«Телевизионные космические системы наблюдения»

Лекция 1

"Космические системы наблюдения Земли – назначение и решаемые задачи".

Лекции посвящены телевизионным космическим системам наблюдения Земли из Космоса. Следует сразу обратить внимание, что речь не идет о традиционном телевидении, как его принято понимать, пусть даже и транслируемом через космические спутники ретрансляции и связи. Речь будет идти о совершенно самостоятельной области, которая с телевидением связана, возможно, только в какой-то мере исторически, а еще самим смыслом слова "телевидение", где первая часть слова "теле" означает "далеко", а вторая "видеть". В этом смысле космические системы наблюдения действительно являются телевизионными, хотя по своему построению и организации, целям и решаемым задачам они существенно отличаются от традиционных систем телевидения.

Таким образом, телевизионной системой наблюдения Земли из Космоса можно назвать совокупность оптической и радиоэлектронной аппаратуры, устанавливаемой на борту космического аппарата и позволяющей производить съемку поверхности Земли из Космоса, преобразование оптических изображений в электрические сигналы, осуществлять накопление, хранение и передачу данных на наземный приемный пункт через аналоговые или цифровые радиолинии.

Еще раз, повторив, что речь в дальнейшем будет идти только о телевизионных системах наблюдения Земли из Космоса, так не менее интересно посмотреть, какие телевизионные системы наблюдения используются в Космосе вообще. На рисунке 1 показана условная классификация космических систем наблюдения.

Телевизионные системы контроля функционирования космических аппаратов и их отдельных агрегатов, могут представлять собой простые телевизионные системы, аналогичные традиционному телевидению, а также малокадровые системы, передающие небольшое количество кадров, в моменты ответственных операций: разделение ступеней ракетоносителя, отделение полезной нагрузки, раскрытие панелей солнечных батарей и т.п. Если в обычных телевизионных системах традиционные телевизионные устройства, приспособленные для работы в Космосе, то в малокадровых телевизионных системах для контроля каких-либо операций все чаще применяются миниатюрные телевизионные камеры на базе матриц фотоприемниках, изготовленных по КМОП - технологии. Так называемые CMOS-матрицы или APS (active pixel sensor).

Телевизионная аппаратура наблюдения для межпланетных станций, так же представляет собой малокадровую систему. Это обусловлено, в основном, двумя причинами: во первых, такой аппаратуре практически не приходится осуществлять съемок быстроизменяющихся процессов и явлений и поэтому интервалы между отдельными кадрами могут составлять единицы секунд, минут или даже часы и дни. Второе условие, это небольшие пропускные способности радиоканалов дальней космической связи, которые ограничивают общее количество информации, которая может быть передана из дальнего Космоса на Землю. Еще одно существенное отличие телевизионных систем наблюдения космических межпланетных станций заключается в том, что им приходиться вести свои наблюдения и съемку планет, их спутников, астероидов, комет с очень больших расстояний, зачастую в несколько тысяч, десятков тысяч или даже сотен тысяч километров. Все это обуславливает применение очень длиннофокусной оптики и кадровых телевизионных систем на основе фотоприемных матриц ПЗС форматом около 1000 х 1000 пикселов. Такие телевизионные системы работают по сути как электронный фотоаппарат. В случае применения телевизионной аппаратуры на спускаемых на поверхность планет аппаратах, также используются телевизионные малокадровые системы на основе кадровых ПЗС, но с небольшими значениями фокусных расстояний, так как в этих случаях бывает очень нужна панорамная съемка местности. И только при исследованиях планет с космических аппаратов выведенных на орбиты вокруг планет (например, Марса), условия съемки приближаются к условиям съемки Земли. В этом случае, принципы построения съемочной аппаратуры могут быть аналогичны применяемым на орбите около Земли. А единственным серьезным ограничением остается огромная удаленность от Земли (десятки миллионов километров) и связанная с этим невысокая пропускная способность радиолинии. Поэтому и в этом случае не удается получить высокого пространственного разрешения, хотя наблюдения ведется с высот, в несколько сот километров, аналогично тому, как это делается при съемках Земли.

На рисунке 2 приведены примеры съемки Юпитера, Марса, и спутника Юпитера - Европы.

Юпитер и его «Красное пятно»

Участок поверхности Марса

Спутник Юпитера Европа

Перейдем, собственно, к телевизионным системам наблюдения Земли из Космоса.

Первые космические снимки земной поверхности были получены в 1945 г. при помощи фотоаппарата установленного на баллистической ракете Fau-2 (немецкого производства), запущенной с американского испытательного полигона White Sands. Это была фотопленочная система с возвращаемой на Землю капсулой.

