Данная статья является оригинальной авторской версией статьи "Чужие глаза на орбите", опубликованной в еженедельнике "Звезда". Публикуется с согласия редакции
Да-да, в наш политкорректный век именно так и называются разведывательные спутниковые системы: дистанционное зондирование Земли (ДЗЗ). И на это есть веская причина: с момента запуска первых спутников технология фоторазведки и сбора сигналов с низких орбит стала доступна не только военным, и даже не только корпорациям, но и частникам. Правда, в последнем случае на орбиту выводят не какую-то специальную и сложную оптическую систему, а по сути, немного модифицированный цифровой фотоаппарат с длиннофокусным объективом, простейшей системой стабилизации и связи через коммерческие ретрансляторы.
Конечно, характеристики такого доморощенного спутника-шпиона ни в какое сравнение не идут со специализированными платформами, но зато они легкие, доступные, и запускать их могут как государства третьего-четвертого космического эшелонов, так и студенты-энтузиасты. И для простейших задач типа «увидеть кое-как родной квартал в хорошую погоду» они, надо сказать, вполне пригодны. Но мы здесь все же будем говорить о более-менее специальных системах ДЗЗ, работающих в оптических диапазонах.
И сразу оговоримся, о системах пассивных. Потому как есть еще и активные – орбитальные лидары высокого разрешения. С помощью такого лидара в ходе миссии ALOS японское космическое агентство JAXA, например, составило наиболее точную из ныне доступных цифровых моделей рельефа с разрешением порядка 5-15 метров. Причем любопытствующие могут даже скачать эту модель (загрубленную до 30-40 метров разрешения) и прямо на домашнем компьютере построить нашу трехмерную планету со всеми холмиками, пригорками и зданиями, существовавшими на момент сканирования. Просто приготовьте 500-700 гигабайт на диске – а модель бесплатна. Ну а мы поговорим о реальной видовой разведке.
Авторская концепция японского передового спутника наблюдения за сушей (ALOS), также известного как Daichi. (Фото предоставлено JAXA).
Сначала не обойтись без теории, ну а заодно придется развенчать несколько мифов. Спутники видовой разведки нигде не висят над целью, и по орбите обычно не бегают. Их работа условно похожа на работу резца токарного станка, или сканирующего луча старинного кинескопа.
Классификация орбит спутников достаточно сложна, но применительно к космической разведке нас интересуют не все. Видимо большинство читателей так или иначе слышали разные названия орбит спутников – высокая или низкая эллиптическая, опорная, круговая и даже геостационарная. Вот схема некоторых типовых орбит, используемых в космической разведке
Спутники видовой разведки обращаются вокруг планеты на низких орбитах. Чем они ближе к объектам наблюдения, тем лучше будет их линейное разрешение. Нет никакого практического смысла поднимать их чересчур высоко, на геосинхронные орбиты, где они могли бы «висеть» над заданной зоной. Там они увидят разве что высококонтрастные объекты с очень низким разрешением, да к тому же еще и под неблагоприятным углом. Точно так же, нет смысла загонять их на высокоэллиптические орбиты, которые позволили бы над интересующей территорией описывать восьмерки. По той же самой причине недостаточного разрешения. Поэтому орбиты спутников видовой разведки обычно низкие околоземные, близкие к круговым, с минимальным эксцентриситетом.
Тем не менее, на высоких орбитах спутники оптической разведки присутствуют – это аппараты системы предупреждения о ракетном нападении. Их задача не в фотографировании объектов с высоким разрешением, а предупреждение о запуске баллистических ракет. Факел ракеты на старте – это очень яркий инфракрасный всплеск, и его можно заметить издалека. Локализовать точку запуска точно не выйдет, но и не надо. Для локализации и завязки траектории подключатся уже специализированные РЛС.
Для разведки полярных областей спутники могут использовать полярные орбиты. Это орбиты, плоскость которых расположена под углом 90° к экватору. В зависимости от задачи, выбирая высоту и эксцентриситет орбиты можно добиться периода обращения от 1.5 часов до 24
Спутник на низкой околоземной круговой орбите высотой порядка 300 км делает оборот вокруг Земли за 90 минут. Ниже, для удобства пояснений, чтобы работать с целыми числами, мы будем пользоваться периодом обращения в два часа ровно. За два часа вращающаяся вокруг своей оси Земля под спутником проворачивается на 30 градусов. Таким образом, в свой следующий оборот вокруг планеты спутник будет видеть под собой зону на 30 градусов западнее. И вот так, полоса за полосой по 30 градусов каждая, за 12 оборотов спутник просмотрит всю поверхность под ним. Несложно посчитать, что при таких характеристиках орбиты над одной и той же зоной планеты он будет проходить в точности раз в сутки.
