Норвежские сверхмалые спутники разведки и связи (часть 2)
Продолжение, начало см. здесь.
Первый норвежский военный спутник связи
Современные исследования показывают, что одним из перспективных направлений обеспечения устойчивой связи в районах Крайнего Севера может стать использование наноспутников-ретрансляторов УКВ-связи на круговых полярных НОО. После в целом успешного завершения проверки концепции VDES на КА NorSat-2 в Норвегии намерены продолжить эксперименты в данном направлении. Для этого руководство НИИ FFI в июне 2020 года заключило двухлетнее соглашение с датской компанией GomSpace на разработку и производство первого норвежского военного спутника связи. Стоимость контракта составила 19 млн. почему-то шведских крон (2,2 млн. долл.). Предварительно озвученные планы предполагают запуск КА уже в октябре 2021 года. Но такой срок кажется излишне оптимистичным и нереализуемым (UPD: Так и вышло. Фактически его запустили 1 апреля 2022-го).
Эскизное изображение перспективного норвежского военного спутника связи © GomSpace
Согласно проекту, размеры корпуса нового КА составят 300×200×100 мм, что соответствует габаритам формата 6U CubeSat, где один стандартный "дискрет-юнит" U представляет собой куб 100×100×100 мм массой до 1,33 кг.
В сравнении с испытанной на ИСЗ NorSat-2 аппаратурой связи VDES принципиальным отличием является переход от использования приемо-передающей схемы "Кросс-Яги" к варианту надувной антенны с управляемой диаграммой направленности.
Эту технологию разработала и запатентовала лаборатория высокочастотной радиоастрономии университета Аризоны (США). Ученые начинали НИОКР в поисках перспективных путей повышения эффективности своих исследований. А поскольку в критерии "эффективность-стоимость" оба понятия неразрывно связаны, то фактически они стремились найти варианты более дешевой конструкции радиотелескопов без снижения качества измерений. На этом пути их внимание привлекли уже знакомые постоянным читателям блога надувные спутниковые антенны компании GATR. Но очевидный вариант с механическим наведением отчего-то их не устроил…
4,6-метровые надувные антенны GATR с приводами вращения по углу места и горизонту
…захотелось им странного ©, понимаешь - электронного управления диаграммой направленности. И что самое характерное, всё у них получилось. А потом кто-то подсказал ученым с Аризонщины, что таким хитрым способом можно не только смотреть с Земли в космос, но и строго наоборот. При этом предварительные расчеты показывали, что вполне удовлетворительные результаты получаются даже при совсем небольших размерах антенны, а значит можно ее разместить на модных нынче наноспутниках.
К тому времени воткнуть фазированные антенные решетки в сверхмалые ИСЗ намеревались неоднократно. Но все попытки решить целый ряд сложнейших инженерно-конструкторских задач традиционными способами раз за разом терпели неудачу. Геометрические размеры антенны тесно связаны с рабочим диапазоном, и крохотная ФАР классической конструкции - с множественными приемоизлучающими элементами - будет с требуемым качеством излучать и принимать только субмиллиметровые волны, применение которых имеет массу ограничений. А пропорциональное увеличение этих параметров автоматически убирает у спутника приставку "нано". И в любом случае сборка решетки из кучи крохотных приемопередатчиков стоит сумасшедших денег. Чем миниатюрнее, тем дороже. Последнее, к чему пришли инженеры на этом направлении - попытки печатать твердотельные радиочастотные элементы на подложке. В общем, получается нечто среднее между технологией больших интегральных микросхем и небольшим 3D-принтером. И на этом они пока остановились, а тут подоспело и предложение астрономов из Аризоны.
Для дальнейшего продвижения новой технологии на мировом рынке наноспутников при университете появилась компания FreeFall Aerospace, которая начала принимать контракты у заказчиков, включая таких солидных, как управление научных исследований ВМС США ONR (Office of Naval Researches). По его заказу в 2018 году прототип космической надувной фазированной антенны FreeFall успешно прошел испытания до высоты 50 км на стратостате NASA.
Photo © ONR/NASA
Специалисты FreeFall разработали систему развертывания на орбите надувной сферической антенны диаметром около 1 метра. Все устройство выполнено в едином блоке формата 1,5U с потенциальной возможностью оптимизации конструкции для уменьшения до 1U. И хотя даже это намного больше 300-граммовой раскрывающейся антенны "Кросс-Яги", но и перспективы новой технологии несравнимы.
Для надувания антенны используется встроенный в блок резервуар с жидким газом. Он же автоматически поддерживает в ходе эксплуатации давление внутри оболочки из майлара (лавсана). По расчетам 200-граммового запаса должно хватить, чтобы обеспечить сохранение формы зеркала в течение двух лет на орбите высотой 500 км.
Часть сферы изготовлена из металлизированной пленки, формирующей параболическое радиоотражающее зеркало, в фокусной точке которого размещен миниатюрный приемоизлучатель с фазовращателем. Его использование позволяет в пределах общей диаграммы направленности шириной около 60 градусов формировать узкие лучи и управлять ими, направляя в нужный район земной поверхности.
Антенная система компании FreeFall © Freefall, ONR, NASA NIAC
При этом диаметр общей зоны покрытия на земной поверхности примерно равен высоте орбиты КА. Диаметр пятна, освещаемого управляемым лучом, составляет 36 км для сантиметрового диапазона Х (7,0-10,7 ГГц) и около 18 км для миллиметрового К (18,0-20,0 ГГц).
Надувная орбитальная антенна с фазирующим приемоизлучателем. Ширина нижнего диска 40 мм
Предварительные исследования и эксперименты FreeFall Aerospace показали, что сформированная таким образом трехкоординатная сферическая фазированная антенная решетка имеет высокий коэффициент пассивного усиления и позволяет практически на любой частоте обеспечивать широкополосную связь со скоростью передачи данных в 10-100 раз выше по сравнению с традиционными способами.
