CC BY
48
Совместное развитие космических технологий
Беларуси и России
Основы космической деятельности в Беларуси заложены в начале 1960-х гг. В это время предприятия, научные и учебные учреждения республики стали участвовать в реализации космических программ и проектов СССР. Взаимодействие в этой области продолжилось и в постсоветский период.
Договором о создании Союзного государства от 8 декабря 1999 г. задекларировано формирование и эффективное функционирование общего научного, технологического и информационного пространства России и Беларуси. Его важной составляющей должны стать космические средства и технологии. Это обстоятельство обусловливает то внимание, которое обе страны уделяют объединению своих ресурсов в области освоения космоса.
Интересы Беларуси в обозначенной сфере заключаются в следующем.
Во-первых, у республики есть богатый опыт в исследованиях по космической тематике, а также значительный научный и технический потенциал. По ряду направлений мы находимся в числе передовых стран. Прежде всего, это разработка и
Александр Тузиков,
генеральный директор Объединенного института проблем информатики НАН Беларуси, доктор физико-математических наук, профессор
Сергей Кореняко,
завотделом
совместных
программ
космических и
информационных
технологий
Объединенного
института проблем
информатики
НАН Беларуси,
исполнительный
директор
программы
Союзного
государства
«Космос-НТ»
изготовление бортовой аппаратуры дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ); создание программно-аппаратных комплексов цифровой обработки космической информации; проектирование уникальных стендов для исследования тепловой защиты космических аппаратов (КА); создание систем телеметрических и траек-торных измерений характеристик полета ракет-носителей и др.
Во-вторых, деятельность в области освоения космического пространства стимулирует развитие науки и промышленности. Для Беларуси с ее ограниченными природными ресурсами выход на мировой рынок высоких технологий особенно важен.
В-третьих, космические методы необходимы для решения различных вопросов, связанных с народным хозяйством. С помощью ДЗЗ можно контролировать и предотвращать чрезвычайные ситуации, принимать решения по ликвидации их последствий; исследовать природные ресурсы и искать полезные ископаемые; прогнозировать и оценивать состояние в сельском, лесном и водном хозяйстве. Космические данные требуются для мониторинга климата, экологической и радиационной обстановки. Спутниковые ретрансляционные комплексы нужны для дальнейшего развития в Беларуси связи и телевидения. Навигационные данные используются во всех видах транспорта (авиации, железнодорожном и автомобильном транспорте, речном флоте), в геодезии и картографии, в лесном и сельском хозяйстве, при проведении геологических работ.
Наконец, освоение космического пространства относится к числу глобальных задач. Эффективное решение ее возможно на основе международного сотрудничества, обмена полученной информацией, интеграции и кооперации для осуществления крупных проектов. Достижения в области космических технологий содействуют не только расширению сотрудничества со странами СНГ и дальнего зарубежья, но и росту международного авторитета республики.
Важным этапом в реализации указанных интересов в постсоветский период стали научно-технические программы Союзного государства. В их рамках осуществляются координация и финансирование совместной деятельности предприятий, организаций и высших учебных заведений двух стран.
Исполнение первой союзной космической программы, «Кос-мос-БР» (1999-2002 гг.), обеспечило восстановление и расширение разрушенных научно-технических и экономических связей между Российской Федерацией и Республикой Беларусь в области практического использования достижений космической отрасли. Основной задачей этой программы стала совместная разработка конкурентоспособных космических средств и технологий 30 организациями двух стран, занимающимися космическими исследованиями.
Среди основных результатов осуществления белорусской части программы следует отметить создание экспериментального образца центра приема космиче-
о
X X
5
X
Рис. 1.
Технология
дешифрирования
космоснимков
для обновления
топографических
карт
Рис. 2.
