Новое поколение космических аппаратов для наблюдения за морской обстановкой

 
В статье рассматриваются проекты космических аппаратов нового поколения для наблюдения морской обстановки, разрабатываемые компаниями XpressSAR, UrtheCast, Iridium, Thales Alenia Space, ICEYE, Capella Space, Umbra Lab, HawkEye 360, GomSpace, FFI/SFL, Kleos Space, UnSeen Labs. Приведены их основные характеристики, а также сведения об их применении для решения целевых задач.
Николай Клименко, Кирилл Анатольевич Занин , доктор технических наук, ведущий научный сотрудник АО «НПО Лавочкина», Москва, Россия
 
 


English

New generation of satellites for maritime surveillance

The article deals with the projects of new generation of satellites for maritime surveillance, designed by XpressSAR, Urthe-Cast, Iridium, Thales Alenia Space, ICEYE, Capella Space, Umbra Lab, HawkEye 360, GomSpace, FFI/SFL, Kleos Space, UnSeen Labs companies. Their basic characteristics are given, as well as information on their application for intended purposes.
Nikolay N. KLIMENKO, Cand. Sci. (Tech), Lieutenant-General retired, Deputy General Director, Lavochkin Association, Moscow, Russia, Klimenko@laspaсe.ru KIRILL A. ZANIN, Dr. Sci. (Tech), Leading Research Scientist, Lavochkin Association, Moscow, Russia, kh
 

Часть 1. Космические аппараты с радиолокаторами с синтезированной апертурой для наблюдения за морской обстановкой

Введение

Наблюдение за морской обстановкой состоит в обнаружении, идентификации и определении параметров движения кораблей как в глобальном масштабе, так и в локальных зонах особого внимания. К числу последних относят арктическую зону, включая Северный морской путь, средиземноморскую зону с наиболее интенсивным режимом мореплавания, морские зоны на направлениях локальных войн, вооруженных конфликтов, боевых и контртеррористических операций, зоны интенсивного рыболовства, пограничные территориальные зоны, исключительные экономические зоны.

Разброс этих зон по всему земному шару, требования их наблюдения как в интересах обеспечения безопасности мореплавания, так и в интересах пресечения противоправной морской деятельности и возможной агрессии потребовало привлечения средств космического наблюдения.

В соответствии с международным соглашением по безопасности мореплавания SOLAS создана автоматическая система идентификации судов AIS с расположением на кораблях водоизмещением более 300 тонн радиоустановок, излучающих с частотой 2 секунды - 3 минуты в режиме SOTDMA в диапазоне VHF радиосигналы, содержащие информацию о координатах, скорости, курсе и идентификации кораблей. Для мореплавания на кораблях длиной более 45 м устанавливаются навигационные радиолокационные системы (РЛС) Х-диапазона (9,3 – 9,5 ГГц). Действующая в настоящее время система обнаружения кораблей VDS базируется на применении космических аппаратов (КА), оснащенных аппаратурой приема и обработки сигналов системы AIS (далее – KA AIS), и КА с радиолокаторами с синтезированной аппаратурой (далее – KA c PCA) TerraSAR-X, Radarsat-2, COSMO-SkyMed, NovaSAR, Sentinel, Envisat (рис. 1).

Рис. 1.

Наибольшую активность в создании и применении KA AIS проявляет Норвегия, осуществив запуски KA AISSat-1, 2 , NorSat-1, 2 и планируя запуски КА с другими полезными нагрузками, включая аппаратуру AIS.

В Канаде создан КА AIS типа МЗМ. Аппаратура AIS устанавливается в качестве одной из полезных нагрузок на вновь создаваемые или проектируемые КА типа Iridium NEXT, Lemur и др., что обеспечивает максимальный перехват сигналов AIS и формирование обширных и оперативно обновляемых банков данных о морской обстановке в глобальном масштабе.

