Федеральное агентство науки и образования МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ГЕОДЕЗИИ И КАРТОГРАФИИ (МИИГАиК) Учебное пособие Мониторинг природной среды аэрокосмическими средствами Рекомендовано УМО по образованию в области геодезии и фотограмметрии в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки 120200 «Фотограмметрия и дистанционное зондирование» специальностей 120201 «Исследование природных ресурсов аэрокосмическими средствами» и 120202 «Аэрофотогеодезия» МОСКВА 2008 2 УДК: 528.8; 528.914 Малинников В.А., Стеценко А.Ф., Алтынов А.Е., Попов С.М. Мониторинг природной среды аэрокосмическими средствами. Учебное пособие для студентов вузов. – М.: Изд. МИИГАиК. 2008 г., 145 с. Изложены методы организации и технического обеспечения информационно-аналитического мониторинга природной среды для различных направлений хозяйственной деятельности. Пособие подготовлено в соответствии с программой курса «Аэрокосмические методы съемок» и «Техника и технология дистанционного зондирования Земли». Для студентов старших курсов и аспирантов высших учебных заведений занимающихся аэрокосмическими съемками, мониторингом и исследованием природных ресурсов. Рецензенты: Проф. кафедры геодезии и маркшейдерии Московского государственного Горного университета, кандидат технических наук Л.Н. Бруевич Проф. каф. ВТиАОН МИИГАиК, кандидат технических наук Н.К. Шавенько © Московский государственный университет геодезии и картографии, 2015 3 Содержание Введение ..................................................................... 5 1. Обеспечение информационно-аналитического мониторинга данными дистанционного зондирования Земли ..................................................................... 7 1.1. Классификация систем аэрокосмического мониторинга по технологии получения видеоинформации ..............................................................................................................................9 1.2. Аэрокосмические системы дистанционного зондирования Земли ......................................16 1.3. Авиационные системы дистанционного зондирования Земли .............................................22 1.4. Обеспечение ДЗЗ данными наземных наблюдений. ..............................................................26 2. Космические средства ДЗЗ среднего и высокого пространственного разрешения ......... 29 2.1. Зарубежные космические средства ДЗЗ среднего пространственного разрешения. ..........29 2.1.1. Система ДЗЗ Landsat .....................................................................................................29 2.1.2. Система ДЗЗ КА Spot ....................................................................................................34 2.1.3. KA ALOS (Advanced Land Observing Satellite) ...........................................................39 2.2. Зарубежные космические средства ДЗЗ высокого пространственного разрешения ..........42 2.2.1. Космический аппарат QUICKBIRD .............................................................................44 2.2.2. Космический аппарат Ikonos .........................................................................................46 2.2.3. Космический аппарат OrbView-3 .................................................................................48 2.2.4. Космический аппарат Formosat-2 .................................................................................50 2.2.5. Многоцелевой КА Kompsat-2 .......................................................................................53 2.2.6. Космические аппараты IRS-P6 (RESOURCESAT-1) и IRS-P5 (Cartosat-1) ..............55 2.3. Отечественные космические средства ДЗЗ среднего и высокого пространственного разрешения ........................................................................................................................................59 2.3.1. КА РЕСУРС-ДК1...........................................................................................................60 2.3.2. Система ДЗЗ Монитор-Э ..............................................................................................68 2.3.3. КА МЕТЕОР-М ..............................................................................................................71 3. Радиолокационная аппаратура КА ДЗЗ высокого пространственного разрешения……….79 3.1.Зарубежные космические средства радиолокационного наблюдения.................................82 3.1.1. Европейская космическая система ДЗЗ ERS-1, 2 .................................................84 3.1.2. КА ДЗЗ ENVISAT-1 .................................................................................................88 3.1.3. КА ДЗЗ JERS-1 .........................................................................................................95 3.1.4. Радиолокационная система КА ALOS .................................................................100 3.1.5. КА радиолокационного наблюдения Radarsat-1,2 ..............................................102 3.1.4. КА радиолокационного наблюдения TerraSAR-X ..............................................107 3.2. Отечественные космические средства радиолокационного наблюдения ........................112 3.2.1. Аппаратура радиолокационного наблюдения КА Космос-1870 и Алмаз-1 .....112 3.2.2. Радиолокационные приборы модуль «ПРИРОДА» ............................................116 4. Гиперспектральная аппаратура космических систем ДЗЗ ................................................ 120 4.1. Особенности представление видеоданных в гиперспектральной системе ДЗЗ ................120 4.2. Бортовые гиперспектрометры КЛА ......................................................................................124 4.2.1. Аппаратный комплекс TERRA/ASTER .....................................................................125 4.2.2. Аппаратный комплекс TERRA/MODIS и AQUA /MODIS......................................129 4.2.3. Аппаратный комплекс ДЗЗ КА EO-1 (HYPERION, ALI) ........................................133 5. Перспективные направления развития космических средств ДЗЗ ................................... 138 5.1. Перспективные системы средств ДЗЗ сверхвысокого разрешения....................................138 5.1.1. КА серии OrbView........................................................................................................138 5.1.2. Проекты новых отечественных космических аппаратов .........................................144 4 5.2. Перспективные разработки систем радиолокационного наблюдения ...............................148 5.2.1. КА Radarsat -2 ..............................................................................................................150 5.2.2. Система КА LightSAR ................................................................................................152 5.2.3. Система МКА SAR-Lupe ............................................................................................153 5.2.4. Система МКА SkyMed-Cosmo ...................................................................................154 5.3. Перспективные отечественные разработки радиолокационного наблюдения .................158 5.4. Перспективы использования гиперспектрального ДЗЗ .......................................................164 ЗАКЛЮЧЕНИЕ ................................................................. 167 Список рекомендуемой литературы ................................................................. 170 Приложения ................................................................. 172 5 Введение Дальнейшее народного развитие и возрастающая интенсификация отраслей хозяйства обуславливают применение самых прогрессивных методов исследований, широкое использование данных дистанционного зондирования (ДЗЗ) и обеспечение на их основе региональных организаций комплексными данными о природных ресурсах и экологической обстановке. Изучение последствий антропогенного воздействия на природу и оценка современного состояния природной среды в настоящее время уже не могут осуществляться традиционными методами, поскольку масштабы и темпы изменений природной среды настолько велики, что охватить подробным наземным изучением огромные площади в единый момент времени не представляется возможным. Только с помощью материалов дистанционного зондирования, в особенности с космических носителей, становится реальной организация эффективного информационно-аналитического мониторинга различных регионов России. Для обеспечения устойчивого развития регионов России важно располагать комплексными данными о состоянии окружающей среды, причем эта информация должна представлять интегральный итог, отражающий взаимодействие воздействия антропогенных и естественных процессов. Выполнение этой задачи сопряжено с преодолением немалых трудностей, в том числе с ликвидацией значительных пробелов в познании природной среды. С этой целью на протяжении последних лет проводятся комплексные исследования междисциплинарного характера с использованием дистанционных, полевых, аналитических и геоинформационных методов. Очевидно, для выполнения подобных работ необходима подготовка специалистов, обладающих соответствующим объемом знаний в области эксплуатации и развития средств ДЗЗ и создание на этой основе систем информационно-аналитического мониторинга. Такими специалистами являются выпускники МИИГАиК по исследованию природных ресурсов аэрокосмическими методами. В связи с этим, издание учебного пособия в 6 котором рассмотрены современные средства дистанционного зондирования Земли, является актуальным. В книге излагаются исходные предпосылки к формированию концепции построения информационной системы аэрокосмического информационноаналитического мониторинга различных регионов России. 7 1. Обеспечение информационно-аналитического мониторинга данными дистанционного зондирования Земли В настоящее время изменения, вносимые человеком в природную среду, и экологические эффекты, порождаемые его деятельностью, имеют, по крайней мере, региональный, а часто и глобальный характер. В этой ситуации без применения аэрокосмических средств наблюдения нельзя своевременно не выявить их, ни проследить их динамику, ни дать полной картины происходящего вокруг нас. Надо еще учесть, что антропогенные изменения природной среды происходят существенно быстрее, чем природные, и уследить за ними уже невозможно. Следовательно, эффективно решить столь сложную задачу можно лишь единственным способом – регулярной съемкой земной поверхности с самолетов и космических летательных аппаратов, то есть развернуть систему регионального (или глобального) мониторинга Земли. Современные системы аэрокосмического мониторинга обеспечивают систематические наблюдения за состоянием окружающей среды и создают основу для выработки управленческих решений в различных областях деятельности, в том числе по вопросам рационального природопользования. Система мониторинга любого уровня включает сгруппированных в два сегмента – в себя четыре эшелона, наземный и орбитальный (и/или воздушный). В первом эшелоне функционируют бортовые системы движения космического аппарата (КА). Во второй – входит собственно система наблюдений – совокупность целевой аппаратуры дистанционного зондирования. К третьему эшелону относят системы, обеспечивающие необходимые параметры орбиты и ориентацию КА, а также средства передачи данных ДЗЗ на Землю. Все эти элементы входят в орбитальный сегмент космической системы ДЗ. Наземный сегмент космической системы мониторинга природной среды включает в себя два эшелона – наземный командно-измерительный пункт с комплексом управления и центром эксплуатации всей системы в целом. К 8 последнему эшелону относят ведомственные и региональные сети (а также автономные станции) приема, первичной обработки и распространения данных мониторинга. В целом систему аэрокосмического мониторинга природной среды целесообразно представлять в виде двух подсистем: контактной (наземного обеспечения мониторинга); дистанционной (орбитальной или воздушной). Контактные (наземные) исследования в рамках работы первой подсистемы проводятся на специализированных полигонах с эталонными участками и профилями и предусматривают проведение так называемых подспутниковых и подсамолетных экспериментов. Задачи, решаемые с их помощью подразделяются на два класса: исследование природных и антропогенных объектов и их взаимодействия; научно-методические задачи по отработке методов исследований, испытанию новых технических средств. Первый класс задач является определяющим для создания системы мониторинга и включает в себя исследование влияния антропогенных и природных факторов на спектрально-отражательные и излучательные параметры изучаемых объектов, в том числе с учетом динамики их развития, проведение синхронных аэрокосмических экспериментов, решение задач идентификации природных и антропогенных объектов с использованием их спектрально-отражательных и излучательных свойств. Второй класс задач включает в себя отработку методик исследования объектов, испытание и калибровку новых приборов дистанционных наблюдений, технических и программных средств их обработки. Дистанционные наблюдения выполняются с помощью средств аэрокосмического базирования. В последние годы широко применяются методы сбора и регистрации информации с использованием искусственных спутников Земли (ИСЗ) аппаратурой зондирования подстилающей поверх- 9 ности, работающей в видимом, инфракрасном (ИК) и радиоволновом (СВЧ) диапазонах электромагнитного излучения малого, среднего, высокого и сверхвысокого разрешения. Средства космического базирования дают возможность получать обобщенную и концентрированную информацию, которая необходима для решения большинства задач дистанционных исследований природных и антропогенных объектов. Однако для проведения исследовательских работ, связанных с отработкой методов и технических средств дистанционного зондирования, получением информации, обладающей особо высоко разрешающей способностью, для решения задачи тематической обработки, отвечающей требованиям различных министерств и ведомств, необходимы дополнительные источники информации. С этой целью создаются средства подспутниковых съемок – самолетные (самолеты-лаборатории), которые также оснащаются аппаратурой видимого, ИК- и СВЧ- диапазонов, специальными навигационными приборами, средствами регистрации и обработки данных. Аппаратурный состав и характер полетов определяются конкретными задачами и, как правило, часто изменяются. 1.1. Классификация систем аэрокосмического мониторинга по технологии получения видеоинформации В современных аэрокосмических системах мониторинга окружающей среды используются приборы и системы дистанционных наблюдений, работающие в диапазоне длин волн электромагнитного излучения от 0,2 мкм (ультрафиолетовое излучение) до 3 м (ультракоротких радиоволн). Участок оптических длин волн (0,2 нм – 1 мкм) включает ультрафиолетовый интервал (0,29 – 0,400 мкм), видимый (0,400 – 0,750 мкм) и инфракрасный (0,750 – 1,00 мкм) поддиапазоны. В свою очередь диапазон инфракрасного излучения обычно еще подразделяют на ближний 0,8 – 1,3 мкм, средний 1,3 – 3, 5 мкм и дальний (тепловой) 3,5 – 100 мкм (рис. 1.1). Основная энергия спектра солнечного излучения приходится на длины волн 0,3 – 3,5 мкм с преобладанием излучения в видимом световом диапазоне, что обуславливает широкое использование методов и средств, основанных на 10 регистрации отраженного солнечного излучения. В тепловом инфракрасном диапазоне преобладает собственное излучение объектов земной поверхности (см. рис. 1.1). Участок спектра с длинами волн от 1 мм до 10 см выделяют в сверхвысокочастотный микроволновый диапазон. Участки этого диапазона работы приборов ДЗЗ принято обозначать буквами латинского алфавита (например, Х–диапазон 3 см, С–диапазон 5,6 см, и т.д. Важным условием работы приборов дистанционных наблюдений является присутствие атмосферы, обладающей на разных длинах волн избирательной прозрачностью. Следовательно, аппаратура для регистрации видеоинформации должна быть рассчитана на работу в тех участках спектра, где атмосфера прозрачна, в так называемых «окнах прозрачности». На рис. 1.1 показаны основные окна прозрачности атмосферы (видимый 0,4 – 1,3 мкм; ближний ИК 1,9 – 2,5 и 3,5 – 4,7 мкм, а также дальний ИК 8,0 – 13,0 мкм). Нетрудно видеть, что электромагнитное излучение с длинами волн более 1 см практически не задерживаются атмосферой, то есть для излучений радиодиапазона атмосфера наиболее прозрачна. Рис. 1.1. Характер излучение земной поверхности, окна прозрачности и диапазоны съемки 11 При выполнении различных видов дистанционных наблюдений системой аэрокосмического мониторинга излучение объектов поверхности Земли регистрируется с использованием различных методов и различной по принципу работы съемочной аппаратурой. Возможности использования результатов мониторинга зависят, прежде всего, от спектрального диапазона съемки, который обуславливает физическую сущность характеристик объектов, отображаемых на снимках, и от технологии получения этих снимков, определяющей их качество, изобразительные и измерительные свойства. По технологии получения видеоинформация системы ДЗЗ космического и воздушного базирования подразделяются на фотографические, оптико- электронные и радиоэлектронные системы, работающие в оптическом, инфракрасном, тепловом, микроволновом и радиодиапазонах. В рамках каждой технологии получения изображения можно выделить кадровые, сканирующие и синтезирующие системы. Основной особенностью каждой из этого ряда систем является геометрия построения изображений. Так, в фотографических методах ДЗЗ применяются как кадровые одноканальные (панхроматические) и многоканальные (мультиспектральные) фотосистемы, так и сканерные (панорамные) фотоаппараты. В видимом и ближних ИК диапазонах традиционно работают сканерные оптико-механические и оптико-электронные приборы ДЗЗ, дающие многострочные панорамы вдоль линии полета носителя съемочной аппаратуры. Вместе с тем, в последнее время широкое распространение получили оптикоэлектронные системы кадрового типа, дающие так называемые ПЗС-снимки. Те и другие позволяют получать мультиспектральную видеоинформацию в широком спектральном диапазоне. В микроволновом диапазоне в связи с особой спецификой конструкции сенсоров преобладающее применение имеют сканерные системы. При выполнении тепловой инфракрасной съемки чаще используется принцип оптикомеханического сканирования. Получаемые в этих системах тепловые снимки существенно уступают по разрешению видеоинформации видимого и ближнего 12 ИК-диапазонов, но их ценность заключается в передаче уровней собственного излучения объектов и их температурных контрастов. Радиолокационная видеоинформация о местности получается как результат активного зондирования ультракоротковолновым излучением земной поверхности. По принципу зондирования эти системы могут быть отнесены к сканерным, но по способу формирования видеоизображений объектов они являются синтезирующими. На сегодня основным методом получения радиолокационной видеоинформации является метод синтезирования апертуры приемо-передающей антенны РЛС с регулированием фазы и поляризации зондирующего сигнала. Специфику радиолокационного изображения составляет его пятнистость (спекл-шумы) и характерные геометрические искажения рельефа. Перспективной технологией в радиолокационным методах ДЗЗ в последние годы становиться так называемая радиоинтерферометрическая съемка, выполняемая с пространственного базиса (две разнесенные антенны на одном носителе либо два аппарата, работающих в тандеменом режиме). При этом пространственное разрешение деталей поверхности возрастает до долей метра. Реализация рассмотренных технологий съемки схематично показана на рис. 1.2, где указана привязка методов аэрокосмического мониторинга к спектральным диапазонам. Рис. 1.2. Классификация дистанционных методов по технологии получения видеоинформации 13 Для сравнительного анализа возможностей решения научно-практических задач по результатам аэрокосмической видеоинформации, помимо рассмотренных параметров съемки, необходимо определенно знать масштаб явления запечатленного на снимке и его линейное пространственное разрешение. Эти параметры принято оценивать охватом территории одним снимком (его масштабом, обзорностью) и линейным разрешением снимка, которые в совокупности характеризуют его дешифровочные свойства. По обзорности (охвату территории) космическую видеоинформацию принято разделять следующим образом, это снимки: глобальные, охватывающие всю планету или большую (как правило, освещенную) ее часть, ширина зоны охвата может быть более 10 000 м с линейным пространственным разрешением не более 1 км; региональные, на которых могут отображаться региональные земные структуры, такие как бассейны водосбора крупных рек, горные страны, части континентов с пространственным разрешением порядка 50 – 100 м; локальные, отображающие значительные по охвату территории размером порядка 50 х 50 км с пространственным разрешением до 3 – 8 м, на этих снимках хорошо будут распознаваться большинство антропогенных объектов (населенные пункты, крупные промышленные комплексы и т.д.); детальные, на которых изображаются небольшие участки местности с охватом порядка 10 х 10 км или менее, на этих снимках могут отображаться промышленные объекты, крупные хозяйства и т.д. с достаточно высоким пространственным разрешением порядка долей метра. Поскольку между описанными параметрами имеется тесная взаимосвязь, их можно объединить в табл. 1.1 (n – множитель от 1 до 9). Таблица 1.1 Характерный масштаб сцены Сверхмелкомасштабные 1 : 100 000 000 − 1 : 5 000 000 Мелкомасштабные Обзорность Глобальный охват (планета или большая ее часть) Территории регио- Пространственное разрешение n×1000 м 14 1 : 1 000 000 − 1 : 200 нального охвата n× 100 м 000 Среднемасштабные Локальный охват 1 : 100 000 − 1 : 25 000 n×10 м Крупномасштабные Детальные снимки 1 : 10 000 − 1 : 1 000 n×1 м и менее Сопоставление приведенные параметры видеоданных аэрокосмического мониторинга и размерами объектов интереса различных научно- производственных задач, можно представить графиком (рис. 1.3). 100км Глобальная циркуляция атмосферы 10км Глобальная океаническая циркуляция п р о ст р а нс тв е н н о е р а зр е ш ен и е сн и м к о в GOES Meteosat, GMS Meteosat-2, GOES N Метеор, МСУ-М/Метеор-Природа, МСУ-М/Океан AVHRR/NOAA, VGT/SPOT-4,5 1км SeaWIFS/SeaStar, CZCS/Nimbus, OCTS/ADEOS МСУ-СМ/Метеор-3М МСУ-С/Океан МСУ-С/Метеор-Природа, WIFS/IRS WFI/CBERS MODIS/Terra МСУ-СК/РЕсурс-О 100м 10м Фрагмент/Метеор-Природа MSS/Landsat-1-5 КАТЭ-140/Салют МСУ-Э/Метеор-3М, МСУ-Э/Ресурс-О TM/LAndsat-4-5 LISS3/IRS КАТЭ-200/Ресурс-Ф, МКФ-6/Салют ETM+/Landsat-7, ASTER/Terra МК-4/Ресрс-Ф HRV/SPOT-1-4, TK-350/Комета CCD/CBERS AVNIR/ADEOS КФА-1000/Ресурс-Ф. Pan/IRS HRG/SPOT-5 ALOS Key-Hole/Corona. KBP-1000/Комета Cartosat EROS 1м Ikonos QuickBird 0 Мезомасштабная циркуляция атмосферы М о р с ки е л ьд ы Ги д р о д и н а м и ч е с к и е я вл е н и я в м орях Ге о л о ги ч е с к и е с тр у к т у р ы М о р ф о с тр у к т у р ы , э н д о ге н н ы й р ел ь е ф С е зо н н а я д и н а м и к а с н е ж н о го п о кр о ва р а в н и н Лесны е п ожары Ф е н о л о ги я р а с ти тел ь н о с ти О ц е н к а б и о м а с с ы р а с ти тел ь н о с ти с у ш и и б и о л о ги ч е с к и х р е с у р с о в о ке а н а Загрязнение снежного покрова вокруг городов Льды внутренних водоемов и водохранилищ Сезонная динамика снежного покрова в горах Состояние пастбищ, пастбищная дигрессия Генезис рельефа Покровное оледенение Структура почвенно-растительного покрова структура и морфология ландшафтов, их динамика Обезлесивание, опустынивание Плоскостной смыв почв, дефляция, вторичное засоление почв Загрязнение вод рек и водохранилищ Сельскохозяйственное использование земель Экзогенные процессы - эрозия, карст и др., инженерная оценка рельефа Комплексность почвенного покрова Породный состав лесов, лесовозобновление на вырубках и гарях Состояние посевов сельскохозяйственных культур Системы населенных пунктов, динамика городских границ Нарушение земель промышленностью, горными выработками Горное оледенение, лавины, сели, овражная эрозия Таксационные выделы лесов. Использование городских земель Среднемасштабное топографическое картографирование Крупномасштабное топографическое картографирование Контроль чрезвычайных ситуаций Контроль за работой транспорта 1м 10м 100м 1км Размеры исследуемых объектов 10км 100км 15 Рис.1.3. Соотношение между охватом, пространственным разрешением и решаемыми задачами по снимкам Земли [4] Рис.1.4. Зависимость требований по решаемым задачам аэрокосмического мониторинга от соотношения между пространственным и временным разрешением данных с различных систем дистанционного зондирования 16 1.2. Аэрокосмические системы дистанционного зондирования Земли Космическая система получения данных дистанционного зондирования Земли включает в себя: космические (воздушные) аппараты – носители съемочной аппаратуры; бортовую аппаратуру дистанционного зондирования (ДЗ); средства регистрации и накопления данных ДЗ на борту носителя; средства передачи информации на наземные пункты приема; наземные средства межотраслевой обработки космической информации. В аэрокосмической системе ДЗ могут быть использованы средства, разрабатываемые по заказу Роскартографии, Минприроды России, Минсельхоза, Росземкадастра и других ведомств с учетом специфики решаемых задач, а также существующие в настоящее время и принадлежащие различным ведомствам (включая Министерство обороны) спутники с бортовыми информационноизмерительными комплексами. Развитие космических съемок показало, что при правильном выборе режимов зондирования аппаратуры высокого пространственного разрешения можно получать уникальные по информативности снимки, которые являются дополнением к традиционным наземным и авиационным наблюдениям. В табл. 1.2 приводятся данные о назначении некоторых космических аппаратов, запущенных для решения задач мониторинга Земли, и датчиках, используемых в различных программах исследования Земли из космоса. Нетрудно видеть, что информация в таблице свидетельствует о преобладании в настоящее время космических систем видеонаблюдений оптического диапазона длин волн. Таблица 1.2 Космические аппараты мониторинга Земли Назначение Основные измерительные устройства, размещенные на борту Космические аппараты, годы запуска, страна 1 2 «Ресурс», География, сельское 1988-1998, хозяйство, океанограСССР. Россия фия, гидрология, геология, изучение при- 3 Многозональные сканирующие устройства высокого разрешения МСУ-Э, многозональные сканирующие устройства сред- 17 «Алмаз», 1991. СССР «Природа», 1996, Россия «Метеор». 1991-2000. СССР, Россия родных ресурсов Изучение разливов нефти и ледовых покровов, радиолокационные снимки с разрешением 30 м него разрешения МСУ-СК Комплекс РСА (3,5; 9,6 и 70 см), лидар «Балкан-2», оптическая система «Сильва», РЛС БО СЛР-3, спектрометр СРОСМ Отработка комплексных методов ДЗЗ, глобальные и региональные задачи климатологии, океанографии, экологии ИК-спектрорадиометр «Исток1», много-спектральное сканирующее устройство МСУ-Э2, TV-камера, камера MOMS-2P, лидар АЛИССА, спектрометр «Озон-Мир», комплекс СВЧрадио-метров «Икар-Н», «Икар-П», «Икар-Дельта», РСА «Траверс» Метеорология ИК-спектрометр 174-К, УФспектрометр БУФС-4, камера КГИ-4, аппаратура изучения солнечного излучения ИСП, аппаратура «Климат» для получения изображений облачного покрова, ап-па-ратура СВЧзондирования МЗОАС, МИВЗА и МТЗА, радиометры МР-2000, МР-900, МСР, ратиационномагнитомет-рический комплекс РМК-2, спектрометр СФМ-2, система SAGE III для изучения атмосферы, в том числе озонового слоя, сканер ScaRaB, спектрометр TOMS Геостационарная меБортовой телевизионный комтеорологическая сисплекс БТВК, ра-диационнотема «Планета-С» метрическая система РМС Океанографические ис- РЛС БО, многоспектральные следования сканирующие устройства МСУМ и МСУ-С, сканирующий радиометр РМ-0,8 «Электро», 1994, Россия «Космос» программа «ОКЕАН»), 1979-1987; «Океан», 1988-1994, СССР, Россия Tiros, 1960-1978; Метеорология Essa, 1966-1969; Noaa. Сканирующий и несканирующий радиометры ERBE, радиометры AVHRR/2 и 18 1970-1994, США Seasat-A. 1978, США Landsat, 1972-1999, США Goes, 1975-2004, США Океанография, гидрология, геология География, сельское хозяйство, океанография, гидрология, геология, изучение природных ресурсов Геостационарная метеорологическая система AVHRR/3, ИК-зонды H1RS/2 и HIRS/3, устройство стратосферного зондирования SSU, устройство микроволнового зондирования MSU, микроволновые зондирующие устройства AMSU-A, AMSU-B, микроволновый датчик MHS, несканирующий радиометр SBUV/2, монитор космической среды SEM РСА TV камеры RBV, многоспектральный сканер MSS, тематический картограф ТМ Радиометр видимого и ИКдиапазона длин волн VISSR&VAS, монитор космической среды SEM, радиометр Imager, устройство вертикального зондирования Sounder, камера для исследования солнечной короны SX1, аппаратура поиска и спасения S&R Eos, Изучение химическо- Система SAGE III для изучения 1998-2014, го состава и аэрозоатмосферы, в том числе озоноСША лей атмосферы, реше- вого слоя, лазерный высотомер ние задач океанограGLAS, аппаратура СВЧфии, геодезии и геозопдирования AMR, MLS и логии, физики Земли, AMSU, СВЧ-высотомер SSALT, исследования атмосфе- радиометры MISR, MODIS, ASры, водного и энергеTER, аппаратура MOPITT для тического баланса пла- измерения концентрации газов в неты, океана в интере- атмосфере, камера видимого и сах изучения биолоИК-диапазона LATI, аппаратура гических процессов, ИК-зондирования IliRDLS и осадков, снежного и AIRS, спектрометр TES, камера ледового покровов Ocean Color SeaStar. 1997, Океанографические Аппаратура SeaWiFS - комбиСША исследования нация сканера CZCS и радиометра AVHRR Uars, 1991, США Исследования атмоПрибор для измерений излуче- 19 сферы Toms, 1995-1996, США Spot, 1986-2002. Франция Topex/Poseidon. 