Опытный образец
широкопольной
телевизионной
регистрирующей
станции
со специальным
программным
обеспечением
ской информации на базе станции «СканЭкс» и новой антенной системы, позволяющей получать данные как со спутников МОЛЛ, так и с российского КА «Мете-ор-3М»; автоматизированного рабочего места планшетного типа (формат А1), предназначенного для сканерного ввода картографической информации; технологии дешифрирования космоснимков для обновления топографических карт (рис. 1); опытного экземпляра системы автоматизированного проектирования заказных сверхбольших интегральных схем космического применения.
В реализации второй научно-технической программы Союзного государства, «Космос-СГ» (2004-2007 гг.), участвовали 54 предприятия, научных учреждения и вуза Беларуси и России. В результате разработаны ключевые элементы бортовых специальных и служебных систем микроспутника нового поколения, экспериментальные части единого комплекса обеспечения космическими данными различ-
ных потребителей, компоненты интегрированной навигацион-но-информационной системы повышенной точности.
К важнейшим результатам белорусской части программы «Космос-СГ» относится создание усовершенствованного высокоинформативного центра приема и анализа космических данных, построенного на территории республики; современных оптико-электронных комплексов траекторных изменений для российских космодромов, надежно обеспечивающих выведение в космос ракет-носителей (рис. 2); совокупности программно-технических средств для управления мобильными объектами и опытного участка интегрированной навигационно-информационной системы для стационарных и подвижных объектов различного назначения; нового поколения спектрометров, оптико-электронных камер, озонометрической аппаратуры, предназначенных для контроля состояния атмосферы из космоса, в том числе функционирующих на КА серии «Метеор».
По итогам совместного выполнения программ «Космос-БР» и «Космос-СГ» была подготовлена Концепция создания многофункциональной космической системы Союзного государства, включающей наземные и орбитальные космические средства России и Беларуси и обладающей широкими возможностями обеспечения потребителей космическими данными и услугами.
Указанная Концепция явилась основой для обоснования следующей союзной космической программы «Разработка базовых элементов, технологий создания и применения орбитальных и наземных средств многофункциональной космической системы» -«Космос-НТ» на 2008-2011 гг. В ее мероприятиях участвовали 60 ведущих предприятий и вузов России и Беларуси, занимающихся космической деятельностью.
В качестве основных итогов совместных проектов программы «Космос-НТ» следует назвать разработку:
■ модели микроспутника «Союз-Сат-О», предназначенного для получения информации ДЗЗ в видимом и ближнем ИК-диа-пазонах, на базе образца унифицированной микроспутниковой платформы (рис. 3);
■ экспериментального образца бортовой аппаратуры микроспутника для синтеза и предварительной обработки изображений ИК-диапазона спектра в режиме реального времени;
■ экспериментального образца лазерно-плазменного двигателя для коррекции орбиты микроспутника;
■ экспериментального образца распределенного банка данных, полученных от космических средств наблюдения, и телекоммуникационной подсистемы с высокоскоростным каналом связи и гарантированной пропускной способностью до 100 Мбит/с. Этот банк реализует современные методы архивации, каталогизации, доступа, синхронизации и распространения информации.
Также был разработан мобильный комплекс для обеспечения потребителей данными, в состав которого входят созданные белорусскими исполнителями система мониторинга воздушной среды, система комбинированного ввода и отображения крупноформатных графических документов и многозональная цифровая оптическая экспериментальная аппаратура регистрации изображений и измерения температурных полей ракет-носителей (рис. 4).
Среди результатов выполнения заданий программы, по которым головными исполнителями были белорусские предприятия и организации, можно выделить программно-информационный комплекс автоматизированной классификации объектов недвижимого имущества и видов земель (ПИК «ИГИС»). Он предназначен для оперативной обработки данных ДЗЗ и обеспечения ими потребителей при решении задач геокодирования объектов недвижимого имущества и ведения земельного кадастра. Информационное обеспечение комплек-
са интегрировано с ресурсами Госкомимущества Республики Беларусь.
Белорусские ученые разработали также методику и аппаратно-программный комплекс учета состояния лесного фонда и ресурсной оценки поврежденных насаждений в результате воздействия на них неблагоприятных природно-климатических факторов, действующий на основе материалов космической съемки. Результаты исследований переданы в УП «Белгослес» Министерства лесного хозяйства Республики Беларусь (рис. 5).
