ОПТИКО-ЦИФРОВЫЕ СИСТЕМЫ И КОМПЛЕКСЫ КОСМИЧЕСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ
К 110-летию СПбГУ ИТМО
УДК 528.8 (15)
А. В. ДЕМИН, А. В. ДЕНИСОВ, А. В. ЛЕТУНОВСКИЙ
ОПТИКО-ЦИФРОВЫЕ СИСТЕМЫ И КОМПЛЕКСЫ КОСМИЧЕСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ
На основе данных из общедоступных источников рассматривается тенденция развития основных направлений оптико-цифровых систем и комплексов дистанционного зондирования Земли из космоса.
Ключевые слова: оптико-цифровые системы и комплексы космического назначения, дистанционное зондирование Земли, астрометрия, линейное разрешение на местности, космический аппарат.
Повышение эффективности управления научно-техническими и технологическими процессами, связанными с разнообразными направлениями исследований в интересах народного хозяйства и обороноспособности страны, а также изучения ближнего и дальнего космоса, требует использования дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) и возможностей такого направления исследований, как астрометрия. Определим основные направления разработок для решения практических задач, стоящих перед оптико-цифровыми системами и комплексами (ОЦСиК), устанавливаемыми на борт космического аппарата массой 100—2000 кг [1—23].
Дистанционное зондирование Земли: — линейное разрешение на местности не хуже 0,5 м для панхроматического канала и менее 3 м — для мультиспектрального; — полоса захвата порядка 20 км; — отношение сигнал/шум не хуже 150; — функция передачи модуляции на зачетной частоте не хуже 0,2. Астрометрия: — создание высокоточного (погрешность — не хуже 25⋅10–6 секунд дуги) каталога положений (точность положений и собственных движений — не хуже 1⋅10–3 секунды дуги; точность определения параллакса — порядка 4⋅10–5 секунд дуги для звезд, величина которых составляет 16 m; точность фотометрии — 0,01—0,10 м для длины волны 0,2—10 мкм, число спектральных полос 10—16) и собственных движений небесных объектов — до 18 m; — создание каталога спектральных энергетических распределений (R~1/2000) звезд до 12 m (выборочно — до 16—18 m) и лучевых скоростей всех звезд до 18—19 m в 4—6 независимых интервалах спектра. Рассмотрим первое из указанных направлений. Использование дистанционного зондирования Земли в оптическом диапазоне длин волн позволяет получать информацию как о географических и геофизических ее параметрах, так и о техногенных процессах, происходящих на поверхности Земли, что повышает ценность этой информации. ДЗЗ в зависимости от задач, для решения которых оно предназначено, осуществляется методами маршрутной,
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2010. Т. 53, № 3
52 А. В. Демин, А. В. Денисов, А. В. Летуновский
объектовой, стереоскопической, статической, динамической, топографической и спектрометрической съемки. ДЗЗ в оптическом диапазоне осуществляется с помощью ОЦСиК, устанавливаемых на борт космических аппаратов (КА). Развитие космических ОЦСиК идет по пути создания пакета схемотехнических решений и информационных технологий, позволяющих разрабатывать и создавать комплексы с уникальным сочетанием информационных, энергетических, точностных и массогабаритных параметров.
