CC BY
62
УДК 629.78
DOI: 10.30981/2587-7992-2022-110-1-48-57
CAPELLA 36 SPACE-BORNE SAR SURVEILLANCE SYSTEM. PART I
КОСМИЧЕСКАЯ СИСТЕМА РАДИОЛОКАЦИОННОГО НАБЛЮДЕНИЯ CAPELLA 36. ЧАСТЬ I
Kirill A. ZANIN,
Doctor of Technical Sciences, Leading Researcher, Lavochkin Association, Moscow, Russia, pc4a@laspace.ru
Кирилл Анатольевич ЗАНИН,
доктор технических наук, ведущий научный сотрудник АО «НПО Лавочкина», Москва, Россия, pc4a@laspace.ru
Nikolay N. KLIMENKO,
Candidate of Technical Sciences, Deputy General Director, Lavochkin Association, Moscow, Russia, Klimenko@laspace.ru "
Николай Николаевич КЛИМЕНКО,
кандидат технических наук, заместитель генерального директора
АО «НПО Лавочкина», Москва, Россия,
klimenko@laspace.ru
Ivan V. MOSKATINIEV,
General Designer Deputy for General Design, Lavochkin Association, Moscow, Russia, miv@laspace.ru „
Иван Владимирович МОСКАТИНЬЕВ,
заместитель генерального конструктора
по общему проектированию АО «НПО Лавочкина», Москва, Россия,
miv@laspace.ru
ABSTRACT.]Analysis of main tactical and technical characteristics ofCapella 36 space-borne SAR surveillance system is presented. Mathematical modeling of main quality indications is carried out.
yfeç^ro'FÛ'^: smfyjffi^apfirtprç constellation
АННОТАЦИЯ! Представлен анализ основных тактико-технических характеристик зарубежной космической системы радиолокационного наблюдения СареИа 36. Проведено математическое моделирование основных показателей ' качества космической системы.
К'лйневые слова: радиолокатор е ■синтезированной апёртурой,.' периодичность наблюдения, проиэ^рдЬтёльность-., ■.д£б^т$1пьрая группйро'вна ■■
. jùP^d:' bi 4 J ■ * :'LV
rumfrA''.-£ TV
siCflrfif
■M
I - rëï'b. P ■ ■
: H
W . i
' J
1ПЯ
. . -
Космическая система радиолокационного наблюдения (КС РЛН) американской компании Capella Space создается для решения задач обеспечения высокой периодичности наблюдения и оперативной доставки результатов радиолокационной съемки потребителям, прежде всего в интересах обороны и безопасности. При этом ставилась цель заменить традиционные тяжелые и дорогостоящие космические аппараты (КА) с радиолокаторами с синтезированной апертурой (РСА) на маломассогабаритные КА с относительно невысокой стоимостью.
Высокая периодичность достигается за счет поэтапного развертывания орбитальной группировки (ОГ) в составе 36 КА РСА, получившей название Capella 36, а также за счет возможности перенацеливания КА РСА с объекта на объект съемки с высокой скоростью. ОГ полного состава планируется развернуть на орбитах высотой 550-600 км в 12 плоскостях, по три КА в каждой плоскости. Начало оперативного использования КС РЛН положено запуском в августе 2020 года КА РСА Capella 2, или Sequoia (рис. 1), на орбиту с наклонением 45 градусов, что обес-
Таблица 1. Общие сведения о НА РСА Capella (Whitney)
Название KA Дата запуска Высота орбиты, нм Наклонение орбиты, градусы
Capella 1 (Denali) декабрь 2018 573-591 97,77
Capella 2 (Sequoia) август 2020 522-536 45,1
Capella 3 (Whitney) январь 2021 517-529 97,5
Capella 4 (Whitney) январь 2021 516-529 97,5
Capella 5 (Whitney) апрель 2021 516-530 97,5
Capella 6 (Whitney) апрель 2021 568-587 53
Capella 7 (Whitney) январь 2022 573 97,5
Capella 8 (Whitney) январь 2022 573 97,5
Рис. 2,
Потенциальная периодичность наблюдения ОГ Capella 36
Maximum Revisit Time with Full Capella Constellation
-150 -100 -50 0
Долгота, градусы
50
100
150
Таблица 2. Периодичность наблюдения по этапамразвертывания ОГ
Количество КА в ОГ 6 12 24 36
Наилучшая периодичность, час. <4 <2 1 <1
Наихудшая периодичность, час. 12 6 4 <2
Периодичность в интерферометрическом режиме 24 12 6 4
печивало высокую периодичность наблюдения районов Ближнего Востока, КНДР, КНР, Японии и США. Ранее состоявшийся запуск КА РСА Capella 1, или Denali, имел целью проведение отработки технологических и калибровочных настроек на орбите.