Возвращаясь от антенны к самому спутнику, обращает на себя внимание тот факт, что при его разработке норги отказались от услуг проверенного и опытного поставщика в лице канадской лаборатории SFL института UTIAS университета Торонто.
Однако и компания GomSpace тоже имеет опыт удачного сотрудничества в этой области с вооруженными силами скандинавских стран. В частности, с февраля 2018-го на орбите успешно эксплуатируется первый наноспутник МО Дании GomX-4A под названием Ulloriaq (грнл., звезда) с приемниками систем АИС и АЗН-В (ADS-B - Automatic Dependent Surveillance-Broadcast), но об этом КА мы подробнее поговорим в другой раз.
А еще в консорциуме с компанией Rincon Research Corporation дочернее американское предприятие GomSpace в 2019 году получило от университета Аризоны контракт на 4,5 млн. снова почему-то шведских крон (450 тыс. долл.) для разработки и производства малого ИСЗ CatSat размерности 6U, который выбран американским космическим агентством для запуска в 2021 году по программе NASA CSLI (CubeSat Launch Initiative) сверхлегкой РН Alpha компании Firefly Aerospace (UPD: запуск перенесен на июнь 2022-го). Основным предназначением этого КА является проведение углубленных космических испытаний надувной фазированной решетки компании FreeFall Aerospace. Приемопередающую часть для нее разработала компания Rincon. В качестве своего элемента полезной нагрузки они поставят на CatSat компактную и пригодную к космическим полетам усовершенствованную аппаратуру программно-определяемого радио AstroSDR (Astro Software-Defined Radio) для обработки и передачи телекоммуникационных сигналов и изображений в ходе экспериментов по широкополосной связи между КА и Землей. В университете Аризоны считают, что совокупность двух этих систем позволит достичь скорости до 50 Мбит/с. Такой пропускной способности достаточно для потоковой ретрансляции видео высокой четкости в реальном времени или для широкополосного интернета. Во время полета ИСЗ CatSat надувная антенна FreeFall будет передавать изображения Земли высокой четкости на антенну наземной станции длиной 6,1 м, расположенную в Biosphere2 недалеко от г.Тусон (шт.Аризона). Вторая HD-камера будет направлена на антенну для контроля ее состояния. Шестимесячная миссия CatSat завершит испытания и сертификацию годности к космическим полетам надувной антенны FreeFall.
В целом специалисты норвежского НИИ FFI планируют проведение аналогичной программы испытаний и экспериментов со своим спутником. Помимо обеспечения более качественной и безопасной связи в УКВ-диапазоне он сможет принимать, хранить и пересылать конфиденциальную информацию. Принцип работы напоминает голосовую почту. Абонент, который знает, когда и где ИСЗ пролетает над ним, может загрузить сообщение, которое затем передается на наземную приемную станцию. Интервал между проходами составляет около 12 часов. Цифровое сообщение может быть голосовым, текстовым, изображением или файлом любого другого формата.
В случае успеха миссии, можно ожидать запусков новых норвежских КА связи с надувными антеннами. Но это уже только в среднесрочной перспективе, хотя очевидное сокращение продолжительности циклов "разработка-сборка-запуск" для наноспутниковых программ существенно ускоряет динамику их реализации в сравнении с ИСЗ среднего и тем более тяжелого класса.
Норвежско-нидерландская парная спутниковая система BROS
Основываясь на опыте разработки аппаратуры РТР 3-см диапазона для норвежского КА NorSat-3 и запущенного 1 июля 2021-го РН LauncherOne компании Virgin Orbit нидерландского BRIK II (1, 2, 3, 4), научно-исследовательские организации двух стран ведут НИОКР по созданию совместной группировки разведывательных спутников BROS (Binational Radiofrequency Observing Satellites - двунациональная программа спутников радиочастотного наблюдения).
Взаимодействие оборонных ведомств Норвегии и Нидерландов в этой области началось в 2013 году с подписания четырехлетнего договора о совместном финансировании и сотрудничестве в области малых и сверхмалых спутников для связи, навигации, метеорологии, наблюдения за космическим пространством, дистанционного зондирования Земли и морского мониторинга. Соглашение включает участие партнеров в проектировании, производстве, запуске КА для испытаний и оценки перспективных технологий и концепций. Перед окончанием срока действия первого договора 6 июля 2017 г. подписано соглашение о его продлении.
В рамках этого соглашения правительства Норвегии и Нидерландов в 2015 году подписали отдельный меморандум о сотрудничестве в области стратегических военных исследований под названием SMART (Strategic Mutual Assistance in Research and Technology - стратегическая взаимопомощь в исследованиях и технологиях) с образованием консорциума научно-исследовательских организаций двух стран. От Голландии в него входят Королевский нидерландский аэрокосмический центр NLR (Koninklijk Nederlands Lucht- en Ruimtevaartcentrum) и Нидерландская организация прикладных научных исследований TNO (Nederlandse Organisatie voor toegepast-natuurwetenschappelijk onderzoek). С норвежской стороны участвует НИИ FFI, а его деятельность финансируется в рамках инвестиций на программу министерства обороны "Космос". Конкретный срок реализации программы SMART не называют, хотя и сообщают, что он в целом не выходит за рамки текущего долгосрочного плана развития оборонного сектора Langtidsplanen for forsvarssektoren (2021-2024).
В рамках программы SMART консорциум с апреля 2020 года реализует проект MilSpace2 (Military Use of Space) по совместному созданию парной группировки разведывательных КА BROS 1 и BROS 2. Они будут полностью идентичны по конструкции - формат CubeSat 6U, размеры корпуса 300×200×100 мм, масса около 10 кг. Формально каждый КА будет считаться собственностью одной из стран-участниц программы. Чтобы удобнее ориентироваться, где чей, спутникам дали названия "Биркеланд" (Birkeland) в честь норвежского ученого-физика и "Гюйгенс" (Huygens) в честь его голландского коллеги.
