Запуск в 2022-2023 годах отечественных спутников-радаров «Кондор-ФКА» и
«Обзор-Р» обеспечит независимость России от зарубежных поставщиков
радиолокационных изображений, необходимых для освоения Арктической зоны. О
значении космической радиолокации для мониторинга критической инфраструктуры Арктики и Северного морского пути в докладе на
Совете РАН по космосу рассказал вице-президент РАН, научный руководитель Научно-исследовательского
института аэрокосмического мониторинга «Аэрокосмос», академик РАН Валерий
Бондур.
Арктика – это громадные труднодоступные территории и водные просторы,
значительную часть времени закрытые облаками и в течение нескольких месяцев
погруженные в полярную ночь. Поэтому для ее исследования и контроля актуально
использование радиолокационных (РЛ) средств космического мониторинга, которые
могут выдавать данные о состоянии поверхности в любую погоду и при любых
условиях освещения. Особенно эффективны в этом случае современные радиолокаторы
с синтезированной апертурой – РСА (создается за счет движения платформы
(спутника или самолета), когда данные локации записываются в течение
определенного периода времени, а потом совместно обрабатываются для получения
изображения, благодаря чему как бы создается виртуальная антенна, во много раз
превосходящая по размерам реальную).
Главное преимущество РСА состоит в том, что они способны работать в
различных режимах, включая высокодетальную съемку с разрешением, не уступающим
оптическим спутникам дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ).
Спутниками с РСА обладают США, Европейское космическое агентство,
Германия, Италия, Канада, Япония, Южная Корея, Китай. К примеру, в США частная
компания Capella Space в настоящее время разворачивает группировку из 36
спутников массой всего по 107 кг, потенциально способных получать изображения с
разрешением до 0,25 м, на уровне лучших оптических разведывательных спутников.
Финляндия уже имеет свою группировку радарных микроспутников ICEYE массой около
100 кг, поставляя заказчикам изображения с разрешением 0,5 м и с периодичностью
съемки 3 часа.
«А ведь исторически наша страна одной из первых запустила радар в космос
в начале 1970-х годов, – говорит академик Бондур. – Правда, это был радар
военного назначения для системы морской космической разведки и целеуказания „Легенда”.
Это направление развивается в стране и сейчас, но, к сожалению, с гражданскими
спутниковыми радарами дело обстоит плохо. В 1991 году на орбите работал
прекрасный космический аппарат „Алмаз-1А” с РСА, который позволял получать
изображения в S-диапазоне
спектра электромагнитных волн с пространственным разрешением 10 м, но затем
наступили нелегкие 90-е годы. С тех пор у нас сделано много проектов на бумаге,
но сегодня в космосе нет ни одного российского радара гражданского назначения,
в то время как во всем мире эта тематика очень активно развивается».
Острота проблемы с отсутствием собственной группировки радарных
спутников еще больше возросла в связи с событиями, которые начались 24 февраля
2022 г. Если раньше российские потребители активно использовали информацию с
зарубежных спутников, в частности – с европейских Sentinel-1A и Sentinel-1B и
других, то сейчас доступ к этим данным официально для России закрыт. Не говоря уже
о том, что все РЛ-спутники высокого разрешения имеют двойное назначение. Именно
поэтому столь важное значение имеет запланированный на 2022–23 гг. запуск двух
КА «Кондор-ФКА» и одного КА «Обзор-Р» – российских радиолокационных спутников,
способных получать достаточно детальные изображения для решения ряда
специфических задач в Арктическом регионе.
КА «Кондор-ФКА» разрабатывает ВПК «НПО машиностроения» (г. Реутов) –
создатель первых советских космических радаров. Как сообщил Совету РАН по
космосу представитель компании, «Кондор-ФКА» №1 уже изготовлен, ведутся его
электрические испытания. Запуск намечен на конец 2022 г. «Кондор-ФКА» № 2
находится в процессе сборки. Его запуск планируется на 2023 г.
КА «Обзор-Р» создается в АО «РКЦ „Прогресс”» (г. Самара) – одной из
ведущих отечественных космических фирм. По информации ее представителя, в
настоящий момент спутниковая платформа изготовлена, прошла все виды испытаний и
находится в полной готовности для установки на нее радара. Радар также
изготовлен. Завершается отладка его программного обеспечения. Запуск «Обзора-Р»
намечен на июнь 2023 г.
Чтобы наглядно продемонстрировать значения запуска этих аппаратов для
освоения Арктики, Валерий Бондур привел несколько примеров того, как подобные задачи
решаются зарубежными спутниками, способными проводить РЛ-съемку высокого
разрешения.
«Вот пример изображения, полученного финским РЛ-спутником ICEYE, – рассказывает
Валерий Бондур. – На нем хорошо видно положение ледокола во льдах и отмечен его
путь за предыдущий день. По этому изображению можно судить, насколько
качественная получается съемка».
«А вот изображение, которое получает ICEYE для мониторинга судовой
обстановки, – продолжает рассказ ученый. – Хорошо видны не только небольшие
корабли, но даже волны от них. Это просто сырое изображение, но есть целая
технология, которая позволяет определить параметры движения судов».
«На этом слайде – пример более глубокого анализа данных, полученных с
помощью космических радаров Sentinel-1A/1B, – говорит академик Бондур. – Это
карта концентрации биогенных пленок».
