Навигационные спутники и спутниковые системы

18. Работу навигационных спутников можно рассмотреть на примере отечественной системы глонасс.

Основой системы глобального позиционирования должны являться 24 спутника, движущихся над поверхностью Земли в 3-х орбитальных плоскостях с наклонением 64,8°, и высотой 19100 км. Принцип измерения аналогичен американской системе GPS (NAVSTAR).

Первый спутник ГЛОНАСС был выведен Советским Союзом на орбиту 12 октября 1982 года. 24 сентября 1993 года система была официально принята в эксплуатацию. В 1995 году спутниковая группировка составила 24 аппарата. Впоследствии из-за недостаточного финансирования число работающих спутников сократилось. В августе 2001 года была принята федеральная целевая программа «Глобальная навигационная система», согласно которой полное покрытие территории России планировалось уже́ в начале 2008 года, а глобальных масштабов система достигла бы к началу 2010 года. Для решения данной задачи планировалось в течение 2007, 2008 и 2009 годов произвести шесть запусков РН, и вывести на орбиту 18 спутников — таким образом к концу 2009 года группировка вновь насчитывала бы 24 аппарата. В конце марта 2008 года совет главных конструкторов по российской глобальной навигационной спутниковой системе (ГЛОНАСС), заседавший в Российском научно-исследовательском институте космического приборостроения, несколько скорректировал сроки развёртывания космического сегмента ГЛОНАСС. Прежние планы предполагали, что на территории России системой станет возможно пользоваться уже́ к 31 декабря 2007 года; однако для этого требовалось 18 работающих спутников, из которых некоторые успели выработать свой гарантийный ресурс и прекратили работать. Таким образом, хотя в 2007 году план по запускам спутников ГЛОНАСС был выполнен (на орбиту вышли шесть аппаратов), орбитальная группировка по состоянию на 27 марта 2008 года включала лишь шестнадцать работающих спутников. На совете главных конструкторов ГЛОНАСС план развёртывания системы был скорректирован с той целью, чтобы на территории России система ГЛОНАСС заработала хотя бы к 31 декабря 2008 года, планы были реализованы в срок. Запуск новых спутников «ГЛОНАСС-М» был продолжен что позволило к началу 2012 года создать систему глобальную систему позиционирования состоящую из 30 спутников.

Глонас К — первый отечественный навигационный спутник

Система глобального позиционирования ГЛОНАСС

Отличия между космическими съемками и аэросъемкой.

В отношении применяемой съемочной аппаратуры принципиальных различий нет. Хотя есть конкретные модели аппаратуры, используемые только в космосе или только на самолете, все же принципиальные основные типы сенсоров можно использовать и там и там. Основное отличие в высоте, с которой производится съемка, а, значит,и в масштабеполучаемого изображения. Это, в свою очередь, приводит к различиюв пространственном разрешении и в площади, покрываемой одним кадром.

Аэросъемки в принципе, могут проводиться почти с любых высот полета в пределах потолка летательного аппарата (обычно до 10 км). Космические съемки всегда ведутся с высот значительно более 100 км (обычно 200-400 км). И, следовательно, масштабы изображений, получаемые при аэросъемке одни, а для космических съемок совсем другие. Соответственно и пространственное разрешение - на аэроснимках обычное дело увидеть объекты размером много менее метра, а для космических снимков объекты размером в 1 -2 метра - это очень хороший показатель. Но зато площади, покрываемые одним кадром космического снимка, могут быть огромны (высокая обзорность); тысячи и десятки тысяч км², и даже размером в целое полушарие для метеорологических съемок низкого разрешения.

Спутниковые изображения и аэрофотоснимки –достоинства и недостатки:

Оптические спутниковые изображения	Аэрофотоснимки (на пленке)
Цена возрастает пропорционально увеличению площади	С увеличением площади цена растет в меньшей степени.
Данные фиксируются в цифровом виде, поэтому не нужно обрабатывать пленку.	Данные обычно записываются на пленку. Требуется сканирование и коррекция за направление полета.
Облачность является большой проблемой. Период повторного посещения от 3 дней и более.	Самолет может летать ниже облаков или повторить полет на следующий день.
Минимальная площадь заказа составляет всего 64 кв. км.	Аэрофотосъемка нерентабельна для небольших площадей
Никакого согласования для проведения космической съемки не требуется.	Процедура планирования и согласования проведения аэрофотосъемки сложна и занимает много времени
В настоящее время самым лучшим считается пространственное разрешение 50 см.	Можно получать изображения с разрешением до нескольких сантиметров в зависимости от высоты полета.
Одновременно получают изображения в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах.	Пленочные камеры обычно получают раздельно цветные и инфракрасные изображения.
Одна сцена покрывает площадь городской застройки 10х10 км или 16х16 км (IK и QB).	На снимках масштаба 1:40 000 с размером пиксела 1 м используемая площадь одного кадра равна 3.6 км х 6.4 км.
Составление мозаики занимает меньше времени.	Составление мозаики занимает больше времени.
Из-за распространенности околополярных спутниковых орбит более предпочтительным является направление получения изображений с Севера на Юг, чем с Востока на Запад.	Направление получения изображений не имеет значения
Средний срок поставки изображения после заказа составляет 7 дней. Для некоторых облачных/дождливых районов срок может увеличиваться до месяца.	Срок поставки изображения зависит только от доступности самолета и от летной погоды.
Быстрота и удобство обработки цифровых данных в камеральных условиях.	Трудоемкость и вследствие этого большие затраты при обработке результатов аэрофотосъемки в камеральных условиях
Возможность покрытия одним снимком больших площадей без необходимости последующей «сшивки» отдельных фрагментов.	Необходимость сшивки небольших фрагментов в единый массив

Классификация снимков.

По спектральному диапазону снимки делятся на три основные группы:

• в видимом и ближнем инфракрасном (световом) диапазоне;

• в тепловом инфракрасном диапазоне;

• снимки в радиодиапазоне.

По технологии получения изображения, способам получения снимков и передачи на Землю снимки в видимом и ближнем инфракрасном (световом) диапазоне подразделяют на:

• фотографические;

• телевизионные и сканерные;

• многоэлементные ПЗС-снимки на основе приборов с зарядовой связью;

• фототелевизионные.

Снимки в тепловом инфракрасном диапазоне представляют собой тепловые инфракрасные радиометрические снимки. Снимки в радиодиапазоне делятся в зависимости от использования активного или пассивного принципа съемки на микроволновые радиометрические, получаемые при пассивной регистрации излучения, и радиолокационные, получаемые при активной локации.

По масштабу космические снимки делятся на три группы:

- мелкомасштабные (1:10000000—1:100000000);

- среднемасштабные (1:1 000000— 1:10000000);

- крупномасштабные (крупнее 1:1 000000).

По обзорности (площадному охвату территории одним снимком) снимки подразделяются на:

• глобальные (охватывающие всю планету, точнее, освещенную часть одного полушария);

• региональные, на которых изображаются части материков или крупные регионы;

• локальные, на которых изображаются части регионов.

По разрешению (минимальной линейной величине на местности изображающихся объектов) снимки различаются на снимки:

• очень низкого разрешения, измеряющееся десятками километров;

• низкого разрешения, измеряющегося километрами;

• среднего разрешения, измеряющегося сотнями метров;

• снимки высокого разрешения, измеряющегося десятками метров;

• сверхвысокого разрешения, на которых изображаются объекты размером менее 10м.

По детальности изображения, определяемой размерами элементов изображения и их количеством на единицу площади, выделяют снимки малой, средней, большой и очень большой детальности.

По повторяемости съемки снимки подразделяются на снятые через несколько минут, часов, суток или лет. Бывают и разовые съемки.

Какая техника используется сегодня для получения данных зондирования Земли.

Наибольшее значение имеют два продукта сенсоров: аналоговые фотографические системы и цифровые съемочные системы. Аэрофотоаппараты и их космические аналоги - это весьма сложные и точные устройства, заполненные разной электроникой, установленные на гиростабилизированной платформе. Отснятый в воздухе или в космосе негатив после возвращения на Землю проявляется и печатается для использования как обычный фотоснимок. Предпочтительнее иметь дело не с отпечатком на бумаге, а с исходным негативом на пленке, на нем лучше различимы многие детали изображения. Это происходит в силу того, что при печати на фотобумагу уменьшается радиометрическое (яркостное) разрешение снимка - пропадают детали в самых светлых, или в самых темных местах изображения или теряется контраст всего изображения - оно "сереет". Поэтому когда для ввода в компьютер фотоизображение сканируют, то всегда стараются сканировать исходные негативы на специальном сканере, который работает на просвет, а не на отражение.

