|
|
КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ ПО ИТВЭ. Історія екології та екологічні дослідження в Україні
5 Технічні засоби і характеристики космічних систем ДЗЗ. Вартість космічної інформації.
Космічні апарати (КА) ДЗЗ представляють основне джерело даних про стан навколишнього середовища. Космічні технології є ідеальним засобом глобального, постійного і надійного моніторингу навколишнього середовища, включаючи атмосферу, сушу й океан. Вони дають оперативну інформацію, що використовується в різних соціально-економічних сферах: картографуванні, вирішенні завдань НС, гідрології, лісового та сільського господарства, рибного господарства, екологічного моніторингу, земельного кадастру.
За даними з КА можна не тільки визначити осередки пожеж, а й оцінити стан лісу, визначити рівень води в річці, дізнатися, як поведе себе річка при розливі. І ось ці поняття абсолютно зрозумілі людям, не намагаються заглибитися в космічну техніку і в процес космічної зйомки. Це справа фахівців. Як і що відбувається - повинні знати, вміти і розуміти вони, а населенню важливий результат. Дані, одержані за КА, повинні бути доступні, а організації, які займаються їх використанням, представляти їх адміністративним особам у потрібному для них вигляді, а головне - вчасно. Економічна самостійність регіонів і пов'язана з нею підвищення відповідальності за подальший соціально-економічний розвиток призводить керівних осіб до розуміння дефіциту інформації.
1.1 Російські космічні апарати (КА) природно-ресурсного призначення серії "РЕСУРС"
Особливістю космічних апаратів російської оперативної супутникової природно-ресурсної системи "Ресурс-О1" є наявність у складі бортових інформаційних комплексів сканерів високого просторового дозволу (типу МСУ-Е, з роздільною здатністю
40 м) і сканерів середнього дозволу (типу сканера з конічною розгорткою МСУ- СК, з роздільною здатністю
160 м). Дані прилади дозволяють отримувати цифрові зображення підстилаючої поверхні в декількох спектральних діапазонах і призначені для вирішення широкого кола завдань дистанційного зондування: моніторинг грунтового, рослинного, снігового та льодового покривів; екологічний моніторинг; виявлення, моніторинг та оцінка наслідків надзвичайних ситуацій природного і техногенного характеру (повені, пожежі, аварії на газо-нафтопроводах і т.д.), вивчення геологічних структур та ін.
1.2 Океанографічні КА серії "ОКЕАН"
Російсько-українська космічна система "Океан" є першою у світі оперативної радіолокаційної системою ДЗЗ, яка практично постійно функціонувала з вересня 1983 року - з моменту запуску першого супутника даної системи (КА "Космос - 1500"). Основне призначення КА даної системи - моніторинг поверхні Світового океану (стан водної поверхні і крижаного покриву). За період 1983 -1998 рр.. на орбітах функціонувало 7 супутників серії "Океан": КОСМОС-1500; КОСМОС-1602; КОСМОС-1766 (ОКЕАН-О1, N1); ОКЕАН-О1, N3; ОКЕАН-O1, N5; ОКЕАН-O1, N6; ОКЕАН-O1 , N7. Останній КА з цієї серії був запущений в липні 1999 р. і функціонував до 2007 року.
1.3 Російський метеорологічний полярно-орбітальний КА "МЕТЕОР-3М"
№ 1 КА "Метеор-3М" № 1 призначений для наступних основних завдань:
• отримання глобальних і регіональних зображень хмарності у видимому й інфрачервоному діапазонах спектру для синоптичного аналізу і уточнення синоптичних процесів (МР-2000М, Клімат);
• отримання глобальних і регіональних даних про температуру поверхні океану і висоті верхньої межі хмарності (Клімат);
• визначення місця розташування і динаміки переміщення атмосферних вихорів (МР-2000М, Клімат);
• отримання даних про льодову обстановку на акваторіях морів і океанів, межі снігового покриву (Клімат, МТВЗА);
• отримання глобальних даних температурно-вологісного зондування атмосфери (МТВЗА), зонах інтенсивних опадів, інтегральному водозапасе хмар (МІВЗА) і ін
Установка на борт КА Метеор-3М № 1 багатоканальних скануючих пристроїв високого (40 м) і середнього (225 м) просторового дозволу дозволяє використовувати даний КА для вирішення як традиційних метеорологічних, так і природно-ресурсних завдань. На борту також є комплекс апаратури геліогеофізичних вимірювань, американський експериментальний прилад SAGE-III, призначений для визначення вертикального розподілу аерозолів і малих газових компонентів атмосфери.
