Umbra

voenny — 26.11.2024

Umbra
Прошлый пост из рубрики про нештатные ситуации был посвящен отказу системы раскрытия рефлектора антенны АМС Galileo из-за «холодной сварки» титана с инконелем в космосе. Изучая космические аппараты дистанционного зондирования Земли, нельзя пройти мимо компании, у которой получилось добиться стабильности раскрытия и последующей работы композитного рефлектора бортового радиолокатора Х-диапазона – компании Umbra. Инженеры Umbra смогли решить сложную задачу: в транспортном положении размеры радиолокатора позволяют разместить его на борту микроспутника, для которого возможен попутный запуск. Рефлектор является гордостью компании, иллюстрации из патента [1] висят в офисе фирмы в Санта-Барбаре, на их фоне дают интервью разработчики.
Компания Umbra известна тем, что ей первой среди коммерческих компаний мира удалось получить лицензию на использование для радиолокационной съемки полосы частот в 1200 МГц. Это позволяет получать снимки земной поверхности с пространственным разрешением 25 см – лучшим среди коммерческих систем в настоящее время. Ниже – конспект сведений про Umbra и созданную ей технику, которые мне удалось найти.

История Umbra



Основатели компании
Компания Umbra (лат. «тень») была основана в 2015 году в Санта-Барбаре (Santa Barbara), Калифорния, США двумя уроженцами этого города, известного в России по одноименному сериалу. Генеральным директором (CEO) стал David Langan, до этого работавший в Orbital ATK (ныне Northrop Grumman) и создавший более 18 космических систем, а Gabe Dominocielo (ранее работавший юристом) занял должность президента. В настоящее время каждый из основателей владеет 24,35 % акций, еще 11,88 % принадлежат фонду Point Bridge Capital, а все остальные пакеты акций имеют размер менее 10 %.
С момента основания Umbra плотно работала с государственными организациями, и через три года была получена лицензия NOAA, на поставку радиолокационных данных дистанционного зондирования с пространственными разрешением (по наземной дальности) до 25 см, а для некоторых категорий потребителей – и лучше.
В 2019 году был получен патент [1] на параболический рефлектор, ключевой элемент бортового радиолокатора космического аппарата, и открыт завод в Санта-Барбаре, занимавший площадь 10 000 кв. футов. В планах компании было создание космической системы из 12 спутников, обеспечивающей среднее время получения изображения заданного участка земной поверхности до 5 часов (для района интереса на экваторе). Лицензия была получена на 32 космических аппарата.


Зависимость оперативности от широты района съемки
Кроме того, в 2019 году на должность вице-президента по технике был принят Marcus Chevitarese, ранее работавший заместителем генерального директора такой уважаемой фирмы, как Raytheon. К этому моменту в компании работало 20 человек, и Umbra получила инвестиции от фондов: CrossCut Ventures, Hemisphere Ventures, Starbridge Ventures, PonValley и Champion Hill Ventures.
Следующий год стал периодом серьезного роста предприятия: к 30 января 2021 г. в Umbra трудилось 45 человек, компания получила 32 млн. долл. инвестиций и открыла завод в городе Austin, штат Техас.
11 марта 2021 года Umbra сорвала джекпот и получила лицензию Федеральной комиссии по связи (FCC, Federal Communications Commission) на работу космического радиолокатора Х-диапазона в полосе 1200 МГц, что позволяет в пределе получать снимки с пространственным разрешением 15 см по дальности.
Umbra лицензией воспользовалась незамедлительно и уже 14.05.2021 опубликовала снимки, полученные в ходе самолетных испытаний радиолокатора, на которых видны алюминиевые банки.