Последующие запуски КА РСА Capella состоялись в 2021-2022 годах. Общие сведения о КА РСА Capella, находящихся в оперативном использовании, приведены в таблице 1. Субгруппировка в составе первых шести оперативно используемых КА РСА получила название Whitney.
Потенциальные возможности ОГ полного состава по периодичности наблюдения, определяемые ее баллистическим построением, приведены на рис. 2: съемка любого района земной поверхности может быть выполнена в течение часа [1]. Возможности ОГ по периодичности наблюдения с учетом этапности ее развертывания приведены в таблице 2. На рис. 3 приведены результаты независимого моделирования
функционирования ОГ в составе 36 КА РСА, подтверждающие потенциальные возможности КС РЛН Capella 36 по периодичности.
Частная орбитальная группировка из шести КА в двух орбитальных плоскостях, получившая название Whitney, обеспечивает проведение интерферометрических измерений с формированием временной базы в режиме repeat-pass (repeat-track). При этом баллистическое построение КА в орбитальной группировке полного состава обеспечивает возможность точного прогнозирования временных интервалов между последовательными состояниями орбитальной субгруппировки типа Whitney, при которых выполняются необходимые условия для проведения интерферометрических измерений. Если принять за точку отсчета первый случай выполнения этих условий, то последующие возможности для осуществления интер-ферометрических измерений наступают через прогнозируемые интервалы времени, которые
gj Результаты независимого моделирования для оценки периодичности наблюдения ОГ в составе 36 НА РСА Capella
8 9 то » 8 5~
15 7
z
g. 6
00 5
(О
ш /1 а 4
-20 0 20 40
Широта, градусы
Таблица 3. Возможности орбитальных субгруппировок типа Whitney по периодичности наблюдения
№ серии
Временные интервалы по отношению к первичному событию, часы
0 0 54 120 174
1 12 66 132 186
2 24 78 144 198
9 108 162 228 282
10 120 174 240 294
Максимальная
Средняя
Минимальная
можно представить в виде формализованного временного ряда: о (первая реализация), 54 час., 120 час., 174 час. Существуют и другие возможные временные ряды интервалов, отстоящих от начальной условной точки отсчета, через которые реализуются условия для интер-ферометрической съемки одного и того же района, но под различными углами съемки. Каждый новый ряд этих интервалов формируется путем увеличения значений интервалов в «нулевой» исходной серии на 12 часов. Указанные серии (ряды) временных интервалов, определяемых по отношению к условной точке отсчета, приведены в таблице 3 [2].
Заметим, что эти серии временных интервалов повторяются через 120 часов, или пять суток, то есть после 10-й серии имеет место циклическое повторение значений, приведенных в таблице 3. При этом каждая серия временных интервалов из таблицы 3 пригодна для наблюдения процессов на земной поверхности, изменяющихся в течение пяти и более суток.
Высокие показатели по оперативности добывания и предоставления РЛИ пользователям достигаются как за счет высокой периодичности съемки, так и за счет возможности оперативной закладки планов съемки в форме команд-
но-программной информации (КПИ) на борт КА с использованием каналов передачи данных через КА-ретрансляторы Inmarsat [2, 3].
Другим фактором, определяющим высокую оперативность предоставления РЛИ пользователям, является использование территори-ально-распределенного наземного комплекса на базе наземных станций в составе систем AWS и KSAT (Норвегия). Особо следует отметить наличие наземных станций в арктической зоне, через зону видимости которых проходят 11-12 суточных витков.
