Радары в космосе - претендент на Немецкую премию будущего

В современном мире потребность в актуальной геоинформации, получаемой со спутников, чрезвычайно высока и неуклонно растет. Геоинформация нужна для составления топографических карт и для слежения за состоянием объектов инфраструктуры, для наблюдения за природными катаклизмами и антропогенными катастрофами и для мониторинга сейсмической и вулканической активности, для картирования лесных и сельскохозяйственных угодий и для оптимизации транспортных потоков, не говоря уже о решении задач в области обороны и обеспечения безопасности.

Именно благодаря дистанционному зондированию планеты из космоса климатологи получают возможность регистрировать таяние ледников и изменение океанских течений, проектировщики - выбирать оптимальные районы для размещения оффшорных ветропарков, защитники природы - выявлять нелегальную вырубку лесов или нарушения экологических норм ведения сельскохозяйственных работ…

Взгляд на Землю - в любую погоду и в любое время суток

Дистанционное зондирование Земли из космоса началось в 70-е годы прошлого века и осуществлялось тогда при помощи оптических камер. Сегодня различные спутники оснащены самыми разными сенсорами, но пара спутников TerraSAR-X и TanDEM-X является совершенно уникальным проектом в этой сфере. А трое специалистов, сыгравших ключевую роль в разработке, подготовке и реализации этого проекта, выдвинуты теперь на соискание Немецкой премии будущего за 2012 год: директор Института высокочастотных технологий и радарных систем Немецкого аэрокосмического центра DLR в Оберпфаффенхофене профессор Альберто Морейра (Alberto Moreira) и руководители отделов этого же института Герхард Кригер (Gerhard Krieger) и Манфред Цинк (Manfred Zink).

Профессор Морейра формулирует достижения группы так: "Мы разработали технологию, позволяющую осуществлять строго синхронизированный полет двух радиолокационных спутников и таким образом производить трехмерную съемку поверхности Земли, причем в любую погоду и в любое время суток. И все это с точностью, которая ранее считалась недостижимой".

Два спутника в совместном полете

Конечно, дистанционное зондирование Земли производилось и раньше, однако использовавшиеся при этом технологии были несовершенными. В результате еще совсем недавно наука располагала лишь разрозненными, то есть не стандартизированными и далеко не полными по охвату моделями земного рельефа. Некоторые регионы, особенно в полярных широтах, вообще не были измерены, во многих других съемка была произведена с разрешением всего лишь в 30 метров, а кое-где в 50 или даже в 100 метров.

Совсем иное дело - TerraSAR-X и TanDEM-X. Установленные на их борту радиолокаторы, работающие в микроволновом диапазоне, позволяют вести стереоскопическую съемку поверхности Земли в трех режимах: обзорном, маршрутном и прожекторном. В обзорном режиме система сканирует полосу шириной 100 километров с разрешением в 16 метров, в маршрутном режиме - полосу шириной 30 километров с разрешением в 3 метра, в прожекторном режиме - полосу шириной 10 километров с разрешением в 1 метр, причем вертикальное разрешение во всех трех режимах составляет всего 2 метра.

TerraSAR-X и TanDEM-X - спутники-близнецы. TerraSAR-X обращается вокруг Земли с июня 2007 года, TanDEM-X присоединился к нему в июне 2010 года. Вся хитрость в том, что, работая в паре, спутники дают объемную, трехмерную картинку, которая позволяет составить новую высокоточную цифровую модель рельефа Земли.

Репетиция на шаттле подтвердила перспективность метода

Впервые нечто похожее была испытано в 2000-м году на одном из американских шаттлов. Тогда один радар разместили в самом челноке, а второй - на конце специальной мачты длиной 60 метров. Это позволило получить лучшую на тот момент базу данных по рельефу Земли, но в то же время продемонстрировало ограниченность такой концепции: при данной длине мачты разрешение не превышало 30-ти метров, а оборудовать шаттл более длинной мачтой было нереально. Тогда-то и родилась идея разместить радары на двух спутниках-близнецах, обращающихся вокруг Земли строго синхронно и расположенных друг от друга на расстоянии в 200-300 метров. Эту идею, поначалу казавшуюся совершенно сумасбродной, все же удалось реализовать, решив целый ряд сложнейших задач.

Во-первых, уже само по себе сближение двух спутников на столь ничтожное по космическим меркам расстояние было чрезвычайно рискованным маневром, если иметь в виду, что спутники перемещаются в пространстве со скоростью 7600 метров в секунду, то есть примерно 27 тысяч километров в час.

Не менее сложно было и добиться полной синхронизации обоих радаров, а это совершенно необходимое условие для получения интерференционной картинки и создания высокоточной модели рельефа.

Карта рельефа всей Земли будет готова через год

Ведь метод основан на том, что один из спутников посылает на Землю микроволновый сигнал, отражение которого принимается сразу обоими спутниками, а поскольку они находятся на некотором отдалении друг от друга, отраженный сигнал поступает к ним не строго одновременно, а с небольшим временным лагом. Это позволяет вычислить точное расстояние до любой точки на земной поверхности, но только если приемно-передающее оборудование на обоих спутниках работает абсолютно синхронно: счет здесь идет на триллионные доли секунды. Поэтому спутники для обеспечения синхронизации постоянно обмениваются контрольными радиосигналами.

Наконец, для составления высокоточной модели земного рельефа необходимо также знать расстояние между антеннами обоих спутников в каждый отдельный момент времени. А поскольку длина волны используемого радиолокационного сигнала составляет всего 3 сантиметра, речь тут идет о миллиметрах.

Тем удивительнее, что все это отлично функционирует. Управление спутниками осуществляется из Германии, данные измерений поступают на три наземные станции, расположенные в Канаде, Швеции и Антарктиде. Первое высокоточное трехмерное сканирование всей поверхности суши нашей планеты - а это 150 миллионов квадратных километров! - планируется завершить уже в следующем году. Общий объем информации колоссален: по оценке Манфреда Цинка, он составит более 2,5 петабайт.