Как правило, КА с РСА применяются во взаимодействии с КА AIS, что обеспечивает слияние радиолокационной информации (РЛИ) и данных системы AIS. Вместе с тем как КА с РСА, так и система AIS имеют ряд ограничений при слежении за морской обстановкой, особенно проявляющихся при решении задач пресечения противоправной деятельности и отражения возможной агрессии на морских направлениях. Система AIS не обеспечивает полную картину морской обстановки вследствие того, что оборудование AIS периодически выходит из строя или умышленно отключается, а также из-за возможности преднамеренного искажения информации о корабле в сигналах AIS c целью введения в заблуждение наблюдающей стороны. Совместное применение КА с РСА и системы AIS с космическим сегментом повышает достоверность наблюдения за морской обстановкой за счет выявления кораблей, не взаимодействующих с системой AIS, а также кораблей, данные о которых, содержащиеся в сигналах AIS, не соответствуют реальной картине морской обстановки, устанавливаемой по РЛИ. Однако действующие КА с РСА не предназначены для наблюдения за морской обстановкой и поэтому имеют ограничения по площадной съемке и по периодичности наблюдения, что приводит к длительным перерывам в съемке заданных районов морской поверхности и, как следствие, к неприемлемому по современным требованиям снижению эффективности наблюдения.

Указанные обстоятельства привели к зарождению и реализации двух направлений повышения эффективности наблюдения за морской обстановкой, основанных на применении КА с РСА нового поколения, а также на разработке и реализации нового способа геолокации и идентификации кораблей на базе коммерческих КА радиоэлектронного наблюдения (КА РЭН), обеспечивающих прием и обработку сигналов корабельных РЛС и других источников радиоизлучения (ИРИ) в полосе обзора, значительно превосходящей полосу съемки КА с РСА.

В настоящей статье рассматриваются КА нового поколения, предназначенные для повышения эффективности наблюдения за морской обстановкой. Особое внимание уделено коммерческим КА РЭН, создаваемым в дополнение к таким КА, как SB-WASS, Ceres, а также наземному сегменту разрабатываемых КА нового поколения.

КА с РСА нового поколения для наблюдения за морской обстановкой

Возросшая потребность в создании КА с РСА нового поколения обусловлена стремлением получить приемлемые по стоимости орбитальные группировки (ОГ), обеспечивающие достаточно высокую периодичность наблюдения. При этом КА с РСА со средним уровнем разрешения, но с большой полосой съемки наиболее полно отвечают требованиям по наблюдению за морской обстановкой. К новому поколению КА с РСА следует отнести КА XpressSAR и КА с РСА из состава ОГ OptiSAR.

Рис. 2. 

КА XpressSAR (рис. 2) - дальнейшее развитие концепции KA TerraSAR-X - предназначен для повышения эффективности наблюдения за морской обстановкой. КА планируется запускать на орбиту высотой 425 км с наклонением 48 с. ш. и 48 ю. ш. Орбита ориентирована на «пояс нестабильности» (Ближний Восток, Юго-Восточная Азия, средиземноморский и карибский бассейны), то есть на районы, богатые нефтью и другим стратегическим сырьем. КА XpressSAR могут привлекаться для слежения за кораблями на маршрутах их перехода в режиме маршрутной съемки с заданным разрешением и для наблюдения за пиратскими судами в режиме детальной съемки до уровня их идентификации. Декларируется возможность получения РЛИ с разрешением до 25 см с ежесуточной производительностью до 4 млн кв. км. ОГ из четырех КА будет обеспечивать съемку с периодичностью до 2 часов и суммарной суточной производительностью до 16 млн кв. км. Полоса съемки может достигать 300 км. РСА имеет следующие режимы съемки :

- площадная съемка – от 100 км (ширина) × 1000 км (длина) до 300 км × 2000 км с разрешением 30 м, - предназначенная для наблюдения за морской обстановкой;

- маршрутная съемка – 30 км × 2000 км с разрешением 3 м;

- скользящий прожекторный режим – 10 км × 10 км с разрешением 1 м и 5 км × 5 км с разрешением 25 см.

Рис. 3.

