Статья

На смену спутникам-гигантам придут микро- и наноаппараты

Геоинформатика
мобильная версия

В ближайшие десятилетия рынок систем космического дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) радикально изменится. По мнению экспертов NASA, к 2020 г. на орбиту будут ежегодно выводиться около 150 небольших космических аппаратов.

За последние 3 года в "космический клуб" вступили государства, которые ранее не интересовались этим сектором, например, Боливия, Венгрия, Беларусь и Литва.

Более того, созданием спутников заинтересовались университеты (польский BRITE массой менее 10 кг) и даже школы (американский TJ3Sat массой менее 1 кг). Как отмечают аналитики компании Futron, если несколько лет назад среди малых спутников большинство имели вес около 100 кг, то сегодня в космос выводится все больше спутников меньшей массы. По мнению экспертов NASA, к 2020 г. на орбиту будут ежегодно выводиться около 150 небольших космических аппаратов.

Новые возможности

Разумеется, по качеству съемки малые спутники не могут состязаться со спутниками-шпионами, которые имеют оптические системы с зеркалами диаметром более 2 м. Однако у них есть другое, гораздо более важное свойство - высокая частота съемки. Например, созвездие из двух десятков микроспутников Skybox сможет снимать один и тот же участок поверхности 5-7 раз за день в период с 9 утра до 16 часов дня, а 100 наноспутников PlanetLabs, теоретически, сможет обеспечить обновление карты мира в режиме времени близком к реальному. Таким образом, сегодня появилась возможность вывести на орбиту созвездие спутников, способных создать актуальную карту планеты, а не "мозаику" композитных снимков с разными датами съемки.

Концепция развития российской космической системы дистанционного зондирования Земли на период до 2025 г., принятая Роскосмосом, четко определяет, какие частота и разрешение съемки необходимы для тех или иных задач. Так, съемка с разрешением от 1 до 10 м и обновлением один раз в период от 1 до 10 часов необходима в большей степени подходит для гидрометеорологии, контроля чрезвычайных ситуаций и в меньшей - для лесного хозяйства и экологического мониторинга. Съемка более высокого разрешения (менее 1 м), но с более редким обновлением (раз в 50 часов и реже) нужна для сельского и водного хозяйства, землеустройства, строительства, картографии и геологии.

Возможности современных небольших спутников можно оценить благодаря серии космических платформ X50 британской компании SSTL. Спутники на платформе SSTL-X50 EarthMapper служат 5-10 лет, созвездие из 5 таких спутников может обновлять карту материков раз в день. В зависимости от полезной нагрузки SSTL-X50 весят от 50 до 200 кг, передают данные вниз со скоростью 800-500 Мб/сек и обеспечивают мультиспектральную съемку с разрешением от 22 до 0,7 м.

Примером спутника на платформе SSTL-X50 является казахстанский KazEOSat-2, запущенный 20 июня 2014 г. с российской пусковой площадки "Ясный". Спутник обеспечивает съемку с разрешением 6,5 м в полосе шириной 77 км.

 Спутник KazEOSat-2 (KazMRES) на платформе SSTL-X50
Спутник KazEOSat-2 (KazMRES) на платформе SSTL-X50

В последние несколько лет в качестве платформы для систем ДЗЗ стали всерьез рассматривать наноспутники, которые ранее использовались только для выполнения специальных военных, научных или учебных задач. Примером является успех американской компании PlanetLabs, которая в феврале с борта МКС запустила два первых наноспутника Dove размером 30х10х10 см. Это лишь часть будущей группировки из более сотни 4,5-кг спутников, способных вести съемку с разрешением 3-5 м.

 Запуск спутников PlanetLabs с борта МКС
Запуск спутников PlanetLabs с борта МКС

По заявлению представителя компании PlanetLabs Аванта Манкара (Avanti Mankar), в 2015 г. на орбите будет находиться группировка из более чем 130 наноспутников, которая сможет обновлять глобальную 10-терапиксельную карту не реже, чем один раз в сутки. Однако учитывая, что каждый наноспутник в сутки совершает 16 оборотов вокруг Земли, существует возможность снимать каждую точку поверхности планеты не реже, чем один раз в 1,5-4 часа, что очень близко к реальному времени.

По мнению генерального директора российского разработчика малых космических аппаратов «Спутникс» Андрея Потапова, основное конкурентное преимущество микроспутников - возможность создания низкобюджетных многофункциональных спутниковых группировок, оснащенных различными полезными нагрузками.

 Наноспутники компании PlanetLabs
Наноспутники компании PlanetLabs

"С помощью небольших спутников можно будет получить комплексную, многоуровневую картину того, что происходит на конкретных территориях, - говорит Андрей Потапов. - Сегодня интересным представляется высокодетальный мониторинг в оптическом диапазоне в режиме близком к реальному времени. Фактически, на рынке появится новая услуга – возможность "заглянуть" в любую точку Земли именно тогда, когда это интересно".