В соответствии с концепцией построения нового поколения комплексов космического базирования различного назначения предполагается создание ОЦСиК, обеспечивающих:
— мониторинг поверхности Земли с высоким пространственным и энергетическим разрешением;
— получение информации для описания поверхности Земли и ее топографии с высокой точностью;
— решение задач астрометрии с высокой точностью; — проведение астрофизических исследований (включая спектрометрию) с высокой точностью и достоверностью. Также для дальнейших исследований необходимы: — учет возможных направлений совершенствования информационных технологий в наземном сегменте с целью увеличения его производительности для удовлетворения запросов потребителей; — совершенствование технологии и методологии космических исследований с целью повышения надежности и достоверности обнаружения самых различных подвижных и неподвижных объектов на сложном фоне. Новые конструкторско-технологические решения для создания перспективных ОЦСиК должны быть основаны на следующих направлениях: — разработка высокоапертурных оптических систем с возможностью изменения конфигурации в зависимости от требуемого пространственного и энергетического разрешения; — создание мультимодульных оптических систем с активным управлением формой волнового фронта; — уменьшение массогабаритных характеристик за счет применения новых конструкционных материалов, технологий производства, радиоэлектронных элементов и фотоприемных устройств. Бурное развитие ОЦСиК для ДЗЗ космического базирования в конце ХХ в. привело к тому, что появились системы с линейным разрешением на поверхности (проекция пиксела на поверхность Земли) порядка 1—2 м при диаметре входного зрачка объектива порядка 0,35—0,7 мм и массе КА 250—1000 кг. К такому классу систем можно отнести: IKONOS-2 (США, 1999 г.); QuickBird-2 (США, 2001 г.); OrbView-3 (США, 2002 г.); Spot-5 (Франция, 2002 г.); Eros-A (Израиль, 2000 г.); Cartosat-1 (Индия, 2005 г.); Kopsat-1 (Корея, 1999 г.); Formosat-Rocsat-2 (Тайвань, 2004 г.). Дальнейшее развитие рынка коммерческой видовой продукции, связанное с возникновением спроса на высококачественную информацию субметрового разрешения, которая необходима для разработки высокоточных детальных карт и цифровых моделей рельефа Земли, обеспечило толчок развитию технических средств. К концу первого десятилетия ХХI в. появились предложения от американских компаний-операторов Digital Globe и Geo Eye вывести на орбиту порядка 700 км аппарат двойного назначения GeoEye-1 (2008 г.) и WirldView-II (2009 г.) [20]. На этих КА устанавливается ОЦСиК с линейным разрешением на местности (ЛРМ) порядка 0,5 м, видеоинформацию от которого предполагается использовать как для выполнения коммерческих заказов, так и в интересах видовой космической разведки. При определенных условиях эти КА могут обеспечивать получение видеоинформации с ЛРМ до 0,25 м и с высо-
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2010. Т. 53, № 3
Оптико-цифровые системы и комплексы космического назначения
53
кой оперативностью передавать ее потребителю. Однако законодательство США накладывает ограничения на поставку видовых материалов для заказчиков за пределами США — информация должна поставляться с разрешением до 0,5 м и с задержкой по времени не менее чем на 24 часа. Эти обстоятельства создают дополнительный стимул для развития подобных космических ОЦСиК для ДЗЗ в других странах, в том числе и в России.
В указанных выше суперспутниках США реализована одна из основных тенденций мирового развития КА ДЗЗ — создание тяжелых КА (массой более 2000 кг), на которых размещаются крупногабаритные приборы с диаметром входного зрачка порядка 1,0—1,5 м и многоэлементные мелкоструктурные фотоприемные матрицы (ФПЗС) с размером пиксела порядка 6—8 мкм, что позволяет достичь сверхвысокого разрешения.
Суперспутники GeoEye-1 и WirldView-II обеспечивают просмотр подстилающей поверхности Земли с проекцией пиксела в панхроматическом канале 0,41 и 0,46 м соответственно, первый в полосе захвата 15,2 км, а второй — 16,4 м, с высоты орбиты 684 и 770 км соответственно. При этом масса первого КА составляет 1955, второго — 2800 кг, диаметр входного зрачка телескопа — 1,1 м для обоих КА, эффективная длина строки многоэлементного приемника — порядка 36 000 пикселов. Наблюдение производится одновременно в панхроматическом (ПХ) и мультиспектральном (МС) спектральных диапазонах. Число спектральных диапазонов МС канала в первом КА — 4, а во втором — 8.
Как показывает анализ развития КА ДЗЗ, для того чтобы в дальнейшем перейти к многократному расширению возможностей применения видовой продукции, необходимо совершенствовать суперспутники двойного назначения субметрового разрешения, повышая информативность видеоматериалов, точность координатной привязки, увеличивая производительность съемки и оперативность доставки видеоматериалов потребителю.
В таблице приведены данные по ОЦСиК, функционирующих в настоящее время на
космических орбитах (здесь D — диаметр входного зрачка, F — фокусное расстояние, α — угол поля зрения).
