Норвежские сверхмалые спутники разведки и связи (часть 1)
В продолжение темы:
29 апреля с космодрома "Куру" во Французской Гвиане легкая ракета-носитель Vega Европейского космического агентства успешно вывела на орбиту французский спутник дистанционного зондирования Земли Pléiades-Neo 3 (VHR-2020 1). Как водится, попутно вместе с ним в космос отправилось целое интернациональное созвездие из 11 малых и сверхмалых ИСЗ. В околоземном пространстве они расползлись по своим орбитам, включая и норвежский NorSat-3. Это интересный аппарат - при массе всего 15 кг в состав его полезной нагрузки кроме приемника АИС входит ещё и станция радиотехнической разведки. Таким образом, у Норвегии появился новый эффективный инструмент контроля обширных морских акваторий, а нам представился удобный повод поговорить сразу о всей спутниковой группировке этого скандинавского королевства, рвущегося к признанию за собой статуса ведущей арктической космической державы.
Министерство обороны Норвегии в октябре 2016 года объявило о подготовке новой программы "Космос" (Program Space), направленной на поэтапное наращивание спутникового потенциала страны для его использования в интересах обороны и безопасности. Спустя полтора года 11 апреля 2018 г. министр обороны Франк Бакке-Йенсен на очередной встрече глав военных ведомств организации NORDEFCO заявил, что его страна планирует занять ведущую позицию по использованию космических систем для обеспечения различных видов человеческой деятельности в Арктике, включая оборону и безопасность. А 23 апреля 2018 г. начальник отдела оборонной политики и долгосрочного планирования МО Норвегии генерал-майор Одд-Харальд Хаген на встрече с высшим военным руководством США, Бразилии, Дании и Японии конкретизировал заявление своего начальника, впервые представив коллегам основные направления развития национальной военной космической программы:
1. Приобретение коммерческих услуг на международном рынке, включая как традиционных поставщиков (компании Inmarsat, Iridium и др.), так и перспективных (OneWeb, Starlink).
2. Развитие партнерских отношений с государственными и коммерческими субъектами.
В частности, Норвегия с июля 2017 года участвует в программе спутниковой связи МО США WGS (Wideband Global SATCOM), наравне с шестью другими странами (Дания, Канада, Люксембург, Нидерланды, Новая Зеландия, Чехия). Также считается возможным сотрудничество с Канадой по их перспективной программе радиолокационного наблюдения в Арктике RCM (Radarsat Constellation Mission). Другие варианты развития данного направления пока не конкретизированы.
3. Наращивание национальной орбитальной группировки.
Первый и второй пункты мы обязательно обсудим более подробно, но как-нибудь в другой раз, потому что сегодня предстоит долгий рассказ исключительно о состоянии и перспективах развития космической группировки.
Прежде всего, речь здесь идет о планируемом в 2022 году выводе на полярную геоэллиптическую орбиту двух ИСЗ ASBM (Arctic Satellite Broadband Mission) массой около 2 тонн каждый для круглосуточного обеспечения связью в Арктике.
Эскизное изображение спутников перспективной норвежской ССС ASBM © Northrop Grumman
Но эти гиганты - прямо-таки классическое исключение. На их фоне остальные норвежские аппараты выглядят лилипутами.
Для малых и средних стран значительные перспективы в приобретении собственного космического потенциала открылись в начале 21-го века, благодаря стремительному развитию технологий нано- и микроспутников массой 1-10 кг и 10-100 кг соответственно. И в Норвегии стараются максимально использовать представившуюся возможность.
Вывод таких спутников на орбиту сейчас производится с иностранных стартовых площадок в качестве попутной полезной нагрузки у более крупных космических аппаратов. В среднесрочной перспективе будет возможен запуск ракетами-носителями легкого и сверхлегкого класса со строящегося в Норвегии космодрома "Аннёйя". Но об этом ниже, а пока о самих спутниках.
Национальная космическая система SatAIS
"Спрятанная" в названии SatAIS (Satellite AIS) аббревиатура AIS (Automatic Identification System) обозначает штатную для судоходства автоматическую идентификационную систему. За счет обмена информацией по УКВ-каналу программно-определяемого радио SDR (Software-Defined Radio) она обеспечивает идентификацию судов в реальном масштабе времени. Интересно, что постепенное эволюционное развитие АИС сделало ее настолько универсальным инструментом, что в последние годы аббревиатуру все чаще расшифровывают как автоматическая информационная система. Это связано со значительным расширением ее функциональности по сравнению с ординарной задачей идентификации судов, включая возможность получения данных о параметрах рейса, состоянии судна, его местоположении, элементах движения и др.
