Израиль в космосе. Двадцатилетний опыт (1988-2008)

6. Наблюдение и связь — приоритетные направления

Системы для наблюдения Земли в зависимости от предъявляемых требований и спектрального диапазона, используемого для получения изображений, можно разделить на несколько типов:

• Сенсор с высокой разрешающей (ВР)способностью (1 м), пригодный для гражданской безопасности и аварийного реагирования.

• Аппаратура с очень высокой разрешающей (ОВР) способностью (<<1 м), которая в особенности необходима для военных применений. Эти системы обычно дают панхроматические (ПАН) изображения.

• Мультиспектральный (МС) сканер, который получает изображения в различных, относительно грубых, полосах пропускания по электромагнитному спектру в диапазоне от 0.3 до 14 цм. Этот диапазон включает ультрафиолетовый, видимый, а также ближний, средний и тепловой участки инфракрасного спектра. Сканер применим, например, для контроля состояния сельскохозяйственных угодий.

• Гиперспектральный (ГС) датчик формирует изображения во многих, очень узких, смежных полосах также по всему спектру. Такая система собирает информацию с сотен полос для каждого пикселя в изображаемой сцене. Она эффективна, например, при быстром реагировании в процессе экологического мониторинга.

• Важные дистанционные методы наблюдения из космоса также выполнены с использованием систем, работающих в микроволновой части спектра (приблизительно на длинах волн от 1 мм до 1 м.). Это оборудование — Радары с Синтезированной Апертурой (САР) — незаменимо при наблюдениях ночью и при плохой погоде.

Спутники дистанционного зондирования должны обладать исключительными способностями для обеспечения требований, вызванных установкой на борту оборудования для съемки, таких требований, как высокие скорости передачи данных, большое энергопотребление, быстрая реакция, точный контроль ориентации и стабилизации.

Оговоримся сразу же, что Израилю доступны все перечисленные типы наблюдений из космоса как оптические (ПАН, МС, ГС), так и микроволновые (САР). Из приведенного ранее исторического обзора следует, что в израильской космонавтике подобные аппаратуры уже давно функционирует на орбите, а отдельные виды находятся на завершающих этапах разработки и готовятся к эксплуатации.

Несмотря на несомненные дотижения в области наблюдений из космоса, доходы мирового рынка данных дистанционного зондирования Земли составляют лишь незначительную часть приведенных выше экономических оценок активности в космосе. Кроме того, пока что мировой рынок космических изобразительных материалов — около 500 млн долларов — существенно уступает рынку результатов аэросъемки, объем продаж которого составляет около 5 млрд долларов. В последнее время все чаще стали практиковаться запуски спутников дистанционного зондирования Земли с очень высоким разрешением (ОВР). По мнению аналитиков широкое внедрение ОВР-спутников нацелено на перераспределение доходов между рынками материалов аэросъемки и космическими данными в пользу последних. Ожидаемое улучшение разрешения до 0.25 м повысит значимость видовой космической информации и для военных потребителей.

Пространственные разрешения панхроматических изображений, получаемых спутниками дистанционного зондирования Земли, запущенными в последнее время и планируемыми к запуску, представлены на Рис. 23. Ускоренное развития рынка материалов космической съемки метрового и субметрового разрешений отчетливо прослеживается на представленных данных. Создаются, по меньшей мере, пять орбитальных группировок дистанционного зондирования Земли. Все больше стран включаются в процесс наблюдения Земли из космоса, в самом ближайшем будущем у 22 стран будут свои собственные датчики, размещенные на орбите и предназначенные для съемок земной поверхности. Причем у десяти из этих стран аппаратура для получения земных изображений будет иметь ОВР-способность (<<1 м). Отмечается также стабильная тенденция использования спутников с радиолокационными системами наблюдений (САР).

