Алексей Белоцерковский — кандидат технических наук, заведующий отделом интеллектуальных информационных систем Объединенного института проблем информатики Национальной академии наук Беларуси, национальный координатор Всемирной недели космоса (WSWA) под эгидой ООН и сообщества BYspace, национальная контактная точка по космосу. С Алексеем мы поговорили о том, какие белорусские спутники прямо сейчас работают на орбите, как заинтересовать студентов обработкой данных, как спутники помогают МЧС бороться с пожарами и почему им не мешают облака.
— Из чего состоит космическая программа Беларуси?
Основной космос в Беларуси основан на Белорусской системе дистанционного зондирования Земли, состоящей из двух сегментов — наземного и космического. Космический сегмент изначально состоял только из белорусского спутника БКА, который был запущен совместно с «Канопусом-В». На сегодняшний день космический сегмент представлен белорусско-российской космической группировкой, в которую входят спутники серии «Канопус». На них ставится достаточно хорошее оборудование. На тот «Канопус», который запускался вместе с БКА, ставилась оптика «Пеленга». Она является одной из самых продвинутых в мире.
БКА (Белорусский космический аппарат) — это второй белорусский спутник, разработанный для наблюдения за земной поверхностью, экологического мониторинга и поддержки национальных интересов Беларуси. Первый спутник БелКА разработан РКК «Энергия» на платформе «Виктория» по заказу НАН Беларуси. Запуск 26 июля 2006 года с Байконура на ракете «Днепр» завершился аварией носителя на 73-й секунде.
БКА запущен 22 июля 2012 года с Байконура на ракете «Союз-ФГ». Разработан в России на платформе «Канопус-В», оснащен белорусской начинкой — оптикой и электроникой производства предприятий «Пеленг» и «Интеграл». Аппарат массой 465 кг выведен на солнечно-синхронную орбиту высотой 510 километров. Разрешение съемки — 2,1 метра (панхроматическое); 10,5 метра (мультиспектральное). Снимки используются для картографии, мониторинга лесов, сельского хозяйства, инфраструктуры и экологии. За время работы отснято более 200 миллионов квадратных километров поверхности.
В настоящее время ведутся работы по созданию спутника следующего поколения — РБКА с разрешением 0,35 м. Также планируется запуск нескольких аппаратов, созданных в рамках национальной космической подпрограммы и программы «Комплекс-СГ» Союзного государства.
— «Пеленг» — это ведь тоже белорусское предприятие?
Да. Они делают отличные зеркала, датчики астроориентации. У них есть продукция, которая реально котируется в мире и ставится на многие спутники — на арабские, латиноамериканские и, конечно, на российские. Естественно, на наш спутник тоже ставилась такая же. Система состояла из двух цифровых камер — ближнего инфракрасного и видимого спектра — с разрешением два метра и десять метров. Кроме этого, у них прекрасная, достаточно продвинутая и современная база тестирования. И даже коммерческие компании типа «Спутникса» работают с «Пеленгом». То есть фактически свои спутники привозят сюда, в Минск, для тестирования на стендах. Так что «Пеленг», по сути, — главное производственное космическое предприятие нашей страны.
— БКА — единственный белорусский спутник?
Нет. Еще есть телекоммуникационный спутник «Белинтерсат-1» компании «Белинтерсат», которая предоставляет услуги Национальной системы спутниковой связи и вещания. Сам спутник — китайской сборки, оснащен французскими транспондерами. Эти технологии были переданы полностью белорусским специалистам компании «Белинтерсат». На сегодняшний день в Станьково (населенный пункт под Минском — прим. ред.) находится большой комплекс, там ЦУП.
— Белорусский государственный университет тоже показывал свои спутники на выставках…
Да, это BSUSat-1 и BSUSat-2 формата кубсат. Был момент, когда они вдвоем работали на орбите. В общем-то, никто не возлагал надежд на их долгий полет, но первый спутник отработал достаточно продолжительное время. Этот спутник, условно говоря, является космическим сегментом Центра аэрокосмического образования БГУ. Сейчас два центра приема и передачи информации. Сегодня каждый уважающий себя университет имеет спутник. Мы придем, наверное, к тому моменту, когда если у тебя нет спутника, значит, ты не котируешься в мире.
— Планируются новые запуски?
В рамках освоения космоса у нас есть две главных активности. Одна — это, назовем ее условно, национальная космическая программа, которая реализуется в рамках глобального развития науки, наукоемких технологий в нашей стране. И есть программа Союзного государства. В рамках национальной программы мы разрабатываем сейчас свой кубсат.