Биогенные пленки – результат жизнедеятельности морских организмов и
растений, главным образом, фито и зоопланктона, а также бактерий. Они не могут
считаться загрязнениями в прямом смысле слова, однако процесс интенсивного
образования биогенных пленок можно рассматривать в качестве явления,
свидетельствующего о степени антропогенного воздействия на экосистему. Ведь
уровень биологической продуктивности прибрежных зон морей во многом
определяется характером хозяйственной деятельности.
Наличие поверхностной пленки приводит к затуханию поверхностного
волнения и на водной поверхности образуются выглаженные области (слики),
которые проявляются на радиолокационном изображении как области пониженного
рассеяния отраженного сигнала. На фото в нижней части слайда –необработанные
РЛ-изображения, на которых видны слики причудливых очертаний. Кстати, таким же
образом с помощью РЛ можно фиксировать разливы нефти или загрязнения от сливов
с судов.
Отмечено достаточно четкое временное соответствие между процессами
интенсивного образования биогенных пленок и повышением концентрации
хлорофилла-а, то есть цветением моря, которое можно фиксировать по данным оптических
сенсоров типа MODIS.
На слайде выше можно видеть сопоставление скоплений полигонов биогенных
пленок по данным РЛ-изображений (а и в) с данными по хлорофиллу-а
спектрорадиометра MODIS на борту спутника Aqua (б и г). Кстати, похожая
технология использовалась для мониторинга «красного прилива», который произошел
на Камчатке полтора года назад.
Высокодетальные РЛ-изображения имеют пространственное разрешение порядка
метра и лучше, при этом высоту рельефа космические радары могут измерять с
точностью до считанных сантиметров, что, в частности, позволяет отслеживать
динамику вечной мерзлоты. Справа верху – фотография северной части острова
Хершел в море Бофорта, что омывает северные берега Аляски и Канады. Хорошо
видны процессы эрозии, которые происходят на этом острове. Ряд изображения
слева показывает динамику изменения рельефа за один, два и три года по данным
японского ALOS. Хорошо видны просадки поверхности из-за сезонного таяния вечной
мерзлоты, которые доходят до 25-30 см (оранжевые пятна).
На этом слайде показана обработка РЛ-данных за много лет по мониторингу
скорости таяния ледника на архипелаге Шпицберген. Сверху – изображение по
данным Sentinel-1A за 2010–2014 г. А внизу показана эволюция скорости таяния за
два десятилетия по данным спутника CRYOSAT-2. Видно, как хорошо фиксируются
вертикальные подвижки поверхности, которые по оптическим снимкам измерить
сложно.
Существует технология, позволяющая на основе анализа картины ветрового
волнения водной поверхности определять направление и скорость приповерхностного
ветра с использованием эмпирических соотношений, связывающих характеристики
спектров морского волнения с характеристиками приповерхностного ветра. Слева
показаны фрагменты РЛ-изображений с КА RADARSAT-2, по пространственно-частотным
спектрам которых можно определить направление и скорость ветра. На первый
взгляд, на этих фрагментах ничего не видно, однако после специальной обработки
можно выявить на них спектральные максимумы волнения водной поверхности и по
ним построить карту полей приповерхностных ветров.
Справа дана карта полей приповерхностных ветров всей арктической
акватории по данным спутника QuikSCAT. Стрелками показано направление ветра,
цветом – его скорость. Размер одного квадратика в зависимости от режима съемки
может составлять 25 х 25 км или 5 х 5 км. С помощью радаров высокого разрешения
можно получить «пиксель» еще меньшего размера.
Мониторинг просадок грунта имеет важное значение для контроля состояния
критически важной инфраструктуры: трубопроводов, дорог, аэропортов. На этом
слайде показана карта смещений поверхности в районе взлетно-посадочной полосы
одного из северных канадских аэропортов по данным спутника RADARSAT-2. Слева
внизу – фотография этого аэропорта и тип ландшафта, который его окружает.
Подвижки грунта в зоне вечной мерзлоты необходимо контролировать постоянно и
спутниковая радиолокация высокого разрешения позволяет это делать.
Важное направление – это мониторинг последствий стихийных бедствий и
природных катастроф. В качестве примера приводится измерение по данным
Sentinel-1A смещения земной поверхности в районе землетрясения магнитудой 7,6
баллов, произошедшего в 2017 в районе Алеутских островов, примерно в 100 км от
Камчатки.
Одна из главных задач спутникового мониторинга – контроль ледовой
обстановки, без чего невозможно организовать безопасную навигацию по Северному
морскому пути.
Слева показаны необработанные изображения со спутника RADARSAT-2. Далее
отдельные фрагменты увеличены.
«Даже по таким изображениям можно без всякого сложного математического
аппарата контролировать развитие ледовой обстановки и прокладывать оптимальные
маршруты движения судов», – говорит академик Бондур.
После обработки можно получать более контрастные и наглядные карты ледовой
обстановки.
На этом слайде приведена карта толщины льда во всем Арктическом регионе
по данным спутника CRYOSAT-2. Показана градация – толстый лед, средней толщины
и тонкий. Отслеживается динамика ледяного покрова в течение нескольких месяцев.
«Это лишь несколько примеров того, какие данные можно получать с помощью
РЛ-спутников высокого разрешения, – подводит итог академик Бондур. – Но по ним
видно, насколько спутниковая радиолокация необходима для освоения Арктики».
Подготовил
Леонид Ситник, редакция сайта РАН.