Норвежская система SatAIS разработана по заказу министерства рыболовства и береговой администрации. Работы по ее созданию с 2008 года совместно вели специалисты ведущей норвежской компании Kongsberg и НИИ МО Норвегии FFI (Forsvarets forskningsinstitutt), используя ранние наработки по приему сигналов АИС в космосе от канадских коллег из института аэрокосмических исследований университета Торонто UTIAS (University of Toronto Institute for Aerospace Studies).
С 2010 года один приемник системы SatAIS постоянно работал на орбите в режиме опытной эксплуатации на Международной космической станции в составе норвежского блока полезной нагрузки NorAIS (Norwegian AIS). При этом с 2015 года на "МКС" уже установлена аппаратура второго поколения NorAIS-2, а приемниками SatAIS сейчас оборудованы все пять действующих норвежских ИСЗ, и еще один планируется к запуску.
Антенна NorAIS на наружной обшивке европейского модуля "Коламбус" (Columbus)
До 2013 года система SatAIS находилась на этапе испытаний, оценки возможностей и опытной эксплуатации. Временный центр управления полетом сначала был развернут в НИИ FFI, затем его функции передали Норвежскому космическому центру (Norsk Romsenter).
В современной конфигурации эксплуатацию всей космической группировки обеспечивает новый ЦУП в Шёйéн (Skøyen, Oslo) компании Statsat, специально созданной для этого под эгидой Норвежского космического центра.
Накопленная и текущая информация по движению судов в Северном, Норвежском и Баренцевом морях передается на Землю в близком к реальному масштабу времени (30-60 минут). Эту информацию принимают станция спутниковой связи SvalSat (Svalbard Satellite) на Шпицбергене и региональный центр управления движением судов в поселке Вáрдё на полуострове Варангер, откуда может ретранслироваться другим заинтересованным пользователям, в основном военным.
Спутники AISSat-1 и AISSat-2
AISSat-1 (AISSat - AIS Satellite) выведен на солнечно-синхронную орбиту 12 июля 2010 г. индийской РН PSLV с морского космодрома "Шрихарикота" в Бенгальском заливе. Спустя четыре года за ним последовал AISSat-2 , запущенный 8 июля 2014 г. с космодрома "Байконур" в Казахстане российской РН "Союз-2.1а" с разгонным блоком "Фрегат".
Оба ИСЗ давным-давно выработали расчетный ресурс работы бортовой аппаратуры, один в начале 2014-го, второй в конце 2016-го. Для плановой замены им обоим предназначался КА AISSat-3 стоимостью около 20 млн. долларов, однако его запуск оказался неудачным. В результате нештатной ситуации с разгонным блоком "Фрегат" при старте 28 ноября 2017 г. РН "Союз-2.1б" с российского космодрома "Восточный" не удалось вывести на орбиту 19 ИСЗ, включая и норвежский.
Спутники AISSat-1 и AISSat-2
При этом нужно заметить, что оба спутника AISSat до сих пор сохраняют работоспособность и продолжают использоваться по назначению, хотя характеристики их приемников первого поколения Seatex ASR 300 значительно уступают более современной аппаратуре ASR x50.
Позиции обнаруженных в Северном море судов по данным системы SatAIS за сутки (10 февраля 2018 г.): 1) КА AISSat-1; 2) КА NorSat-1; 3) совместно четырьмя КА AISSat-1, AISSat-2, NorSat-1 и NorSat-2
Программа NorSat
Проект NorSat (Norwegian Satellite) реализуется с 2013 года с целью развертывания на околоземной орбите группировки из четырех малых ИСЗ NorSat в дополнение к запущенным ранее наноспутникам AISSat.
В качестве платформы при разработке всех КА серии NorSat используется наноспутниковая платформа/шина (NanoSatellite Bus), названная NEMO (Next-generation Earth Monitoring and Observation), которая является эволюционным развитием разработанной ранее и ставшей коммерчески успешной шины GNB (Generic Nanos Satellite Bus) лаборатории космических полетов SFL (Space Flight Laboratory) института UTIAS (Торонто, Канада). Обе разработки представляют собой взаимосвязанное семейство экономичных и испытанных на практике в космосе стандартных шинных технологий, обеспечивающих модульность и масштабируемость для достижения максимальной производительности при жестких ограничениях по массе, габаритам и стоимости КА. Платформа обеспечивает одновременную работу всех бортовых систем, включая поддержку общей работоспособности, управление мощностью электропитания и температурным режимом, измерения траектории/местоположения, обработку данных и связь. В отличие от GNB у шины NEMO существенно расширены возможности для интеграции и одновременной работы нескольких полезных нагрузок различного назначения, размера и потребляемой мощности.