Были созданы первый в Беларуси тестовый полигон обеспечения калибровки целевой аппаратуры и валидации целевой информации Белорусского космического аппарата и российского «Канопус-В» и экспериментальный участок для подготовки и переподготовки специалистов по многоцелевой тематической обработке информации, получаемой с научно-образовательных микроспутников. Это позволило на базе Центра аэрокосмического образования БГУ открыть новую специальность - «Аэрокосмические радиоэлектронные и информационные системы и технологии».
В рамках программы «Кос-мос-НТ» был разработан опытный образец модуля оптического научной аппаратуры оптико-радиофизического комплекса для космического эксперимента «Диагностика», который планируется провести в 2013-2014 гг. на базе МКС (цель - спутниковый мониторинг околоземной среды и изучение влияния на нее природных и техногенных воздействий).
Белорусские специалисты модернизировали высокоточный кинотеодолит «Висмутин» на космодроме Байконур путем установки комплекта аппаратуры программного наведения, позволяющего исключить ошибки оператора-человека при сопровождении изделия в неблагоприятных метеоусловиях.
Были разработаны программный комплекс для автоматиза-
ции проектирования цифровых интегральных микросхем в библиотечном базисе, оптимизированных по энергопотреблению, конструкторская документация и технологический маршрут изготовления КМОП базового матричного кристалла на основе радиационно стойкой технологии «кремний на изоляторе», выпущена опытная партия базового кристалла для производства элементной базы космического и специального назначения.
Была отработана технология синтеза пленок полупроводниковых материалов Си(1и,Оа)(8в,8)2 с различным элементным составом тонкопленочных солнечных элементов на гибких подложках. Элементы обладают повышенным КПД (10-11%), большим сроком службы, высокой радиационной стойкостью, устойчивостью к климатическим и механическим влияниям, что повышает срок эксплуатации солнечных батарей КА и приборов бытового назначения.
Результаты реализации белорусской части программы «Космос-НТ» способствовали дальнейшему развитию Белорусской космической системы дистанционного зондирования Земли и были направлены на обеспечение потребности отечественных потребителей в космической информации и решение отраслевых задач экономики.
В прошедшем году завершена реализация союзной программы «Нанотехнология-СГ» на 2009-2012 гг., направленной на разработку нанотехнологий для конструирования материалов, устройств и систем космической техники и их адаптацию к другим отраслям и массовому производству.
Создание в рамках космических программ Союзного государства информационных технологий, аппаратно-программных комплексов и приборов существенно увеличивает экспортный потенциал белорусских и российских предприятий, а также позволяет последним совместно с партнерами из других
стран СНГ, в частности Украины, и дальнего зарубежья производить научно-техническую продукцию космического и двойного назначения. Свидетельство этого - контракты белорусских предприятий с зарубежными партнерами.
В настоящее время завершается согласование проекта новой программы Союзного государства «Разработка космических и наземных средств обеспечения потребителей России и Беларуси информацией дистанционного зондирования Земли» («Мони-торинг-СГ») на 2013-2017 гг. Ее цель - разработка технологий и программных комплексов для повышения надежности и долговечности маломассогабаритных космических средств ДЗЗ.
Программой «Монито-ринг-СГ» поставлена задача создания:
■ технических средств, технологий и программных комплексов, обеспечивающих повышение качества и работоспособности КА в течение их гарантийного срока (10 лет);
Рис. 3.
Экспериментальная модель
микроспутника
«Союз-Сат-О»
на базе образца
унифицированной
микроспутниковой
платформы
Рис. 4.