Спутники "Биркеланд" и "Гюйгенс" норвежско-голландской системы BROS
Спутниковая группировка будет использоваться для демонстрации возможности приема в любых гидрометеорологических условиях сигналов импульсных РЛС 3-см диапазона, включая судовые навигационные и некоторые наземные станции. Планируется исследовать и выбрать оптимальное взаиморасположение КА на орбите для совместного пеленгования комбинированным методом одновременного измерения угла прихода сигналов и разницы времени их приема. Также консорциум рассчитывает получить ценную информацию о групповых полетах КА на орбите.
Парный запуск ИСЗ запланирован на второй квартал 2022 года. На полярной НОО высотой 535-550 км они будут летать тандемом в одной орбитальной плоскости на удалении 15-25 км друг от друга и смогут одновременно обнаруживать сигналы от одних и тех же РЛС. Как указывалось выше, расстояние между КА и высоту их орбиты будут менять в течение всей миссии, для чего спутники оснащены небольшими маневровыми двигателями.
Финансирование проекта осуществляется обеими странами в равных долях.
Задачи внутри консорциума распределены следующим образом:
Королевский нидерландский аэрокосмический центр NLR отвечает за закупку КА, а также интеграцию на них антенны и приемника РТР. После проведения конкурса с участием представителей из нескольких стран, специалисты NLR выбрали литовскую компанию NanoAvionics в качестве поставщика наноспутниковой платформы/шины M6P с раскрывающимися панелями солнечных батарей, высокоточной системой ориентации, стабилизации и позиционирования на орбите MAI-200 ADACS, а также двигательной установкой.
Нидерландская организация прикладных научных исследований TNO несет ответственность за НИОКР по инновационной разработке и изготовлению основных компонентов станции РТР - антенны и приемника.
Норвежский НИИ министерства обороны FFI берет на себя проектирование станции РТР и интеграцию всех ее компонентов в единую систему. В дальнейшем норвежская сторона отвечает за вывод КА на орбиту, создание и функционирование центра управления полетом, наземных станций приема информации, а также за обработку данных со спутников.
Резюмируя все вышесказанное, нетрудно заметить, что Норвегия с 2010 года последовательно и успешно развивает национальную группировку космических аппаратов двойного и военного назначения. Ее численность в апреле 2021-го доведена до шести ИСЗ, в 2022 г. должна увеличится до 10, а в 2023 г. до 11 спутников, предназначенных для связи, морского наблюдения, радиотехнической и оптико-визуальной разведки. При этом два из пяти новых КА будут военными, но только два "гражданских" (ага, с аппаратурой AEHF МО США ;) будут относиться к классу больших ИСЗ массой около 2 тонн каждый, а все остальные являются малыми и сверхмалыми.
Запуск новых спутников потенциально будет возможен непосредственно с территории Норвегии - в 2023 году планируется ввод в эксплуатацию норвежского космодрома "Аннёйя", но при этом первый запуск с новой площадки РН Vega Европейского космического агентства может состояться уже в конце 2021 года.
Spaceport Andøya © Space Norway
После 2026 года в Норвегии надеются начать самостоятельно выводить на полярные НОО спутники массой до 20 кг с помощью перспективной РН NSLV сверхлегкого класса разработки национальной компании Nammo.
Проект семейства ракет North Star © Nammo
В Норвегии выбрали крайне выгодную орбитальную конфигурацию космической группировки с учетом географического положения страны, у которой за Полярным кругом находится значительная часть ее материковой территории, весь архипелаг Шпицберген, а также прилегающие к их берегам акватории Норвежского, Баренцева морей и Северного Ледовитого океана. В связи с этим все норвежские сверхмалые и малые КА выводятся на полярные круговые НОО с наклонением 79-82 градуса и высотой 450-600 км. При этом период обращения спутника вокруг Земли составляет около 90 минут. Таким образом, ИСЗ совершает около 15 оборотов в сутки, не менее четырех раз охватывая всю земную поверхность. На геосинхронной орбите ИСЗ всегда проходят над Норвегией по одной траектории. На солнечно-синхронной НОО с учетом выбранного для неё наклонения на всех 15 суточных проходах КА проходит в полосе широт Ш=75°N-82°N, то есть, над всем районом архипелага Шпицберген. Над северной оконечностью материковой Норвегии в районе мыса Нордкап это происходит 12 раз за 24 часа, а к югу от него 10-11 раз. Для обоих вариантов орбиты спутникам на каждом витке (то есть 15 раз) предоставляется около 11 минут устойчивой связи с Землей через станцию SvalSat на Шпицбергене, а при проходе над Северной Норвегией дополнительно еще до 11 минут связи с Вáрдё на полуострове Варангер.
Покрытие территории Норвегии с низких полярных орбит
Вся накопленная и текущая информация от системы SatAIS 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 и региональный центр управления движением судов в поселке Вáрдё, откуда все данные передаются в штаб объединенного оперативного командования ВС Норвегии (Рейтан, район Бýдё) и отображаются для постоянного анализа в центре мониторинга обстановки (overvåkningssenteret til FOH - Forsvarets Operative Hovedkvarter).
Центр мониторинга обстановки штаба ООК ВС Норвегии
Сравнивая две официальные схемы мониторинга прилегающих к Норвегии акваторий легко заметить, насколько расширилась эта зона с введением в действие космической системы SatAIS после завершения этапа ее испытаний, оценки возможностей и опытной эксплуатации.
Слева - 2004 год, справа - 2013-й
Ну, а раз уж мы дошли до этих изображений, давайте в заключение все-таки слегка коснемся второго пункта программы "Космос" по развитию партнерских отношений с иностранными государственными и коммерческими субъектами. Вернее, примерно обозначим, на каком уровне они находятся сейчас.
