Чужие «глаза» на орбите

В замочную скважину

Специальная военная операция, как известно, началась с ракетных ударов ВС России по украинским авиабазам, 90% которых были выведены из строя вместе с самолётами. Тем не менее, как потом выяснилось, ВСУ удалось сохранить часть боевой авиации. За несколько часов до атаки с аэродромов в Мелитополе и Кульбакино под Николаевом, штурмовики Су-25 299-й бригады были переброшены на гражданский аэродром Канатово под Кировоградом, один истребитель Су-27 нашёл временное укрытие в Румынии, а несколько военно-транспортных бортов Ил-76 из 25-й бригады накануне вообще перелетели в Польшу. Спрашивается, кто мог предупредить противника? Может, СБУ перехватила радиообмен наших ракетчиков, или в российском Генштабе оказался «крот», сливший секретные планы Зеленскому?

Всё оказалось гораздо проще. Как недавно заявил американский генерал-лейтенант Джеймс Хекер, Киев с самого начала СВО получает информацию о взлётах носителей русских крылатых ракет прямо из Пентагона. Впрочем, о том, что США ежедневно делятся с Украиной разведданными о России, директор ЦРУ Уильям Бёрнс сообщил на слушаниях в Конгрессе ещё два года назад. Речь идёт о съёмках территории нашей страны американскими спутниками разведки, которые, как считается, способны разглядеть из космоса не только летящую ракету, а даже госномер автомобиля. Так ли это на самом деле?

Кстати, подслушиванием и подглядыванием за всем миром занимаются семнадцать разведслужб США, но всего одна - Управление национальной разведки - отвечает за спутники-шпионы. О существовании этого необычного ведомства в Конгрессе узнали только в 1971 году, но на вопрос, куда ежегодно уходят 10 миллиардов долларов, ответа тогда так и не последовало. Только спустя 20 лет сенаторам стало известно, на что именно расходуются баснословные средства - вокруг Земли обращается порядка 1400 спутников США, в том числе космических шпионов Key Hole, способных заглянуть буквально в «замочную скважину», как следует из их названия. Это спутники оптической (Optical imaging), или так называемой видовой разведки. О ней и разговор.

Сразу же уточним, что в наш политкорректный век принято называть «дистанционным зондированием Земли» (ДЗЗ). На то есть веская причина: с момента запуска первых спутников технология фоторазведки с низких орбит стала доступна не только военным, но и частным лицам, когда на орбиту выводят не какой-то сложный оптический комплекс, а чуть модифицированный цифровой фотоаппарат с длиннофокусным объективом и простейшей системой связи через коммерческие ретрансляторы. Причём системы ДЗЗ могут быть как пассивными, работающими в оптических диапазонах, так и активными, сканирующими планету радиоволнами либо лазерными лучами.

Кстати, с помощью орбитального лидара высокого разрешения (лазерного локатора) японское космическое агентство JAXA в ходе миссии ALOS составило крайне точную цифровую модель рельефа Земли - с разрешением порядка 5-15 м. Кому интересно, может скачать её на домашний компьютер и в деталях рассмотреть нашу планету со всеми холмиками, пригорками и зданиями. Только приготовьте 500-700 гигабайт на жёстком диске, а сама модель абсолютно бесплатна.

Но мы ведём речь не о коммерческих услугах, а о космических шпионах, поэтому для начала развенчаем пару мифов. Прежде всего, стоит отметить, что спутники видовой разведки никогда не «висят» над целью и не «бегают» по орбите, а съёмка напоминает работу токарного резца или сканирующего луча архаичного кинескопа. Наверное, все слышали названия спутниковых орбит - высокая или низкая эллиптическая, опорная, круговая и геостационарная. Ниже на схеме представлены орбиты, используемые в космической разведке.

Спутники-шпионы обращаются вокруг Земли на низких орбитах - чем они ближе к объектам наблюдения, тем лучше линейное разрешение. При этом нет никакой необходимости поднимать аппараты чересчур высоко на так называемые геостационарные орбиты, где они могли бы «висеть» над заданной зоной, синхронно вращаясь вместе с планетой. С этих орбит они увидят разве что высококонтрастные объекты с очень низким разрешением, к тому же ещё и под неудобным углом. По той же причине нет смысла загонять спутники на высокоэллиптические орбиты, чтобы над интересующей территорией описывать восьмёрки. Вот почему спутники оптической разведки обычно имеют близкие к круговым, низкие околоземные орбиты.

