Запуск в 2022-2023 годах отечественных спутников-радаров «Кондор-ФКА» и «Обзор-Р» обеспечит независимость России от зарубежных поставщиков радиолокационных изображений, необходимых для освоения Арктической зоны. О значении космической радиолокации для мониторинга критической инфраструктуры Арктики и Северного морского пути в докладе на Совете РАН по космосу рассказал вице-президент РАН, научный руководитель Научно-исследовательского института аэрокосмического мониторинга «Аэрокосмос», академик РАН Валерий Бондур.

Арктика – это громадные труднодоступные территории и водные просторы, значительную часть времени закрытые облаками и в течение нескольких месяцев погруженные в полярную ночь. Поэтому для ее исследования и контроля актуально использование радиолокационных (РЛ) средств космического мониторинга, которые могут выдавать данные о состоянии поверхности в любую погоду и при любых условиях освещения. Особенно эффективны в этом случае современные радиолокаторы с синтезированной апертурой – РСА (создается за счет движения платформы (спутника или самолета), когда данные локации записываются в течение определенного периода времени, а потом совместно обрабатываются для получения изображения, благодаря чему как бы создается виртуальная антенна, во много раз превосходящая по размерам реальную).

Главное преимущество РСА состоит в том, что они способны работать в различных режимах, включая высокодетальную съемку с разрешением, не уступающим оптическим спутникам дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ).

Спутниками с РСА обладают США, Европейское космическое агентство, Германия, Италия, Канада, Япония, Южная Корея, Китай. К примеру, в США частная компания Capella Space в настоящее время разворачивает группировку из 36 спутников массой всего по 107 кг, потенциально способных получать изображения с разрешением до 0,25 м, на уровне лучших оптических разведывательных спутников. Финляндия уже имеет свою группировку радарных микроспутников ICEYE массой около 100 кг, поставляя заказчикам изображения с разрешением 0,5 м и с периодичностью съемки 3 часа.

«А ведь исторически наша страна одной из первых запустила радар в космос в начале 1970-х годов, – говорит академик Бондур. – Правда, это был радар военного назначения для системы морской космической разведки и целеуказания „Легенда”. Это направление развивается в стране и сейчас, но, к сожалению, с гражданскими спутниковыми радарами дело обстоит плохо. В 1991 году на орбите работал прекрасный космический аппарат „Алмаз-1А” с РСА, который позволял получать изображения в S-диапазоне спектра электромагнитных волн с пространственным разрешением 10 м, но затем наступили нелегкие 90-е годы. С тех пор у нас сделано много проектов на бумаге, но сегодня в космосе нет ни одного российского радара высокого разрешения гражданского назначения, в то время как во всем мире эта тематика очень активно развивается».

Острота проблемы с отсутствием собственной группировки радарных спутников еще больше возросла в связи с событиями, которые начались 24 февраля 2022 г. Если раньше российские потребители активно использовали информацию с зарубежных спутников, в частности – с европейских Sentinel-1A и Sentinel-1B и других, то сейчас доступ к этим данным официально для России закрыт. Не говоря уже о том, что все РЛ-спутники высокого разрешения имеют двойное назначение. Именно поэтому столь важное значение имеет запланированный на 2022–23 гг. запуск двух КА «Кондор-ФКА» и одного КА «Обзор-Р» – российских радиолокационных спутников, способных получать достаточно детальные изображения для решения ряда специфических задач в Арктическом регионе.

КА «Кондор-ФКА» разрабатывает ВПК «НПО машиностроения» (г. Реутов) – создатель первых советских космических радаров. Как сообщил Совету РАН по космосу представитель компании, «Кондор-ФКА» №1 уже изготовлен, ведутся его электрические испытания. Запуск намечен на конец 2022 г. «Кондор-ФКА» № 2 находится в процессе сборки. Его запуск планируется на 2023 г.

КА «Обзор-Р» создается в АО «РКЦ „Прогресс”» (г. Самара) – одной из ведущих отечественных космических фирм. По информации ее представителя, в настоящий момент спутниковая платформа изготовлена, прошла все виды испытаний и находится в полной готовности для установки на нее радара. Радар также изготовлен. Завершается отладка его программного обеспечения. Запуск «Обзора-Р» намечен на июнь 2023 г.

Чтобы наглядно продемонстрировать значения запуска этих аппаратов для освоения Арктики, Валерий Бондур привел несколько примеров того, как подобные задачи решаются зарубежными спутниками, способными проводить РЛ-съемку высокого разрешения.

«Вот пример изображения, полученного финским РЛ-спутником ICEYE, – рассказывает Валерий Бондур. – На нем хорошо видно положение ледокола во льдах и отмечен его путь за предыдущий день. По этому изображению можно судить, насколько качественная получается съемка».

«А вот изображение, которое получает ICEYE для мониторинга судовой обстановки, – продолжает рассказ ученый. – Хорошо видны не только небольшие корабли, но даже волны от них. Это просто сырое изображение, но есть целая технология, которая позволяет определить параметры движения судов».

«На этом слайде – пример более глубокого анализа данных, полученных с помощью космических радаров Sentinel-1A/1B, – говорит академик Бондур. – Это карта концентрации биогенных пленок».