Маркетинговая стратегия большинства стран по созданию коммерческих систем зондирования Земли также направлена на продвижение в область пространственного разрешения 0.5–1.0 м. По оценкам экспертов потребности рынка в изображениях с разрешением менее 1 м составляют 65 %, 1 м — 25 %, 2–3 м — 7 %, 5 м — 3 %. По предварительным оценкам к 2012 году емкость рынка космических снимков превысит 6 млрд долларов. Широкое распространение данных космического мониторинга сдерживалось их сравнительно высокой стоимостью (до 2004 года цена составляла после стандартной обработки 20–30 долларов за 1 кв. км). В результате реализации даже части заявленных запусков новых ОВР-спутников, при выходе их на расчетную производительность на рынке космических изображений Земли ожидается дальнейшее снижение цен, вызванное усиливающейся конкуренцией. Уже сейчас некоторые ведущие компании объявили о снижении цены за спутниковые снимки (например, с разрешением 1 м — до семи долларов за 1 кв. км).

Приоритетным направлением израильской космической программы остается наблюдение Земли. Как для военных, так и для гражданских целей Израиль создал ОВР-спутники дистанционного зондирования, передающие изображения высшего качества (обратите внимание на флажки на Рис. 23). Оптическую систему, которую несут спутники ОФЕК, считают одной из самых продвинутых в мире. Израильские спутники по своим изобразительным возможностям подобны зарубежным, но значительно легче их. А легкие спутники дешевле и сберегают сотни тысяч долларов при запуске. Поэтому израильские малые спутники имеют лучший в мире показатель по соотношению качества к цене. По сочетанию важнейших параметров «стоимость-масса-пространственное разрешение» мини-спутник ЭРОС относится к мировым рекордсменам. Кроме того, израильские космические корабли для дистанционных методов наблюдения исключительно надежны и оперируют годы после завершения их гарантированной продолжительности жизни.

Спутники дистанционного зондирования Земли способны проводить съемки участков на местности, покрывающих значительные, достаточно отдаленные области, отдавая предпочтение в первую очередь разведке в реальном времени таких важных целей, как Иран. В тоже время нет сугубо военных наблюдательных спутников на все 100 %, каждый такой спутник для получения изображений Земли способен решать и, как правило, решает гражданские задачи. Блестящие примеры тому имеются в новейшей истории космонавтики. В наше время, богатое природными катаклизмами, многим запомнилось сильное землетрясение в китайской провинции Сичуан (Sichuan) в Мае 2008 года. Пекин обратился за помощью к организациям, контролирующим природные катастрофы, и затребованная помощь была предоставлена в виде регулярных спутниковых снимков районов, терпящих бедствие. Изображения с необходимым временем возврата и покрытием всей территории, находящейся под угрозой, передавали с тайваньского спутника Формосат-2 с разрешением 2 метра.

По своему назначению этот спутник является стратегическим разведчиком. Благодаря снимкам, местные власти смогли оценивать угрозы, вызванные наводнением, созданным озером, возникшим при землетрясении в результате многочисленных оползней. Таким образом, военный спутник решил очень мирную задачу — снизил ущерб от разбушевавшейся стихии. Этот пример показывает, что в дальнейшем для контроля природных катастроф, где бы они ни случились, следует подключать весь парк находящихся в полете наблюдательных спутников — гражданских и военных. Относительно израильских спутников серии ОФЕК и ЭРОС можно уверенно сказать, что они успешно выполнят контрольную миссию при обнаружении природной, техногенной или военной угрозы человечеству.

Ниже представлен маркетинговый анализ развития космических средств наблюдения Земли на последующие 10 лет, проведенный фирмой Euroconsult. В ближайшей перспективе в этой области ожидается бум, вызванный тем, что многие страны по всему миру начинают создавать свои собственные системы наблюдения из космоса. При этом прогнозируется серьезное участие частного сектора в наблюдениях Земли. За этот период приблизительно 200 наблюдательных спутников будут размещены на орбитах, включая 48 космических кораблей, предназначенных для метеорологии, и запускаемых как на геостационарную, так и на полярные низкие земные орбиты. Число их почти вдвое превышает число спутников для наблюдения Земли, запущенных в предыдущее десятилетие. 54 из неметеорологических спутников будут созданы правительствами, известными своими достижениями в данной области, такими как Соединенные Штаты, Россия, Франция, Индия, Израиль и Китай. К этим разработкам агентств-ветеранов присоединяться 52 спутника, которые будут профинансированы правительствами, до недавнего времени не имевщими никаких независимых возможностей наблюдения Земли. Среди этих стран Алжир, Чили, Иран, Нигерия, Турция и Южная Африка. 16 спутников, которые будут запущены в следующем десятилетии, представляют спутники двойного использования, предназначенные, как для военных, так и для коммерческих клиентов. В таких случаях часто трудно определить, как следует классифицировать спутник, как правительственный заказ или как частная инициатива.