На рис. 4 приведены зоны видимости наземных станций, привлекаемых для сброса РЛИ с КА РСА Capella [4], расположенных в следующих населенных пунктах: Svalbard (Норвегия), Trol (Норвегия), Punta Arenas (Чили), Boardman (США), Kilewille (США), Hartebushrock (ЮАР), Awarua (Новая Зеландия), Tripoli (Греция), Dublin (Ирландия), Vasterus (Швеция), Cape Town (ЮАР), Manama (Бахрейн), Sydney (Австралия), Honolulu (США), Mumbai (Индия), Seoul (Корея), Tokyo (Япония) [5].
Результаты математического моделирования зон видимости приведены на рис. 4,5. Они показали, что суммарный интервал времени приема информации составляет до 18 часов в сутки
Я Оценка количества наземных станций, видимых с одного НА на витке
>5 4 ^
I
(О
- 3
I
Z 01 m л х
* 2 А Z 5
5 00
° 1 00 1 I-
и ф
Т
5 ^
о П
20 40 60 80
Интервал времени, минуты
100
при высоте орбиты 530 км. С учетом перекрытия зон видимости наземных станций для одного КА обеспечивается максимальная продолжительность видимости до девяти часов в сутки. Такое расположение наземных станций обеспечивает доступ для приема РЛИ с интервалом не более 20 минут (рис. 5).
Сброс РЛИ на наземные станции осуществляется в диапазоне X (8025-8400 МГц) на средней частоте 8212,5 МГц в полосе 250 МГц [5]. Управление КА РСА Capella осуществляется из центра управления полетами (ЦУП) в Paolo Alto, где размещается штаб-квартира компании Capella Space.
Командно-измерительные станции наземного комплекса управления (НКУ) размещаются на объекте компании в Денвере. Обмен командно-программной и телеметрической информацией осуществляется на линии «вверх» (НКУ — КА) в диапазоне
2035,3-2036,7 МГц на средней частоте 2036 МГц в полосе 1,4 МГц, на линии «вниз» (КА — НКУ) в диапазоне 8025-8029 МГц на средней частоте 8027 МГц в полосе 1,4 МГц [5].
Оперативная командная радиолиния через КА-ретранслятор Inmarsat реализована на следующих частотах [5]:
— прием информации на КА РСА с КА-ре-транслятора в диапазоне 1518-1559 МГц; конкретная частота закрепляется оператором системы Inmarsat на период соединения с КА РСА;
— передача информации с КА РСА на КА-ретранслятор в диапазонах 1626,5-1660,5 МГц, 1668-1675 МГц в полосе 25-200 кГц.
Следует отметить, что компания Capella Space, изначально ориентируясь на решение задач в интересах обороны и безопасности, обеспечила гарантированное закрытие информации, циркулирующей во всех космических радиолиниях, а также в наземных средствах приема, обработки и доведения ее до потребителей.
На рис. 6 схематично представлен регламент радиолокационной съемки КС Capella 36: среднее время от подачи заявки на съемку до выдачи РЛИ потребителю составляет 90 мин. [4].
Рассмотренные выше возможности по исполнению заявок на съемку и по доставке РЛИ потребителям носят потенциальный характер. При интенсивном поступлении заявок ограниченный ресурс КА РСА и КА-ретранслятора, а также пропускная способность наземного комплекса, используемого и другими КС ДЗЗ, не обеспечивают потенциальные возможности по их испол-
нению. В связи с этим в КС Capella 36 установлен регламент обслуживания заявок как на этапе формирования и закладки на борт КПИ, определяющей план съемок, так и на этапе доставки результатов их исполнения потребителям. Соответствующие уровни обслуживания потребителей приведены в таблицах4, 5 [4].
Линию передачи данных через КА-ретранс-ляторы Inmarsat планируется задействовать и для оперативного сброса на НС в масштабе времени, близком к реальному, сжатых радиолокационных снимков низкого разрешения, получивших название quick look («быстрый просмотр») [3]. Радиолокационные снимки в режиме quick look используются для экспресс-анализа в контуре оперативного слежения за обстановкой. По оценке, это позволит довести время ожидания результатов радиолокационной съемки для оперативного анализа потребителями до 20 минут после закладки КПИ на борт КА РСА. Для детального анализа изображения в полном разрешении сбрасываются на наземные станции AWS и KSAT каждые 20 минут.
