Новые технологии улучшат коммуникацию и дистанционное зондирование в Арктике

Соединенные Штаты вместе со странами-партнерами занимаются исследованиями новых технологий в сфере коммуникации и дистанционного зондирования в целях повышения ситуационной осведомленности и улучшения коммуникации в арктическом регионе, сообщает американский портал National Defense

Согласно отчету Центра оперативного анализа Министерства внутренней безопасности США под заголовком «Определение вероятных недочетов в операционных возможностях Береговой охраны США», выполнение каких-либо задач без необходимых средств коммуникации «весьма вероятно может оказаться более опасным в Арктике, чем во многих других регионах, учитывая большие расстояния, опасность рабочих условий, малую заселенность и очень ограниченную инфраструктуру». По контракту, заключенному с Министерством внутренней безопасности США, Центр оперативного анализа находится под управлением корпорации RAND.

В настоящее время при выполнении задач в арктическом регионе используется голосовая связь через существующие радиостанции и ряд спутниковых систем, включающий группировку спутников Иридиум, работающих на низкой орбите и обеспечивающих полное покрытие для передачи голосовой информации и данных. Группировка спутников связи MUOS (Mobile User Objective System) ВМС США также может поспособствовать покрытию арктического региона, но, согласно отчету, Береговая охрана еще не имеет к ней доступа. Сотовая связь очень сильно ограничена, а передача данных затруднена еще больше.

Средства коммуникации в арктическом регионе описываются источниками, на которые ссылается доклад, как «ужасающе неэффективные». В этом же докладе предлагаются пути разрешения проблемы, предусматривающие создание дополнительной инфраструктуры и поощрение роста числа коммерческих коммуникационных спутников на полярных орбитах.

«Главными сложностями в работе арктических операторов являются отсутствие надежной коммуникации и погода», – говорит Чэрити Виден, директор компании Lquinox Consulting, располагающейся в Силвер-Спринг, штат Мэриленд, и занимающейся консультированием по космическим технологиям и управлению данными.

Ранее Виден служила штурманом в Королевских военно-воздушных силах Канады, где она выполняла патрулирование в арктических регионах и наблюдение за открытым океаном на морском патрульном и противолодочном самолете CP-140, канадском варианте самолета P-3 Orion. Чэрити также принимала участие в программе по сотрудничеству США и Канады в области использования космоса в военных целях.

Как отмечает Чэрити, в те времена, когда спутниковые телефоны еще не были установлены на патрульные самолеты, перед штурманом постоянно стояла проблема установления связи с командованием.

«Каждый раз, когда мы выполняли патрулирование в арктическом регионе, мы должны были периодически уточнять данные о нашем текущем местоположении и выходить на связь, докладывая: «У нас все в порядке, продолжаем выполнение задачи», – рассказывает Чэрити. Она также добавляет, что ионосфера зачастую влияет на высокочастотные радиоволны и нарушает работу средств связи.

«Именно в тот момент, когда мне нужно передать отчет о местоположении, могут появиться атмосферные помехи. В результате мне придется потратить уйму времени в попытках докричаться до командного центра, чтобы оповестить их о нашем местоположении и о том, что у нас все в порядке», – говорит Виден. «В тот день, когда я отправилась на вылет со спутниковым телефоном на борту… я просто позвонила, и меня было слышно ясно и отчетливо. Это было облегчением».

Тем не менее, она отмечает, что средствам коммуникации в Арктике есть куда совершенствоваться. Так, например, расширение широкополосного покрытия может быть полезно для беспилотных систем или поддержки поисково-спасательных операций.

Как отмечается в отчете центра оперативного анализа, в настоящее время Береговая охрана использует ряд спутников, датчики и различное оборудование для сбора данных о погоде и обстановке в регионе. В этот список входят: международная система «Коспас-Сарсат», спутники которой задействуются в поисково-спасательных операциях; персональные аварийные радиомаяки; различные источники спутниковых изображений и иных данных; судовые автоматические идентификационные системы; береговые приемные станции морской диспетчерской службы Аляски (MXAK); система дальней идентификации и слежения, датчики на катерах и самолетах.

Судя по портфелю проектов управления по исследованиям, развитию, испытаниям и оценке на 2018 финансовый год, Береговая охрана продолжает многочисленные попытки улучшить и расширить ситуационную осведомленность и безопасность арктических операторов.