Цена вопроса

Растущая популярность небольших спутников объясняется их доступностью. Сегодня стоимость запуска беспилотной ракеты-носителя составляет около $30 млн для конверсионных ракет и до $90 млн для тяжелых ракет-носителей. Понятно, что оплатить запуск ракеты могут немногие компании или государства. Например, спутники ДЗЗ WorldView 1 (2500 кг, запуск в 2007 г.) и GeoEye (1955 кг, запуск в 2008 г.) стоили около $500 млн каждый, и их постройка и запуск стали возможны лишь благодаря поддержке военного ведомства США.

Современные микроспутники, оснащенные камерами высокого разрешения, стоят намного дешевле. Так, один из самых совершенных на данный момент микроспутников ДЗЗ компании Skybox стоит менее $50 млн, включая стоимость запуска. Он весит менее 120 кг, имеет габариты 60x60x95 см и может вести мультиспектральную и панхроматическую съемку с разрешением выше 1 м.

 Наноспутник Dove 2 компании PlanetLabs
Наноспутник Dove 2 компании PlanetLabs

В то же время, вместо одного микроспутника можно вывести в космос целое созвездие наноспутников массой до 10 кг. Кубсаты (спутники весом менее 1.3 кг, стандартный размер 10 x10x10 см) стоят еще дешевле: менее $50 тыс. за сборку, а Phonesat (спутник, ядром которого является смартфон) обойдется в $3,5 тыc. Наноспутники и кубсаты могут запускаться в качестве попутной или основной нагрузки - сразу кластерами, в том числе и с помощью конверсионных ракет-носителей, созданных на основе боевых ракет, снятых с дежурства. В качестве примера можно привести российско-украинскую ракету "Днепр" или американскую Minotaur I, которые за раз выводят на орбиту по 20-30 небольших космических аппаратов. Таким образом, теоретически, заказчик может за $100-150 тыс. в течение 6-12 месяцев получить собственный спутник, пускай и небольшой.

В настоящее время некоторые компании ведут разработку сверхкомпактных двигательных установок, которые продлят срок службы наноспутников и кубсатов до 5 лет и более, а также позволят им подниматься вплоть до геосинхронной орбиты.

Оператор Spaceflight, который использует российские ракеты "Днепр" "Союз" и "Антарес", предлагает запуск одного кубсата (U1) на низкую околоземную орбиту за $125 тыс., а 50-кг микроспутника – за $1,75 млн. Вывод таких же аппаратов на низкую лунную орбиту обойдется в $490 тыс. и $6,5 млн соответственно.

В будущем стоимость запуска наноспутников снизится еще больше, а оперативность, наоборот, вырастет. Например, компания Generation Orbit Launch Services разрабатывает технологию запуска наноспутников с помощью бизнес-джета и двухступенчатой ракеты. Ракета сбрасывается с самолета на высоте 12 км, включает двигатель, разгоняет полезную нагрузку по суборбитальной траектории или выводит ее на низкую околоземную орбиту высотой до 640 км.

 Схема запуска с помощью системы GOLauncher
Схема запуска с помощью системы GOLauncher

Система, названная GOLauncher, может за раз выводить один микроспутник, наноспутники или кубсаты общей массой до 45 кг. Таким образом отпадает необходимость в использовании самой крупной и дорогой первой ступени ракеты-носителя. В октябре 2013 г. Generation Orbit Launch подписала с NASA контракт на запуск первого спутника в 2016 г.

Главный вопрос – сервисы

Быстрота сборки и небольшая стоимость делают малые космические аппараты доступными для многих компаний и даже краудсорсинговых проектов, которые финансируются частными лицами. Это открывает новый рынок, на котором спрос на ДЗЗ будет формироваться не заказами государств и крупных компаний, а рядовыми пользователями. Проще говоря, с геоинформационными сервисами произойдет то же, что и с GPS: они станут массовыми и будут использоваться повсеместно.

Созвездия небольших спутников способны поставлять огромное количество информации, и пока даже сами разработчики спутниковых технологий затрудняются оценить потенциал их использования. И это не удивительно. Всего 3 года назад Национальное картографическое агентство Великобритании с гордостью заявляло о том, что спутниковая карта страны обновляется не реже одного раза в 18 месяцев. Небольшие спутники смогут обновлять глобальную карту более 5 раз в день, что открывает совершенно новые возможности, например для автономных систем навигации беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) и автомобилей-роботов, анализа эффективности работы торговых центров по количеству машин на парковке и прочих маркетинговых исследований, для средств массовой информации, краудсорсинговых проектов, волонтерских организаций и множества других приложений.