Следует отметить, что до настоящего момента время доставки РЛИ в существующих КС РЛН не менее 10-15 часов, что не удовлетворяет военных потребителей при решении задач оперативного выявления изменений. Время старения информации при радиолокационной съемке районов развертывания группировок войск в целях выявления изменений в их составе и дислокации является критически важным показателем. Вот почему именно высокая оперативность доведения информации пользовате-
Таблица 4. Уровни обслуживания заявок на съемку
Уровни реализации (обслуживания) заявок на съемку Предоставляемые окна для съемки
Стандартный Окно для съемки предоставляется в течение недели после получения заявки
Платиновый Окно предоставляется в течение суток после получения заявки
Алмазный Для съемки выделяется первое возможное окно
Реальное время Съемка в течение 30 минут после получения заявки
Таблица 5. Уровни доставки снимков потребителям
Уровни доставки снимков Время доставки снимков
Стандартный В пределах 6 часов после съемки
Ускоренный В пределах 1 часа после съемки
Регламент съемки НС РЛН Capella 36 РСА Capella
Доставка потребителю
Поступление заявки
Подготовка КПИ
Сброс на наземную станцию приема
15 мин
Радиолокационная съемка по заявке
Передача КПИ на борт КА
лям и периодичность наблюдения районов особого внимания привлекают внимание военных и государственных организаций к применению для решения подобных «быстрых» задач создаваемой на коммерческой основе КС РЛН Capella 36.
Так, Национальное управление воздушно-космической разведки США (НУВКР; National Reconnaissance Office — NRO) еще в 2019 году заключило контракт с компанией Capella Space, в оперативном использовании которой уже семь КА РСА (см. таблицу 1), для проработки интеграции КС РЛН в национальную наземную архитектуру, создаваемую этим управлением [6]. Наряду с использованием КА РСА Capella в этих целях планируется привлечение КА РСА из состава ОГ компании ICEYE, в оперативном использовании которой 16 КА РСА, а также два КА РСА компании Umbra. Заключен также аналогичный контракт с недавно образовавшейся компанией PredoSAR, анонсировавшей создание ОГ в составе 48 КА РСА, обеспечивающей периодичность наблюдения в несколько минут.
Компания Capella Space установила также взаимодействие с Национальным агентством геопространственной разведки (National Geospatial-Intelligence Agency — NGA), космическими силами, центром ПРО и ПКО Сухопутных войск, ВВС и ВМС [7]. Следует отметить, что для обес-
печения оперативного слежения за морской обстановкой на КА Capella предусмотрен прием сигналов системы AIS на частотах 161,9625 МГц, 161,025 МГц, 156,775 МГц, 156,825 МГц. Совместное применение РСА и аппаратуры системы AIS повышает достоверность данных о морской обстановке за счет выявления кораблей, не взаимодействующих с системой AIS, а также кораблей, данные о которых, содержащиеся в сигналах системы AIS, не соответствуют реальной морской обстановке, устанавливаемой по РЛИ. При этом, учитывая высокие показатели по оперативности предоставления РЛИ, КС Capella 36 может применяться не только для слежения за морской обстановкой, но и для решения задачи выдачи данных для целеуказания противокорабельным ракетам.
Рассмотренные выше тактико-технические характеристики космической системы положены в основу концепции ее интеграции в создаваемую американским Агентством космического развития (Space Development Agency — SDA) Национальной космической архитектуры МО (National Defence Space Architecture — NDSA), представляющую собой масштабную ОГ, состоящую из нескольких сотен КА с различными полезными нагрузками, объединенных в систему межспутниковыми лазерными радиолиниями [8].
Создание NDSA имеет целью эффективное решение задач информационного обеспечения группировок войск и оружия в возможных вооруженных конфликтах будущего, включая обнаружение пусков и сопровождение в полете ракет, в том числе гиперзвуковых. Технически такая интеграция реализуется путем применения в составе КА РСА аппаратуры лазерной связи, совместимой с транспортной подсистемой КА-ретрансляторов на низких орбитах, входящей в NDSA. Это обеспечивает обмен данными по межспутниковым лазерным радиолиниям с другими КА военного назначения, а также с группировками войск и оружия до тактического звена включительно.
В свою очередь, NDSA рассматривается в качестве ядра АСУ нового поколения JADC2 — Joint All Domain Command and Control, предназначенной для «замыкания» всех военных средств добывания информации на командные пункты и пункты управления войсками и оружием всех видов базирования в масштабе времени, близком к реальному.