При этом основной полезной нагрузкой для всех КА NorSat являются приемники АИС второго поколения Seatex ASR x50.
Слева - передатчик системы VDES, справа - приемник АИС Seatex ASR x50 спутника NorSat-2
Орбитальные системы радиосвязи предъявляют жесткие требования к сохранению пространственного положения антенн. С целью стабилизации большинства современных сверхмалых и малых КА в полете применяется стандартное решение для наноспутников-кубсатов MAI-200 ADACS (Attitude Determination And Control System), при котором точную ориентацию по трем осям обеспечивают три небольших маховика-гиродина, а грубую магнеторкер - магнитный диполь из электрокатушек, взаимодействие которого с магнитным полем Земли создает противодействующие силы, обеспечивающие полезный крутящий момент.
Спутники NorSat-1 и NorSat-2
Оба космических аппарата выведены на солнечно-синхронную НОО 14 июля 2017 года - парный запуск РН "Союз-2.1а" с космодрома "Байконур" (Казахстан) в качестве попутной полезной нагрузки при выводе российского ИСЗ "Канопус-В-ИК".
В развернутом виде корпуса спутников имеют размеры 200×300×440 мм. Кроме двух основных солнечных батарей фотоэлементы дополнительно размещены на верхней панели, обеспечивая максимальную мощность 56 Вт. Для стабильности параметров напряжения и тока на борту КА установлена аккумуляторная батарея и система управления электропитанием.
Из всей снаряженной массы 16,7 кг основная полезная нагрузка занимает всего 1,3 кг - это современные приемники АИС Seatex ASR x50. Ещё 1,8 кг приходится дополнительную полезную нагрузку. В этом качестве на NorSat-1 установлены датчики измерения солнечной радиации CLARA и заряженных частиц Langmuir.
Спутник NorSat-1
Компоновка оборудования КА NorSat-1
На КА NorSat-2 в качестве дополнительной полезной нагрузки установлена экспериментальная аппаратура для испытаний нового международного стандарта двусторонней спутниковой связи на море VDES (VHF Data Exchange System). Первую версию этого стандарта ITU-R M.2092-0 сектор радиосвязи Международного совета по электросвязи ITU-R (International Telecommunication Union - Radiocommunication Sector) выпустил в 2015 году.
За счет его внедрения надеются улучшить обмен данными в процессах электронной навигации, устранив наметившиеся признаки перегрузки стандартного УКВ-канала передачи данных АИС VDL (VHF Data Link). Эксперимент VDES должен подтвердить возможность использования перспективного протокола обмена данными, что позволит получить новый УКВ-канал связи через спутник в направлениях "корабль-берег" и "берег-корабль" с увеличенной пропускной способностью и повышенной надежностью для доставки высокоприоритетной навигационной информации (прогнозы погоды и ледовой обстановки, оповещения мореплавателям, изменение рекомендованных маршрутов плавания и др.).
Тендер Европейского космического агентства на испытания в Арктике прототипа системы VDES выиграл консорциум компаний Space Norway, Kongsberg Seatex и НИИ FFI. Уже на этапе непосредственной подготовки к запуску 6 июля 2017 г. договор о присоединении к программе испытаний подписало правительство Канады, воспользовавшись тем, что в программе NorSat изначально участвовал институт аэрокосмических исследований UTIAS университета Торонто.
Испытательной платформой для исследований является ИСЗ NorSat-2. Его дополнительную полезную нагрузку специально для этого эксперимента разработала Kongsberg Seatex по заказу Space Norway. Она включает 1,5 кг аппаратуры системы VDES и 0,3 кг инновационной раскрывающейся УКВ-антенны, которая в развернутом состоянии на орбите имеет размеры 620×620×730 мм.
Спутник NorSat-2
Направленная антенна типа "Кросс-Яги" (или "Яги-Уда") с тремя перекрещенными дипольными элементами создает высокий для микроспутников коэффициент усиления 8 дБ, а квадратурно-фазовая схема модуляции обеспечивает круговую поляризацию сигнала. В ходе эксперимента аппаратура двусторонней связи больше использовалась для сброса на наземную станцию управления накопленных в полете и хранящихся на борту данных, включая сообщения системы АИС. Система VDES объединяет информацию от АИС через программное приложение ASM (Application Specific Messages).
