Малые космические аппараты в дистанционном зондировании Земли

Полный текст

Введение

Спутники на низких околоземных орбитах открыли возможность получать изображение любого участка планеты или объектов на ее поверхности, вести наблюдение суши, океана, атмосферы и криосферы в интересах наук о Земле. Дистанционное зондирование Земли прежде всего потребовалось видовой разведке, предъявившей к космической съемке требования детального разрешения на местности и точной привязки.

Первый коммерческий спутник ДЗЗ Iconos, изготовленный корпорацией Lockheed Martin, имел разрешение в панхроматическом канале 0.81 м и срок активного существования 16 лет (1999–2015).

Источником финансирования для создания и запуска коммерческих аппаратов ДЗЗ второго поколения стало Управление геопространственной разведки NGA (National Geospatial–Intelligence Agency), заинтересованные в привлечении ресурсов коммерческих КА для решения задач обзорной видовой разведки. Спутники третьего поколения, World View-3, выведенный на солнечно-синхронную орбиту (CCO) в августе 2014, и World View-4 (ранее GeoEye-2), запущенный в ноябре 2016 г., обладали 30-сантиметровым пространственным разрешением.

Совершенствование съемочных систем и служебной аппаратуры было достигнуто за счет увеличения массы спутников: КА Ikonos весил 726 кг, масса World View-3 увеличилась до 2800 кг. Рост массы повлек за собой резкое удорожание стоимости проектов: общая стоимость спутника сверхдетального наблюдения World View-4, с учетом затрат на запуск и страхование достигла 235 млн. долларов. Как и у спутника World View, разрешение на местности аппаратуры World View-4 составляет в панхроматическом диапазоне 0.31 м и 1.24 м в мультиспектральных каналах. Общая задача этих спутников состоит в сборе обзорной информации по районам и объектам для планирования съемки аппаратурой более детального наблюдения военных КА класса Evolved Enhanced Crystal с пространственным разрешением около 0.15 м в перигейном участке орбиты с высотой 270 км.

Преобладание на мировом рынке геоданных от компаний, ориентированных преимущественно на запросы видовой разведки, объясняет истоки проблем современных интерфейсов, таких как Virtual Earth:

— длительность полного покрытия съемкой в несколько суток ограничивает возможность его систематического обновления, используя снимки достаточно высокого разрешения, кроме того, ими охвачены далеко не все районы Земли;

— разновременность съемки приводит к нестыковкам и не сочетаемости снимков в силу изменчивости местности и отличий в характеристиках съемочных систем;

— не обеспечен обзор любого района Земли с минимальным временным интервалом, если необходимы оперативная оценка обстановки и информационное обеспечение аварийно-спасательных работ в местах стихийных бедствий или природно-технической ситуации опасного характера.

Изменения в космической деятельности, связанные с использованием малых спутников

В одной из первых монографий, посвященных МКА (Helvajan, Janson, 2009), малые космические аппараты определяются как спутники малой массы и размера, обычно с весом не более 500 кг. Отмечается, что малые спутники, такие как пико-спутники, нано-спутники, кубсаты используются в качестве платформ, малый вес которых позволяет запускать их в космос при стоимости в несколько миллионов долларов, что открывает некосмическим странам, компаниям и образовательным учреждениям доступ в космос с низкой величиной затрат.

Существует несколько различающихся вариантов классификации МКА. Согласно классификации Немецкого космического агентства (DLR) большими считаются КА с массой от 1000 кг и выше, к спутникам мини относят МКА с массой от 200 до 1000 кг, к спутникам микро — аппараты с массой от 50 до 200 кг, спутники нано занимают диапазон от 5 до 50 кг и спутники пико — до 5 кг. Шире распространена классификация, которая к спутникам среднего размера относит аппараты с массой от 500 до 1000 кг, к спутникам мини — находящиеся в диапазоне масс от 100 до 500 кг, спутники микро занимают промежуток от 10 до 100 кг, спутники нано имеют массу от 1 до 10 кг и спутники пико — те, что легче 1 кг. Последние три подкласса — микро, нано и пико с такими же различиями в массах рассматриваются в работе (Каширин, Глебанова, 2016), кроме того, в статье (Костев и др., 2016) упоминаются спутники фемто с массой меньше 0.1 кг и спутники пико — между 0.1 кг и 1 кг.

