Спутниковые системы наблюдения и связи Тема 2. Сенсоры и платформы

дистанционного зондирования Земли из космоса
дтн, снс Клюшников В.Ю.
(ЦНИИ машиностроения)
Кафедра

611Б «Системный анализ и проектирование космических систем»

предоставление пользователям информации об объектах, явлениях и процессах на земной

поверхности, в атмосфере и околоземном пространстве.

Космический сегмент:
- носители съемочной аппаратуры - космические аппараты (КА), запущенные на специальные орбиты;
- бортовая съемочная аппаратура - «сенсоры», регистрирующие в том или ином виде отраженное или собственное электромагнитное излучение изучаемых объектов;
- бортовые средства передачи данных на Землю по радиоканалу;
- спутники-ретрансляторы.

Наземный сегмент:
- средства выведения КА на орбиту (ракетно-космический комплекс);
- средства управления полетом КА (центры управления полетом, наземные станции командно-измерительной системы, системы связи и передачи телеметрической информации);
- комплекс приема спутниковой информации, включающий распределенную сеть региональных, локальных и мобильных приемных станций;
- комплекс обработки данных ДЗЗ и предоставления потребителям различных информационных продуктов на их основе.

заданного района (объекта).
От КС ДЗЗ требуется, чтобы она наблюдала

заданный район земной поверхности или заданные объекты на Земле. Объекты наблюдения задаются их географическими координатами (широта РН и долгота РН). Границы наблюдаемого района также характеризуются географическими координатами. Для задач метеорологии таким районом может быть весь земной шар, для сельского хозяйства—территория страны, для океанологии—акватория мирового океана в диапазоне широт РН= ±85° и т.д. Координаты объектов и границы района наблюдения учитываются при выборе параметров орбит КА, определяющих его трассу.

2.Требования к спектральным характеристикам аппаратуры наблюдения. Наблюдаемые из космоса объекты чрезвычайно многообразны, однако можно выделить общие их спектральные характеристики, имеющие принципиальное значение при синтезе КС ДЗЗ.
Наблюдения объектов из космоса проводятся в следующих диапазонах длин волн  электромагнитного спектра:
визуальные наблюдения ...0.40—0,64 мкм;
однозональное и многозональное фотографирование 0,4—0,92 мкм;
телевизионные наблюдения ... 0,45—0.75 мкм,
инфракрасная съемка ... 0,72—14,0 мкм;
многоспектральная съемка ... 0.,3—14,0 мкм;
спектрографирование ..0,4—0,7 мкм;
микроволновая съемка ...0,5—30,0 см.

Наблюдения в видимом диапазоне = 0,4...0.75 мкм позволяют получать наиболее качественную информацию из-за большой разрешающей способности аппаратуры в этом диапазоне. Особенно высока достоверность информации при многозональной съемке. Многоспектральная съемка еще более эффективна, чем многозональное фотографирование, так как одновременные изображения получаются не только в видимом, но и инфракрасном диапазоне.
Особый вид информации представляют собой спектральные отражательные характеристики объектов, которые определяются при спектрографировании.

2

пространственной разрешающей способности.
Размеры объектов наблюдения определяют потребную пространственную разрешающую

способность R. При изучении объекта по изображению различают пространственную разрешающую способность, необходимую для обнаружения объекта Rmap и для идентификации объекта Rim. Обычно Rim/Rmap0,3...0,7.
Разрешающая способность R существенно влияет на выбор параметров сенсоров и КC ДЗЗ. Наибольшее разрешение может быть достигнуто с помощью многозональных фотосистем (10—50 м), несколько меньшее — с использованием телевизионной аппаратуры. При этом наблюдение в видимом диапазоне позволяет получать в 3—4 раза лучшее разрешение, чем в ИК-диапазоне. Самой низкой разрешающей способностью обладают микроволновые радиометры, имеющие, однако, уникальную способность наблюдать сквозь облачный покров.

4.Требования к обзорности изображения.
Обзорность космического изображения — наиболее важный параметр космической съемки, так как реализует ее основное преимущество — территориальную интеграцию. Основной характеристикой обзорности является площадь снимаемого участка So6.
По обзорности космическую информацию можно разделить на четыре группы:
1) глобальные съемки обзорностью 107-108 км2, дающие изображение всего или почти всего видимого диска Земли;
2) региональные съемки обзорностью 106-107 км2, дающие изображение крупных географических областей и стран;
3) локальные съемки обзорностью 105-106км2, дающие изображения отдельных районов;
4) детальные съемки обзорностью 104-105 км2.