Подобная тенденция также наблюдается в космической деятельности Израиля. Недавно Министерство Обороны Израиля (МОИ) рассматривало предложение компании ImageSat, являющейся владельцем и оператором спутников серии ЭРОС, использовать изображения Земли, получаемые с помощью ОФЕКа и будущих спутников-шпионов, находящихся в собственности правительства, для перепродажи на коммерческом рынке. Согласно предложению, доходы от продаж будут финансировать развитие будущих гибридных спутников, комбинирующих элементы спутников ОФЕК и ЭРОС, произведенных одной и той же государственной компанией IAI. Военная космонавтика Израиля прочно привязана к главной пусковой ракете Шавит, отказы которой разрушили, как известно, по крайней мере три спутника; в то же время ImageSat заботится только об обеспечении успешных запусков его будущих спутников. Промышленность планирует использовать для построения гибридных гражданско-военных спутников более надежные пусковые установки, подобные российской ракете Старт-1, - менее дорогие и подлежащие страхованию на коммерческих условиях. Спутник ОФЕК обеспечивает большую часть стратегических потребностей разведки Израиля, просматривая Ближний Восток каждые 90 минут. Каждый из спутников ЭРОС, находящихся на полярной орбите, проводит обзор Израиля и соседних государств четыре раза в день. Разрешение является функцией спутниковой камеры и орбитальной высоты. Если оба спутника, ОФЕК и ЭРОС, функционируют в сходных условиях, то различия в разрешениях также будут несущественными. Таким образом, благодаря идее смешения требований к двум оптическим спутникам с очень высокой разрешающей способностью, все три стороны — МОИ, ImageSat и IAI — извлекут выгоду вследствие наличия в любой момент времени большего числа спутников, находящихся на орбите.

Помимо аппаратуры, предназначенной для получения изображений очень высокого разрешения (ОВР), подобной ОФЕК и ЭРОС, в Израиле также разрабатывается мультиспектральная (МС) и гиперспектральная (ГС) аппаратуры, которые позволят изучать спектральные свойства изображений Земли… Инициатива создания мультиспектрального сканера космического базирования принадлежит Ави Хар-Эвену, долгие годы возглавлявшему Израильское Космическое Агентство в период, примыкающий к смене тысячелетий. Предложенный им небольшой спутник с библейским именем «Давид» был оснащен мультиспектральной камерой разработки Эль-Оп и представлял собой существенный прорыв в сфере дистанционного зондирования. Однако он не был оценен по достоинству. Видимо, предложение было слишком новаторским. К тому времени механизмы смешанного финансирования (государственного, частного, зарубежного) космического проекта были недостаточно изучены. Вследствие отсутствия инвестиций, проект мультиспектрального спутника остался нереализованным.

Возврат к мультиспектральной идее произошел позже в виде проекта Венус, работа над которым очень интенсивно ведется в последние годы. Суть миссии Венус и этапы ее выполнения были описаны ранее. Из сравнения основных параметров спутника с характеристиками аналогичных разработок других стран видно, что Венус превосходит по целому ряду параметров существующие системы и не уступает проектным характеристикам разрабатываемых спутников по количеству полос, их ширине, пространственному разрешению, полосе захвата, массо-энергетическим и информационным возможностям. Для такого спутника Эль-Опом разработана бортовая мультиспектральная камера, весящая 45 кг и потребляющая 90 ватт. Камера способна различать объекты размером 5.3 м с высоты 720 км при ширине изображаемой полосы 27.5 км. Съемка производится в 12 узких спектральных каналах в диапазоне спектра 415–910 нм, ширина пропускания отдельных полос в пределах от 16 до 40 нм.