Отдельное место в становлении МКА занимает стандарт CubeSat типоразмера 10×10×10 см с массой около 1 кг, который предложил Роберт Твиггс (Robert Twiggs), профессор Стэнфордского университета (Пало-Альто, шт. Калифорния, США), имея в виду, что каждый сможет создать собственный спутник нано. Стоимость создания «кубсата» оценивалась в 50 тыс. долларов с учетом целевой аппаратуры и запуска в составе дополнительного груза. Эндрю Калман (E. Kalman), основатель фирмы Pumpkin Inc и консультант этого университета, помог Р. Твиггсу сократить время изготовления «кубсата» до нескольких месяцев в соответствии с учебным планом.

Компания Pumpkin Inc выпустила на рынок типовой набор CubeSatKit для сборки «кубсатов». Набор состоит из алюминиевого корпуса, модуля с материнской платой, памятью, стандартной электроникой, программного обеспечения с использованием протоколов Space Plug-and-Play Architecture (SPA-1) и процессоров, прошедших испытания на вибростенде, в термо- и барокамере. Стоимость набора 7500 долларов. В 2010 г. Pumpkin Inc начала производить CubeSatKit 3U для спутников нано размера 10×10×34 см и массой 4.5 кг. Модели 1U — 3U относятся к спутникам, занимающим в международной классификации по массе место между спутниками пико (до 1 кг) и спутниками микро (от 10 до 100 кг).

Стандартизация позволила сократить время разработки КА от замысла до готовности к запуску и затраты на производство. Отказ от комплектующих космического назначения и переход к электронике из каталогов (components-off-the-shelf), использование программируемых логических интегральных схем (ПЛИС) привели к снижению стоимости модели 1U CubeSat до 65–80 тыс. долларов, около половины из них приходится на услуги по запуску. При переходе от больших КА (с массой, превышающей 1000 кг) к спутникам нано затраты на один килограмм массы снижаются с 3.16 до 0.4 млн долларов (Каширин, Глебанова, 2016). Многократное снижение затрат сравнительно с большими спутниками по всему жизненному циклу проекта с учетом стоимости разработки, изготовления, испытаний и запуска позволило перейти к массовому производству МКА. Современные возможности проектирования и разработки МКА достигнуты благодаря преодолению технологических барьеров, созданию микроэлектроники и микросистем (Verhoevenet al., 2011; Севастьянов и др., 2009).

Летные испытания и отработка МКА проводятся много быстрее, чем с большими аппаратами. Запуск сразу многих однотипных аппаратов позволяет выявить весь спектр замечаний, поэтому в устранении недостатков и просчетов на передний план выходят летно-конструкторские испытания. Поиск оптимальной конструкции происходит за счет быстрого внедрения новых решений и их проверки на орбите. Невысокая стоимость производства МКА, доставки на орбиту позволяет использовать их для отработки и получения летной квалификации новых элементов аппаратов и систем, демонстрации перспективных технологий.

Индийское космическое агентство ISRO разработало универсальную спутниковую платформу нано для размещения различных экспериментальных полезных нагрузок в демонстрационных миссиях продолжительностью от полугода до года, платформа массой 5 кг может нести полезную нагрузку до 5 кг. Выведенный 15 февраля 2017 г. на ССО носителем PSLV–XL C37 вместе с другими полезными нагрузками индийский спутник нано INS-1B массой 9.7 кг с научной аппаратурой для измерения количества нейтрального атомарного водорода в экзосфере Земли несет также экспериментальную камеру с оригами-оптикой. Линза типа «оригами» разработана в Университете Калифорнии в Сан-Диего (США). Она имеет диаметр 6 см, толщину всего 5 мм и дает высококачественное изображение сравнимое с тем, которое можно получить с помощью фотообъектива с фокусным расстоянием 38 мм и большой апертурой. Линза собирает узкой кольцевой областью свет, идущий по внешнему краю, затем лучи несколько раз отражаются в толще кристалла фторида кальция и собираются в центральной части, где размещена светочувствительная матрица. Обращенная к объекту съемки поверхность линзы (кроме кольца) представляет собой плоское зеркало, задняя поверхность состоит из кольцевых асферических отражателей.

Малые спутники прочно заняли свою нишу в области ДЗЗ. В 2016 г. выведены на орбиты 150 МКА, из них 59 — спутники ДЗЗ. Преобладают аппараты класса нано (1–10 кг), среди 106 которых 45 с аппаратурой ДЗЗ. Малых спутников размером микро, мини и среднего запущено 44, 15 из них имеют на борту оптико-электронную съемочную аппаратуру (Новости космонавтики, 2017).