В області створення засобів і даних ДЗЗ відбуваються поступові зміни: багато фірм відмовляються від проектування дорогих багатоцільових систем важких КА і переходять до вузькоспеціалізованих системам на базі малих космічних апаратів (МКА). Найкращі результати дають оперативні космічні системи ДЗЗ з досить високим дозволом і широкою смугою захоплення, що включають як космічний сегмент, так і інфраструктуру отримання, зберігання, передачі та обробки даних.
В умовах підвищеного і предметного інтересу до світових, федеральним і регіональним завданням існують проблеми розподілу даних, пов'язані з досить низькою оперативністю доставки даних кінцевому споживачеві. Як приклад, можна навести досвід КА «Ресурс». Для того щоб отримати космічну інформацію, зробивши при цьому конкретне замовлення на зйомку, треба було чекати місяць, а іноді і більше. При цьому пізно не тільки фіксувати вогнище загоряння в лісі, але й інформація про завдані лісі збиток втрачає свою актуальність.
Розвиток технології створення систем збору та розповсюдження даних, впровадження регіональних систем оперативного доступу, які забезпечують безпосередній прийом інформації в пунктах тематичної обробки, введення в дію сучасних електронних каталогів, стійка й розумна цінова політика, може вирішити питання створення нового інформаційного поля, так необхідного для вирішення багатьох соціально-економічних завдань
Рисунок 1 – Зображення отримане з космічного ДЗЗ, ОАО "Російскі космічні системи"
Створення системи на базі МКА дозволить не тільки істотно скоротити бюджетні витрати на космічні програми, але і значно зменшити строки реалізації космічних програм. Вартість виведення МКА РН легкого класу в 3-5 разів менше, ніж запуски важких РН. В останні роки для задоволення запитів користувачів провідні космічні фірми світу створюють МКА, використовуючи модульний принцип.
Основою конструкції КА є універсальна платформа (наприклад: Leostar (Astrium), Proteus (Alcatel), Flexbus (Astrium) «Ямал» РКК «Енергія», «Яхта» ГКНПЦ ім. М. В. Хрунічева і ін), а цільова апаратура комплектується різними функціональними модулями. Накопичений науково-технічний заділ і досвід, набутий під час створення орбітальних космічних станцій, їх модулів та інших виробів, прагнення конкурентноспроможної виступати на світовому ринку, дозволили ГКНПЦ ім. М. В. Хрунічева приступити до створення уніфікованої космічної платформи (УКП) «Яхта», що є основою для КА ДЗЗ. Мова йде про принципово нове покоління КА з поліпшеними технічними характеристиками, підвищеною «інтелектуальністю» бортових систем. У Космічному Центрі імені М. В. Хрунічева розроблена програма ДЗЗ, яка називається "Монітор" і передбачає створення:
- Орбітальної угруповання МКА (4 оптико-електронних та 2 радіолокаційних), що дозволяє отримувати інформацію в реальному масштабі часу;
- Центру управління польотами (ЦУП); наземний комплекс прийому та Обробки Інформації (НКПОІ); Координаційно-Аналітичного Центру (КАЦ), призначеного для планування роботи цільової апаратури, архівування, каталогізації та обробки інформації, одержуваної системою ДЗЗ;
- Систему зв'язку та передачі даних.