Благодаря малым космическим аппаратам впервые станет возможным оперативный визуальный мониторинг движения воздушных и морских судов. В случае катастрофы можно будет быстро найти место крушения и в считанные часы направить помощь пострадавшим. О многомесячных, масштабных, дорогостоящих и безрезультатных поисках, как в случае с рейсом MH370 Malaysian Airlines, можно будет забыть.

Кроме того, микро- и наноспутники могут снимать HD-видео, которое лучше воспринимается обычными пользователями. Также видео можно использовать для решения специальных задач: определения интенсивности работы электростанций по количеству дыма, расчета дорожного трафика, репортажей и т.д.

Во многом перспективы малых космических аппаратов будут зависеть от активности изобретателей и количества стартапов, предлагающих новые услуги, основанные на регулярно обновляемых дешевых спутниковых картах. Как показывает опыт других инноваций в ИТ-сфере, этот процесс пойдет быстро, особенно с учетом того, что поставщики данных ДЗЗ готовы стимулировать инновации в данной области.

В конце июня 2014 г. компании European Space Imaging и Skybox объявили конкурс на лучшие проекты по использованию спутниковой съемки высокого разрешения с частотой 5-7 раз в день. Также правительства снимают последние барьеры на пути съемки с разрешением выше 50 см: в ЕС обсуждают законы, облегчающие коммерческое распространение таких данных, а в США ограничение на продажу таких снимков уже отменено с начала июня 2014 г.

Российские перспективы

Текущий год стал знаковым и для отечественного рынка малых космических аппаратов. Ночью 19 июня 2014 г. с помощью конверсионной ракеты "Днепр" в космос были запущены первые частные российские спутники: Perseus М1 и М2 компании «Даурия Аэроспейс», а также «ТаблетСат-Аврора» компании «Спутникс». Оба аппарата весят менее 30 кг. Perseus несут на себе блоки системы определения местоположения морских и речных судов, а «ТаблетСат-Аврора» является отечественной экспериментальной платформой, на основе которой специалисты планируют создавать, в том числе, и спутники ДЗЗ.

 Спутник ДЗЗ Perseus-O компании «Даурия Аэроспейс»
Спутник ДЗЗ Perseus-O компании «Даурия Аэроспейс»

В декабре 2012 г. «Даурия Аэроспейс» подписала контракт с Роскосмосом на разработку наноспутников ДЗЗ с разрешением 10-50 м. В рамках контракта будут разработаны 2 спутника и контейнеры для их выведения в качестве попутной нагрузки. В 2015 г. компания планирует вывести в космос первый опытный спутник ДЗЗ Perseus-O. В планах «Даурии» создание группировки из 8 спутников, которые совместно с испанским спутником Deimos 1 смогут ежедневно обновлять карту материков с разрешением 22 м.

«ТаблетСат-Аврора» оснащен панхроматической фотокамерой и может вести съемку поверхности Земли с разрешением 15 м. В 2015 г. «Спутникс» планирует запустить первый опытный спутник среднего разрешения ТаблетСат-2U-EO, который сможет вести мультиспектральную съемку с разрешением 25 м и полосой захвата в 500 км. Помимо этого компания разрабатывает систему из 18 миниспутников массой до 200 кг, которые обеспечат МЧС оповещением о пожарах через 3-5 минут после их возникновения.

По словам Андрея Потапова, сегодня можно создать конкурентоспособный аппарат силами российских разработчиков. "В рамках проекта Таблетсат-Аврора мы использовали несколько зарубежных приборов и услуги голландской фирмы по сборке панелей солнечных батарей, но не из-за того, что в стране нет соответствующих компетенций, а из-за жестких ограничений по срокам изготовления спутника, - сообщил он. - Иностранные компании по срокам оказались более гибкими, чем российские".

В настоящее время при создании спутников используется элементная (контроллеры, интегральные схемы и т.п.) иностранного производства, но благодаря усилиям, которые прикладывают ведущие отечественные производители и государство, в ближайшем времени можно будет говорить о переходе на российскую продукцию.

Таким образом, в вопросах создания небольших космических аппаратов ДЗЗ и вывода их на орбиту Россия может стать полностью самостоятельным игроком и занять значительную часть растущего рынка, который в ближайшие десятилетия составит несколько миллиардов долларов. Для достижения этой цели важен системный подход, в том числе государственная поддержка запусков небольших космических аппаратов, облегчение доступа пользователей к инновационным ресурсам, меры по поддержке "космических" стартапов и т.д.

Михаил Левкевич

Мировая группировка спутников дистанционного зондирования земли (ДЗЗ)

СОБЫТИЯ