— Расскажи подробнее об этом проекте.
Это проект создания малоразмерного модуля дистанционного зондирования Земли. То есть это полезная нагрузка, которую можно засунуть в кубсат. Мы используем сравнительно недорогие микрокомпьютеры — это может быть Raspberry Pi, Banana Pi. И даже на таких дешевых платформах мы спокойно можем научить это оборудование обрабатывать данные прямо на борту спутника и передавать на Землю только необходимое. То есть кубсат отсеивает сам весь «мусор», чтобы не транслировать лишние данные.
Небольшая проблема заключалась в том, чтобы одновременно получать данные с четырех камер. Платформы Raspberry Pi или Raspberry Zero, которые мы используем, не позволяют подключить и одновременно запустить четыре камеры. Но у нас это получилось. Мы можем одновременно снимать в двух ракурсах. С одного ракурса две камеры и с другого ракурса две камеры.
— Для чего это нужно?
Во-первых, мы не знаем, как ориентирован кубсат, у него же нет своих двигателей, системы ориентации. Во-вторых, мы говорим о том, что мы, так сказать, балуемся разными технологиями и продвигаемся сами в этом. Таким образом мы понижаем порог вхождения в отрасль. Кто-то запускает кубсат для того, чтобы просто посмотреть, как там прорастает зернышко, или бактерия размножается. Ставит внутрь герметичную камеру — и смотрит. А мы хотим запустить максимально дешевые, но при этом максимально функциональные.
— И сколько стоит запустит такой кубсат?
Запустить — это уже совсем другой вопрос. Стоимость зависит от количества спутников под обтекателем и самого поставщика этих услуг. Есть соответствующие компании, которые этим занимаются. Для примера, места на носителях Falcon 9 продает компания ExoLaunch. Они помещают кубсаты в специальные контейнеры-деплойеры и договариваются непосредственно со SpaceX или другими владельцами ракет. То есть таким компании специально ищут слоты, куда можно засунуть твой кубсат и фактически торгуют местом под обтекателем.
— С космическим сегментом понятно. А что входит в наземный сегмент?
Наземный сегмент – это аппаратная часть, это антенное поле. Наш наземный сегмент сейчас работает не только с белорусско-российской группировкой, но и с данными метеорологических спутников. В УП «Геоинформационные системы» разработана система MeteoEye. Здесь, собственно говоря, ничего не куплено, ничего не взято. Банк данных написан полностью собственными силами, и это полностью белорусская разработка.
— И что делают с этими данными?
В рамках национальной космической программы — это в основном использование уже обработанных данных, создание систем и комплексов в интересах различных министерств и ведомств.
Например, у меня в рамках госпрограммы было задание по разработке информационно-аналитической системы «Природные ресурсы Беларуси». Идея принадлежит нашим партнерам и соисполнителям — НИИ прикладных физических проблем БГУ. Проект мы реализовали вместе с Минприроды. Система предназначалась для мониторинга карьеров и выявления нарушений при их разработке. Например, разработчики карьеров выходят за отведенные им границы. Это, конечно же, нужно мониторить, но ходить и измерять на земле — тяжело и трудоемко. А из космоса это сделать гораздо проще. По данным со спутника мы можем посмотреть, что это за карьер, сравнить его с заявленными характеристиками, посмотреть его размеры и определить, вышел за границы разработчик или не вышел. И по нашей информации дальше уже реагирует на это соответствующий департамент Минприроды. Наши партнеры продолжают по этому проекту работать, но наша задача закончилась. Минприроды довольно: количество выездов сократилось, количество обнаружений увеличилось.
— Какие еще есть способы использования?
Таких примеров множество в сельском хозяйстве, в МЧС. Наводнения, анализ посевов, анализ почв и тому подобное. Например, можно просчитать, сколько необходимо вносить удобрений: вот сюда пять граммов, а сюда — 15 граммов. В Великом Камне существует белорусско-китайское предприятие, собирающее агродроны, которые могут точечно вносить удобрения.
MeteoEye Hotspots — сервис для визуализации и анализа тепловых аномалий. Тепловые аномалии автоматически обнаруживаются по данным спутниковой съемки и доступны уже через 30 минут с момента окончания приема. MeteoEye Hotspots предоставляет данные на европейскую территорию, получаемые с метеорологических космических аппаратов на собственную станцию приема УП «Геоинформационные системы. Распределенная система приема, обработки и распространения оперативной космической информации с космических аппаратов (PCПOP MC) позволяет принимать, обрабатывать, хранить и распространять данные дистанционного зондирования Земли с десяти метеорологических спутников, обеспечивать этими данными МЧС Республики Беларусь, Республиканский центр по гидрометеорологии, контролю радиоактивного загрязнения и мониторингу окружающей среды и других потребителей до 26 раз в сутки. Все данные находятся в открытом доступе на meteoeye.gis.by.