КА для ДЗЗ состоит из двух частей: ОЦСиК и многофункционального контейнерного блока, обеспечивающего обработку и передачу данных, тепловой контроль, выработку и распределение энергии космическим аппаратом.
На рис. 1 представлена орбитальная конфигурация КА серии Pleiadas [19], а на рис. 2 приведено схемно-конструктивное решение ОЦСиК для КА серии Pleiadas (объектив расположен в корпусе из углепластика), которое является фактически обобщенным для всех КА, решающих задачу ДЗЗ.
Основными компонентами ОЦСиК являются объектив и система приема и преобразования информации (СППИ), в состав которой входят ФПЗС с электронными компонентами и блок преобразования и сжатия информации. В КА серии Pleiadas для сжатия информации применяется вейвлет-алгоритм, который позволяет для видеоинформации порядка 4 Гбит/с реализовать семикратную компрессию вместо стандартной четырехкратной. Звездный датчик и волоконно-оптический гироскоп обеспечивают совместно с двигательной установкой КА требуемое положение ОЦСиК на орбите по отношению к поверхности Земли.
ФПЗС позволяет формировать информацию о поверхности Земли в панхроматическом режиме съемки 0,4—0,9 мкм и в мультиспектральном. Мультиспектральные (или спектрозональные) изображения представляются в виде сигналов отдельных спектральных каналов, которые в дальнейшем могут использоваться для получения изображений. В натуральных или искусственных цветах поочередный синтез отдельных сигналов позволяет решать разнообразные тематические задачи, а также помогает при дешифрировании малоконтрастных изображений.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2010. Т. 53, № 3
Система
Страна
Масса Масса КА, ОЦСиК, кг кг
Высота орбиты,
км
Оптическая система
КН—12 (2000 г.)
IKONOS—2 (1999 г.)
США США
12000 700
2800 170
350—550 683
Ричи— Кретьена
Корш
EROS—AI (2000)
QUICK-BIRD (2001 г.)
Израиль США
250 980
70 300
SPOT—5 Франция 3000 955,5 (2002 г.)
480 Ричи— Кретьена
450 Зеркальная внеосевая
822 Схема Шмидта
Pleiadas (2007 г.)
Франция 980
300
695
Корш
WorldView 2 США (2009 г.)
2800
УДК 528.8 (15)
А. В. ДЕМИН, А. В. ДЕНИСОВ, А. В. ЛЕТУНОВСКИЙ
ОПТИКО-ЦИФРОВЫЕ СИСТЕМЫ И КОМПЛЕКСЫ КОСМИЧЕСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ
На основе данных из общедоступных источников рассматривается тенденция развития основных направлений оптико-цифровых систем и комплексов дистанционного зондирования Земли из космоса.
Ключевые слова: оптико-цифровые системы и комплексы космического назначения, дистанционное зондирование Земли, астрометрия, линейное разрешение на местности, космический аппарат.
Повышение эффективности управления научно-техническими и технологическими процессами, связанными с разнообразными направлениями исследований в интересах народного хозяйства и обороноспособности страны, а также изучения ближнего и дальнего космоса, требует использования дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) и возможностей такого направления исследований, как астрометрия. Определим основные направления разработок для решения практических задач, стоящих перед оптико-цифровыми системами и комплексами (ОЦСиК), устанавливаемыми на борт космического аппарата массой 100—2000 кг [1—23].