В 2009 году достигнуто соглашение между Израильским и Итальянским Космическими Агентствами о партнерстве в разработке космической гиперспектральной (ГС) аппаратуры. Как уже говорилось, ГС-сканеры позволяют эффективно решать многие гражданские и военные задачи, недоступные другим, только что рассмотренным изображающим системам космического базирования ОВР, МС, САР. В качестве примера уникальности аппаратуры обычно приводят способность ГС-изображений демаскировать скрываемые оьъекты. Целесообразность объединения усилий двух стран в этом направлении обусловлена следующими обстоятельствами: — исключительной сложностью и высокой стоимостью разработки; — наличием успешного опыта в создании аппаратур дистанционного зондирования, как в Израиле, так и в Италии (сканер Призма).

Предполагается, что ГС-сканер, который будет создан двумя странами, будет иметь 200 каналов, и один или два спутника для этих полетов также будут построены на корпоративных началах. Известно, что повышение пространственного разрешения сканера утяжеляет аппаратуру. Очевидно, что увеличение числа спектральных каналов также повышает вес и потребление устройства. Для ГС-аппаратуры, помимо ее разрастания, возникает необходимость в мощной бортовой системе связи с высокой скоростью передачи данных на наземную станцию. Ведь мы должны передать одновременно не один снимок, а столько снимков, сколько есть спектральных каналов в аппаратуре. Для питания системы связи приходится устанавливать дополнительные солнечные панели. В результате возможность создания гиперспектрального спутника в разумных размерах становится проблематичной.

В одной из наших работ мы провели анализ возникшей ситуации с учетом существующих физических и технологических ограничений и получили критерии для оценки массы спутника в зависимости от пространственного разрешения (в метрах) изображений и количества каналов в аппаратуре (смотрите Рис. 24). Поле рисунка разделено на три площади в соответствии с тремя типами спутников согласно с принятой классификацией: микроспутники с массой до 100 кг, миниспутники с массой от 100 до 500 кг и большие спутники с массой превышающей 500 кг. Например, микроспутник может обеспечить работу гиперспектрального сканера с 15 полосами и разрешением картинки100 м; для получения информации в 100 полосах с разрешением 40 м необходим миниспутник; а аппаратура, обеспечивающая получение изображений в 200 полосах с высоким разрешением 10 м, должна устанавливаться на тяжелый спутник. На рисунке отмечены координаты (число полос и разрешение) для уже реализованных ГС-спутников. Будем надеяться, что в недалеком будущем на околоземной орбите появится еще один ГС-спутник, родившийся в результате израильско-итальянского сотрудничества.

На этом закончим анализ израильских средств космического базирования, предназначенных для наблюдения Земли, и очень кратко опишем второе приоритетное направление израильской космонавтики — космическую связь.

Spacecom является лидером в области радиовещания и коммуникационных услуг, является производителем платформ непосредственного вещания на бытовые приемники в Европе и на Ближнем Востоке, обслуживает телевизионные вещательные компании и правительственные организации, поставляет миниатюрные наземные терминалы VSAT и обслуживает их, оказывает услуги телефонной связи.

В прошлом десятилетии геостационарные коммерческие спутники заметно увеличились в размерах и стали более мощными, так что теперь более половины заказываемых коммуникационных спутников весят более 5 000 кг. Наряду с тенденцией к утяжелению и значительному расширению возможностей коммерческих спутников, развивается альтернативный курс, учитывающий интерес операторов к приобретению небольшого и менее дорогого спутника, который мог бы быть размещен в областях с ограниченными потребностями по обслуживанию. Разрабатываемые компанией Orbital спутники Star и проектируемый ESA спутник Small GEO (также известный как Луксор), весящие приблизительно 2 000-2 500 кг, делают стратегические шаги для выхода на рынок спутников связи. Спутники серии АМОС близки по параметрам к указанным малым геостационарным спутникам. Поэтому можно надеяться, что наблюдающееся расширение рынка малых коммерческих спутников связи будет способствовать развитию спутникового коммуникационного бизнеса в Израиле.