Впрочем, на высоких орбитах спутники видовой разведки тоже летают - это аппараты СПРН (системы предупреждения о ракетном нападении). Их задача предупреждать о запуске МБР (межконтинентальных баллистических ракет), чей факел двигателя во время старта даёт яркий инфракрасный всплеск, заметный издалека. Но точные координаты места пуска МБР они не определяют, для этих целей существуют загоризонтные РЛС.

Для разведки полярных областей спутники могут использовать полярные орбиты, плоскость которых расположена под углом 90 градусов к экватору. Выбирая в зависимости от задачи высоту такой орбиты и эксцентриситет, можно добиться периода обращения спутника от 1,5 до 24 часов.

На низкой околоземной круговой орбите высотой 300 км спутник делает оборот вокруг Земли за 90 минут - полтора часа, но для удобства объяснений округлим этот период до двух часов. За это время Земля вокруг своей оси поворачивается под спутником на 30 градусов. Таким образом, в свой следующий пролёт вокруг планеты спутник увидит под собой зону на 30 градусов западнее. И вот так, полоса за полосой - по 30 градусов каждая - за 12 оборотов спутник просмотрит под собой всю поверхность. Несложно подсчитать, что при таких характеристиках орбиты спутник над одной и той же зоной планеты будет проходить всего раз в сутки.

В реальности полоса наблюдения спутника для хорошего разрешения съёмки значительно меньше 30 градусов. Чтобы планомерно снять всю Землю, период обращения спутника требуется немного смещать, и тогда над одной и той же зоной спутник будет пролетать один раз в несколько суток. А поскольку характеристики орбиты известны, то станет известно и время пролёта космического шпиона над тем местом, которое хотелось бы скрыть от его «глаз». И прятали.

Например, на камчатском полигоне Кура перед проходом спутников США, чтобы дезинформировать потенциальных партнёров относительно точности попадания боеголовок МБР, советские ракетчики перемещали маркеры цели, и точность на снимках не впечатляла. Но сегодня, когда над головой не 3-4 спутника видовой разведки, как было раньше, а десятки и сотни, играть в прятки уже нет смысла. Тем более, как было сказано, доступность космических технологий позволяет дистанционно зондировать поверхность Земли не только военным, но и всем, кто готов заплатить, - спутников над головой теперь много.

Технология космического шпионажа

Голливуд приучил, что с помощью спутника-шпиона можно считать звёздочки на погонах и даже разглядеть лица, а суперкомпьютерные технологии позволяют увеличить разрешение из каши невнятных пикселей до прекрасной цветной фотографии. Всё это ненаучная фантастика. Разрешение матрицы цифровой камеры ограничено не мегапикселями (которых, кстати, немного), а угловым разрешением оптической системы. Зная этот параметр, можно оценить минимальный размер объекта, который способен различить объектив.

Для примера возьмём космический телескоп «Хаббл», конструктивно схожий с американским спутником видовой разведки KH-11 - Key Hole. Изначально телескоп планировалось оснастить зеркалом диаметром 3 м, но из-за проблем с бюджетом NASA выбрало зеркало поменьше - диаметром 2,4 м, изготовленное для спутников KH-11 ранних серий. После того как ЦРУ модернизировало платформу фоторазведки, пара прежних прецизионных зеркал оказалась не у дел, и их отдали в распоряжение NASA. А заодно передали и элементы спутниковой платформы, что позволило вписаться в бюджетные ограничения. Таким образом, не будет преувеличением сказать, что орбитальная обсерватория «Хаббл» - тот же спутник-шпион KH-11, только повернут в другую сторону. Поэтому секретные характеристики Key Hole легко раскрыть по параметрам космического телескопа.