Интеграция КС Capella 36 в состав АСУ JADC2 рассматривается как критический для создаваемой на коммерческой основе системы шаг в направлении непосредственного взаимодействия с американским разведывательным и оборонным сообществом. Агентство SDA заключило контракт с компанией Capella Space на эксперименты по отработке технологии межспутниковой лазерной связи между КА РСА и ОГ под названием T1DES — Tranche 1 Demonstration and experimentation System, состоящей из 18 КА с экспериментальной полезной нагрузкой. К концу 2024 года планируется довести ОГ Tranche 1 до 150 КА.
По существу, формируется уникальная космическая система военного назначения для постоянного непрерывного наблюдения районов особого внимания, прежде всего районов дислокации и применения ракетного вооружения большой дальности, с предоставлением результатов наблюдения потребителям вплоть до тактического звена практически в реальном масштабе времени.
Следует обратить внимание на темпы запусков КА Capella. Такие темпы диктуются конъюнктурой рынка: периодичность наблюдения и оперативность получения РЛИ — «приоритетный товар» для потребителей коммерческой РЛИ. Ключевые игроки на рынке коммерческой РЛИ — агентства NRO, NGA, SDA — заказывают и покупают не ОГ КА, а непосредственно информационную услугу, качество и цена которой определяются качеством РЛИ и оперативностью ее получения. Они не выступают заказчиками КА и не контролируют их изготовление. Поэтому конкурирующие между собой стартапы стремятся к созданию крупных ОГ из недорогих МКА РСА путем их комплектации готовыми покупными модулями бортовой аппаратуры, имеющими летную квалификацию, из имеющегося на рынке универсального набора и последующей ускоренной сборки и испытания. Компания Capella Space преуспела в реализации такого подхода и создала уникальную КС РЛН двойного назначения.
Способность быстрого наращивания ОГ позволяет оператору КС РЛН Capella 36 адаптировать ее возможности по периодичности наблюдения, а следовательно, и оптимизировать свои затраты в зависимости от складывающейся обстановки. При повседневной обстановке, когда спрос на оперативную РЛИ умеренный, оператор КС РЛН может ограничиться применением одной-двух субгруппировок типа Whitney в составе шести КА РСА. В особые периоды обстановки, когда возрастают потребность в высокопериодическом наблюдении и спрос на оперативную РЛИ, ОГ КА РСА Capella 36 может быть ускоренно доведена до полного состава.
Изложенные выше факты приводят к выводу, что рожденные «новой космической революцией» стартапы, к числу которых относится и компания Capella Space, ускоренно создают мощные космические системы, развертывание которых обеспечивает беспрецедентное информационное доминирование США, порождающее однополярный информационный мир.
ПРИНЯТЫЕ СОКРАЩЕНИЯ
КС РЛН - космическая система радиолокационного наблюдения
КА РСА - космический аппарат с радиолокатором с синтезированной апертурой
ОГ - орбитальная группировка
КПИ - командно-программная информация
РЛИ - радиолокационная информация
НКУ - наземный комплекс управления
Литература
References
1. Capella X-SAR (Synthetic Aperture Radar) Constellation [Электронный ресурс]. URL: https://directory.eoportal. org/web/eoportal/satellite-missions/content/-/article/ capella-x-sar (Дата обращения: 31.03.2022).
2. Клименко H.H., Занин К.А. Новое поколение космических аппаратов для наблюдения за морской обстановкой // Воздушно-космическая сфера. 2019. № 2. С. 73-82.
3. Theresa Hitchens. Capella First For 'Holy Grail' of Real-Time SAR-Sat Images [Электронный ресурс] // Moralepatcharmorg.com. 2019.August06. URL: https:// www.moralepatcharmory.com/blogs/breaking-defense/ capella-first-for-holy-grail-of-real-time-sar-sat-images (Дата обращения: 31.03.2022).
4. Rao S. Ramayanam. Capella Space's X-Band Synthetic Aperture Radar Satellite Constellation with Hourly Monitoring Capability for National Security [Электронный ресурс]. URL: https://geosmartindia.net/speaker/ presentions2019/Capella-Space-X-Band-Synthetic-Aperture-Radar-Satellite-Monitoring-Capability-for-National-Security-Rao_S_Ramayanam.pdf (Дата обращения: 31.03.2022).