3

,  = 7,292 10-5 с-1.
4

стоимости КС ДЗЗ.
Стоимость КС ДЗЗ определяется затратами на создание

и эксплуатацию системы. Обычно ставится задача, чтобы стоимость была ограничена или минимальна.

10. Требование ко времени функционирования КС ДЗЗ зависит от задач, которые поставлены перед системой. С увеличением времени функционирования возрастают расходы на создание высокоресурсных средств, эксплуатацию КС ДЗЗ, замену КА в сети. Следовательно, время функционирования КС ДЗЗ есть возрастающая функция стоимости КС ДЗЗ. Время функционирования КС ДЗЗ должно быть максимально или не ниже заданного.

11. Требование к экономической эффективности КС ДЗЗ — основное, так как именно по ней можно судить о том вкладе, который дает КС ДЗЗ для экономики, и о целесообразности создания КС ДЗЗ. Экономическая эффективность непосредственно связана с тем прибылью, которую дает использование КС ДЗЗ, с одной стороны, и с затратами на нее — с другой.
Требование к экономической эффективности КСН может быть задано либо в виде ограничения, когда она должна быть не ниже заданной, либо в виде требования максимальной эффективности.

6

гг., ЦСКБ, Самара)
Один из первых КА фотонаблюдения "Зенит-4МК"
(1962 г.,

ЦСКБ, Самара)

7

в начале шестидесятых/ стало ясно что если запустить спутник с

фотоаппаратом на орбиту, то можно эффективно наблюдать за противником при этом враг не сможет его сбить.
Конструкторы РКЦ "Прогресс" создали аппарат "Янтарь-2К" на первой тяжелой платформе "Янтарь". У аппарата был приборно-агрегатный отсек с маршевым двигателем, солнечными батареями и баками с топливом, приборный отсек с системами электропитания и терморегуляции, отсека специальной аппаратуры с приборами наблюдения в виде фотоаппарата "Жемчуг-4", пленки и связи. На боку этого отсека крепились две капсулы для оперативного возвращения отснятой пленки на Землю. Сам отсек также сделан возвращаемым. При входе в атмосферу отсек специальной аппаратуры сбрасывает другие два отсека, фотокамера задвигается внутрь и приземлялся на парашюте. Потом он мог быть использован повторно. Наш "Янтарь-2К" - это первый в мире частично возвращаемый на Землю спутник. Спутник находился на орбите всего месяц и потом сходил с орбиты. Первые космические фотоаппараты вынуждали использовать очень низкие орбиты высотой 160 км над Землей. Первый удачный пуск средней ракеты-носителя "Союз-У" с аппаратом "Янтарь-2К" ("Космос-697") состоялся 13 декабря 1974 года с "Плесецка". Всего было запущено 30 аппаратов. Последний запуск 28 июня 1983 года. На смену "Янтарь-К2" пришел более совершенный "Янтарь-4КС1".

8

системы низкого (R > 100 м), среднего (10 м

R < 100 м), высокого (1 м < R < 10 м) и сверхвысокого (R < 1 м) разрешения.
Полоса обзора – определяет размеры поверхности попадающей в кадр. Как правило, чем шире полоса обзора, тем ниже разрешение.

10

гг)
Характеристики сканирующих устройств высокого разрешения
(КА типа «Ресурс-О», 1980-е

гг)

Функциональная блок-схема радиотелевизионного комплекса:
1,2 — четырехзональные оптико-механические сканирующие устройства малого разрешения МСУ-М; 3,4 — двухзональные оптико-механические сканирующие устройства среднего разрешения МСУ-С; 5, 6 — устройства магнитной регистрации; 7,8 — хронизаторы; 9,10 — задающие генераторы; 11,12 — передающие устройства дециметрового диапазона; 13,14 — передающие устройства метрового диапазона; 15,16 — антенные переключатели; 17 — блок автоматики; 18,19 — устройство отображения бортового времени

