Подсматривать хорошо

То, что было вчера страшным сном офицера ведомства госбезопасности, сегодня уже реальность, а завтра может превзойти любой его кошмар. Подробные спутниковые снимки поверхности нашей планеты с высочайшим разрешением сейчас доступны по известному адресу maps.google.com, а завтра изображение любого отдаленного уголка Земли каждое гражданское лицо сможет видеть в реальном времени. Это стало возможным благодаря развитию технологий дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ), а также частным компаниям, производящим космические средства мониторинга и их компоненты. 22 Июль 2015, 09:35
28 января 2014 г. российские космонавты Олег Котов и Сергей Рязанский установили на внешней поверхности российского модуля МКС «Звезда» две HD-камеры (одна для фотографирования, другая — для видео), через которые транслируются фото- и видео­изоб­ра­же­ния земной поверхности. Их собственник, канадская компания UrtheCast,  уже ведет бесплатную трансляцию «живого» видео с МКС на своем сайте.
Urthecast has installed two high definition cameras on the International Space Station and will soon begin streaming footage directly to the web.
Разрешение камер позволяет различать крупные объекты и даже группы людей на поверхности планеты. Фотокамера может охватить участок в 45 кв. км, видеокамера — 5 кв. км, и это при том, что за один день МКС делает 15–16 витков вокруг Земли, вращаясь на высоте 420 км от ее поверхности со скоростью 26 тыс. км/ч.
В производство камер (их изготовила британская Rutherford Appleton Laboratory) UrtheCast вложила $5 млн — ничто в сравнении со $100 млн, требовавшимися прежде на строительство спутников дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ). Плоды цифровой революции, случившейся на Земле на рубеже тысячелетий, теперь захватывают околоземное пространство, делая возможным и легкодоступным то, о чем еще вчера человек даже не мечтал.

Любой закуток за ваши деньги

Рынок ДЗЗ испытывает заметный рост везде, где экономика на подъеме. По данным маркетингового агентства Euroconsult, спрос на данные ДЗЗ в Латинской Америке, России, странах СНГ, Азии и Ближнего Востока в последние годы рос более чем на 15% (совокупный среднегодовой темп роста за 5 лет), что обусловлено растущей потребностью в данных для мониторинга природных ресурсов, строительства и, конечно, для применения в сфере обороны.
Инагурация президента США Барака Обамы. 2009 год. Фото со спутника GeoEye-1 
Кликните на фотографию для увеличения.
Transparency Market Research (TMR) прогнозирует, что к 2019 году глобальный рынок коммерческих космических фотоснимков превысит $5 млрд. (В 2012 году его объем достиг уровня в $2,05 млрд.) В TMR считают, что главными драйверами роста станут системы мониторинга нефте- и газопроводов, развитие страховых продуктов и коммерческих сервисов, основанных на спутниковых данных. Результаты ДЗЗ, выражаясь несколько упрощенно, «хорошо пошли» в массы. Единожды рассмотрев свой дом (микрорайон, поселок) на снимке со спутника, мы неизменно хотим большего — чтобы изображение было почетче, увеличение побольше, а картинка посвежее, в идеале — сегодняшней. Технологии здесь идут навстречу потребителю: наблюдающих за Землей спутников все больше, а получаемые с них данные — все точнее.
Аэропорт Мадрид, Испания. Фото со спутника WorldView-3
Кликните на фотографию для увеличения.
Одно из самых детальных (если не самое детальное) изображений земной поверхности сейчас способен обеспечить американский спутник ДЗЗ WorldView-3, дающий разрешение снимка 41 см на пиксель в панхроматическом диапазоне.

В 2016 г. к запуску на орбиту готовится космический аппарат WorldView-4 (предыдущее название GeoEye-2) с возможностью максимальной детализации снимка до 30 см на пиксель. Годом раньше собственник этих аппаратов, корпорация GeoEye Inc, была куплена конкурентом — американской Digital Globe, после чего объединенная компания стала настоящим монополистом глобального рынка цифровых снимков земной поверхности с долей порядка 65%.

Главным заказчиком Digital Globe является Минобороны США (обеспечивает порядка 60% выручки), снимки покупают также многие интернет-ресурсы, включая Google. Наиболее детализированные снимки в открытый доступ, как правило, не попадают — в большинстве стран существуют ограничения по максимальному разрешению общедоступных фотографий территории.

