WorldView Legion
Лев Николаевич Толстой как-то записал в дневнике, что «писать нужно только тогда, когда не можешь не писать»… В конце июля, после публикации Maxar Technologies снимков с космических аппаратов высокодетального наблюдения WorldView Legion № 1 и № 2, на которых были видны тени людей на площади города Мадрид, стало понятно, что дальше откладывать некуда. Тем более, что запуск этот был одним из самых ожидаемых: помню, как в командировке на юге два года назад в свободное время смотрел ролики с Вальтером Скоттом (Walter Scott), генеральным конструктором Maxar, и перечитывал его программную статью [1]. В начале августа стало известно, что на космодром запуска прибыли космические аппараты № 3 и № 4, а 15.08.2024 у Maxar стало вдвое больше спутников Legion в космосе, причем появились аппараты и на наклонной орбите.
И еще один момент: в российской прессе часто встречается информация, что западные страны делятся с нашим противником данными космической разведки. В 2022 году компания Maxar удостоилась награды издания Aviation Week c формулировкой Russia-Ukraine War Imagery. В общем, изучая материалы про эти спутники, я иногда представляю себе молодого Михаила Калашникова, разбирающего в музее Щуровского полигона немецкий MG 42. И завидую, конечно - о космической технике сведений удается найти куда меньше.
Космичеcкая система
К истории компании Maxar Technologies я обращался шесть лет назад, в посте о WorldView-4, на тот момент самом совершенном коммерческом спутнике наблюдения, отказавшем в январе 2019 года (через два с небольшим года после запуска - это скорее исключение для иностранных космических аппаратов).
В 2017 году флот компании состоял из космических аппаратов WorldView-1 (запущен 18.09.2007), GeoEye-1 (06.09.2008), WorldView-2 (08.10.2009) и WorldView-3 (13.08.2014). Готовился к запуску WorldView-4. Вместе с тем пора было начинать проект по созданию новых спутников для замены аппаратов, запущенных в 2007-2009 годах. Тогда было принято решение о создании космической системы из шести спутников WorldView Legion, контракт на создание которых был подписан между Maxar и дочерней Space Systems Loral (SS/L) в июле 2017 года (отметим, что тогда запуск планировался на первый квартал 2021 года, но это было до потери WV-4 с обвалом стоимости акций на порядок и до пандемии COVID-19). Через полгода SS/L подписала с Raytheon договор на создание целевой аппаратуры для космических аппаратов.
Выбору ключевых проектных параметров космической системы посвящена статья [1]. Самым главным параметром является, безусловно, пространственное разрешение - оно характеризует возможность распознать на снимке детали местности. Вот эти снимки очень хорошо иллюстрируют, почему для решения задач силовых ведомств необходимо обеспечивать разрешение в 0,5 м на пиксель, а лучше - 0,3 метра:
Снимки позиции двух самоходных 122-мм артиллерийских установок 2С1 «Гвоздика» с различным геометрическим разрешением
И аналогичные снимки военных самолетов на аэродроме
У космических аппаратов WorldView Legion геометрическое разрешение составляет 0,29 м. В совокупности с функцией передачи модуляции системы на частоте Найквиста, равной 9-10 % и отношением сигнала к шуму не менее 120 это обеспечивает уровень NIIRS равный 5,9 в зачетных условиях.
Второй важный параметр данных дистанционного зондирования Земли - точность геометрической привязки выходных снимков. Спутники Maxar обеспечивают точность 5 м (СЕ90) в режиме реального времени с возможностью повышения до 1 м после применения цифровой модели рельефа (данных о высоте). СЕ90 означает, что 90% измерений попадут в круг заданного радиуса (в нашем случае это 5 метров). В статье приведен такой рисунок:
Точность геопривязки в 1 и 10 м
Понятно, что для автономных транспортных средств нужны качественно привязанные данные. Думаю, что высокоточные системы тоже можно отнести к таким автономным средствам.