Перед испытаниями прототипа радиолокатора на самолете


Во время испытаний


Снимок, полученный в ходе испытаний


На этом снимке видна алюминиевая банка
К моменту запуска на орбиту первого спутника, 30.06.2021, в Umbra работало 55 человек. Полагаю, что снимки были получены впечатляющие, ведь уже 16.07.2021 был подписан рамочный контракт c ВВС США (USAF) в рамках программы Joint All Domain Command and Control. Помимо Umbra контракт был подписан с Boeing, L3Harris Technologies, Lockheed Martin, Northrop Grumman, Palantir и Raytheon Technologies на общую сумму 950 млн. долл. Фирма оказалась в отличной компании, дорога к государственным контрактам оказалась открыта.
Через полгода, 13.01.2022 был запущен спутник Umbra-02, еще через неделю Национальное разведывательное управление (NRO) выбрало Umbra как коммерческого поставщика радарных систем, а также систем радиотехнической разведки в рамках программы Broad Agency Announcement (BAA) for Strategic Commercial Enhancements effort. Через восемь месяцев в рамках этой программы с Umbra заключили договор на поставку данных радиотехнической разведки (антенна с большой площадью рефлектора позволяет хорошо «слышать» наземные передатчики).
За следующий год орбитальная группировка компании пополнилась ещё двумя спутниками и 14.02.2023 был заключен контракт с фирмой Maxar, которая дополняла оптические высокодетальные снимки от собственных спутников данными от аппаратов Umbra, получая новое качество данных:


Снимки национального стадиона в Сингапуре: радиолокационный и оптический
15.04.2023 был запущен спутник Umbra-6, первые изображения с которого были получены через двое суток после запуска. В начале мая того же года количество работников компании превысило 100 человек, а 22.05.2023 компания опубликовала новость, что DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency, организация Министерства обороны США) выбрала Umbra для участия в программе DRIFT, Distributed Radar Image Formation Technology. В рамках программы запланирована обработка информации как минимум с двух космических аппаратов, получение моно и бистатических данных ДЗЗ. В марте 2024 года фирма сообщит о получении бистатических снимков от аппаратов Umbra-07 и Umbra-08.
Прошло два месяца и Umbra приняла решение открыть часть данных для пользователей, причем 7 августа 2023 года были продемонстрированы снимки с пространственным разрешением 16 см на пиксель. Всего был опубликован 1031 набор данных с разрешением от 25 см до одного метра.
Практически одновременно Umbra получила получила от AFWERX, подразделения Департамента военно-воздушных сил США (Department of the Air Force, DAF) контракт на 1,25 млн. долл. в рамках SBIR (Small Business Innovation Research Phase II) в части идентификации движущихся наземных и надводных целей.
Перечень контрактов с государственными заказчиками выглядел несколько неполным, поэтому уже через два месяца в блоге компании появилась запись о том, что NASA выбрало Umbra для участия в программе Commercial Satellite Data Acquisition для поставки данных и сервисов дистанционного зондирования Земли. К этому времени офис Umbra появился и в Вашингтоне.
В текущем году сотрудничество фирмы с государственными заказчиками расширилось: 28.02.2024 на сайте компании появилась новость, что NRO выбрало Umbra для для оказания услуг коммерческой радиотехнической разведки в рамках программы Strategic Commercial Enhancements (SCE) effort, проводимой Commercial Systems Program Office (CSPO).
В конце апреля DARPA отобрала Umbra для участия во второй фазе программы DRIFT. Организация закупает бистатические и мультистатические радарные данные для анализа силами самой DARPA и её партнерами.
И месяц назад Umbra заключила многомиллионный контракт со Space Development Agency (SDA) на демонстрацию возможности межспутниковой лазерной связи в рамках космической системы PWSA, Proliferated Warfighter Space Architecture.
Кроме того, 31.07.2024 Umbra объявила о готовности поставлять не только радиолокационные данные дистанционного зондирования Земли, но и космические аппараты, обеспечивающие получение таких данных.
В целом, история успеха весьма напоминает путь фирм Capella, создающий радиолокационные микроспутники и BlackSky, разворачивающей группировку оптико-электронного наблюдения.