Разрешающая способность «Хаббла» составляет порядка 0,1 секунды угла для видимого света. Для простой чёрно-белой фотографии (ни телескопы, ни спутники видовой разведки никогда не работают в цвете) несложный расчёт даёт предельно возможное разрешение около 6 см на пиксель при съёмке с орбиты высотой в 250 км. Именно такое разрешение мог бы обеспечивать KH-11, если бы у Земли не было атмосферы.

Но атмосфера у Земли есть, и она весьма капризна даже при безоблачном небе: свет рассеивается на парах воды и других частицах, а локальные турбулентные потоки искажают ход лучей. Поделать с этим ничего нельзя, и реальное разрешение того же спутника KH-11 падает примерно до 10 см на пиксель. Это первый фактор, снижающий разрешение.

Второй негативный фактор - это матрица, где формируется изображение. Поскольку её светочувствительные ячейки имеют некоторый шаг и если свет попадает между двумя соседними, а не на саму ячейку, значительная часть разрешения теряется, превращаясь в шум и паразитные засветки. При этом спутник видовой разведки имеет два основных режима съёмки: кадровый и сканирующий. Кадровый режим работает подобно цифровому фотоаппарату, делая мгновенный снимок, у которого низкое разрешение (у мобильника оно, вероятно, даже больше), а из-за короткой выдержки снимать удаётся только высококонтрастные объекты. Поэтому такой режим используют для получения обзорных фотографий объектов большой площади, например завода.

Для более точной съёмки применяется сканирующий режим, и полное разрешение оптики реализуется только в нём. В этом режиме свет как бы накапливается на линейке-матрице, перемещающейся в фокусе оптической системы (так, например, работает планшетный сканер или ксерокс). Перемещение сканирующей линейки может проходить механически либо просто за счёт движения спутника по орбите. Экспозиция кадра в сканирующем режиме занимает несколько минут, и, как известно фотографам, при движении объекта в кадре в момент съёмки картинка получится смазанной. Только в нашем случае перемещается не объект: во время экспонирования сам спутник меняет ракурс съёмки, что и снижает разрешающую способность системы. В примере со спутником-шпионом KH-11 это даёт реальную разрешающую способность около 15 см на пиксель для видимого света.

Однако в сканирующем режиме спутник снимает интересующий объект не только в оптическом, но и в других диапазонах - инфракрасном и ультрафиолете. При этом разрешение на матрице может быть похуже, но лучше прохождение через атмосферу планеты и меньше искажение. Совмещая изображения разных участков спектра при цифровой обработке, удаётся частично восстановить потерянную в оптическом диапазоне информацию и повысить резкость картинки. Но чудес не бывает: прыгнуть выше разрешения оптики невозможно, ухищрения помогут сделать изображение лишь более контрастным. Кстати, цветные спутниковые фотографии - это тоже результат обработки. В каждом из диапазонов спутник видит только чёрно-белую картинку.

«Фотокарточки» для ВСУ

А теперь представьте спутник разведки целиком, собранным вокруг телескопа-рефлектора с зеркалом диаметром от 2,4 м. Последние модели военных спутников используют зеркала ещё большего диаметра - до 3,6 м. Это специальное плотное «стекло» с большим весом. Сам спутник весит 15-20 тонн, и поднять его на орбиту с таким грузом сможет далеко не каждый носитель. Поэтому спутники высокого разрешения доступны только военным, а крупное зеркало диаметром 3,6 м обеспечивает для современных аппаратов реальное разрешение порядка 7 см на пиксель при угловом разрешении оптики 0,05 секунды угла.

В контексте боевых сводок СВО нередко встречаются утверждения о том, что западные партнёры передают Украине детализированные спутниковые снимки с военных спутников. Это не соответствует действительности, поскольку любые спутниковые снимки, полученные с разведывательных платформ, строго засекречены. Увидев его, специалисту не составит труда установить характеристики платформы и оптики, получить представление о методах обработки и ещё много чего интересного.

Кстати, американский спутник разведки KH-8 сделал снимки советского авианесущего крейсера «Адмирал флота Кузнецов», который на момент съёмки в июле 1984 года строился на верфях Николаева под именем «Леонид Брежнев». Снимки попали в справочник Jane's, и в ЦРУ разразился грандиозный скандал с отстранениями и дополнительными мерами по обеспечению секретности.

