Как заработать на космосе — это вопрос, который в России воспринимается неоднозначно. Растеряв за последние четверть века некогда лидерские позиции в области космических технологий, сегодня российская ракетно-космическая отрасль ищет источники внебюджетного финансирования для покрытия хотя бы части расходов на ликвидацию технологического отставания от Запада. В космосе зарабатывают два типа аппаратов, интересных коммерческим операторам: телекоммуникационные спутники и спутники дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ). О состоянии второго направления «Лента.ру» поговорила с главным конструктором всех работающих сегодня в космосе российских многоспектральных сканирующих приборов, сотрудником холдинга «Российские космические системы» Юрием Гектиным.
Разработанный и произведенный под вашим руководством прибор МСУ-МР (многозональное сканирующее устройство малого разрешения — «Лента.ру») был установлен и на космическом аппарате «Метеор-М», запуск которого закончился неудачей в конце 2017 года. Вы наблюдали за тем запуском? Какие были эмоции?
Юрий Гектин: Негативные, конечно. В этот аппарат было вложено много труда и денег. На нашем приборе по сравнению с предыдущими модификациями были существенно улучшены аппаратная и программная части.
Когда проделана такая работа, всем ее участникам очень важно видеть результат. Каждый новый работающий в космосе прибор позволяет нам серьезно продвинуться вперед, оценить примененные в нем новые решения, сделать определенные выводы для дальнейшей работы.
Когда что-то идет не так, эта возможность откладывается, а время — это самое дорогое, что у нас есть. Это, пожалуй, главное разочарование. Но авария не может остановить развитие системы, она только задержит его.
Мы уже передали ВНИИЭМ новый прибор для «Метеор-М» №2-2, который будет запущен в этом году. И будем наращивать темпы производства, как этого требуют планы развития российской группировки ДЗЗ. Наш холдинг инвестировал собственные средства и привлек госфинансирование для создания нового производства МСУ — сейчас это важнейший проект. Мы наконец-то получим по-настоящему серийное, оснащенное специальным оборудованием производство многоспектральных приборов. Ничего подобного в России пока нет. Это позволит очень сильно прибавить в качестве, надежности и точности приборов.
На российских спутниках установлены только российские приборы?
Только российские. Санкции мало что изменили. Мы не могли купить приборы у американских коллег даже в годы хороших отношений.
Когда создавалась российская система «Метеор», гидрометеорологи предлагали купить американский прибор AVHRR, много экземпляров которого работают на орбите на иностранных спутниках. Это гражданская технология, он используется исключительно для получения метеорологических данных... Но договориться так и не удалось. Это было еще в 1990-е годы — задолго до санкций, поэтому выбор у нас был простой — или все бросить, или делать свое.
Вы работаете в очень сложный для российской ракетно-космической промышленности период. Не завидуете иностранным коллегам?
Я бывал в США, общался с коллегами, видел, как у них устроена работа. Можно позавидовать их свободе с точки зрения элементной базы и финансирования. Мы в этом пока ограничены. Но это заставляет нас подходить к работе…. скажем так – очень творчески.
Что вы имеете в виду?
Наши ученые и инженеры, выжимая максимум из того, что имеют, способны находить очень оригинальные, я бы даже сказал изящные решения. К примеру, наш МСУ-МР. Он стоит порядка двух миллионов долларов. Когда мы хотели купить американский AVHRR, торг остановился на отметке в 45 миллионов долларов. Могу вас заверить — технические характеристики у этих приборов почти не отличаются. Да и по надежности наш прибор, как показало время, не уступает. Сейчас он работает на двух спутниках «Метеор-М», и метеорологи довольны результатами.
Где еще сейчас работают созданные вами приборы?
МСУ малого разрешения установлено на низкоорбитальных «Метеор-М». В геостационарных системах «Электро-Л» используются МСУ-ГС. Также мы создали и начали поставлять приборы для высокоэллиптической системы «Арктика», развертывание которой планируется в 2019 году. Она позволит получать информацию по арктическим зонам. Спутники «Электро-Л» «висят» над экватором, и полюсы с них просматриваются плохо. «Арктика» будет получать похожую информацию, но для полярных областей.
