С точностью до миллиметров

Спутниковая радарная интерферометрия — перспективный и активно набирающий популярность в мире метод мониторинга земной поверхности. Опыт его внедрения в России уже имеется, но дальнейшее развитие метода упирается в необходимость создания собственной группировки спутников дистанционного зондирования Земли с соответствующими возможностями. «Газпром космические системы» готовы к решению этой задачи.

География России, ее обширная территория и сложные природные условия накладывают специфику на инфраструктуру объектов топливно-энергетического комплекса (ТЭК). Линейные объекты, например, магистральные газопроводы (МГП) или линии электропередач, имеют большую протяженность и зачастую проходят по труднодоступным районам со сложными климатическими и геологическими условиями. Вечная мерзлота, гористая местность, сейсмическая активность представляют серьезные риски для объектов ТЭК. Поэтому очень важно понимать состояние и видеть динамику изменений земной поверхности в местах расположения таких объектов. Традиционные методы контроля, такие как наземные геодезические наблюдения или вертолетное патрулирование, активно используются, но имеют ряд недостатков и ограничений — от высоких операционных затрат до невозможности получать полную картину с динамикой изменений ситуации во времени. Снятию этих ограничений способствуют новые космические технологии, в частности, спутниковая радарная интерферометрия.

Метод радарной интерферометрии основывается на анализе разности фаз двух принимаемых спутником дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) сигналов, отраженных от земной поверхности в разное время. Разность фаз принятых сигналов при первом пролете спутника дает информацию о рельефе поверхности, а при втором пролете — данные об изменении состояния земной поверхности. В рамках этого метода применяются два типа измерений — по естественным отражателям, в роли которых могут выступать здания и сооружения, открытые участки трубопроводов и т.д., либо по специально установленным искусственным отражателям радиосигнала. Существенными преимуществами такого метода является его всепогодность, высокая точность и разрешающая способность, широкий охват, оперативность получения данных, вплоть до реального времени, а также возможность получения принципиально новой полезной информации о земной поверхности.

Компания «Газпром космические системы» разработала, запатентовала и успешно внедрила технологию геотехнического мониторинга опасных производственных объектов методом спутниковой радарной интерферометрии с использованием уголковых отражателей. Конструктивно уголковый отражатель представляет пирамидальную конструкции с тремя перпендикулярными отражающими гранями. Уголковые отражатели, закрепленные диаметрально на одном основании, выступают стабильной альтернативой естественным отражающим поверхностям, повышая точность контроля до миллиметров. Полученная первичная информация (серия разновременных космических радиолокационных снимков) проходит обработку, на их основе строятся цифровые модели высот местности и карты деформаций. Результатом этой работы является карта смещений земной поверхности. Далее по определенным критериям определяется являются ли выявленные смещения опасными для эксплуатирующей организации.

Технология спутниковой радарной интерферометрии используется на МГП Сила Сибири, Дзуарикау — Цхинвал и на Северо-Ставропольском подземном хранилище газа (ПХГ). По еще нескольким объектам в «Газпроме» рассматривается возможность внедрения этой технологии.

На Северо-Ставропольском ПХГ технология служит для контроля сезонных отклонений поверхности и объектов при отборе и закачке газа. Для ПХГ такой контроль крайне важен, поскольку за один цикл закачки и отбора вертикальные смешения по проектным расчетам могут составлять 10–15 см, что требует регулярного контроля процессов на земной поверхности в связи с режимом работы ПХГ.

Первый заместитель генерального директора «Газпром космические системы» Петр Владимирович Корвяков: «Проект на Северо-Ставропольском ПХГ был реализован как пилотный. В рамках этого проекта было необходимо определить стоит ли эту технологию дальше внедрять и при каких условиях она будет эффективной, и при каких условиях ее можно развивать. Такие условия были определены, результаты проекта признаны успешными. Теперь одна из задач внедрения таких технологий — гармонизация используемых методов с нормативной базой».

На МГП Дзуарикау — Цхинвал с помощью технологий радарной интерферометрии осуществляется контроль оползневых участков. Самый высокогорный в мире газопровод проходит по очень сложной местности и подвержен значительному риску оползней. Съемка осуществляется с периодичностью в 6 суток, а основанием для сигнала тревоги служит смещение на 5 см.

Наиболее масштабно технология внедрена на МГП Сила Сибири и служит определения критического отклонения положения трубопровода от проектного. На участке МГП Сила Сибири от Чаяндинского месторождения в Якутии до границы с Китаем в Амурской области установлено 835 уголковых отражателей, система находится в эксплуатации с конца 2020 г. Еще порядка 100 уголков будет размещено на участке от Ковыктинского месторождения в Иркутской области до Чаяндинского месторождения, который осенью 2022 г. начнет активно вводится в эксплуатацию. Контрольные измерения проводятся до 4 раз в год с точностью измерений смещений 2 мм. Экономический эффект от реализации проекта выражается в 4-кратном снижении затрат по сравнению с альтернативными методами геотехнического мониторинга.

«Газпром», эксплуатирующий масштабную газотранспортную систему России, ведет последовательную тщательную работу по мониторингу своей инфраструктуры и заинтересован в развитии системы космического геотехнического мониторинга на своих объектах. Однако аналогичные задачи по мониторингу протяженной инфраструктуры решают и другие компании ТЭК, и шире — любые компании, имеющие подобную территориально распределенную инфраструктуру, особенно если эта инфраструктура включает опасные объекты, к мониторингу которых предъявляются повышенные требования.