Ранее в этом блоге уже упоминалось, что норвежская компания KSAT (Kongsberg Satellite Services) является ведущим мировым поставщиком услуг приема информации от КА в приполярных районах, предоставляя их всем желающим. Среди желающих оказались владельцы спутников дистанционного зондирования Земли на базе РЛС бокового обзора с синтезированной апертурой антенны SARSAT (Synthetic Aperture Radar Satellite) - Radarsat-1/2 Канады, JERS-1 Японии (до 1998 г.), а также ERS-1,2/Sentinel-1А,1В Европейского космического агентства. В обмен на эти услуги часть ресурса КА предоставляют Норвегии для наблюдения за несколькими морскими районами в её исключительной экономической зоне.
Данные используются для обнаружения кораблей, разливов нефти, мониторинга ледовой обстановки и др. Радиолокационные изображения обеспечивают обзор как в темное время суток, так и сквозь облачный покров.
Прием информации SARSAT осуществляют две станции спутниковой связи - все та же Svalsat и еще одна в Трóмсё TSS (Tromsø Satellite Station), рядом со штаб-квартирой компании KSAT. Обработка полученной информации производится на станции в Трóмсё, для чего информация со Svalsat передается по оптико-волоконному подводному кабелю, связывающему архипелаг Шпицберген с материковой частью страны. Обработка сигналов ИСЗ Radarsat-2 занимает всего 8 минут, а от других спутников 20-25 минут.
Если верить приведенным выше картинкам, всего у Норвегии четыре района наблюдения системой SARSAT, из которых один постоянно накрывает остров Ян-Майен. Остальные мигрируют - два к востоку и западу от Шпицбергена, а последний вообще мечется между Норвежским и Баренцевым морями, колеблясь в строгом соответствии с изменениями напряженности в текущей международной обстановке.
Но есть и другие официальные данные, например от KSAT:
Покрытие ИСЗ Sentinel-1 для определенных ООК ВС Норвегии AOI (Area Of Interest) на 26 марта - 1 апреля 2018 года (13-я неделя)
Слева - транзитные данные через станции SvalSat и TSS (55 записей), справа - с накопительных серверов Sentinel (40 записей). Во втором случае оперативность намного ниже - информация не поспевает к 08:00 для утреннего доклада в ООК
Но уж об этом-то мы совершенно точно поговорим в другой раз…
Рассказывая о космических программах министерства обороны Норвегии нельзя в очередной раз не восхититься эффективностью деятельности НИИ FFI, особенно с учетом относительно небольшого бюджета организации и очень скромного штата сотрудников. При проведении большинства НИОКР они тесно сотрудничают со специалистами национальной компании Kongsberg - одного из признанных лидеров мирового ВПК. Такое взаимодействие позволяет в короткие сроки и при относительно небольших финансовых затратах регулярно реализовывать передовые инновационные проекты.
Что касается нашей сегодняшней темы, то совсем недавно 11 июня в Бардуфоссе открыли центр ICE Worx Artic (ICE - Innovation, Concept development and Experimentation) - первый из четырех новых инновационных центров НИИ FFI в вооруженных силах. На представленной там выставке ВВСТ, предназначенных для использования в Арктике, среди прочего был и прототип системы Nevron, которая на основе машинного обучения нейросетей автоматически выявляет неопознанные корабли или нестандартную активность в норвежских акваториях, объединяя и сравнивая полученные из космоса данные SARSAT и SatAIS. Система находится в разработке с 2017 года, уже введена в опытную эксплуатацию и сейчас дорабатывается специалистами FFI.
Оторвавшись от славословий FFI, можно попытаться оценить основные перспективы дальнейшего развития и военного использования норвежских программ нано- и микроспутников:
1. Запущенный в апреле КА NorSat-3 сможет на орбите одновременно принимать сигналы системы АИС и работающих навигационных РЛС. Сравнение их местоположения позволит обнаруживать те морские цели, которые движутся без передачи сигналов АИС, пытаясь действовать скрытно от служб контроля Норвегии, включая российские военные корабли.
2. На конец 2021 года намечен запуск военного спутника связи с инновационной надувной фазированной антенной решеткой. Успешная реализация проекта позволит в минимальные сроки практически определить наилучшие технологические и организационные решения, включая возможность обеспечения стабильного спутникового УКВ-покрытия в труднодоступных районах, например, в закрытых возвышенностями глубоких узких долинах и заливах-фьордах. Впоследствии возможно развертывание полномасштабной системы на таких принципах, что существенно повысит качество и надежность тактической связи в Заполярье.
3. В 2022 году планируется групповой запуск норвежско-нидерландской парной спутниковой системы BROS. Проект носит инновационный характер. В частности, это первая в мировой космонавтике двухспутниковая система, при этом не требующая значительных затрат на развертывание за счет применения отработанных технологий сверхмалых ИСЗ.
Совместное использование КА системы BROS и ИСЗ NorSat-3 позволит существенно повысить эффективность космической РТР двух стран и снизит их зависимость от желания или нежелания предоставлять такую разведывательную информацию союзниками. При этом Норвегия и Нидерланды впервые совместно разрабатывают КА и выводят их на орбиту. Полученный опыт позволит в дальнейшем активизировать такое сотрудничество в рамках подписанных ранее соглашений.
4. В 2023 году ожидается вывод на орбиту КА NorSat-4 с приемником АИС и оптико-электронной камерой, способной в любое время суток обнаруживать морские цели длиной более 30 метров. В случае успешного запуска, Норвегия сможет не только обнаруживать по излучению навигационных РЛС корабли ВМФ РФ с выключенными приемо-передатчиками системы АИС, но также идентифицировать их класс по изображению из космоса.
В целом, программы применения Норвегией сверхмалых спутников в системах разведки и связи имеют значительный потенциал для дальнейшего развития. В перспективе это позволит существенно укрепить позиции государства в арктическом регионе, а также повысить эффективность использования национальных вооруженных сил на севере страны.