5. Response to question 7 of FCC form 442 (Purpose of experiment). Appendix А. [Электронный ресурс]. URL: https://fcc.report/ELS/Capella-Space-Corporation/0029-EX-CM-2020/246358 (Дата обращения:31.03.2022).
6. Sandra Erwin. National Reconnaissance Office signs agreements with Ave commercial radar satellite operators // Spacenews.com. 2022. January 20. URL: https:// spacenews.com/national-reconnaissance-office-signs-agreements-with-five-commercial-radar-satellite-operators/ (Дата обращения: 31.03.2022).
7. Application ofCapella Space Corp. forAuthority to Launch and Operate a Non-Geostationary Orbit Satellite System in the Earth Exploration Satellite Service [Электронный ресурс]. URL: https://fcc.report/IBFS/SAT-LOA-20200914-00108/2710023.pdf (Дата обращения: 31.03.2022).
8. Theresa Hitchens. Capella to demonstrate first SARsat-based laser communications for SDA // Breakingdefense. com. 2021. November 09. URL: https://breakingdefense. com/2021/11/capella-to-demonstrate-first-sarsat-based-laser-communications-for-sda/ (Дата обращения: 31.03.2022).
1. Capella X-SAR (Synthetic Aperture Radar) Constellation. Available at: https://directory.eoportal.org/web/eoportal/ satellite-missions/content/-/article/capella-x-sar (Retrieval date: 31.03.2022).
2. Klimenko N.N., Zanin K.A. Novoe pokolenie kosmicheskikh apparatov dlya nablyudeniya za morskoy obstanovkoy. Vozdushno-kosmicheskaya sfera, 2019, no. 2, pp. 73-82.
3. Theresa Hitchens. Capella First For 'Holy Grail' of RealTime SAR-Sat Images. Moralepatcharmorg.com. 2019. August 06. Available at: https://www.moralepatcharmory. com/blogs/breaking-defense/capella-first-for-holy-grail-of-real-time-sar-sat-images (Retrieval date: 31.03.2022).
4. Rao S. Ramayanam. Capella Space's X-Band Synthetic Aperture Radar Satellite Constellation with Hourly Monitoring Capability for National Security. Available at: https://geosmartindia.net/speaker/presentions2019/ Capella-Space-X-Band-Synthetic-Aperture-Radar-Satellite-Monitoring-Capability-for-National-Security-Rao_S_ Ramayanam.pdf(Retrieval date: 31.03.2022).
5. Response to question 7 of FCC form 442 (Purpose of experiment). Appendix A. Available at: https://fcc. report/ELS/Capella-Space-Corporation/0029-EX-CM-2020/246358 (Retrieval date: 31.03.2022).
6. Sandra Erwin. National Reconnaissance Office signs agreements with Ave commercial radar satellite operators. Spacenews.com. 2022. January 20. Available at: https:// spacenews.com/national-reconnaissance-office-signs-agreements-with-five-commercial-radar-satellite-operators/ (Retrieval date:31.03.2022).
7. Application of Capella Space Corp. for Authority to Launch and Operate a Non-Geostationary Orbit Satellite System in the Earth Exploration Satellite Service. Available at: https://fcc.report/IBFS/SAT-LOA-20200914-00108/2710023.pdf(Retrieval date: 31.03.2022).
8. Theresa Hitchens. Capella to demonstrate first SARsat-based laser communications for SDA. Breakingdefense.com. 2021. November 09. Available at: https://breakingdefense. com/2021/11/capella-to-demonstrate-first-sarsat-based-laser-communications-for-sda/ (Retrieval date: 31.03.2022).
© Занин K.A., Клименко H.H., Москатиньев И.В., 2022
История статьи:
Поступила в редакцию: 01.03.2022 Принята к публикации: 31.03.2022
Модератор: ГессЛ.А. Конфликт интересов: отсутствует
Для цитирования:
Занин К.А., Нлименно H.H., Москатиньев И.В. Космическая система радиолокационного наблюдения Capella 36. Часть 1// Воздушно-космическая сфера. 2022. № 1. С. 48 - 57.