По принципиальной оптической схеме аэро- и космофотоаппараты могут быть вполне подобны обычным - тогда это камеры для по кадровой съемки (рамочная камера), только в этих аппаратах используется специальная пленка большой ширины (18 см, 24 см, и др.).

Получаемые такой камерой снимки имеют центральную проекцию, и этим резко отличны от большинства карт. В силу свойств центральной проекции такой снимок не имеет постоянного масштаба- масштаб на нем в разных участках и вдоль разных направлений различен, в силу этого форма и размеры объектов на нем передаются с искажениями, и точные измерения по снимку нельзя делать без специальных приемов.

Как сделать возможными такие измерения, как сделать снимок геометрически точным измерительным инструментом, этим занимается специальная прикладная дисциплина - фотограмметрия. Фотограмметрические методики позволяют так трансформировать снимок, чтобы он стал как бы планом или картой. Такое трансформирование раньше выполняли с помощью очень громоздкой и дорогой оптико-механической аппаратуры, сегодня для этого существуют специальные компьютерные программы.

Есть еще специфический вид геометрических искажений на снимке, связанный с рельефом местности. Если местность имеет не совсем плоский рельеф, то объекты на снимке смещаются относительно своего "правильного" положения в зависимости от высоты местности, на которой они находятся. Это легко представить себе, вообразив, как будет выглядеть на снимке изображение столба, расположенного в стороне от центра снимка. Мы будем видеть и его верх и низ несколько разнесенными - верх будет чуть дальше от центра снимка, чем низ. А ведь в плане вертикальный столб должен бы видеться как точка.

Последний вид искажений также может быть устранен практически полностью, но для этого требуется знание рельефа местности, для цифровых методов - цифровой модели рельефа. Этот процесс устранения искажений за счет рельефа называется ортотрансформированием. Этот процесс тоже может быть проведен на компьютере, и цифровые ортофото сегодня находят самое широкое применение в ГИС.

Есть фотоаппараты с более сложной геометрией снимка- щелевые и панорамные камеры с движущимся при экспонировании объективом. В результате работы этих аппаратов образуется длинная полоса изображения, а не отдельные кадры. Геометрические свойства таких снимков совершенно отличаются от "по кадровых".

Рис. 5 Схемы построения изображений различными фотоаппаратами:

а – кадровым; б – щелевым; в – панорамным [10]

Какая пленка используется при получении данных дистанционного зондирования Земли.

Наиболее привычными для аэрофотосъемочных систем являются черно-белые пленки (черно-белые фото) в видимой зоне спектра. Они же часто используются и для космических фотосъемок, особенно для съемок системами высокого разрешения. Такие черно-белые пленки имеют наименьшую зернистость структуры изображения, и обеспечивают наиболее высокое разрешение при том же фокусном расстоянии объектива и высоте съемки.

Видимый диапазон(примерно от 400 до 700 нанометров, 400-500 нм - синяя зона, 500-600 нм - зеленая, 600-700 нм - красная) - это очень небольшая часть электромагнитного спектра, который представляет интерес для дистанционного зондирования Земли. Более короткие длины волн - ультрафиолетовая область - мало используется в дистанционном зондировании из-за очень сильного поглощения в атмосфере. Зато инфракрасная область, занимающая огромный участок спектра, от 700 до 15000 нм, очень информативна и широко используется в дистанционном зондировании.

Особенно информативным считается диапазон 2000-5000 нм потому, что именно в этой области лежат многие характерные пики спектров отражения природных сред, позволяющих их распознавать методами дистанционного зондирования.

Чем шире область электромагнитного спектра, тем больше в ней содержится информации о природных объектах. Это точно так же, как цветная фотография позволяет нам легко различить объекты, почти или вовсе неразличимые на черно-белом снимке.