* Важливими параметрами в оцінці ефективності роботи КА є: дозвіл, спектральні діапазони, смуги огляду і захоплення, можливість перенацілення і періодичність спостереження території. Чим частіше спостерігається територія і є більше інформації про події, що відбуваються, тим точніше прогноз їх розвитку. Високу періодичність можна отримати, маючи на орбіті не один КА, а угрупування, що складається з 3-4 КА, оснащених однотипної знімальною апаратурою. Оскільки на всіх КА системи «Монітор» передбачена така знімальна апаратури, то періодичність спостереження системи - до 1 доби.
Метою програми є оперативне забезпечення природно-ресурсної інформацією російських та іноземних користувачів в інтересах: екологічного моніторингу, контролю НС та оцінки їх наслідків, лісового та сільського господарства, картографування, геологічного картування та пошуку корисних копалин, проектування та будівництва інженерних комунікацій, гідрології.
Запуск першого КА системи, експериментального «Монітор-Е» (з дозволом 8м - панхроматичний зйомка і 20м - багатозональна зйомка) планується на початку 2003 року РН «Рокот" з космодрому "Плесецьк". На КА «Монітор-Е» буде розміщена не тільки апаратура високого дозволу - 8м (у Росії в цивільному секторі на сьогоднішній день максимальний дозвіл оптико-електронної апаратури 32м), а й апаратура розподіленого доступу (20м) з безпосередньою передачею інформації на малі регіональні пункти прийому. Основна ідея такого рішення - оперативне доведення інформації до споживача, забезпечення широкого доступу користувача до інформації. Оскільки не кожен споживач може дозволити собі дорогий приймальний комплекс із великими антенами.
Практично вся територія СНД, Західної Європи, Близького Сходу, Середньої Азії, Далекого Сходу входить в зону радіовидимості прийомних станцій, розташованих в Росії і здатних приймати і обробляти інформацію з КА «Монітор-Е». З багатьма з власників станцій вже укладені відповідні угоди.
В даний час в ГКНПЦ ім. М. В. Хрунічева ведуться роботи зі створення трьох перспективних КА: «Монітор-І № 1» з дозволом 3м - панхроматичний зйомка і 6м - багатозональна зйомка, «Монітор-О» з дозволом 1м і «Монітор-Р3» - радіолокаційний КА « Х "-діапазону з метою всепогодного і всесезонного зондування. Це дуже важливо для Росії, оскільки в Росії тривалий зимовий період і північні території часто покриті хмарами, а оптичні КА таку зйомку забезпечити не можуть.
Що стосується незалежної України, то цього року виконаються 10 років з початку історії її космічної розвідки. [3] Враховуючи досвід провідних країн світу і можливості в космічної області України, ще в жовтні 1999 року в Головному управлінні розвідки Міністерства оборони України було створено підрозділ космічної розвідки. Основною сферою діяльності новоутвореної структури стало вживання космічної техніки в інтересах національної безпеки і оборони України. Перед підрозділом коштують завдання здобуття, аналізу, обробки даних космічної розвідки, і за результатами цієї діяльності проводиться інформування керівництва Озброєних сил України і вищого державного керівництва країни по таких питаннях:
- надання даних про стан і характеристики військових формувань, військових і стратегічних об'єктів певних країн;
- надання даних про виникнення кризисних ситуацій в різних районах земної кулі з метою прогнозування і контролю їх розвитку (як приклад ситуацій, інформаційні матеріали по яких отримувала і отримує українська військова розвідка, можна пригадати захвати піратами судів "Леманн Тімбер" і "Фаїна");
- надання даних про наслідки екологічних катастроф, які можуть потенційно негативно вплинути на екологічну обстановку в Україні (наприклад, такі матеріали були отримані відносно затоплення судна "Волгонефть-139" і наслідків забруднення нафтопродуктами Керченської протоки);
- розвідувальне забезпечення миротворчих контингентів (під час виконання завдань в Іраку, Сьєрра-Леоне, а зараз – в Ліберії, Косово);
- інформаційно-розвідувальне забезпечення в разі кризисних ситуацій поблизу кордонів України;
- відстежування стану і змін орбітальних угрупувань країн світу з подальшою оцінкою космічної обстановки.
