Работы по проекту космической системы (КС) COSMO-SkyMed (Constellation of Small Satellites for Mediterranean basin Observation) были начаты в Италии в 1990-1991 г.г. с использованием научно-технического опыта по КРСА X-SAR, в котором итальянская фирма Alenia Spazio разрабатывала антенную систему.
Первоначальная идея системы COSMO-SkyMed состояла в создании малогабаритного космического РСА и в развертывании на его основе системы легких космических аппаратов, предназначение которых состояло в контроле надводной обстановки на Средиземном море, в том числе морских путей незаконной эмиграции в Италию и в другие европейские страны. На предварительном этапе были определены основные требования к системе и к ее составным частям - масса КА около 700 кг, диапазон РСА - Х, максимальная разрешающая способность -5 метров, полоса обзора – до 450 км, период наблюдения – несколько часов с возможностью наблюдения с обоих сторон от плоскости орбиты.
На дальнейших этапах проектирования в 1998-1999 г.г. концепция системы, требования к КА и РСА претерпели значительные изменения в сторону повышения разрешающей способности (до 1 метра), возможности работы РСА с разными поляризациями и т.д. Все это привело к усложнению построения КРСА и КА в целом, к появлению на борту КА активной фазированной антенной решетки (первоначально предполагалось использовать две волноводно-щелевые ФАР для двухстороннего обзора), к значительному увеличению массы КА (до 1700 кг) и к увеличению стоимости создания системы. Тем не менее, в июне 2007 г., более чем через 15 лет с начала работ, был запущен 1-й КА системы COSMO-SkyMed и начато ее развертывание. В соответствии с первоначальным замыслом система имеет двойное назначение и поэтому техническая информация о ней носит ограниченный характер.
Система
Космическая система COSMO-SkyMed в составе 4-х космических аппаратов с бортовыми радиолокационными комплексами разработана по заказу Космического агентства Италии (ASI) и Министерства обороны Италии (IMD). Стоимость контракта составила 900 млн. евро (из них 116 млн. евро на создание и запуск 4-го КА). Доля Минобороны Италии в контракте составляет 155 млн. евро.
1-й, 2-й и 3-й КА были запущены соответственно в июне, в декабре 2007 г. и в октябре 2008 г. Последний КА (№4) должен быть выведен в космос в марте 2010 г. КА выводились в космос с помощью ракеты-носителя «Дельта-2» с авиабазы Ванденберг (США).
КС Cosmo-SkyMed предназначается для оперативного наблюдения во время военных конфликтов, а также для мониторинга различных чрезвычайных ситуаций и стихийных бедствий (наводнения, пожары, оползни, разливы нефтепродуктов и т.д.), топографического картографирования, наблюдения за соблюдением законодательства, для решения научно-прикладных задач.
Все четыре КА должны находиться на одной солнечно-синхронной орбите высотой 619,6 км и наклонением 97,86°. В плоскости орбиты смещение КА по фазе составляет 90° (см. рисунок).
Баллистическое построение группировки КА позволяет уменьшить среднюю периодичность наблюдения наземных объектов с 9 часов для одного КА до 2,5 час при полном составе КС. Предположительно, с запуском 4-го КА в системе будет реализована возможность интерферометрической съемки с двух космических аппаратов (рисунок ).
Наземный сегмент системы включает центр управления в Фучино (Италия), станции слежения в Кордове (Аргентина) и Кируне (Швеция), станции приема информации в Италии (гражданские и военные потребители) и во Франции (военные потребители).
Космический аппарат
Внешний вид КА COSMO-SkyMed и пример получаемых с него РЛИ показаны на рисунке.
КА построен на базе платформы PRIMA, разработанной фирмой Thales Alenia Space. Масса КА равняется 1700 кг, продолжительность работы – 5 лет. Две солнечные батареи вырабатывают мощность 3,8 кВт. Напряжение питания составляет =42 В.
Бортовая память имеет объем 300 Гбит, скорость передачи данных по радиолинии Х диапазона на землю равна 310 Мбит/с. Имеется возможность разворота КА для проведения съемки справа или слева от плоскости орбиты.
Бортовой радиолокационный комплекс
Бортовой радиолокационный комплекс COSMO-SkyMed может работать в различных режимах радиолокационной съемки (рисунок).
Телескопический режим Spotlight имеет 2 модификации, из которых 1-я (Spotlight-1) используется для военных задач и ее параметры являются закрытыми. Предположительно, что в этом режиме максимальная ширина спектра зондирующего сигнала может достигать 400 МГц, что соответствует разрешению по наклонной дальности менее 0,4 метра. Режим? Spotlight-2, используемый для гражданских задач, позволяет получать РЛИ размером 10´10км2 с пространственным разрешением 1´1м2 без некогерентного накопления.