1992, Франция, США КА серии Ers 1991-1995, Европа Envisat-1, 1998; Metop-1, 2001; Европа Meteosat, 1977-1997, Европа Adeos, 1996-2000, Япония Gms, 1977-1995, Япония Jers-1, Исследования атмосферы Картографирование, землепользование, сельское хозяйство, контроль окружающей среды Океанографические исследования ния Солнца ACRIM-2, спектрометр CLAES, приборы для исследования состава атмосферы HALOE, ISAMS, MLS, сенсоры УФ-диапазона РЕМ, SOLSTICE, SUSIM, интерферометр WINDII Спектрометр картирования озонового слоя TOMS Оптико-электронные камеры HRV, радиометры HRVIR и VGT Радиолокационные высотомеры ALT и SSALT, СВЧ-радиометр TMR Прогноз погоды, РСА и скаттерометр AMI, ракартирование ледяных диолокационный высотомер покровов, контроль RA, ИК-радиометр и СВЧморской поверхности и устройство вертикального зонприбрежных зон, дирования ATSR, спектрометр океанография, сельское GOME и лесное хозяйство, геология Прогноз погоды, РСА ASAR, радиолокационный картирование ледяных высотомер RA-2, СВЧпокровов, контроль радиометр MWR, ИК-радиоморской поверхности и метр AATSR, сканер ScaRab. прибрежных зон, спектрометр SCIAMACHY. инокеанография, сельское терферометр MIPAS, спектрои лесное хозяйство, метр GOMOS геология Геостационарная меРадиометр видимого и ИКтеорологическая сисдиапазона MVIRI тема Геофизика, изучение Радиометр ANVIR, сканер окрасостава и динамики ат- ски и температуры океана мосферы, глобальные OCTS, скаттерометр NSCAT, водооборот и теплоспектрометр TOMS, поляриметр обмен, океанография POLDER, интерферометр IMG, спектрометр ILAS Геостационарная меСканирующий радиометр видитеорологическая сисмого и ИК-диапазона VISSR. тема система поиска и спасения S&R Поиск полезных иско- РСА, оптическая система OPS 20 1992, Япония Alos, 2001, Япония Mos, 1987-1990, Япония Trmm, 1997, США, Япония Radarsat-1, 1995, Канада FY, 1988-1994, Китай 1 Irs, 1988-1999. Индия Insat, 1983-1995, Индия Ssr, 1998-2000; Бразилия паемых и энергоносителей, землепользование, сельское и лесное хозяйство, поиск косяков рыбы, охрана окружающей среды Землепользование, городское планирование, картографирование, наблюдение за природной опасных природных явлениях Океанографические исследования Исследования атмосферы Исследование ледовых покровов, океана, лесных массивов, оценка урожая, изучение геологических образований Метеорология 2 Изучение природных ресурсов Земли и управления национальными природными ресурсами Геостационарная метеорологическая система Получение и передача в наземные пункты обработки изображений РСА VSAR, ИК-радиометр AVNIR-2 Радиометры видимого и ИКдиапазонов MESSR, VTIR, MSR Радиолокационная система наблюдения за осадками PR, сканер видимого и ИК-диапазонов VIRS, микроволновая камера TMI, система контроля лучистой энергии CERES, система контроля грозовых разрядов LIS РСА Сканирующие радиометры VHRSR 3 Многодиапазонные оптические камеры LISS, панхроматическая камера PAN, широкоугольная камера WiFS, сканирующий спектрометр MOS, спектрометр ОСМ Радиометр видимого и ИКдиапазона VHRR Камера на ПЗС 1IS 21 земной поверхности Cbers, Снимки земной поКамера на ПЗС, многоспек1998-1999, Ки- верхности, контроль тральный сканер ИК-диапазона, тай, Бразилия околоземного косширокоугольная камера WFI мического пространства В связи с развитием теории и современной элементной базы радиолокационных систем и компьютерной обработки сигналов появилась возможность реализовать полосу зондирующего радиолокационного сигнала и приемных устройств радаров, позволяющую обеспечить разрешение, равное единицам метров и лучше, что существенно увеличивает интерес к радиолокационным системам мониторинга Параметры радиолокационной аппаратуры с синтезированной апертурой (РСА) космического базирования сведены в табл. 1.3, Из таблицы видно, что реализованные в них значения пространственного разрешения существенно хуже значений, которые могут быть достигнуты в настоящее время. Наименова- Длина ние КА, волны, страна, см год запуска Seasat, США, 23 1978 Таблица 1.3 Параметры РСА космического базирования ПоляризаРазреНазначение ция шение, м Однополяризационный 25 Океанография, гидрология 40 Геология, гидрология, растительные покровы, стереосъемка рельефа Геология, гидрология, растительные покровы, стереосъемка рельефа Геология, гидрология, гляциология, океанография, растительные покровы, радарная интерферометрия Sir-A, США, 1981 23 Sir-B, США, 1984 23 −"− 40 Sir-C, США, 1994 3,1 5,8 23 Однополяризационный Многополяризационный Многополяризационный 30 −"− геология, 22 Ers-1, EKA, 1991 5,6 Однополяризационный Ers-2, EKA, 1995 5,6 −"− Jers-1, Япония, 19921998 23 −"− Radarsat, Канада, 1995 5,6 −"− 25 Океанография, окружающая среда, гидрология, растительные покровы, радарная интерферометрия 25 Океанография, окружающая среда, гидрология, растительные покровы, радарная интерферометрия 18 Сельское хозяйство, леса, рыболовство, окружающая среда, прогноз катастрофических явлений 10 − 100 Ледовая разведка, океанография, картография, геология, гидрология, леса, сельское хозяйство, окружающая среда 1.3. Авиационные системы дистанционного зондирования Земли Авиационные системы ДЗЗ используются для получения крупно- и среднемасштабной информации. В состав системы могут входить: высоколетающие летательные аппараты (ВЛА); низколетающие летательные аппараты (НЛА); малые летательные аппараты (МЛА). ВЛА могут применяться при съемке больших площадей, что требует обеспечения следующих условий в процессе съемки: автоматическое самолетовождение при аэросъемке с использованием специального навигационного комплекса, имеющего боковое отклонение по дальности не более 0,5 %; применение длиннофокусных съемочных средств для получения масштабов съемки крупнее 1:50 000; автоматизированную цифровую обработку аэросъемочной информации, обеспеченной наземной информацией с тестовых участков; регистрацию информации, помимо фотографической, в виде, обеспечивающем последующую автоматизированную цифровую обработку, например, на магнитные носители. 23 Для проведения крупномасштабных съемок при локальном мониторинге целесообразно использовать НЛА. Кроме этого, они могут применяться и тогда, когда получение космической информации и информации с высоколетающих ЛА по ряду причин невозможно (погода, траекторные ограничения) или экономически нецелесообразно. Аэросъемки с малых высот дают возможность получать информацию с большей детальностью, меньше подвержены влиянию атмосферы и др. Хорошая маневренность позволяет производить съемку по сложным маршрутам, по небольшим площадям, что в свою очередь дает возможность оперативно обрабатывать информацию. Малые летательные аппараты рассматриваются в качестве альтернативы НЛА при локальных исследованиях. На борту МЛА могут быть установлены: фотоаппаратура, спектрометры, телевизионная аппаратура или другие средства дистанционного зондирования. По имеющимся оценкам, максимальная полезная нагрузка на таких аппаратах составляет порядка 60 кг. Использование указанных аппаратов должно предусматривать автоматическое управление в полете, при этом одна машина управления может обеспечивать работу 3–4 МЛА. МЛА целесообразно использовать для съемок на уровне районов, в том числе для труднодоступных территорий, но базироваться они должны в областных центрах. Один комплекс может использоваться на территории нескольких районов. Так в 1973 г. в ИКИ АН СССР был создан специально оборудованный самолет-лаборатория Ан-30 для мониторинга природной среды и моделирования космических экспериментов. На борту самолета были установлены сканеры С-130 и С-500, топографическая фотокамера АФА-ТЭС-5 и два комплекта многоспектральных синхронно работающих камер, позволяющих выполнить съемку в 6-ти и 9-ти спектральных зонах. Дополнительно устанавливался трассовый радиометр, работающий в диапазоне 8 – 12 мкм, и четырехканальный ИКрадиометр, работающий в диапазоне 1,35 – 2,7 мкм. На базе проведенных экспериментов в 1976 г. ИКИ АН СССР совместно с фирмой «Карл Цейсе Иена» 24 была разработана многозональная фотокамера МКФ-6, которая затем была модернизирована в аэрофотосъемочную многозональную камеру МСК-4. На базе сканера С-500 в 1981 г. в ИКИ АН СССР была разработана космическая сканирующая система «Фрагмент», которая успешно работала на КА «Метеор-Природа». В 1970-80 г.г. самолеты-лаборатории создавали многие организации (Госцентр «Природа» ГУГК, ГосНИИЦИПР Росгидромета, ВНИЦ и ИРЭ АН УССР и др.) на базе самолетов Ан-30, Ту-134, Ил-18, Ил-14, Ан-2 и вертолетов Ми-6 и Ми-8. В частности, на борту самолета-лаборатории Ил-18 ИРЭ АН УССР был установлен многоцелевой радиолокационный комплекс (МРЛК), в состав которого входили радиолокаторы бокового обзора (РЛС БО) Х- и Ка- диапазонов длин волн, радиолокатор с синтезированной апертурой с активной фазированной решеткой (РСА с АФАР) L-диапазона, РСА с ФАР VHF-диапазона с системой бортовой обработки данных. Параметры МРЛК приведены в табл. 1.4. Комплекс МРЛК успешно функционировал в течение нескольких лет. С его помощью решались задачи экологического мониторинга поверхности моря, обнаружения областей загрязнения нефтепродуктами, изучения морских и пресноводных льдов, ледников, растительного покрова и почв, а также подповерхностного зондирования на Крайнем Севере и на юге СССР. Тип Длина Поляризация Полоса сис- волны, обзора. темы см км РБО3 ВВ 2x45(60) 3 РСА23 ВВ, ГГ, ВГ, 30(120) 23 ГВ РБО0,8 ВВ, ГГ 15 0.8 РСА180 РМ0,8 180 0,8 ВВ, ГГ, ВГ, ГВ ВГ Таблица 1.4 Параметры МРЛК Разрешение, Обработка Антенная м информации система 20...50 25...50 2.5...25 25...50 45 50...100 12 300 На борту Волноводно-щелевая На борту, на АФАР земле На борту Поверхностной волны На борту, на ФАР земле На борту Поверхностной волны 25 Самолет-лаборатория Ил-18 ИРЭ РАН успешно использовался до 1998 г. На его борту был установлен комплект микроволновых радиометров диапазонов 0,8; 2,25; 10; 20 и 30 см, многоканальный сканирующий радиометр «Дельта» (диапазоны 0,8; 1,35 и 2,25 см). Параллельно проводилась аэрофотосъемка камерой АФА-41/20. Определение местоположения самолета осуществлялось двумя навигационными системами – инерциальной и спутниковой (GPS). На борту самолета также был установлен РСА «Траверс» (длина волны 10 см), ИК - сканер 7Р (8 – 14 мкм) и четырехканальный оптический сканер МСУ-М (0,5 – 0,62; 0,62 – 0,72; 0,7 – 0,77; 0,86 – 1,03 мкм). Аналогичный комплект аппаратуры был установлен на модуле «Природа» космической станции «Мир» в 1992 г. Самолет-лаборатория Ил-18 ИРЭ РАН успешно использовался для съемок на трассах газопроводов Уренгой – Сургут – Челябинск и Ямбург – Новый Уренгой с целью контроля состояния трубопроводов и мониторинга природной среды районов газодобычи, а также для решения экологических задач в других районах. Приведенный краткий обзор аэрокосмических систем мониторинга Земли показывает, что данное направление исследований и разработок накопило обширный опыт создания разнообразных датчиков и решения широкого круга тематических задач, связанных с хозяйствованием и жизнеобеспечением человека. Нельзя не отметить, что в прошедший период имело место приоритетное развитие космических средств мониторинга оптического диапазона длин волн. Это, конечно, не случайно, так как космическое базирование обеспечивает возможность наблюдения обширных областей поверхности Земли и атмосферы, а пассивные сенсоры оптического диапазона длин волн позволяют проводить наблюдения в интересах решения разнообразных тематических задач с высоким угловым разрешением при относительно малых энергопотреблении, весовых и габаритных характеристиках. В настоящее время с учетом развития элементной базы существенно возрастает привлекательность использования радаров для решения задач монито- 26 ринга, поскольку их массогабаритные характеристики и пространственное разрешение становятся сравнимыми с соответствующими характеристиками сложных оптических систем, а энергопотребление – вполне приемлемо. При этом преимущества датчиков СВЧ-диапазона – всепогодность и независимость от освещенности наблюдаемого участка поверхности, выходят на первый план. Следует отметить возрастающую роль авиационных средств мониторинга, прежде всего, вертолетных многофункциональных систем в глобальной системе мониторинга Земли. В России, имеющей обширные труднодоступные и слабо освоенные территории, такие вертолетные многофункциональные радиолокационные системы, обладая всеми отмеченными выше преимуществами, могут использоваться в районах где отсутствуют оборудованные площадки, решая, наряду с задачами мониторинга, задачи доставки людей и грузов, и осуществлять подповерхностное радиолокационное зондирование. 1.4. Обеспечение ДЗЗ данными наземных наблюдений. Аэрокосмические наблюдения должны осуществляться взаимно калиброванной аппаратурой и одновременно дополнялись наземными исследованиями избранных типичных участков суши. Благодаря последующему сравнению данных со всех трех уровней удается корректно дешифрировать аэро- и космические снимки с оценкой достоверности получаемой информации. Как показывает, многолетний опыт работы с аэрокосмической информацией, наземные исследования отражательно-излучательных характеристик природных и хозяйственных объектов на таких ограниченных участках (рассматриваемых как представительных для более крупных районов) дают необходимую априорную информацию для разработки методических вопросов дешифрирования снимков (в т. ч. автоматизированного) в целях картографирования динамики изменений наземных экосистем. В настоящее время с использованием подобной методики работают практически все отрасли народного хозяйства, научные и учебные организации, Распространение спектральных характеристик типичных объектов, изученных в полевых обследованиях, на аналогичные объекты всей территории - одна из 27 главных практических задач создания системы полигонов и тестовых участков. В свою очередь научно-методические проводятся: либо на фундаментальных тестовых участках (ФТУ - небольших по площади территориях около 25 км2), детально изученных в процессе синхронных наземных и дистанционных наблюдений (с самолета, из космоса), либо на расширенных тестовых участках (РТУ), охватывающих значительно большие площади, на которых представлены сочетания разнообразных природных объектов и явлений. РТУ представляет собой ограниченную территорию земной поверхности площадью примерно 10000 км2, надежно опознаваемую на космических изображениях, естественные, фотофизиономические и др. характеристики которой (типичные для определенного района страны), доступны для непосредственного измерения и наблюдения и могут быть использованы для идентификации результатов дистанционных наблюдений. Измерения и данные, которыми обеспечиваются РТУ весьма разнообразны. Они зависят от решаемых задач. Однако имеется ряд характеристик, являющихся общими для всех участков: - топография местности и морфология рельефа, - режимы солнечной радиации (азимут, угол места Солнца, время восхода, захода, сумерек, прямая солнечная радиация, рассеянная солнечная радиация, общая радиация на полусфере, облачность и т.д.), - спектры отражения, - температуры поверхности (кинетическая температура поверхности почвы, радиационная температура поверхности, температура почвы на глубинах - для испытания датчиков ИК и СВЧ), - микрометеорологические параметры (температура воздуха, относительная влажность, скорость и направление ветра, средние многолетние данные - для испытания датчиков ИК и СВЧ диапазонов). В целом, такая наземная информация для мониторинга природных и техногенных объектов может быть использована как самостоятельная (для определения основных показателей мониторинга), как опорная (в качестве обу- 28 чающих выборок в процессе тематической обработки информации ДЗЗ с целью оценки показателей мониторинга) или как калибровочная (для калибровки аппаратуры ДЗЗ, атмосферной коррекции, географической привязки и др.). Возможен сбор наземных данных в двух вариантах, когда параметры мониторинга природных и техногенных объектов определяются непосредственно на объекте или в стационарных условиях на основе анализа проб, взятых на объекте. Для каждой категории объектов проводятся специфические наземные наблюдения. Соответствующие методики наземных обследований базируются на принятых в различных службах методиках определения показателей с учетом специфики обработки дистанционной информации. Необходима разработка и адаптация методических материалов по наземным обследованиям с учетом специфики задач мониторинга природных и техногенных объектов и используемых средств ДЗЗ. Система сбора исходных данных в целях информационного обеспечения мониторинга подстилающей поверхности является развивающейся системой, в которой должна происходить последовательная замена физически и морально устаревших методов и технических средств. 29 2. Космические средства ДЗЗ среднего и высокого пространственного разрешения 2.1. Зарубежные космические средства ДЗЗ среднего пространственного разрешения. К современным средствам дистанционных наблюдений Земли из космоса мы будем относить системы, основанные на оперативных методах получения информации с борта самолета или искусственного спутника Земли. К таким средствам относятся сканерные (оптико-электронные, радиолокационные) и кадровые (ПЗС) системы, способные передавать изображения на наземные пункты приема в реальном масштабе времени. Эти средства вытеснили неоперативные (фотографические) системы, которые в свое время открыли эру изучения Земли и других объектов Солнечной системы из космоса. Далее будут рассмотрены системы и средства оперативного получения видеоинформации в различных спектральных диапазонах начиная с систем среднего (до 30 м), высокого (до 1 – 2 м) и сверхвысокого разрешения по мере того как они начинали использоваться в практике съемок Земли. 2.1.1. Система ДЗЗ Landsat LANDSAT - наиболее продолжительная программа исследования Земли из космоса и является одной из наиболее успешных на мировом рынке данных ДЗЗ. Автоматические спутники серии Landsat (первоначальное название ERTS Earth Resources Technology Satellite) предназначены для изучения природных ресурсов Земли и решения проблем землеведения в широком понимании этого слова. Первый спутник этой серии был запущен в июле 1972 года. Цель запуска - собрать пригодный для компьютерной обработки материал для решения вопросов сельского и лесного хозяйства, геологического картирования, поисков и разведки месторождений полезных ископаемых, пространственного планирования территорий. Полученные снимки широко использовались для мониторинга среды и современных динамических процессов на поверхности Земли извержений вулканов, землетрясений, цунами, выпадения и таяния снега, вегетации растений и т.п. 30 С 1972 года в рамках программы было запущено семь спутников. Хронология запусков и работы спутников серии Landsat приведены в табл. 2.1. Спутник Таблица 2.1 Периоды работы КА серии Landsat на орбите Дата запуска Примечание Landsat-1 23 июля 1972 окончание работы - январь 1978 Landsat-2 22 января 1975 окончание работы - февраль 1982 Landsat-3 5 марта 1978 окончание работы - март 1983 Landsat-4 16 июля 1982 окончание работы - июнь 2001 Landsat-5 1 марта 1984 действующий Landsat-6 октябрь 1993 неудавшийся запуск Landsat-7 15 апреля 1999 действующий Последний космический аппарат Landsat 7 (рис. 2.1) был выведен на орбиту 15 апреля 1999 г. ракетой-носителем Delta-II с военно-воздушной базы Ванденберг (Vandenberg), Калифорния. Стартовая масса КА – 2200 кг, длина 4.3 м, диаметр 2.8 м. Спутник является проектом трех крупнейших американских правительственных организаций: NASA, NOAA и USGS. Рис 2.1. Общий вид КА Landsat 7 с внешним оборудованием 31 Спутник Landsat-7 был выведен на солнечно-синхронную орбиту высотой 705 км. Установленная на спутнике съемочная аппаратура ETM+ (усовершенствованный тематический картограф) восьми канальный мультиспектральный сканирующий радиометр, обеспечивает съемку земной поверхности с разрешением от 60 до 15 метров при ширине полосы обзора для всех каналов около 185 км. Подробнее технические характеристики системы Landsat приведены в табл. 2.2. Несмотря на то, что расчетный срок пребывания на орбите предполагался около 7 лет, КА Landsat-7 (вместе с предыдущим КА Landsat-5) до сих пор продолжает обеспечивать высококачественными изображениями среднего разрешения поверхность Земли. Области применения данных дистанционного зондирования, полученных со спутника LANDSAT включают: 1) Создание и обновление топографических и специальных карт вплоть до масштаба 1:200 000. 2) Обновление топографической подосновы для разработки проектов схем территориального планирования субъектов федерации. 3) Обоснование перспективных площадей под поисковые работы на нефть и газ, прогнозирование и выявление ловушек нефти и газа, потенциальная оценка их нефтегазоносности. 4) Поиск и обоснование перспективных площадей под поисковые работы на рудные и нерудные полезные ископаемые. 5) Мелкомасштабная лесная инвентаризация. Контроль лесопользования и мониторинг состояния лесов. 6) Сельскохозяйственное картографирование на уровне регионов, мониторинг состояния посевов, прогнозирование урожайности. 7) Автоматизированное создание карт растительности, ландшафтов и природопользования. 8) Мониторинг и прогнозирование процессов заболачивания и опустынивания, засоления, карста, эрозии, степных пожаров половодий, паводков и т.п. 9) Таблица 2.2 Основные технические характеристики целевой аппаратуры Страна USA Оператор NASA, NOAA USGS Комплекс оборудование на борETM+ (Enhanced Thematic Mapper ту КА LANDSAT-7 TM+ Plus) – мультиспектральный сканирующий радиометр Масса, кг 2500 32 Орбита Круговая, солнечно-синхронная Высота, км 705 Наклонение, град 98,2 Период обращения, мин. 98,9 Параметры Режимы VNIR SWIR TIR PAN Спектральный 0,45-0,52 диапазон, мкм 0,53-0,61 1,55-1,75 10,40-12,50 0,45-0,52 0,63-0,69 2,09-2,35 0,78-0,90 Пространственное 30 м 30 м 60 м 15 м разрешение, м Скорость передачи данных на наземный сегмент, 150 Мбит/с Ширина полосы 185 охвата, км: Радиометрическое разрешение, бит/ 8 пиксель Формат файлов: GeoTIFF Периодичность 16 дней (233 оборота) съемки, сут. Возможность получения стереонет пар: Срок выполнения заказа для архив- 1-10 ных данных, дн. Минимальная 185 x 170 км (1 сцена) площадь заказа: *Съемка на заказ не производится В зависимости от используемого сенсора, данные в наземных пунктах приема подвергаются различным уровням коррекции, а именно: уровень 0Rp - для ETM+ (некорректированные ряды), при котором данные не подвергаются радиометрической и геометрической коррекции; уровень 1G - для ЕТМ+, ТМ и MSS (систематическая коррекция), включающий радиометрическую и геометрическую коррекцию. В этом случае данные приводятся в проекцию, необходимую заказчику; уровень 1G - для ЕТМ+ (систематическая коррекция) с заполнением пропущенных областей (для снимков, полученных в “SLC-off” режиме), включающий также радиометрическую и геометрическую коррекцию; 33 уровень 1Р - для ЕТМ+, ТМ и MSS (точная коррекция), включающий радиометрическую и геометрическую коррекцию с использованием GCPточек; уровень 1Т - для ЕТМ+, ТМ и MSS («земная» коррекция), включающий радиометрическую и геометрическую коррекцию с использованием цифровых моделей рельефа. Изображение земной поверхности, поставляемое потребителям, включает 9 файлов с различными диапазонами, охватывающими видимую, инфракрасную и тепловую области электромагнитного спектра согласно табл. 2.2. При съемке одной сцены инструмент ETM+ передает на Землю около 3.8 гигабит данных. За все время существования спутников LANDSAT на орбите накоплен значительный архив снимков среднего и низкого разрешения, которые могут применяться для решения различных картографических задач. Изображения земной поверхности, полученные КА Landsat-7, приведены на рис. 2.2 и 2.3. Рис. 2.2. Архангельская область. Многозональное изображение. Разрешение 28,5 м 34 Рис.2.3. Вулкан Везувий, Италия. Синтезированное изображение. Разрешение 15 м 2.1.2. Система ДЗЗ КА Spot Спутниковая система наблюдения за поверхностью Земли SPOT (Satellite Pour L’Observation de la Terre) спроектирована Национальным космическим агентством Франции совместно с Бельгией и Швецией. Система SPOT включает в себя ряд космических и наземных средств, предназначенных для управления спутником, программирования сбора данных, получения данных и производства и распространения спутниковых снимков. В рамках проекта SPOT было запущено пять космических аппаратов. Из них три успешных. Спутник Spot-2 был успешно выведен на орбиту 21 января 1990 года. Спутник Spot-4, функционирующий с 24 марта 1998 года, отличается от других спутников системы SPOT тем, что имеет дополнительный коротковолновый ИК диапазон для выделения различных видов земной поверхности. Этот спутник также несет на своем борту полезную нагрузку в виде прибора VEGETATION, совместно разработанного Европейским Союзом, Бельгией, Италией и Швецией. 35 Последний КА Spot-5 (рис. 2.4) был выведен 3 мая 2002 года на солнечно-синхронную орбиту высотой 822 км с космодрома Куру ракетоносителем «Ариан-42Р». Спутник оснащен высокоточным стереоскопическим детектором, позволяющим получать стереопары для топографических целей и построения моделей рельефа, а также двумя камерами высокого разрешения, позволяющими получать черно-белые изображения с разрешением 5 м (в режиме Рис.2.4. КА Spot-5 SuperMode – до 2,5 м) и цветные - с раз- решением 10 м. Кроме того, на Spot-5 установлена камера VEGETATION-2, позволяющая получать практически ежедневно снимки всей поверхности Земли с разрешением 1 км. Расчетный срок пребывания на орбите планировался сроком не менее 5 лет. Полезная нагрузка КА Spot-5 состоит из двух камер высокого разрешения HRG, стереоскопической аппаратуры высокого разрешения HRS, включающей две камеры, и камеры низкого разрешения Vegetation 2. Для точного определения параметров орбиты спутника имеется аппаратура DORIS, для точной привязки снимков – звездный датчик, для записи данных – твердотельное ЗУ на 90 Гбит. Информация, получаемая с КА Spot-5, будет использоваться в областях сельского хозяйства, картографирования (включая трехмерное), лесоводства, городского планирования, слежения за стихийными бедствиями, геологии, нефтяной разведки, поиска других полезных ископаемых, контроля водных ресурсов, изучения прибрежных морских районов, океанографии, экологического мониторинга. Границы диапазонов и пространственное разрешение приборов приведены в таблице. 