С такой же строгостью засекречены и снимки видеофиксации с оптических станций вертолётов, самолётов и беспилотных разведчиков, работающих в атмосфере. Все ролики, существующие в интернете, обычно пересняты с пониженным разрешением. Передаваться могут лишь данные, которые из снимка извлекают аналитики, но не сам снимок. Однако и здесь есть лазейка: системы двойного назначения.

Как уже было сказано, развитие космических технологий привело к тому, что системы ДЗЗ в оптических диапазонах стали доступны для коммерческого использования. Приобретая подписку, вы получаете доступ к профессионально обработанным снимкам интересующих областей планеты. Именно из таких снимков составлены цифровые карты Земли типа Google Earth. Примечательный факт: формат описания геометок на спутниковых картах от компании Google называется KML, что расшифровывается как Keyhole Markup Language. Keyhole, как мы уже говорили, это серия шпионских спутников KH, среди которых и упомянутый выше KH-11. Впрочем, Google особо не скрывает факты тесного сотрудничества с разведывательным сообществом...

Коммерческие спутники намного легче, дешевле и проще - там используются оптические системы на зеркалах диаметром 0,9-1,2 м. Соответственно, их разрешение значительно уступает военным аппаратам, составляя порядка 20 см на пиксель в видимом свете и ещё хуже на краях оптического диапазона. Тем не менее для многих и этого более чем достаточно.

Крупнейшей компанией, предоставляющей коммерческие услуги спутниковой съёмки Земли, сегодня является Maxar, именно их материалы используются Украиной для ведения разведки в зоне СВО в рамках совершенно официального контракта (возможно, в кредит или с существенной скидкой). Контракты не позволяют управлять спутниками напрямую, но предоставляют возможность заказывать съёмку конкретной территории. Заказ будет выполнен в ближайшее доступное окно, но сразу пригнать спутник в нужную зону не получится из-за редкого периода его обращения. Впрочем, компания оперирует несколькими спутниками, поэтому заказ обычно выполняется в течение суток.

В настоящее время компания Maxar имеет три спутника серии WorldView и один устаревший GeoEye. Спутники серии WorldView находятся на сравнительно высокой орбите 600 км и обеспечивают разрешение около 25 см в видимом свете и 120 см в мультиспектральных режимах. Каждый из этих спутников может снимать до 700 тысяч квадратных километров в сутки. Реальное разрешение их оптики, возможно, несколько выше - оценки дают порядка 18-20 см на пиксель. Однако, согласно законодательству, снимки разрешением выше 25 см запрещено предоставлять на коммерческой основе кому-либо, кроме оборонных и разведывательных агентств США.

Компания Maxar, хотя это и не скрывается, является коммерческой дочерней компанией национального разведывательного агентства США. Её история начинается с Orbital ATK, которая в 2018 году стала подразделением Northrop Grumman Space Systems. В то время компания называлась MDA и с 1995 по 2017 год поглотила 14 других компаний, занимающихся коммерческими съёмками Земли, геодезией и космическими системами.

С поглощением в 2017 г. Digital Globe - именно эта компания снимала Землю для проекта Google Earth, и её подложку вы видите в Яндекс Картах - компания MDA сменила название на Maxar и перешла в американскую юрисдикцию. Несмотря на то, что разрешение снимков коммерческих сервисов Maxar хуже, чем у разведывательных спутников, эти платформы производят те же корпорации, которые работали на ЦРУ. Например, серия спутников WorldView построена небезызвестной Lockheed, а выводилась на орбиту носителями «Атлас» с авиабазы Вандерберг. Иными словами, Maxar оперирует разведывательной группировкой третьего поколения спутников видовой разведки 1980-х гг. с мультиспектральными цифровыми матрицами.

То есть, вы можете арендовать аналог старого доброго KH-11 (он же «Хаббл», если хотите), чтобы выполнить свои задачи. К сожалению, из-за более высокой орбиты этих спутников, их разрешение будет в 2-3 раза хуже, но этого будет достаточно, чтобы уверенно разглядеть отдельные боевые машины, позиции и места дислокации с задержкой не более суток. Вероятно, именно такими данными в настоящее время пользуются операторы украинской военной разведки.