Группировка компании Planet с миссией ежедневно получать изображение всей поверхности Земли при разрешении не хуже 5 м состоит из более 200 действующих спутников Dove (Flock), 13 спутников субметрового разрешения SkySat и находящейся под управлением компании Planet системы глобального сельскохозяйственного мониторинга RapidEye (Лебедев, Гансвинд, 2010).

Основой конструкции KA Flock и SkySat служит стандарт CubeSat. Наноспутник Flock, кубсат 3U, имеет при старте габариты 10×10×32 см и массу 5–6 кг. Целевая аппаратура, оптико-электронная система с телескопом по схеме Максутова–Кассегрена, диаметр апертуры которого 91 мм и фокусное расстояние 11460 мм, занимает 11/12 объема наноспутника (более 21%).Служебные системы: управления движением и ориентации, электроснабжения, управления бортовым комплексом и взаимодействием с наземной инфраструктурой занимают объем в 0.25 л. Рекордная плотность компоновки достигнута благодаря микроминиатюризации комплектующих, электроники и МЭМС (микроэлектромеханическим системам), а также схемным решениям: совместное использование ресурсов (процессоров, ПЛИС) разными системами при отсутствии бортовой кабельной сети как таковой. Съемочная аппаратура предназначена для получения изображений в четырех спектральных каналах с разрешением 3.5 м (с высоты 400 км): красном (610–700 нм), зеленом (500–590 нм) и синем (420–530 нм), а также в ближнем ИК (770–900 нм). Съемка производится постоянно при пролете над сушей с частотой один раз в секунду. Детектор расположен на расстоянии 320 мм от мениска и вынесен в цилиндрическую «приставку» на противоположной от антенны стороне. Оптико-электронное преобразование выполняется одной ПЗС-матрицей с фильтром Байера и временной задержкой накопления. Формат файлов после наземной обработки GeoTIFF. Матрица имеет емкость 29 Mпикс. Радиометрическое разрешение 12 бит. Точность геопривязки около 20 м.

Управление спутниками в УКВ и S-диапазонах и прием изображений в X-диапазоне производятся на станциях приема с антеннами диаметром 5 м находящихся в Европе, США, Австралии и Новой Зеландии. Облачная обработка изображений выполняется на серверах Amazon Service с предоставлением услуг удаленного клиентского доступа к данным через онлайновые каналы при задержке меньше суток после съемки. Объем реально скачиваемых данных со спутников к весне 2017 г. достиг 4.5 террабайт в сутки. Необходимость обработки обновляемых изображений привела к новому подходу в работе с геоданными, объединившему возможности аэрокосмических, геоинформационных и сетевых технологий — геопорталов и интерфейсов. Создан проект, в рамках которого в сети интернет размещены спутниковые и аэрофото изображения всей земной поверхности, карты Google и Google Earth с использованием трехмерной модели при помощи интерфейса Direct X и Open GL.

Массово-геометрические характеристики кубсатов с небольшой нагрузкой на мидель при произвольной ориентации аппарата, неустойчивого в набегающем потоке приводят к существенному аэродинамическому торможению на высоте орбиты МКС, куда они доставляются автоматическим грузовым кораблем Cygnus для запуска в дальнейшем. Чтобы меньше тормозить, спутник должен быть ориентирован торцом корпуса и ребром солнечной батареи к потоку. Спутники Flock не оснащены двигательной установкой (ДУ), поэтому для поддержания структуры группировки была создана и отработана в полете методика модулирования аэродинамического сопротивления спутника при помощи изменения его ориентации. Разведение по фазе 28 МКА заняло 35 суток, при этом было уточнено значение коэффициентов аэродинамического сопротивления (Foster et al, 2016). Срок баллистического существования большинства МКА, запущенных с МКС, не превышает одного года. Так за 2014 год успешно выведен с МКС 51 спутник, однако, до конца года прекратили существование из-за торможения в атмосфере 28 КА серии Flock-1a. В 2015 году с МКС запущены 50 МКА пятью группами, но из них лишь 38 сохранились на этой высоте (Новости космонавтики, 2016).

Стандарт на форм-фактор CubeSat, возникший благодаря развитию микроминиатюризации и нанотехнологий позволил резко упростить и удешевить изготовление МКА классов «нано» и частично «микро». Стандартный интерфейс к ракете-носителю обеспечил возможность попутных запусков значительного числа кубсатов.

В августе 2018 г. на Конференции по малым спутникам в Логане, штат Юта, компания Aerospace Corporation предложила новый стандарт МКА класса «микро», названный Launch Unit (Launch-U) массой от 60 до 80 кг, размером 45×45×60 см. Требования стандарта относятся к расположению центра масс спутника, основной частоте его упругих колебаний, другим характеристикам и параметрам, необходимым для интеграции полезных нагрузок, запускаемых на ракете (Афанасьев, 2018).