36 Две оптико-механические камеры высокого разрешения HRG (High Resolution Geometric) созданы в результате модернизации камер HRVIR с КА Spot-4. Каждая камера включает в себя поворотное зеркало, обеспечивающее выбор полосы наблюдения, телескоп, спектральный сепаратор, разделяющий входящий свет на четыре спектральных пучка, и линейный фотоприемник на ПЗС-матрицах. Изображение формируется за счет синхронизации скорости опроса элементов ПЗС-матриц со скоростью орбитального движения (техника «щетки»). Съемка камерами HRG может вестись одновременно во всех четырех полосах видимого и ИК-диапазонов. В панхроматическом режиме съемка ведется только в диапазоне PAN. Телескопы камер изготовлены по схеме Шмидта. Они имеют фокусное расстояние 1.082 м, ширину поля зрения ±2°. При этих параметрах на орбите высотой 800 км они обеспечивают ширину полосы наблюдения 60 км. С помощью поворотного зеркала линия визирования камер может отклоняться на ±27° от местной вертикали в плоскости, перпендикулярной направлению полета. При одновременной съемке камеры могут снимать полосу шириной 120 км. За счет отклонения линии визирования ширина полосы, в которой может производиться съемка, составляет ±475 км от трассы полета. При этом перенацеливание обеих камер может производиться независимо. Ширина полосы обзора при выбранных параметрах орбиты обеспечивает повторение съемки одного и того же района менее чем через 5 суток в районе экватора и менее чем через 3 дня в умеренных широтах. Примеры изображений, полученных с КА Spot-5 (2005 г.), представлены на рис. 2.5 и 2.6, а технические характеристики целевой аппаратуры – в табл. 2.3. Таблица 2.3 Основные технические характеристики целевой аппаратуры Страна EC, Belgium, Оператор Spot Image (France) Комплекс оборудование на HRG - High Geometric Resolution борту КА SPOT VEGETATION -2 Масса, кг 2500 37 максимальное энергопотребление, Вт Орбита Высота, км Наклонение, град Период обращения, мин. Цикл, сут. Параметры Спектральный диапазон, мкм Пространственное разрешение, м 344 Круговая, солнечно-синхронная 796,6/812,9 98,7 101 26 Режимы: PAN MS Vegetation 0,61–0,68 0,50–0,59 0,78–0,89 0,61–0,68 1,58–1,75 0,48–0,71 0,78–0,89 + дополнителный 1,58–1,75 канал (0,43-0,47) 5 (в режиме 10 1 000 SuperMode – до 2,5) Максимальное отклонение от надира: Ширина полосы съемки, км Радиометрическое разрешение, бит/пиксель Формат файлов: Обработка: Периодичность съемки, дн. Возможность получения стереопары: Срок выполнения заказа, дн. для архивных данных для съемки на заказ Минимальная площадь заказа, км для архивных данных для съемки на заказ 27° 27° 27° 60 60 1000 или 2000 8 10 GeoTIFF Радиометрическая, сенсорная и геометрическая коррекция Приведение к картографической проекции 26 Да (с одного витка) 7-14 7-90 21 х 21 (1/8 сцены) 21 х 21 (1/8 сцены) 38 Рис.2.5. Белорецк, Республика Башкортостан. Панхроматическое изображение. Пространственное разрешение – 2.5 м Рис.2.6. Красноярский край. Мультиспектральное изображение. Пространственное разрешение – 10 м. 39 2.1.3. KA ALOS (Advanced Land Observing Satellite) Одной из приоритетных наиболее космических программ Японии в области ДЗЗ стал ввод в эксплуатацию в 24 января 2006 г. специального космического картографического Рис.2.7. КА ALOS с внешним оборудованием KA комплекса ALOS (Advanced Land Observing Satellite). Космиче- ский картографический комплекс ALOS является одной из самых совершенных современных разработок в области космических средств ДЗЗ (владелец системы NASDA- The National Space Development Agency of Japan). Внешний вид КА ALOS на рис. 2.7 (1 - направление полета; 2 – направление в надир; 3 – оптикоэлектронная система PRISM; 4 – оптический радиолокатор; 5 – панель солнечной батареи; 6 – антенна передачи данных через КА-ретранслятор; 7 – звездные датчики; 8 – антенна РЛС). На спутнике реализуется два принципа дистанционных наблюдений. Первый - получение аппаратурой PRISM стереоскопических изображений земной поверхности. Идея была предложена в рамках двух американских проектов Steresat и Mapsat 70-х годах – космосъемка с использованием трех неподвижно закрепленных оптико-электронных систем, расположенных в плоскости орбиты ИСЗ и направленных соответственно в направлении его полета, в надир и назад. Второй принцип заключался в синхронном комплексном зондирования Земли многозональным радиометром AVNIR в видимом, ближнем ИК и радиолокационной системой бокового обзора PALSAR и радиодиапазонах спектра электромагнитного излучения. В следующей таблице представлены основные характеристики КА ALOS и параметры целевой аппаратуры дистанционных наблюдений приборами AVNIR и PRISM, установленной на борту спутника. Параметры радиолокационной аппаратуры и характеристики получаемой ее видеоинформации будут рассмотрены в соответствующем разделе ниже. 40 Таблица 2.4 Основные технические характеристики целевой аппаратуры Страна Япония Оператор NASDA Подрядчик NEC Corp Оборудование Мультиспектральной камерой AVNIR-2 (Advanced Visible and Near Infrared Radiometer), панхроматической оптико-электронной системой PRISM (Panchromatic Remote Sensing Instrument for Stereo-mapping) и РСА L-диапазона PALSAR (Phased Array type L-band Synthetic Aperture Radar) Масса, кг 4000 Орбита Круговая, солнечно-синхронная Высота, км 691,65 Наклонение орбиты, град 93,16 Период повторного просмотра, сут 46 Масса, т 4 Расчетный срок действия 3 года (запас топлива на 5 лет) Мощность, Вт 7000 Телеметрия L-band Параметры Режимы AVNIR-2, Спектральный диапазон Ширина полосы съемки, км Номинальное пространственное разрешение, м Скорость передачи данных Мбит/с Радиометрическое разрешение, бит/пиксель Диапазон рабочих углов визирования, град. PRISM 420 – 500 520 – 600 610 – 690 760 – 890 520 – 770 70 35 (стерео) 70 (надир) 10 2,2 120 11 0 – 44 3 положения (надир, вперед, назад) Как видно из таблицы, системой обеспечивается достаточно широкая 70 км (при съемке с пространственным разрешением 2,5 м) полоса захвата наблюдаемой земной поверхности и возможность как непосредственно сброса (в по- 41 лосе Х со скоростью 120 Мб/с) видеоданных ДЗЗ на наземные приемные станции, так и через японские и европейские спутники-ретрансляторы (в частности, совместно с Францией планируется эксплуатация в единой связке с ККК ALOS трех МКА-ретрансляторов). Кроме того, на спутнике обеспечивается высокая точность угловой стабилизации платформы – 2х10 градус/с и высокоточное определение положения (порядка 0,2 м) спутника и его угловой ориентации (с использованием звездных датчиков, датчиков вибрации и GPS-приемников); Центр дистанционного зондирования Земли Японии условно разделил пользователей информации со спутника на две группы. Первая группа – это компании, организации и частные лица, которые предполагают использовать данные со спутника ALOS для производства продукции с добавленной стоимостью, вторая группа – это все остальные пользователи. Цена не зависит от уровня обработки (1А, 1В1, 1В2) для оптических и (1,0; 1,1; 1,5) радарных данных Примеры изображений, полученных с КА ALOS, представлен на рис. 2.8 и 2.9, а основные технические характеристики – в табл. 2.4. Рис. 2.8. Пример изображения, полученного с КА ALOS аппаратурой PRISM 42 Рис.2.9. Слева - ALOS (аппаратура PRISM), разрешение 2,5 м, съемка в надир, справа - обработка левого снимка - цифровая модель рельефа 2.2. Зарубежные космические средства ДЗЗ высокого пространственного разрешения Таблица 2.5 Сравнительные характеристики некоторых космических систем сверхвысокого разрешения Наименование КА Параметры Iconos-2 QuickBird-2 OrbView-3 Eros-B Тип оптико-электронной OSA, BHRC-60, OHRIS, PIC-2, камеры и разработчик Kodak Kodak Gruman ElOp Оптическая подсистема: Cassegrain Cassegrain Cassegrain фокусное расстояние, м 10,0 8,8 3,0* 5,05 диаметр главного зерка70 60 45 ла, см относительное отверстие 1:14,3 1:14,7 1:6,7 1:10 угол поля зрения, градус 0,93 2,12 1,0 0,8 масса телескопа, кг 109 138 56 размер телескопа, см 56x56x152 115x141x195 Подсистема приема изоCCD c TDI CCD c TD CCD CCD c TDI бражения: панхром диапазон (PAN), 0,45-0,90 0,45-0,90 0,45-0,90 0,50-0,90 мкм 43 спектральные диапазоны С,З,К,БИК (MS), мкм 12 размер элемента (PAN), 48 мкм размер элемента (MS), мкм число элементов в линей13500 ке(PAN) число элементов в линей3375 ке (MS) длина линейки CCD, мм 162 динамический диапазон, 11 бит циклы временной за- 10,18,24,32 держки (TDI) Разрешение на местности: м PAN 1,0 MS 4.0 Ширина полосы захвата, 11 км Максимальная длина 1000 маршрута, км Производительность на 68 витке, кадров Точность геопривязки 12;10 Емкость бортового ЗУ, 80 Гбит Скорость передачи дан320 ных, Мбит/с Масса полезной нагрузки, 171 кг - — данные отсутствуют; С,З,К,БИК 12 С,З,К,БИК 6 нет 7* Нет 48 24 - - 27568 8000 6892 2000 331 48*11 11 - 10,18,24,32 - - 0,6 2,4 1,0 4, 0 0,7 нет 16,5 8 7 225 - - 64-100 - - 12;10 25;- 23;- 128 32 120 320 150 450 380 90 - 10000 Нет 70* 10 до 96 * — данные предположительные. Благодаря государственным программам развития отрасли космического ДЗЗ одними из крупнейших поставщиков данных ДЗЗ могут стать Индия, Япония, Китай. 44 2.2.1. Космический аппарат QUICKBIRD Спутник QuickBird (от англ. «Быстрая Птица») - первый космический аппарат способный получать высокоточные коммерчески доступные изображения Земли высокого пространственного разрешения был запущен 18 октября 2001 г. с авиабазы Ванденберг (США). Владельцем спутника является компания DigitalGlobe (США). Спутник был выведен на околоземную солнечно-синхронную орбиту высотой 450 км, обеспечивающую его прохождение Рис.2.9. Рис.2.10.КА КАQUICKBIRD QuickBird над любым районом Земли каждые 1–5 дней (в зависимости от широты). Спутник QuickBird предназначен для получения цифровых изображений земной поверхности с пространственным разрешением 61 см в панхроматическом режиме и 2,44 м – в мультиспектральном режиме при съемке в надир. Основными преимуществами спутника QuickBird являются широкая полоса охвата 16,5 км и высокая метрическая точность. Расчетный срок пребывания на орбите составляет около 7 лет. Таблица 2.6 Технические характеристики целевой аппаратуры Параметры Режимы Панхроматический Мульспектральный 450 – 520 Спектральный диа520 – 600 445-900 пазон, нм 630 – 690 760 – 900 Пространственное разрешение в надире, 0,61 2,44 м Максимальное отклонение от надира, 45 град. Ширина полосы 16,5 съемки, км Метрическая точность, м: 45 CE90 СКО Радиометрическое разрешение, бит/пиксел Формат файлов Обработка: 23 17 (без использования контрольных точек) 11 GeoTIFF 1.0 Радиометрическая, сенсорная и геометрическая коррекция Приведение к картографической проекции Периодичность 1-5 (в зависимости от широты области съемки) съемки, дн. Возможность полуДа, с одного витка чения стереопары Срок выполнения заказа, дн.: для архивных дан3-14 ных 7-90 для съемки на заказ Минимальная площадь заказа, км2: для архивных дан25, возможен заказ полигона произвольной формы ных 64, возможен заказ полигона произвольной формы для съемки на заказ Примеры изображений, полученных с КА QuickBird (5 мая 2003 г.), представлены на рис. 2.11, а технические характеристики целевой аппаратуры – в табл. 2.6. 46 Рис. 2.11. КА QuickBird: панхроматическое изображение с пространственным разрешением 60 см. Исаакиевский собор, Санкт-Петербург 2.2.2. Космический аппарат Ikonos Космический аппарат Ikonos был запущен 24 сентября 1999 г. с авиабазы Ванденберг (США). Владельцем спутника до начала 2006 г. являлась компания Space Imaging (США). В феврале 2006 г. компаРис.2.12. КА Ikonos ния OrbImage объявила о слиянии с фирфирмой Space Imaging. Объединенная компания получила новое название GeoEye. Спутник был выведен на низкую солнечно-синхронную орбиту высотой 680 км, обеспечивающую его прохождение над любым районом Земли каждые 1–5 дней (в зависимости от широты). Спутник Ikonos (рис. 2.12) предназначен для получения цифровых изображений земной поверхности с пространственным разрешением 1 м в панхроматическом режиме и 4 м – в мультиспектральном режиме. Основными преимуществами спутника Ikonos являются высокая маневренность и, как следствие, возможность съемки больших площадей за один проход (до 5000 км2), а также возможность получения стереопар с одного витка. Расчетный срок пребывания на орбите составляет около 7 лет. Таблица 2.7 Технические характеристики целевой аппаратуры Параметры Режимы Панхроматический Мульспектральный 450-520 Спектральный диапазон, 445- 900 520-610 нм 640-720 770-880 Пространственное раз1 4 решение, м Максимальное отклоне45 ние от надира, градус Ширина полосы охвата, 11 км Метрическая точность, 47 м: CE90 СКО Радиометрическое разрешение, бит/пиксел Формат файлов Обработка: Периодичность съемки, дн. Возможность получения стереопары Срок выполнения заказа, дн.: для архивных данных для съемки на заказ Минимальная площадь заказа, км2: для архивных данных 23 17 (без использования контрольных точек) 11 GeoTIFF 1.0 Радиометрическая, сенсорная и геометрическая коррекция Приведение к картографической проекции 1-5 (в зависимости от широты области съемки) Да, с одного витка 7-14 7-90 49, возможен заказ полигона произвольной формы с расстоянием между вершинами не менее 5 км 100, возможен заказ полигона произвольной фордля съемки на заказ мы с расстоянием между вершинами не менее 5 км Примеры изображений, полученных с КА Ikonos, представлены на рис. 2.13, а основные технические характеристики целевой аппаратуры – в табл. 2.7. 48 а б Рис. 2.13. Примеры изображений, полученных с КА Ikonos: а – Синтезированное цветное изображение с пространственным разрешение 1м. Петропавловская крепость, Санкт-Петербург (15 мая 2002 г.); б – Cинтезированное цветное изображение с разрешением 1 м. Дубаи, Объединенные Арабские Эмираты 2.2.3. Космический аппарат OrbView-3 Космический аппарат OrbView-3 был запущен 26 июня 2003 г. с авиабазы Ванденберг (США). Владельцем спутника до начала 2006 г. являлась компания OrbImage (США). В феврале 2006 г. компания OrbImage объявила о слиянии с фирмой Space Imaging. Объединенная Рис.2.14. КА OrbView-3 компания получила новое название GeoEye. Спутник был выведен на солнечносинхронную орбиту высотой 470 км, обеспе- чивающую его прохождение над любым районом Земли каждые 1–5 дней (в зависимости от широты). Спутник OrbView-3 (рис. 2.14) предназначен для полу- 49 чения цифровых изображений земной поверхности с пространственным разрешением 1 м в панхроматическом режиме и 4 м – в мультиспектральном режиме. Преимуществом спутника OrbView-3 является возможность съемки больших площадей, за один проход длительностью 10 мин до 20000 км2 (разрешение 1м, моно) или 7200 км2 (разрешение 1м, стерео). Расчетный срок пребывания на орбите составляет 5–7 лет. Области применения данных дистанционного зондирования, полученных с КА OrbView: создание и обновление карт и планов масштабов 1: 5000–1: 10 000; создание ЦМР на основе стереопар с точностью порядка 3 м; городское и земельное планирование; сельское и лесное хозяйство; мониторинг состояния окружающей среды; решение прикладных задач. Таблица 2.8 Технические характеристики целевой аппаратуры Параметры Режимы Панхроматический Мультиспектральный 450-520 520-600 Спектральный диапазон, нм 450-900 625-695 760-900 Пространственное разреше1 4 ние в надире, м Максимальное отклонение 50 от надира, град. Ширина полосы съемки, км 8 Скорость передачи данных на наземный сегмент, 150 Мбит/с Радиометрическое разреше11 ние, бит/пиксель Формат файлов GeoTIFF 1.0 Обработка: Радиометрическая, сенсорная и геометрическая коррекция Приведение к картографической проекции Периодичность съемки, дн. 1-5 (в зависимости от широты области съемки) Возможность получения Да, с одного витка 50 стереопары Срок выполнения заказа, дн.: для архивных данных для съемки на заказ Минимальная площадь заказа, км2: для архивных данных для съемки на заказ 7-14 7-90 64 (1 сцена) 192 (3 сцены) Пример изображения, полученного с КА OrbView-3 (25 сентября 2004 г.), представлен на рис. 2.15, а основные технические характеристики целевой аппаратуры – в табл. 2.8. Рис. 2.15. Пример изображения, полученного с КА OrbView-3. Пространственное разрешение 1 м. Лос-Анджелес, США 2.2.4. Космический аппарат Formosat-2 Космический аппарат Formosat-2 был запущен 21 мая 2004 г. космическим агентством Тайваня – NSPO (National Space Organization). Эксклюзивные права на поставку данных со спутника Formosat-2 получила компания SpotImage (Франция). Спутник был выведен на солнечно-синхронную геостационарную орбиту высотой 891 км. Спутник Formosat-2 предназначен для получения цифровых изображений земной поверхности с пространственным раз- 51 решением 2 м в панхроматическом режиме и 8 м – в мультиспектральном режиме. Основными преимуществами спутника являются высокая точность, маневренность (спутник может выполнять съемку с отклонением 45° от надира), возможность ежедневной съемки, а также более раннее прохождение над любой точкой Земли (9ч 30мин утра по местному времени, тогда как у большинства спутников – 10 ч 30 мин), что увеличивает возможность безоблачной съемки. Расчетный срок пребывания на орбите составляет не менее 5 лет. Области применения данных дистанционного зондирования, полученных со спутника Formosat-2: создание и обновление карт и планов до масштаба 1:10 000; городское и земельное планирование; сельское и лесное хозяйство; контроль состояния окружающей среды; регулярный мониторинг территории; решение прикладных задач. Таблица 2.9 Технические характеристики целевой аппаратуры Параметры Режимы Панхроматический Мультиспектральный 450-520 Спектральный диапазон, нм 450-900 520-600 630-690 760-900 Пространственное разреше2 8 ние в надире, м Объем файлов 137 35 (уровень обработки 1A), Мб Максимальное отклонение от 45 надира, град. Ширина полосы охвата, км 24 Скорость передачи данных 120 на наземный сегмент, Мбит/с Радиометрическое разреше8 ние, бит/пиксель Формат файлов GeoTIFF Обработка: Радиометрическая, сенсорная и геометрическая коррекция. Приведение к картографи- 52 Периодичность съемки Возможность получения стереопары Срок выполнения заказа, дн.: для архивных данных для съемки на заказ Минимальная площадь заказа, км: для архивных данных для съемки на заказ ческой проекции ежедневно Нет 7-14 7-60 24 х 24 (1 сцена) 24 х 24 (1 сцена) Примеры изображений, полученных с КА Formosat-2, представлены на рис. 2.16, а основные технические характеристики целевой аппаратуры – в табл. 2.9. а 53 б Рис. 2.16. Примеры изображений, полученных с КА Formosat-2: а – Панхроматическое изображение с разрешением 2 м. Москва; б – Мультиспектральное изображение с разрешением 8 м. Москва 2.2.5. Многоцелевой КА Kompsat-2 Многоцелевой спутник Kompsat-2 (Korean Multi-Purpose Satellite 2) был запущен 28 июля 2006 г. с помощью ракеты-носителя «Рокот» с космодрома Плесецк (Россия). Спутник был разработан инженерами Корейского авиационно-космического научно-исследовательского института KARI (Korea Aerospace Research Institute). Эксклюзивные права на поставку данных со спутника Kompsat-2 получила компания SpotImage (Франция). Спутник был выведен на солнечно-синхронную орбиту высотой 685 км. КА Kompsat-2 предназначен для получения цифровых изображений земной поверхности с пространственным разрешением 1м в панхроматическом режиме и 4м – в мультиспектральном режиме. Области применения данных дистанционного зондирования, полученных со спутника Kompsat-2: создание и обновление карт и планов масштабов до 1:5 000; создание ЦМР на основе стереопар; 54 освоение новых территорий; исследование природных ресурсов; городское и земельное планирование; сельское и лесное хозяйство; мониторинг состояния окружающей среды; контроль чрезвычайных ситуаций; решение прикладных задач. Таблица 2.10 Технические характеристики целевой аппаратуры Параметры Режимы Панхроматический Мультиспектральный 450-520 Спектральный диапазон, 520-600 500-900 нм 630-690 760-900 Пространственное раз1 4 решение в надире, м Ширина полосы охвата, 15 км Скорость передачи данных на наземный сег- 320 мент, Мбит/с Радиометрическое раз10 решение, бит/пиксел Формат файлов GeoTIFF Обработка: Радиометрическая, сенсорная и геометрическая коррекция Приведение к картографической проекции Периодичность съемки, 3 дн. Возможность получения Да стереопары Срок выполнения заказа, дн.: для архивных данных 7-14 для съемки на заказ 7-60 Минимальная площадь 2 заказа, км : для архивных данных 50 (~1/4 сцены) для съемки на заказ 225 (1 сцена) 55 Пример изображения, полученного с КА Kompsat-2 (август 2006 г.), представлен на рис. 2.17, а основные технические характеристики целевой аппаратуры – в табл. 2.10. Рис. 2.17. Пример изображения, полученного с КА Kompsat-2. Пространственное разрешение 1 м. Сидней, Австралия 2.2.6. Космические аппараты IRS-P6 (RESOURCESAT-1) и IRS-P5 (Cartosat-1) Космический аппарат IRS-P6 (RESOURCESAT-1) был запущен 17 октября 2003 г. с помощью ракеты PSLV-C5 из космического центра им. Сатиша Дхвана (остров Шрихарикота). Владельцем спутника является индийская организация ISRO (Indian Space Research Organization). Спутник Resourcesat-1 был выведен на солнечно-синхронную орбиту высотой 817 км. Конструктивно спутник Resourcesat-1 выполнен на базе платформы КА IRS-1C/1D. По помимо устройства LISS-3 на его борту установлен усовершенствованный сканер LISS4, позволяющий получать цифровые изображения земной поверхности с пространственным разрешением 5,8 м как в панхроматическом, так и в мультиспектральном режимах с повышенным радиометрическим качеством, а также сканер нового поколения AWiFS, который предоставляет возможность получе- 56 ния изображений с разрешением 55 м в полосе шириной 740 км. Основным преимуществом данных, полученных со спутников серии IRS, является низкая стоимость при относительно высоком качестве изображений. Расчетный срок пребывания на орбите Resourcesat-1 составляет не менее 5 лет. Области применения данных дистанционного зондирования, полученных со спутника IRS-P6: создание и обновление карт и планов; планирование и контроль использования природных ресурсов; сельское и лесное хозяйство; ведение земельного кадастра; экологический мониторинг и оценка последствий стихийных бедствий; решение прикладных задач. Параметры Спектральный диапазон, мкм Пространственное разрешение, м Ширина полосы охвата, км Периодичность съемки, дн. Радиометрическое разрешение, бит/пиксел Срок выполнения заказа для архивных данных, дн. Минимальная площадь заказа для архивных данных, км: Таблица 2.11 Технические характеристики целевой аппаратуры Режимы LISS-4 LISS-3 AWiFS PAN MSS 0.62-0.68 0,52-0,59 0,52-0,59 0,52-0,59 0,62-0,68 0,62-0,68 0,62-0,68 0,77-0,86 0,77-0,86 0,77-0,86 1,55-1,70 1,55-1,70 5,8 5,8 23,5 50-70 70 23 140 740 5 5 24 5 10 10 7 10 7-14 LISS-4 РАN LISS-4 MSS LISS-3 AWiFS 23 x 23 (1/9 сцены) 11.5 x 11.5 (1/4 сцены) 70 x 70 (1/4 сцены) 370 х 370 (1.4 сцены) 57 Пример изображения, полученного с КА IRS-P6, представлен на рис. 2.18, а основные технические характеристики целевой аппаратуры – в табл. 2.11. Рис. 2.18. Пример изображения, полученного с КА IRS-P6. Панхроматическое изображение с пространственным разрешением 5,8 м. Бремерхафен, Германия Космический аппарат IRS-P5 (CARTOSAT-1) был запущен 5 мая 2005 г. с помощью ракеты PSLV-C6. Владельцем спутника является индийская организация ISRO (Indian Space Research Organization). Спутник IRS-P5 был выведен на полярную солнечно-синхронную орбиту высотой 618 км. На борту спутника установлены два панхроматических сканера, позволяющих получать цифровые изображения земной поверхности с пространственным разрешением 2,5 м для съемки в полосе шириной 30км. Спутник IRS-P5 предназначен для получения стереоизображений с высокими метрическими характеристиками. На основе данных, полученных со спутника, возможно построение ЦМР с точностью порядка 5м по высоте. Основным преимуществом данных, полученных со спутников серии IRS, является низкая стоимость при относительно высоком качестве изображений. Расчетный срок пребывания на орбите спутников IRS ставляет не менее 3 лет. со- 58 Области применения данных дистанционного зондирования, полученных со спутника IRS-P5: создание и обновление карт и планов масштаба 1: 25 000; создание ЦМР с точностью порядка 5 м по высоте; сельское и лесное хозяйство; ведение земельного кадастра; экологический мониторинг и оценка последствий стихийных бедствий; решение прикладных задач. Таблица 2.12 Технические характеристики целевой аппаратуры Параметры Режимы PAN Fore PAN After Спектральный диапазон, 500-850 500-850 нм Пространственное 2,5 2.5 Разрешение, м Ширина полосы охвата, 30 27 км Периодичность съемки, 5 5 дн. Радиометрическое 10 10 Разрешение, бит/пиксел Период повторного про5 смотра, сут. Высота орбиты (перигей618 апогей), км Наклонение орбиты, гра98.87 дус Пример изображения, полученного с КА IRS-P5 (23 августа 2005 г.), представлен на рис. 2.19, а основные технические характеристики целевой аппаратуры – в табл. 2.12. 59 Рис. 2.19. Фрагмент одного из снимков стереопары Cartosat-1 с разрешением 2,5 м. Дамаск, Сирия 2.3. Отечественные космические средства ДЗЗ среднего и высокого пространственного разрешения В последнее время отечественная группировка КА пополнилась такими комплексами как, Ресурс-ДК1, Монитор-Э, МЕТЕОР-М, МЕТЕОР-3М №1 и др., которые предназначены для получения оперативных данных ДЗЗ в интересах мониторинга, контроля чрезвычайных ситуаций, исследования природных ресурсов Земли, картографии и хозяйственной деятельности. На основе информации, получаемой с отечественных КА, можно решать следующие задачи: информационное обеспечение рационального природопользования и хозяйственной деятельности (составление кадастров природных ресурсов, топографическое и тематическое картографирование); контроль за состоянием источников загрязнения атмосферы, воды и почвы с целью обеспечения природоохранных органов Федерального и регионального уровней информацией для принятия управленческих решений; 60 оперативный контроль чрезвычайных ситуаций техногенного и природного характера с целью эффективного планирования и своевременного проведения мероприятий по ликвидации их последствий; информационное обеспечение отечественных и зарубежных потребителей на коммерческой основе; научные исследования. 2.3.1. КА РЕСУРС-ДК1 Космический аппарат Ре- сурс-ДК1 был запущен 15 июня 2006 г. с помощью ракеты- носителя «Союз» с космодрома Байконур. Спутник входит в состав оперативного космического комплекса детального оптико- электронного наблюдения земной поверхности, создаваемого Государственным научно- производственным ракетно- космическим «ЦСКБ- центром Прогресс». В зависимости от цеРис.2.20. Приборы КА «Ресурс-ДК1» левого применения спутник мо- жет эксплуатироваться на околокруговых или эллиптических рабочих орбитах с наклонениями 64,8°; 64,9°; 70,0°; 70,4°. Околокруговые рабочие орбиты имеют средние высоты от 450 до 610 км. Эллиптические рабочие орбиты имеют значения в диапазонах от 350-400 км до 450–610 км. КА Ресурс-ДК1 (рис.2.20) оснащен целевой оптико-электронной аппаратурой «Геотон-Л1» с системой приема и преобразования информации «Сангур1». Для обеспечения оперативной доставки информации на наземные пункты приема в масштабе времени, близком к реальному, на борту КА установлена высокоскоростная радиолиния передачи информации. Дополнительно, помимо 61 аппаратуры ДЗЗ, на борту космического аппарата Ресурс-ДК установлено итальянское научное оборудование «Памела», предназначенное для космических исследований, и российская научная аппаратура «Ариана», обеспечивающая регистрацию высокоэнергичных электронов и протонов, их идентификацию, выделение всплесков высокоэнергичных частиц–предвестников землетрясений. Спутник позволяет получать цифровые изображения земной поверхности с пространственным разрешением не хуже 1 м в панхроматическом режиме (один канал) и до 3 м – в мультиспектральном режиме (три канала). Расчетный срок пребывания на орбите составляет около 3 лет. Космический комплекс Ресурс-ДК1 обеспечивает многозональное дистанционное зондирование земной поверхности и оперативную доставку высокоинформативных изображений по радиоканалу на Землю с целью решения следующих задач: 1) Информационное обеспечение рационального природопользования и хозяйственной деятельности государственных структур, субъектов Российской Федерации и других хозяйствующих субъектов и структур в области сельского хозяйства и почвоведения, геологии, океанологии, землепользования. 2) Создание и обновление общих и тематических топографических планов и карт. 3) Информационное обеспечение в области экологии и охраны окружающей среды. 4) Решение задач в интересах МЧС РФ и других ведомств. Получаемая информация может использоваться в целях развития международного сотрудничества России с заинтересованными государствами в области охраны окружающей среды и других актуальных задач дистанционного зондирования Земли, информационного обеспечения зарубежных заказчиков по межправительственным соглашениям и на коммерческой основе. Особенностью комплекса являются повышенные оперативные и точностные характеристики получаемых изображений. Технические решения, зало- 62 женные в космическом аппарате Ресурс-ДК1, позволяют иметь существенные резервы по массе, объему и энергетике для комплектования другими видами целевой аппаратуры, а также для проведения попутных научных и прикладных экспериментов (табл. 2.13). Страна Оператор Подрядчик Таблица 2.13 Тактико-технические характеристики космического комплекса Ресурс-ДК1 Россия Состав научной аппаратуры Оптико-электронной сканер «Геотон-1» Научная аппаратура «Арина», научной аппаратурой «ПАМЕЛА» и «Арина». Высота орбиты, км: минимальная максимальная Наклонение орбиты, град. Период обращения, мин Срок активного существования, год Параметры Спектральный диапазон, мкм Пространственное разрешение в надире, м Полоса обзора, км Максимальное отклонение от надира, градус Ширина полосы охвата, км: в надире при отвороте КА по крену Скорость передачи данных на наземный сегмент, Мбит/сек Максимальная емкость запоминающего устройства, Гбит Периодичность покрытия поверхности обзора, сут Полоса обзора, км Максимальная производитель- 361 604 70,4 94,02 3 Режимы съемки Панхроматический Мультиспектральный 0,5-0,6 0,48-0,8 0,6-0,7 0,7-0,8 1 448 45 4,7-28,3 до 40 75, 150, 300 768 6 448 3 63 ность, сут: объектов до 180 маршрутов (средней протяженностью 400 км) до 40 Суммарная производительность, до 1 млн. км2 Оперативность передачи информации на наземные пункты приема в реальном масштабе до 13 времени (при съемке в пределах радиовидимости), час Погрешность ориентации и стабилизации с вероятностью P = 0,96 не более: - по каналу крена ± 6',0 - по каналу тангажа ± 6',0 - по каналу рысканья ± 4',5 - по угловой скорости 0,005 градус / сек В полете КА Ресурс-ДК1 осуществляет - а) съемку земной поверхности по трассе полета в полосе обзора до 480 км, б) прием и регистрацию информации научной аппаратурой «ПАМЕЛА», в) прием и регистрацию информации научной аппаратурой «АРИНА», г) прием информации от навигационных спутников «ГЛОНАСС», «GPS», и взаимодействует с наземным комплексом управления и приема, обработки и распространения информации (см. рис. 2.21). Процесс съемки и передачи информации сожжет осуществляться в следующих режимах. Основной режим - съемка с накоплением информации в бортовом запоминающем устройстве. Съемка с накоплением и одновременной передачей информации на наземный пункт приема и, наконец, прямая передача информации из бортового запоминающего устройства с максимальной скоростью. 64 Рис. 2.21. Получение информации и взаимодействие КА Ресурс-ДК1 с наземными составными частями комплекса Отметим некоторые особенности бортовая целевой съемочной аппаратура КА Ресурс-ДК1. Оптико-электронная многозональная аппаратура «Геотон-Л1» предназначена для формирования изображения поверхности Земли в плоскости чувствительных элементов ПЗС и имеет характеристики, представленные в табл. 2.15. Таблица 2.14 Параметр Диаметр входного зрачка, м Фокусное расстояние, м Тип оптической системы Размер поля изображения, мм Относительное отверстие (D/F) Расстояние между продольными осями ОЭП, мм Диапазон высот наблюдения, км Высота Солнца над местным горизонтом, град Рабочий угол поля зрения 2β , град Значение 0,5 4 Линзовая 324 1:8 85 350 — 630 10 — 90 4,64 Движущееся оптическое изображение преобразуется матрицами ПЗС в аналоговый электрический сигнал. Электрический заряд, накопленный под воздействием света в одной строке матрицы ПЗС, должен синхронно с движущим- 65 ся оптическим изображением переместиться в следующую строку, в которой электрический заряд, соответствующий этому же участку оптического изображения, увеличивается, за счет чего происходит накопление электрического заряда. Для синхронизации перемещения электрического заряда с оптическим изображением на каждую зону компенсации подается строчная частота, формируемая в двух последовательных схемах с управляемыми коэффициентами преобразования. Величина коэффициентов определяется по величине скорости движения изображения и фактическому количеству работающих строк накопления. Управление по скорости передвижения электрических зарядов из одной строки матрицы ПЗС в другую осуществляется по шести зонам компенсации смаза изображения в каждом блоке ОЭП за счет использования различной строчной частоты, пропорциональной скорости движения изображения. Скорость движения изображения для каждой работающей зоны компенсации всех работающих в режиме съемки блоков ОЭП определяется в бортовом комплексе управления. Количество строк накопления в каждом блоке ОЭП зависит от условий наблюдения, спектрального диапазона оптического изображения. В каждом блоке ОЭП могут работать любые зоны компенсации в количестве от одной до шести. При работе произвольного числа блоков ОЭП допускается произвольное сочетание рабочих зон компенсации на любом блоке ОЭП. Номера работающих зон компенсации для каждого блока ОЭП задаются в исходных данных от БКУ. В блоках ОЭП аналоговый электрический сигнал с каждого элемента разложения изображения матрицы ПЗС преобразуется в двоичный код. С выхода блока ОЭП двоичный код поступает в блоки сжатия - в один блок с двух зон компенсации. В них осуществляется сжатие цифрового потока информации, формирование сжатой информации в пакеты, а также анализ максимального сигнала с блоков ОЭП с целью автоматического определения количества строк накопления. Сжатие цифрового потока информации осуществля- 66 ется с помощью дифференциальной импульсно-кодовой модуляции до одного, двух и четырех бит на элемент изображения. Наземный комплекс управления Наземный комплекс управления (НКУ) предназначен для управления КА Ресурс–ДК1. В процессе управления НКУ осуществляет информационное взаимодействие с КА по каналам НС КИС и НПРС, а также с внешними абонентами по наземным каналам в интересах выполнения КА задач по целевому назначению. НКУ создан на базе существующих технических средств, используемых для управления КА научного и социально- экономического назначения из состава Единого Гос.