В реальности все несколько сложнее. Полоса наблюдения спутника, при которой обеспечивается хорошее разрешение съемки, значительно уже 30 градусов, хотя спутник может и изменить ориентацию, нацеливая свою оптику на интересующую зону. Для того, чтобы планомерно снять всю Землю с одного и того же ракурса, период обращения требуется немного сместить. Тогда над одной и той же зоной спутник будет оказываться уже не раз в сутки, а раз в несколько суток. А поскольку характеристики движения спутников хорошо известны, известно и когда именно он окажется над тем, что мы хотели бы спрятать.
И прятали! Например, на полигоне Кура под проход американских спутников перемещали маркеры цели, чтобы дезинформировать потенциальных партнеров на предмет точности отечественных БЧ МБР – на снимках точность не впечатляла. Но когда над головой не 3-4 спутника видовой разведки, как было раньше, а десятки и сотни, прятаться уже не выходит. А как мы сказали выше, растущая доступность космических технологий позволила предоставить сервисы дистанционного зондирования Земли на коммерческой основе не только военным, но и всем готовым заплатить – спутников теперь над головой разных много.
Из голливудских боевиков нам всем известно, что разведывательный спутник позволяет сосчитать звездочки на погонах старшего лейтенанта, подглядывать за нудистскими пляжами и узнавать людей в лицо – странно, конечно, что люди смотрят прямо в камеру, задрав головы. Ну а суперкомпьютерные технологии – мы же все видели – легко могут увеличить разрешение из каши невнятных пикселов до прекрасной цветной фотографии. Про все это можно сразу сказать, что это ненаучная фантастика.
Разрешение, с которым работает спутник, ограничено не мегапикселами (которых у него, кстати, немного), а характеристиками оптической системы. Это не линейная, а угловая величина (точнее, угловое разрешение является важнейшей характеристикой оптической системы). Главным фактором, который ее ограничивает, является дифракция света в длиннофокусном объективе-рефлекторе при относительном отверстии (которое определяет светосилу) f/2 и лучше. Для измерения характеристик оптической системы используется значение минимального угла разрешения; обычно это угловые секунды. Зная величину углового разрешения оптической системы, можно оценить минимальный размер объекта, который сможет различить объектив.
Для примера можно взять телескоп Хаббл, который конструктивно наследует спутнику видовой разведки KH-11. Изначально планировалось оснастить его зеркалом диаметром 3 метра. Но, из-за проблем с выделением бюджета, НАСА воспользовалось уникальным предложением ЦРУ и использовало зеркало диаметром 2.4 м, заскладированное для серийных спутников KH-11 ранних серий. ЦРУ как раз модернизировало платформу фоторазведки, и пара прецизионных зеркал остались не у дел – их передали в распоряжение НАСА. А заодно передали и элементы собственно спутниковой платформы, что позволило вписаться в бюджетные ограничения. Таким образом, не будет большим преувеличением сказать, что телескоп Хаббл – это спутник KH-11, который просто повернут в другую сторону.
Космический телескоп Хаббл.
Угловая разрешающая способность Хаббла хорошо известна и составляет порядка 0.1 секунды угла для видимого света. Заметим, что в разных диапазонах спектра разрешающая способность оптической системы тоже различается, причем довольно существенно. Но для простой черно-белой фотографии – ни телескопы, ни спутники видовой разведки никогда не работают в цвете! – несложный расчет дает предельно возможное разрешение около 6 см на пиксел при съемке с орбиты высотой в 250 км. Это теоретический предел, который может обеспечить идеальная оптическая система, и все дополнительные факторы это разрешение будут только снижать. Именно такое разрешение мог бы обеспечивать KH-11, если бы у Земли не было атмосферы.
Но атмосфера у Земли есть, и она весьма капризна даже в самом чистом безоблачном небе. Свет рассеивается на парах воды и других частицах, а локальные турбулентные потоки искажают ход лучей. Поделать с этим ничего нельзя, и реальное разрешение того же спутника KH-11 падает, составляя порядка 10 см на пиксел. Это первый фактор, снижающий разрешение.
Второй негативный фактор – это собственно матрица, на которой формируется изображение. Ее светочувствительные ячейки имеют некоторый шаг, а если свет попадает между двумя соседними, а не в точности на ячейку, значительная часть его теряется, превращается в шум и паразитные засветки. При этом спутник видовой разведки имеет несколько режимов съемки, из которых выделяются два основных: кадровый и сканирующий.