Спутники Maxar умеют работать в режиме непосредственной передачи, когда съемка и сброс данных дистанционного зондирования Земли выполняются одновременно. Это позволяет за время сеанса связи заложить на борт спутника полетное задание - и тут же его выполнить, сбросив данные на земную станцию. Таким образом, оперативность получения информации стремится к реальному времени:
Работа в режиме непосредственной передачи
Одно из принципиальных принятых технических решений связано с выбором рабочих орбит космических аппаратов. Первая пара работает на традиционной солнечно-синхронной орбите с наклонением около 97,5°. Угол между плоскостью такой орбиты и направлением на Солнце слабо меняется в течение года, т.к. скорость прецессии плоскости орбиты близка к угловой скорости движения Земли вокруг Солнца. При этом космический аппарат пролетает над районами съемки в одно и то же местное солнечное время, каноническим является значение 10-30, когда объекты интереса даже зимой неплохо освещены Солнцем, но ещё не успела подняться кучевая облачность. Спутник на солнечно-синхронной орбите может снимать объекты на всей поверхности Земного шара (кроме разве что полюсов). Недостаток - большую часть времени спутник проводит вне диапазона широт от минус 50° до плюс50°, где живет большая часть населения Земли и сосредоточена большая часть районов интереса.
Поэтому четыре спутника орбитальной группировки расположены на орбитах с наклонением примерно 45°, в каждой из двух плоскостей находится по два космических аппарата, разнесенных по фазе на 180°. С таких орбит невозможно наблюдать полярные регионы (со сходной орбиты Международной космической станции при удаче можно сделать снимок Санкт-Петербурга, а более северные регионы - уже не получится), но можно наблюдать регионы с наибольшей плотностью населения:
Зона наблюдения с наклонных орбит
Конечно, такие орбиты не синхронизированы с Солнцем, и периодически районы интереса будут находиться в тени - но наличие двух космических аппаратов в каждой плоскости практически полностью нивелирует это явление:
Среднее и максимальное время до пролета произвольного района интереса с углом места Солнца лучше зачетного (15°)
Кроме того, Maxar провели эксперимент по съемке объектов с малым углом места Солнца (помните, как Pleiades снимали ТАКР «Адмирал Кузнецов» в месте базирования при низкой освещенности), и убедились, что даже такие снимки по шкале NIIRS превосходят уровень 5:
Результат эксперимента по съёмке с углом места Солнца в 2°
После развертывания всей орбитальной группировки Maxar сможет выполнить съемку произвольной точки на широте 36° (это Средиземное море) при угле места Солнца более 15°:
- не менее 6 раз в день с разрешением лучше 0,5 м;
- не менее 10 раз в день с разрешением лучше 1,0 м;
- не менее 14 раз в день с разрешением лучше 1,3 м.
Если выполнять съемку с углом места Солнце больше нуля, то количество снимков за день возрастает до 16.
И последний из описанных в [1] критериев - необходимая обзорность снимков, возможность наблюдать за изменениями во всей заданной области, как например на этом снимке северной Сирии:
Снимок, полученный за один пролет спутника (ещё WorldView-3)
Для спутников WorldView Ligion задано следующее требование - за один пролет космический аппарат должен снимать до 6 тыс. км. кв., что при ширине полосы захвата 9 км дает длину возможного маршрута съемки до 667 километров.
Итак, создание космических аппаратов началось в 2017 году. Через год, в декабре 2018 года был пройден этап CDR (Critical Design Review) на целевую аппаратуру, а в июне 2019 года - CDR на космический аппарат в целом. В конце 2019 года, согласно [1] была начата сборка первых космических аппаратов, запуск которых планировался на 2021 год.
А дальше произошла пандемия, и начались задержки, в первую очередь с поставками наиболее сложной составной части спутника - целевой аппаратуры, первый летный комплект которой прибыл в SSL только 4 августа 2021 года.
25 мая 2022 года NRO (National Reconnaissance Office, Национальное управление аэрокосмической разведки) США сообщило о планах о закупке спутниковых данных дистанционного зондирования Земли в течение 10 лет в рамках проекта Electro-Optical Commercial Layer (EOCL). В рамках данного проекта Maxar в период до 2032 года получает 3,24 млрд. долл. Также NRO закупает данные у Planet (снимки с космических аппаратов SkySat) и у BlackSky (снимки с одноименных спутников).