НАКУ с учетом их модернизации и оснащения (дооснащения), осуществляемых по планам создания и развития НАКУ (рис. 2.22). Рис. 2.22. Наземный комплекс приема, обработки и распространения информации КА Ресурс-ДК1 (НКПОР ДК) НКПОР ДК является составной частью КК «Ресурс-ДК1» и предназначен для сбора заявок на съемку от российских и зарубежных потребителей, планирования работы целевой и научной аппаратуры, приема информации с борта космического аппарата, первичной и тематической обработки информации и выдачи конечного продукта потребителям. Для эффективной работы НКПОР системы Ресурс-ДК взаимодействует с потребителями информации, центром управления полетом КА Ресурс-ДК1 67 (ЦУП КА), наземным комплексом научной аппаратуры «ПАМЕЛА» (НК «ПАМЕЛА») и Росгидрометом. Примеры изображений, полученных КА Ресурс-ДК1, приведены на рис. 2.23. а б Рис. 2.23. Примеры изображений, полученных КА Ресурс-ДК1 а – Панхроматическое изображение, пространственное разрешение 1м. Франкфурт, Германия; б – Панхроматическое изображение, пространственное разрешение 3 м. Берлин, Германия 68 2.3.2. Система ДЗЗ Монитор-Э В этом сегменте съемочных средств среднего пространственного разрешения Россия имеет космический аппарат Монитор-Э, разработанный Государственным космическим научно-производственным центром им. М.В. Хруничева Он был запущен 26 августа 2005 года с помощью ракетно-космического комплекса легкого класса «Рокот» с космодрома Плесецк. КА Монитор-Э был выведен на солнечно-синхронную орбиту высотой 540 км и проходит над одной и той же точкой земной поверхности каждые 4–6 суток. Целевая оптикоэлектронная аппаратура видимого и ближнего ИК диапазонов спутника позволяет осуществлять как панхроматическую, так и мультиспектральную съемку земной поверхности и передачу информации в масштабе времени, близком к реальному. В целом, программа «МОНИТОР», разработанная ГКНПЦ им. М.В.Хруничева в 2001 г предусматривает создание Космической системы ДЗЗ (КС ДЗЗ), состоящей из группировки малых космических аппаратов (МКА ДЗЗ) на Рис.2.24. Семейство КА «МОНИТОР» базе унифицированной платформы «Ях- та», наземного комплекса управления (НКУ), наземного комплекса приема и предварительной обработки информации (НКПОИ) и координационно- аналитического центра (КАЦ). МКА ДЗЗ образуют орбитальный сегмент системы. НКУ, КАЦ, НКПОИ вместе с федеральными региональными (ФРСПИ) и региональными персональными (РПСПИ) станциями приема информации, а также подсистема связи и распространения данных образуют наземный сегмент КС ДЗЗ. При условии успешного этой прогпаммы к 2009 году космическая система ДЗЗ обеспечит получение информации для решения задач в областях карто- 69 графирования, составления кадастров природных ресурсов, изыскания, проектирования, строительства, геологического картирования и поиска природных ископаемых, прогноза опасных геодинамических явлений, контроля и оценки последствий чрезвычайных ситуаций, сельского и лесного хозяйства океанологии, гидрологии, экологического мониторинга и контроля загрязнения атмосферы. В соответствии с программой для орбитального сегмента КС ДЗЗ в Центре Хруничева должны быть созданы несколько МКА семейства «Монитор» (см рис.2.24): Монитор-Э (экспериментальный), Монитор-И №1 и Монитор-И №2 (с оптико-электронной аппаратурой видимого и теплового диапазонов), Монитор-С (с оптико-электронной аппаратурой для стереоскопической съемки), Монитор-О (с оптико-электронной аппаратурой высокого разрешения) и Монитор-РЗ или Монитор-P23 с радиолокационной аппаратурой. Монитор-Э позволяет получать цифровые изображения земной поверхности с пространственным разрешением 8 м в панхроматическом режиме (один канал) и 20 м в мультиспектральном режиме (три канала). Съемка проводится в двух вариантах: трассовая съемка - когда камера снимает на земной поверхности по ходу движения спутника, и маршрутная съемка – в этом случае спутник моРис. 2.24. КА Монитор-Э жет отклоняться от трассы полета и про- изводить съемку отдельных участков территории по заказу потребителя. Оптико-электронной целевой аппаратурой КА Монитор–Э проводится съемка одновременно во всех четырех каналах (в трех диапазонах многозональной аппаратурой и в одном диапазоне панхроматической аппаратурой). Расчетный срок пребывания на орбите составляет около 5 лет. КА Монитор–Э относится к серии малых космических аппаратов (МКА), низкоорбитальный экспериментальный КА (индекс Э), у которого новыми являются универсальная космическая платформа (УКП) и камеры для съемки земной поверхности. 70 Он позволяет вести трассовую (плановую), маршрутную (объектовую) съемку, а также съемку в режиме тангажного отслеживания с возможностью включения аппаратуры видеонаблюдений ПСА, РДСА или совместно ПСА и РДСА. Основные характеристики КА, его целевой аппретуры и параметров орбиты приведены в табл. 2.15. Таблица 2.15 Технические характеристики целевой аппаратуры Страна Россия Владелец Российское космическое агентство Оператор ГКНПЦ им. М.В. Хруничева. Комплекс оборудование Панхроматическая съемочная аппаратура на борту КА Монитор (ПСА) «Гамма-Л», аппаратуры распределенного доступа (РДСА) «Гамма-Ц» Масса, кг 750 Максимальное энергопотребление, Вт 344 Орбита Круговая, солнечно-синхронная Высота, км 550 Наклонение, град 97,5 Период обращения, мин. 95,33 Цикл, сут. 6 Параметры Режимы: Панхроматический Мультиспектральный Спектральный диапазон, 0,528-0,585 мкм 0,536 - 0,843 0,626-0,672 0,783-0,883 Пространственное раз8 20 решение, м Ширина полосы охвата, 96 160 км Периодичность съемки 6 4 на широте 60°,Ю дн. Скорость передачи данных на наземный сег122,88 61,44 мент, Мбит/с Пример изображения, полученного КА Монитор-Э, подтверждающего высокие метрологические параметры бортовых систем видеонаблюдения приведен на рис. 2.25. 71 Рис. 2.25. Примеры изображения, полученного КА Монитор-Э. Панхроматическое изображение, разрешение 8 м. Сан-Франциско, США 2.3.3. КА МЕТЕОР-М КА Метеор-М предназначен для глобального наблюдения подстилающей поверхности Земли и атмосферы, позволяющие систематически получать географическую, гидрометеорологическую и гелиогеоРс.2.26. КА Метеор-М физическую информацию с помощью целевой научной и съемочной аппаратуры. Ком- плекс приборов на борту спутника позволяет получать многозональные изображения, включая радиолокационные, и данных измерений уходящего излучения системы «земная поверхность-атмосфера» в различных диапазонах энергетического спектра; Базовый состав информационной аппаратуры включает спектрозональные оптические приборы видимого и ИК диапазонов (Глобус, МСУ-СР), радиометрическая аппаратура СВЧ диапазона для температурно-влажностного зондирования атмосферы (МТВЗА), гелиогеофизический комплекс (МСГИ и 72 КГИ) и радиотехнический комплекс сбора и передачи данных, включая систему получения данных с наземных измерительных платформ (ССПД). Основные параметры этой аппаратуры приведены в табл. 2.16. Таблица 2.16 Технические характеристики бортовой аппаратуры КА МЕТЕОР-М Гидрометеорологический и гелиогеофизический комплексы Параметр Количество каналов, шт. Спектральный диапазон /энергетический диапазон Полоса обзора, км Пространственное разрешение Точность определения температуры, °К Потребляемая мощность, Вт Масса одного комплекта, кг МСУ- МСГИ-5 и ИКФС- СР КГИ-4с 2 26 3 11 - 18,7 ÷ 183,31ГГц 0,5 ÷ 0,9мкм 2800 800 0,1 кэВ ÷ 90 МэВ и более - 1 км 9 ÷ 50 км 50 м - 1 1,5 - - 100 80 до 15 15 35 80 не более 5 20 Глобус МТВЗА 6 0,5 ÷ 12,6 мкм 2900 5 ÷ 15 мкм 2500 35 км 1 125 46 Развитием этой серии стал Метеор-3М №1, который является многоцелевым аппаратом, одновременно решающим задачи изучения природных ресурсов, контроля состояния окружающей среды, гидрометеорологического и гелиогеофизического обеспечения. Срок активного существования: на 1-м этапе5лет, на 2-м-7 лет Параметры орбиты приведены в табл. 2.17. Страна Владелец Оператор Таблица 2.17 Основные технические характеристики КА Метеор-3М №1 Россия Российское космическое агентство Росавиакосмоса, Росгидромета, Минприроды и МЧС 73 Комплекс оборудование на борту КА Метеор-3М №1 Масса, кг Максимальное энергопотребление, Вт Орбита Высота, км Наклонение, град Период обращения, мин. Цикл, сут. Местное солнечное время восходящего узла, час. Высота над поверхностью Земли, км Наклонение, град Период обращения, мин Эксцентриситет Угловое расстояние между витками, град Суточное смещение долготы восходящего узла, град Период изомаршрутности, сут. Общая масса, кг Масса полезной нагрузки, кг Срок работы на орбите, год Параметры трехосной ориентации: точность, угл. мин точность стабилизации, град/с Параметры Многозональное сканирующее устройство высокого разрешения МСУ-Э. Многозональное сканирующее устройство среднего разрешения МСУ-СМ. Комплекс научно-измерительной аппаратуры (БКНА - КГИ-4С и МСГИ-5ЕИ) Микроволновый сканирующий радиометр температурного и влажностного зондирования атмосферы (МТВЗА). 750 344 Круговая, солнечно-синхронная 550 97,5 95,33 6 9 ,25 1018,63-10,71 99,63 105,33 ± 0,06 0,000806 -26,334 -8,670 3 суток (41 виток) 2600 800-1000 не менее 3 10 0,005 Режимы: 74 Мультиспектральный Мультиспектральный МСУ-СМ МСУ-Э Спектральный диапа0,50-0,60 0,55 – 0,70 зон, мкм 0,60-0, 70 0.70 – 0,90 0,80-0,90 Пространственное раз32 132 решение, м Ширина полосы охвата, 76 2240 км Периодичность съемки 6 4 на широте 60°,Ю дн. Скорость передачи данных на наземный 15,36 15,36 сегмент, Мбит/с КА Метеор-3М №1 создан Научно-исследовательским институтом электромеханики (НИИЭМ, г. Истра) на базе КА Метеор-3 с полной заменой системы управления, с установкой новых радиолиний, с изменением состава бортовой информационно-измерительной аппаратуры. Установленный на КА Метеор-3М №1 комплект приборов по целевому назначению подразделяется на три функционально самостоятельные части: 1) Видеоинформационный природно-ресурсный комплекс (БИК-М1) 2) Комплекс научно-измерительной аппаратуры (БКНА) 3) Микроволновый сканирующий радиометр температурного и влажностного зондирования атмосферы (МТВЗА) в составе комплекса метеорологической аппаратуры (МР-700М) БИК-М1 предназначен для получения многозональных изображений земной поверхности среднего пространственного разрешения. На базе этой информации решаются задачи природопользования, изучения природных ресурсов, обнаружения чрезвычайных ситуаций и т.п. Видеоинформация передается с борта КА по сантиметровой радиолинии (несущая частота 8,192 ГГц) со скоростью потока 15,36 Мбит/с. Суммарный информационный поток, содержащий данные каналов МСУ-Э и МСУ-СМ, с частотой 15,36 Мбит/с поступает в режиме непосредственной передачи на передающее устройство, а в режиме записи с той же частотой на дисковое запоминающее устройство (ДЗУ). Время записи не более 10 мин. В режиме воспро- 75 изведения информационный поток ДЗУ с частотой 15,36 Мбит/с передается в течение 10 мин на наземные пункты приема. Имеющееся в БИК-М1 командно-распределительное устройство и блок автоматики обеспечивают работу видеокомплекса в различных режимах, отличающихся разным сочетанием канальных потоков информации МСУ-Э и МСУСМ в передаваемом на Землю суммарном потоке видеоинформации. Прием информации осуществляется Центрами приема Росавиакосмоса (г. Москва), Росгидромета (г.г. Обнинск, Новосибирск), Минприроды и МЧС, а также сетью малых станций, расположенных в разных регионах России и ближнего зарубежья. Комплекс научно-измерительной аппаратуры включает приборы, каждый из которых предназначен для решения конкретной целевой задачи. Микроволновые многоканальные сканирующие радиометры МТВЗА и МИВЗА служат для всепогодного зондирования атмосферы и определения ряда параметров мирового океана. Таблица 2.18 Параметры микроволновых сканирующих радиометров Аппаратура Частоты каналов ПространственПолоса (поляризация), ное разрешение, захвата, ГГц км км Микроволновый скани18,7 (В,Г)* 75 2600 рующий радиометр 22,2 (В,Г) 68 температурного и влаж33 (В,Г) 45 ностного зондирования 36,5 (В,Г) 41 атмосферы (МТВЗА). 42 (В,Г) 36 48 (В,Г) 32 52,28-56,978 (В,Г) 30 (10 каналов) 91,65 (В,Г) 18 183,31 12 (3 канала, В) 20 (В,Г) 110 1700 Микроволновый сканирующий радиометр ин35 (В,Г) 65 тегрального влажност94 (Г) 25 ного зондирования атмосферы (МИВЗА) * В – вертикальная, Г – горизонтальная поляризация. 76 Аппаратура гелиогеофизического обеспечения КГИ-4С и МСГИ-5ЕИ предназначена для контроля состояния околоземного космического пространства (ОКП), включая: 1) контроль и прогноз вспышечной активности Солнца; 2) контроль и прогноз радиационной обстановки ОКП и состояния геомагнитного поля; 3) прогноз условий распространения радиоволн; 4) диагностику и контроль состояния магнитосферы и ионосферы. На основе данных аппаратуры МСУ-Э и МСУ-СК средствами НКПОВИ формируются типовые (стандартные) информационные продукты для представления широкому кругу потребителей и нестандартизованной информационной продукции высокого уровня обработки по специальным заказам. Перечень типовых видов выходной продукции приведен в табл. 2.19. По п.1 таблицы потребителям будут выдаваться информационные продукты следующих 4-х стандартных уровней обработки: Уровень обработки – 0 Выполняются следующие операции: 1) фильтрация импульсных помех; 2) коррекция и восстановление сбойных и пропущенных строк; 3) формирование текстовой аннотации. Таблица 2.19 Виды типовых информационных продуктов, формируемых на основе данных с КА Метеор-3М №1 Источник информации Информационные продукты № п/п 1. Многозональное ска- Цифровые изображения земной поверхности в нирующее устройство 3-х интервалах спектра 4-х уровневой обраМСУ-Э ботки на оптических и магнитных носителях. Синтезированные цветные изображения земной поверхности 4-х уровней обработки, отпечатанные на бумаге или пленке формата А3, А4. Черно-белые изображения земной поверхности в каждом из 3-х спектральных интервалов 77 2. 4-х уровней обработки, отпечатанные на бумаге или пленке формата А3, А4. Многозональное ска- Цифровые изображения земной поверхности в нирующее устройство 2-х интервалах спектра на оптических и магМСУ-СМ нитных носителях. Изображения земной поверхности в каждом из интервалов спектра, отпечатанные на бумаге или пленке формата А3, А4. Уровень обработки – 1 Включает обработку уровня 0, дополнительно обеспечивается: 1) фотометрическая коррекция статистическим методом; 2) географическая привязка по орбитальным и телеметрическим данным; 3) формирование аннотации в растровой форме. Уровень обработки – 2 1) Включает обработку уровня 1, дополнительно обеспечивается: 2) устранение геометрических искажений с билинейной яркостной ин- терполяцией; 3) трансформирование в картографическую проекцию; 4) геометрическое совмещение спектральных каналов МСУ-Э с по- вышенной точностью. Уровень обработки – 3 Включает обработку уровня 1 или 2, дополнительно обеспечивается географическая привязка и (или) геометрическая коррекция с использованием опорных точек местности. На рис. 2.27 представлены образцы изображений, полученных аппаратурой МСУ-Э, функционирующей на КА Метеор-3М №1 до и после обработки. 78 а б Рис. 2.27 Образцы изображений, полученные аппаратурой МСУ-Э. Крым. Каркинитский залив. а - уровень обработки 0; б - уровень обработки 3. Полуостров 79 3. Радиолокационная аппаратура КА ДЗЗ высокого пространственного разрешения При активном радиолокационном зондировании природной среды используются три основные типа приборов: радиовысотомеры (Radar Altimeter), скаттерометры (Scaterrometer) и радиолокационные системы бокового обзора с реальной или синтезированной апертурой (Synthetic aperture radar - SAR). Радиолокационные высотомеры применяются для измерения высотного профиля подстилающей поверхности с точностью до 1 - 8 метров. Они в основном используются для изучения топографии поверхности мирового океана, гравитационных аномалиях, высоте волн, скорости ветра, уровнях приливов, скорости поверхностных течений, ледовом покрове и неоднородностях его поверхности, а также о любых других процессах, которые приводят к изменениям среднего уровня или состояния поверхности больших акваторий. Принцип действия скаттерометров (измерителей характеристик рассеяния) основан на зависимости абсолютной величины удельной эффективной площади рассеяния морской поверхности и уровня ее анизотропии в азимутальной плоскости от скорости и направления приводного ветра. Основным назначением скаттерометров космического базирования является определение синоптического поля ветра, что принципиально не требует высокого разрешения по координатам. Приборы такого типа создаются на основе РЛС с непрерывным излучением, что позволяет обеспечить достаточно высокий энергетический потенциал при малой излучаемой мощности и осуществлять селекцию отраженных сигналов по доплеровскому сдвигу частоты. Радиолокационные системы бокового обзора (РЛС БО) относятся к числу наиболее универсальных и информативных датчиков дистанционного зондирования в микроволновом диапазоне. При этом различают некогерентные радиолокационные системы, путевая (вдоль трассы ИСЗ) разрешающая способность которых определяется размерами реальной апертуры антенны, и РЛС с искусственным раскрытием антенны (синтезированием апертуры), в которых высокая разрешающая способность достигается за счет когерентной обработки отраженных сигналов, принимаемых реальной апертурой по мере движения спут- 80 ника по орбите. Преимуществом некогерентных РЛС БО являются широкая полоса обзора, разрешение в которой не зависит от состояния (изменчивости) зондируемой поверхности, сочетающаяся с относительной простотой, как самого радиолокатора, так и системы обработки информации. Главный недостаток – низкая разрешающая способность. В то же время, радиолокационные системы с синтезированием апертуры антенны (РСА) позволяют получать значительно более высокое азимутальное разрешение при съемке геофизических объектов, положение которых остается неизменным на периоде когерентного накопления отраженных сигналов. Пространственная разрешающая способность радиолокационной аппаратуры ДЗЗ (10 –100 м для РСА и 1 – 2 км для некогерентных РЛС БО) несопоставима с разрешением оптических систем. Информативность ра- диолокационных изображений Земли зависит от энергетического потенциала и разрешающей способности РЛС, от полноты измерения поляризационных характеристик рассеяния наблюдаемых геофизических объектов, а также от структуры зондируемой поверхности и ее электрофизических характеристик. При этом, качество радиолокационной съемки не зависит от условий освещенности поверхности Земли и наличия облачного покрова, что выгодно отличает эти системы от средств дистанционного зондирования в видимом диапазоне спектра. Кроме того, с использованием РЛС БО могут быть получены изображения земной поверхности, скрытой растительным покровом, а также определены диэлектрические свойства поверхностного слоя. Напомним, что диапазон электромагнитных волн работы радиолокационных систем ДЗЗ приходится на частоты от 300 МГц до 300 ГГц, который разбит на ряд поддиапазонов, как это представлено табл. 3.1. Таблица 3.1 Диапазон частот ГГц 0,300 - 3 3 - 30 Англ. аббревиатура Русск. аббревиатура UHF - Ultra High Frequency SHF - Super High УВЧ - ультравысокие частоты СВЧ - сверхвысокие час- Длина волны мм 1000 - 100 100 - 10 81 Frequency тоты EHF - Extra High КВЧ - крайне высокие 10 - 1 30 - 300 Frequency частоты Кроме того, использование различных частот в этих поддиапазонах, строго регламентируется международными соглашениями. Это необходимо для достижения совместимости различных радиосистем, а также для предотвращения взаимных помех при работе различных служб. В 1977 году состоялась Всемирная административная радиоконференция (WARC-77) по планированию вещательной спутниковой службы, на которой был принят ныне действующий Регламент радиосвязи. В соответствии с этим Регламентом для систем спутниковой связи и зондирования выделено несколько диапазонов частот, каждый из которых получил условное обозначение буквой латинского алфавита (табл.3.2). Таблица 3.2 Диапазон UHF Наименование поддиапазона P -band L -band S - band C - band SHF EHF X - band Ku - band K - band Kа - band W - band Полоса частот. ГГц 0,225 – 0,390 1,452-1,550 1,610-1,710 1,93 - 2,70 3,40 -5,25 5,725 - 7,075 7,25 - 8,40 10,70 - 12,75 12,75 - 14,80 15,40 - 26,50 27,00 - 50,20 65,0 - 110,0 Длина волны, 10-3м 1333 – 76, 205 –193 186 – 175 155,3 – 111,0 88,17 – 57,10 52,36 – 42,37 41,35 – 35,68 28,02 – 25,35 25,35 – 20,25 19,46 – 11,31 11,10 – 9,92 3,6 – 3,5 Радиовысотомеры космического и воздушного базирования в основном работают в P и X диапазоне. В скаттерометрах используется L и S диапапазоны. Радиолокационные системы получения изображения с реальной и синтезированной апертурой работают в самой коротковолновой (микроволновой) части спектра в поддиапазонах C, X, K и W. 82 Опыт работы с материалами, полученных РЛ-системами (Seasat, SIR-A, SIR-B) показал, что по ним возможно определение координат точек местности со средними квадратическими ошибками в плане 150 –180 м, 140–160 м, 12 – 30 м и по высоте 60 – 80 м, 85 –100 м, 12 – 30 м соответственно. Оценка плановой точности ортофототрансформированных изображений, полученных по данным КА ERS, показала, что, по крайней мере, для районов с равнинным и всхолмленным рельефом достигаются точности порядка 30 – 40 м. С КА Radarsat-1 при съемке в режиме высокого разрешения достигаются точности порядка 18 м. Необходимо отметить также, что сложность и стоимость разработки радиолокационных систем космического базирования, особенно РСА, как правило, превосходит соответствующие показатели для других приборов дистанционного зондирования. В результате космические платформы, оснащенные бортовыми радиолокаторами, являются наиболее дорогостоящими, крупногабаритными и массивными спутниками среды всех аппаратов ДЗЗ, а целевое назначение спутника определяется, прежде всего, возможностями его радиолокационной системы. Это в полной мере относится к рассмотренным далее зарубежным системам ERS, Envisat, JERS, Alos, Radarsat и отечественной системы «АЛМАЗ» космического базирования. 3.1.Зарубежные космические средства радиолокационного наблюдения Наиболее востребованными среди пользователей и фактически сформировавшими современный мировой рынок космических РЛ-видеоданных являются материалы съемки Земли радиолокаторами с синтезированной апертурой (РСА) с космических аппаратов ERS-1/2 (Европейское космическое агентст- во), JERS (Япония) и Radarsat. (США). С 1991 года в течение нескольких лет на орбите надежно работал тандем спутников ERS-1 и ERS-2, позволивший реализовать технологию РЛинтерферометрии («фазирование» орбит обеспечивало прохождение вторым КА того же наземного следа первого КА через 24 часа), обеспечивающей относительно детальной информацией о рельефе местности с двух углов визирова- 83 ния. Оба спутника имели идентичные характеристики орбит: солнечносинхронные высотой около 800 км и наклонением 98,5°. Многофункциональный КА JERS-1, выведенный на солнечно- синхронную орбиту с высотой около 600 км и наклонением 97,7°, Япония эксплуатировала до осени 1998 г. За 6,5 лет работы (при расчетном сроке функционирования 2 года) было получено свыше 300 000 радиолокационных изображений земной поверхности. С 1995 г. на орбите высотой 820 км и наклонением 98,6° продолжает эффективно функционировать канадский спутник Radarsat-1. К концу шестого года работы на орбите с его борта передано более 220 тыс. снимков. Число заказчиков из 60 стран составило около шести сотен. В 1999 и 2000 гг. выполнены работы по картографированию Антарктиды, продемонстрирована возможность использования радиолокатора с синтезированной апертурой в режиме интерферометрии. Хотя Radarsat – коммерческий спутник, часть информации распространяется бесплатно в рамках проекта «Международная хартия по космосу и крупным катастрофам», целью которого является обеспечение жизненно важной космической видеоинформацией стран, пострадавших от крупных природных и техногенных катастроф. Основные обобщенные характеристики аппаратуры радиолокационных КА Radarsat -1 (Канада), ERS-1 и ERS-2 (Европа), JERS-1 (Япония) представ- лены в табл. 3.3. Таблица 3.3 Общие характеристики радиолокационных средств ДЗЗ из космоса Наименование Рабочие Углы визи- Пространственное рования прибора и ИСЗ, диапаПолоса обзора (бокового разреше(годы активно- зоны ние, обзора), го функциони- частот, градус ГГц рования) м ERS-1,2 (1991-2000) 5,3 23 30 ERS-2 100 (1995 - ) JERS 1 75 (1992–1998) 1,275 35 18 Radarsat -1 45 – 510 84 (1995 - ) 5,26 10–60 9–100 3.1.1. Европейская космическая система ДЗЗ ERS-1, 2 Спутниковая система ERS разрабатывалась Европейским Космическим Агентством (ESA) с начала 80-х годов прошлого века. Первый аппарат серии ERS-1 был запущен 17 июля 1991 г. на солнечно-синхронную орбиту со средней высотой 785 км и наклонением 98,50. Второй спутник - ERS-2, ставший преемником и конструктивным аналогом ERS-1, был выведен на такую же орбиту 21 апреля 1995 года. Главной особенностью этих КА является возможность круглосуточного всепогодного наблюдения Земли, высокая надежность и долгий срок работы, а также предусмотренная совместная работа нескольких спутников. На первом спутнике установлено 5, на втором 6 разнообразных инструментов дистанционного зондирования, включая оптические ультрафиолетовые и инфракрасные сканеры, радарный альтиметр и т.д. (табл. 3.4). Однако, учитывая сравнительно невысокое пространственное разрешение большинства перечисленных приборов, наибольший интерес для широкого круга пользователей представляют радиолокационные приборы изучения земной поверхности: радиолокационная станция бокового обзора с синтезированной апертурой SAR (Synthetic aperture radar), радиолокационный высотомер (Radar Altimeter), и скатерометр SCAT (Wind Scaterrometer). РСА SAR выполнял съемку земной поверхности в С-диапазоне, с вертикальной поляризацией излучения (VV), при углах визирования от 200 до 260. Расчетный срок пребывания на орбите спутника ERS-1 определялся в 3 года, однако аппарат Рис.3.1. Геометрия съемки ERS-1/2 продолжал успешно работать до 10 марта 2000 г., что позволило ESA в течение почти 5 лет эксплуатировать 85 спутниковую группировку, обеспечивавшую удвоенную частоту съемки поверхности Земли. Также благодаря этому был проведен ряд экспериментов по радарной интерферометрии, в частности осуществлен проект «ERS Tandem», продолжавшийся с 1995 по 1996 год и значительно продвинувший технологии радарного дистанционного зондирования. В период параллельной работы (тандемный полет) ERS-2 следовал вдоль трассы ERS-1 с 24-часовой задержкой. Срок пребывания на орбите ERS-2 определялся в 2 года, однако, несмотря на мелкие неисправности, он успешно проработал до июня 2003 г. С тех пор, в связи с поломкой записывающего устройства, съемка ведется только в пределах доступности наземных станций ESA. Таблица 3.4 Технические характеристики целевой аппаратуры систем ERS-1, ERS-2 Страна Европа Оператор ESA Комплекс оборудование на РСА - SAR, радиовысотомер - RA (Radar борту КА ERS-1,2 Altimeter), скатерометр - SCAT (Wind Scaterrometer), инфракрасный радиометр ATSR (Along-Track Scanning Radiometer), GOME (Global Ozon Monitoring Experiment), прибор точного позиционирования - PRARE (Precise Range and Range-Rate Equipment), лазерные отражатели - LRR (Laser RetroReflector) Масса, кг 2500 Орбита Солнечно-синхронная (апогей /перигей), км 783 / 786 Наклонение, град 98,5 Период обращ., сут. Мощность, Вт 2500 Диапазон работы C-band, K-band; вертикальная поляризация (VV) Основной режимы: Номинальное пространственное разрешение, м Ширина полосы съемки, км: Скорость передачи данных на наземный сегмент, Мбит/с: Радиометрическое разреше- AMI-SAR Image Mode 26 X 30 100 105 8 86 ние, бит/пиксель: Формат файлов: Обработка: Периодичность съемки, сут: Срок выполнения заказа, дн.: для архивных данных для съемки на заказ Минимальная площадь заказа CEOS Радиометрическая, сенсорная и геометрическая коррекция Приведение к картографической проекции < 35 7-14 < 50 Одна квадратная сцена с длиной равной ширине полосы съемки для любого режима Области применения данных дистанционного зондирования, поSAR SCAT лученных со спутников ERS-1/2 чрезвычайно широка. Это и отсле- ATSR RA LRR живание ледовой и снеговой обстановки в приполярных районах, и наблюдение за стихийными бедствиями (наводнениями, подвижками ледников; пожарами и т.