Кроме того, в прошлом году на орбиту был выведен космический аппарат «Канопус-В-ИК» с нашим многоканальным радиометром среднего и дальнего инфракрасных диапазонов (МСУ-ИК-СРМ). Этот прибор позволяет обнаруживать даже небольшие возгорания на огромных площадях.
Для чего вообще нужно наблюдать за Землей из космоса. Когда эта сфера начала развиваться?
В России аппараты ДЗЗ начали создавать еще в 1970-е годы. Сперва решались достаточно простые задачи в интересах гидрометеорологии. Но позже эта сфера космической деятельности начала развиваться очень быстро, и космические данные стали применять во многих отраслях экономики.
К примеру, когда мы получили первые широкомасштабные изображения Урала, то это произвело мини-революцию в геологии — ученые пересмотрели целый ряд существовавших тогда представлений о природе уральских гор. Таких открытий было много — сложно найти сферу человеческой деятельности, для которой начало космического наблюдения за Землей не перевернуло бы какие-то представления.
Из космоса видно то, что в принципе нельзя увидеть с Земли или даже с самолета.
Например?
Уклоны поверхности в единицы сантиметров, растянувшиеся на тысячи километров, движение облаков, ураганы, океанские течения, состояния посевов… Всего не перечислить, это очень большой список.
В 1980-е годы началась эпоха космической геологии, которая позволила быстрее и лучше находить месторождения и изучать сами геологические структуры. Потом мы создали новые приборы, которые не просто давали изображение, а позволяли измерять приходящее отраженное земной поверхностью излучение с высокой точностью.
Сегодня, например, в тепловом диапазоне мы видим температурные контрасты в 5 сотых градуса, что значительно точнее обычного градусника. А точность абсолютных измерений лежит в 1-2 десятых градуса. И это делают приборы, находящиеся на расстоянии от 800 до 36000 километров от Земли.
Это интересно ученым, геологам, но сегодня это огромный рынок объемом в миллиарды долларов.
Какие сценарии применения космических данных могут окупить вывод на орбиту спутников?
Их много. Я могу привести несколько ярких примеров. Мало кто знает, но космические аппараты в начале 1990-х произвели революцию в рыбной ловле. Тогда неожиданно для всех японские рыбаки вышли на ведущие позиции по вылову тунца в Атлантике. Это было не везение, а чистая наука. Ученые определили, по каким температурным границам ходит тунец, в каких течениях. Спутники собирали информацию, потом ее обрабатывали на Земле, и в результате рыбаки знали с высокой степенью вероятности, в каких именно местах океана и в какой момент надо вести лов.
Схожий метод в конце 1980-х — начале 1990-х использовали и в СССР. Наши рыболовные флотилии работали по четкой программе. Космические средства изучали синоптические вихри в океане и течения. Рыба ходит за планктоном, а планктон зависит от течений и синоптических вихрей. В результате, вместо поиска «иголки в стоге сена» наши рыбаки получили четкую программу работы — экономия трудозатрат, топлива, времени была сумасшедшая.
Рыбная ловля — это один пример. Где еще применяются космические данные?
Применений много, и по мере развития технологий, повышения качества и удешевления информации возможностей становится еще больше. В сельском хозяйстве, например, уже существуют сотни сценариев использования спутниковых данных. На основе измерения влажности почвы и индекса вегетации можно для каждого участка любого поля на всей поверхности планеты определить, когда его надо засевать, поливать, удобрять или когда пришла пора собирать урожай.
Из космоса мы видим глобальную картину. Космические средства позволяют на огромных пространствах выявлять участки растений, например, зараженные болезнью. Последнее очень важно для лесного хозяйства.
Известен ли вам экономический эффект применения аппаратов ДЗЗ. Его кто-то считал?
Есть масса работ на эту тему, но большинство оценок относительны, ведь надо, по сути, подсчитать непотраченные деньги в неслучившейся ситуации. Допустим, происходит наводнение. С помощью спутника можно увидеть, как оно динамически развивается, куда направить спасателей, где строить плотины. Как это оценить экономически? Чрезвычайно сложно эффективно оценить потери от стихийного бедствия, которые удалось вовремя предотвратить.