— А есть единая система, которая позволяет использовать данные со спутников в разных целях?
У нас действительно не хватает единой системы пространственных данных, которая будет цифровизировать всю землю. Сейчас к ней пока еще не пришли, но потенциал есть, и мы готовы к ее созданию.
— Но для ее создания нужно хранить и обрабатывать огромный объем данных…
Да, это одна из задач, которыми мы занимаемся в институте: накопить эти данные, как-то агрегировать в одном месте и сложить в одну систему. Технологически это можно сделать с помощью так называемых дата-кубов. И мы разработали такое хранилище, причем разработали его с открытым исходным кодом на языке Python в среде Jupyter как научно-образовательную платформу.
То есть мы не только накапливаем те самые метеорологические данные, мы их храним таким образом, что они в итоге представляется собой некий виртуальный пирог, где все лежит в своей границе, где можно на одну точку развернуть всю математику и посмотреть информацию о конкретной местности в конкретное время по всем данным, которые мы имеем. То есть если тебе нужен какой-то слой данных, ты можешь их выкачать. И если тебе нужны все данные по какой-то точке, ты можешь ими воспользоваться.
— А есть вариант применять распределенные вычисления для этого?
В принципе, да. Но, правда, там немножко технология меняется и все равно предполагается какое-то централизованное хранилище. Сейчас мы думаем, каким образом скрестить это с нуждами вузов. На сегодняшний момент мы используем эту платформу для накопления собственных данных и для обработки в наших интересах и для обучения студентов, которые к нам приходят. Сейчас нам не хватает ресурсов для хранения и вычислительных ресурсов для оперативной работы многих пользователей.
— Почему решили реализовать проект именно как научно-образовательную платформу?
Потому что для науки и образования такую платформу не просто легче сделать, но легче внедрить и сопровождать. Изначально мы предполагали и надеемся масштабироваться для того, чтобы эта система работала для повышения компетенции, квалификации, подготовки специалистов в наших айтишных и «околокосмических» вузах — БГУ, БГУИР.
— В чем сложность работы с данными?
Данными пользоваться умеют очень немногие, потому что метеорологические данные – это не просто снимок. Это огромная простыня различных цифр. И там огромное количество ценной информации, которую благодаря известной, описанной в статьях математике можно получить. Это и называется дата-майнинг. Наши платформы как раз и нацелены на то, чтобы облегчить доступ, облегчить получение этой полезной информации. Чтобы уровень порога вхождения в космическую отрасль снизился. Условно говоря, можно не быть специалистом по обработке данных, чтобы пользоваться подобной платформой. Для начала можно использовать готовые алгоритмы, готовую математику.
— Но вы же не вручную готовите эти данные, а с помощью, например, машинного обучения?
Не вручную, у нас внедрена автоматизация без машинного обучения. Машинное обучение начинается тогда, когда мы уже знаем, что есть определенная выборка, что этот объект является тем-то, а другой — тем-то. Это классический пайплайн использования нейронных сетей.
С помощью этого можно, например, что-то предсказывать. В частности, в процессе мониторинга каких-то объектов. Мы можем из космоса не только померить температуру приземной поверхности, приземного слоя, но еще и проанализировать воздушные примеси, посмотреть, что летает в облаках. А это и перенос радиации, и перенос загрязняющих веществ, климатические изменения. Подключая модели машинного обучения, мы можем посмотреть на локальные и глобальные климатические изменения.
— Разные спутники передают разнородные данные. Ваша платформа может работать с ними?
Да, это называется композиты. Можно сделать композит, например, в течение суток, измеряя температуру поверхности торфяника. И тогда если она растет, МЧС едет тушить, если не растет, не едет.
Если говорить о метеоспутнике, то температура облаков — это –50°, –70°. Мы нашу платформу тестировали с армянами, над Арменией практически нет облаков. Мы смотрели озеро Севан, вокруг него расположены наземные датчики. И мы сравнивали землю с космосом. Разбежка очень небольшая в том случае, если нет облаков. А если есть облака, разница в 50 градусов. Но если мы делаем композит, средний срез, и совмещаем все данные всех метеоспутников на конкретную территорию в течение суток, то, конечно, показания усредняются. И можно дальше использовать интеллектуальный подход. Если мы видим на одну точку –50° на одном снимке и +10° на другом, то, очевидно, что –50° мы отсечем, потому что там облако было. Таким образом можно создать более-менее приемлемую реальную температурную карту поверхности.