Схема обзора поверхности Земли сканирующими устройствами МСУ-Э и МСУ-СК

Оптические схемы МСУ-М и МСУ-С
(коническое сканирование)

Поток излучения, отразившись от зеркала (1) либо от одной из граней пирамиды (1) и зеркала (1 и пройдя через объектив (2), направляется зеркалом (3) на спектроделительное зеркало (4). Последнее отражает поток излучения в видимом диапазоне на диафрагму (5), а излучение в инфракрасном диапазоне пропускает на диафрагму (6). Пройдя через нее, этот поток собирается линзой (7) и с помощью зеркала (8) направляется на фотоэлектронный умножитель (ФЭУ). Видимое излучение после прохождения диафрагмы (5) и собирающей линзы (10) делится на три зоны интерференционными зеркалами (11, 12, 14, 15, 16) и направляется на ФЭУ (9, 13, 17, 18). В приборе МСУ-С устанавливаются лишь оптические элементы для двух каналов (9, 13) и вместо ФЭУ используются лавинные фотодиоды.

Первые отечественные оптико-электронные сканирующие устройства

12

частота принятого сигнала; fhet - частота гетеродина; fif- промежуточная частота;

Fs - частота квантования сигнала)

Принцип действия радиолокатора бокового обзора:
a - бортовая аппаратура РБО; б - фото района съемки (пролив Гибралтар); в - радиолокационное изображение (РЛИ); г - фрагмент РЛИ морской поверхности с отметками от кораблей.
БОИ - блок обработки информации; ПРМ-ПРД – приемник-передатчик; Dxant – раскрыв антенны, луч которой направлен перпендикулярно линии пути; Хant - зона облучения антенной радиолокатора

Принцип действия радиолокатора с синтезированной апертурой:
а - бортовая аппаратура РСА; б - фото района съемки (пролив Гибралтар); в - радиоголограмма; г - радиолокационное изображение (РЛИ) с отметками от кораблей: Lsynt - длина синтезированной апертуры, Хant - зона облучения антенной радиолокатора

Сенсоры КА ДЗЗ. Радиолокатор

Наиболее употребительными длинами волн космических радарных систем являются К(Q) - (0,8–1,1 см), Х - (2,4–3,8 см), C - (3.8 - 7.5см) и S - (7.5 - 15.8 см) диапазоны.
Особенности радарных изображений определяются пятью параметрами: длиной волны, пространственным разрешением, размером сцены, интенсивностью принятого сигнала и поляризацией сигнала.

сигналов
Во всякой электромагнитной волне электрическое поле перпендикулярно направлению распространения волны

и направление колебания вектора электрического поля называется поляризацией волны. Управляя поляризацией передаваемого сигнала радара, можно получать различные эффекты. Радары используют горизонтальную, вертикальную, линейную и круговую поляризацию для обнаружения различных типов отражающих сигнал объектов. Например, круговая поляризация используется, чтобы минимизировать помехи, вызванные дождем. Линейная поляризация отраженного сигнала обычно указывают на его отражение от металлических поверхностей. Поляризация случайного характера отраженного сигнала обычно указывает на фрактальные поверхности, такие как камни или почвы

14

видимую структуру объектов с одновременным пространственным и спектральным разрешением -

получать спектральные характеристики всего массива видимых точек исследуемой поверхности (“спектральный гиперкуб” - зависимость F(x,y,λ)).

Предполагается – однозначное соответствие между отраженным сигналом и характеристиками отражающей поверхности

России
Высокопериодичная спектрозональная съемка значительных площадей
Минприроды России
Проведение спектрозональной и других видов

специальной съемки

Росреестр
Плановая съемка значительных территорий с ограничениями по облачности, освещению, углу визирования и др

Основа комплексного учета требований – централизованное комплексное планирование целевого применения ОГ КС ДЗЗ с использованием возможностей каждого КА ДЗЗ.

Необходимость учета требований по:
приоритетности съемки;
радиометрическому и линейному разрешению
оперативности и периодичности;
сочетанию режимов объектовой и площадной космической съемки;
видам космической съемки и др.