д.) вне зависимости от погоды и времени су- Рис.3.2. Приборы ERS-1/2 ток, и создание карт посевных площадей, оценка урожайности, состояния посевов, контроль использования земель, и создание карт породного состава лесов, состояния насаждений, незаконных вырубок и т.д. Основная цель полета ERS-1/2 состояла в наблюдении за океаническим и морским ледовым покровом, что, в свою очередь, дает необходимую информацию относительно взаимодействия атмосферы с поверхностью океана для моделей климата. КА информировал о циркуляции энергии в океанических водах, позволял провести более точные оценки массового баланса ледяных пластов Арктики и Антарктики, улучшал контроль за динамикой прибрежных процессов и уровнем загрязнения. За время своего существования передал более 1.5 млн изображений при помощи радара с синтезированной апертурой. Эти снимки вместе с данными, 87 полученными от других приборов, нашли применение более чем у 4000 организаций по всему миру. Информацию от скаттерометра и высотомера использовали метеорологические службы для кратковременного и долгосрочного прогноза погоды, прогноза скорости и направления ветра. Высокой точностью отличались измерения температуры морской поверхности, критичной к изменениям климата, выполненные при помощи радиометра. При наблюдении за температурными фронтами можно было определить местонахождение рыбы в океане. Аппарат следил за циркуляцией океанической воды, перемещением ледяных пластов и айсбергов. Комплексное исследование поверхностных течений, топографии, температуры и скорости ветра дало возможность ученым наблюдать явление Эль-Ниньо. Практика показала, что материалы съемок могут быть использованы для создания и обновления топографических карт и планов, вплоть до масштаба 1: 100000. Но самое главное - положительный результат дало изучение сантиметровых подвижек земной поверхности с применением радарной интерферометрии (в рамках проекта ERS Tandem). Примеры изображений, полученных КА ERS-1,2, приведены на рис. 3.3 – 3.5 Рис. 3.3. Неаполитанский залив, SAR. Временной композит: Red–11 февраля 2004 г. Green– 21 апреля 2004 г. Blue–30 июня 2004 88 Рис. 3.4. Вена, SAR, Временной композит: Red–17 мая 2004 г. Green–26 июля 2004 г., B - 24 марта 2003 г. Москва Рис. 3.5 Подмосковье, SAR. Временной композит: Red–20 июня 2004 г., Green–11 апреля 2004 г Blue–25 августа 2004 г. 3.1.2. КА ДЗЗ ENVISAT-1 В рамках проекта РОЕМ (Polar Orbit Earth observation Mission programme) Европейским космическим агентством ESA 1 марта 2002 года запущен КА 89 Envisat-1, который обеспечивал преемственность непрерывных наблюдений, ранее начатых с помощью спутников серии ERS. Данные с КА Envisat-1 позволяют решать широкий круг океанографических задач, осуществлять мониторинг снегового и ледового покровов, сбор информации о химическом составе атмосферы, особенностях протекания водооборота и энергетического баланса и др. Руководство созданием космического аппарата Envisat-1 было возложено на фирму Dornier, разработку модульной спутниковой платформы PPF осуществляла компания British Aerospace, панели солнечных батарей — фирма Fokker. Таблица 3.5 Технические характеристики КА Envisat Оператор Оборудование (см. рис.3.7) ESA Лазерный рефлектор (LRR); радиолокационный высотомер (RA-2); аппаратура глобального мониторинга озона (GOMOS); спектрометр среднего разрешения (MERIS); интерферометр Михельсона (MIPAS); трассовый сканирующий радиометр (AATSR); сканирующий спектрометр (SCIAMACHY); микроволновый радиометр (MWR); орбитографический и радиопозиционный доплеровский радиолокатор (DORIS); радиолокатор БО с синтезированной апертурой (ASAR). Масса, кг 8211 Орбита: Круговая, солнечно-синхронная Высота, км 799,8 Наклонение, град 98,55 Период обращения, мин 100,59 Мощность, Вт 7000 Телеметрия Х-band; Спектральный диапа5,6 (С-диапазон) на пяти различных поляризациях зон, см (VV, HH, VV/HH, HV/HH, VH/VV). Режимы съемки Низкого разреГлобального Среднего разрешения мониторинга шения (Wide Swath (Global Moni(Image Mode) mode) toring mode) Номинальное простран30 150 1000 ственное разрешение, м 90 Ширина полосы съемки, 100 400 400 км Скорость передачи дан105 ных Мбит/с Радиометрическое раз8 решение, бит/пиксель Формат файлов CEOS Обработка Радиометрическая, сенсорная и геометрическая коррекция. Приведение к картографической проекции Периодичность съемки, 2,5 - 35 сут. Срок выполнения заказа, дн. архивные данные 7 - 14 съемки на заказ 7 - 40 Минимальная площадь Одна квадратная сцена с длиной равной ширине заказа: полосы съемки для любого режима 1 – лазерный рефлектор (LRR); 2 – антенна радиолокационного высотомера (RA2); 3 – прибор глобального мониторинга озона (GOMOS); 4 – спектрометр среднего разрешения (MERIS); 5 – интерферометр Михельсона (MIPAS); 6 – усовершенствованный трассовый сканирующий радиометр (AATSR); 7 – сканирующий спектрометр (SCIAMACHY); 8 – микроволновый радиометр (MWR); 9 – Рис.3.6. Приборы КА Envisat-1 антенна Ka-диапазона; 10 – орбитографический и радиопозиционный допплеров- ский радиолокатор (DORIS); 11 – антенна X-диапазона; 12 – радар с синтезированной апертурой (ASAR). Создание такой многоцелевой системы стало логическим продолжением программы ERS-1/2. Установленные на нем приборы (рис. 3.6) стали дальнейшим развитием аппаратуры этих двух спутников, обеспечив тем самым непре- 91 рывность и преемственность начатых ранее наблюдений. Envisat-1 позволил существенно расширить области наблюдения, повысить их детальность и оперативность. Этот космический аппарат по сути – околоземная лаборатория для наиболее комплексного наблюдения Земли в разных частях спектра. До вывода его на орбиту ни один спутник не имел такого количества аппаратуры для ведения ДЗЗ. Бортовая аппаратура дистанционного зондирования разрабатывалась как ESA (приборы ASAR, RA-2, MERIS, MIPAS и GOMOS), так и национальными научными организациями на конкурсной основе. Так, разработка приборов AATSR, PRAREE и SCIAMACHY осуществлялась в Германии, сканер SCARAB создавался во Франции. Усовершенствованная радиолокационная система ASAR (Advanced Synthetic Aperture Radar) является усовершенствованным вариантом РЛС с синтезированной апертурой, использованной на КА серии ERS-1,2. Система ASAR работает на частотах С-диапазона и обеспечивает всепогодное наблюдение до семи избираемых полос вдоль трассы КА общей шириной 100 км с разрешением 30 м, либо одной полосы шириной 400 км с разрешением 100 м. Возможен режим переключаемой поляризации (горизонтальной и вертикальной) на прием и на передачу. При этом скорость передачи информации в реальном масштабе времени составляет 105 Мбит/с, передача может осуществляться до 30 мин за один виток. В режиме глобального наблюдения осуществляется просмотр полосы шириной 400 км с разрешением 1 км. Радиометрическая точность измерений составляет 0.65 дБ, радиометрическое разрешение 1,5—3,5 дБ. 92 Рис.3.7. Геометрия съемки КА Envisat-1 Радиолокационный высотомер RA-2 (Radar Altimeter) применяется в комплексе с РЛС СВЧ-диапазона MWR, лазерным отражателем точного определения орбиты LRR и аппаратурой определения параметров орбиты DORIS-NG. Высотомер RA-2 обеспечивает определение скорости ветра, характерной высоты волн, используется при голографировании подстилающей поверхности, для восстановления профилей и выявления границ ледяных массивов. Излучение осуществляется на частотах 13,575 и 3,2 ГГц. Пространственная разрешающая способность составляет 7 км, точность определения высоты подъема поверхности моря 10 см. Высота волн измеряется с погрешностью 0,5 м или 10%. Информация ДЗЗ передается с радиолокационного высотомера со скоростью 64 или 100 кбит/с (рис. 3.7). Далее мы кратко остановимся на описании приборов и оборудования не дававших видеоинформации о земной поверхности, но имеющих исключительно важное значения для решения большого комплекса задач дистанционных наблюдения. Микроволновый радиометр MWR (MicroWave Radiometer) обеспечивает измерение влажности атмосферы и определение поправки, необходимой для 93 коррекции атмосферных погрешностей измерения высоты прибором RA-2. Интенсивность излучения Земли измеряется на частотах 23,8 и 35,6 ГГц с точностью 2,6o К и пространственным разрешением 20 км. Результаты измерений передаются со скоростью 0,5 кбит/с. Усовершенствованный радиометр продольного сканирования AATSR (Advanced Along Track Scanning Radiometer) предназначен для измерения температуры верхушек облаков, земной и морской поверхности, наблюдения облачного покрова и растительности, измерения концентрации атмосферных аэрозолей. Радиометр AATSR аналогичен прибору ATSR-2, устанавливаемому на КА ERS-2, и имеет следующие характеристики: рабочие диапазоны частот 0,555; 0,659; 0,865; 1,6; 3,7; 10,85; 12 мкм; пространственное разрешение 1 х 1 км ширина полосы обзора: 500 км; точность определения температуры поверхности моря в элементе разрешения 50 х 50 км при плотности облачного покрова 80%: не хуже 0,5o К: точность определения температуры поверхности суши 0.1 К; скорость передачи информации 1 Мбит/с. Сканер ScaRab (Scanner for Earth's Radiation Budget) используется для изучения радиационного баланса Земли. Измерение коротко волнового излучения в верхних слоях атмосферы осуществляется в диапазоне частот 0,2—4 мкм, а измерение суммарной радиации — в диапазоне 0,2—50 мкм. Два дополнительных узкополосных канала (0,5—0,7 мкм и 11-12 мкм) используются для выявления облаков и идентификации наблюдаемых сцен. Сканер имеет следующие основные характеристики: пространственное разрешение в надире 60 км, измерения выполняются с шагом 42 км при ширине полосы обзора: 2200 км; абсолютная радиометрическая точность ±2,5 Вт/м2/страд; относительная радиометрическая точность ±0,7 Вт/м2/страд; скорость передачи информации: 1 кбит/с. Спектрометр SCIAMACHY (Scanning Imaging Absorption Spectrometer for Atmospheric Cartography) обеспечивает продолжение на- 94 блюдений, начатых с использованием аппаратуры GOME, установленной на КА ERS-2. Спектрометрические измерения осуществляются с целью определения температуры средних слоев атмосферы, построения тропосферных и стратосферных профилей 02, О,, 04, СО, N20, N02, С02, СН4, Н20, анализа концентрации малых газовых компонентов NO, HF, ВгО, СЮ, ОС10 в стратосфере и НСНО, S02, NO, в тропосфере. Рабочие диапазоны частот: 0,240-0.2,95; 0,290– 0,405; 0,400–0,605; 0,590–0.810; 0,790–1,055; 1,000–1,700; 1,980–2,020; 2,265– 2,380 мкм. Предусмотрены несколько режимов работы аппаратуры SCIAMACHY, включая режим лимба (Limb mode) и режим затенения Солнца (Sun occultation mode). В режиме лимба вертикальное разрешение составляет 3 км, ширина полосы обзора 600 км. При наблюдении в надир разрешение 32 х 215 км, ширина полосы обзора 1000 км. Скорость передачи информации в разных режимах работы меняется от 400 кбит/с до 1,9 Мбит/с. Передача данных дистанционного зондирования с КА Envisat-1 осуществлялся непосредственно на наземные станции Fucino (Италия) и Kiruna (Швеция) в Х-диапазоне частот в реальном масштабе времени или в режиме воспроизведения с бортового магнитофона. Кроме того, предусмотрен режим передачи информации ДЗЗ с ретрансляцией через европейский геостационарный спутник Drs-1. Возможна одновременная передача в Х- и Ка-диапазонах. Наземная сеть приема, обработки и распределения информации, поступающей с КА Envisat-1, включает в себя следующие основные элементы. Сектор управления полетом при Европейском центре обеспечения космических операций ESOC, центр управления полезной нагрузкой при ESRIN, средства информационного обслуживания потребителей, станции непосредственного приема информации в Х-диапазоне (Fucino, Kiruna), станция приема ретранслированных данных в Ка-диапазоне (Frascati), центры обработки и хранения информации, средства передачи данных ДЗЗ из центров обработки потребителям. Примеры изображений, полученных КА Envisat-1, приведены на рис. 3.8.-3.9. 95 Рис. 3.8 Волгоград, ASAR - Wide Swath mode. Разрешение -150 м. Синтез: Red– HV, Green–HH, Blue–HV/HH, 16 апреля 2003 г. Рис. 3.9 Западная Бенгалия, ASAR - Wide Swath mode. Разрешение 75 м. Временной композит: Red–2 марта 2003 г., Green–14 октября 2003 г., Blue– 6 апреля 2004 г. 3.1.3. КА ДЗЗ JERS-1 Космический аппарат разведки природных ресурсов Земли JERS-1 (Japan Earth Resources Satellite, японское название Fuyo-1) является первым японским спутником, на борту которого установлен комплекс аппаратуры дис- 96 танционного зондирования, включающий в себя как пассивную оптико-электронную камеру, так и радиолокационную систему с синтезированной апертурой антенны. Информация, получаемая с борта ИСЗ JERS-1, давала возможность решать следующие задачи: - поиск полезных ископаемых и энергоносителей, землепользование, поиск скоплений рыбы и мониторинг береговой зоны моря, охрана окружающей среды и предупреждение об опасных природных явлениях; ведение сельского и лесного хозяйства и многое другое. Центр управления полетом, средства приема, первичной обработки, архивирования и распределения данных дистанционного зондирования расположены в японском центре наблюдения Земли (Japan's Earth Observation Center) в Hatoyama. Закладка командно-программной информации, прием и обработка телеметрии, а также проведение траекторных измерений обеспечиваются средствами космического центра TSC (Tsukuba Space Centre) с привлечением дополнительной станции слежения в Kiruna (Швеция). Космический аппарат JERS-1 был выведен на околокруговую солнечносинхронную орбиту 11 февраля 1992 г. двухступенчатой японской ракетойносителем Н-1 с полигона Tanegashima. Вследствие низкой высоты коррекция параметров орбиты выполняется еженедельно. Оперативное использование ИСЗ начатое 1 июня 1992 г. после того, как были устранены неисправности, возникшие в системе развертывания антенной решетки радиолокатора. Гарантируемый срок активного функционирования спутника составляет 2 года. Размеры корпуса спутника составляют 0,93 х 1,83 х 3,16 м, масса в начале орбитального функционирования — 1340 кг, из них 115 кг приходится на топливо, 497 кг — на полезную нагрузку. Шестисекционная панель солнечной батареи имеет размеры 7,03 х 3,46 м и состоит из 22344 кремниевых элементов 2 х 4 см. Бортовая энергетическая установка, в которую входят также 4 никелькадмиевые батареи емкостью 30 А-ч, обеспечивает мощность 2053 Вт. Важной особенностью его работы было то, что спутник стабилизирован по трем осям с точностью 0,11’ по углу крена, 0,18’ по углу тангажа, 0,1/ по углу рыскания. На его борту был также установлен комплекс аппаратуры, позволявшей получать 97 как видеоданные в различных частях электромагнитного спектра, так и радиолокационная аппаратура Х-диапазона для получения изображений земной поверхности среднего пространственного разрешения. Радиолокационная система JERS-1 представляет РЛС БО с синтезированной апертурой антенны ASAR (реальные размеры антенной решетки 11,9 х 2,5 м) предназначена для всепогодной съемки земной поверхности и береговой зоны моря с получением радиолокационных изображений среднего разрешения. На спутнике предусмотрено бортовое запоминающее устройство емкостью 72 Гбит, обеспечивающее запись информации, поступающей с радиолокатора со скоростью 60 Мбит/с, в течение 20 мин. Запись осуществляется в цифровом виде по двум квадратурным каналам со скоростью 30 Мбит/с в каждом канале. Таблица 3.6 Технические характеристики КА JERS-1 Страна Оператор Оборудование (рис.) Масса, кг Орбита: Высота, перигей/апогей, км Наклонение, град Период обращения, мин Период повторного просмотра, сут. Мощность, Вт Телеметрия Спектральный диапазон, см Номинальное пространственное разрешение, м Япония NASDA Радиолокатор БО с синтезированной апертурой (ASAR).Оптическая система OPS (OPtical Sensor) 1350 Круговая, солнечно-синхронная 587/565 97,7 96,1 44 2053 Х-диапазона. на пяти различных поляризациях (VV, HH, VV/HH, HV/HH, VH/VV 18 Ширина полосы съемки, 75 км Скорость передачи дан60 ных Мбит/с Радиометрическое раз8 решение, бит/пиксель: Формат файлов: CEOS Обработка: Радиометрическая, сенсорная и геометрическая 98 коррекция. Приведение к картографической проекции Периодичность съемки, сут: Срок выполнения заказа, дн. архивные данные съемки на заказ Минимальная площадь заказа: 2,5 - 35 7 - 14 7 - 40 Одна квадратная сцена с длиной равной ширине полосы съемки для любого режима Оптическая система OPS (OPtical Sensor) предназначена для получения высокоинформативных снимков земной и морской поверхности в видимом, ближнем ИК и коротковолновом ИК диапазонах. В ближнем ИК диапазоне спектра предусмотрен стереоскопический режим съемки. Система OPS имеет следующие характеристики: рабочие диапазоны 0,52–0,60 (В1); 0,63–0,69 (В2); 0,76–0,86 (ВЗ и В4); 1.60–1.71 (В5); 2,01–2,12 (В6); 2,13–2,25 (В7) и 2,27–2,40 (В8); ширина полосы обзора: 75 км; пространственное разрешение: 18 м вдоль 24 м поперек трассы ИСЗ; скорость выдачи информации: около 64 Мбит/с. Съемка в диапазонах В1–В4 обеспечивается радиометром видимого и ближнего ИК-диапазонов, в диапазонах В5–В8 — радиометром коротковолнового ИК-диапазона. Для формирования цифровых изображений в обоих радиометрах применены линейки из 4096 элементов ПЗС. Спаренные датчики в диапазонах ВЗ и В4 обеспечивают стереоскопический режим наблюдения: датчики ВЗ направлены в надир, а датчики В4 — вперед под углом 15,3". Прием информации дистанционного зондирования, передаваемой с ИСЗ Jers-1, помимо центральной станции в Hatoyama обеспечивают 14 зарубежных наземных комплексов. Основная часть комплексов рассчитана на прием информации реального масштаба времени. Данные с бортового магнитофона передаются на центральную станцию, а также, в соответствии с соглашением подписанным в 1988 г. между агентствами NASA и NASDA, на станцию, расположенную в Аляскинском университете (Fairbanks). Все данные, полученные 99 зарубежными приемными комплексами, передаются в NASDA по наземным и спутниковым каналам связи. Передача информации дистанционного зондирования осуществляется по двум каналам Х-диапазона на частотах 8150 и 8350 МГц, со скоростью по 64 Мбит/с в каждом канале и с использованием квадратурной фазовой манипуляции. Ширина спектра передаваемых сигналов составляет 50 МГц. В каждом канале установлен выходной усилитель на ЛБВ мощностью 20 Вт. Для передачи сигналов используется зеркальная антенна с диаграммой направленности специальной формы. Практически с самого начала эксплуатации ИСЗ JERS-1 в принимаемых радиолокационных изображениях и снимках камеры OPS отмечаются искажения в виде продольных полос, что значительно сократило возможности агентства NASDA и министерства MITI по коммерческому использованию этих данных. С июля 1994 г. эксплуатация радиометра OPS прекращена вследствие неисправностей, возникших в системе охлаждения камеры. Пример изображения, полученного с КА JERS-1, представлен на рис. 3.10, а основные технические характеристики целевой аппаратуры – в табл. 3.6. Рис.3.10. Пример изображения с OPS (OPtical Sensor), разрешение 2 м 100 3.1.4. Радиолокационная система КА ALOS КА ALOS (Advanced Land Observing Satellite), разрабатываемый с 1994 г. и запущенный в январе 2006г., оснащен помимо панхроматической оптикоэлектрон-ной системой для получения стереоскопических изображений и детального картографирования PRISM (Panchromatic Remote Sensing Instrument for Stereo-mapping) и мультиспектральной камерой AVNIR-2 радиолокатором с синтезированной апертурой PALSAR. Первые два прибора были рассмотрены в предыдущих разделах, а здесь мы представим комплекс радиолокационной аппаратуры ALOS. Радиолокатор с синтезированной апертурой PALSAR, имеющий антенну размером 8,9х3,2 м – это усовершенствованный вариант РЛСА SAR КА JERS-1. Внешний вид КА с бортовой аппаратурой представлен нами в разделе 2.1.3. Далее в табл. 3.7 приведены основные характеристики радиолокационной части систем КА ALOS – радиолокатор с синтезированной апертурой PALSA. Страна Оператор Подрядчик Оборудование Таблица 3.7 Характеристики РЛС БО PALSAR КА ALOS Япония NASDA NEC Corp РСА L-диапазона PALSAR (Phased Array type Lband Synthetic Aperture Radar 4000 Круговая, солнечно-синхронная 691,65 98,16 Масса, кг Орбита Высота, км Наклонение орбиты, град Период повторного про46 смотра, сут Мощность, Вт 7000 Телеметрия L-band Режим работы РСА Параметры Номинальное пространственное разрешение, м Ширина полосы съемки, км Детальный (Fine) Обзорный (ScanSAR) Поляризационный (Polarimetric) 7 – 44 14 – 88 24 – 89 40 – 70 350 – 350 20 – 65 101 Поляризация Спектральный диапазон Полоса захвата, км Скорость передачи данных Мбит/с Радиометрическое разрешение, бит/пиксель Диапазон рабочих углов визирования, град. Отношение сигнал/шум, дб HH или VV HH+VV(VV+ VH) HH+HV+VH+VV L-диапазон 70 240 5 (SAR), (PRISN, FVNIR) 20 - 55 15 Как видно из рис. 3.11 антенна PALSAR, может менять угол места в диапазоне 7,2 - 60 градусов относительно надира, используя технологию антенны с фазированной решеткой с 80 модулями прие- ма/передачи. Один из осРис.3.11. Геометрия радарной съемки КА ALOS. новных режимов наблю- дения – «точный режим». Этот режим с высокой разрешающей способностью является основным рабочим режимом для интерферометрических наблюдений. Режим ScanSAR позволяет получать полосы покрытия шириной до 350 км с единичной горизонтальной (HH) или вертикальной (VV) поляризацией. Пространственное разрешение составляет около 100 м в продольном и поперечном направлениях. Поляриметрический режим будет использоваться в порядке эксперимента. Поляризация меняется в каждом импульсе передаваемого сигнала, а сигналы с двойной поляризацией принимаются вместе. При максимальной скорости передачи данных (240 мегабит в секунду) ширина полосы покрытия равна 30 км, а пространственное разрешение составляет 30 м. PALSAR () передает 102 информацию в трех режимах с разрешением от 7 до 100 м в полосе обзора от 20 до 350 км. Основные области применения радиолокационной информации — наблюдение за паводками и наводнениями, нефтяными пятнами, деформациями поверхности, обнаружение судов, оценка объема биомассы и др. Программу ALOS отличает заранее составленный план съемки, целью которого является неоднократное получение глобального покрытия земной поверхности. Эта стратегия отступает на второй план только в случае чрезвычайной ситуации. Конечные пользователи могут заказывать данные ALOS из архива, однако возможность оперативного заказа новой съемки практически отсутствует Пример изображения, полученного с КА ALOS, представлен на рис. 3.12, а основные технические характеристики PALSAR – в табл. 3.7. Рис.3.12 Радарной снимок высокого разрешения побережья Японии с КА ALOS. 3.1.5. КА радиолокационного наблюдения Radarsat-1,2 Космический аппарат Radarsat-1, созданный под управлением Канадского космического агентства CSA (Canadian Space Agency) во взаимодействии с несколькими коммерческими структурами, запущен 4 ноября 1995 года с авиабазы Ванденберг в Калифорнии на солнечно-синхронную орбиту с высотой 798 103 километров и наклонением 98.6 градуса. Спутник оснащен радаром бокового обзора с синтезированной апертурой, обладающим уникальными возможностями изменения ширины полосы съемки и пространственного разрешения. Радар выполняет съемку земной поверхности в С-диапазоне длин волн (5,6 см), с горизонтальной поляризацией излучения (HH), в диапазоне углов места от 10 до 60 градусов. Расчетный срок пребывания на орбите определялся в 7 лет, однако аппарат продолжает успешно работать. КА Radarsat-1 проведена съемка территории общей площадью более 85 млрд км² (т. е. вся поверхность Земли снята 115 раз), при этом надежность системы составила 96%. Пользователи во всем мире имеют возможность заказа изображений с шириной от 50 до 500 километров и пространственным разрешением от 8 до 100 метров. Международным распространением данных Radarsat-1 занимается корпорация Radarsat International (RSI). Основные особенности этого КА заключаются в возможность круглосуточного всепогодного наблюдения Земли, множеством вариантов выбора пространственного разрешения и ширины полосы съемки и достижением самого высокого пространственного разрешения среди радарных спутников на момент запуска (рис. 3.13). Области применения данных дистанционного зондирования, полученных со спутника Radarsat-1 включают наблюдение за стихийными бедствиями (наводнениями, подвижками ледников, пожарами и т.д.) вне зависимости от погоды и времени суток, мониторинг быстроразвивающихся экологических процессов (распространение нефтяных загрязнений, вредителей и болезней леса и т.д.), сельскохозяйственный, лесохозяйственный мониторинг (контроль использования земель, незаконных вырубок), отслеживание ледовой и снеговой обстановки и создание и (обновление) карт и планов, вплоть до масштаба 1: 50000. 104 Рис.3.13. Геометрия съемки КА Radarsat-1 Таблица 3.8 Технические характеристики КА Radarsat-1 Страна Оператор Оборудование Масса, кг Орбита (апогей /перигей) , км Наклонение, град Период обращения, мин Мощность, Вт Телеметрия Ппространственное разрешение, м Ширина полосы съемки, км 2200 С-диапазон; горизонтальная поляризация Режимы Сверхвысокое разрешения. (Ultra Fine) Высокого разрешения (Fine) Расширенный высокого разрешения (Extended High) Стандартный (Standard) Широкозахватный (Wide) Расширенный низкого разрешения (Extended Low) Узкий низкого разрешения (ScanSAR Narrow) Широкий низкого разрешения (ScanSAR Wide) Параметры Канада Canadian Space Agency РСА - SAR 3150 Эллиптическая солнечно-синхронная 783 – 787 98,6 3 8 25 25 30 35 50 100 20 50 75 100 150 170 300 500 105 Диапазон углов съемки, град. Поляризация Скорость передачи данных на наземный сегмент, Мбит/с: Радиометрическое разрешение, бит/пиксель: Формат видеоданных Обработка Периодичность съемки, сут. 30 - 40 40 - 60 20- 49 HH + HV 10 - 23 20- 46 20- 45 либо МР + ММ 105 ( в реальном времени) 85 (для записанных данных) 8 CEOS, (по желанию заказчика GeoTIFF) Радиометрическая и геометрическая коррекция Приведение к картографической проекции 9 (на экваторе) 3 (в средних широтах) 1 (ежедневно в приполярных районах) Срок выполнения заказа, дн. дней для архивных 1-14 данных для съемки на заказ 2-30 Минимальная плоОдна квадратная сцена с длиной равной ширине полосы щадь заказа: съемки для любого режима Пример изображений земной поверхности для решения различных задач мониторинга, полученные с КА Radarsat приведены на рис. 3.14 – 3.15, а основные технические характеристики целевой аппаратуры – в табл. 3.8. 106 Рис. 3.14. Галапагосские острова Рис. 3.15. Тофино, Канада Чрезвычайно важным показателем эффективности использования радарных снимков КА Radarsat-1 является их оперативность доставки до потребителя. Время доставки данных является критически важным параметром, который для ледовой службе CIS (Канада) дает возможность оперативного доведения ледовых карт на терминалы в штабы береговой охраны и на борт судов для принятия решений. В результате совершенствования наземной инфраструктуры и автоматизации процессов обработки и передачи изображений среднее время доведения данных заказчику снижено и составляет менее 45 минут. Спутниковые радарные снимки становятся критически важными для обнаружения судов, загрязняющих акватории нефтепродуктами, и выдвижения против них судебных исков. В России технологии оперативного мониторинга Radarsat-1 уже существуют, но пока практически не востребованы. В результате страдает экология прибрежных морей (особенно Черного и Каспийского, а также на Сахалине и на Севере). На недавних космических снимках Radarsat1, полученных центром «СканЭкс», видны движущиеся суда, сбрасывающие нефтепродукты в акваторию Каспийского моря (рис. 3.16). Штрафы за подобные действия в мировой практике обычно составляют десятки тысяч 107 долларов и служат хорошим уроком для капитанов и судовладельцев. Но пока в России космические технологии не останавливают нарушителей — как своих, так и иностранных. Рис. 3.16. На фрагменте снимка КА Radarsat-1 (25.09.2006) зафиксировано судно, сливающее нефтепродукты в прибрежной полосе Каспийского моря 3.1.4. КА радиолокационного наблюдения TerraSAR-X КА TerraSAR-X первый немецкий национальный спутник дистанционного зондирования Земли, созданный в рамках сотрудничества государственного и частного секторов (PublicPrivate Partnership) – совместными усилиями Аэрокосмического Агентства Германии (DLR) и специалистами Рис.3.17. КА TerraSAR EADS Astrium. Спутник TerraSAR-X (рис. 3.17), разработан- ный немецким аэрокосмическим центром (DLR) и компанией EADS Astrium GmbH, был запущен 15 июня 2007 г. с космодрома Байканур. Предполагаемый срок его эксплуатации до 5 лет. Эксплуатация на борту американского многоразового транспортного космического корабля МТКК немецкой радиолокационной системы Х-диапазона рассматривается в Германии как «трамплин» для создания собственной космической системы коммерческой радиолокационной съемки TerraSAR Данные спутника TerraSAR-X сегодня не имеют мировых аналогов: впервые разрешение радиолокационных снимков достигнуто в 1 метр. Вероятность выполнения заказанной съемки составит приблизительно 95% — как известно, 108 радиолокационная съемка всепогодна и не зависит от времени суток. Также эти радиолокационные данные сверхвысокого разрешения предоставляются в режиме реального времени — в течение нескольких часов – что сделает их востребованными при решении оперативных задач. Области применения данных дистанционного зондирования, полученных со спутника TerraSAR-X Создание и обновление топографических и специальных карт вплоть до масштаба 1:10 000. Создание ЦМР (Цифровых Моделей Рельефа) высокой точности (2—4 м по высоте). Высокоточное наблюдение за состоянием инфраструктурных сетей (трубопроводы, железные дороги, телекоммуникации). Оценка сейсмической опасности, прогнозирование землетрясений, извержений вулканов. Всепогодное наблюдение за природными и антропогенными катастрофами (половодья, аварии). Контроль береговых зон и наблюдение за судами. Картирование сельскохозяйственных культур, определение состояния посевов, точное сельское хозяйство. Картирование древостоев, определение породного состава без наземных исследований, мониторинг вырубок и состояния лесов. Контроль и управление городской средой. Задачи обеспечения обороны и безопасности. Рис. 3.18. Геометрия съемки КА TerraSAR-X Радиолокатор с синтезированной апертурой (РЛС), установленный на спутнике TerraSAR-X позволяет изменять направление радиолокационного 109 луча в диапазоне от 20 до 60 градусов (рис.3.18). Причем, достигается это не механическим движением антенны, а сложением множества отдельных лучей. Радиолокатор выполняет съемку в Х-диапазоне длин волн. Радиосигналы, излучаемые в этой части спектра, имеют частоту 9.65 Ghz и длину волны, соответственно, 3 см, что и позволяет достигнуть столь высокого разрешения. Данные могут быть получены в трех различных режимах работы. Таблица 3.9 Технические характеристики аппаратуры TerraSAR-X Оператор NASDA Оборудование (рис.) Радиолокатор БО с синтезированной апертурой (ASAR).