Дистанционное зондирование Земли: — линейное разрешение на местности не хуже 0,5 м для панхроматического канала и менее 3 м — для мультиспектрального; — полоса захвата порядка 20 км; — отношение сигнал/шум не хуже 150; — функция передачи модуляции на зачетной частоте не хуже 0,2. Астрометрия: — создание высокоточного (погрешность — не хуже 25⋅10–6 секунд дуги) каталога положений (точность положений и собственных движений — не хуже 1⋅10–3 секунды дуги; точность определения параллакса — порядка 4⋅10–5 секунд дуги для звезд, величина которых составляет 16 m; точность фотометрии — 0,01—0,10 м для длины волны 0,2—10 мкм, число спектральных полос 10—16) и собственных движений небесных объектов — до 18 m; — создание каталога спектральных энергетических распределений (R~1/2000) звезд до 12 m (выборочно — до 16—18 m) и лучевых скоростей всех звезд до 18—19 m в 4—6 независимых интервалах спектра. Рассмотрим первое из указанных направлений. Использование дистанционного зондирования Земли в оптическом диапазоне длин волн позволяет получать информацию как о географических и геофизических ее параметрах, так и о техногенных процессах, происходящих на поверхности Земли, что повышает ценность этой информации. ДЗЗ в зависимости от задач, для решения которых оно предназначено, осуществляется методами маршрутной,
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2010. Т. 53, № 3
52 А. В. Демин, А. В. Денисов, А. В. Летуновский
объектовой, стереоскопической, статической, динамической, топографической и спектрометрической съемки. ДЗЗ в оптическом диапазоне осуществляется с помощью ОЦСиК, устанавливаемых на борт космических аппаратов (КА). Развитие космических ОЦСиК идет по пути создания пакета схемотехнических решений и информационных технологий, позволяющих разрабатывать и создавать комплексы с уникальным сочетанием информационных, энергетических, точностных и массогабаритных параметров.
В соответствии с концепцией построения нового поколения комплексов космического базирования различного назначения предполагается создание ОЦСиК, обеспечивающих:
— мониторинг поверхности Земли с высоким пространственным и энергетическим разрешением;
— получение информации для описания поверхности Земли и ее топографии с высокой точностью;
— решение задач астрометрии с высокой точностью; — проведение астрофизических исследований (включая спектрометрию) с высокой точностью и достоверностью. Также для дальнейших исследований необходимы: — учет возможных направлений совершенствования информационных технологий в наземном сегменте с целью увеличения его производительности для удовлетворения запросов потребителей; — совершенствование технологии и методологии космических исследований с целью повышения надежности и достоверности обнаружения самых различных подвижных и неподвижных объектов на сложном фоне. Новые конструкторско-технологические решения для создания перспективных ОЦСиК должны быть основаны на следующих направлениях: — разработка высокоапертурных оптических систем с возможностью изменения конфигурации в зависимости от требуемого пространственного и энергетического разрешения; — создание мультимодульных оптических систем с активным управлением формой волнового фронта; — уменьшение массогабаритных характеристик за счет применения новых конструкционных материалов, технологий производства, радиоэлектронных элементов и фотоприемных устройств. Бурное развитие ОЦСиК для ДЗЗ космического базирования в конце ХХ в. привело к тому, что появились системы с линейным разрешением на поверхности (проекция пиксела на поверхность Земли) порядка 1—2 м при диаметре входного зрачка объектива порядка 0,35—0,7 мм и массе КА 250—1000 кг. К такому классу систем можно отнести: IKONOS-2 (США, 1999 г.); QuickBird-2 (США, 2001 г.); OrbView-3 (США, 2002 г.); Spot-5 (Франция, 2002 г.); Eros-A (Израиль, 2000 г.); Cartosat-1 (Индия, 2005 г.); Kopsat-1 (Корея, 1999 г.); Formosat-Rocsat-2 (Тайвань, 2004 г.). Дальнейшее развитие рынка коммерческой видовой продукции, связанное с возникновением спроса на высококачественную информацию субметрового разрешения, которая необходима для разработки высокоточных детальных карт и цифровых моделей рельефа Земли, обеспечило толчок развитию технических средств. К концу первого десятилетия ХХI в. появились предложения от американских компаний-операторов Digital Globe и Geo Eye вывести на орбиту порядка 700 км аппарат двойного назначения GeoEye-1 (2008 г.) и WirldView-II (2009 г.) [20]. На этих КА устанавливается ОЦСиК с линейным разрешением на местности (ЛРМ) порядка 0,5 м, видеоинформацию от которого предполагается использовать как для выполнения коммерческих заказов, так и в интересах видовой космической разведки. При определенных условиях эти КА могут обеспечивать получение видеоинформации с ЛРМ до 0,25 м и с высо-
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2010. Т. 53, № 3
Оптико-цифровые системы и комплексы космического назначения
53
кой оперативностью передавать ее потребителю. Однако законодательство США накладывает ограничения на поставку видовых материалов для заказчиков за пределами США — информация должна поставляться с разрешением до 0,5 м и с задержкой по времени не менее чем на 24 часа. Эти обстоятельства создают дополнительный стимул для развития подобных космических ОЦСиК для ДЗЗ в других странах, в том числе и в России.