Запуски космических аппаратов
Umbra-01 она же Umbra-SAR 2001 (48906, 2021-059AD) – РН Falcon Block 5 (миссия Transporter-2), Мыс Канаверал, Флорида, США - SLC-40 – 30.06.2021, 19:31 UTC – солнечно-синхронная орбита высотой 550 км. Сошел с орбиты 30.04.2024.
Umbra-02 (50986, 2022-002C) – РН Falcon Block 5 (миссия Transporter-3), Мыс Канаверал, Флорида, США - SLC-40 – 13.01.2022 15:25 UTC – солнечно-синхронная орбита высотой 500 км. Сошел с орбиты 07.11.2024.
Umbra-03 (52753, 2022-057X) – РН Falcon Block 5 (миссия Transporter-5), Мыс Канаверал, Флорида, США - SLC-40 – 25.05.2022 18:25 UTC – солнечно-синхронная орбита высотой 520 км. Сошел с орбиты 07.04.2024.
Umbra-04 (55050, 2023-001AT), Umbra-05 (55036, 2023-001AD) – РН Falcon Block 5 (миссия Transporter-6), Мыс Канаверал, Флорида, США - SLC-40 – 03.01.2023 15:55 UTC – солнечно-синхронная орбита высотой 520 км. Спутник Umbra-04 сошел с орбиты 02.09.2024.
Umbra-06 (56198, 2023-054W) – РН Falcon Block 5 (миссия Transporter-7), Ванденберг, Калифорния, США - SLC-4E – 15.04.2023, 06:47 UTC – солнечно-синхронная орбита высотой 525 км.
Umbra-07 (58297, 2023-174AT), Umbra-08 (58292, 2023-174AN) – РН Falcon Block 5 (миссия Transporter-9), Ванденберг, Калифорния, США - SLC-4E – 11.11.2023, 18:49 UTC – солнечно-синхронная орбита высотой 540 км.
Umbra-09 (60541, 2024-149CB), Umbra-10 (60547, 2024-149CH) – РН Falcon Block 5 (миссия Transporter-11), Ванденберг, Калифорния, США - SLC-4E – 16.08.2024, 18:56 UTC – солнечно-синхронная орбита высотой 575 км.

Космический аппарат


Полезная нагрузка миссии Transporter-7
Космические аппараты Umbra относятся к микроспутникам класса ESPA. Нужно на этом остановиться поподробнее, ведь большинство современных микроспутников являются именно такими.
ESPA – это Evolved Expendable Launch Vehicle (EELV) Secondary Payload Adapter, что в переводе означает адаптер попутных полезных нагрузок ракет-носителей, участвующих в программе EELV. Сейчас основным таким носителем является Falcon 9 фирмы SpaceX. Изготовитель ESPA - компания Moog, Inc.
ESPA (вот руководство пользователя) представляет собой алюминиевое кольцо диаметром 1575 мм, крепящееся к верхней ступени ракеты-носителя 120 болтами и способное нести нагрузку до 17 000 фунтов (примерно 7,7 т). На боковой поверхности кольца выполнены круглые посадочные поверхности для систем отделения спутников. ESPA – это целое семейство адаптеров, отличающихся количеством и диаметром посадочных поверхностей для космических аппаратов. В частности, «Standard ESPA» (конфигурация ESPA 6-15-24) имеет 6 посадочных поверхностей диаметром 15 дюймов, а высота самого адаптера равна 24 дюйма. Именно на таком размещен спутник Umbra-06 на фотографии выше.
Совместимость микроспутника с адаптером «Standard ESPA» налагает ряд ограничений на его конструкцию в транспортном положении: масса космического аппарата должна быть не более 181 кг, а центр масс должен располагаться на расстоянии до 508 мм от системы отделения диаметром 15 дюймов. Габаритные размеры спутника по стандарту должны быть не более 24х28х38 дюймов. Система отделения крепится к ESPA при помощи 24 болтов (стандартно – ¼ дюйма). Спутник должен быть способен выдерживать перегрузку в 10g по любой оси и удары в 3500g на частоте 1000 Гц.
По одному из габаритов Umbra-06 превышает требования стандарта. Но для адаптера «Grand ESPA» (ESPA 4-24-42), который может нести спутники массой до 465 кг, допускается увеличение данного размера до 56 дюймов при использовании головного обтекателя диаметром 5 метров. Полагаю, что при разработке компоновки космической головной части Umbra, Moog и SpaceX смогли согласовать увеличение длины при выполнении требований на положение центра масс космического аппарата.