К слову, в 2022 году фирма Maxar перестала быть публичной компанией, её приобрел за 6,4 млрд. долл. фонд Advent International. Сделка завершилась в 2023 году, с тех пор компания не публикует никаких отчетов.
К середине 2022 года первые два космических аппарата были собраны и прошли термовакуумные испытания, шла отладка бортового программного обеспечения, запуск планировалось выполнить в конце года. В реальности спутники прибыли на космодром запуска только 18.03.2024. Как показывает практика (что мой опыт, что данные в публикациях) этап отладки кода, исполняемого в бортовых вычислителях, занимает порядка одного года, и этот год важно не забыть заложить при планировании работы.
Запуск первых двух космических аппаратов на солнечно-синхронную орбиту состоялся 2 мая 2024 года. В отличие от большинства современных спутников дистанционного зондирования первые снимки были опубликованы только 19 июля, но ожидание того стоило.
Запуски космических аппаратов
WorldView Legion 1 (59625, 2024-081A), WorldView Legion 2 (59626, 2024-081B) - РН Falcon 9 Block 5, Ванденберг, США - SLC-4E - 02.05.2024 18:36 UTC - солнечно-синхронная орбита высотой 514-521 км, наклонением 97,58° и местным средним солнечным временем нисходящего узла 10-30;
WorldView Legion 3 (60452, 2024-146A), WorldView Legion 4 (60453, 2024-146B) - РН Falcon 9 Block 5, мыс Канаверал, США - SLC-40 - 15.08.2024 13:00 UTC - наклонная орбита высотой 450 км (Legion 3) и 700 км (Legion 4), наклонением 45°.
Космический аппарат
Тактико-технические характеристики
Разрешение при съемке в надир: 0,29 м в панхроматическом диапазоне c орбиты высотой 515 км.
Заказчик: Maxar Technologies Inc., Вестминстер, Колорадо, США.
Исполнитель: Space Systems / Loral, Пало Альто и Сан Хосе, Калифорния, США.
Платформа: MAXAR 500 TM.
Масса: 750 кг (сухая).
Габариты (без солнечной батареи): 3 х 2 х 2 м.
Стоимость проекта: 600 млн. долл. (создание шести спутников).
Срок активного существования КА: 10 лет.
Производительность одного КА: 1 млн. кв. км. / сутки.
Страница проекта на сайте eoportal (под VPN).
Страница проекта на сайте Гюнтера.
Полезная нагрузка
Целевая аппаратура
Полезная нагрузка создана фирмой Raytheon, расположенной в Эль Сегундо (El Segundo), Калифорния, США. Прибор обеспечивает геометрическое разрешение (проекция пикселя при съёмке в надир) - 0,29 м в панхроматическом и 1,16 м в мультиспектральном каналах.
Полоса захвата камеры составляет 9 км.
Съемка может выполняться панхроматическом (450-800 нм) и в восьми узких спектральных диапазонах: 400-450 нм (фиолетовый, Coastal), 400-510 нм (синий), 510-580 нм (зелёный), 585-612 нм (жёлтый), 630-690 нм (красный), 695-715 нм (крайний красный, Red Edge 1), 730-750 нм (крайний красный, Red Edge 2), 770-895 нм (ближний инфракрасный). Такое разнообразие каналов улучшает дешифровочные характеристики снимков.
Изготовление главного зеркала
Телескоп прибора имеет диаметр апертуры «чуть меньше 1 м» (на WorldView-4 был 1,1 м). На фотографиях полезной нагрузки хорошо видны первичное и вторичное зеркала, все последующие элементы оптической схемы неизвестны. Зато видно, что вторичное зеркало закреплено на шести штангах, крепящихся к оправе первичного зеркала. Это решение отличается от традиционного с несущей цилиндрической конструкцией и креплением вторичного зеркала на трех растяжках. Легкая цилиндрическая бленда с кольцевыми диафрагмами, хорошо видимая на следующем снимке, предназначена для защиты от паразитной засветки и обеспечения теплового режима.