В указанных выше суперспутниках США реализована одна из основных тенденций мирового развития КА ДЗЗ — создание тяжелых КА (массой более 2000 кг), на которых размещаются крупногабаритные приборы с диаметром входного зрачка порядка 1,0—1,5 м и многоэлементные мелкоструктурные фотоприемные матрицы (ФПЗС) с размером пиксела порядка 6—8 мкм, что позволяет достичь сверхвысокого разрешения.
Суперспутники GeoEye-1 и WirldView-II обеспечивают просмотр подстилающей поверхности Земли с проекцией пиксела в панхроматическом канале 0,41 и 0,46 м соответственно, первый в полосе захвата 15,2 км, а второй — 16,4 м, с высоты орбиты 684 и 770 км соответственно. При этом масса первого КА составляет 1955, второго — 2800 кг, диаметр входного зрачка телескопа — 1,1 м для обоих КА, эффективная длина строки многоэлементного приемника — порядка 36 000 пикселов. Наблюдение производится одновременно в панхроматическом (ПХ) и мультиспектральном (МС) спектральных диапазонах. Число спектральных диапазонов МС канала в первом КА — 4, а во втором — 8.
Как показывает анализ развития КА ДЗЗ, для того чтобы в дальнейшем перейти к многократному расширению возможностей применения видовой продукции, необходимо совершенствовать суперспутники двойного назначения субметрового разрешения, повышая информативность видеоматериалов, точность координатной привязки, увеличивая производительность съемки и оперативность доставки видеоматериалов потребителю.
В таблице приведены данные по ОЦСиК, функционирующих в настоящее время на
космических орбитах (здесь D — диаметр входного зрачка, F — фокусное расстояние, α — угол поля зрения).
КА для ДЗЗ состоит из двух частей: ОЦСиК и многофункционального контейнерного блока, обеспечивающего обработку и передачу данных, тепловой контроль, выработку и распределение энергии космическим аппаратом.
На рис. 1 представлена орбитальная конфигурация КА серии Pleiadas [19], а на рис. 2 приведено схемно-конструктивное решение ОЦСиК для КА серии Pleiadas (объектив расположен в корпусе из углепластика), которое является фактически обобщенным для всех КА, решающих задачу ДЗЗ.
Основными компонентами ОЦСиК являются объектив и система приема и преобразования информации (СППИ), в состав которой входят ФПЗС с электронными компонентами и блок преобразования и сжатия информации. В КА серии Pleiadas для сжатия информации применяется вейвлет-алгоритм, который позволяет для видеоинформации порядка 4 Гбит/с реализовать семикратную компрессию вместо стандартной четырехкратной. Звездный датчик и волоконно-оптический гироскоп обеспечивают совместно с двигательной установкой КА требуемое положение ОЦСиК на орбите по отношению к поверхности Земли.
ФПЗС позволяет формировать информацию о поверхности Земли в панхроматическом режиме съемки 0,4—0,9 мкм и в мультиспектральном. Мультиспектральные (или спектрозональные) изображения представляются в виде сигналов отдельных спектральных каналов, которые в дальнейшем могут использоваться для получения изображений. В натуральных или искусственных цветах поочередный синтез отдельных сигналов позволяет решать разнообразные тематические задачи, а также помогает при дешифрировании малоконтрастных изображений.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2010. Т. 53, № 3
Система
Страна
Масса Масса КА, ОЦСиК, кг кг
Высота орбиты,
км
Оптическая система
КН—12 (2000 г.)
IKONOS—2 (1999 г.)
США США
12000 700
2800 170
350—550 683
Ричи— Кретьена
Корш
EROS—AI (2000)
QUICK-BIRD (2001 г.)
Израиль США
250 980
70 300
SPOT—5 Франция 3000 955,5 (2002 г.)
480 Ричи— Кретьена
450 Зеркальная внеосевая
822 Схема Шмидта
Pleiadas (2007 г.)
Франция 980
300
695
Корш
WorldView 2 США (2009 г.)
2800