Наряду с КА с РСА XpressSAR в Канаде разрабатывается уникальная космическая система OptiSAR (рис. 3), включающая ОГ из 16 КА – 8 КА ОЭН и 8 КА с РСА, запускаемых на орбиту высотой 450 км. РСА одновременно ведет съемку в X- и L-диапазонах с улучшенным подавлением неоднозначности РЛИ в следующих режимах :

- SpotLight – кадр 10 км × 5 км с разрешением 1 м при подавлении неоднозначности на 25 дБ и NESZ=-20…-24 дБ;

- StripMap – в X-диапазоне: полоса съемки 10 км с разрешением 1 м × 3,5 м при подавлении неоднозначности по дальности на 20…25 дБ, по азимуту на 19…22 дБ и NESZ=-23…-26 дБ; в L-диапазоне: полоса съемки 10 км с разрешением 7,5 м × 7,5 м при подавлении неоднозначности на 22 дБ и NESZ=-23…-26 дБ;

- ScanSAR – полоса съемки 30 км с разрешением 10 м в X-диапазоне и 30 м в L-диапазоне при одновременной съемке в X- и L-диапазонах; при съемке только в L-диапазоне – полоса съемки до 140 км с разрешением 30 м при подавлении неоднозначности по дальности на 21…24 дБ, по азимуту – на 19…22 дБ и NESZ=-23…-26 дБ;

- дополнительно предусмотрен режим ScanSAR для обнаружения кораблей в полосе 225 км при волнении моря до 5 баллов.

Рис. 4.

РСА на инновационных КА для радиолокационного обнаружения кораблей, что планируются к разработке на базе космической платформы КА Iridium NEXT, будет размещаться в специальной «корзине», предназначенной для дополнительной к аппаратуре связи полезной нагрузки

Инновационные КА для радиолокационного обнаружения кораблей планируются к разработке на базе космической платформы КА Iridium NEXT (рис. 4). РСА будет размещаться в специальной «корзине», предназначенной для дополнительной к аппаратуре связи полезной нагрузки. Декларируются высокие обнаружительные возможности РСА: в полосе 200 км возможно обнаружение кораблей размером свыше 15 м, а в полосе 1000 км – свыше 35 м. Бортовая аппаратура будет также включать оборудование системы AIS. Планируется групповой запуск до 10 КА РН Falcon 9.

Компания Thales Alenia Space разрабатывает специальную космическую систему радиолокационного наблюдения за морской обстановкой по проекту Stella Marine (рис. 5) [5, 6]. ОГ в составе 20 КА с РСА и аппаратурой системы AIS будет обеспечивать слежение за кораблями размером 15/20 м в полосе 1000 км. КА планируется запускать на квазиэкваториальные квазиполярные орбиты, обеспечивающие периодичность наблюдения 1 час.

Рис. 5.

Рассмотренные выше КА с РСА находятся на разных стадиях разработки. Вместе с тем на волнах новой космической революции стремительно развивается тенденция создания малых и микроКА (МКА) с РСА для наблюдения за морской обстановкой.

Рис. 6.

Рис. 7.

В настоящее время лидирующее положение занимает финская компания ICEYE, разработавшая КА с РСА с разрешением 10 м × 10 м и с доведением до 3 м × 3 м, а затем – 1 м × 1 м (рис. 6 и рис. 7). Планируется формирование ОГ в составе 18 КА, что обеспечит периодичность наблюдения за морской обстановкой в несколько часов.

Рис. 8.

Конкурентами компании ICEYE на рынке РЛИ выступают американские компании Capella Space и Umbra Lab, ведущие разработку МКА с РСА . Компания Capella Space [9, 10] планирует формирование ОГ из 36 МКА, обеспечив периодичность наблюдения 1 час. Заявлено, что РСА будет способен идентифицировать и классифицировать объекты размером 1 м. По другим данным, РСА X-диапазона имеет ширину спектра зондирующего сигнала 500 МГц и с высоты полярной орбиты 485…525 км будет обеспечивать разрешение в режиме SpotLite до 0,5 м. В декабре 2018 года запущен демонстрационный КА Capella-1 (рис. 8) на ССО с наклонением 98 градусов. РН Falcon 9 осуществила групповой запуск 64 коммерческих МКА, в том числе МКА Audacy-0, BlackSky, Capella-1, Hawk (HawkEye 360), ICEYE X2.

Компания Umbra Lab [11, 12] также анонсировала создание МКА с РСА с разрешением 10 м × 0,25 м и формирование ОГ в составе 12 МКА. При этом компания утверждает, что при разрешении 1 м может быть достигнута периодичность наблюдения 1 час.