Один из проектов описывается как «надежная сеть с высоким уровнем информационной безопасности», способная обеспечить более высокое качество коммуникации в регионе. Эта система предназначена для обеспечения защиты от таких угроз, как телефонные террористы. Кроме того, система будет иметь возможность переключения между коммерческими спутниками и высокочастотными средствами связи и передачи информации для облегчения навигации.

Согласно отчету в портфеле ожидается, что научно-исследовательский центр Береговой охраны представит отчет по этой системе в июне, после чего система будет проходить испытания до начала 2020 года. Завершение проекта планируется на сентябрь 2020 года.

Помимо этого, служба приступила к оценке возможностей применения Кубсатов (CubeSat). Этим летом на космическом аппарате под названием Полярный Скаут будут запущены две системы для применения в поисково-спасательных операциях в отдаленных арктических районах, говорит комендант Береговой охраны, адмирал Пол Цукунфт. Цукунфт оставит пост в июне, его место займет вице-адмирал Карл Шульц.

«В настоящий момент наши коммуникации парят над горизонтом в северных широтах», – рассказывает Цукунфт в центре стратегических и международных исследований, расположенном в Вашингтоне. «Преследуя цель расширить постоянное покрытие для поиска и спасения по аварийным спасательным радиобуям, Береговая охрана США инвестирует в Кубсаты.»

Спутники группы Полярный скаут смогут определять отдельные сигналы бедствия и быстро передавать эту информацию в центр управления, который направит для проверки сигнала самолет или судно, рассказывает Дейл «Бак» Ларкин, специалист компании Raytheon Missile Systems по малым космическим проектам.

Платформы были сооружены под контролем оперативного космического департамента ВВС США, в настоящий момент переименованного в департамент оперативных космических возможностей США в рамках программы, имеющей своей целью быстрое развертывание систем при возникновении такой необходимости, рассказывает он. Ключевым подрядчиком в проекте Полярного скаута выступала компания Millennium Engineering, корпорация Rincon Research и лаборатории Space Dynamics отвечали за разработку средств коммуникации, входящих в полезную нагрузку. По словам Ларкина, Raytheon выступал в роли интегратора.

Судя по документам Береговой охраны, мобильная наземная станция командования и управления кубсатов была установлена в городе Фэрбенкс, штат Аляска, прошлой осенью, вторая станция будет установлена в июле в городе Нью-Лондон, штат Коннектикут. Демонстрацию работы Полярного скаута планируется проводить с октября по июль 2019 года. Основной задачей на данном этапе является разработка к концу года, с применением кубсатов, дорожной карты для Береговой охраны.

Стоимость и доступность кубсатов в настоящий момент позволяет службам, таким как Береговая охрана США или Министерство национальной обороны Канады, использовать появляющиеся технологические преимущества для компенсации недостатков в собственной организации, отмечает Виден.

Кроме этого, арктические страны-партнеры инвестируют в новые сенсорные технологии, добиваясь повышения ситуационной осведомленности в регионе.

Управление оборонных исследований и разработок Канады (DRDC) – это управление Министерства национальной обороны Канады, недавно проинвестировавшее проект университета Уотерлу по разработке новой технологии квантового радара для повышения ситуативной осведомленности стоимостью 2,1 млн. долларов.

Новая технология будет использовать методику локации, называемую квантовой иллюминацией, служащую для облегчения обнаружения объектов и получения сведений о них. Как утверждается в университете, данной технологией используется принцип квантовой запутанности, когда два фотона формируют пару, после чего один из этих фотонов направляется к определяемому объекту, в то время, как второй остается на месте.

Эта технология может в корне изменить принципы электромагнитного обнаружения, говорит Питер Мейсон, ведущий исследователь в области электромагнитных исследований Управления оборонных исследований и разработок Канады. «В вопросе электромагнитного обнаружения все сводится к отношению сигнал/шум», – говорит он. «Многие годы мы работали над необычайно изощренными методами извлечения сигналов из шума», например, манипулируя формой или типом передаваемого сигнала. «Что касается квантовой запутанности, мы с уверенностью можем сказать, что в большинстве случаев назад возвращается только шум; он не имеет ничего общего с отправленным сигналом», – отмечает исследователь.

Мейсон говорит, что значительный континентальный массив и малая заселенность региона не представляют широких возможностей в организации наземного наблюдения. Космическая погода, например, солнечные бури и прочие геомагнитные воздействия, могут также препятствовать применению традиционных средств обнаружения.