Оптическая система OPS (OPtical Sensor) Масса, кг 1350 Орбита: Круговая, солнечно-синхронная Высота, км 514 Наклонение, град 97,4 Период обращения, мин 95 Период повт.просмотра, сут. 11 Мощность, Вт 2053 Спектральный 9,65 (X-диапазон) диапазон, ГГц Режимы СверхвыВысокого Широкополос- Среднего сокого разразрешения, ный высокого разрешеПараметры решения прожектор- разрешения, ния, обзор(High Resoный маршрутный ный lution (SpotLight) (StripMap) (ScanSAR) SpotLight) Номинальное пространственное 1 2 3 16 разрешение, м Размер сцены, км 10 х 5 10 х 10 30 х 50 100 х 150 одиночная, Поляризация одиночная, двойная двойная, четодиночная вертная Длина маршр., км 4200 4200 Скорость передачи данных на назем300 ный сегмент, Мбит/с Радиометрическое 8 110 разрешение, бит/ пиксель Формат файлов видеоданных Обработка: Периодичность съемки, сут. Срок выполнения заказа, дн: Для арх. данных съемка на заказ Минимальная площадь заказа: (SSC) — Сырые данные, (MGD) — Обработанные данные, (GEC) — Данные, геометрически скорректированные за эллипсоид, (EEC) — Обработанные данные. Радиометрическая, сенсорная и геометрическая коррекция. Приведение к картографической проекции, создание ЦМР, 11, (2,5 –подцикл) 1-3 дня 1-6 дней Одна стандартная сцена для любого из 4 режимов Компания Infoterra GmbH вместе со своими партнерами обеспечивает потребителей Сервисом прямого доступа — наиболее быстрый способ получения данных TerraSAR-X. Данные могут быть получены напрямую с орбиты на локальную наземную станцию, операторами которой могут быть региональные дистрибьюторы, партнеры по прямому доступу (Direct Access Partners — DAP) и простые пользователи (Direct Access Customers — DAC). На Сервис прямого доступа эксклюзивные права имеет Infoterra GmbH, поэтому его использование возможно только в соответствие с соглашением. Радиолокационные снимки, характеризующие максимальные возможности системы TerraSAR (2008 г.) представлены на рис. 3.19 – 3.20, а основные технические характеристики целевой аппаратуры – в табл. 3.9. 111 Рис. 3.19. Барселона, Испания. Режим STRIPMAP, поляризация VV. Амплитудное изображение. Пространственное разрешение - 3 м Рис. 3.20. Барселона, Испания. Режим STRIPMAP, поляризация VV. Амплитудное изображение. Пространственное разрешение - 3 м 112 3.2. Отечественные космические средства радиолокационного наблюдения 3.2.1. Аппаратура радиолокационного наблюдения КА Космос-1870 и Алмаз-1 Создание систем радиолокационных наблюдений с орбиты ИСЗ в СССР велись с середины 60-х годов прошлого века. Проект «АЛМАЗ» был по существу советским аналогом нереализованного американского проекта MOL. Отношение к нему (и к его генеральному конструктору В.Н.Челомею) в руководстве страны всегда было сложным. Первый советский спутник по программе «АЛМАЗ» (Космос-1870) был выведен на орбиту 25 июля 1987 г. с полигона Тюратам при помощи ракеты-носителя «Протон». В ходе полета предполагалось изучить потенциальные возможности космических аппаратов такого класса, а также провести ряд практически значимых экспериментов по наблюдению разливов нефти и изучению ледового покрова по радиолокационным снимкам с разрешением около 30 м. Оперативный космический аппарат Алмаз-1А (рис. 3.21) был запущен 31 марта 1991 г. Ожидалось, что активное функционирование спутника на орбите продлится не менее 30 месяцев. Однако, повышенная солнечная активность в период полета КА привела к необходимости проведения частых (в среднем каждые 24 суток) коррекций высоты орбиты и к концу 1992 г. запас топлива на борту спутника был полностью истощен. Управляемый свод космического аппарата с орбиты был выполнен 17 октября 1992 г. Рис.3.21. КА АЛМАЗ-1: 1 - антенны сброса информации на Землю; 2 - дополнительный бак с топливом для ДУ; 3 - модифицированный вариант ОПС «Алмаз»; 4 - солнечные батареи; 5 - РСА. 113 Первый оперативный космический аппарат системы «АЛМАЗ» имел массу 18,55 т, из которых до 4 т отводилось на полезную нагрузку. Спутник имел трехосную стабилизацию и был выведен на орбиту с наклонением 72.7° и средней высотой 280 км, период повторного пролета КА над заданным районом съемки составлял 1—3 суток. Длина корпуса спутника достигала 15 м, максимальный диаметр 4,15 м. Две панели солнечной батареи общей площадью 86 м2 обеспечивали среднюю мощность 2.4 кВт. В течение 20 мин обеспечивалась выдача в нагрузку мощности до 10 кВт. Установленная на спутнике радиолокационная система с синтезированной апертурой включала две волноводные антенные решетки значительных размеров 1,5 х 15 м, формирующие два отдельных луча, и имела характеристики, представленные в табл. 3.10. Таблица 3.10 Технические характеристики космических систем АЛМАЗ-1/2 Страна Оператор Комплекс оборудование на борту Масса, кг Орбита (апогей /перигей), км Наклонение, град Период обращ., сут. Мощность, Вт Диапазон работы Основной режимы: Номинальное пространственное разрешение, м Ширина полосы съемки, км: Протяженностьполосы сканирования, км Скорость передачи данных на наземный сегмент, Мбит/с: Радиометрическое разрешение, дБ Формат файлов: СССР НПО машиностроения Радиолокатор с синтезированной апертурой 18 100 Эллиптическая 275 / 320 72,6 2500 S-диапазон, (НН) вертикальная SAR Image Mode 10 х 15 350 2 – 240 105 3 служебный поляризация 114 Обработка: Периодичность съемки, сут. Радиометрическая, сенсорная и геометрическая коррекция < 35 Кроме того, на КА Алмаз-1А была размещена резервная РСА, аналогичная использовавшейся на предшествующем спутнике Космос-1870, а также установлены два радиометра с рабочими длинами волн 0.8 и 5 см, обеспечивающие съемку в полосе шириной 600 с пространственным разрешением 10— 30 км и радиометрической точностью 0.3". При планировании съемок учитывались десятки программ научных исследований и экспериментов по экологическому мониторингу окружающей среды и изучению природных ресурсов Земли. За полтора года эксплуатации космического аппарата Алмаз-1 было получено более тысячи радиолокационных изображений земной поверхности Для обработки сигналов, поступающих с РСА, и формирования снимков поверхности на космическом аппарате использовались когерентные оптические процессоры. Информация в цифровом виде со спутника Алмаз-1А через ИСЗретранслятор системы «ЛУЧ» передавались в центр обработки и распространения данных в Москве. Ежедневно обеспечивалась обработка до 100 снимков. Исключительные права по распространению в США и странах Западной Европы информации, поступающей со спутника, были получены американской корпорацией Space Commerce Corp (Хьюстон, шт. Техас), после чего для обеспечения продажи снимков было создано предприятие Almaz Corp. Кроме того, в НПО «Машиностроение» была создана специальная внешнеторговая организация для коммерческого распространения снимков, поступающих со спутника Алмаз-1А. Стоимость одного снимка участка поверхности Земли 40 х 40 км, зарегистрированного на магнитную ленту или гибкий магнитный диск, оценивалась в 1600 долл. В дальнейшем соглашение о тематической обработке и распространении принимаемых радиолокационных изображений было подписано между НПО «Машиностроение» и американской фирмой Hughes STX (Lanham, шт. Мэри- 115 ленд), участвующей также в реализации снимков со спутников системы SPOT. Стоимость одного кадра изображения участка поверхности размером 40 х 40 км, полученного с ИСЗ Алмаз-1 А, в 1992 г. равнялась 800 долл. Общие доходы фирмы от коммерческой реализации снимков составили около 250 тыс. долл., хотя первоначально запланированная стоимость продаж только в 1992 г. оценивалась в 2 млн. долл. Продолжение программы «АЛМАЗ» предполагала создание очередного космического аппарата Алмаз-1Б, который планировали выводить на орбиту высотой около 400 км. На спутнике должны были быть установлены лидар «Балкан-2», многоспектральные сканирующие устройства МСУ-Э2 и МСУ-СК, радиолокационный комплекс в составе САР-3, САР-10 и САР-70, аппаратура «Сильва», РЛС бокового обзора СЛР-3 и прибор СРОСМ. Бортовой радиолокационный комплекс предназначался для всепогодного наблюдения земной поверхности и состоит из трех подсистем САР-3, САР-10 и САР-70, обеспечивающих зондирование на различных частотах и в разных режимах (табл. 3.11). Таблица 3.11 Проектируемые характеристики бортового радиолокационного комплекса перспективного КА Алмаз-1Б Наименование РСАРСА-10 РСА3 70 Характеристики Рабочая длина волны, см Детальный режим 3.5 Разрешение на ме- 5-7 стности, м Контрастная чувствительность, дБ 2-3 Ширина полосы 20-35 обзора, км Ширина полосы захвата, км 330 Промежуточный режим Обзорный режим 9.6 5-7 15 70 15-40 2-2.25 (при зондировании по правую сторону) 1-1.50 (при зондировании по левую строну) 30-55 60-70 330 120-170 20-40 1 120170 330 116 Скорость передачи 116данных, Мбит/с 370 172-582 354-740 104-288 116370 Предполагалось, что радиолокационная система бокового обзора СЛР-3 будет иметь следующие характеристики: рабочая длина волны: 3,5 см; пространственное разрешение: 190—250 м по дальности и 1.2—2.0 км по азимуту; контрастная чувствительность: 2—3 дБ; ширина полосы обзора: 450 км; скорость выдачи информации ДЗЗ: 116-370 Мбит/с. 3.2.2. Радиолокационные приборы модуль «ПРИРОДА» Модуль дистанционного зондирования Земли «Природа» являлся космической платформой, оснащенной разнообразной аппаратурой ДЗЗ и действующей в составе орбитальной станции (ОС) «Мир». Пристыковка модуля «Природа» к ОС «Мир» осуществлена в апреле 1996 г. Модуль «Природа» был предназначен для проведения экспери- ментальных исследований с целью отработки комплексных методов дистанционного зондирования с использованием многоспектральных средств наблюдения, а также для получения информации ДЗЗ, необходимой при решении глобальных и региональных задач климатологии, океанографии и экологии. Аппаратура ДЗЗ, установленная на модуле «Природа» Датчики дистанционного зондирования, размещенные на модуле «Природа», позволяли проводить съемку практически во всех диапазонах спектра, включая ультрафиолетовый, видимый, инфракрасный и микроволновый диапазоны, причем наблюдение обеспечивается как в пассивном режиме, так и при помощи активной радиолокационной системы с синтезированной апертурой антенны (РСА). Страна Оператор Таблица 3.12 Технические характеристики модуля «Природа» Россия КБ «Салют» 117 Комплекс оборудование на борту Масса, кг Орбита (апогей /перигей), км Наклонение, град Период обращения, сут. Мощность, Вт Диапазон работы, см РСА «Траверс», инфракрасный радиометры РП-600 и РП-225 из состава комплекса «Икар-П», лидар АЛИССА, спектрометр MOS, спектрорадиометр «Исток1», МСУ-Э2 и МСУ-СК, радиометр РП600 и др. 18 100 Эллиптическая 275 / 320 72,6 2500 9.3 и 23.0 вертикальная поляризация (НН) Основной режимы: Номинальное пространственное разрешение, м Ширина полосы съемки, км Скорость передачи данных на наземный сегмент, Мбит/с Радиометрическое разрешение, дБ Формат файлов Периодичность съемки, сут: Протяженность полосы сканирования, км SAR Image Mode 50—150 50 16 3 служебный < 35 320 Радиолокационная система с синтезированной апертурой антенны «Траверс» (рис.3.22) предназначена для анализа типов и состояния растительного покрова Земли, измерения влажности почв, картографирования земной поверхности в средних и мелких масштабах, определения характеристик снежного и ледового покровов. Параметры РСА приведены в табл. 3.12. 118 Рис. 3.22. Модуль дистанционного зондирования Земли «Природа» 1 - радиометр РП-600 из состава комплекса «Икар-П» 2 - система сбора информация с платформ геофизического мониторинга «Центавр» 3 - комплекс «Икар-Н» 4 - радиометр РП-600 из состава комплекса «Икар-П» 5 - радиометр РП-225 из состава комплекса «Икар-П» 6 – система «Дельта» из состава комплекса «Икар-Дельта» 7- лидар АЛИССА 8- РСА «Траверс» 9- радиометр Р-400 из состава комплекса «Икар-П» 10 – спектрометр MOS 11 – спектрорадиометр «Исток-1» 12- место установки камер МСУ-Э2 и МСУ-СК 13 – ТВ-камера Таким образом, к середине 1996 г. после запуска и стыковки модуля «Природа» с ОК «Мир» сформировался его окончательный облик, как научноисследовательского комплекса, оснащенного уникальной научной аппаратурой. В состав комплекса вошли 7 модулей, в которых за время эксплуатации была размещена научная аппаратура более 240 наименований производства 27 стран общей массой 11,5 тонн, а с учетом вспомогательного оборудования и средств обеспечения общая масса комплекса целевых нагрузок составила 14 тонн. Данный комплекс научной аппаратуры позволял выполнять фундаментальные и научно-прикладные исследования по девяти направлениям в различных областях науки и техники. Для них был создан пункт приема информации в Германии (г. Нойстрелиц). До этого, в 1995 году, в Швеции (г. Кируна) также был создан приемный 119 пункт. Эти работы были выполнены на основании разработок больших пунктов приема и обработки данных для системы «Ресурс», построенных в Обнинске и Новосибирске, работающих после ряда модернизаций и в настоящее время. В годы перестройки общегосударственная система «Ресурс» перестала существовать, но аппаратурный задел еще длительное время использовался для запуска КА и эксплуатации наземной инфраструктуры. 120 4. Гиперспектральная аппаратура космических систем ДЗЗ Разработка аппаратуры и методов дистанционных наблюдений высокого спектрального разрешения для решения различных задач в области изучения и картографирования природных ресурсов и состояния окружающей среды, мониторинга рисков ведутся на протяжении двух десятилетий. Общие тенденции расширения электромагнитного диапазона дистанционных наблюдений в длинноволновую часть до среднего и дальнего ИК области с разбиением их на большое количество интервалов привели разработчиков к концепции построения гиперспектральных (видеоспектрометрических) систем ДЗЗ. При этом, особое внимание было сфокусировано на приборы и методы наблюдения в оптическом и ближнем ИК-диапазонах (0.4 – 2 мкм). Традиционно, здесь широко применялись многоспектральные (мультиспектральные) системы, которые имели 3 – 7 спектральных каналов со спектральным разрешение не более 25 нм. При переходе к гиперспектральным технологиям дистанционного зондирования число спектральных каналов может достигать 128 – 512 при очень высоком спектральном разрешении (от 0,1 – 10 нм) и достаточно хорошим пространственным разрешением (до нескольких метров), что обеспечит совершенно новый, уникальный качественный характер данных дистанционных наблюдений. 4.1. Особенности представление видеоданных в гиперспектральной системе ДЗЗ Несмотря на аналогию методики получения мультиспектральных и гиперспектральных снимков, Получаемые гиперспектральные изображения сходны с мультиспектральными, но отличаются от последних тем, что у съемочной системы количество информационных каналов не ограничивается несколькими спектральными диапазонами. При формировании гиперспектрального изображения из собранных данных создается «куб данных» или «кубическая модель изображения», которая отображает объекты и спектральную информацию, не доступную для обычных мультиспектральных сканнеров. Схематично это можно представить в виде спектрального куба (рис. 4.1). Здесь x, y – простран- 121 ственные координаты изображения объектов местности, а i – чис- ло спектральных каналов, каждый из которых дает собственное спектральное значение элементам изображения местности. λ x y Рис. 4.1. Кубическая модель гиперспектрального изображения Основным информационным показателем является спектральная кривая, которая отражает зависимость между длиной волны и отражательной способностью исследуемого типа объекта (рис. 4.2.). 60 50 40 30 20 10 2400 2300 2200 2100 2000 1900 1800 1700 1600 1500 1400 1300 1200 1100 1000 900 800 700 600 500 0 400 r λ нм 122 Рис. 4.2. Спектральные сигнатуры 7 объектов ландшафта средней полосы России в 55 каналах, спектральное разрешение 25 нм По форме спектральной кривой можно различать объекты. Например, растительность имеет высокую отражательную способность в ближнем инфракрасном диапазоне и низкую отражательную способность в среднем инфракрасном по сравнению с почвами. На разных спектральных каналах каждый элемент изображения, в зависимости от своей отражательной способности соответствующего элемента ландшафта, оставляет уникальную спектральную сигнатуру, которую также называют кривой спектрального отражения. Разные материалы распознаются по общей форме спектральной кривой, а также расположению и яркости полос поглощения. Спектры отражения материалов, чей состав известен, рассчитываются в лабораторных условиях, а затем собираются в библиотеку спектров, что облегчает анализ гиперспектральных снимков. В открытом доступе находится несколько библиотек, содержащих спектры отражения природных и искусственных материалов. Эти библиотеки дают сведения, облегчающие дешифрирование гипер– и мультиспектральных снимков. В многоспектральном датчике электромагнитное излучение разбивается на множество узких, смежных полос, и энергия в каждой полосе измеряется отдельным датчиком (рис. 4.3.) Сканирующее зеркало Дисперсная призма сигнал от ячейки земной поверхности Отображающая оптика Линейка ПЗС Рис. 4.3. Принципиальная схема построения изображения в видеоспектрометре 123 Мировая тенденция развития относительно новой и пока не получившей широкого практического использования технологий гиперспектрального ДЗЗ из космоса свидетельствует о ее перспективности. Необходимость внедрения в практику ДЗЗ детальных (в смысле спектрального разрешения, но к сожалению в ущерб пространственной разрешающей способности) съемочных систем видеоспектрометрического класса – это можно рассматривать как одно из условий дальнейшего эффективного применения космических систем ДЗЗ. Первый проект гиперспектральной съемки (после неудачи с выводом КА Lewis с гиперспектрометром на борту в 1997г.) был реализован запуском в 2002 году экспериментального КА ЕО-1, на борту которого работал гиперспектрометр Hyperion (съемочная система имела 220 каналов в видимой и ИК-области диапазона электромагнитных колебаний (0,4 – 2,5 мкм). Пространственное разрешение снимков прибора – 30 м. Второй космический гиперспектрометр FTHSI был установлен на борту КА MightySat II. Камера FTHSI работает в диапазоне 0,45 – 1,05 мкм, разделенном на 145 каналов и позволяет получать снимки с пространственным разрешением лучше 30 м. В процессе обработки на борту спутника спектральные изображения сравниваются с массивом эталонных данных. На наземную станцию передается только отобранная (представляющая интерес) в результате бортовой обработки видеоинформации. Несмотря на то, что гиперспектральная камера FTHSI была создана по заказу ВВС США, было достигнуто соглашение с фирмой Kesler Corp. на открытие доступа экологических и коммерческих организаций к некоторым изображениям, а также на выполнение ряда заказов на съемку в гражданских целях. Близок к практической реализации проект гиперспектрального спутника NEMO – Naval Earth Map Observer, разрабатываемый в интересах Военноморских сил США, а также для гражданских потребителей на коммерческой основе. В настоящее время в нашей стране и за рубежом разработан целый ряд видео- или гиперспектрометров высокого спектрального и пространственного разрешения, использующие различные физические принципы разложения спек- 124 тра и оптико-электронного сканирования. Из них действующими российскими образцами являются следующие видеоспектрометрические комплексы: гиперспектральная аппаратура разработки НТЦ «Реагент» при участии ОАО «Газпром», видеоспектрометр «Фрегат» разработки ООО «Аэроэкологии», гиперспектральная оптико-электронная камера «ГСК-3Л» разработки НПО «Лептон» и др. Этот тип данных нашел широкое применение лишь в последнее время. Это объясняется недавним запуском спутников с датчиками такого типа на борту, а следовательно данные стали легкодоступны. Что из себя представляют многоспектральные и гиперспектральные изображения? Многоспектральные изображения получаются цифровыми датчиками (обзорными спектрометрами), которые измеряют отраженную от поверхности Земли энергию в разных спектральных диапазонах. Принцип получения гиперспектральных изображений тот же, что и многоспектральных. Отличие состоит в том, что многоспектральные датчики имеют десятки каналов, а гиперспектральные – сотни. Это позволяет в определенном диапазоне длин волн производить съемку практически непрерывного спектра. Используя эту особенность, можно довольно точно определять сканируемую поверхность, например, состав горных пород, тип растительности, почвы. Можно находить сами объекты, используя спектральные банки данных. 4.2. Бортовые гиперспектрометры КЛА В настоящее время на околоземных орбитах работают более десятка космических аппаратов, на борту которых имеются гиперспектральные сенсоры. В таблице 3 приложений представлены сравнительные технические характеристики тех, чья информация которых наиболее доступна широкому кругу заинтересованных пользователей. Далее мы рассмотрим целевую аппаратуру, чьи данные приносят реальный результат при мониторинге природной среды, в частности, слежением за изменчивостью лесного фонда, поиске полезных ископаемых и др. 125 4.2.1. Аппаратный комплекс TERRA/ASTER Космический аппарат TERRA (рис. 4.4) был запущен NASA 18 декабря 1999 года с авиабазы Ванденберг (США). Аппаратура ДЗЗ спутника TERRA это пять съемочных систем, предназначенных для одновременного согласованного сбора информации о радиационном балансе Земли, атмосферной циркуляции, взаимодействии суши и океанов, биопродуктивности, свойствах поверхности суши: На его борту функционирует 5, как сейчас принято говорить, сенсоров: ASTER, CERES, MISR, MODIS, MOPITT (табл. 4.1). ASTER (Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer – усовершенствованный термально-оптический радиометр космического базирования). Своему появлению ASTER обязан совместному проекту NASA, японского министерства экономики, торговли и промышленности (METI) и японского Центра анализа данных ДЗЗ Earth Remote Sensing Data Analysis Center (ERSDAC). КА выведен на солнечно-синхронную круговую орбиту высотой 705 км с периодом обращения 98,9 мин (пеРис.4.4. КА TERRA(AQUA) риодичность съемки одного участка земли - 16 дней). Расчетный срок пребывания на орбите составляет 6-7 лет. Собственно комплекс ASTER состоит из трех различных подсистем: VNIR (видимый диапазон и ближний ИК), позволяет получать данные с разрешением до 15 м, SWIR (коротковолновый ИК диапазон) с пространственным разрешением 30 м и TIR (тепловой ИК диапазон) с пространственным разрешением 90 м. Основным преимуществом является широкий спектральный диапазон и возможность стереосъемки.. Сегодня материалы съемок с борта спутника ASTER интенсивно используется, чтобы получить детальные карты температуры поверхности земли, коэффициента излучения, отражательной способности и превышения. Радиометр был построен в Японии для Министерства экономики, торговли и промышлен- 126 ности (Ministry of Economy Trade and Industry – METI). Из всех датчиков, установленных на спутнике TERRA, ASTER - единственный радиометр с высоким пространственным разрешением. Он воспринимает излучения в видимом, ближнем, среднем ИК (или тепловом) диапазонах, размер сцены 60х60 км. В целом, области применения данных дистанционного зондирования, полученных со спутника ASTER направлено на детальное картографирование и обновление картографического материала масштаба до 1:100 000; создание ЦМР с точностью порядка 25 – 30 м и детальное изучение рельефа и морфологии элементов земной поверхности; исследование глобальных изменений больших территориальных комплексов; мониторинг природных катастроф, а также геологические, гидрологические, климатологические, почвенные исследования. Таблица 4.1 Технические характеристики целевой аппаратуры Страна США Оператор NASA/CSA Оборудование на борту КА ASTER (Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer ) - гиперспектральная 14-канальная съемка в диапазоне от 0.52 до 11.65 мкм с разрешением 15-90 м и стереосъемка в диапазоне 0.76-0.86 мкм, CERES (Clouds and the Earth's Radiant Energy System ) - съемка в трех широких спектральных зонах в диапазоне от 0.3 до более 100 мкм с разрешением от 20 км (в надире)., MISR (Multi-angle Imaging SpectroRadiometer) - четырехзональная съемка под 9 углами наклона в диапазоне от 0.42 до 0.87 мкм с разрешением от 250 х 275 до 1100 х 1100 м., MODIS (Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer ) - гиперспектральная 36канальная съемка в диапазоне от 0.45 до 14.36 мкм с разрешением 250-1000 м, MOPITT (Measurements of Pollution in the Troposphere) двухзональная съемка (4.7 и 2.2 - 2.4 мкм) с разрешением 22 км Масса, кг 1350 127 Орбита: Высота, км Наклонение, град Период обращения, мин Период повт.просмотра, сут. Мощность, Вт Параметры Номер канала, спектральный диапазон (мкм): Круговая, солнечно-синхронная 514 97,4 95 11 2053 VNIR 1: 0,520,60 2: 0,630,69 3N: 0,760,86 3B: 0,760,86 Режимы: SWIR 4: 5: 6: 7: 8: 9: 1,600-1,700 2,145-2,185 2,185-2,225 2,235-2,285 2,295-2,365 2,360-2,430 TIR 10: 11: 12: 13: 14: 8,125-8,475 8,475-8,825 8,925-9,275 10,25-10,95 10,95-11,65 Пространственное 15 30 90 разрешение, м Скорость передачи данных на наземный 62 23 4,2 сегмент, Мбит/с: Ширина полосы съем60 60 60 ки, км: Радиометрическое разрешение, 8 8 12 бит/пиксель Формат видеоданных GeoTIFF Обработка: Радиометрическая, сенсорная и геометрическая коррекция Приведение к картографической проекции Периодичность съем16 ки, дн: Возможность получеДа, с одного витка ния стереопары: Срок выполнения заказа, дн.(для архивных 7-14 данных) Минимальная площадь заказа (одна сце60 x 60 на для архивных данных), км: *Съемка на заказ не производится 128 Абсолютная радиометрическая точность по спектральным зонам составляет 4% для видимого и ближнего инфракрасного диапазона, и 1-3 0К для теплового диапазона, в зависимости от температуры. Зоны видимого и VNIR диапазона предназначены для измерения характеристик снежного покрова, воды, растительности и степени окисления поверхности объектов. Зоны SWIR диапазона оптимальны для распознавания минералов, в особенности гидратированных минералов в глинистых почвах. Зоны теплового диапазона предназначены для регистрации температуры земной поверхности и дешифрирования основных типов горных пород Пример изображения, полученного с КА TERRA, представлен на рис. 4.5, а основные технические характеристики целевой аппаратуры – в табл. 4.1. а 129 б Рис. 4.5. Изображения земной поверхности, полученные КА TERRA (радиометр ASTER), разрешение 15 м 4.2.2. Аппаратный комплекс TERRA/MODIS и AQUA /MODIS Космический аппарат Aqua был запущен 4 мая 2002 года с авиабазы Ванденберг (США). Спутник Aqua является частью комплексной программы НАСА EOA (Earth Observing System), направленной на исследование Земли и состоящей из трех специализированных спутников TERRA (EOS-AM1), AQUA (EOS-PM1) (Aqua). и AURA (EOS-AM1), предназначенных для исследования суши, воды и атмосферы соответственно. Спутник AQUA как и спутник TERRA имеет солнечно-синхронные полярные орбиты (высота – 705 км, период обращения – 99 мин, наклонение – 98,2°. Но спутник EOS-AM, двигаясь по орбите пересекает экватор, с севера на юг в 10.30 по местному времени, а спутник EOS-PM – с юга на север – в 13.30). Срок службы каждого спутника 5 лет, по его истечении планируются дальнейшие запуски. Вся программа рассчитана на 15 лет. 130 На борту спутника Aqua (рис. 4.6) установлены шесть научных инструментов, часть из которых предназначена для изучения свойств облачного покрова и определения температуры воды в морях, другая – для определения температуры атмосферы Земли и ее влажности. Одним из ключевых инстРис.4.6. КА TERRA (AQUA) рументов американских спутников серии EOS является спектро- радиометр MODIS (Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer). MODIS имеет 36 спектральных каналов с 12-битным радиометрическим разрешением в видимом, ближнем и ИК диапазонах и позволяет производить регулярную съемку одной территории с пространственным разрешением до 250м. Расчетный срок пребывания на орбите составляет около 6 лет Характеристики спектральных каналов сканера и группы природохозяйственных и научных задач по диапазонам приведены в табл. 4.2. Таблица 4.2 Характеристики спектральных каналов системы TERRA/MODIS Группа Номер Длина волны, мкм Объект (предмет) исследования каналов канала Разрешение 250 м А 1 0,620-0,670 Контуры облаков и земных объектов 2 0,841-0,876 Разрешение 500 м B 3 0,459-0,479 Свойства облаков и земных объектов 4 0,545-0,565 5 1,230-1,250 6 1,628-1,652 7 2,105-2,155 Разрешение 1000 м 131 C 8 0,405-0,420 Цвет, фитопланктон и биогеохимия океана 9 0,438-0,448 10 0,483-0,493 11 0,526-0,536 12 0,546-0,556 11 0,526-0,536 12 0,546-0,556 13 0,662-0,672 14 0,673-0,683 15 0,743-0,753 16 0,862-0,877 D 17 0,890-0,920 Водяной пар 18 0,931-0,941 19 0,915-0,965 Е 20 3,660-3,840 Температура облаков и поверхности Земли 21 3,929-3,989 22 3,929-3,989 23 4,020-4,080 F 24 4,433-4,498 Температура воздуха 25 4,482-4,549 G 26 1,360-1,390 Перистые облака, водяной пар H 27 6,535-6,895 28 7,175-7,475 29 8,400-8,700 Свойства облаков J 30 9,580-9,880 Озоновый слой К 31 10,780-11,280 Температура облаков и поверхности Земли 32 11,770-12,270 L 33 13,185-13,485 Высота верхней границы облаков 34 13,485-13,785 35 13,785-14,085 36 14,085-14,385 Области применения данных дистанционного зондирования, полученных со спутника Aqua: гидрометеорология, океанография и океанология; экологический мониторинг территории; 132 мониторинг снежного и ледового покрова; обнаружение лесных пожаров и оценка причиненного ущерба; исследования почв и растительности; исследования озонового слоя; решение прикладных задач. Примеры изображений, полученных с КА TERRAMODIS, представлены на рис. 4.7 и 4.8, а основные технические характеристики целевой аппаратуры – в табл. 4.3. Таблица 4.3 Технические характеристики целевой аппаратуры Дата запуска: 4 мая 2002 г. Режимы/Каналы: 1-2 3-7 8-19 20-25 26 27-36 Спектральный диапа- 0,620,460,413,661,360,54зон (мкм): 0,88 2,16 0,97 4,55 1,39 14,39 Пространственное раз250 м 500 м 1000 м решение: Ширина полосы съем2300 км ки: Радиометрическое раз12 бит на пиксел решение: Периодичность съемки: 2-3 дня 133 Рис.4.7. Прибор TERRA/MODIS, гиперспектральное изображение акватории Каспийского моря, разрешение 30 м Рис.4.8. Синтезированное изображение земной поверхности, полученные КА TERRA/MODIS 4.2.3. Аппаратный комплекс ДЗЗ КА EO-1 (HYPERION, ALI) Космический аппарат EO-1 (Earth Observing-1) был запущен 21 ноября 2000 года с авиабазы Ванденберг (США). Спутник EO-1 стал первым спутником программы «Новое тысячелетие», проводимой NASA. Основная идея разработки спутника состояла в поиске замены космического аппарата Landsat-7, действующего на орбите начиная с 1999 года. Спутник EO-1 (рис. 4.9) был выведен на полярную солнечно-синхронную орбиту высотой 705 км (в плоскость орбиты Landsat-7, но с отставанием на одну минуту). EO-1 несет на своем борту полезную нагрузку в виде приборов ALI, Hyperion и дополнительно – аппаратуру LAC, которая позволяет установить и исключить возмущающее влияние атмосферы. Гиперспектральный сенсор Hyperion предназначен для получения цифровых изображений земной поверхности с пространственным разрешением 134 до 30 метров в 220 спектральных диапазонах видимой и инфракрасной области. КА EO-1 со съемочной аппаратурой движется по той же самой орбите, что и Landsat 7, отставая от последнего на 1 минуту, что позволяет проводить сравнительный анализ снимков, полученных этими двумя космическими аппаратами. Изначально планировался годовой орбитальный полет спутника, но после Рис.4.9. КА ЕО-1 успешного завершения этого периода было принято решение о продлении пребывания EO-1 на орбите на неопределенный срок. Гиперспектрометр Hyperion снимает территорию размером 7.5x100 км, фиксируя ее спектральные особенности во всех 220 диапазонах с высокой радиометрической точностью. Использование нескольких сотен спектральных диапазонов вместо традиционных десяти позволяет детально изучить сложные экосистемы (береговые линии, леса, города, сельскохозяйственные области). Как показывает опыт, гиперспектральная съемка чрезвычайно эффективна в геологии и горном деле, для оценки и прогноза урожая и т.