ARKYD: частный космический телескоп

Интересным примером частной инициативы в космических программах являтся успешное «народное финансирование» (краудфандинг) проекта орбитального «нанотелескопа» ARKYD 100, о котором Technowars рассказывал в #6/2013. Компания Planetary Resources, ставящая перед собой амбициозную — и на сегодняшний день фантастическую — задачу освоить добычу полезных ископаемых на астероидах, еще в середине прошлого года собрала свыше $1,5 млн на реализацию общедоступного телескопа, выведенного на околоземную орбиту. Его оптика имеет апертуру 200 мм, а камера — разрешение в 5 мегапикселей, что не слишком впечатляет на фоне характеристик его «взрослых» собратьев вроде «Хаббла», но позволяет с равным успехом следить как за небесными телами, так и за масштабными событиями на земной поверхности. Главная «фишка» ARKYD 100 заключается в том, что пользователи, имеющие к нему доступ, могут самостоятельно нацеливать объектив телескопа туда, куда им необходимо. Персональный спутник-шпион для всех! 
Отправленный в космос в 2014 году, Arkyd 3 в результате аварии ракеты-носителя был утерян. Вторая попытка была предпринята в апреле 2015 года: экспериментальный космический аппарат Arkyd 3 Reflight был доставлен на МКС на борту грузового космического корабля SpaceX CRS-6. Согласно пресс-релизу компании, проверка работоспособности электроники, навигационных и других бортовых систем аппарата прошло успешно и 16 июля 2015 года он приступил к выполнению поставленных задач.
Готовится к запуску и аппарат следующего поколения — Arkyd-6. Он будет испытывать системы стабилизации положения в пространстве, средства коммуникации и обнаружения ресурсов. Рассматривая астероид в инфракрасном спектре, аппарат сможет точно измерять разницу температур объектов, что позволит делать выводы о наличии воды и водоносных минералов. 

Меньше, ниже и дешевле

К счастью для потребителя, рынок ДЗЗ сейчас заметно демократизируется — его с удовольствием осваивают новые небольшие компании. UrtheCast — блестящий пример того, как компания выросла из смелой идеи (реализованной, к слову, при участии российского Федерального космического агентства, которое получило права на все снимки территории РФ). Не менее прорывные идеи несут на рынок ДЗЗ компании, изготавливающие недорогие компактные спутники, благодаря чему их можно производить большими партиями и с относительно небольшими затратами выводить на орбиту.
Planet Labs
Planet Labs operates the world's largest fleet of Earth imaging satellites to frequently image the entire planet and provide open access to that information.
Калифорнийская Planet Labs представила инновационный проект формирования глобальной сети из наноспутников (космических аппаратов весом от 1 до 10 кг), которые за счет своего количества смогут фотографировать один и тот же участок земной поверхности с такой частотой, на какую ни одна другая спутниковая система не может рассчитывать. Проект настолько заинтересовал предпринимателей, что в перспективный стартап в конце 2013 г. вложился, в числе прочих, Юрий Мильнер, наш соотечественник, совладелец Mail.Ru Group. При этом сумма привлеченных средств в прошедшем инвестиционном раунде составила $52 млн.
В июле 2015 г. Planet Labs приобрела компанию BlackBridge с их спутниковой группировкой RapidEye. На сегодняшний день в ее составе 5 космических аппаратов, позволяющих делать снимки с разрешением до 5 метров.
На сайте Clyde Space, компании-производителя шасси и систем электропитания для наноспутников платформы CubeSat, можно купить все необходимое, чтобы собрать спутник необходимой конфигурации
Компактные аппараты Dove, изготовленные на платформе CubeSat (размером 10х10х30 см), уже сейчас запускаются целыми группировками прямо с борта МКС — японский модуль станции оборудован специальным шлюзом для запуска спутников данного типа. В Planet Labs эти аппараты создавали бывшие сотрудники NASA, уволенные после сокращения финансирования космических программ в 2010 году. Стандарт для платформы CubeSat был разработан в начале нулевых годов как оптимальный способ для создания университетских космических аппаратов.
В январе 2014 года на орбиту была запущена первая стая из 28 "голубей" (как их называют разработчики из-за характерной формы, напоминающей птицу).  
Наноспутник платформы CubeSat имеет размер немногим более кубика Рубика
SkyBox
Еще один калифорнийский стартап — проект со свежим взглядом на продукты ДЗЗ: SkyBox. Аппарат не столь миниатюрен — весит 100 кг и сравним по размерам с бытовым холодильником. Но затраты на его производство минимизируются таким же образом, что и в случае с CubeSat: берутся не сверхдорогие компоненты, гарантированно устойчивые к радиации, а серийные, коммерчески доступные, из которых в ходе испытаний отбраковывается 95%, но даже при таком придирчивом отборе экономия получается весьма приличная. Тем же путем сегодня идут многие другие компании, в том числе SpaceХ Илона Маска (Elon Musk).
Первый спутник от SkyBox — SkySat-1 — был запущен 21 ноября 2013 года ракетой «Днепр», в начале декабря он передал первые снимки земной поверхности. Их качество впечатляет: на них различимы объекты размером меньше 1 м — стекла автомобилей, дорожная разметка. Даже в SkyBox признали, что качество снимков превзошло их ожидания, и к 2016 году планируют развернуть группировку из 24 аппаратов SkySat, после чего у пользователей будет возможность просмотра фото- и видеоизображения любой точки Земли практически в реальном времени.