Однако когда весь широкий диапазон спектра от синего до инфракрасного фиксируется одним датчиком (или одним светочувствительным слоем фотопленки) - снимок крайне неинформативен. Никогда не будет ясно, за счет, какого цвета (зоны спектра) данный участок светлее соседнего - все смешиваются без возможности разделения. Выход был найден (для фотографического типа сенсоров) в использовании так называемой спектрозональной пленки. Эта такая разновидность цветной пленки, слои которой чувствительны к отдельным зонам спектра, но не к трем базовым цветам - синему, зеленому и красному, на которых основан наш механизм цветного зрения. По информативности спектрозональные съемки значительно превосходят цветные съемки в естественных цветах при таком же геометрическом разрешении. Еще более перспективным является способ раздельной фиксации каждой зоны спектра, без синтезирования их общего эффекта уже в процессе съемки. Такой подход реализуем как в чисто фотографических, так и в цифровых системах съемки. Для фото систем он реализуется с помощью специальной конструкции фотоаппаратов, представляющих собой несколько отдельных камер, каждая со своим объективом и пленкой, смонтированных вместе и имеющих синхронизированные между собой затворы.

В результате съемок получается несколько (в зависимости от числа камер) черно-белых (точнее, полутоновых, не цветных) изображений, каждое из которых фиксирует яркость объекта в отдельной зоне спектра. Каждое из этих изображений может изучаться по отдельности, как черно-белое, но с той разницей, что мы точно знаем узкую зону спектра, в которой оно было снято.

Но главное - мы можем произвольным образом синтезировать цветное изображение в псевдоцветах, подбирая интересующие нас зоны съемки и присваивая им любые из трех основных цветов. При этом мы получаем не один вариант синтеза цветного изображения, предопределенный уже при съемке, а множество.

Однако такие "многозональные" съемки в фотографическом варианте имеют много недостатков, которые особенно проявляются при обработке снимков компьютерными средствами. Во-первых, для синтезирования цветного изображения из разных зон, снятых по отдельности, эти раздельные кадры необходимо точно совместить. Это может делаться и с помощью оптико-механических приборов, и в цифровых системах. Но главный недостаток - общий для всех фотографических систем - недостаточная оперативность. Надо ждать, пока будет отснята вся пленка, когда приземлится летательный аппарат или специальная капсула со спутника, пока будет проявлена пленка, а для использования в компьютере ее еще требуется сканировать.

Поэтому в последнее время основной интерес вызывают и имеют наибольшее применение чисто цифровые съемочные системы. Эти системы могут быть как черно-белые (ведущие съемку в каком-то одном диапазоне), так и многозональные (мультиспектральные). Есть варианты для аэросъемки, есть космические. Наиболее известны космические многозональные системы -SPOT,LANDSAT,NOAA. Эти спутники проводят (или могут проводить) непрерывную съемку той территории, над которой они пролетают, при этом, непрерывно передавая на Землю снимаемое изображение. Приемная станция на Земле в состоянии принимать все, что видит спутник, будучи в зоне видимости самой станции. Однако зоны приема этих станций покрывают далеко не всю Землю. Поэтому на многих спутниках есть специальная аппаратура, позволяющая по заданной программе записывать съемки какой-либо территории, лишенной приемных станций, а потом выдавать ее, пролетая в зоне видимости одной из станций.

Пространственное разрешение цифровых систем несколько хуже, чем фотографических. Например, при космических съемках фото системы уже давно дают снимки разрешением 1-2 метра, а такие же цифровые -10-30 м, и только сейчас готовятся запуски сотников с цифровой аппаратурой, обеспечивающей 1 - метровое разрешение.

Так же существуют телевизионные (видеосъемки), где изображение фиксируется телекамерой и тут же передается на Землю со спутника или фиксируется на бортовой видеомагнитофон. Этот вид съемок сейчас применяется мало, в основном в авиа варианте вдоль линейных сооружений (дорог, рек, линий ЛЭП, трубопроводов) для контроля их состояния. В этой области сейчас тоже есть специализированные цифровые системы, обеспечивающие использование компьютера для работы с собранной информацией.

Так же особого разговора заслуживают радарные (радиолокационные)снимки. Они отличаются от всех остальных данных дистанционного зондирования как по характеристикам, методам получения и обработки, так и по специфике их использования. В отличие от других съемочных систем, которые регистрируют отраженное от земной поверхности солнечное излучение или собственное тепловое излучение ИК диапазона, (пассивных сенсоров), радар - активный сенсор. Поэтому основным достоинством радарных снимков является их независимость от времени суток и времени года, а также погодных условий (облачный покров совершенно прозрачен для радара).

[1] – Гершензон В.Е., Смирнова Е.В., Элиас В.В. Информационные технологии в управлении качеством среды обитания. Учебное пособие. М.: ACADEMIA, 2003.

[2] – Федотов Г.А. Инженерная геодезия. М.: Высшая школа, 2004