Кадровый режим работает подобно цифровому фотоаппарату, делая мгновенный снимок. Но снимок этот имеет низкое разрешение (у вашего мобильника оно, вероятно формально больше), а из-за короткой выдержки снимать позволяет только высококонтрастные объекты. Обычно его используют для получения обзорных фотографий объектов большой площади, например завода. Для более точной съемки используется сканирующий режим, и полное разрешение оптики реализуется только в нем.
В сканирующем режиме используется накопление света на линейке-матрице, которая постепенно перемещается в фокусе оптической системы. Это похоже на работу планшетного сканера, или ксерокса. Перемещение сканирующей линейки может производиться механически, либо просто за счет движения спутника по орбите, хотя последний способ сложнее обеспечивает нужную точность. Экспозиция кадра в сканирующем режиме занимает несколько минут. И как известно фотографам, за счет смещения объекта за это время, пикселы несколько смазываются. Только у нас не объект перемещается, а собственно спутник меняет ракурс съемки за время экспонирования. Это дополнительно снижает разрешающую способность системы. Для нашего примера со спутником KH-11 это дает оценку реальной разрешающей способности порядка 15 см на пиксел для видимого света.
Однако, спутник в сканирующем режиме снимает интересующий объект не только в видимом свете, но и в других диапазонах – обычно несколько окон инфракрасного света и ультрафиолет. Для них может быть похуже разрешение на матрице, но они лучше проходят атмосферу, меньше искажаются. Совмещая изображения разных участков спектра при цифровой обработке, можно частично восстановить потерянную в оптическом диапазоне информацию и повысить резкость изображения. Но никаких чудес не бывает – выше разрешения оптики прыгнуть невозможно, и все ухищрения могут лишь сделать изображение более удобочитаемым, контрастным. Кстати, красивые цветные спутниковые фотографии – это тоже результат обработки, искусственный цвет. В каждом из диапазонов спутник видит только черно-белую картинку.
А теперь представим себе специализированный разведывательный спутник в сборе. Он построен вокруг крупного телескопа-рефлектора с зеркалом диаметром от 2.4 м. Последние модели военных спутников используют зеркала еще большего диаметра, до 3.6 м. Это специальное плотное «стекло», которое немало весит. Веса еще добавляют линзы оптической системы из особых материалов. Ну и наконец, собственно конструкция спутника, аппаратура высокоскоростной связи, ориентации объектива и собственно спутника, коррекции орбиты… Всего спутник весит 15-20 тонн, и на орбиту его поднять может далеко не каждый носитель. Поэтому спутники высокого разрешения доступны только военным. Крупное зеркало диаметром 3.6 м обеспечивает для современных аппаратов реальное разрешение порядка 7 см на пиксел при угловом разрешении оптики 0.05 секунды угла, либо немного лучше.
В контексте СВО нередко встречаются утверждения о том, что западные партнеры передают Украине детализированные спутниковые снимки с военных спутников. Это не соответствует действительности – любые спутниковые снимки, полученные со специализированных разведывательных платформ строго засекречены. Увидев такой снимок, специалист может многое узнать о характеристиках платформы, оптики, методах обработки и еще много всего лишнего. Когда спутниковые снимки строительства отечественного авианесущего крейсера на верфях Николаева попали в открытую печать, это послужило причиной серьезного разбирательства в ЦРУ с отстранениями и дополнительными мерами по обеспечению секретности. Кстати, точно так же засекречены и данные видеофиксации с оптических станций вертолетов, самолетов и специализированных разведчиков, работающих в атмосфере. Все ролики, которые вы могли видеть в интернете, обычно пересняты с пониженным разрешением. Передаваться могут данные, которые из снимка извлекают аналитики, но не сам снимок. Но здесь есть лазейка: системы двойного назначения.
Как уже было сказано выше, развитие космических технологий привело к тому, что системы ДЗЗ в оптических диапазонах стали доступны для коммерческого использования. Приобретая подписку, вы получаете доступ к уже профессионально обработанным снимкам интересующих областей. Именно из таких снимков составлены цифровые карты Земли типа Google Earth. Примечательный факт: формат описания геометок на спутниковых картах от компании Google называется KML, что расшифровывается как Keyhole Markup Language. Keyhole – это серия специализированных разведывательных спутников KH, среди которых и упомянутый выше KH-11. Впрочем, Google не особо скрывает факты своего тесного сотрудничества с разведывательным сообществом.
