu detektor mnohem lépe odliší od ostatního 5GHz šumu na pozadí – třeba právě už zmíněného signálu z výkonných obecních vysílačů Wi-Fi.
Evoluce radomu – krytu otáčející se paraboly, jehož tvar a materiál nesmí omezovat samotné mikrovlny
Zachytili jsme první odraz!
Protože svůj radar kluci z Meteopressu stavěli opravdu na koleni, své zkušenosti si nenechali pro sebe a Honza Hrach sepsal několik detailních článků, ve kterých v třídílné sérii popisuje:
Bastlíři, pro vás jsou ty tři články výše povinná četba do postele!
Takže, dejme tomu, že jste si postavili radar a zachytili první odraz svého pulzu. Kdybyste na vodič přijímače připojili osciloskop, časový graf bude vypadat třeba nějak takto:
Druhý odraz dorazil po 115 μs, takže je to překážka ve vzdálenosti 35 km
Synchronizační pulz odpovídá době samotného vyslání mikrovln do okolí. Prakticky okamžitě se v grafu zobrazí ohromná amplituda, která odpovídá nějakému blízkému objektu. Honza jej v grafu nadepsal slovíčkem clutter, které se v radarové hantýrce používá pro označení nějakého rušivého objektu. Po 115 μs vidíme další výraznou amplitudu. To už bude nějaká zajímavá překážka.
Pokud vytáhnete kalkulačku, tak při hrubém přepočtu s rychlostí světla 300 000 km/s zjistíte, že ten druhý odraz odpovídá objektu ve vzdálenosti 35 kilometrů od radaru.
První surový snímek nad mapou
Protože se radar otáčí okolo své osy, postupně získáme přehled o dění v celém 360° rozsahu a každý odraz díky známé vzdálenosti můžeme vynést do polárního nebo už kartézského grafu jako pixel. Díky tomu, že vedle vzdálenosti překážky zároveň víme, kolik energie se od ní odrazilo, můžeme její hustotu vyjádřit barevným odstínem.
Surový radarový snímek všech odrazů v dosahu. Zdaleka to není jen déšť. Všimněte si hřebenů Krkonoš, budov v Praze nebo třeba Řípu (horní kolečko)
Hotový polotovar by mohl vypadat jako na obrázku výše. V tomto případě se jedná o surovou mapu odrazů z radaru v inovačním centru InnoCrystal jižně od Prahy, kde Meteopress testuje mikrovlnné schopnosti svých rotujících mazlíků.
Podobný obrázek jen tak neuvidíte, obsahuje totiž všechny překážky. Nejen případný déšť, ale také hřebeny Krkonoš, sopky Českého středohoří, brutální odrazy pražské aglomerace a v horním kroužku také odraz majestátného Řípu. Druhé kolečko označuje vysílač Liblice, horní šipka přistávající letadlo a ta spodní Cukrák.
Animace odrazů včetně Prahy, letadla a hraničních hor:
Toto všechno jsou ony rušivé cluttery, přičemž teprve zbytek odrazů na obrázku tvoří skutečná srážková činnost, která z radarových dat konečně vystoupí, když obrázek rozpohybujeme jako animaci. Podívejte se ostatně sami na video výše.
Čištění odrazů je tak trochu magie
Všechny tyto rušivé cluttery, které nepředstavují srážkovou činnost, proto musejí meteorologové nejprve odfiltrovat. Laika by napadlo, že odstraní všechny statické odrazy, jenže tak jednoduché to není. I ty v animaci patrně mihotají a charakter rušení se ke všemu v průběhu doby mění podle aktuálního stavu atmosféry a nejrůznějších anomálií.
Vše se rodí v srdci Holešovic, v běžné zástavbě. Možná bydlíte zrovna naproti
Je to oříšek, a tak v Meteopressu při zkoumání, co je co, používali třeba i data ze služeb jako Flightradar24, pomocí kterých mohli jasně identifikovat vzory odrazů nejrůznějších letadel.
Kam vlastně radar namířít?
Aby to bylo ještě krapet složitější, výzvou je už samotný sklon radaru pod určitým úhlem. Když jej namíříte příliš vysoko, budete pulzy mikrovln ostřelovat leda tak molekuly ve stratosféře a na pomezí vesmíru a horizontální dosah bude příliš nízký.
Pokud radar provede hned několik vertikálních řezů pod různými úhly a zbytek dopočítá software, získáme vertikální řez bouřkou
Když jej naopak namíříte do vodorovné polohy, sice zachytíte odrazy ze vzdálenosti 100 a více kilometrů a odrazy srážek z nízké oblačnosti, jenže zase roste pravděpodobnost, že se pulzem strefíte do nějakého toho kopce a zároveň vás zmate nějaké to přízemní rušení antropogenního původu.