В январе 2022 г. на площадке Российского газового общества (РГО) прошло совещание по вопросу развития геотехнического мониторинга с использованием космических технологий на объектах добычи, транспортировки, хранения и переработки нефтегазовой продукции, в котором приняли участие представители копаний нефтегазовой отрасли, в т.ч. «Транснефти», «Роснефти», «ЛУКОЙЛа», а также «Россетей». Участники встречи подтвердили потребность в таких услугах и готовность изучать этот вопрос в т.ч. в применении к собственной инфраструктуре. В настоящее время «Газпром космические системы» активно обсуждает потенциал сотрудничества с «Газпром нефтью».

Помимо мониторинга опасных производственных объектов, спутниковая радиолокационная съемка позволяет определять загрязнения водной поверхности жидкими углеводородами. Такая возможность обеспечивается за счет оперативного всепогодного выявления и картирования зон загрязнения водной поверхности жидкими углеводородами, оценки масштабов чрезвычайной ситуации и прогнозирования ее развития.

Секретарь Научно-технического совета Владимир Александрович Лазутин: «Разлив нефти мы можем выявлять на морской поверхности, если на ней есть волнение от 2 до 5 баллов. Волнение на чистой воде дает одни характеристики отражательной способности, волнение на воде, покрытой нефтяной пленкой, дает другую отражающую способность. И это очень четко видно на снимке — темные пятна могут означать предположительные разливы нефти. Если дешифрирование делают грамотные специалисты, то можно оперативно выявлять эти разливы и предпринимать необходимые меры».

В связи с значимостью решаемых задач, обсуждение создания единой системы космического геотехнического мониторинга вынесено на государственный уровень. «Роскосмос» реализует федеральный проект комплексного развития космических информационных технологий СФЕРА, включающую систему всепогодного высокопериодичного дистанционного мониторинга Земли.

База для создания такой системы заложена. У «Газпром космические системы» существует и эксплуатируется инфраструктура управления спутниками и обработки информации космического мониторинга, технология геотехнического мониторинга на базе радарной интерферометрии уже разработана и внедрена. Однако для полномасштабного использования данной технологии необходимо обеспечить непрерывный мониторинг земной поверхности отечественными радиолокационными космическими аппаратами. Собственной такой группировки спутников ДЗЗ у России сейчас нет, что ставит развитие системы спутникового геотехнического мониторинга в зависимость от данных иностранных операторов систем ДЗЗ. В сложившейся внешнеполитической ситуации иностранные операторы ДЗЗ прекратили предоставление данных для «Газпром космические системы». Это делает задачу по созданию собственной группировки ДЗЗ очень актуальной.

В г. Щелково Московской области, в непосредственной близости от телекоммуникационного центра «Газпром космические системы» строится сборочное производство космических аппаратов (СПКА), проект реализуется «Газпромом» при поддержке «Роскосмоса». На СПКА будет реализован полный цикл сборки и испытаний космических аппаратов средней и большой размерности, а также серийное производство малых космических аппаратов, включая радиолокационных, для многоспутниковых систем. В ход реализации проекта СПКА текущая внешнеполитическая ситуация вносит коррективы, но планы по завершению строительства завода на данный момент сохраняются, технологическое оборудование — стенды и камеры — частично поставлено, с оставшимся оборудованием вопросы решаются.

На СПКА планируется построить 6 спутников-радаров для создания космической системы мониторинга опасных производственных объектов. В качестве полезной нагрузкой на этих спутниках будет устанавливаться радиолокатор бокового обзора с синтезированной апертурой. Такие спутники будут работать на орбитах высотой 560 км, обеспечат всепогодную радарную съемку поверхности Земли и станут основой для общероссийской системы космического мониторинга производственных объектов. Также эта группировка послужит решению задач Северного морского пути (СМП), в первую очередь, по мониторингу ледовой обстановки, что критически важно для обеспечения безопасности шельфовых объектов и навигации в акватории СМП.

Заместитель генерального директора по развитию бизнеса «Газпром космические систем» Игорь Владимирович Кот: «Инфраструктура нефтегазовых компаний, по своей сути, включает опасные территориально-распределенные производственные объекты, за которыми постоянно требуется контроль. Этот контроль может осуществляться как с помощью систем связи, в том числе спутниковой, путем передачи данных телеметрии и команд на исполнительные механизмы систем телемеханики, так и с помощью наблюдения из космоса или с помощью беспилотных летательных аппаратов. У нас счастливым образом оба вида деятельности присутствуют. Компаний, которые совмещают спутниковую связь и ДЗЗ, в мире в общем-то нет. Для нас единственная разница в этих двух направлениях — то, что в телекоммуникациях у нас есть собственные спутники, а в геоинформационных делах их нет, и там мы выступаем как чистый сервис-провайдер, приобретая космические снимки у операторов спутников ДЗЗ, как правило иностранных, что сейчас становится все более проблематичным. Мы в области ДЗЗ хотим повторить тот путь, который прошли по телекому — сначала услуги на базе чужих спутников, а потом запуск собственных. Сейчас жизнь подсказывает, что это было бы разумно».