Навигация <<Эксперт>>

Mercury Logistics
Спутники-шпионы: военные ИТ на службе бизнеса

В начале 60-х годов ХХ века, когда были запущены первые разведспутники, никто не мог предположить, что когда-нибудь военными данными сможет воспользоваться каждый.

Началом эры разведспутников можно считать 18 августа 1960, когда американцы успешно возвратили с орбиты капсулу с фотопленкой первого разведывательного космического аппарата (КА) с фотокамерой на борту, разработанного в рамках секретной программы Corona. Это произошло после того, как 1 мая 1960 СССР сбил самолет-разведчик U-2, который пилотировал Палмер (Френсис Гарри Пауэрс). Аналогичный по назначению фотоспутник «Зенит» был запущен в СССР 26 апреля 1962.
По общепринятому мнению, программы космической фоторазведки США и СССР внесли существенный вклад в сохранение мира. Однако быстрый прогресс в области оптики, систем обработки и передачи данных позволил радикально расширить спектр возможностей раздведспутников, не ограничиваясь решением лишь военных задач. Если первоначально наилучшее разрешение снимков не превышало полсотни метров, то сегодня они позволяют разглядеть отдельных людей и определить марку автомобиля. Это открыло новые и зачастую неожиданные области их применения, начиная от оперативной локализации лесных пожаров и определения размеров несанкционированных вырубок лесов и заканчивая определением зоны транспортной доступности и удаленности от ближайших торговых точек покупаемой недвижимости и даже поиском удобного места для воскресной рыбалки.
Первоначально снимки, полученные космическими аппаратами, нельзя было использовать для принятия оперативных решений: проэкспонированная фотопленка доставлялась на Землю в спускаемых аппаратах, и только после этого с ней можно было начинать работу. В результате материалы о ходе быстротечных арабо-израильских войн 1967 и 1973 годов, которые американцы получали с фотоспутников, представляли в основном историческую ценность, другим существенным недостатком был малый срок активного существования космического аппарата.
Выход был найден в создании спутников оптико-электронной разведки с возможностью передачи данных по радиоканалу в реальном времени. Первым стал KH-11 (KeyHole, «замочная скважина», - кодовое обозначение оптических систем космической разведки США, запускаемых с 1976 без фотокамеры на борту). Все современные коммерческие спутники дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) унаследовали основные технические решения KH-11: приборы с зарядовой связью (ПЗС) в качестве фотодетекторов, зеркальные, а не линзовые, телескопы, бортовые компьютеры для форматирования, сжатия и хранения изображений, радио передачи снимков через узконаправленные управляемые антенны.
Аппаратура и технологии космической фотосъемки быстро совершенствовались, и за 20 лет пространственное разрешение снимков (основная характеристика изображений, определяющая степень их детальности) улучшилось с нескольких метров до 20...30 см. Современные американские наследники KH-11 имеют гигантскую массу - 15...16 т, оснащены широкоапертурными телескопами с главным зеркалом диаметром около 2 м и могут обеспечивать съемку с разрешением, близким к теоретическому пределу, - 7...10 см.
Быстрый прогресс электроники, оптики и информационных технологий лишил США и Россию монополии на космическую разведку уже в середине 80-х годов ХХ века. Аналогичные по назначению и принципам программы были созданы в Израиле (OFEQ), Японии (MIGS), Франции (Helios), Китае (JB-3) и Индии (TES). Ввиду нестабильности ситуации на Ближнем Востоке и в Азии, собственные средства космической разведки разрабатывают Саудовская Аравия, Катар, ОАЭ, Египет, Турция и Корея.
Однако достаточно быстро были осознаны перспективы использования космических снимков и для решения невоенных задач, поэтому уже в 1972 начала реализовываться первая американская гражданская программа дистанционного зондирования Landsat, в рамках которой спутники запускаются до сих пор. В годы «холодной» войны администрация США с успехом использовала данные этой программы для прогноза урожайности зерновых культур в СССР с целью выработки ценовой политики поставок продовольствия. В то же время астрономическая даже по американским меркам стоимость космических проектов вынудила практически все страны развивать программы двойного назначения, совмещающие, наряду с военными, социально-экономические и коммерческие задачи. Такие программы разрабатываются в США (NextView), России (Ресурс-ДК), Италии (Cosmo) и Франции (Pleiades).