Первый норвежский военный спутник связи
Современные исследования показывают, что одним из перспективных направлений обеспечения устойчивой связи в районах Крайнего Севера может стать использование наноспутников-ретрансляторов УКВ-связи на круговых полярных НОО. После в целом успешного завершения проверки концепции VDES на КА NorSat-2 в Норвегии намерены продолжить эксперименты в данном направлении. Для этого руководство НИИ FFI в июне 2020 года заключило двухлетнее соглашение с датской компанией GomSpace на разработку и производство первого норвежского военного спутника связи. Стоимость контракта составила 19 млн. почему-то шведских крон (2,2 млн. долл.). Предварительно озвученные планы предполагают запуск КА уже в октябре 2021 года. Но такой срок кажется излишне оптимистичным и нереализуемым (UPD: Так и вышло. Фактически его запустили 1 апреля 2022-го).
Эскизное изображение перспективного норвежского военного спутника связи © GomSpace
Согласно проекту, размеры корпуса нового КА составят 300×200×100 мм, что соответствует габаритам формата 6U CubeSat, где один стандартный "дискрет-юнит" U представляет собой куб 100×100×100 мм массой до 1,33 кг.
В сравнении с испытанной на ИСЗ NorSat-2 аппаратурой связи VDES принципиальным отличием является переход от использования приемо-передающей схемы "Кросс-Яги" к варианту надувной антенны с управляемой диаграммой направленности.
Эту технологию разработала и запатентовала лаборатория высокочастотной радиоастрономии университета Аризоны (США). Ученые начинали НИОКР в поисках перспективных путей повышения эффективности своих исследований. А поскольку в критерии "эффективность-стоимость" оба понятия неразрывно связаны, то фактически они стремились найти варианты более дешевой конструкции радиотелескопов без снижения качества измерений. На этом пути их внимание привлекли уже знакомые постоянным читателям блога надувные спутниковые антенны компании GATR. Но очевидный вариант с механическим наведением отчего-то их не устроил…
4,6-метровые надувные антенны GATR с приводами вращения по углу места и горизонту
…захотелось им странного ©, понимаешь - электронного управления диаграммой направленности. И что самое характерное, всё у них получилось. А потом кто-то подсказал ученым с Аризонщины, что таким хитрым способом можно не только смотреть с Земли в космос, но и строго наоборот. При этом предварительные расчеты показывали, что вполне удовлетворительные результаты получаются даже при совсем небольших размерах антенны, а значит можно ее разместить на модных нынче наноспутниках.
К тому времени воткнуть фазированные антенные решетки в сверхмалые ИСЗ намеревались неоднократно. Но все попытки решить целый ряд сложнейших инженерно-конструкторских задач традиционными способами раз за разом терпели неудачу. Геометрические размеры антенны тесно связаны с рабочим диапазоном, и крохотная ФАР классической конструкции - с множественными приемоизлучающими элементами - будет с требуемым качеством излучать и принимать только субмиллиметровые волны, применение которых имеет массу ограничений. А пропорциональное увеличение этих параметров автоматически убирает у спутника приставку "нано". И в любом случае сборка решетки из кучи крохотных приемопередатчиков стоит сумасшедших денег. Чем миниатюрнее, тем дороже. Последнее, к чему пришли инженеры на этом направлении - попытки печатать твердотельные радиочастотные элементы на подложке. В общем, получается нечто среднее между технологией больших интегральных микросхем и небольшим 3D-принтером. И на этом они пока остановились, а тут подоспело и предложение астрономов из Аризоны.
Для дальнейшего продвижения новой технологии на мировом рынке наноспутников при университете появилась компания FreeFall Aerospace, которая начала принимать контракты у заказчиков, включая таких солидных, как управление научных исследований ВМС США ONR (Office of Naval Researches). По его заказу в 2018 году прототип космической надувной фазированной антенны FreeFall успешно прошел испытания до высоты 50 км на стратостате NASA.
Photo © ONR/NASA
Специалисты FreeFall разработали систему развертывания на орбите надувной сферической антенны диаметром около 1 метра. Все устройство выполнено в едином блоке формата 1,5U с потенциальной возможностью оптимизации конструкции для уменьшения до 1U. И хотя даже это намного больше 300-граммовой раскрывающейся антенны "Кросс-Яги", но и перспективы новой технологии несравнимы.
Для надувания антенны используется встроенный в блок резервуар с жидким газом. Он же автоматически поддерживает в ходе эксплуатации давление внутри оболочки из майлара (лавсана). По расчетам 200-граммового запаса должно хватить, чтобы обеспечить сохранение формы зеркала в течение двух лет на орбите высотой 500 км.
Часть сферы изготовлена из металлизированной пленки, формирующей параболическое радиоотражающее зеркало, в фокусной точке которого размещен миниатюрный приемоизлучатель с фазовращателем. Его использование позволяет в пределах общей диаграммы направленности шириной около 60 градусов формировать узкие лучи и управлять ими, направляя в нужный район земной поверхности.
Антенная система компании FreeFall © Freefall, ONR, NASA NIAC
При этом диаметр общей зоны покрытия на земной поверхности примерно равен высоте орбиты КА. Диаметр пятна, освещаемого управляемым лучом, составляет 36 км для сантиметрового диапазона Х (7,0-10,7 ГГц) и около 18 км для миллиметрового К (18,0-20,0 ГГц).
Надувная орбитальная антенна с фазирующим приемоизлучателем. Ширина нижнего диска 40 мм
Предварительные исследования и эксперименты FreeFall Aerospace показали, что сформированная таким образом трехкоординатная сферическая фазированная антенная решетка имеет высокий коэффициент пассивного усиления и позволяет практически на любой частоте обеспечивать широкополосную связь со скоростью передачи данных в 10-100 раз выше по сравнению с традиционными способами.