Потребность в систематической сплошной съемке земной поверхности с минимальным временным интервалом между просмотрами любого района с приемлемыми затратами привела к коренным изменениям структуры космических средств ДЗЗ. Переход от съемки тех или иных объектов или территорий тяжелыми спутниками сверх детального разрешения к систематической глобальной съемке обеспечили многосоставные спутниковые группировки МКА на низких околоземных орбитах при поддержании структуры размещения спутников в нескольких орбитальных плоскостях и восполнении численности по истечении срока активного существования или схода аппарата с орбиты.

Попутный запуск ракетами среднего класса не отвечает требованию быстрого и гибкого доступа МКА на орбиты, поскольку сроки запуска попутных нагрузок определяются основной миссией ракеты-носителя. Создание легкого носителя позволит снизить затраты на выведение килограмма массы и удовлетворить растущий спрос на услуги запуска малых спутников. Существует устойчивая тенденция уменьшения массы космических аппаратов, по прогнозу Space Works до 2022 г. будет запущено порядка трех тысяч КА массой до 50 кг, что в разы больше ожидаемого количества пусков больших с массой превышающей 1000 кг (Костев и др., 2016).

Спутники SkySat размещены в четырех орбитальных плоскостях, разведение аппаратов по фазе в каждой из них и поддержание структуры группировки при эксплуатации достигается с помощью КДУ состоящей из четырех микродвигателей тягой по 1 Н, работающих на «зеленом» топливе LMP-1035. Масса спутника около 110 кг, габариты (в полете) 0.6×0.6×0.95 м. Созданная стартапом SkyBox Imaging (позднее Terra Bella) запатентованная съемочная аппаратура позволяет получать в панхроматическом диапазоне спектра изображения с разрешением 90 см при съемке в надир в четырех спектральных каналах со стандартной расстановкой RGB и ближнем ИК (разрешение на местности 2 м). Возможна также видеосъемка с разрешением 1.1 м в панхроматическом канале с частотой 30 кадров в секунду.

Масса полезной нагрузки составляет 23 кг, телескоп выполнен по схеме Ричи-Кретьена, не имеет сферической аберрации и комы, диаметр апертуры 35 см, фокусное расстояние 3.6 м. Гиперболические зеркала телескопа изготовлены из карбида кремния. Сборка фокальной плоскости состоит из трех детекторов — КМОП-матриц CIS2521F размером 2560×2160 пикселей фирмы Fairchild Imagin. Размер пикселя составляет 6.5 мкм. Матрицы расположены в шахматном порядке (с небольшим перекрытием). Верхняя половина каждой матрицы используется для съемки в панхроматическом диапазоне, нижняя — для мультиспектральной съемки; осуществляется многократная перекрывающаяся съемка целей (технология Pushframe), временная задержка с накоплением на высокоскоростные матрицы с последующей обработкой на земле. Радиометрическое разрешение 11 бит. Ширина полосы захвата 8 км. Обработка изображений на борту проводится по алгоритму JPEG 2000, дальнейшая обработка проводится на Земле (Хромов, 2014).

Для калибровки изображений со спутника SkySat-1 использовались:

— участок пустыни в Сомали размером 10×10 км, который сняли Peliades –1A и SkySat-1;

— кадр, снятый Peliades с наложением изображений, полученных с трех матриц SkySat;

— геопространственная коррекция изображений каждой матрицы проводится по сетке размером 17×17 точек;

— для калибровки сигналов отдельных фотоприемников использовали 1100 равномерно белых снимков облаков в полярных районах;

— для снятия частотно-контрастной характеристики используется мира NASA Stennis Space Center (Хромов, 2014).

Данные группировки компании Planet доступны пользователям через онлайн-сервис Planet-Platform. Сервис «Мониторинг чрезвычайных ситуаций и стихийных бедствий» позволяет:

— определить степень ущерба и оценить возможность доступа групп быстрого реагирования к необходимой инфраструктуре;

— принимать прямые меры реагирования на основе анализа данных субметрового разрешения;

— планировать восстановительные операции в ходе развития событий.