Режим полосовой съемки Stripmap также имеет две модификации - Himage и Pingpong. В модификации Himage достигается разрешение 3´3 м2 и полоса обзора 40 км (без некогерентного накопления). В модификации Pingpong обеспечивается разрешение 15´15м2 с возможностью выбора 2-х любых поляризаций из всевозможных комбинаций (ВВ, ГГ, ГВ, ВГ). Формируемая ширина РЛИ в данном режиме составляет 30 км.
В режимах ?обзорной съемки ScanSAR (Wide и Huge) может быть сформировано РЛИ с размерами 100´100 км2 (Wide) или 200´200 км2 (Huge) c пространственным разрешением 30´30 м2 и 100´100 м2 соответственно.
Общие параметры для всех видов РЛИ имеют следующие значения:
В БРЛК используется блок адаптивного квантования, позволяющий преобразовывать отсчеты сигнала в соотношении 8:3.
АФАР
Все характеристики БРЛК, в том числе и закрытого режима (Spotlight-1), определяются его антенной системой, поэтому представляет интерес максимально подробный анализ этой основной части БРЛК. В БРЛК COSMO-SkyMed использована АФАР Х-диапазона, длина которой составляет 5,7 м. Эскиз АФАР показан на рисунке.
Общая схема АФАР приведена на рисунке.
Из рисунков видно, что АФАР COSMO-SkyMed состоит из 3 механических панелей. Центральная панель длиной @ 1, 14 метра жестко закреплена на платформе КА, две другие панели по @ 2,28 м (с каждой стороны) откидываются в рабочее положение (рисунок).
Электрически АФАР разделяется на пять панелей, каждая из которых состоит из восьми излучающих секций (tile). Излучающая секция содержит четыре микрополосковые решетки излучателей (МПРИ) размером 8´12 излучающих элементов (ИЭ) и массой 260 г. каждая. Внешняя и внутренняя стороны МПРИ показаны на рисунке.
Так как по длине антенны укладывается 5 излучающих секций, а в каждой секции укладывается 4 МПРИ, то горизонтальный размер МПРИ, очевидно, составляет @ 285 мм. Вертикальный размер МПРИ в доступных источниках не приводится, но он может быть оценен по известной для антенных решеток формуле
Считая, что угол сканирования АФАР составляет ±20° (рисунок), длина волны РСА l@3,1 см, получим, что расстояние между излучателями в вертикальном направлении равно 2,3 см, а вертикальный размер МПРИ (N+1)@210мм. Отсюда получается, что вертикальный размер АФАР может составлять около 1,7м, а площадь раскрыва - 5,7´ 1,7 м2.
Излучающая секция АФАР (рисунок) содержит кроме 4-х МПРИ электронные блоки: 2 источника питания, 32 приемо-передающих модуля, контроллер, СВЧ линии задержки. Масса одной секции равна 10 кг. Следовательно, масса всей АФАР (40 секций) без учета механизма раскрытия может составлять не менее 400 кг.
Внутренний объем каждой излучающей секции разделен на 7 отсеков – 4 для сборки из 8 ППМ (всего 32 шт.), 2 – для ВИП и 1-для контроллера (резервированный) и блока СВЧ линий задержки (ЛЗ). Излучающие секции монтируются на алюминиевый каркас, который включает механизм раскрытия панелей АФАР, кабельную сеть и распределительные системы антенны.
Структурно-функциональная схема АФАР показана на рисунке. Согласно схеме в АФАР используется две системы запитки излучающих элементов на прием и передачу и для разводки калибровочных сигналов. Каждая излучающая секция АФАР содержит 32 приемо-передающих модуля и СВЧ линию задержки, необходимую для управления антенным лучем, когда требуется частотно-независимое сканирование по углу места. Максимальная размерность ЛЗ составляет 15 длин волны, разрядность переключения – 4 бит. Цифровой контроллер каждой секции компенсирует температуру всех радиоэлектронных элементов за счет изменения задержки сигналов в СВЧ ЛЗ. В секции используется резервированный вторичный источник питания (ВИП) мощностью 260 Вт и КПД 80%..
Приемо-передающий модуль
Структурно-функциональная схема ППМ показана на рисунке.
Согласно данной схеме ППМ имеет два канала, обеспечивающих одновременную работу с разными поляризациями. ППМ построен по технологии MMIC. Общее количество ППМ в составе АФАР составляет 1280 шт. Технические параметры ППМ (мощность, коэффициент шума, потери и др.) в доступной литературе не приводятся.