Многозональная
цифровая
оптическая
экспериментальная
аппаратура
регистрации
изображений
и измерения
температурных
полей
ракет-носителей
о
X X
5
X
■ новых образцов целевой аппаратуры КА ДЗЗ, включая бортовой радиолокационный комплекс СВЧ-диапазона с синтезированной апертурой и бортовой гиперспектральный оптико-электронный комплекс;
■ экспериментальных образцов научного оборудования, микроэлектронных элементов, конструкционных материалов и покрытий, адаптированных для использования на борту микроспутника ДЗЗ;
■ новых информационных технологий приема, обработки, хранения и доведения до широкого круга потребителей данных ДЗЗ от КА с перспективной аппаратурой наблюдения, орбитальной группировки КА на основе применения современных достижений вычислительной техники и телекоммуникационных средств;
■ опытных аппаратно-программных комплексов и технических средств для обеспечения подготовки, переподготовки и повышения квалификации специалистов в области космического мониторинга Земли.
Рис. 5.
СО Технология
о (N и аппаратно-
>s программный
го комплекс учета
О состояния лесного
LO Z фонда и ресурсной
S оценки поврежден-
и < ных насаждений
ей О в результате
X X воздействия на них
S S неблагоприятных
< * > природно-клима-
< X тических факторов
10
Следует ожидать, что реализация новой программы «Мо-ниторинг-СГ» станет логичным продолжением долгосрочного сотрудничества двух государств по интеграции их наземных и орбитальных космических средств, а также интеллектуальных и производственных ресурсов в освоении космического пространства в мирных целях, расширении технических возможностей национальных систем ДЗЗ в интересах решения актуальных проблем экономики Беларуси и России. ■
Контроль загрязнения природной среды
аэрокосмическим методом
Оптическое аэрокосмическое зондирование основано на измерении теплового излучения атмосферы и подстилающей поверхности или рассеянного ими солнечного света.
Важнейшая задача спутникового мониторинга Земли - контроль загрязнения атмосферы, в частности антропогенного, вызванного достаточно мощными выбросами локальных источников. Над решением этой проблемы работают во многих исследовательских центрах России, США (NASA), Европы (ESA), Японии и других стран.
Еще одна задача - дистанционное изучение суши и водоемов по спектральным и пространственным характеристикам сигнала, отраженного от поверхности. В этом случае возникающая в атмосфере «дымка» искажает регистрируемый сигнал, особенно при малых значениях коэффициентов отражения поверхности. Поэтому эффективность использования спутниковой информации в значительной мере определяется тем, насколько действенна атмосферная коррекция спутниковых данных, предназначенная для устранения влияния атмосферы на результаты дистанционного зондирования Земли.
Необходимо обеспечить приемлемую величину отношения сигнала к шуму в измерительных космических приборах, и это заставляет идти на компромисс при выборе пространственного разрешения и ширины спектрального канала прибора. Многозональные съемочные системы (МСС) высокого пространственного разрешения (~10-15 м) имеют сравнительно широкие спектральные каналы (-70-100 нм) (ASTER на американ-
ской платформе TERRA, Белорусский космический аппарат (БКА), российский «Канопус-В» и др.). На многоспектральных приборах (МСП), формирующих изображения с большим числом узких (~10 нм) спектральных каналов (MODIS, MERIS и др.), можно проводить атмосферную коррекцию, но со сравнительно грубым пространственным разрешением (-300-1000 м). В рамках программ Союзного государства «Космос-СГ» и «Космос-НТ» описана совместная обработка данных МСП и МСС с целью восстановления оптических характеристик аэрозольной атмосферы и поверхности Земли с высоким пространственным разрешением. Такой подход предполагается в дальнейшем использовать при анализе информации БКА.
Модель атмосферы и подстилающей поверхности
В первую очередь необходимо создать оптическую модель атмосферы и земной поверхности и разработать метод расчета спектрального коэффициента яркости (СКЯ) на верхней границе атмосферы. В данном исследовании модель включает стратификацию микроструктуры и концентрации аэрозоля, высотные профили концентрации основных атмосферных газов, а также профили температуры и давления. Оптические свойства атмосферы (показатели ослабления и поглощения, а также элементы матрицы Мюллера, необходимые для учета поляризации излучения) рассчитываются с учетом вклада