Термовакуумные испытания полезной нагрузки
Вид на входную апертуру полезной нагрузки. В правой части виден привод защитной крышки
Как и у спутника WorldView-4 телескоп полезной нагрузки на этапе выведения закрыт защитной крышкой, которая в рабочем положении поворачивается на 270° и прижимается к боковой стенке корпуса космического аппарата, снижая моменты инерции спутника и повышая его жесткость. Это обеспечивает высокую скорость перенацеливания и малую продолжительность успокоения после наведения камеры.
Оптико-электронное преобразование осуществляется при помощи фотоприемных устройств с зарядовой связью, работающих в режиме временной задержки и накопления заряда ( ФПЗС ВЗН). Именно данный тип устройств обеспечивает необходимую производительность космического аппарата:
Сравнение производительности различных способов сканирования земной поверхности [1]
Для обеспечения высокого качества снимков мало обеспечить заданное значение проекции пикселя. Показателями качества полезной нагрузки являются функция передачи модуляции на частоте Найквиста, равная 9...10 % и отношение сигнала к шуму, которое у спутников WV Legion составляет не менее 120 при угле места Солнца 15° и альбедо подстилающей поверхности 15 %. При съемке в надир это обеспечивает уровень качества NIIRS, равный 5,9.
На производстве Raytheon. Различия в толщине главного зеркала у разных образцов я объяснить не могу
Точность геопривязки (СЕ90) - 5 м в режиме реального времени и 1 м при постобработке (при наличии цифровой модели рельефа).
Запоминающее устройство имеет объем 16 Тбит.
Помимо маршрутной съемки спутник способен выполнять широкозахватную съемку (три смежных полосы) и съемку стереопар длиной до 112 км с углом отклонения от надира до 30°.
Высокоскоростная радиолиния
АФАР на двухосевом приводе
Высокоскоростная радиолиния, по которой передается целевая информация на земные станции, работает в традиционном Х-диапазоне спектра (8025-8400 МГц) и обеспечивает скорость до 600 Мбит/с.
Для излучения радиосигнала используется активная фазированная антенная решетка (АФАР) оборудованная механическими приводами по двум осям. Точность наведения АФАР оставляет 0,25°.
Поляризация излучаемого сигнала - правая круговая, эквивалентная изотропно-излучаемая мощность (ЭИИМ) - 30,5 дБВт.
Для защиты от несанкционированного доступа вся целевая информация подвергается шифрованию по стандарту NSA Type-1/2.
Космическая платформа
Командная и телеметрическая радиолинии
Антенны командной и телеметрической радиолиний, установленные на надирной панели спутника
Командная радиолиния (в направлении Земля-борт) работает в S-диапазоне спектра (2085,02 - 2086,35 МГц), в полосе 1,32 МГц. Поляризация сигнала - правая круговая. Добротность приёмника составляет минус 28,1 дБ/К, чувствительность - от минус 104,3 до минус 87,3 дБВт/м2.
Телеметрическая радиолиния (в направлении борт-Земля) работает Х-диапазоне (8379,68 - 8380,32 МГц), полоса 0,625 МГц. Поляризация - правая круговая, ЭИИМ - 0 дБВт.
Система электропитания
Панель солнечной батареи
В отличие от космических аппаратов WorldViev-1…WorldViev-4 в состав космического аппарата входит всего одна неориентируемая панель солнечной батареи. В транспортном положении она зафиксирована на корпусе спутника, при раскрытии она поворачивается на острый угол и фиксируется в таком положении двумя параллельными штангами. Думаю, именно такое расположение штанг близко к оптимальному, при котором обеспечивается максимальная жесткость получившейся конструкции. И одинарная штанга WorldViev-4, и Y-образная штанга CSO явно проигрывают такому решению. В качестве каркаса солнечной батареи используется сотопанель, на которой размещены арсенид-галлиевые фотоэлектрические преобразователи.