Первыми необходимость привлечения бизнеса в космические программы осознали США. В 1984 администрация США приватизировала Landsat, передав спутники под контроль компании EOSAT. В этой программе была впервые применена оказавшаяся удачной практика создания территориально- распределенной сети станций прямого приема данных в различных странах. Сегодня аналогичные сети зарубежных станций создали практически все мировые операторы. Однако данная попытка создания коммерческой системы закончилась неудачно. Для компенсации затрат на поддержание наземной инфраструктуры стоимость изображений была увеличена до $ 3...4 тыс., что привело к падению объемов продаж. Кроме того, французская компания Spot Image смогла предложить снимки спутника SPOT-1 с лучшим пространственным разрешением - 10 м, в результате чего в 1989 обошла EOSAT по объемам продаж. В 1992 конгресс США был вынужден вернуть Landsat под государственное управление, и сегодня снимки, полученные в рамках программы, распространяются геологической службой USGS по цене копирования. Стоит заметить, что в 1995 администрация Клинтона рассекретила архив фотоматериалов программ видовой разведки Corona, Argon, Lanyard, сделанных до 1972 включительно. Материалы (880 тыс. снимков) доступны теперь в цифровом формате через веб-сервер геологической службы США также по цене копирования.
Важными вехами в развитии мирового рынка космических геоданных стали запуски индийских спутников серии IRS-1C/D (разрешение до 5,8 м) и появление рассекреченных изображений с разрешением 1...2 м, полученных российскими военными спутниками серии «Космос».
Чтобы удержаться на рынке геоинформатики, США должны были предпринять меры. На тот момент логично было предположить, что появление коммерческих спутников с «военным» пространственным разрешением приведет к взрывному развитию рынка, а по заявлению Пентагон, технологии космических оборонных программ США тогда, по крайней мере, на поколение опережали те, что имелись в распоряжении других стран. Поэтому на основе KeyHole можно было без особого ущерба национальной безопасности США создать «упрощенные» гражданские варианты спутников с разрешением, загрубленным до0,5...1 м.
В результате, в соответствии с новыми «правилами игры», в 1999-2003 годах 3 компании - Space Imaging, DigitalGlobe и OrbImage - из 13 первоначально получивших лицензии стали операторами коммерческих спутников метрового и субметрового разрешения:
Ikonos-2, QuickBird-2 и OrbView-3. По опубликованным оценкам, программа создания системы Ikonos обошлась в $700 млн., QuickBird - в $500 млн, при этом все три оператора потеряли по одному спутнику в результате аварий. И хотя благодаря устойчивому росту мировых продаж компании имели положительный финансовый баланс, на быструю окупаемость рассчитывать не приходилось. Тем более не могло быть и речи о финансировании разработок и создания спутников следующего поколения.
И опять за дело взялись госструктуры. В 2002 директор ЦРУ Джордж Тенет в директивном порядке приказал ведомствам, входящим в разведывательное сообщество США, закупать основную долю картографической продукции у операторов коммерческих систем. При этом, на пятилетнюю программу закупки коммерческих снимков ClearView было выделено около $500 млн. На аналогичные контракты по закупке данных со стороны гражданских госорганов через Геологическое управление США было выделено на порядок меньше средств, поэтому движущим рычагом рынка по-прежнему остались оборонные потребности государства. Правда, в 2003 и 2004 годах было проведено два конкурса в рамках программы NextView на создание спутников двойного назначения полуметрового разрешения стоимостью по $500 млн. каждый. Агентство геопространственной разведки США, курирующее данные вопросы, участвовало в долевом финансировании проектов в счет приобретения космической информации по фиксированным ценам ниже рыночных. Контракты по лучили компании DigitalGlobe (спутник WorldView) и OrbImage (OrbView-5), а SpaceImaging, проигравшая оба тендера и к тому же лишившаяся поддержки инвесторов, в конце 2005 года была поглощена компанией OrbImage, изменившей название на GeoEye.