п. В состав систе- мы Hyperion а входят оптическая система с телескопом, основой для которой стала аппаратура EOC спутника Kompsat и два видовых спектрометра. Кроме того, узел приемников излучения фокальной плоскости с отдельными коротковолновыми и длинноволновыми детекторами (запасной комплект от Lewis) и криохолодильник для охлаждения коротковолновых детекторов, идентичный установленному на КА Lewis. Страна Оператор Оборудование Таблица 4.4 Технические характеристики целевой аппаратуры США NASA Прибор ALI (Advanced Land Imager), Гиперспектральный инструмент Hyperion, 135 Прибор атмосферной коррекции LAC (Atmospheric Corrector) Масса, кг 3150 Орбита Круговая солнечно-синхронная Высота , км 705 Наклонение, град 98,7 Период обращения, мин 99,8 Мощность, Вт 2200 Телеметрия С-диапазон; горизонтальная поляризация Параметры Hyperion ALI Режимы Гиперспекмультиспекпанхроматральный тральный тический 0,433-0,453 Спектральный диапазон 0,450-0,515 (мкм): 0,525-0,605 0,630-0,690 0,43-2,40 0,480-0,690 0,775-0,805 (220 каналов) 0,845-0,890 1,200-1,300 1,550-1,750 2,080-2,350 Спектральное разреше10 25 - 200 ние, нм Пространственное разре30 30 10 шение, м Ширина полосы съемки, 37 км Скорость передачи данных на наземный сегмент, Мбит/с 105 Радиометрическое разре16 шение, бит/пиксель Периодичность съемки, 16 сут (на широте России) Как отмечено выше, на борту EO-1 впервые была установлена и успешно внедрена аппаратура коррекции изображений, искажаемых поглощением и рассеянием света в атмосфере – главным образом из-за водяного пара. Прибор LAC (Linear Etalon Imaging Spectrometer Array Atmospheric Corrector) разработан Директоратом прикладной техники и технологии Центра Годдарда NASA. 136 Это так же гиперспектральный инструмент умеренного пространственного разрешения с клиновидным фильтром. Рабочие диапазоны выбраны в пределах 0,85 – 1,5 мкм так, чтобы обеспечивать оптимальную коррекцию снимков с высоким пространственным разрешением. Коррекция данных осуществляется за счет измерения фактических, а не модельных уровней поглощения. Ожидается, что работа LAC позволит повысить точность оценки отражающих свойств поверхности. Такая аппаратура может быть установлена на любом научном или коммерческом аппарате ДЗЗ. Пример изображения, полученного с КА EO-1 (14 марта 2004 г.), представлен на рис. 4.10, а основные технические характеристики целевой аппаратуры – в табл. 4.4. Рис.4.10. Сенсор Hyperion. США, штаты Канзас и Оклахома. Многозональное изображение в естественных цветах (каналы 30,20,10) с пространственным разрешением 30 м Инструмент Advanced Land Imager (ALI) явился первым инструментом, разработанных NASA в рамках программы «Новое тысячелетие». Инструмент ALI основан на новейшей широкоугольной оптике и высокоточном спектрометре. Имея близкие показатели по числу каналов и пространственному разрешению он по планам разработчиков должен сменить проект LANDSAT. Успешно отработав годовой испытательный орбитальный полет, КА EO1 позволил апробировать инструменты с уникальными спектральными и пространственными характеристиками, а так же внедрить новейшие технологии, 137 нацеленные на снижение стоимости и повышение производительности будущих миссий спутниковых систем семейства Landsat. 138 5. Перспективные направления развития космических средств ДЗЗ 5.1. Перспективные системы средств ДЗЗ сверхвысокого разрешения Исследование природных ресурсов, постоянный мониторинг окружающей среды требуют создания новых, более эффективных, как по времени, так и разрешающим параметрам систем ДЗЗ. Исходя из наметившейся тенденции развития космических систем ДЗЗ, необходимо отметить перспективные аэрокосмические системы, которые будут более производительными (по сравнению с существующими) спутниками второго поколения. В ближайшее время намерены вывести на орбиту космические аппараты оптико-электронного класса для стереосъемки с высоким разрешением Израиль и Китай. К настоящему времени завершается согласование и утверждение конструкторской документации спутника. До сих пор Китай выполнял космическую картографическую съемку с помощью военных фотографических КА серии FSW (Fanhui Shi Weixing) или Jianbing («Дозор») с возвращаемыми капсулами. Создаваемый спутник будет использоваться для обновления и разработки в сжатые сроки новых топографических карт масштаба 1:50000 на территорию всей страны. По планам картографического ведомства Китая, в 2006 – 2010 г.г. предполагается создать или обновить топокарты масштаба 1:50000 на 95% территории континентальной части Китая. Картографирование территории Западного Китая площадью 2 млн. км2, на которую до сих пор отсутствуют топокарты, будет осуществляться в основном по данным оптической радиолокационной стереосъемки. 5.1.1. КА серии OrbView В настоящее время в технологический отрыв уходят американские компании, запустившие и готовящие к запуску высокопроизводительные суперспутники (WorldView-1, WorldView-2 и OrbView-5), обеспечивающие съемку с разрешением 40–50 см. По отношению к предшественникам эти спутники являются аппаратами второго поколения, так как благодаря новым технологиям 139 (заимствованным, в том числе, у разведывательных спутников) возможности спутников значительно расширены. Кооперация во главе с DigitalGlobe параллельно изготавливает два космических аппарата – WorldView-1 и WorldView-2. Первый спутник (другое обозначение WorldView-60 или WV-60) оснащен телескопом с апертурой диаметром 60 см для съемки с пространственным разрешением 0,45 м только в панхроматическом режиме в кадре не местности шириной 16,5 км (табл. 5.1). По сравнению со спутником QuickBird-2 – масса нового аппарата выросла с 1028 кг до 2500 кг. При отклонении телескопа от направления в надир на 400 возможна съемка в полосе шириной 775 км с ухудшением разрешения до 1 м (при съемке с отклонением 200 разрешение не хуже 0,5 м). Спутник планируется вывести на утреннюю солнечносинхронную орбиту высотой 450 км. Таблица 5.1 Технические характеристики КА WorldView-1 Gfhfvtnhs Режимы Панхроматический Спектральный диапазон (мкм): 0,5 - 0,9 Пространственное разрешение 0,5 в надире, м Максимальное отклонение от 40° надира, град Ширина полосы съемки, км 16 Скорость передачи данных на 800 наземный сегмент, Мбит/с Радиометрическое разрешение, 11 бит/пиксель Формат файлов: GeoTIFF Обработка: Радиометрическая, сенсорная и геометрическая коррекция Приведение к картографической проекции Периодичность съемки, дн. 1 - 2 (в зависимости от широты области съемки) Второй спутник, WorldView-2 (WorldView-110) массой 2800 кг будет оборудован крупногабаритным телескопом с апертурой диаметром 110 см для съемки с разрешением 0,45 м в панхроматическом режиме и разрешением 1,8 м 140 в мультиспектральном режиме в 8 спектральных каналах (табл. 5.2). Размер кадра на местности при съемке в надир – 16,4 км. Оба спутника оснащены бортовыми регистраторами емкостью 2,2 Тбит и сверхскоростной радиолинией передачи данных со скоростью 800 Мбит/с. Расчетный срок существования обоих спутников – более 7 лет. Таблица 5.2 Технические характеристики КА WorldView-2 Планируемый год запуска: 2009 г. Режимы Режимы: Панхроматический Мультиспектральный 0,45-0,520 0,52-0,590 0,63-0,690 Спектральный диапазон 0,76-0,890 0,50-0,90 (мкм): 0,42-0,453 0,50-0,640 0,70-0,730 0,90-1,050 Пространственное раз0,5 2 решение в надире: Максимальное отклоне40° ние от надира: Ширина полосы съемки: 16,4 км Скорость передачи данных на наземный сег740 150 мент, Мбит/с Радиометрическое раз11 решение, бит/пиксель Формат файлов: GeoTIFF Обработка: Радиометрическая, сенсорная и геометрическая коррекция Приведение к картографической проекции Периодичность съемки, 1-4 дня (в зависимости от широты области съемки) дн. Согласно текущим планам, спутник WorldView-2 (вариант WV-110) изготавливается в инициативном порядке и будет выведен на орбиту в 2008 году. В случае принятия соответствующего решения агентством NGA спутник модели WorldView-110 может быть выведен раньше WV-60, но с задержкой относительно срока контракта NextView, установленного агентством NGA. Расчетная 141 высота солнечно-синхронной орбиты для WV-110 составит 770 км, что обеспечит лучшие возможности для стереосъемки. По сравнению с КА QuickBird-2, – суперспутники будут применять новые технологические решения для обеспечения высокой производительности съемки (в 3,5 раза больше, чем КА QuickBird-2), качества и точности координатной привязки изображений. Для увеличения производительности КА WV1 в системе ориентации используются гироскопы управления моментом, которые позволяют в 2 раза увеличить скорость перенацеливания телескопа на объекты съемки (до 4,50/с). Спутник сможет снимать в различных режимах: кадровом, маршрутном (возможны съемки маршрутов сложной конфигурации), площадном (зоны размером 60x60 км), а также в режиме формирования стереопар. Для достижения высокого качества изображения применяется оптическая система с высоким контрастом и соотношением сигнал/шум, а также технология временной задержки накопления сигнала на многолинейных ПЗСструктурах (6 режимов накопления от 8 до 64 крат). Радиометрическое разрешение составляет 11 бит/пиксель. Другая особенность спутников WorldView – высокая точность координатной привязки изображений, которая достигается благодаря применению космической платформы с высокой стабильностью и улучшенной точностью определения ориентации спутника. Координатная точность изображений КА WorldView-1 составляет: без наземных контрольных точек 5,8 – 7,6 м, с наземными контрольными точками – 2 м и с соседними контрольными точками, не попавшими в поле снимка 3 – 3,5 м. Планируемая координатная точность изображений позволит их использовать при создании карт масштаба 1:10 000. Спутник WorldView-2 будет осуществлять съемку в 8 спектральных каналах. К 4 стандартным диапазонам оптического спектра (красный, голубой, зеленый, ближний ИК) добавлены еще 4. 142 Потребители информации будут получать заказанные изображения WorldView через сетевой терминал, называемый «виртуальной наземной станцией», или непосредственно на наземную приемную станцию заказчика. Спутник QuickBird-2 в штатном режиме не применяет съемку в реальном масштабе времени и передает изображения только с бортового регистратора на 3 приемные станции в США, Норвегии и на Аляске. Для обеспечения высокой оперативности спутники WorldView смогут вести съемку одновременно с передачей данных на станции клиентов. Предусмотрена также возможность программирования, съемки и приема информации через станцию клиента (так называемого «виртуального оператора») в течение одного сеанса радиосвязи. Таблица 5.3 Технические характеристики спутника OrbView-5 Ширина полосы захвата 15,2 км Запоминающее устройство на борту 1 Тбит Динамический диапазон (радиометрическая разре- 11 бит/пиксел шающая способность) Скорость передачи данных на наземный сегмент по 2 150 Мбит/сек радиоканалам 700 Мбит/сек Передача данных на наземный сегмент Х-диапазон Наличие высокоточной аппаратуры для вычисления параметров траектории и местоположения спутника Производительность более 700 000 кв. км в день Орбита солнечно-синхронная 660 км с наклонением 97 0 - прохождение над одним и тем же участком над поверхностью Земли в 10ч 30м Время повторного посещения менее 3-х суток Расчетное время нахождения на орбите 7 лет (запас топлива на 10 лет) Таблица 5.4 Технические характеристики КА OrbView-5 (GeoEye-1) Планируемый год запуска: 2008 г. Режимы: Панхроматический Мультиспектральный 450-520 Спектральный диапазон, 520-600 450-900 нм: 625-695 760-900 Пространственное раз41 см 1,65 м решение в надире: Максимальное отклоне60° 143 ние от надира: Ширина полосы съемки, 15,2 км Радиометрическое раз11 решение, бит/пиксел Формат файлов: GeoTIFF Обработка: Радиометрическая, сенсорная и геометрическая коррекция Приведение к картографической проекции Периодичность съемки, 1-3 (в зависимости от широты области съемки) дн. Возможность получения Да, с одного витка стереопары: Конструктивно спутник OrbView-5 выполнен в виде телескопа, вокруг которого размещены блоки служебных подсистем, а сбоку — панели солнечных батарей. Спутник будет обеспечивать одновременную съемку в панхроматическом и многоспектральном режимах с пространственным разрешением 0,41 м и 1,64 м (КА – предшественник OrbView-3 не может совмещать оба режима съемки) в кадре шириной 15,2 км с высоты 684 км. Возможно отклонение телескопа от направления в надир до 600. Суточная производительность аппаратуры – 700 тыс. км2, для глобального охвата на борту установлен регистратор емкостью 1200 Гбит. Изображения передаются на Землю по двум радиолиниям в Х-диапазоне частот со скоростью 150 и 700 Мбит/с. Радиометрическое разрешение изображений – 11 бит/пиксел. Расчетный срок работы – более 7 лет (запас топлива на 10 лет). В 2007 году спутник должен быть выведен на утреннюю солнечно-синхронную орбиту (местное время пересечения экватора 10:30) и, согласно предварительным прогнозам специалистов, проработает до 2015 года. Компания GeoEye для оперативного сбора и распространения информации со спутника OrbView-5 планирует использовать уже существующую международную сеть из 12 наземных станций приема данных со спутника Ikonos-2, в том числе три станции в Германии, Польше и Турции, ответственные за прием изображений стран Европы и России. 144 Информация со спутников за пределами США, в том числе и в Россию, будут поставляться с загрубленным до 0,5 м разрешением и с задержкой по времени не менее 24 часов. По некоторым данным, для клиентов NGA суперспутники могут доставлять изображения с разрешением до 25 см. За американскими программами получения данных высокого пространственного разрешения следуют Израиль со спутниками EROS-B (запущен в 2006 г., разрешение 0,7 м) и EROS-C (запуск запланирован на 2008 гг., разрешение 0,7 м) и Франция c проектом Pleiades (c 2008 года, разрешение 0,7 м). 5.1.2. Проекты новых отечественных космических аппаратов Следуя общей мировой тенденции в развитии средств ДЗЗ, в настоящее время в России разрабатываются проекты новых космических аппаратов для съемок Земли, которые смогут заменить ныне существующие природоресурсные системы Монитор-Э и Ресурс-ДК. В целом, в соответствии с целевой Федеральной космической программой 2006-2015 годов планируется создание семи космических комплексов ДЗЗ и соответствующих наземных средств приема и обработки дистанционных видеоданных. При помощи этой масштабной системы планируется получать информацию о Земле и осуществлять мониторинг природных ресурсов. Основными пользователями этой информации являются МЧС РФ, Роскосмос, Минсельхоз РФ, Минтранс РФ, Росгидромет, Минприроды РФ, РАН. В рамках этой программы ДЗЗ на орбиту планируется вывести три вида спутниковых систем: гидрометеорологического наблюдения, мониторинга Земли и радиолокационные. К первой группе относятся действующий на орбите Метеор 3М, а также космические аппараты семейства «Электрон». К космическому комплексу мониторинга Земли (мониторинга чрезвычайных ситуаций, океана водных и земельных ресурсов) относятся в частности спутниковые системы ДЗЗ Канопус В1 и Канопус В2, которые планируется запустить в 2009 и 2010 г.г. соответственно. Кроме того, к этому космическому комплексу относятся спутники Ресурс П-1 и Ресурс П-2, предназначенные для мониторинга природных ресурсов, эко- 145 логической обстановки и картографирования. Ресурс П-1 будет запущен в 2010 году, а Ресурс П-2 — в 2011-2015 годах. К радиолокационному космическому комплексу относятся спутники ДЗЗ Аркон 2-М и Аркон 2-1, которые планируется запустить в период 2009-2015 годах. Согласно проектным данным Ресурс-П предназначен для получения многозональных изображений с разрешением 0,5 – 2 м, съемки в видимом и инфракрасном диапазонах с разрешением 5 – 10 м, а также сбора данных с автономных метеоплатформ. Спутник Ресурс-П должен нести четыре–пять съемочных систем, в том числе: - оптико-электронную систему высокодетального наблюдения для получения панхроматических снимков с разрешением 0,5 – 1 метра и многоспектральных изображений (3–4 спектральных канала) с разрешением 2 – 4 метра в полосе захвата до 50 км; - оптико-электронную систему среднего разрешения для многоспектральных наблюдений (4–6 каналов) в видимой и ближней инфракрасной областях спектра с разрешением 10 – 50 метров в полосе захвата 100 – 200 км; - многоканальную съемочную систему инфракрасной области спектра с разрешением 20 – 50 м в полосе захвата 100 – 200 км; - гиперспектрометр с большим числом спектральных каналов и пространственным разрешением 30 – 50 м в полосе захвата 30 – 50 км. Самым реальным на сегодняшний день российским проектом является спутник Кондор-Э с РСА метрового разрешения. Однако один спутник детальной радиолокационной съемки не сможет решить весь комплекс задач, особенно связанных с мониторингом Арктики, и насытить отечественный рынок геоданных. Остальные отечественные проекты являются внебюджетными (инициативными) и находятся в зачаточном состоянии – Монитор-Р (Центр им. Хруничева), Север (КБ Арсенал), Аркон-2 (НПО им. Лавочкина), Стрелка (РКК Энергия и Газком). 146 На ФГУП «НПО Машиностроения» была представлена космическая система дистанционного зондирования Земли на базе малых космических аппаратов (МКА) Кондор-Э в двух вариантах: с оптико-электронной аппаратурой и с радиолокатором, а также материалы по методам обработки и интерпретации радиолокационной космической информации в интересах обеспечения национальной безопасности и решения широкого круга социально-экономических задач. Преимущество технологических решений предприятия в области создания всепогодной системы ДЗЗ, кроме высокой степени разрешения самих КА, состоит в том, что предлагаемые малые КА разработаны по модульному принципу и имеют в своем составе универсальную космическую платформу, которая позволяет устанавливать на КА различные виды целевой полезной нагрузки. В совокупности с возможностью запуска малых КА с помощью конверсионной РН «Стрела», это обеспечит высочайшую надежность системы и выгоду для потребителей по критерию «эффективность-стоимость Система Кондор-Э вберет в себя новейшие научные достижения и разработки в области ДЗЗ и даст возможность оперативно получать высококачественные изображения, необходимые для мониторинга земной поверхности, поверхности океанов, экологического мониторинга и эффективного управления ресурсами. Разработчиком космической системы ДЗЗ Кондор-Э как по госзаказу, так и в рамках военно-технического и внешнеэкономического сотрудничества является НПО Машиностроения. В составе системы малых космических аппаратов могут быть спутники с радиолокатором и с оптико-электронной аппаратурой. Высота орбит аппаратов составит 450 – 900 км. Время существования системы – до 10 лет. Масса аппарата около 1150 кг, а вес полезной нагрузки – до 350 кг. Запуск спутников планируется осуществлять конверсионной РН «Старт», созданной на базе МБР РС18. Россия ещё в 1991 году запустила спутник Алмаз-1 с РСА для мониторинга Земли с разрешением 15 – 20 м. Но с развитием кризисных явлений в про- 147 мышленности и экономики в 90–х годах разработки новых спутников шли медленными темпами. 148 5.2. Перспективные разработки систем радиолокационного наблюдения Дальнейшее эффективное применение космических систем ДЗЗ будет базироваться на основе радиолокационного направления в технологиях космического детального ДЗЗ. Многочисленные примеры успешного применения, в том числе в картографических целях, космической радиолокационной информации ДЗЗ, полученной РЛ-системами Seasat-SAR, SIR-A, SIR-B, ИСЗ JERS, «тандема» ИСЗ ERS-1/ERS-2, Radarsat-1 и др., а также то внимание, которое уделяется за рубежом разработке более совершенных космических комплексов радиолокационного зондирования и созданию специализированных коммерческих программных продуктов обработки изображений для выделения полезной информации по радиолокационным данным, все это является прямым или косвенным свидетельством перспективности развития данного направления в технологии ДЗЗ из космоса. Актуальность и практическая значимость этого процесса обусловлена тем, что в отличие от снимков поверхности Земли в видимом и инфракрасном участках спектра, радиолокационные изображения могут быть получены в условиях плохой видимости и наличия плотной облачности. Это значит, что снимается одно из основных ограничений по оперативности получения требуемой информации и, как следствие, расширяются возможности ее использования в задачах, которые требуется решать гарантировано и быстро. В части «радиолокационного» направления в ДЗЗ следует отнести запуск Японией КА ALOS, Канадой Radarsat-2 и Германией TerraSAR-X - гражданские спутники с радиолокаторами высокого разрешения с синтезированием апертуры (РСА). Если учесть еще запуски двух военных спутников видовой разведки SAR-Lupe (Германия) и TechSAR (Израиль) с РСА субметрового разрешения, то последующие годы должны стать самым продуктивным для развития радиолокационных программ. Накопленный к настоящему времени практический опыт применения отечественных (Космос-1870, Алмаз-1) и зарубежных (JERS, ERS -1, ERS-2, 149 Radarsat, Envisat) комплексов радиолокационного зондирования Земли показал, что космическая радиолокация может эффективно использоваться как в качестве важного дополнительного по отношению к съемке в оптическом диапазоне источника информации, так и основного и незаменимого в тех случаях, когда требуется всепогодная, независимая от времени суток и условий освещенности съемка. Опыт работы с материалами, полученные РЛ-системами Seasat, SIR-A, SIR-B показал, что по ним возможно определение координат точек местности со средними квадратическими ошибками в плане 150 – 180 м, 140 – 160 м, 12 – 30 м и по высоте 60 – 80 м, 85 – 100 м, 12 – 30 м соответственно. Оценка плановой точности ортофототрансформированных изображений, полученных по данным КА ERS, показала, что по крайней мере, для районов с равнинным и всхолмленным рельефом достигаются точности порядка 30 – 40 м. С КА Radarsat-1 при съемке в режиме высокого разрешения достигаются точности – порядка 18 м. Наиболее востребованные среди пользователей космических РЛ- видеоданных являются материалы съемки радиолокаторами с синтезированной апертурой (РСА) с КА JERS, КА серии ERS и Radarsat-1. Многофункциональный КА JERS-1, выведенный на солнечно- синхронную орбиту с высотой около 600 км и наклонением 97,7о, Япония эксплуатировала до осени 1998г. За 6,5 лет работы (при расчетном сроке функционирования 2 года) было получено свыше 300 000 радиолокационных изображений земной поверхности. В течение нескольких лет надежно работал тандем спутников ERS-1 и ERS-2, позволивший реализовать технологию РЛ-интерферометрии («фазирование» орбит обеспечивало прохождение вторым КА того же наземного следа первого КА через 24 часа), обеспечивающей относительно детальной информацией о рельефе местности с двух углов визирования. Оба спутника имели идентичные характеристики орбит: солнечно-синхронные высотой около 800 км и наклонением 98,5о. 150 С 1995г. на орбите высотой 820 км и наклонением 98,6о продолжает эффективно функционировать канадский спутник Radarsat-1. Запуск этого ИСЗ – самый удачный коммерческий радиолокационный проект в мире. К концу шестого года работы на орбите на Землю передано более 220 тысяч снимков. Число заказчиков из 60 стран составило около шести сотен. В 1999 и 2000гг. выполнены работы по картографированию Антарктиды, продемонстрирована возможность использования радиолокатора с синтезированной апертурой в режиме интерферометрии. Хотя Radarsat-1 – коммерческий спутник, часть информации распространяется бесплатно в рамках проекта «Международная хартия по космосу и крупным катастрофам», целью которого является обеспечение жизненно важной космической видеоинформацией стран, пострадавших от крупных природных и техногенных катастроф. В настоящее время за рубежом активно ведутся разработки новых систем радиолокационного наблюдения Земли, реализация которых позволит сделать существенный шаг в области ДЗЗ. 5.2.1. КА Radarsat -2 Один из самых перспективных космических систем радиолокационного зондирования земной поверхности - КА Radarsat-2 КА массой 1650 кг рассчитан как минимум на семилетнюю эксплуатацию. В отличие от других существующих космических Рис. 5.1. КА Radarsat-2 систем ДЗЗ «тяжелого класса» КА Radarsat-2 создавался не по «госзаказу», а как коммерческая система, но с предоплатой государства за будущие услуги. КА должен обеспечивает получение изображений земной поверхности с пространственным разрешением от 3 до 100 метров при ширине полосы от 20 до 500 км. 151 Впервые коммерческая радиолокационная космосъемка ведется с использованием множественной поляризации и со столь высоким пространственным разрешением, что расширяет возможности по распознаванию объектов. В 1998г. канадское правительство объявило о выборе канадской компании MacDonald Dettwiler Assosiates Limited (филиал американской компании Orbital Sciences Corporation ) в качестве подрядчика по изготовлению (на базе космической платформы компании Orbital Sciences Corporation) и управлению вторым канадским спутником радиолокационного ДЗЗ – КА Radarsat-2. Эта компания взялась реализовать данный проект вдвое дешевле, чем обошелся выведенный на орбиту в 1995 г. и ныне действующий КА Radarsat-1. Однако в связи с тем, что компании Orbital Sciences Corporation было отказано (поскольку правительство Канады не согласилось с предложенными США ограничениями на распространение высокодетальной РЛ-информации) в лицензии для работ над проектом Radarsat-2, а также твердым намерением Канадского космического агентства (CSA) не отступать от намеченного графика его реализации, ставка была сделана на поиск европейских изготовителей космической техники, заинтересованных в создании платформы Radarsat-2. Более того, CSA обратилось с предложением по объединению усилий с ESA в реализации программы Radarsat-2 . Согласно результатам предварительных обсуждений определенный интерес ESA к данному проекту связывается с их планами начала эксплуатации КА Envisat, который будет обеспечивать получение радиолокационных изображений земной поверхности более низкого пространственного разрешения. Одной из европейских компаний, выразивших заинтересованность в создании космической платформы для КА Radarsat-2, была Alcatel Space (Париж), предложения которой сводились к ускоренному созданию варианта разрабатываемой с их участием платформы Proteus. Более предпочтительным для генерального подрядчика по созданию КА Radarsat-2, компании MacDonald Dettwiler Assosiates Limited, оказалось предложение (стоимость платформы порядка 50 млн. долл.) итальянской компании Alenia Aerospazio, базирующееся на 152 использовании ее задела в работах по программе создания системы ДЗЗ SkyMed-Cosmo и по серийному производству космических платформ мобильной телефонной связи Globalstar . Держателями первичных данных с КА Radarsat-2 являются компании Orbimage и CSA . Orbimage заплатила 60 млн. долл. за эксклюзивные права на распространение по всему миру (в том числе и оборонным организациям) данных с КА Radarsat-2 и должна контролировать 85% мощности этого КА. CSA выплатила компании MacDonald Dettwiler Assosiates Limited 71,8 млн. долл. на запуск и технические усовершенствования и будет контролировать 12,5% мощности спутника. CSA может продавать полученные данные только правительственным организациям для научных нужд. Таблица 5.5 Технические характеристики КА Radarsat-2 Страна Канада Оператор Canadian Space Agency/MacDonald Dettwiler Подрядчик MacDonald Detwiller&Associates, CSA / Канада Оборудование SAR Масса, кг 2200 Орбита, км 798 Телеметрия C-band Тип орбиты солнечно-синхронная Высота орбиты, км 800 Спектральный диапазон С-диапазон РЛС Пространственное разреше- от 3 до 100 ние, м Ширина полосы захвата, км от 20 до 500 5.2.2. Система КА LightSAR В NASA прорабатывается вопрос создания коммерческой системы наблюдения Земли LightSAR (Lightweight Synthetic Aperture Radar) с бортовым радиолокатором с синтезированной апертурой, разрешающая способность которого составила бы 1 м. Объявленный NASA конкурс предложений по реализации данного проекта первоначально не дал ожидаемых результатов: была по- 153 дана только одна заявка от группы компаний во главе с фирмой Orbital Sciences Corp. Не удалось в достаточной степени заинтересовать и частных инвесторов. Все это побудило NASA на том этапе отказаться от осуществления проекта LightSAR. Однако в последнее время активизировались попытки убедить законодателей в необходимости развертывания работ по созданию национального гражданского спутника высокодетального радиолокационного зондирования (стоимость проекта LightSAR оценивается в 400 млн. долл.). При этом одним из аргументов, которые приводятся в пользу такого решения, является то, что коммерчески доступные в настоящее время РЛ–данные С–диапазона с КА серии ERS и Radarsat-1 не удовлетворяют научным потребностям американских пользователей. Готовность финансирования половины пятилетней программы разработки МКА LightSAR выразили представители нефтяной промышленности США. Согласно первоначальным замыслам NASA на данном МКА предполагалось установить только РЛС L–диапазона, данные с которой представляют интерес для решения широкого круга научных прикладных задач. При этом проблемным вопросом неизбежно стала бы возможность достижения достаточно высокого пространственного разрешения. Несмотря на то, что стоимость проекта возрастает в 2 раза, признано необходимым дополнительно установить на борту вторую РЛС, обеспечивающую высокодетальными РЛ–данными Х– диапазона. 