МЧС России
Высокие требования по оперативности представления данных ДЗЗ (сочетание объектовой и площадной съемок)

Комплексный учет требований потребителей данных ДЗЗ

17

при решении различных задач КА ДЗЗ
На основе требований к характеристикам

космической информации, предоставляемой российской орбитальной группировкой КА ДЗЗ, сформированы следующие подсистемы :

Гидрометеорологического
наблюдения
Природоресурсного
наблюдения
Оперативного наблюдения
территории РФ

18

восходящего узла;
 - аргумент перицентра;
a – большая полуось орбиты;
- эксцентриситет

орбиты;
i – наклонение орбиты;
t – время прохождения КА
через перицентр

Орбиты: полярные (i = 90), субполярные (i  90), экваториальные (i=0), восходящие, нисходящие.

200 – 600 км – пилотируемые корабли, 600 – 2000 км – орбиты ИСЗ,  36000 км – геостационарные орбиты

Положение КА на эллиптической орбите описывается шестью параметрами:
долготой восходящего угла ;
наклонением орбиты i;
большой полуосью a;
эксцентриситетом e (0 e <1), при e=0 орбита круговая;
аргументом перигея (угловое расстояние перигея от восходящего узла);
временем прохождения перигея (динамическим элементом движения).
В случае кеплеровского движения все параметры считаются постоянными.

Для КА ДЗЗ важны три параметра:
- высота орбиты
- наклонение орбиты
- период обращения вокруг Земли

От высоты орбиты (расстояние от КА до поверхности Земли) зависят такие характеристики изображения, как полоса обзора и пространственное разрешение. Чем выше спутник находится над поверхностью Земли, тем больше потенциальная полоса обзора и тем меньше разрешение. С другой стороны, чем ниже орбита, тем сильней сопротивление среды и, следовательно, тем больше энергии требуется для стабилизации орбиты.
Наклонение орбиты КА - двугранный угол i между плоскостью орбиты КА и плоскостью экватора фиксирует предельные широты доступные для наблюдения. Максимальный обзор обеспечивают так называемые приполярные орбиты (i около 90°).
Период обращения КА вокруг Земли - отрезок времени, за который КА делает один полный оборот. При движении по солнечно-синхронной орбите КА пересекает плоскость экватора в восходящем узле всегда в одно и то же местное время и соблюдается условие одинаковой освещенности при проведении съемок.

19

температуры и спектральных характеристик поверхности Земли;
CERES – радиометр;
MISR - измерение

потока солнечного излучения;
MODIS - наблюдение за глобальной динамикой планеты (облачность, радиационный баланс и т.д.);
MOPITT - мониторинг загрязнения атмосферы.

20

включает:
22

Решаемые задачи
- картографирование;
- обнаружение очагов лесных пожаров, крупных выбросов

загрязняющих веществ в природную среду;
- регистрация аномальных явлений для исследования возможности прогнозирования землетрясений;
- мониторинг сельскохозяйственной деятельности, водных и прибрежных ресурсов;
- землепользование;
- высокооперативное наблюдение заданных районов земной поверхности.

23

№ 1, 2
Комплекс целевой аппаратуры включает:
24

радиотехнический комплекс (БРТК);
бортовую систему сбора данных (БССД)
Потребители:
Организации федеральных и государственных

служб (Росгидромет, Роскартография, Минприроды и др.), административные, хозяйственные и коммерческие организации.

27

(ДНР)
детальный прожекторный (ДПР)
обзорный (ОР)
Общий вид КА «Кондор-Э»
с раскрытой

антенной РСА

31

ССО
КС гидрометеорологического назначения
КС природоресурсного назначения
КК океанографического назначения «Океан» на ССО

КС непрерывного наблюдения арктических районов в составе КА «Арктика-М» на ВЭО

КС оптико-электронного наблюдения в составе «Ресурс-ПМ» ССО

КС непрерывного наблюдения среднеширотных районов в составе КА «Электро-Л» на ГСО