Американские конкуренты финской компании ICEYE стремятся превзойти ее по уровню разрешения и периодичности наблюдения. Однако МКА ICEYE, получившие название X1, X2, X3 (а в перспективе X4, X5), стали реальностью и уже функционируют на орбите. Другие сопоставимые МКА с РСА пока находятся в стадии разработки, а их характеристики еще предстоит подтвердить.

Рис. 9.

К числу таких проектов можно отнести проект МКА с РСА MicroSat (рис. 9) , планируемый к разработке в Норвегии и стремящийся занять лидирующее положение на европейском рынке информации о морской обстановке. РСА С-диапазона будет обеспечивать разрешение 4 м при полосе шириной 200 км и мощности излучения 800 Вт с орбиты высотой 500 км. Проект предусматривает применение развертываемой на орбите антенны размером 3,8 м × 1,8 м. После развертывания ОГ в составе 10 КА периодичность наблюдения составит 3 часа.

Рис. 10.

Компании-разработчики ICEYE и Spire планируют совместное применение МКА с РСА для обнаружения «темных» судов и пресечения нелегальной морской деятельности
МКА с РСА компании ICEYE предназначены для обнаружения и слежения за кораблями, а также для мониторинга ледовой обстановки и контроля разливов нефти. Варианты применения МКА с РСА компании ICEYE показаны на рисунке 10. При этом планируется их совместное применение с МКА AIS Lemur (разработчик - компания Spire) для обнаружения так называемых темных судов и пресечения нелегальной морской деятельности [15, 16]. Компании договорились о применении своих ОГ, в том числе 72 МКА Lemur, по единому замыслу.

 РСА X-диапазона имеют АФАР длиной 3,2 м и мощность излучения 4 кВт. Кадр снимка имеет размеры 50 × 50 км. МКА массой 61…85 кг запускается на ССО высотой 500…585 км. Разработаны три модификации МКА с РСА X1, X2, X3 (а в перспективе X4 и X5) с последовательным улучшением разрешения. Основные характеристики МКА компании ICEYE приведены в таблицах 1 и 2 .

Таблица 1. Параметры орбиты МКА компании ICEYE

МКА / характеристики

 X2

 X3

 X4

 X5

Высота, км

 580

 500

 500

 585

Наклонение, градусы

 97,5

 50

 97,4

 97,3

 

РСА осуществляет съемку в режимах ScanSAR, StripMap, StripMap High, SpotLight с разрешением 20 × 20/10 × 10/3 × 3/1,5 × 1,5/1 × 1 метров (при ширине спектра зондирующего сигнала 300 МГц) и с точностью геопривязки 10 м. Динамический диапазон РСА - 16 бит. Длительность съемки на витке составляет 2,5 минуты. Длительность непрерывной съемки - до 80 секунд. Суточная производительность РСА 7 млн кв. км с разрешением 3 × 3 м. Основные характеристики РСА в различных режимах съемки приведены в таблице 2.

Таблица 2. Основные характеристики РСА в различных режимах съемки

Режим/параметр

 StripMap

StripMap High

 SpotLight

 ScanSAR

Полоса, км

 35

 25

 10

 120

Макс. длина, км

 500

 500

 5

 500

Зенит. угол, градус

 15-25

 20-35

 25-35

 15-35

NESZ, дБ

 - 17

 - 15

 - 15

 - 17

AASR, дБ

 - 17

 - 17

 - 17

 -17

Разрешение, м

 3 × 3

 1,5 × 1,5

 1 × 1

 20 × 20

Станд. кадр, км

 35 × 50

 25 × 50

 10 × 5

 120 × 50

 

Рис. 11.

Выбранные характеристики орбиты и параметры РСА обеспечивают уникальные возможности по оперативности съемки: время от заказа до съемки целевого района не превышает 3 часов. Для сравнения на рисунке 11 приведена аналогичная характеристика для существующих КА с РСА.

Рис. 12.

Рис. 13.

МКА X1 – первый в мире коммерческий МКА с РСА – запущен в январе 2018 года. В течение 2018 года осуществлялся запуск МКА X1 и X2. В 2019 году планируется создание ОГ в составе 8 МКА. На рисунках 12 и 13 приведены радиолокационные снимки морской обстановки с КА с РСА ICEYE X1.