5.2.3. Система МКА SAR-Lupe Согласно проекту SAR-Lupe два промышленных консорциума возглавляемых немецкими фирмами OHB-System и Astrium GmbH разрабатывают альтернативные предложения (см. табл. 2.4) орбитальной группировки МКА с РЛС высокого разрешения. Орбитальная группировка МКА высокодетальной РЛ-съемки SAR-Lupe рассматривается в качестве важнейшей составляющей перспективной общеевропейской системы космической разведки, которая может объединить в единую 154 инфраструктуру как оптические средства космической разведки (работающей в режиме двойного применения), основу которых составляет система из 2-х французских КА Helios-2 на низких полярных орбитах (стоимость системы около 18 млн. долл.), так и радиолокационные. Таблица 5.6 Система МКА высокодетальной РЛ-съемки SAR-Lupe Альтернативные про- Проект компании OHB- Проект компании екты System Astrium GmbH Количество МКА в 6 4 группировке Масса МКА, кг 560 менее 1000 Высота орбиты, км 500 700 5.2.4. Система МКА TerraSAR Эксплуатация на борту американского многоразового транспортного космического корабля МТКК немецкой радиолокационной системы Хдиапазона рассматривается в Германии как «трамплин» для создания собственной космической системы коммерческой радиолокационной съемки TerraSAR. Реализация программы TerraSAR рассматривается как образец партнерства государственного и частного секторов. В части инвестирования (на самых ранних этапах разработка финансировалась национальными космическими агентствами Германии, Великобритании и Норвегии) его реализации объединили свои усилия Спутниковый отдел компании DaimlerChrysler Aerospace (Германия), Национальный центр ДЗ (Великобритания) и Matra Marconi Space UK (ВеликобританияСистема TerraSAR должна состоять из 2-х МКА с целевой бортовой аппаратурой, обеспечивающей радиолокационную съемку с пространственным разрешением порядка 1 м (в Х-диапазоне) и 10 м (в Lдиапазоне). Стоимость всей системы оценивается на уровне 640 млн. долл. 5.2.4. Система МКА SkyMed-Cosmo 155 В Италии в рамках уже осуществляемой программы создания национальной спутниковой системы SkyMed-Cosmo на 4 из 6 МКА должны быть установлены РЛС Х-диапазона. Рис. 5.2. КА COSMO ДЗЗ этой Данными группировки (общая стоимость развертывания которой оценивается в сумму до 814 млн. долл.) предполагается обеспечивать широкий спектр как коммерческих, так и государственных (военных и гражданских) структур. При этом министерство обороны настаивает на том, чтобы радиолокационная аппаратура (первый этап создания которой получил название SAR-2000) этих МКА обеспечивала проведение космосъемок с пространственным разрешением до 1м. Это ведомство (оно покрывает 1/3 всех расходов) подписало соглашение с Космическим агентством страны (ASI) о совместном финансировании работ по разработке основных технологий создания РСА SAR-2000, обладающего столь высокой в части детальности возможностью. Головным подрядчиком по программе SkyMed-Cosmo, а также ответственным за изготовление опытного образца спутниковой платформы Prima для МКА этой группировки является компания Alenia Spazio. Достаточно активно была организована работа по привлечению к реализации данного проекта других европейских стран и фирм. По данному проекту имеет место сотрудничество с Германией, которая разрабатывает во многом аналогичный проект SARLupe, с Агентством ESA, которое изучает возможность привлечения системы SkyMed-Cosmo к реализации экологической программы Earth Watch, а также с Францией, которая прекратила работы по созданию собственного радиолокационного спутника Horus и подписала соглашение с Агентством ASI о согласовании работ по разработке малых спутников двойного назначения. 156 В интересах гражданских потребителей РСА SAR-2000 должен обеспечивать получение аналогичных по детальности видеоданным с КА Radarsat-2 РЛданных (пространственное разрешение 3 м), но в Х-диапазоне. Характеристики дистанционного зондирования со спутников CosmoSkyMed 1-4: наивысшее пространственное разрешение для радарных систем (свыше 1 м – для военных приложений); возможность круглосуточного всепогодного наблюдения за любыми объектами на земной поверхности; возможность получения высокоточных ЦМР с помощью интерферометрических методов; высочайшая повторяемость съемки – до нескольких часов; самая высокая оперативность выполнения заказа. Серия космических аппаратов двойного назначения Cosmo-SkyMed 1-4 (Constellation of Small Satellites for Mediterranean basin Observation – Созвездие малых спутников для наблюдения за Средиземноморским бассейном), разрабатываемая Итальянским Космическим Агентством (ASI) совместно с министерством обороны Италии (MoD) готовится к запуску в ближайшие 2-3 года. Первый из серии спутников должен быть выведен на орбиту с высотой 619,6 км и наклонением 97,86°. Все спутники группировки будут оснащены радаром с синтезированной апертурой, позволяющим выполнять интерферометрическую съемку земной поверхности с беспрецедентным пространственным разрешением (лучше 1 м на местности). Радар будет снимать земную поверхность в Xдиапазоне длин волн (3,1 см), с изменяемой поляризацией излучения (HH, VH, HV, VV), в диапазоне съемочных углов от 20 до 50 градусов. Расчетный срок пребывания на орбите каждого аппарата Cosmo-SkyMed 1-4 составляет около 5 лет. Эксплуатировать спутники будет итальянская компания Telespazio. Области применения данных дистанционного зондирования, полученных со спутников Cosmo-SkyMed 1-4: 157 задачи обеспечения обороны и безопасности, как Италии, так и других стран; создание и обновление топографических карт и планов вплоть до масштаба 1: 2000; создание ЦМР и ЦММ высокой точности; всепогодное наблюдение за природными и антропогенными катастрофами (половодья, засухи, пожары, оползни, аварии); оценка сейсмической опасности, прогнозирование землетрясений, извержений вулканов; картирование сельскохозяйственных культур, определение состояния посевов, точное сельское хозяйство; картирование древостоев, определение породного состава, мониторинг вырубок и состояния лесов; контроль соблюдения законности. Таблица 5.7 Технические характеристики Планируемая дата запуска: 2008 г. Спектральный диапазон: (3,1 см) - X-диапазон С одним режимом поляризации (по выбору: HH, VV, HV, или VH) Режимы: Номинальное пространственное разрешение, м Ширина полосы съемки, км С двумя режимами поляризации (по выбору HH, VV, HV, или VH) СреднеНизкого Среднего разрего разразрешешения с двойной решения ния (Huge поляризацией (WideRe Region (Ping Pong или gion или или Stripmap) ScanSA ScanSAR) R) Сверхвысокого разрешения (Spotlight или "Frame") Высокого разрешения (HIMAG E или Stripmap ) ≤1 3-15 30 100 15 10x10 40 100 200 30 158 Скорость передачи данных на назем300 ный сегмент, Мбит/сек Радиометрическое разре8 шение, бит/пиксел Формат файCEOS лов Обработка: Радиометрическая, сенсорная и геометрическая коррекция Приведение к картографической проекции, создание ЦМР Периодичность съемки, Каждые 10 час Срок выпол1-3 дня для архивных данных нения заказа: 12 часов -3 дня для съемки на заказ Минимальная площадь закаОдна стандартная сцена для любого из 5 режимов за 5.3. Перспективные отечественные разработки радиолокационного наблюдения Отечественный и зарубежный опыт показал, что космические радиолокационные снимки (одиночные снимки, стереопары, материалы интерференционной обработки стереопар) могут эффективно использоваться как в качестве важного источника информации при решении задач геодезии и картографии, в тех случаях, когда требуется всепогодная, независимая от времени суток и условий освещенности. Начало космическому радиолокационному зондированию Земли в нашей стране было положено осуществлением программы «Алмаз». До 1992 г. на орбите отработали 2 КА радиолокационной съемки – Космос-1870 и Алмаз-1. В настоящее время в России создаются радиолокационные средства ДЗЗ следующего поколения – Луч-М, Монитор-Р, Аркон-Р, Аркон-2. Предварительные характеристики перечисленных КА представлены в табл. 5.8, 5.9, 5.10, 5.11. 159 Предварительные характеристики высокодетального РЛК космического базирования Луч-М (разработка ЦСКБ) Таблица 5.8 Основные параметры Высота орбиты, км Полоса обзора, км Полоса захвата, не менее, км Пространственное разрешение радиолокационного изображения, м Значение 350-600 300 300 (обзорная съемка) 80-100(детальная съемка местности) 40-60(детальная съемка) 10-20(высокодетальная съемка) 100х100 (обзорная съемка) 10х10 (детальная съемка местности) 5х5 (детальная съемка) 1х1 (высокодетальная съемка) 200 АФАР, 6,3х0,9 Масса аппаратуры, кг Тип антенны, размер полотна антенны, м Длина волны сигнала, см 3,15 Поляризация ВВ и ГГ Полоса спектра зондирующего сигна200... 350 ла, МГц Средняя мощность зондирующего 250 сигнала, не менее, Вт Вид выходной информации Радиоголограмма, радиолокационное изображение Энергопотребление, не более, Вт 1600-2000 Срок эксплуатации, г 5 Предварительные характеристики КА радиолокационного наблюдения с РСА на базе КС 14К030 Таблица 5.9 Основные параметры Значение Высота орбиты, км 500 Полоса обзора, км 2×500/10 –150 Наклонение орбиты, град. до 98 Время существования, лет 3 – 10 Пространственное разрешение радио- 3 – 15 локационного изображения, м Масса КА, кг до 1150 Масса полезного груза, кг до 350 Длина волны сигнала, см 9,6 160 Предварительные характеристики КА радиолокационного наблюдения Монитор-Р на базе космической платформы «Яхта» Таблица 5.10 Основные параметры Значение Высота орбиты, км 400 – 500 Полоса захвата, км 1) 25 –30 2) 100 – 200 Наклонение орбиты, град. полярная орбита Время существования, лет 8 – 10 Пространственное разрешение радио- 1) 3 – 5 локационного изображения, м 2) 15 – 20 Масса КА, кг до 350 Масса полезного груза, кг до 500 Длина волны сигнала, см Предварительные характеристики КА радиолокационного наблюдения Аркон-Р Таблица 5.11 Полоса обзора, км Размеры снимаемого участка земной поверхности, км Линейное разрешение на местности, м Радиометрическое разрешение, дБ Диапазон X-диапазон L-диапазон P-диапазон 2х450 2х450 2х230 Характеристики информации в кадровом режиме 2х2, 3х3, 5х5, 18х30 10х10, 30х50, 50х100 не хуже 4 не хуже 0,8 при размерах снимаемого участка до 10х10 км; не хуже 3,0 при размерах снимаемого участка до 30х50 км; не хуже 5.0 при размерах снимаемого участка до 50х100 км не хуже 3 не хуже 3 Характеристики информации в маршрутном режиме Линейное разреше- не хуже 3-20-40-80не хуже 32 ние на местности, м 175 в маршруте с шириной полосы захвата 10-50-100- 161 200-450 км соответственно Радиометрическое не хуже 1.8-0,8 в не хуже 2,5 разрешение, дБ маршруте с шириной полосы захвата 10-450 км соответственно Максимальная длина не менее 4 000 маршрута, км Ошибка определения географических координат выявленных объектов (3σ), м: 150 не более 100 при отсутствии реперных знаков в пределах снимаемого участка 60 не более 30 относительно реперных знаков в пределах снимаемого участка 350 150 Разрабатываемый аппарат с синтезированной апертурой на борту Аркон-2 предоставляет уникальную возможность оперативно получать данные об объектах, не обнаруживаемых визуально (скрытых снегом, листвой деревьев, замаскированных, заглубленных), определять скорость движущихся объектов, применять интерферометрические технологии для получения данных о рельефе местности, использовать поляриметрические характеристики объектов для дешифрирования радиолокационных снимков и др. Создавая Аркон-2, его разработчики использовали успешный опыт радио- локационного картирования поверхности Венеры с борта межпланетных станций Венера-15 и Венера-16. Уникальной особенностью проекта является двухдиапазонный радиолокатор. Система дециметрового диапазона (23 см) позволит вести наблюдения сквозь листву деревьев. Наконец, длина волны в 70 см обеспечит зондирование поверхности под слоем сухого грунта. 162 Система Аркон-2 обеспечит детальную съемку районов размером 10х10 км с разрешением до 1 м, обзорную - в полосе захвата шириной 450 км с разрешением до 50 м и маршрутную съемку с длиной полосы 400-4000 км Предварительные характеристики КА радиолокационного наблюдения Аркон-2 Таблица 5.12 Масса КА, кг Электропотребление, кВТ Высота орбиты, км Антенна Излучатели, шт. 530 3,2 600 совмещенная активная фазированная антенная решетка 12 x 3,3 м L-диапазона, Р-диапазона, 256 84 L (23) P (70) 3-30 30 Диапазон волн, см Разрешающая способность, м Полоса захвата, км 15-400 60-120 Полоса обзора, км 450 250 Поляризация при В/В, Г/Г, В/Г, В/ГВ, Г/ВГ, круговая приеме и передаче Направление обзора вправо/влево от трассы КА Наземный сегмент этой космической группировки усовершенствуется введением к уже существующим высокоинформативного наземного комплекса ПК-7 (рис. 5.3). Рис. 5.3. 163 Комплекс ПК-7 обеспечивает прием информации со скоростью до 300 Мбит/с с российских и зарубежных КА типа Метеор, Ресурс, Океан, МониторЭ, Ресурс-ДК, ERS-2 и других, имеющих орбиты высотой от 350 до 1500 км. Комплекс состоит из антенной и приемно-регистрирующей систем. Отличительными особенностями ПК-7 являются высокая максимальная скорость приема информации, возможность одновременного приема информации по двум частотным каналам (т.е. на двух несущих частотах), независимая оперативная нормировка рабочей частоты в каждом из двух каналов приема, гибкие программируемые информационные характеристики (в том числе оперативное задание скорости приема), высокоточная привязка информации к наземному времени, управление комплексом от ПЭВМ, малый объем аппаратуры комплекса за счет использования новейших технологий и высокоинтегрированной элементной базы. Аппаратно-программный комплекс включает в себя рабочие станции: управления антенной; программного управления трактом приема, демодуляции, кадровой синхронизации и имитации; оперативного просмотра принимаемой информации; регистрации информации в темпе ее поступления. Его основные тактико-технические характеристики сведены в табл. 5.12 Таблица 5.12 Параметр Диаметр зеркала антенны Поляризация Кинематическая схема антенны Рабочие скорости: по азимуту/ по углу места град/с Наведение антенны Ошибка наведения на КА, угл.мин Способ сканирования диаграммы направленности Каналы приема Значение 7м правая и левая, круговая азимутально-угломестная от 3 до 12 программное (от ПЭВМ), автосопровождение (по принимаемому с КА сигналу) ±2 электронное сканирование 2 разнесенных по частоте (1-ой или 164 Рабочая частота приема Модуляция Скорости приема информации в каждом канале при ОФМ / при ДОФМ Максимальная общая скорость приема Вероятность искажения информации Шумовая температура приемника Декодер и кадровый синхронизатор Регистрация информации Скорость регистрации Оперативный просмотр информации Формирование сигналов точного времени для привязки информации Контрольный тракт разных поляризаций) оперативно и независимо перестраиваемая в каждом канале в пределах 8,025-8,4 ГГц (с шагом 50 кГц) ОФМ, ДОФМ задается от ПЭВМ в пределах: от 4 до 75 Мбит/с / от 8 до 150 Мбит/с до 300 Мбит/с (на 1-м этапе — до 150 Мбит/с) не более 10-6 на бит 50-60 К программируемые на жестких дисках ПЭВМ в темпе приема на мониторе ПЭВМ на базе системы GPS по сечениям: цифровому, по промежуточной частоте и несущей 5.4. Перспективы использования гиперспектрального ДЗЗ Мировая тенденция развития относительно новой и пока не получившей широкого практического использования технологий так называемого гиперспектрального ДЗЗ из космоса говорит о ее перспективности. Необходимость внедрения в практику ДЗЗ детальных (в смысле спектрального разрешения, но к сожалению в ущерб пространственной разрешающей способности) съемочных систем видеоспектрометрического класса – это можно рассматривать как одно из условий дальнейшего эффективного применения космических систем ДЗЗ. Первый проект гиперспектральной съемки (после неудачи с выводом КА Lewis с гиперспектрометром на борту в 1997г.) был реализован с запуском в 2002г. экспериментального КА ЕО-1, на борту которого работал гиперспектрометр Hyperion (съемочная система имела 220 каналов в видимой и ИК-области диапазона электромагнитных колебаний (0,4-2,5 мкм). Пространственное разрешение снимков прибора - 30 м. Второй космический гиперспектрометр 165 FTHSI был установлен на борту КА MightySat II. Камера FTHSI работает в диапазоне 0,45-1,05 мкм, разделенном на 145 каналов и позволяет получать снимки с пространственным разрешением лучше 30 м. В процессе обработки на борту спутника спектральные изображения сравниваются с массивом эталонных данных. На наземную станцию передается только отобранная (представляющая интерес) в результате бортовой обработки видеоинформации. Несмотря на то, что гиперспектральная камера FTHSI была создана по заказу ВВС США, было достигнуто соглашение с фирмой Kesler Corp. на открытие доступа экологических и коммерческих организаций к некоторым изображениям, а также на выполнение ряда заказов на съемку в гражданских целях. Близок к практической реализации проект гиперспектрального спутника NEMO – Naval Earth Map Observer, разрабатываемый в интересах Военноморских сил США, а также для гражданских потребителей на коммерческой основе. Таблица 5.13 Основные характеристики зарубежных современных и перспективных гиперспектральных систем космического базирования Сенсор Агент- Спутник, Дата Ши- Пространственное Коли- Спекразрешение, м чество тральство, программа запус- рина кана- ный диака, полострана лов пазон, сы год нм обзора, км 36 405-2155 1999 2330 250(каналы 1-2) TERRA MODIS NASA (каналы 500(каналы 3-7) (EOS) 1-19) 1000(каналы 8-36) AQUA 3660(EOS) 14385 (каналы 20-36) 14 520-860 1999 60 15(каналы 1-3) ASTER NASA TERRA (каналы 30(каналы 3-7) (EOS) 1-3) 90(каналы 10-14) 1600- 166 MERIS ESA ENVISAT Hyperion NASA EO-1 ALI GLI NASA EO-1 NASDA ADEOS-2 (Japan) LISS-3 India IRS-2A 300 15 2430 (каналы 4-9) 812511650 (каналы 10-14) 400-800 2000 7,5x10 0 30x30 220 400-2500 2000 2000 30x30 250 1000 23,7 9 36 433-2350 400-2500 2000 1150 37 1600 2000 127 134 2000 15x20 FTHSI DANA/ Mihtysat2.1 ASC Warf- DANA/ Warfighter- 2001 5 ighter 1 ISTD ASC (5x20) HSI COIS ONR/ NEMO 2006 20 STDC (20x10 0) ARIES 2006 15 ARIES CSIRO (Австралия) PRISM ESA Earth Ex- 2003 50 plorer GLI-2 NASDA ADEOS- 2004 1500 2++ (Japan) 4x23 520-1700 30 150 450-1050 8 280 450-5000 30x30 210 400-2500 30x30 128 400-2500 50 190 400-2500 75 250 42 - 167 ЗАКЛЮЧЕНИЕ В целом мировая отрасль космической съемки демонстрирует высокую динамику, многопрограммность и гибкость в развитии новых видов продуктов, услуг и доступа к данным дистанционного зондирования. В сравнении с периодом конца XX начала XXI века просматриваются две тенденции в развитии систем дистанционных наблюдений. Первая обуславливает превалирование оптических сканирующих систем над всеми другими видами ДЗЗ из космоса, а вторая связана с резким повышением разрешающей способности. На фоне этих двух тенденций сохраняется зависимость дистанционного зондирования от атмосферных условий (особенно в оптическом диапазоне съемки) и наблюдается заметное сужение ширины полосы съемки (за счет достижения высокого разрешения). В последние годы прослеживается вполне достаточно устойчивые возможности для роста рынка данных ДЗЗ в различных его сегментах. Все больше ощущаются потребности в разработке информационных систем для органов местного самоуправления, внутренних дел, служб ЧС, экологического контроля и т. п. В настоящее время пользователи данных ДЗЗ рассматривают (и в некоторых случаях уже используют) возможность перехода от использования многоспектральных снимков к применению гиперспектральных данных. Ожидается повышение спроса на гиперспектральные, SAR (IFSAR) и лидарные аэросистемы, особенно с учетом того, что сенсорные технологии развиваются очень динамично и обеспечивают все более низкую стоимость работ при более обширном покрытии. В ближайшем будущем гиперспектральные системы позволят выполнять автоматизированное распознавание объектов, их идентификацию и классификацию. Благодаря этому такие секторы рынка, как оборона, сельское и лесное хозяйство смогут воспользоваться преимуществами современных методов мониторинга изменений. Альтиметрические данные, получаемые системами IFSAR и лидарами, также имеют хороший рыночный потенциал. Эти системы 168 способны обеспечивать данные, необходимые для создания высокоточных ЦМР (DEM), в которых заинтересованы те пользователи, для которых главным является точность и детальность данных о местности, в первую очередь - картография. С точки зрения интересов потенциальных потребителей данных ДЗЗ наиболее важными являются следующие критерии: - разрешение на поверхности; - полоса захвата (территория, которая попадает на один кадр); - спектральный диапазон съемки и количество каналов, которые предоставляет тот или иной сенсор; - перекрытие между отдельными сцепами для получения сте- реоизображения методами компьютерной фотограмметрии; - точность определения положения в плане и/или в пространстве; - содержание информационных слоев; - точность определения высот и уровень актуализации данных и др. В то время как все эти факторы важны для потребителей данных ДЗЗ, высокое разрешение и высокая точность пространственной привязки являются самыми важными для них. Пользователям крайне желательно субметровое разрешение, поскольку только с этого уровня становится возможным уверенное отождествление (дешифрирование) объекта местности и его характеристик. Наборы данных такого разрешения могут использоваться для анализа и проектирования городских инфраструктур или для крупномасштабного цифрового картографирования. Кроме того, они могут применяться для получения сведений о состоянии окружающей среды, а также менеджерами лесного и сельского хозяйства. При работе со снимками высокого разрешения с обширным покрытием необходимо учитывать особые требования к технологическому уровню систем хранения данных, а также к памяти и производительности применяемых компьютеров. Интерес потенциальных пользователей пространственных данных в отношении геометрической точности особенно важен для тех организаций, кото- 169 рые направляют свои усилия на обеспечение максимально точной географической привязки. Технологии оперативной географической привязки данных съемки значительно расширили рыночные возможности организаций, которые специализируются на сборе данных, но для их реализации потребуются дополнительные инвестиции в исследования и разработки. Обобщенный перечень и состав аэрокосмических данных, используемых для исследования состояния и динамики природных ресурсов по уровням мониторинга, минимальным деталям, отражающихся на снимках, показателям, которые могут быть определены по данным ДЗЗ, КА, типам аппаратуры, спектральным каналам и разрешению приведены в Приложении 1. 170 Список рекомендуемой литературы: 1. Гарбук С.В., Гершензон В.Е. Космические системы дистанционного зондирования Земли. - М.: Издательство А и Б, 1997. 2. Кашкин В.Б., Сухинин А.И. Дистанционное зондирование Земли из космоса. Цифровая обработка изображений: Учебное пособие. - М.: Логос, 2001. 3. Киенко Ю.П. Основы космического природоведения: Учебник для вузов. – М.: «Картоцентр» – «Геодезиздат», 1999. – 285 с. 4. Кравцова В.И. Космические методы картографирования / Под редакцией Ю.Ф.Книжникова. - М.: Изд-во МГУ, 1995. 5. Кравцова В.И. Космические методы исследования почв / Учебное пособие для студентов вузов - М.: Аспект Пресс, 2005. – 190 с. 6. Кронберг П. Дистанционное изучение Земли. Основы и методы дистанционных исследований в геологии. - М.: Мир, 1988. 7. Петрусевич М.Н. Аэрометоды при геологических исследованиях / Под редакцией А.А.Богданова. - М.: Госгеолтехиздат, 1961. 8. Савиных В.П., Кучко А.С., Стеценко А.Ф. Аэрокосмическая фотосъемка. Учебник. - М.: Картогеоцентр - Геодезиздат, 1997. ИНТЕРНЕТ ресурсы: 1. http://terra.nasa.gov - спутник Terra 2. http://eospso.gsfc.nasa.gov – Миссия NASA "Система Наблюдения Земли" (EOS) 3. http://asterweb.jpl.nasa.gov - спутник Aster 4. http://terra.nasa.gov/About/MODIS/about_modis.html - спутник Modis 5. http://modis.gsfc.nasa.gov - спутник Modis 6. http://www.spaceimagingme.com - спутник IKONOS 7. http://www.auslig.gov.au/acres/prod_ser/landdata.htm - спутники серии Landsat 171 8. http://www.flatoday.com/space/explore/probes/landsat7/index.htm - спутник Landsat7 9. http://nmp.nasa.gov/index_flash.html - Насовская программа нового тысячелетия 10. http://eo1.gsfc.nasa.gov - спутник Hyperion 11. http://speclib.jpl.nasa.gov/ - спектральная библиотека Aster 12. http://www.hme.uk.com/Links.html - ссылки на адреса с источниками данных (изображения Земли), описание различных спутников и датчиков, список организаций, геологическая информация, ГИС, картирование 13. http://www.ccrs.nrcan.gc.ca/ccrs/homepg.pl?e - Канадский центр дистанционного зондирования 14. http://www.sti-government.com/Spectral_Imaging.html - STI Government Systems 172 Приложения Таблица П.1. 2330 1999 60 ESA ENVISAT 2000 “Hyperion” NASA EO-1 ALI NASA GLI NASDA (Japan) India ASTER NASA MERIS LISS-3 FTHSI Warfighter HSI COIS ARIES PRISM 250(каналы1-2) 500(каналы -7) 1000 (каналы8-36) 15(каналы 1-3) 30(каналы 3-7) 90(каналы 1014) 36 1150 300 15 405-2155 (каналы 1-19) 3660-14385 (каналы 20-36) 520-860 (каналы 1-3) 1600-2430 (каналы 4-9) 8125-11650 (каналы 10-14) 400-800 2000 7,5x100 30x30 220 400-2500 EO-1 2000 37 30x30 9 433-2350 ADEOS-2 2000 1600 36 400-2500 IRS-2A 2000 4x23 520-1700 DANA/ ASC DANA/ ASC ONR/ STDC Mihtysat2.1 Warfighter1 ISTD NEMO 2000 127 134 15x20 250 1000 23,7 30 150 450-1050 8 280 450-5000 >2006 30x30 210 400-2500 CSIRO (Австралия) ESA ARIES >2006 30x30 128 400-2500 50 50 190 400-2500 1500 75 250 42 - 2007 10-200 10 - - 2006 - - - - 2001 AMODIS NASDA (Japan) NASA Earth Ex- 2003 plorer ADEOS2004 2++ EOS-AM2 SkyMedCOSMO AMODIS ASI (Италия) NASA COSMOSkyMed EOS-PM2 GLI-2 Спектральный диапазон, нм 1999 Количество каналов Дата запуска TERRA(EOS) AQUA(EOS) TERRA(EOS) MODIS Пространстенное разрешение, м КА, программа NASA Сенсор Агентство, страна Ширина полосы обзора, км Сравнительные характеристики зарубежных действующих и перспективных гиперспектральных сенсоров космического базирования 5 (5x20) 20 (20x100 ) 15 14 Launch date June 26, 1978 April, October 1994 March 31, 1991 1991, 1995 Nationality USA USA Soviet Union Europe Wavelength L-(23,5) X-(3,0) C-(5,8) S-(9,6) C-(5,6) Polarization Azimuth resolution (m) HH 25 L-(23,5) HH HV 30 February 11, 2000 November 1995, 1992, 2005 2004 Japan USA, German Canada L-(23,5) C 15 VV 30 HH 18 30 90 June 15, 2007 Europe German C-(5,6) X, Ka X-(3,0) HH HH, VV HH, HV HH,VV,VH,HV VH VV 8-100 10-30 150-1000 1, 2 3 10-30 150-1000 1,5 1,7 3-100 1 km Range resolution (m) Swath width, km 25 100 10-90 15-90 15-30 20-45 26 100 18 75 TerraSARX, 3 modes Spotlight, StripMap, ScanSAR March 1, 2002 X HH ENVISAT ASAR MERIS RADAR SAT RADARSA T-2, SRTM JERS-1, POLSAR ERS-1,2 ALMAZ-1 SIR-C/XSAR SEASAT Parameter Характеристики спутников, используемых радарных измерений 8-100 50-500 100-1150 16 1,7 5 10, 30 Altitude, km 800 225 300 Mission duration 105 days 10 days 18 month 785 568 6,5 years 798 514 5 years 5 years