Первая телевизионная система, осуществляющая систематический обзор поверхности Земли в метеорологических целях была установлена на американском космическом аппарате "Tiros-1", запущенном 1 апреля 1960 г. Первый отечественный ИСЗ аналогичного назначения "Космос-122" был выведен на орбиту 25 июня 1966 г.

С тех пор телевизионные системы наблюдения Земли из Космоса получили широчайшее распространение. Оформилось даже целое направление научно-технической деятельности, которое получило название – Дистанционное Зондирование Земли (ДЗЗ) или по-английски Earth Remote Sensing.

В специальной и популярной аппаратуре можно встретить различные словосочетания с ДЗЗ: аппаратура ДЗЗ – телевизионная оптико-электронная аппаратура наблюдения поверхности Земли в различных спектральных диапазонах; космические системы ДЗЗ – системы состоящие из одного или нескольких спутников наблюдения Земли с аппаратурой ДЗЗ, такие системы включают в себя и наземные приемные станции; методы ДЗЗ – совокупность алгоритмов и программ для извлечения полезной информации, полученной аппаратурой ДЗЗ.

Назначение космических телевизионных систем и решаемые задачи.

На сегодняшний день не существует общепризнанной классификации научных и народнохозяйственных задач, при решении которых используются космические телевизионные системы наблюдения Земли. Тем не менее, спектр этих задач очень широк и включает оперативный спутниковый контроль природных ресурсов, исследование динамических процессов на суше, в океанах и в атмосфере, сбор метеорологической информации, сбор и оперативная обработка данных о зонах возможных катастроф и экологических бедствий.

Огромная роль отводится космическим телевизионным системам при создании топографических электронных карт различного масштаба, при этом информация ДЗЗ позволяет оперативно оценивать происходящие изменения и проводить обновление данных для ГИС (геоинформационные системы). Можно выделить девять основных направлений использования информации ДЗЗ, получаемой телевизионными космическими системами наблюдения:

1. Сельское хозяйство:

• инвентаризация сельскохозяйственных угодий;

• идентификация различных типов сельскохозяйственных культур;

• сельскохозяйственное почвоведение;

• сельскохозяйственная гидрология;

• сельскохозяйственная метеорология;

• предотвращение сельскохозяйственных катастроф;

• прогнозирование урожаев и анализ сельскохозяйственного потенциала.

2. Климатология, контроль глобальных атмосферных явлений:

• измерение концентраций газов, вызывающих парниковый эффект;

• контроль содержания озона в атмосфере;

• исследование радиационного баланса Земли;

• измерение солнечной постоянной;

• измерение температуры поверхности Земли и моря;

• контроль содержания аэрозолей в земной атмосфере;

• контроль за загрязнением Земной атмосферы;

• наблюдение за формированием и перемещением облаков (циклонов, тайфунов);

• измерения вертикального профиля температуры в атмосфере;

• наблюдение грозовой активности;

• измерение влажности атмосферы.

3. Поиск полезных ископаемых и энергоносителей.

• поиск нефти, природного газа и угля;

• геологоразведочные задачи обзорного масштаба;

• геологоразведочные задачи регионального масштаба;

• получение информации, необходимой для строительства гидроэлектростанций.

4. Землепользование:

• топографическое картографирование;

• наблюдение за ростом городов;

• наблюдение за пастбищами, распределение и миграция животных;

• составление земельных кадастров.

5. Наблюдение прибрежных земель морей и океанов:

• контроль динамики развития фитопланктона;

• изучение механизмов глобального теплообмена в океана;

• изучение океанских ресурсов;

• выявление источников загрязнения океана.

6. Лесное хозяйство:

• контроль за уничтожением лесов;

• определение типов лесонасаждений и доминирующих пород;

• оценка запасов лесоматериалов;

• картографирование лесов и измерение площади;

• количественная оценка биомассы;

• лесоводство;

• изучение водного режима лесных массивов.

7. Контроль водных ресурсов:

• анализ взаимодействия льда и атмосферы;

• измерение температуры и толщина льда;

• выявление и классификация областей снежного покрова;

• определение характеристик снежного покрова;

• определение водного эквивалента снега;

• косвенное обнаружение грунтовых вод, очерчивание водных слоев;

• мониторинг наводнений;

• контроль качества воды.

8. Мониторинг чрезвычайных ситуаций:

• предупреждение, контроль и оценка последствий наводнений;

• организация информационного обеспечения в экстренных ситуациях (землетрясения, пожары, наводнения).