— Для продвижения образовательной платформы нужен интерес к космическим технологиям. Расскажи о своей, так сказать, общественной деятельности.
Например, в 2015 году вместе с Wargaming энтузиасты впервые организовали в Минске хакатон NASA Space Application Challenge. В какой-то момент NASA дает задание и открывает свою платформу для скачивания данных, которые ты можешь каким-то образом обрабатывать. То есть проект ты придумываешь сам, но он должен быть хотя бы за уши притянут к какой-то задаче, которую объявила NASA. Допустим, она связана с Солнцем, с Землей, с глубоким космосом, с перемещением в пространстве, с моделированием и так далее. Интересно, что в одном из этих хакатонов третье место заняла белорусская команда.
— Какие это могут быть проекты?
Команда занималась воровством астероида со своей орбиты. Они просчитали, что энергетически выгоднее стянуть астероид, привлечь его на земную орбиту и дальше добывать с него полезные ископаемые. Они запилили на Unity какую-то 3D-модель, просчитали математически орбиты, просчитали энергию, ресурсы.
— К тому времени ты уже был национальной контактной точкой по космосу?
С седьмой рамочной программы я был вовлечен в это научное сообщество контактных точек, которые обязаны были объяснять правила европейских конкурсов своим ученым в своей стране, а также связывать ученых своей страны с европейскими учеными для того, чтобы создавались международные консорциумы. Одной стране и одной команде деньги получить было нельзя для исследований, надо было обязательно как минимум три страны. Чтобы получить три страны, нужен какой-то мэтчинг. Этим должны заниматься люди, которые что-то понимают в науке, что-то понимают в конкретной области.
И мы делали такую платформу для кооперации ученых. В европейской программе специально был выделен космический сегмент, и он финансировался из Европейской рамочной программы, Еврокомиссии и напрямую Европейского космического агентства. Руководил этим консорциумом ДЛР — это немецкое аэрокосмическое агентство.
— И благодаря этому участию удалось организовать Международный конгресс Ассоциации участников космических полетов в Минске?
В Тулузе проходило заседание секретариата Ассоциации участников космических полетов. И я был направлен туда как контактная точка, чтобы продвинуть идею организации конгресса в Минске. А все началось с того, что Владимир Коваленок написал письмо президенту: мол, мы ездим по разным странам мира каждый год, с космонавтами и астронавтами собираемся, а почему бы не приехать в Минск? Олег Новицкий тогда был на борту МКС и прямо оттуда направил письмо. И из Администрации президента пришло одобрение. В Тулузе секретариат Ассоциации тоже согласился, и в 2018 году Национальная академия наук совместно с компанией «ЦентрКурорт» организовала у нас большой конгресс. Приехало, по-моему, где-то 90 космонавтов и астронавтов, в том числе был первый китайский космонавт Ян Ливэй, были европейские астронавты, российские космонавты. И в рамках конгресса был один день под названием Community Day, когда участники разъезжаются по стране и проводят встречи, где рассказывают про космос.
— Эти же знакомства позволили организовать сообщество BYspace?
У меня было в активе порядка четырехсот человек в одной телеграм-группе, я старался их не терять, как-то поддерживал новостями и назвал это все BYspace — неформальное сообщество людей, интересующихся космосом. И я на общественных началах помогаю советом тем, кто проводит какие-то научные мероприятия. Например, ежегодно в минском Ботаническом саду проходит фестиваль науки. И на один из таких фестивалей приехал российский популяризатор науки Дмитрий Эпштейн, который просто заставил меня полететь на Байконур. Там я познакомился с Дмитрием Шаталовым (директор ГБОУ Лицей «МКШ им. В. Н. Челомея» в городе Байконуре — прим. ред.). Он привлекает российские школы и вузы для того, чтобы собрать группы школьников и студентов для поездок на космодром. Так возникла идея поездок на Байконур. Так что сейчас BySpace информационно помогает полететь на Байконур. Мы не организаторы, никак не зарабатываем на этом, но помогаем заинтересованным людям узнать о такой возможности.
Благодарим за помощь в подготовке материала УП «Геоинформационные системы» и лично заместителя директора по производству Игоря Страшко.