Можно уверенно предположить, что для накопления электрической энергии и питания бортовой аппаратуры на теневом участке витка орбиты используется литий-ионная аккумуляторная батарея.
Проверка солнечной батареи
Система ориентации
Разрез двигателя-маховика Honeywell
В качестве исполнительных органов системы ориентации космического аппарата применяются четыре двигателя-маховика, созданные корпорацией Honeywell (США), предположительно HR16-150.
Кинетический момент такого двигателя маховика равен 150 Н·м·с, управляющий - до 0,4 Н·м. Статический небаланс ротора - 0,48 г·см, динамический небаланс - 15,4 г·см. Напряжение питания находится в диапазоне от 14 до 80 В. Пиковое потребление электроэнергии составляет 195 Вт при моменте 0,2 Н·м, а среднее равно 22 Вт (при скорости 6000 об/мин). Масса маховика - 12 кг, диаметр - 418 мм, высота - 178 мм. Рабочий диапазон температур - от минус 30 до плюс 70°. Радиационная стойкость - не менее 300 крад, для низкой околоземной орбиты это с большим запасом. Интерфейс управления - RS-422. Срок эксплуатации двигателя-маховика на орбите - до 15 лет, изделие явно подходит для геостационарных спутников, именно они имеют такой срок активного существования.
Кроме двигателей-маховиков в состав системы ориентации входят звездные датчики (пара приборов хорошо видна на изображениях космических аппаратов), датчики угловой скорости, возможно - датчики Солнца, а также система разгрузки (сброса накопленного кинетического момента) двигателей-маховиков на базе электромагнитов, для управления которыми зачастую используются магнитометры.
Время перенацеливания спутника на 200 км (по поверхности Земли) составляет 10 с.
Двигательная установка
Установка бака для рабочего тела
Информацию о двигательной установке удалось найти только в виде картинок, одна из них приведена выше: работники Space Systems Loral устанавливают бак в центральный силовой элемент (цилиндр) конструкции корпуса космического аппарата. С большой долей вероятности можно сказать, что в качестве рабочего тела для двигательной установки применяется гидразин - традиционное топливо для однокомпонентных двигателей.
Помимо бака в состав двигательной установки входят четыре двигателя, расположенные на зенитной (верхней в полете) панели космического аппарата - не менее традиционное решение. Рискну предположить, что используются двигатели с номинальной тягой в 1 Ньютон, это может быть MONARC-1 фирмы MOOG или MR-103D компании Aerojet Rocketdyne.
Запас рабочего тела двигательной установки рассчитан на поддержание параметров рабочей орбиты в течение 10 лет полета с точностью ±0,2° по наклонению и ±2 км по высоте, а также на сведение космического аппарата с орбиты после завершения его эксплуатации [3].
Модуль двигательной установки
Что интересно, в конструкции корпуса космического аппарата двигательная установка образует отдельный модуль, построенный вокруг силового углепластикового цилиндра. Внутри цилиндра размещается бак, на нижнем торце установлена система отделения от ракеты-носителя, верхний служит опорой для целевой аппаратуры. К цилиндру крепятся верхняя и нижняя сотовые панели (ввиду их темного цвета вероятнее всего они сделаны из углепластика), а также кронштейны двигателей-маховиков. На нижней панели устанавливаются реактивные двигатели. По углам и в середине боковых граней получившегося параллелепипеда размещаются металлические кронштейны, замыкающие конструкцию в единый модуль. Затем на кронштейны устанавливаются радиаторы с нанесенным теплорегулирующим покрытием, имеющие зеркальные на вид поверхности.
Элементы конструкции. Хорошо видны четыре кронштейна двигателей-маховиков, выступающих из верхней панели левого модуля
Конструкция
Спутник в цеху SS/L
Космический аппарат состоит из модуля двигательной установки, модуля целевой аппаратуры и солнечной батареи (названия условные). Модуль двигательной установки описаны выше. На его верхнюю часть устанавливается целевая аппаратура с блендой и пять панелей корпуса спутника. Судя по цвету, они выполнены из углепластика. Снаружи корпуса расположены четыре двигателя-маховика, установленные по схеме «пирамида», звездные датчики, и, конечно, все антенны,
По сравнению с аппаратами WorldView предыдущих серий налицо существенное упрощение конструкции и снижение массы аппарата. В результате удалось обеспечить групповые запуски аппаратов (по два на РН Falcon 9) и вписаться в ограниченный бюджет (100 млн. долл. на один спутник).