Возвращаясь от антенны к самому спутнику, обращает на себя внимание тот факт, что при его разработке норги отказались от услуг проверенного и опытного поставщика в лице канадской лаборатории SFL института UTIAS университета Торонто.
Однако и компания GomSpace тоже имеет опыт удачного сотрудничества в этой области с вооруженными силами скандинавских стран. В частности, с февраля 2018-го на орбите успешно эксплуатируется первый наноспутник МО Дании GomX-4A под названием Ulloriaq (грнл., звезда) с приемниками систем АИС и АЗН-В (ADS-B - Automatic Dependent Surveillance-Broadcast), но об этом КА мы подробнее поговорим в другой раз.
А еще в консорциуме с компанией Rincon Research Corporation дочернее американское предприятие GomSpace в 2019 году получило от университета Аризоны контракт на 4,5 млн. снова почему-то шведских крон (450 тыс. долл.) для разработки и производства малого ИСЗ CatSat размерности 6U, который выбран американским космическим агентством для запуска в 2021 году по программе NASA CSLI (CubeSat Launch Initiative) сверхлегкой РН Alpha компании Firefly Aerospace (UPD: запуск перенесен на июнь 2022-го). Основным предназначением этого КА является проведение углубленных космических испытаний надувной фазированной решетки компании FreeFall Aerospace. Приемопередающую часть для нее разработала компания Rincon. В качестве своего элемента полезной нагрузки они поставят на CatSat компактную и пригодную к космическим полетам усовершенствованную аппаратуру программно-определяемого радио AstroSDR (Astro Software-Defined Radio) для обработки и передачи телекоммуникационных сигналов и изображений в ходе экспериментов по широкополосной связи между КА и Землей. В университете Аризоны считают, что совокупность двух этих систем позволит достичь скорости до 50 Мбит/с. Такой пропускной способности достаточно для потоковой ретрансляции видео высокой четкости в реальном времени или для широкополосного интернета. Во время полета ИСЗ CatSat надувная антенна FreeFall будет передавать изображения Земли высокой четкости на антенну наземной станции длиной 6,1 м, расположенную в Biosphere2 недалеко от г.Тусон (шт.Аризона). Вторая HD-камера будет направлена на антенну для контроля ее состояния. Шестимесячная миссия CatSat завершит испытания и сертификацию годности к космическим полетам надувной антенны FreeFall.
В целом специалисты норвежского НИИ FFI планируют проведение аналогичной программы испытаний и экспериментов со своим спутником. Помимо обеспечения более качественной и безопасной связи в УКВ-диапазоне он сможет принимать, хранить и пересылать конфиденциальную информацию. Принцип работы напоминает голосовую почту. Абонент, который знает, когда и где ИСЗ пролетает над ним, может загрузить сообщение, которое затем передается на наземную приемную станцию. Интервал между проходами составляет около 12 часов. Цифровое сообщение может быть голосовым, текстовым, изображением или файлом любого другого формата.
В случае успеха миссии, можно ожидать запусков новых норвежских КА связи с надувными антеннами. Но это уже только в среднесрочной перспективе, хотя очевидное сокращение продолжительности циклов "разработка-сборка-запуск" для наноспутниковых программ существенно ускоряет динамику их реализации в сравнении с ИСЗ среднего и тем более тяжелого класса.
Норвежско-нидерландская парная спутниковая система BROS
Основываясь на опыте разработки аппаратуры РТР 3-см диапазона для норвежского КА NorSat-3 и запущенного 1 июля 2021-го РН LauncherOne компании Virgin Orbit нидерландского BRIK II (1, 2, 3, 4), научно-исследовательские организации двух стран ведут НИОКР по созданию совместной группировки разведывательных спутников BROS (Binational Radiofrequency Observing Satellites - двунациональная программа спутников радиочастотного наблюдения).
Взаимодействие оборонных ведомств Норвегии и Нидерландов в этой области началось в 2013 году с подписания четырехлетнего договора о совместном финансировании и сотрудничестве в области малых и сверхмалых спутников для связи, навигации, метеорологии, наблюдения за космическим пространством, дистанционного зондирования Земли и морского мониторинга. Соглашение включает участие партнеров в проектировании, производстве, запуске КА для испытаний и оценки перспективных технологий и концепций. Перед окончанием срока действия первого договора 6 июля 2017 г. подписано соглашение о его продлении.
В рамках этого соглашения правительства Норвегии и Нидерландов в 2015 году подписали отдельный меморандум о сотрудничестве в области стратегических военных исследований под названием SMART (Strategic Mutual Assistance in Research and Technology - стратегическая взаимопомощь в исследованиях и технологиях) с образованием консорциума научно-исследовательских организаций двух стран. От Голландии в него входят Королевский нидерландский аэрокосмический центр NLR (Koninklijk Nederlands Lucht- en Ruimtevaartcentrum) и Нидерландская организация прикладных научных исследований TNO (Nederlandse Organisatie voor toegepast-natuurwetenschappelijk onderzoek). С норвежской стороны участвует НИИ FFI, а его деятельность финансируется в рамках инвестиций на программу министерства обороны "Космос". Конкретный срок реализации программы SMART не называют, хотя и сообщают, что он в целом не выходит за рамки текущего долгосрочного плана развития оборонного сектора Langtidsplanen for forsvarssektoren (2021-2024).
В рамках программы SMART консорциум с апреля 2020 года реализует проект MilSpace2 (Military Use of Space) по совместному созданию парной группировки разведывательных КА BROS 1 и BROS 2. Они будут полностью идентичны по конструкции - формат CubeSat 6U, размеры корпуса 300×200×100 мм, масса около 10 кг. Формально каждый КА будет считаться собственностью одной из стран-участниц программы. Чтобы удобнее ориентироваться, где чей, спутникам дали названия "Биркеланд" (Birkeland) в честь норвежского ученого-физика и "Гюйгенс" (Huygens) в честь его голландского коллеги.