Следует отметить, что американские компании задержались с выходом на рынок коммерческой РЛИ высокого разрешения вследствие ограничений в национальном законодательстве. Компания XpressSAR – первая американская компания, получившая лицензию на создание коммерческого КА с РСА с разрешением лучше 1 м. В настоящее время для коммерческих РСА разрешена полоса частот шириной 1200 МГц (ранее – 600 МГц), что открыло беспрецедентные возможности по добыванию высокодетальной РЛИ с использованием КА с РСА типа XpressSAR. Следует отметить, что американское сообщество пользователей геопространственной информации наконец-то осознало стратегическое и тактическое значение коммерческой РЛИ – от цифрового рельефа местности до наблюдения за морской обстановкой и за преимущественно облачными районами.

Псевдокосмические аппараты с РСА для наблюдения за морской обстановкой

Наряду с традиционными КА для наблюдения за морской обстановкой разрабатываются и уже применяются псевдокосмические аппараты (ПКА) с РСА . Так, ПКА Zephyr S и T, оснащенные радиолокатором SPIDER, приняты на вооружение и способны обнаружить как малые рыболовецкие суда, так и большие корабли с вероятностью правильного обнаружения не менее 0,9 при вероятности ложной тревоги не более 10 в полосе от 26 км до 70 км при волнении моря до 6 баллов. Технические характеристики РСА приведены в . На этапе проектирования планировалось применение зондирующих сигналов в X-диапазоне с шириной спектра до 500 МГц. Однако на практике достигнута ширина спектра до 1200 МГц. В ходе натурных испытаний РСА было установлено, что с высоты полета 3000 м обеспечивается разрешение по дальности 0,9…0,7 м, по азимуту 2,1…6,1 м при полосе съемки 3 км. При этом мощность излучения на частоте 10,1 ГГц составляла 12,5 Вт. Зондирующий сигнал представлял собой пачки импульсов с ЛЧМ длительностью 0,37 сек., излучаемых в полосе частот 240 МГц и 485 МГц при сканировании луча ДНА в диапазоне зенитных углов 47…76 градусов.

Рис. 14.

Рис. 15.

В Германии НИИ микроволновой и радиолокационной техники DLR разработал для установки на ПКА РСА X-диапазона со следующими характеристиками:

а) в режиме радиолокационной съемки (рис. 14):

 полоса съемки 25,3 км;

 разрешение1 м (до 8 мм в режиме круговой съемки – рис. 15);

 подавление неоднозначности на 22 дБ;

 NESZ = -22 дБ;

б) в режиме селекции движущихся целей (СДЦ):

 полоса обзора 25,3 км;

 ЭПР = 7 дБмпри вероятности ложной тревоги 10;

 минимальная обнаруживаемая скорость – 0,11 м/с на суше, 0,89 м/с в океане (при скорости ветра до 10 м/с);

 точность определения перемещения в дальней зоне 42 м.

в) в режиме СДЦ в дальней морской зоне:

 полоса съемки 100 км;

 ЭПР = 22 дБмпри вероятности ложной тревоги 10;

 минимальная обнаруживаемая скорость 0,89 м/с;

 точность определения перемещения в дальней зоне 140 м.

Указанные выше характеристики достигаются при полете ПКА на высоте 20 000 м со скоростью 20 м/с. Основные характеристики РСА приведены в таблице 3.

Таблица 3. Характеристики РСА при проведении натурных испытаний

Характеристики

Режим съемки

Режим СДЦ

Режим СДЦ в дальней морской зоне

Центральная частота, ГГц

9,6

9,6

 9,6

Ширина спектра ЛЧМ сигнала, МГц

 500

 100

 30

Пиковая мощность излучения, Вт

 50

 50

 50

Скважность излучения, %

24

10

10

Длина антенны, м

1

 2 × 1,25

 2 × 1,25

Высота антенны, м

 0,046

0,04

 0,07

Частота повторения импульсов, Гц

 2400

 4000

 780

 

В заключение можно отметить, что ПКА с РСА с приведенными характеристиками представляют собой высокоэффективные средства для обнаружения, местоопределения и сопровождения кораблей в локальных зонах (районах) особого внимания, а также обеспечивают наведение других средств наблюдения на обнаруженные объекты (цели) как в ближней, так и в дальней зонах.