Или, допустим, работа, которую выполняют геологи. Вместо организации 10 экспедиций и бурения скважин специалисты могут посмотреть на снимки и оценить, в каком районе бурить бессмысленно, а где, наоборот, необходимо сконцентрировать внимание.
Для сельского хозяйства и своевременной посевной кампании важен момент весной, когда сходит снежный покров, — из космоса это четко фиксируется. Экономический эффект от выбора времени начала посева будет понятен только осенью.
В масштабах страны эффективность применения данных ДЗЗ экономит миллиарды рублей.
Как вообще приборы видят Землю?
Метеорологические спутники имеют полосу обзора до 3000 километров. Аппараты на геостационарной орбите получают каждые пять-десять минут изображение всего диска Земли. При этом они снимают в 20-15 спектральных диапазонах, получая данные, в том числе, и по температуре.
Кстати, красивые фотографии нашей планеты, которые вы видели, это не оригинальные снимки, а результат обработки. Дело в том, что Землю из космоса практически невозможно наблюдать в синей области спектра, в которой все излучение задерживает атмосфера. Если посмотреть на нее в этом диапазоне, мы увидим матовый шар голубого цвета. Поэтому все красивые фотографии с орбиты, к которым мы привыкли, делаются в так называемых псевдоцветах — там синий цвет задавлен, а вместо него добавляется зеленый, красный или желтый. Или берется ближний инфракрасный цвет, который глаз почти не видит, ему присваивается красная палитра, и получается изображение, похожее на то, что мы видим глазами: облака — белые, растительность — зеленая, вода — синяя.
Вы несколько раз упомянули разные спектры — что это такое и как используется? Зачем вообще прибору видеть в нескольких спектрах?
Все растения и вещества на Земле отражают свет по-разному, в определенном, заранее известном нам спектре отражения. Это позволяет делать определенные выводы на основе сравнения фактических данных с эталонными. Спектральные неоднородности отражения позволяют искать места залегания полезных ископаемых, выявлять болезни растений, определять их стадию вегетации и так далее.
Сколько спектров для этого требуется?
Прибор, который разработан для решения 90 процентов задач, должен иметь около 20-25 спектральных диапазонов. Существуют также гиперспектральные приборы, которые воспринимают весь спектр. Исследователи для каждой своей задачи выделяют определенные области спектра. Из них они «вытягивают» нужную им информацию.
Как это происходит?
Даже в спектре, который различает человеческий глаз, можно многое разглядеть, но приборы уже давно видят намного больше. Человек видит в довольно узкой спектральной области — от 0,4 до 0,8 микрон. Это известные всем фотолюбителям RGB, три канала, которые есть в обычном фотоаппарате.
Приборы на космических аппаратах наблюдают весь спектр отражаемого от Земли света. От ультрафиолета до диапазона в 3-4 микрона отраженный свет работает и несет информацию. Дальше, после 5 микрон преобладает не отраженное солнечное излучение, а собственное тепловое. Оно несет информацию о радиационной температуре поверхности и ее структуре.
В зависимости от теплоемкости материала, от его характеристик — пористости, плотности и так далее — мы видим разную температуру. Но это не физическая температура. Если мы измерим температуру почвы термометром, то он покажет, например, 25 градусов Цельсия. А если мы посмотрим из космоса на это место, то это будет не 25 градусов, а вполне возможно 27 или 23 градуса. Вот это отличие от так называемого «абсолютно черного тела», по которому определяется контактная температура, к которой мы привыкли, — оно и определяет свойство поверхности. Близки эти две температуры только для воды. Вода является аналогом «черного тела», и если измерить ее температуру термометром и посмотреть на радиационную температуру, то показатели будут схожи.
Как по температуре удается определить свойство поверхности? Насколько это информативно?
Все зависит от обработки — это довольно сложный процесс. Полученные показания сравнивают с существующими базами данных и моделями. Затем выясняют, как связаны полученные показания с теми задачами, которые требуется решить, — структура поверхности, материалы, геология, растительность, степень вегетации, влажность почвы, снежный покров и так далее. После этого создается визуализация для конечного пользователя.
Кто занимается обработкой?
Сейчас РКС разрабатывает приборы и обеспечивает управление космическими аппаратами, а также готовит базовый продукт ДЗЗ. В ближайшее время мы планируем начать работать на рынке обработки информации для конечного потребителя.