Спутники "Биркеланд" и "Гюйгенс" норвежско-голландской системы BROS
Спутниковая группировка будет использоваться для демонстрации возможности приема в любых гидрометеорологических условиях сигналов импульсных РЛС 3-см диапазона, включая судовые навигационные и некоторые наземные станции. Планируется исследовать и выбрать оптимальное взаиморасположение КА на орбите для совместного пеленгования комбинированным методом одновременного измерения угла прихода сигналов и разницы времени их приема. Также консорциум рассчитывает получить ценную информацию о групповых полетах КА на орбите.
Парный запуск ИСЗ запланирован на второй квартал 2022 года. На полярной НОО высотой 535-550 км они будут летать тандемом в одной орбитальной плоскости на удалении 15-25 км друг от друга и смогут одновременно обнаруживать сигналы от одних и тех же РЛС. Как указывалось выше, расстояние между КА и высоту их орбиты будут менять в течение всей миссии, для чего спутники оснащены небольшими маневровыми двигателями.
Финансирование проекта осуществляется обеими странами в равных долях.
Задачи внутри консорциума распределены следующим образом:
Королевский нидерландский аэрокосмический центр NLR отвечает за закупку КА, а также интеграцию на них антенны и приемника РТР. После проведения конкурса с участием представителей из нескольких стран, специалисты NLR выбрали литовскую компанию NanoAvionics в качестве поставщика наноспутниковой платформы/шины M6P с раскрывающимися панелями солнечных батарей, высокоточной системой ориентации, стабилизации и позиционирования на орбите MAI-200 ADACS, а также двигательной установкой.
Нидерландская организация прикладных научных исследований TNO несет ответственность за НИОКР по инновационной разработке и изготовлению основных компонентов станции РТР - антенны и приемника.
Норвежский НИИ министерства обороны FFI берет на себя проектирование станции РТР и интеграцию всех ее компонентов в единую систему. В дальнейшем норвежская сторона отвечает за вывод КА на орбиту, создание и функционирование центра управления полетом, наземных станций приема информации, а также за обработку данных со спутников.
Резюмируя все вышесказанное, нетрудно заметить, что Норвегия с 2010 года последовательно и успешно развивает национальную группировку космических аппаратов двойного и военного назначения. Ее численность в апреле 2021-го доведена до шести ИСЗ, в 2022 г. должна увеличится до 10, а в 2023 г. до 11 спутников, предназначенных для связи, морского наблюдения, радиотехнической и оптико-визуальной разведки. При этом два из пяти новых КА будут военными, но только два "гражданских" (ага, с аппаратурой AEHF МО США ;) будут относиться к классу больших ИСЗ массой около 2 тонн каждый, а все остальные являются малыми и сверхмалыми.
Запуск новых спутников потенциально будет возможен непосредственно с территории Норвегии - в 2023 году планируется ввод в эксплуатацию норвежского космодрома "Аннёйя", но при этом первый запуск с новой площадки РН Vega Европейского космического агентства может состояться уже в конце 2021 года.
Spaceport Andøya © Space Norway
После 2026 года в Норвегии надеются начать самостоятельно выводить на полярные НОО спутники массой до 20 кг с помощью перспективной РН NSLV сверхлегкого класса разработки национальной компании Nammo.
Проект семейства ракет North Star © Nammo
В Норвегии выбрали крайне выгодную орбитальную конфигурацию космической группировки с учетом географического положения страны, у которой за Полярным кругом находится значительная часть ее материковой территории, весь архипелаг Шпицберген, а также прилегающие к их берегам акватории Норвежского, Баренцева морей и Северного Ледовитого океана. В связи с этим все норвежские сверхмалые и малые КА выводятся на полярные круговые НОО с наклонением 79-82 градуса и высотой 450-600 км. При этом период обращения спутника вокруг Земли составляет около 90 минут. Таким образом, ИСЗ совершает около 15 оборотов в сутки, не менее четырех раз охватывая всю земную поверхность. На геосинхронной орбите ИСЗ всегда проходят над Норвегией по одной траектории. На солнечно-синхронной НОО с учетом выбранного для неё наклонения на всех 15 суточных проходах КА проходит в полосе широт Ш=75°N-82°N, то есть, над всем районом архипелага Шпицберген. Над северной оконечностью материковой Норвегии в районе мыса Нордкап это происходит 12 раз за 24 часа, а к югу от него 10-11 раз. Для обоих вариантов орбиты спутникам на каждом витке (то есть 15 раз) предоставляется около 11 минут устойчивой связи с Землей через станцию SvalSat на Шпицбергене, а при проходе над Северной Норвегией дополнительно еще до 11 минут связи с Вáрдё на полуострове Варангер.
Покрытие территории Норвегии с низких полярных орбит
Вся накопленная и текущая информация от системы SatAIS 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 и региональный центр управления движением судов в поселке Вáрдё, откуда все данные передаются в штаб объединенного оперативного командования ВС Норвегии (Рейтан, район Бýдё) и отображаются для постоянного анализа в центре мониторинга обстановки (overvåkningssenteret til FOH - Forsvarets Operative Hovedkvarter).
Центр мониторинга обстановки штаба ООК ВС Норвегии
Сравнивая две официальные схемы мониторинга прилегающих к Норвегии акваторий легко заметить, насколько расширилась эта зона с введением в действие космической системы SatAIS после завершения этапа ее испытаний, оценки возможностей и опытной эксплуатации.
Слева - 2004 год, справа - 2013-й
Ну, а раз уж мы дошли до этих изображений, давайте в заключение все-таки слегка коснемся второго пункта программы "Космос" по развитию партнерских отношений с иностранными государственными и коммерческими субъектами. Вернее, примерно обозначим, на каком уровне они находятся сейчас.