Основой стандартизации МКА форм-факторов «микро» и «мини», которые используются для создания группировок оперативного мониторинга быстропротекающих явлений и состояния окружающей среды, служит разработка платформ, несущих служебные системы для обеспечения работы целевой аппаратуры малых спутников разных классов. Компания SSTL (Surrey Satellite Technology Ltd), ведущая в космической деятельности Великобритании, разработала ряд платформ. На базе платформы SSTL-300S1 с массой 218 кг построена группировка российских спутников ДЗЗ «Канопус» массой 465 кг, на платформе SSTL MicroSat-150 — спутники группировки сельскохозяйственного мониторинга Rapid Eye массой 154 кг, спутник Carbonite-2 с массой 100 кг построен на платформе SSTL-42.

Совместно с компанией UrtheCast компания SSTL создает группировку спутников ДЗЗ Urthe Daily, запуск которой запланирован на 2020 г. для получения мультиспектральных снимков высокого разрешения предназначенных для работы в геоаналитике. МКА создаются на платформе SSTL-250. Спектральные каналы подобраны так, чтобы быть сопоставимыми со снимками действующих КА Landsat-8, Sentinell 2, RapidEye и Delmos-1.

Проект Black Sky Global предусматривает формирование к 2020 г. орбитальной группировки из 60 спутников ДЗЗ для глобальной мультиспектральной съемки и видеосъемки с метровым пространственным разрешением. В состав группировки войдут два аппарата на полярных орбитах и 58 МКА в восьми плоскостях на наклонных орбитах в расчете на максимальную частоту просмотра до 40–60 пролетов в сутки для районов с широтами между 55° с. ш. и 55° ю. ш., где проживает 90% населения Земли. Наземный комплекс будет располагать семнадцатью станциями приема и управления. Первый экспериментальный спутник Black Sky Pathfinder-1 разработан на базе платформы Sentry-400 с габаритами 0.84×0.98×0.41 м.

Малые спутники ДЗЗ сохранили двойное назначение. Американские военные твердо уверены, что в дальнейшем все орбитальные группировки будут строиться исключительно на основе МКА, причем их суммарные функциональные возможности будут выше, чем у всех существующих орбитальных группировок Пентагона, состоящих из крупных спутников последнего поколения находящихся на орбите сейчас (Черный, 2018).

Основные по стоимости предложения операторов низкоорбитальных спутниковых группировок связаны с предоставлением снимков земной поверхности, а также услуг связи (телефония, широкополосный интернет). Загрузка снимков со спутников должна происходить практически в реальном времени, к тому же существуют ограничения по бортовому хранению информации, как и ее воспроизведению. Поэтому необходим широкий канал связи для сброса информации и связь МКА с наземными пунктами в любой точке орбиты. Помимо расширения глобальной сети наземных станций разрабатываются облачные платформы, интегрирующие неиспользуемые мощности существующих пунктов приема и обработки информации.

Космическая деятельность России в области МКА еще не достигла уровня, отвечающего интересам использования возможностей малых спутников в таких направлениях, как:

— подготовка студентов к практической деятельности по проектированию, изготовлению, испытаниям, управлению полетами научно-образовательных спутников;

— оперативный мониторинг суши и океана для контроля чрезвычайных ситуаций;

— летная квалификация инновационной служебной и целевой аппаратуры с помощью демонстрационно-технологических спутников;

— расширение покрытия скоростным интернетом территории России;

— получение данных для оперативного прогноза погоды;

— космические исследования.

Потребность России в малых спутниках вызывает необходимость разработки отечественного стандарта МКА начиная с унифицированных платформ. Унифицированные платформы для определенных весовых классов МКА, как показывает опыт компании SSTL, играют ключевую роль в технологии малых спутников. В России в расчете на КА среднего размера РКЦ «Прогресс» создал платформу массой 330 кг для спутника ДЗЗ «Аист-2Д» массой 530 кг выведенного на ССО высотой 490 км, имеющего разрешение 1–2 м и полосу захвата 39.6 км. Попутный запуск малых спутников ракетами среднего класса не отвечает требованию быстрого и гибкого доступа МКА в космос, поскольку сроки запуска попутных погрузок и орбиты выведения определяются основной миссией ракеты-носителя.

Россия, располагая возможностями создания МКА для различных применений и средствами для их выведения на орбиты, упускает перспективы присутствия на растущем рынке МКА.

Разработка отечественного стандарта малых спутников, типовых платформ и создание ракет-носителей легкого класса типа «Союз 1ЛК» позволили бы войти в мировой рынок МКА и занять на нем достойное место.

Об авторах

И. Н. Гансвинд

Автор, ответственный за переписку.
Email: ignik-1g@yandex.ru
Россия, Москва

Список литературы

Дополнительные файлы