Среднеорбитальная КС в составе КА «Метеор-М» и «Метеор-МП» на ССО

2021

2023

2024

2021

2022

2023

2024

ОГ оперативного мониторинга в составе КА «Обзор-О» на ССО

2016

2019

2020

2019

2020

2021

2024

2020

2020

2021

2025

Прогноз состава орбитальной группировки КА КС ДЗЗ в 2025 году

32

участков земной поверхности (УЗП), включая водную поверхность, передачу данных с

борта КА по радиоканалу непосредственно на пункты приёма информации и обработку принятой радиолокационной информации, включая формирование радиолокационных изображений (РЛИ).
Космический комплекс «Обзор-Р» создается для решения широкого круга актуальных задач:
- картографирования;
- обеспечения безопасности мореплавания;
- мониторинга природных и техногенных чрезвычайных ситуаций;
- выявления потенциально опасных геологических процессов, объектов и явлений в районах строительства и эксплуатации ответственных объектов;
- информационного обеспечения задач природопользования, поиска полезных ископаемых, сельского хозяйства.
При этом могут решаться как задачи информационного обеспечения хода производственных процессов по поиску, добыче, переработке и транспортировке производимых продуктов, так и задачи мониторинга экологической обстановки и обнаружения и оценки последствий крупных аварий. Весьма ценный объём данных подобный комплекс должен давать также и для целей топографии и картографии в целом, поскольку по радиолокационным снимкам можно проводить высокоточные топогеодезические измерения положения и высот местонахождения различных объектов на земной поверхности.

Задачи решаемые КА «Обзор-Р»

35

аппарат «Метеор-М» №3 предназначен для:
обеспечения безопасности мореплавания, проведения фундаментальных и

прикладных исследований ледяного покрова в приполярных акваториях мирового океана и замерзающих морях, а также крупных озерах умеренных широт;
прогноза, мониторинга и информационного обеспечения мероприятий по ликвидации последствий наводнений;
оперативного контроля состояния водной среды и соблюдения правил использования континентального шельфа в исключительной экономической зоне Российской Федерации;
своевременного обнаружения, определения площади и конфигурации разливов нефтепродуктов на водной поверхности, а также мониторинга динамики развития загрязнений акватории мирового океана;
мониторинга промысловых районов мирового океана в целях информационного обеспечения производственной деятельности рыболовного флота;
круглосуточного, всепогодного, высокоинформативного радиолокационного мониторинга с возможностью обнаружения и распознавания объектов, определения скорости их движения, рельефа земной поверхности и др.

Планируемый срок запуска: КА «Метеор-М» №3 – 2021г.

38

Съемка производится постоянно при полете над сушей с частотой 1

раз в секунду.
Оптическая система занимает 11/12 объема наноспутника, на все остальные системы (включая двигатели-маховики и аккумуляторы) остается объем в ¼ литра.
Эксперты прогнозируют до 2022 года запуск нескольких тысяч малых спутников наблюдения

Радиолиния передачи целевой информации работает в Х-диапазоне (8025-8400 МГц, линия «космос-Земля», 2 канала по 66,8 МГц) со скоростью от 12,5 до 120 Мбит/с. Высокочастотная мощность передатчика составляет 2 Вт. Микрополосковая антенна установлена на обратной стороне откидывающейся крышки телескопа. Возможно использование манипуляций: QPSK, 8-PSK, 16-APSK, 32-APSK. Виды помехоустойчивого кодирования: от ¼ до 9/10.

Наземный комплекс управления совмещен со специальным комплексом: на 12 площадках развернуты 36 антенн, что позволяет уже сейчас принимать 1 Терабайт данных в сутки (или 1 млн. км.2 земной поверхности)

39

170 спутников расположены на орбите равномерно таким образом, чтобы обеспечить непрерывную съемку поверхности Земли

Разные антенны на одной площадке

Земная станция S/X-диапазона в Brewster, шт. Вашингтон

Lemur-1, 2)
40
28 наземных станций Spire
Группировка спутников Spire
на

10 января 2019 г.

Спутник Lemur-2

по различным показателям качества;
калибровка и настройка съемочной аппаратуры и

основных систем КА;
подтверждение факта пригодности материалов для решения целевых задач.

Состав системы:
- сеть тестовых полигонов различного назначения;
методики калибровки целевой аппаратуры и проведения измерений в интересах валидации космических комплексов ДЗЗ;
аппаратно-программный комплекс обработки, анализа полученных результатов;
измерительные приборы оптического, инфракрасного и радиолокационного диапазонов (наземного и воздушного базирования).

Система валидации - необходимое условие повышения качества функционирования КА ДЗЗ

41