Оборонные наноспутники оптической разведки

Идея создания группировок наноспутников-разведчиков пришлась по вкусу и оборонным ведомствам. Подобные «созвездия» шпионов гораздо сложнее уничтожить противоспутниковым оружием ввиду меньших габаритов спутников и большего их количества. А уничтожат — не беда: при невысокой стоимости спутников в серийном производстве восстановить группировку можно будет в кратчайшие сроки.
 
Стив Фуджикава (Steve Fujikawa), основатель компании Maryland Aerospace, демонстрирует прототип наноспутника Kestrel Eye
Примером такого проекта является Kestrel Eye — несколько десятков недорогих миниатюрных спутников, выполняющих разведывательные задачи. Согласно первоначальным планам, каждый спутник должен иметь вес 10 кг, стоить порядка $1 млн и делать снимки с разрешением 1,5 м. Войсковое подразделение, подключенное к системе, получит изображение заказанного участка поверхности планеты в течение 10 минут. В качестве терминала предполагается использовать ноутбук и приемопередатчик S-диапазона. Прорабатывается возможность запуска уже второй версии системы — Kestrel Eye Block II. Один такой космический разведчик будет весить около 30 кг и стоить порядка $1,3 млн при серийном производстве. Можно предположить, что увеличится и разрешение получаемых изображений.
Другой подобный проект, о котором стало известно несколько лет назад, — NanoEye, спутник, в электронике которого используются стандартные модули формата CubeSat, и такая же камера, как в Kestrel Eye. Отличительной особенностью NanoEye является собственный двигатель коррекции орбиты, позволяющий миниатюрному разведчику весом 20 кг опускаться над снимаемой территорией, чтобы разрешение изображений было максимальным. Этот же двигатель сведет с орбиты спутник, выработавший ресурс, чтобы тот не стал космическим мусором. V-образное расположение панелей солнечных батарей призвано снизить аэродинамическое сопротивление разведчика, заметное на низких орбитах. Согласно данным из открытых источников, NanoEye способен различить детали на земной поверхности размерами менее 1 м.
Программы связаны с другой инициативой Минобороны США — Soldier Warfighter Operationally Responsive Deployer for Space (SWORDS), оперативное развертывание спутниковой группировки для тактических целей и под конкретный военный конфликт — вплоть до выполнения отдельной боевой задачи.
Фотография  образа SWORDS во время испытаний в аэродинамической трубе. Фото NASA
В конструкции трехступенчатой ракеты-носителя будут использованы коммерческие компоненты, доступные на рынке и не созданные изначально для нужд аэрокосмической промышленности. Носитель может быть запущен в течение суток после постановки разведывательной задачи, причем с любой территории.

По информации с сайта NASA, проект перемещен в архив, но это точно не означает провал проекта и его закрытие для министерства обороны.  

Фотонная революция

Представление о пределе зоркости спутников ДЗЗ может кардинально измениться в случае результативных работ по принципиально новой технологии фиксации изображений, основанной на принципах квантовой механики. Речь идет о ghost imaging (дословный перевод с англ. — «изображение-призрак»). Принцип основан на использовании квантово-механического эффекта сохранения особого рода связи между фотонами в «спутанном» состоянии. За счет этого эффекта камера может с большой четкостью фиксировать образы объектов, которых она непосредственно не видит — например, из-за неблагоприятных погодных условий.
В отличие от стандартных детекторов, фиксирующих интенсивность светового излучения в каждом пикселе и его спектральные характеристики, и голографических детекторов, дополнительно регистрирующих информацию о фазе излучения, новый метод дает возможность регистрировать также квантовые особенности светового излучения. В частности, учет «квантового шума», неизбежно присутствующего в излучении, позволяет произвольным образом снижать его влияние на определенный аспект изображения. Например, можно значительно снизить шум информации об интенсивности излучения за счет повышения шумов в информации о его фазе и т. д.
Получение изображения с помощью квантово связанных между собой, но разнесенных в пространстве источников света в лабораторных условиях было продемонстрировано в 2008 году в университете Мэриленда. Исследование финансировалось ВВС США с перспективой применения таких технологий в системах ДЗЗ.