Все это привело к стабилизации рынка геоданных, а также к появлению космических аппаратов нового поколения, около 50% ресурсов которых было выделено на выполнение коммерческих заказов. Однако их возможностями на сегодняшний день могут воспользоваться далеко не все, США ввели ограничения на распространение космоснимков. В ряд стран, в том числе и в Россию, изображения будут поставляться с намеренно загрубленным разрешением и с задержкой не менее 24 часов.
Прогресс, произошедший в технологиях космической съемки за 40 лет, разителен. Достаточно сравнить внешний облик спутников Corona и «Зенит» с современными КА ДЗЗ метрового разрешения, например Ikonos-2 или QuickBird-2. Если раньше в структуре спутника доминировали служебные подсистемы, то сегодня такой аппарат, по сути дела, является трубой телескопа, вокруг которой крепятся миниатюрные служебные подсистемы и панели солнечных батарей.
Революцию в технологиях космической съемки, начавшуюся со спутника KeyHole-11 в 1976, можно охарактеризовать как переход от использования фотопленки к цифровым решениям, который поддерживался сопутствующими технологиями микроэлектроники, бортовой обработки данных, доставки данных в режиме реального времени, внедрением многоэлементных ПЗС-структур и легких зеркальных телескопов. Сегодня для улучшения качества снимков начали применять специальные методы маневрирования, а для повышения чувствительности - технологии временной задержки и накопления сигналов (TDI) в матрицах ПЗС. Ориентирование по звездным датчикам и по GPS позволило довести точность координатной привязки изображений до единиц метров.
Эффективность современных спутников заметно выросла благодаря увеличению производительности аппаратуры и срока активного функционирования на орбите. Высокая производительность спутника обеспечивается быстрым перенацеливанием с одного объекта съемки на другой с помощью силовых гироскопов (маховиков ориентации). В результате спутник Ikonos-2, например, снимает в течение суток до 600 стандартных сцен, а суммарная площадь ежесуточной съемки с метровым разрешением составляет 166 тыс. кв. км. Цифровые технологии и гибкая схема нацеливания и сканирования позволяют реализовывать различные режимы съемки: покадровый, маршрутный (векторный), площадной (мозаичный), а также стереосъемку. При этом, благодаря высокой надежности микроэлектронных компонентов срок активного существования КА увеличился в несколько раз и в настоящее время достигает 10 лет.
Сегодня основным фактором, ограничивающим длительность эксплуатации КА, зачастую становится запас топлива двигателей коррекции, помогающих удерживать спутник на солнечно-синхронных орбитах. Абсолютными космическими рекордсменами-долгожителями среди спутников дистанционного зондирования сегодня являются Landsat-5 (США, 22 года) и SPOT-2 (Франция, 16 лет). Срок функционирования американских секретных спутников серии KeyHole, вероятно, может превышать 10 лет. Переход же от химических двигателей с ограниченным запасом рабочего тела к электродвигательным установкам позволит еще больше продлить срок эксплуатации спутников, сделав его зависимым в основном от эффективности солнечных батарей, снабжающих спутник электроэнергией.
Еще одним важнейшим шагом в развитии дистанционного зондирования можно считать переход от линзовой оптики к зеркальной. Сейчас практически все ведущие разработчики применяют зеркальные телескопы, используя при этом различные материалы для снижения массы зеркал. Например, удельная масса зеркала телескопа Hubble в 80-х годах составляла 180 кг/кв. м, а зеркала из материала Zerodur в мини-спутнике TOPSAT начала 2000-х годов - 164 кг/кв. м. Согласно опубликованным данным, в Великобритании разрабатываются зеркала на композитной основе CFC с удельной массой 5,66 кг/кв. м. Разрешающая способность аппаратуры спутников при этом может быть улучшена на основе принципов адаптивной оптики, первоначально разработанных для наземных телескопов. Например, в рамках британской программы ALCAMIST создано адаптивное зеркало диаметром 55 см на основе CFC с 19 приводными механизмами изменения его профиля. А на смену черно-белой (так называемой, панхроматической) пришла спектральная съемка, включающая инфракрасный диапазон с радиометрическим разрешением 11 бит. К 2008 на спутнике WorldView-2 будет уже 8 спектральных каналов.