Тактико-технические характеристики
Пространственное разрешение по наклонной дальности и азимуту: 16 см.
Разработчик: Umbra,133 E De La Guerra #39 Санта-Барбара, Калифорния, США.
Масса: 65 кг (из них 5 кг запас рабочего тела двигательной установки).
Габариты: 58 х 58 х 102 см в транспортном положении и 4 х 4 х 2 м в орбитальном полёте.
Срок активного существования КА: 5 лет.
Страница проекта на сайте eoportal (под VPN)
Страница проекта на сайте Гюнтера

Полезная нагрузка

Радиолокатор с синтезированной апертурой


Вид на микроспутник с раскрытой антенной радиолокатора
Радиолокатор с синтезированной апертурой создан самой фирмой Umbra, главный конструктор радиолокатора - Alex Potter.
Прибор работает в Х-диапазоне спектра (9200 – 10400 МГц), причем реализованы два режима: работа в полосе 600 МГц (9300 – 9900 МГц) и в полосе 1200 МГц, во всем диапазоне. При работе во втором режиме может быть достигнуто пространственное разрешение по наклонной дальности 16 см, которое обеспечивает разрешение по наземной дальности от 25 см на пиксель. Поляризация сигнала – линейная, ВВ или ГГ.
Частота следования импульсов радиолокатора – до 10 кГц. Мощность боковых лепестков – не более минус 25 дБ.
Излучаемая мощность – до 79 дБВт, мощность потребления радиолокатора – 550 Вт, производительность спутника – до 500 снимков в сутки.
Самый большой элемент радиолокатора – зеркальная антенна диаметром 3,8 м и площадью 11,3 м². На рефлектор антенны с углепластиковыми спицами фирмой был получен патент [1] еще в самом начале пути. Именно возможность сложить каждое ребро втрое позволила вписать микроспутник в габариты ESPA-класса. А в разложенном положении рефлектор обеспечивает точность поверхности порядка одной десятой от рабочей длины волны, т.е. примерно 3 мм. На опоре в центре антенны расположен контррефлектор, который также, как и основное зеркало раскрывается (выдвигается) после выведения спутника на рабочую орбиту.


Рефлектор в транспортном положении


Привод раскрытия рефлектора


Начало раскрытия…


…и его окончание


Рефлектор в раскрытом положении
Радиолокатор работает в диапазоне углов падения от 20 до 70°, т.е. полосы обзора находятся справа и слева от трассы на расстоянии от 170 до 1100 км. Более того, есть ограничения на азимуты съемки относительно подспутниковой точки – от 45 до 135° и от 225 до 315°. Таким образом зона обзора начинает напоминать лезвие секиры:


Зона обзора
Съемка выполняется в детальном (прожекторном) режиме, стандартный размер кадра – 5х5 км, есть опция съемки кадров размером 10х10 км. Возможна как съемка одного кадра, так и режим некогерентного накопления до 10 кадров. Время накопления одного кадра – от 1 до 10 секунд. За одну минуту спутник может снять 0,9 кадра с разрешением 0,25 м, 1,8 кадра с разрешением 0,5 м или 2,2 кадра с разрешением 1,0 м.
В режиме съемки с отслеживанием (длительность отслеживания объекта – до 160 с, длительность сканирования – около 25 секунд) при некогерентном накоплении возможна как реализация видеорежима (не менее, чем из 5 кадров), так и синтезирование цветного изображения, в котором каждый из нескольких кадров будет раскрашен отдельным цветом. Для разных углов падения искусственные сооружения дают разные сигнатуры, поэтому существенно облегчается интерпретация полученных данных, обнаружение на них, например, домов в лесу или движущихся автомобилей в поле. Правда, при этом пространственное разрешение снижается до 1,0 м, а полоса обзора составит от 85 до 550 км.
В будущем планируется добавление маршрутного режима съемки с полосой захвата 6-20 км и разрешением 1-2 м, а также режима съёмки мозаик из кадров размером 5х5 км и режима съемки океана с разрешением 10 м.
Точность геопривязки спутниковых снимков (СЕ90) составляет 8 метров.
Что очень приятно, цены на все виды снимков Umbra приведены на официальном сайте, например, однопроходная съемка кадра 5х5 км с разрешением 0,25 м стоит 3250 долл. США, а с разрешением 1,0 м – всего 675 долл. США. К слову, на заказ снимков есть ряд юридических ограничений, в частности, нельзя заказать съемку Израиля ввиду действия поправки Кайла-Бингамана.
Да, ни на официальном сайте, ни на eoportal’e мне не удалось найти такой важный параметр радиолокационных снимков Umbra, как NESZ (эквивалентная шуму удельная эффективная поверхность рассеяния), поиск в сети дал значение минус 18 дБ, но это совсем не точно.

