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. 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.

 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

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

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. 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

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.