Ранее в этом блоге уже упоминалось, что норвежская компания KSAT (Kongsberg Satellite Services) является ведущим мировым поставщиком услуг приема информации от КА в приполярных районах, предоставляя их всем желающим. Среди желающих оказались владельцы спутников дистанционного зондирования Земли на базе РЛС бокового обзора с синтезированной апертурой антенны SARSAT (Synthetic Aperture Radar Satellite) - Radarsat-1/2 Канады, JERS-1 Японии (до 1998 г.), а также ERS-1,2/Sentinel-1А,1В Европейского космического агентства. В обмен на эти услуги часть ресурса КА предоставляют Норвегии для наблюдения за несколькими морскими районами в её исключительной экономической зоне.
Данные используются для обнаружения кораблей, разливов нефти, мониторинга ледовой обстановки и др. Радиолокационные изображения обеспечивают обзор как в темное время суток, так и сквозь облачный покров.
Прием информации SARSAT осуществляют две станции спутниковой связи - все та же Svalsat и еще одна в Трóмсё TSS (Tromsø Satellite Station), рядом со штаб-квартирой компании KSAT. Обработка полученной информации производится на станции в Трóмсё, для чего информация со Svalsat передается по оптико-волоконному подводному кабелю, связывающему архипелаг Шпицберген с материковой частью страны. Обработка сигналов ИСЗ Radarsat-2 занимает всего 8 минут, а от других спутников 20-25 минут.
Если верить приведенным выше картинкам, всего у Норвегии четыре района наблюдения системой SARSAT, из которых один постоянно накрывает остров Ян-Майен. Остальные мигрируют - два к востоку и западу от Шпицбергена, а последний вообще мечется между Норвежским и Баренцевым морями, колеблясь в строгом соответствии с изменениями напряженности в текущей международной обстановке.
Но есть и другие официальные данные, например от KSAT:
Покрытие ИСЗ Sentinel-1 для определенных ООК ВС Норвегии AOI (Area Of Interest) на 26 марта - 1 апреля 2018 года (13-я неделя)
Слева - транзитные данные через станции SvalSat и TSS (55 записей), справа - с накопительных серверов Sentinel (40 записей). Во втором случае оперативность намного ниже - информация не поспевает к 08:00 для утреннего доклада в ООК
Но уж об этом-то мы совершенно точно поговорим в другой раз…
Рассказывая о космических программах министерства обороны Норвегии нельзя в очередной раз не восхититься эффективностью деятельности НИИ FFI, особенно с учетом относительно небольшого бюджета организации и очень скромного штата сотрудников. При проведении большинства НИОКР они тесно сотрудничают со специалистами национальной компании Kongsberg - одного из признанных лидеров мирового ВПК. Такое взаимодействие позволяет в короткие сроки и при относительно небольших финансовых затратах регулярно реализовывать передовые инновационные проекты.
Что касается нашей сегодняшней темы, то совсем недавно 11 июня в Бардуфоссе открыли центр ICE Worx Artic (ICE - Innovation, Concept development and Experimentation) - первый из четырех новых инновационных центров НИИ FFI в вооруженных силах. На представленной там выставке ВВСТ, предназначенных для использования в Арктике, среди прочего был и прототип системы Nevron, которая на основе машинного обучения нейросетей автоматически выявляет неопознанные корабли или нестандартную активность в норвежских акваториях, объединяя и сравнивая полученные из космоса данные SARSAT и SatAIS. Система находится в разработке с 2017 года, уже введена в опытную эксплуатацию и сейчас дорабатывается специалистами FFI.
Оторвавшись от славословий FFI, можно попытаться оценить основные перспективы дальнейшего развития и военного использования норвежских программ нано- и микроспутников:
1. Запущенный в апреле КА NorSat-3 сможет на орбите одновременно принимать сигналы системы АИС и работающих навигационных РЛС. Сравнение их местоположения позволит обнаруживать те морские цели, которые движутся без передачи сигналов АИС, пытаясь действовать скрытно от служб контроля Норвегии, включая российские военные корабли.
2. На конец 2021 года намечен запуск военного спутника связи с инновационной надувной фазированной антенной решеткой. Успешная реализация проекта позволит в минимальные сроки практически определить наилучшие технологические и организационные решения, включая возможность обеспечения стабильного спутникового УКВ-покрытия в труднодоступных районах, например, в закрытых возвышенностями глубоких узких долинах и заливах-фьордах. Впоследствии возможно развертывание полномасштабной системы на таких принципах, что существенно повысит качество и надежность тактической связи в Заполярье.
3. В 2022 году планируется групповой запуск норвежско-нидерландской парной спутниковой системы BROS. Проект носит инновационный характер. В частности, это первая в мировой космонавтике двухспутниковая система, при этом не требующая значительных затрат на развертывание за счет применения отработанных технологий сверхмалых ИСЗ.
Совместное использование КА системы BROS и ИСЗ NorSat-3 позволит существенно повысить эффективность космической РТР двух стран и снизит их зависимость от желания или нежелания предоставлять такую разведывательную информацию союзниками. При этом Норвегия и Нидерланды впервые совместно разрабатывают КА и выводят их на орбиту. Полученный опыт позволит в дальнейшем активизировать такое сотрудничество в рамках подписанных ранее соглашений.
4. В 2023 году ожидается вывод на орбиту КА NorSat-4 с приемником АИС и оптико-электронной камерой, способной в любое время суток обнаруживать морские цели длиной более 30 метров. В случае успешного запуска, Норвегия сможет не только обнаруживать по излучению навигационных РЛС корабли ВМФ РФ с выключенными приемо-передатчиками системы АИС, но также идентифицировать их класс по изображению из космоса.
В целом, программы применения Норвегией сверхмалых спутников в системах разведки и связи имеют значительный потенциал для дальнейшего развития. В перспективе это позволит существенно укрепить позиции государства в арктическом регионе, а также повысить эффективность использования национальных вооруженных сил на севере страны.