Высокоскоростная радиолиния


Вероятно блок слева внизу является габаритно-массовым макетом антенны высокоскоростной радиолинии на базе АФАР
Высокоскоростная радиолиния, предназначенная для передачи данных дистанционного зондирования на земные станции, работает в привычном Х-диапазоне спектра (8025-8400 МГц), причем из него используются только нижние 250 МГц (8025-8275 МГц).
Поляризация излучаемого сигнала – правая круговая, эквивалентная изотропно излучаемая мощность (ЭИИМ) – 23,2 дБВт. Сигнал передается с фазовой манипуляцией, помимо данных дистанционного зондирования по радиолинии также передается телеметрия.

Космическая платформа


Зенитная панель корпуса спутника с кольцом системы отделения
Космическая платформа выполнена в виде восьмигранной призмы размерами 58х58х22 см. На одной из больших граней установлен рефлектор радиолокатора, к противоположной – система отделения от средств выведения. К боковым граням крепятся панели солнечных батарей.

Командно-телеметрическая радиолиния
Командно-телеметрическая радиолиния работает в S-диапазоне частот (2025-2110 МГц по линии «вверх» и 2200-2290 по линии «вниз»).
В направлении Земля-борт передача ведется на частоте 2079,95-2080,05 МГц в полосе 100 кГц с фазовой манипуляцией. Поляризация сигнала – правая круговая. Добротность приемника составляет минус 37,2 дБ/К.
В направлении борт-Земля радиолиния работает на частотах 2253,95-2254,05 МГц также в полосе 100 кГц и тоже с фазовой манипуляцией. Поляризация – правая круговая, ЭИИМ – 0 дБВт.

Система электропитания


Солнечные батареи
В качестве первичного источника питания применяются два крыла солнечных батарей, каждое из которых содержит по три панели. В транспортном положении солнечные батареи сложены вдоль боковых стенок корпуса спутника, система зачековки солнечных батарей выполнена без применения пиросредств. Судя по опубликованным трехмерным моделям микроспутников, всего на солнечных батареях расположены 168 арсенид-галлиевых фотоэлектрических преобразователей. Каждый такой фотоэлемент имеет мощность порядка 1,22 Вт, поэтому мощность всей солнечной батареи можно оценить в 205 Вт (при нормальном освещении и при температуре 28°).
Для накопления электрической энергии применяется литий-ионная аккумуляторная батарея, построенная по схеме 8S4P (сначала 8 аккумуляторов соединяются последовательно, затем 4 таких сборки соединяются параллельно). Конструктивно батарея выполнена в виде 4 модулей.

Система ориентации и стабилизации


Предполагаю, что цилиндрические предметы на верхней панели являются блендами двух звездных датчиков
Система ориентации также построена канонически: для измерения углов ориентации используются датчики Солнца и звездные датчики, в качестве исполнительных органов служат четыре двигателя-маховика и три электромагнита.
Нормальным режимом полета является орбитальная ориентация, при которой ось антенны радиолокатора направлена в надир. Кроме того, система ориентации реализует режимы съемки (радиолокатор направлен на объект съемки), сброса (антенна высокоскоростной радиолинии наводится на земную станцию) и солнечной ориентации (нормаль к панелям солнечной батареи направлена на Солнце).

Двигательная установка


Внешний вид двигательной установки
Как и на спутниках BlackSky применяется двигательная установка Comet-8000, созданная фирмой Bradford Space.
Двигательная установка построена на базе электронагревного двигателя с удельным импульсом 180 с, работающим на воде. Запас рабочего тела (5 кг) хранится в двух баках, вытеснитель – хладагент гексафторпропан HFC-236 (он же FE-36, применяется также в системах пожаротушения). В качестве разделителя между рабочим телом и вытеснителем используются эластичные вытеснительные устройства.
Запас характеристической скорости космического аппарата составляет 130 м/с, двигательная установка обеспечивает поддержание высоты в интервале ±10 км в течение 5 лет срока активного существования и последующий переход на орбиту 515х380 км со сроком баллистического существования около 3 месяцев. При отказе двигательной установки с рабочей круговой орбиты высотой 575 км космический аппарат сойдет за 4 года.