Наземные комплексы
Карта расположения земных станций Maxar, предназначенных для приема данных дистанционного зондирования Земли (на конец 2020 года)
Для управления космическими аппаратами используются четыре земные станции Maxar, расположенные в населенных пунктах Fairbanks и Prudhoe Bay (Аляска), Green River (Вайоминг) и Clewiston (Флорида) [3]. Все они приведены на карте выше, расположены на территории США.
Для приема космических снимков применяются как станции Maxar,расположенные по всему миру, так и станции партнеров, крупнейшим из которых является Amazon Web Services (AWS). Еще в 2018 году с AWS был проведен интересный эксперимент, когда в ходе пролёта WorldView-4 над земной станцией AWS, на спутник было отправлено полетное задание, и в режиме непосредственной передачи был сделан снимок людей, изобразивших «улыбку логотипа Амазон» рядом с антенной станции, и всё это за 55 секунд. Красивый результат в плане оперативности, к нему стоит стремиться. Да, за 55 секунд не был передан и обработан весь кадр, только небольшой фрагмент с людьми, размером в десятки метров. Maxar по прежнему предоставляет услугу по прямому доступу к ресурсам космического аппарата (но, конечно, с согласованием полетных заданий на съемку и сброс с владельцем спутников).
Карта расположения земных станций Amazon Web Services
Фотографии космических аппаратов
Испытания антенного макета в безэховой камере
Испытания динамического макета на вибростенде
Летный образец космического аппарата на кантователе...
... и на подставке
Космические аппараты на адаптере ракеты-носителя
Перед установкой головного обтекателя
Спутники после отделения
Космоснимки
Ратуша Сан-Франциско, Калифорния, США (снимок WorldView Legion-1)
Футбольное поле, Сан-Франциско, Калифорния, США (снимок WorldView Legion-1)
Сухогруз в порту Сакраменто, Калифорния, США (снимок WorldView Legion-1)
Пересечение автострад Элвас и Эльдорадо, Сакраменто, Калифорния, США (снимок WorldView Legion-1)
Площадь Пуэрта-дель-Соль, Мадрид, Испания (снимок WorldView Legion-2)
Деловой центр Сингапура (снимок WorldView Legion-2)
Мост Нельсона Манделы и вокзал Брамфонтейн, Иоханнесбург, ЮАР (снимок WorldView Legion-2)
Пляж Леблон, Рио-да-Жанейро, Бразилия (снимок WorldView Legion-2)
С началом развертывания орбитальной группировки из спутников WorldView Legion компания Maxar достигла поставленных в 2017 году целей: удалось заменить космические аппараты, запущенные в 2007-2009 годах и выбывший из строя WV-4 - ключевые клиенты не столкнулись с перебоями в поставке данных. Срок выведения первых спутников на орбиту был сдвинут на 2,5 года - с конца 2021 на май 2024, что в целом характерно для космических проектов. Что пространственное, что временное разрешение данных являются предельными для коммерческих космических систем - Maxar продолжает задавать тон в высокодетальном дистанционном зондировании Земли.
Дополнения, уточнения и исправления всячески приветствуются.
Литература
1. W.S. Scott, N. Anderson, A.Q. Rogers «Design Drivers for a Viable Commercial Remote Sensing Space Architecture» / 34th Annual Small Satellite Conference, 2020 SSC20-I-05 pdf (под VPN).
2. Modification to S2129 non-GSO satellite space station license. Federal Communications Commission. SATMOD2018091800073. April 2016.
3. Application of DG Consents Sub, Inc for Modification of Authorization. FCC Form 312. September 2018.
Изображения взяты из публикаций и сети интернет.