Переход от пленки к цифровым технологиям коренным образом преобразовал методы обработки изображений и расширил области практического применения космической информации благодаря оперативности, автоматизированной обработке и возможности получения новых продуктов. Сегодня среди основных областей применения цифровых высокодетальных изображений - картография, ГИС, моделирование, планирование строительства. При этом, высокая оперативность и глобальность делают космосъемку незаменимой при прогнозировании погоды и наблюдениях за изменениями климата в агробизнесе, при мониторинге зон стихийных бедствий, оценке месторождений полезных ископаемых и т. д.
В то же время, высокая информативность космических снимков, дополненная данными о рельефе местности, трехмерной моделью объектов и строений на ней, а также координатной привязкой, позволяет качественно изменить характер их использования. Относительно новыми областями применения космических снимков являются средства массовой информации, которые пользуются сетевыми глобальными поисковыми ГИС (вроде сервиса Google Earth), страхование недвижимости. На смену изображениям - картам и снимкам - приходят полноценные модели местности.
Возможность трехмерного моделирования театра военных действий для планирования операций сполна оценили военные. Одним из первых примеров программных продуктов такого рода стала программа GeoScout, однако одними военными проектами дело не ограничилось. На сегодняшний день использованные в GeoScout технологии доступны каждому посетителю ресурса Google Earth стремительно завоевывающему популярность во всем мире. В гражданской сфере успех ГИС-сервиса Google Earth повторить пока не удалось никому. Компания Google, предоставив возможность моделирования трехмерного изображения местности непосредственно пользователям, на много лет вперед определила тенденции развития рынка ГИС-приложений. Круг замкнулся - услугами Google Earth теперь пользуются и в Пентагоне.
Наиболее успешной российской программой ДЗЗ с оптико-электронной аппаратурой можно считать спутники серии «Ресурс-О1». Информация оказалась востребованной в Европе, были заключены соглашения о приеме и маркетинге данных с Германией и Швецией, но в 2000 работа радиопередатчика на борту последнего спутника «Ресурс-О1 № 4» прекратилась.
В целом, развитие отечественного рынка пространственной информации в 2000-х годах характеризуется приходом в Россию иностранных операторов и неподготовленностью нормативной базы к работе с зарубежными данными метрового разрешения. Объем продаж высокодетальной космической информации ежегодно увеличивается в 2-3 раза, однако эти данные приходят только из-за рубежа. Но и в этом сегменте развитие отечественного рынка сдерживают сохраняющиеся режимные ограничения, в частности, на снимки из США и Израиля. Последствия политики всеобщего запрета сказываются как на простых потребителях, так и на государстве. Сейчас территорию нашей страны иностранцы знают лучше, чем мы сами. По данным экспертных оценок, на начало 2005 года из всего архива изображений, сделанных спутниками QuickBird-2 и Ikonos-2 по России, только 5% принадлежит российским заказчикам. Специалисты, детально просмотревшие заказы на съемку только по Прибайкалью, утверждают, что со спутников сняты все крупные инвестиционно - привлекательные месторождения полезных ископаемых, но наши отечественные разработчики и госведомства таких изображений не имеют.
Сейчас все надежды на развитие рынка геоинформатики в России связаны с запуском нового спутника «Ресурс-ДК». Спутник, с одной стороны, имеет явные преимущества: широкую полосу захвата - 28 км (по сравнению с 8...16 км у аналогов) и высокую производительность - до 700 тыс. км/сутки, а с другой стороны, ему предстоит работать на наклонной орбите, которая не обеспечивает оптимальные условия съемки, а бортовые ресурсы рассчитаны на более чем скромный срок эксплуатации - 3 года. Если добавить к этому отсутствие развитой сети дистрибьюторов данных, то коммерческая успешность программы вообще оказывается под вопросом.
Но в любом случае, появление российского спутника ДЗЗ при условии либерализации отечественного рынка даст толчок развитию геоинформатики в России. В первую очередь, речь идет о создании картографической продукции для различных ГИС, моделирующих и прогнозных систем. Главное - найти оптимальный баланс интересов экономического развития и национальной безопасности.