Система отделения от средств выведения


Система отделения
В составе спутника применена система отделения фирмы Rocket Lab (ранее, до поглощения - Planetary Systems). Устройство приводится в действие парой электродвигателей, что обеспечивает безударное отделение полезной нагрузки. Изделие очень широко применяется при создании микроспутников и подробно описано в посте про BlackSky. Можно сказать, что применение такой системы отделения стало стандартом для космических аппаратов ESPA-класса, вот ссылка на руководство по эксплуатации системы.

Наземный сегмент


Земные станции AWS


Земные станции KSAT
Центр управления полетом расположен в штаб-квартире фирмы в Санта-Барбаре, Калифорния. Для резервирования используется мобильный ЦУП.
Как и в случае с Capella, и для управления орбитальной группировкой, и для приема данных дистанционного зондирования Земли привлекаются сети земных станций AWS Ground Station компании Amazon Web Services и KSAT фирмы Kongsberg Satellite Services. Земные станции распределены по всему земному шару и находятся в населенных пунктах Svalbard (Норвегия, KSAT), Inuvik (Канада, KSAT), Punta Arenas (Чили, KSAT), Awarua (Новая Зеландия, KSAT), Dublin (Ирландия, AWS), Stockholm (Швеция, AWS), Cape Town (ЮАР, AWS), Zallaq (Бахрейн, AWS), Singapore (AWS), Sydney (Австралия, AWS), Mumbai (Индия, AWS), Seoul (Южная Корея, AWS), Tokyo (Япония, AWS). Земные станции на территории США фирмой Umbra не используются.
На приемо-передающих земных станциях S-диапазона установлены антенны диаметром 3,7 м. ЭИИМ земной станции составляет 44,8 дБВт, усиление антенны – 35,4 дБи.
Приемные станции Х-диапазона, развернутые KSAT имеют антенны диаметром 3,7 м, они обеспечивают усиление 47 дБи и имеют ширину главного лепестка диаграммы направленности по уровню минус 3 дБ, равную 0,8°.
Антенны приемных станций AWS диметром 5,4 м обладают чувствительностью 30,5 дБ/К.
Все земные станции работают при минимальном угле места, равном 5°
Можно сказать, что использование земных станций KSAT и AWS становится трендом у создателей микроспутников в США.

Космоснимки


Лондон. Снят с разрешением 50 см.


Литлтон (Littleton), Колорадо, США. Снят с разрешением 25 см.


Остров Питкэрн (Pitcairn), заморская территория Великобритании, Тихий океан


Лабиринт Dole Pineapple Garden Maze на Гавайях. Снят с разрешением 16 см


Дамба Тарбела, Пакистан. Снята с разрешением 50 см


Разрушенная дамба в Новой Каховке, 07.06.2023


Мост Viaduc de Millau во Франции. Сверху – радиолокационный снимок, внизу - оптический


Цветной снимок шлюзов Су, Мичиган, США

В целом – компания Umbra сейчас предлагает наиболее информативные радиолокационные данные дистанционного зондирования Земли на рынке, она является серьезным конкурентом компании Capella, и прочно вошла в цепочки поставок данных для государственных потребителей в США. Объем контрактов между государственными организациями США и частным производителем радарных микроспутников говорит сам за себя. Надеюсь, что и в нашей стране руководители, распределяющие ресурсы, обратят внимание на подобные проекты, ведь пары «Кондоров-ФКА» на орбите в текущей обстановке явно недостаточно.

Дополнения, уточнения и исправления всячески приветствуются.

Литература
1. G. Dominocielo, D. Langan “Articulated Folding Rib Reflector for Concentrating Radiation” / Патент США № US 2019/0214737 A1 pdf

Иллюстрации взяты из патента и из сети интернет.

Оставить комментарий

Популярные посты:

• Архив