Биогенные пленки – результат жизнедеятельности морских организмов и растений, главным образом, фито и зоопланктона, а также бактерий. Они не могут считаться загрязнениями в прямом смысле слова, однако процесс интенсивного образования биогенных пленок можно рассматривать в качестве явления, свидетельствующего о степени антропогенного воздействия на экосистему. Ведь уровень биологической продуктивности прибрежных зон морей во многом определяется характером хозяйственной деятельности.

Наличие поверхностной пленки приводит к затуханию поверхностного волнения и на водной поверхности образуются выглаженные области (слики), которые проявляются на радиолокационном изображении как области пониженного рассеяния отраженного сигнала. На фото в нижней части слайда –необработанные РЛ-изображения, на которых видны слики причудливых очертаний. Кстати, таким же образом с помощью РЛ можно фиксировать разливы нефти или загрязнения от сливов с судов.

Отмечено достаточно четкое временное соответствие между процессами интенсивного образования биогенных пленок и повышением концентрации хлорофилла-а, то есть цветением моря, которое можно фиксировать по данным оптических сенсоров типа MODIS.

На слайде выше можно видеть сопоставление скоплений полигонов биогенных пленок по данным РЛ-изображений (а и в) с данными по хлорофиллу-а спектрорадиометра MODIS на борту спутника Aqua (б и г). Кстати, похожая технология использовалась для мониторинга «красного прилива», который произошел на Камчатке полтора года назад.

Высокодетальные РЛ-изображения имеют пространственное разрешение порядка метра и лучше, при этом высоту рельефа космические радары могут измерять с точностью до считанных сантиметров, что, в частности, позволяет отслеживать динамику вечной мерзлоты. Справа верху – фотография северной части острова Хершел в море Бофорта, что омывает северные берега Аляски и Канады. Хорошо видны процессы эрозии, которые происходят на этом острове. Ряд изображения слева показывает динамику изменения рельефа за один, два и три года по данным японского ALOS. Хорошо видны просадки поверхности из-за сезонного таяния вечной мерзлоты, которые доходят до 25-30 см (оранжевые пятна).

На этом слайде показана обработка РЛ-данных за много лет по мониторингу скорости таяния ледника на архипелаге Шпицберген. Сверху – изображение по данным Sentinel-1A за 2010–2014 г. А внизу показана эволюция скорости таяния за два десятилетия по данным спутника CRYOSAT-2. Видно, как хорошо фиксируются вертикальные подвижки поверхности, которые по оптическим снимкам измерить сложно.

Существует технология, позволяющая на основе анализа картины ветрового волнения водной поверхности определять направление и скорость приповерхностного ветра с использованием эмпирических соотношений, связывающих характеристики спектров морского волнения с характеристиками приповерхностного ветра. Слева показаны фрагменты РЛ-изображений с КА RADARSAT-2, по пространственно-частотным спектрам которых можно определить направление и скорость ветра. На первый взгляд, на этих фрагментах ничего не видно, однако после специальной обработки можно выявить на них спектральные максимумы волнения водной поверхности и по ним построить карту полей приповерхностных ветров.

Справа дана карта полей приповерхностных ветров всей арктической акватории по данным спутника QuikSCAT. Стрелками показано направление ветра, цветом – его скорость. Размер одного квадратика в зависимости от режима съемки может составлять 25 х 25 км или 5 х 5 км. С помощью радаров высокого разрешения можно получить «пиксель» еще меньшего размера.

Мониторинг просадок грунта имеет важное значение для контроля состояния критически важной инфраструктуры: трубопроводов, дорог, аэропортов. На этом слайде показана карта смещений поверхности в районе взлетно-посадочной полосы одного из северных канадских аэропортов по данным спутника RADARSAT-2. Слева внизу – фотография этого аэропорта и тип ландшафта, который его окружает. Подвижки грунта в зоне вечной мерзлоты необходимо контролировать постоянно и спутниковая радиолокация высокого разрешения позволяет это делать.

Важное направление – это мониторинг последствий стихийных бедствий и природных катастроф. В качестве примера приводится измерение по данным Sentinel-1A смещения земной поверхности в районе землетрясения магнитудой 7,6 баллов, произошедшего в 2017 в районе Алеутских островов, примерно в 100 км от Камчатки.

Одна из главных задач спутникового мониторинга – контроль ледовой обстановки, без чего невозможно организовать безопасную навигацию по Северному морскому пути.

Слева показаны необработанные изображения со спутника RADARSAT-2. Далее отдельные фрагменты увеличены.

«Даже по таким изображениям можно без всякого сложного математического аппарата контролировать развитие ледовой обстановки и прокладывать оптимальные маршруты движения судов», – говорит академик Бондур.

После обработки можно получать более контрастные и наглядные карты ледовой обстановки.

На этом слайде приведена карта толщины льда во всем Арктическом регионе по данным спутника CRYOSAT-2. Показана градация – толстый лед, средней толщины и тонкий. Отслеживается динамика ледяного покрова в течение нескольких месяцев.

«Это лишь несколько примеров того, какие данные можно получать с помощью РЛ-спутников высокого разрешения, – подводит итог академик Бондур. – Но по ним видно, насколько спутниковая радиолокация необходима для освоения Арктики».

Подготовил Леонид Ситник, редакция сайта РАН.