Литература

1. Germroth D. S. Commercial SAR comes to the US (Finally!) [Электронный ресурс]. URL: http://syntheticapertureradar.com/commercial-sar-comes-to-the-u-s-finally/ (Дата обращения: 15.04.2019).

2. UrtheCast - The OptiSAR™ Constellation [Электронный ресурс]. URL: https://www.urthecast.com/optisar/ (Дата обращения: 15.04.2019).

3. OptiSAR (Optical and SAR) Commercial Constellation of UrtheCast [Электронный ресурс]. URL: https://directory.eoportal.org/web/eoportal/satellite-missions/o/optisar (Дата обращения: 15.04.2019).

4. PhD. High performance satellite AIS and Radar data fusion for Maritime Surveillance [Электронный ресурс]. URL: https://pdfs.semanticscholar.org/ea64/26d227b559f724eb491347f93d52f0b1e6af.pdf (Дата обращения: 10.05.2019).

5. Autran O. New technologies for an improved Maritime Surveillance from Space [Электронный ресурс]. URL: http://cco.gov.co/docs/eventos/2016-10-13/p-05-2016-10-13.pdf (Дата обращения: 10.05.2019).

6. Клименко Н.Н. Новая космическая революция или новые горизонты космических средств наблюдения в XXI веке // Воздушно-космическая сфера. 2017. № 4. С. 44-51.

7. SAR satellite start-ups ICEYE, Umbra Lab and Capella Space are vying to revolutionize space radar [Электронный ресурс]. URL: http://syntheticapertureradar.com/new-space-disruption-iceye-umbra-lab-and-capella-space/ (Дата обращения: 10.05.2019).

8. Capella X-SAR (Synthetic Aperture Radar) Constellation [Электронный ресурс]. URL: https://directory.eoportal.org/web/eoportal/satellite-missions/content/-/article/capella-x-sar (Дата обращения: 15.04.2019).

9. Stealth Startup Umbra Lab is Flying Under the Radar [Электронный ресурс]. URL: http://syntheticapertureradar.com/stealth-startup-umbra-lab-is-flying-under-the-radar/ (Дата обращения: 10.05.2019).

10. Kaljord A. Earth Observation for Maritime Operations – Current Capabilities and Future Potential [Электронный ресурс]. URL: https://www.norwep.com/content/download/31293/225975/version/1/file/KSAT_Norwep_Mai2017.pdf (Дата обращения: 10.05.2019).

11. Сайт компании ICEYE (Финляндия) [Электронный ресурс]. URL: http://iceye.com (Дата обращения: 15.04.2019).

12. ICEYE and Spire Join Forces to Enable Global Monitoring of Dark Vessels at Sea [Электронный ресурс]. URL: https://www.iceye.com/press/press-releases/iceye-spire-join-forces-enable-global-monitoring-dark-vessels-at-sea (Дата обращения: 10.05.2019).

13. Mohney D. ICEYE and Spire announce SAR radar + AIS ship tracking service [Электронный ресурс]. URL: https://www.spaceitbridge.com/iceye-and-spire-announce-sar-radar-ais-ship-tracking-service.htm (Дата обращения: 10.05.2019).

14. Клименко Н.Н. Первые действующие псевдокосмические аппараты для военных и гражданских пользователей // Воздушно-космическая сфера. 2018. № 3. С. 64-76.

15. Baumgartner S., Scheiber R., Bordoni F., Krieger G., Peichl M. HAPS: Potentials, Applications and Requirements for Radar Remote Sensing [Электронный ресурс]. URL: https://elib.dlr.de/113651/1/haps4esa_2017_Baumgartner.pdf (Дата обращения 10.05.2019)

 

© Клименко Н.Н., Занин К.А., 2018

История статьи:

Поступила в редакцию: 07.04.2019

Принята к публикации: 18.05.2019

Модератор: Дмитрюк С.В.

Конфликт интересов: отсутствует

Для цитирования:

Клименко Н.Н., Занин К.А. Новое поколение космических аппаратов для наблюдения за морской обстановкой // Воздушно-космическая сфера. 2019. № 2. С. 72-82.

ранее опубликовано

все статьи и новости