9. Видовая военная разведка:

• контроль военных баз, портов и аэродромов потенциальных противников;

• выявление целей для нанесения ударов;

• выявление скоплений и мест дислокации потенциального противника;

• выявление мест расположения стратегического оружия.

Перечисленные выше задачи не могут быть решены каким-то одним прибором или одной системой ДЗЗ. Все многообразие задач перекрывается большим количеством приборов работающих в различных спектральных диапазонах: ультрафиолетовом (УФ) (0,2 – 0,4 мкм), видимом (ВД) (0,4 - 0,9 мкм), ближнем инфракрасном (БИК) (0,9 – 1,1 мкм; 1,5 – 2,5 мкм), среднем ИК (3,5 – 5 мкм); дальнем ИК –диапазоне 8* - 12 мкм) и в плоть до 40 мкм, а также в СВЧ диапазоне и с применением радиолокаторов.

В УФ и видимом диапазонах спектра телевизионная аппаратура регистрирует отраженное солнечное излучение, прошедшее через атмосферу, а в ИК диапазоне собственное тепловое излечение Земли.

В задачи этого курса не входит анализировать все варианты используемой в ДЗЗ телевизионной съемочной аппаратуры. Поэтому, основные принципы построения телевизионной космической аппаратуры наблюдения будут рассмотрены на примере видимого диапазона, где, в основном, используются фотоприемники на основе приборов с зарядовой связью. Для общности следует отметить, что выбор того или иного спектрального диапазона наблюдения определяется решаемой задачей, а также свойствами атмосферы Земли. Дело в том, что атмосфера Земли не является прозрачной во всем диапазоне электромагнитного излучения, поэтому наблюдать поверхность Земли из Космоса можно только, в так называемых, "окнах прозрачности" атмосферы: в пределах видимой области это 0,4 – 1,0 мкм; в ближнем ИК диапазоне 1,5 – 1,75 мкм; в среднем ИК диапазоне 3,0 – 5,0 мкм, а в дальнем ИК диапазоне 8,0 – 12,0 мкм.

Современные системы дистанционного зондирования Земли из Космоса держатся на "четырех китах":

• носители съемочной аппаратуры (спутники или космические аппараты);

• собственно телевизионная съемочная аппаратура (аппаратура ДЗЗ);

• средства передачи данных на Землю по радиоканалу;

• наземные средства приема (приемные станции) и обработки космической информации.

Для размещения телевизионной съемочной аппаратуры, в основном используются спутники, запускаемые на геостационарные круговые орбиты. Геостационарная орбита это орбита, расположенная в плоскости экватора с высотой 36000 км над поверхностью Земли. Находящийся на такой орбите спутник как бы "весит" над одной точкой поверхности Земли, т.к. его период обращения вокруг Земли составляет ровно 24 часа, т.е. сутки. На таких орбитах обычно размещают спутники с метеорологической аппаратурой (например американские спутники серииGOES, METEOSAT, российский "Электро".

Геостационарная орбита хороша для наблюдения глобальных процессов на поверхности Земли, т.к. с высоты 36000 км видна почти полное полушарие. На фотографии показано изображение Земли в ИК диапазоне с российского спутника "Электро". В реальности из-за сферичности Земли и увеличения длины прохождения излучения в атмосфере области на краях диска видны плохо. Если края диска Земли по долготе могут быть хорошо наблюдаемы с другого геостационарного спутника, то высокоширотные районы (выше 50 с.ш. и 50 ю.ш.) неудобны для наблюдения. Для наблюдения за всей поверхностью применяется аппаратура, располагаемая на околополярных орбитах. Это круговые орбиты, наклонение которых близко к 90 (83º - 97º). Спутники, находящиеся на такой орбите пролетают, как над экватором, так и над околополярными областями и имеют возможность осуществлять съемку всей земной поверхности. У этих орбит с точки зрения ДЗЗ, также, есть свои недостатки, связанные с тем, что съемка будет производиться в разное время дня, в разных условиях освещенности. Но из этой ситуации есть выход – существуют, так называемые, "солнечносинхронные" орбиты, находясь на которой спутник будет пролетать над одними и теми же районами в одно и тоже время суток. Тем самым будет обеспечено удобство съемки телевизионной съемочной аппаратуры. Именно на таких орбитах и используются большинство систем ДЗЗ. К таким спутникам относятся NOAA (США), SPOT (Франция), IRS (Индия), ADEOS (Япония), "Ресурс - О" (Россия) идр.

Фрагмент космического снимка с пространственным разрешением около 250 м КА «Terra»

Полуостров Крым