«Технологии наблюдения, которые могут работать южнее, на севере, ближе к нашим широтам, склонны давать сбои», – говорит он. Обычные спутники на стационарной околоземной орбите не могут выполнять наблюдение над полюсом, поскольку «физика устроена несколько иначе», – добавляет Мейсон.

Технология, кроме того, обеспечивает возможность передачи низкочастотных сигналов, что может способствовать предотвращению обнаружения операторов противниками.

По его словам, проект в настоящий момент находится на раннем этапе разработки, однако, он может оказаться полезным в контексте поиска США и Канадой замены, планируемой к 2025 году, Северной системы предупреждения – совместной системы РЛС раннего предупреждения, состоящей из 54 станций, находящихся в ведении и обслуживаемых Командованием воздушно-космической обороны Северной Америки. «Еще многое предстоит сделать, тем не менее, я глубоко поражен той работой, проделываемой учеными и инженерами в этой сфере».

Как утверждает Мейсон, одной из ключевых проблем, требующей решения, является создание квантовой запутанности фотонов в объемах, необходимых для достижения результатов, позволяющих осуществлять полевые исследования.

«В физических лабораториях на сегодняшний день уже известно, как создать пары запутанных фотонов. Но при проведении лабораторных экспериментов у вас нет необходимости в сотни миллионов таких пар, вам может быть достаточно и десяти-двадцати», – говорит Мэйсон. Он добавляет, что команда университета Уотерлу обнаружила обещающие способы производства гораздо большего потока пар, находящихся в запутанном состоянии.

Кроме того, трудности может вызвать и непосредственно применение технологии в реальных условиях. «Добиться работы технологии в лаборатории, в строго контролируемых условиях, это одно дело, но за пределами лаборатории под воздействием холода и ветра, в открытом пространстве все может складываться совершенно по иному», – рассказывает Мейсон.

Ситуационная осведомленность становится все более важной по мере того, как льды арктического региона тают, открывая новые судоходные пути и привлекая растущее число туристических судов.

К 2021 году ожидается удвоение объемов международного судоходства в данном регионе, повторное удвоение произойдет к 2030 году, как утверждает Контр-адмирал в отставке Тимоти Галлаудет, заместитель министра торговли в подразделении Национального управления океанических и атмосферных исследований и исполняющий обязанности помощника министра торговли по океанам и атмосфере в Национальном управлении океанических и атмосферных исследований.

Министерство обороны занимается исследованиями воздушных, водных и подводных беспилотных систем. Эти средства уже применялись для изучения морских млекопитающих «с чрезвычайно высокой эффективностью», – рассказал Галлаудет на ежегодной конференции Sea-Air-Space Военно-морской лиги, проходящей в Национальной гавани, штат Мэриленд. Для анализа данных о популяции морских леопардов, собранных дронами, двум ученым потребовалось всего 20 минут; как подметил Тимоти Галлаудет, для сбора и анализа такого объема данных без использования дронов обычно требуется примерно пять часов работы шести специалистов.

«На данном примере мы может видеть, каким образом беспилотные технологии могут способствовать повышению эффективности и экономичности, представляя колоссальные возможности для развития», – говорит он.

Цукунфт отмечает, что Арктика может освободиться ото льда уже в 2030 году. Он отмечает, что на сегодняшний день менее 5% региона картографировано в той мере, в какой это должно быть сделано «по стандартам 21 века». «Что, если судно встретит на своем пути морскую возвышенность, не отмеченную на карте, и сядет на мель?»

Береговая охрана применяет новые технологии, позволяющие использовать маячки виртуальных систем автоматической идентификации для облегчения картографирования большего количества морских путей, говорит Майкл Эмерсон, директор по системам морских перевозок и старший советник по Арктике в службе Береговой охраны. «Мы может создавать виртуальные маячки, отображающиеся в ваших атласах или электронных картах», – рассказал он на конференции. В разработке этой технологии Служба сотрудничает с Национальным управлением океанических и атмосферных исследований, Морской диспетчерской службой Аляски (MXAK) и правительством Финляндии, говорит Эмерсон.

Галлаудет утверждает, что развитие беспилотных многолучевых эхолотов также может способствовать развитию картографической отрасли. «Вопрос заключается не в том произойдет ли это, а в том, когда это произойдет», – говорит он.