Теоретически при использовании системы VDES скорость связи КА с наземными абонентами может достигать 1 Мбит/с в полосе частот нисходящей линии 161,7875-161,9375 МГц и восходящей 157,1875-157,3375 МГц. По итогам испытаний прототип системы VDES смог обеспечить скорость передачи данных 2,1-50,4 кбит/с по нисходящей линии и 2,1-140,0 кбит/с по восходящей. До расчетного уровня еще очень далеко, но всё равно это существенно выше, чем у используемой в настоящее время стандартной аппаратуры КА системы SatAIS.
Архитектура спутниковой системы УКВ-связи стандарта VDES через ИСЗ NorSat-2
По соглашению с Европейским космическим агентством основные исследования с использованием системы VDES на КА NorSat-2 были рассчитаны на один год. Однако вся полезная нагрузка спутника сохранила полную работоспособность, поэтому с истечением контрактного срока норвежские и канадские специалисты продолжают эксперименты по собственным планам. Аппаратура связи имеет преимущественно программное управление, что позволяет проводить реконфигурации системы во время полета для оптимизации ее работы.
Спутник NorSat-3
Прежде всего, NorSat-3 должен в полном объеме решать задачи приема сигналов АИС, ранее планировавшиеся для потерянного ИСЗ AISSat-3. Проект ИСЗ разрабатывался с марта 2016-го в канадском институте UTIAS. Его сборку и наземные испытания успешно завершили еще в августе 2018 года, но потом NorSat-3 законсервировали, и с тех пор он находился на хранении, так как оба ИСЗ AISSat упорно сохраняли работоспособность. В ожидании их выхода из строя запуск последовательно переносили на один год, начиная с первого квартала 2019 года. Осознав, что это может тянуться еще долго, очередной срок вывода NorSat-3 назначили на 2021 год, и теперь он наконец-то забрался на солнечно-синхронную полярную НОО высотой 550-650 км.
КА NorSat-3 имеет массу около 15 кг. С учетом использования той же платформы NEMO канадского института UTIAS, по конструкции он в целом сходен с двумя первыми ИСЗ программы. Но при одинаковых размерах корпуса 200×300×400 мм внешние размеры солнечных батарей у него увеличены до 560×620 мм с соответствующим ростом их производительности. Необходимость этого обусловлена значительно возросшим энергопотреблением бортовой аппаратуры, так как кроме основной полезной нагрузки аппаратуры АИС массой 1,3 кг ИСЗ дополнительно несет станцию РТР, четыре модуля приемной антенны которой размещены на обратной стороне панелей фотоэлементов.
Спутник NorSat-3
Станция РТР NRD (Navigation Radar Detector) разработана и собрана компанией Kongsberg Seatex на основе прототипов LINE 1, 2, 3 (Liten navigasjonsradar ESM/Electronic Support Measures - легкое средство РТР навигационных РЛС), ранее созданных и испытанных в НИИ FFI, включая авиационные пилотируемые и беспилотные носители. Но подробнее об этом в другой раз.
Слева - прототип LINE 3; справа - эксперимент по пеленгованию парой БЛА судовых РЛС на паромной линии Брёкстад-Анденес (ноябрь 2015 г.)
Станция NRD предназначена для обнаружения импульсных сигналов 3-см диапазона волн, но только на фиксированных частотах, выделенных и закрепленных Международной морской организацией для навигационных РЛС, которыми по действующим стандартам должны быть оборудованы все суда водоизмещением более 300 тонн. Таким образом, станция NRD является одной из первых гражданских систем, оптимизированных для определения из космоса местоположения носителей навигационных РЛС. Принимая на орбите одновременно сигналы АИС и РЛС, а затем, сравнивая их местоположение, можно обнаруживать те корабли и суда, которые пытаются двигаться скрытно от служб контроля с выключенными транспондерами АИС.
Использованием такого незамысловатого приема часто грешат контрабандисты и пираты, но их вблизи Норвегии немного, зато полно браконьеров - промысловых судов, нарушающих правила лова и перегрузки морепродуктов. Ну, а российские военные корабли не включают передатчики АИС принципиально, тем самым предоставляя всем интересующимся железный разведпризнак для своего опознавания. Дескать, думали, что он браконьер, а оказался БПК "Левченко", например. Еще можно в сети АИС передавать ложные координаты и/или чужие идентификационные данные. Но в любом из этих случаев капитан/командир вряд ли рискнет выключить навигационную РЛС, а значит ее излучение позволит обнаруживать таких хитрецов.