Вообще алгоритмы обработки данных — это очень важная часть работы, составляющая коммерческую тайну, которая хорошо охраняется.
С технической точки зрения, как работают МСУ? Как они устроены?
Если совсем просто, МСУ — это тот же фотоаппарат, но у него множество фотоприемников.
Если у фотоаппарата три матрицы на RGB или одна, в которой встроен RGB, то у сканирующих систем есть специальные приемники, которые настроены каждый на свой спектральный диапазон. Формируют эти спектральные диапазоны специальные оптические системы. По-другому не получается. Сделать оптику, которая будет с высоким качеством и в любом спектральном диапазоне наблюдать Землю в самых разных углах затруднительно. Поэтому когда применяется широкоугольная система, то используется еще и оптико-механическое сканирование — применяется поворот зеркал. Это делается как многоэлементными приемниками, так и малоэлементными. А для кадровой развертки используют движение самого спутника.
На земной орбите многие метеорологические спутники работают непрерывно. Аппарат летает вокруг Земли годами, а данные 8-10 спектральных каналов его съемки полосой обзора 3000 километров поступают на Землю в постоянном режиме. Любой исследователь в любой точке земного шара может получать эту информацию.
То есть устройство буквально сканирует планету?
Именно. И делает это непрерывно. Таким образом, мы получаем за сутки изображение всей Земли. Если работает система спутников, то такое полное изображение Земли мы можем получать каждые 2-3 часа. А с других аппаратов, расположенных на геостационарной орбите на расстоянии 36000 километров, мы можем получать все изображение диска Земли каждые 5-7 минут. Частота зависит от конкретных задач: обычно информация с геостационара поступает каждые полчаса, но если необходимо следить за опасными метеоявлениями, например, за ураганами или другими стихийными бедствиями, то в учащенном режиме можно получать до одного изображения каждые 5 минут.
Например, так можно отслеживать динамику развития наводнений — по снимкам из космоса хорошо видно, как прибывает вода. На Земле вы не можете одновременно посмотреть в каждой точке, как заливаются поля, города, а из космоса все мгновенно видно. Даже слой воды в 2-3 сантиметра будет четко виден. Это очень важно для спасательных служб.
Прибор на космическом аппарате «Канопус-В-ИК» имеет полосу обзора 2000 километров и при этом видит очаг возгорания в 5 метрах, который определяется по температуре. Спутнику достаточно всего несколько часов, чтобы просканировать всю территорию России. Никакие наземные службы не смогут проделать такую работу настолько быстро.
Насколько наши возможности отличаются от возможностей других государств?
Что касается приборов, то принципы их работы общие. Они определяются физикой процесса, и ничего нового тут не придумаешь. Но технологии — фотоприемники, оптика, материалы — у нас разные. В этой сфере Россия за рубежом покупать ничего не будет.
Возможно ли сотрудничество?
В гидрометеорологии оно было, есть и, наверное, всегда будет. Погода на Земле — это глобальная система и допустить выпадение из нее отдельных стран никому не выгодно. В России этим занимается НИЦ «Планета» в составе Росгидромета. Часть продуктов, которые они производят, строится на совместной информации.
В технологической сфере идет скорее соревнование: кто сможет предоставить потребителю более качественные данные с более высокой точностью привязки к местности, минимумом артефактов и по которому проще измерить яркость излучения, идущего от Земли. Для многих задач важно измерение событий на поверхности Земли во времени — необходимо увидеть, что находилось на той или иной местности год назад и ранее. Для рынка данных ДЗЗ сегодня важно мерить Землю одной линейкой и нужно, чтобы она была стабильна.
Есть ли планы делать аналогичные приборы для изучения других планет?
У России очень богатая история в этом отношении, камеры сделанные когда-то в РКС моими наставниками и старшими коллегами стояли на луноходах, мы делали камеры на посадочный модуль Луны, мы раньше американцев сняли Марс в высоком разрешении в тепловой области спектра. Мы единственные, кто получил цветные панорамные изображения поверхности Венеры. У нас богатый опыт, который сегодня может быть востребован, если будет соответствующая программа, заказы и финансирование.