V praxi se proto snímkuje atmosféra hned v několika řezech pod různými úhly, a meteorologové tak zároveň získají plastičtější 3D data, která dají lepší obraz třeba o vysoce konvektivní letní bouřce, jejíž oblak často vyroste až k tropopauze ve výšce okolo 10 kilometrů, kde se konvektivní energie vyrovná a vytvoří se zde tolik typická kovadlina.
Je to levné, protože to je COTS
Nejnovější C-bandové radary Meteopress vyvinul teprve během koronavirové pandemie a díky tranzistorovému přijímači a SDR se chlubí jak nižší cenou, tak spotřebou. Není divu, radar lze totiž v podstatě postavit z běžně dostupných komponent na trhu – tzv. „commercial off the shelf.“
Hned vedle malého open-spacu se v další kanceláři točí parabola. Pokud bydlíte naproti, nebojte se, alobalové čepice nejsou potřeba, to jen v Meteopressu testují motory
Není tam žádný exotický magnetron; v nitru radomu je jen parabola, nějaký ten vlnovod, SDR vysílač s přijímačem a motory pro otáčení celého tělesa.
RadarCrate
Díky tomu se podle šéfa Meteopressu Michala Najmana podařilo stlačit cenu nejmenšího modelu na 350 000 eur a ten nejlepší pořídíte za 600 000 eur. Jen pro srovnání, srovnatelné špičkové radary od konkurence začínají podle Najmana na 1 000 000 eur.
Celkové náklady na stavbu klasického radaru dále navýší instalace na kopci, kam je třeba přivést dostatečný zdroj energie, takže nakonec zaplatíte 4-5 milionů eur.
RadarCrate zatím jen jako model a vize a zleva šéf vývoje Jan Hrach a CEO Michal Najman
Meteopress to samé zvládne za čtvrtinu a mnohem levnější je posléze i samotný provoz, protože si radar díky své konstrukci vystačí s příkonem 600 W.
Nízká spotřeba a hmotnost (500-850 kg dle velikosti) nakonec vedla k vizi, které v Meteopressu říkají RadarCrate. V podstatě je to bezúdržbový radarový outpost, který díky malým rozměrům umístíte v podstatě kamkoliv do civilizace zbavené divočiny. 600 wattů pro provoz vyrobí několik solárních panelů a o internetovou konektivitu a odesílání dat klidně ze středu Sahary (kde tedy ale moc často neprší) se postará Starlink.
Testování internetové konektivity pro radary pomocí Starlinku od SpaceX
Neuronová síť
Už samotné radary made in Czech Republic stojí za to, nicméně ambice Meteopressu jsou mnohem širší. Oni si totiž v Holešovicích hrají i se strojovým učením a po několika letech vývoje uvedli do života vlastní neuronovou síť MWNet v1.0 (Meteopress Weather Net).
Technologie dokáže předpovídat, jak se budou srážková radarová data vyvíjet v dalších minutách, přičemž díky AI se nejedná o primitivní extrapolaci. Ostatně, až bude pršet, vyzkoušejte si predikci sami na radarovém webu Meteopressu.
Odhad vývoje srážkové činnosti pomocí pokročilých metod
AI předpovídá oblačnost pro solární elektrárny
Meteorologové si přitom nehrají pouze s AI modelováním srážkových dat, ale experimentují i s predikcí satelitních snímků oblačnosti. A i tyto hrátky vypadají alespoň na fotografii docela slibně. Najman si je vyzrálostí technologie už natolik jistý, že ji firma letos přetaví v komerční službu.
Vlevo skutečný snímek z družice, vpravo jeho predikce z neuronové sítě. Čím více minut do budoucnosti (zde +60 minut), tím pochopitelně i vyšší nejistota a rozmazanější data
K čemu by bylo takové předvídání oblačnosti pomocí neuronky dobré? Na to má Najman jednoduchou odpověď: „Jedná se o jedinou přesnou předpověď oblačnosti, což se hodí hlavně obchodníkům se solární energií.“
Pokud by šlo tímto způsobem hyperlokálně a přesně předvídat, kdy zasvítí sluníčko na fotovoltaický panel a jak dlouho to bude trvat, lze výkon celé elektrárny ještě lépe sledovat a optimalizovat její výrobní výkyvy.
Každý zaměstnanec vezme do ruky šroubovák
Až tedy příště uslyšíte slovíčko Meteopress, vězte, že opravdu nejde o ten nudný modelový open-space z úvodu článku, kde se píšou předpovědi rosničkám z televizních stanic. Právě naopak. Je to hrdá meteorologická firma, která dělá věci jinak, a proto o ní dnes mluví odborná komunita po celém světě.
Ostatně, každý nový zaměstnanec – byť by to byl jen datový analytik – se zapojí do montáže radaru, aby pochopil, z čeho lezou informace, se kterými pak sám pracuje.