Четыре приемных элемента антенны станции РТР NRD формируют почти круглое сечение основного лепестка общей диаграммы направленности шириной около 10 градусов. Благодаря цифровой обработке и фазовому разделению сигналов, принимаемых одновременно четырьмя модулями антенны, круговое вероятное отклонение при определении места излучающего объекта составляет около 10 км.
Позицией носителя навигационной РЛС считается вычисленная точка пересечения земной поверхности и пеленга на обнаруженный источник излучения из известной точки орбиты. Точность местоопределения может быть повышена методом триангуляции нескольких наблюдений за навигационной РЛС одного и того же судна во время одного пролета спутника (метод обратного крюйс-пеленга - для тех, кому ближе судовая навигация).
При высоте орбиты 550-650 км направленная на горизонт антенна образует на земной поверхности зону обнаружения, представляющую собой эллипс длиной около 1400 км, шириной 450 км, с максимальным удалением дальней границы 2800 км от ИСЗ. Таким образом, траектория полосы обзора КА на поверхности Земли будет иметь ширину 450-1400 км в зависимости от того, направлена антенна прямо вперед или в сторону. Первый вариант используется в случае, если зона разведки расположена непосредственно под орбитой спутника. Второй способ применятся, когда интересующая область находится справа или слева на уровне горизонта.
You can watch this video on www.livejournal.com
Зона покрытия станции РТР в Норвежском море при пролете КА над Гренландией (красный эллипс - уменьшение зоны при нарушении ориентации КА)
При такой конфигурации повышенные требования предъявляются к направлению антенны на земную поверхность. Поэтому кроме стандартного комплекта аппаратуры ориентации и стабилизации платформы NEMO в составе магнеторкера и трех гироскопов, КА NorSat-3 дополнительно оснащен звездным датчиком. Автоматическое сопровождение видимых небесных светил существенно повышает точность траекторных измерений и контроль положения ИСЗ на орбите.
Как и у других КА системы SatAIS, сигналы АИС и данные станции РТР NRD от ИСЗ NorSat-3 будут передаваться на станцию спутниковой связи SvalSat на Шпицбергене и в региональный центр управления движением судов в поселке Вáрдё. Эксплуатацию тоже обеспечивает ЦУП компании Statsat в Шёйéн (Осло).
Для проведения экспериментов со станцией РТР NRD соглашением министерства рыболовства и береговой администрации Норвегии с НИИ министерства обороны FFI предусмотрена опытная эксплуатация NorSat-3 в течение номинального периода в один год после ввода спутника в эксплуатацию.
Спутник NorSat-4
Четвертый и последний КА программы NorSat разрабатывается с конца 2018-го и в настоящее время планируется к выводу на орбиту в 2023 году. Его масса составит около 20 кг.
Помимо приемника АИС, специалисты НИИ FFI и Норвежского космического центра по поручению МО Норвегии изучают различные варианты размещения дополнительной полезной нагрузки. Основным ее вариантом с 2017 года считается оптико-электронная камера, которая должна быть способна эффективно работать как при низком уровне освещения, так и в тёмное время суток. Каждый кадр изображения будет охватывать район земной поверхности площадью примерно 100×100 км (10 тыс. кв. км). При оптическом разрешении 10 м на 1 пиксель это позволит в режиме реального времени обнаруживать суда длиной более 30 метров (не менее 3 пикселей).
Таможенная служба Норвегии выразила заинтересованность в обнаружении плавсредств длиной от 10 метров. Но это повлечет за собой более высокие требования к оптике (разрешение 3,3 м на 1 пиксель), и соответственно приведет к существенному увеличению затрат. Зато появится возможность четко идентифицировать морские цели (по опубликованным ВВС США в 1980-х годах данным, необходимое разрешение аэрофотоснимков для распознавания класса/типа/вооружения надводного корабля составляет 7,6/4,6/0,6 м).
Разрешение спутниковых снимков коммерческих КА дистанционного зондирования Земли. На всех фотографиях изображена российская военно-морская база Североморск. Количество пикселей в каждом фото одинаково: 1) ИСЗ Landsat разрешение 32 м; 2) SPOT 10 м; 3) IKONOS 1 м; 4) Quickbird 0,6 м
Пока не объявлено, какое окончательное решение принято по этому вопросу, но реализация хотелок таможенников маловероятна.
И на этом придется прерваться, потому что превышено допустимое количество знаков для псто в ЖЖ.
(продолжение следует)