Коммерческие спутники многим легче, дешевле и соответственно попроще – там используются оптические системы, построенные вокруг зеркал диаметром 0.9-1.2 метра. Соответственно, их разрешение тоже значительно уступает военным образцам, составляя для лучших порядка 20 см на пиксел в видимом свете и еще хуже на краях оптического диапазона. Тем не менее, для многих применений этого более чем достаточно.
Крупнейшей компанией, предоставляющей коммерческие услуги спутниковой съемки Земли сегодня является Maxar, и именно их материалы используются Украиной для ведения разведки в зоне СВО в рамках совершенно официального контракта – возможно, в кредит и с существенной скидкой. Заключенные контракты не позволяют управлять спутниками напрямую, но позволяются разместить заказ на съемку конкретной территории. Заказ будет выполнен в ближайшее доступное окно, но спутник в нужную зону по заказу пригнать не получится – период обращения накладывает свои ограничения. Впрочем, компания оперирует несколькими спутниками, поэтому обычно заказ выполняется в течение суток. Правда, разные спутники имеют разные характеристики.
Один из четырёх спутников компании Maxar GeoEye
В настоящее время Maxar оперирует тремя спутниками WorldView и одним устаревающим GeoEye. Серия WorldView крутится на сравнительно высокой орбите 600 км, и может обеспечивать разрешение около 25 см в видимом свете и 120 см в мультиспеткральных режимах. Каждый из спутников снимает до 700000 квадратных километров в сутки. Реальное разрешение спутника, возможно, несколько выше – оценки оптической системы дают порядок 15-18 см на пиксел. Но снимки разрешением выше 25 см законодательно запрещено предоставлять на коммерческой основе кому-либо, кроме оборонных и разведывательных агентств США.
Шила в мешке никто и не пытается утаивать: компания Maxar – это коммерческая дочка национального офиса разведки США. Ее история берет начало в недрах корпорации Orbital ATK, которая с 2018 г. является подразделением Northrop Grumman Space Systems. Компания тогда называлась MDA, и с 1995 по 2017 гг. поглотила 14 других корпораций, которые занимались коммерческими съемками Земли, геодезией и космическими системами. Среди наиболее примечательных поглощений такие киты американской космической отрасли как Alliance Space Systems(2007), Loral Space Systems(2012) и General Dynamics Information Systems(2014). Каждое из таких поглощений стоило компании порядка миллиарда долларов – видимо, бизнес шел очень хорошо, либо находились щедрые жертвователи, пожелавшие оставаться неизвестными. Все это время компания оперировала в удобной канадской юрисдикции с парой подразделений в Швейцарии.
Спутник WorldView-3 компании Maxar
В 2017, с поглощением Digital Globe – именно эта компания снимала Землю для проекта Google Earth, и ее подложку вы видите в Яндекс-картах – компания MDA переименовалась в Maxar и перешла в американскую юрисдикцию. К этому моменту она стала фактическим монополистом на рынке коммерческих услуг дистанционного зондирования Земли, сконцентрировав в своих активах средства самостоятельного производства спутниковых платформ (Loral), телекоммуникаций (General Dynamics Information Systems), огромные массивы уже накопленных снимков и разработчиков программного обеспечения для их автоматизированной скоростной обработки (Digital Globe). В наследство от последней досталась также и спутниковая группировка.
Несмотря на то, что разрешение, которое обеспечивают коммерческие сервисы Maxar хуже, чем у специализированных разведывательных спутников, эти платформы производятся теми же корпорациями, которые работали на ЦРУ, и используют те же решения, разве что малость попроще. Например, серия WorldView построена небезызвестной Lockheed, и выводилась на орбиту носителями Атлас с базы ВВС Вандерберг. Иными словами, Maxar оперирует разведывательной группировкой, соответствующей третьему поколению спутников видовой разведки (примерно середина-конец 1980-х гг.) с мультиспектральными цифровыми матрицами. То есть аналог старого доброго KH-11, (он же Хаббл, если пожелаете) вы можете сегодня арендовать для своих задач. Правда, из-за более высокой орбиты разрешение будет в 2-3 раза хуже, но что вам еще надо, если вы можете уверенно видеть отдельные боевые машины, позиции и места дислокации с задержкой не более суток?
Желающим поддержать автора
Кнопка перевода через Юмани из любого банка
https://yoomoney.ru/bill/pay/gm6SQQBobWc.230302