Виконання цих завдань здійснюється, скажімо так, в не самих сприятливих умовах. Парадокс космічної розвідки України (як і самої «космічної України») полягає в тому, що наша держава, як відомо, володіє величезним потенціалом у сфері космічного, як і авіабудування. Таким, яким можуть похапати далеко не всі провідні держави світу. В той же час на обличчя відсутність національного орбітального угрупування космічних апаратів (КА), обмежене фінансування створення і розвитку космічних засобів спостереження, проблеми із створенням наземного інформаційного комплексу. Але якщо ці недоліки можна пояснити проблемами фінансування, то куди складніше зрозуміти відсутність в Україні законодавчої бази відносно порядку вживання космічних систем подвійного призначення на користь національної безпеки і оборони. В той же час є певні успіхи.
Так, в Національному центрі управління і випробувань космічних засобів розгорнутий фрагмент апаратно-програмних засобів Аналітичного центру Інформаційно-аналітичної системи НКАУ. З його допомогою проводиться інформаційно-довідковий моніторинг (бази даних сейсмічних спостережень, стану космічної обстановки, метеорологічної ситуації), а також моніторинг середовища. Ведеться постійне дослідження регіонів України, - наприклад, визначається температура Чорного і Азовського Моря за даними приладу AVHRR супутників серії NOAA. Також проводиться дослідження використання даних дистанційного зондування Землі для картографування берегової зони. По результатам роботи Аналітичного центру складаються щомісячні звіти для НКАУ. Крім того, проводиться оперативне інформування НКАУ і МНС відносно виявлення надзвичайних ситуацій.
В даний час відпрацьовується подібний алгоритм оперативного інформування ГУР МО України в плані ситуацій, що представляють загрозу національній безпеці нашої країни. Нинішня зустріч керівників НКАУ і ГУР МО України мала серйозні передумови. Зокрема, в кінці вересня 2008 року Верховною Радою була затверджена Загальнодержавна цільова науково-технічна космічна програма України на 2008-2012 гг (повний її текст можна вивчити, наприклад, на «Аерокосмічному порталі України»). Нова програма, як задекларовано її розробниками, відображує якісно новий підхід до розвитку космічної діяльності України. Вона направлена на вирішення найважливіших проблем постійного розвитку (а саме, природокористування, контролю надзвичайних ситуацій, проблеми сільського господарства) методами активного використання даних спостереження з космосу. Для цього передбачається створення угрупування космічних апаратів дистанційного зондування Землі, створення національної супутникової телекомунікаційної системи зв'язку. Програма передбачає також розробку перспективної космічної техніки, модернізацію наземної інфраструктури. Особлива увага в ній приділяється космічній діяльності на користь національної безпеки і оборони. А одному із завдань всієї космічної сфери визначено «забезпечити Озброєні Сили України, інші військові формування і правоохоронні органи сучасними космічними засобами і інформацією». Програма визначає, що робота на користь національної безпеки означає «ефективне використання на користь безпеки держави науково-технічного потенціалу і можливостей, які надає космічна діяльність. Враховуючи те, що однією з основних сучасних тенденцій розвитку військової справи є інформатизація і комп'ютеризація, широке використання космічних систем розвідки, навігація і зв'язки, висока міра просторово-часової координації дій військових формувань, передбачається проведення: військово-теоретичних наукових досліджень по питаннях використання космічних систем на користь національної безпеки і оборони, розробка нормативно-технічного забезпечення вживання космічних систем і засобів військового і подвійного призначення.
Розрахунками Програми визначається прямий дохід державного бюджету, отриманий в результаті реалізації переважно комерційних проектів, - "Либедь" (надання телекомунікаційних послуг), "Циклон-4", "Морський старт", "Наземний старт" і "Дніпро" (надання пускових послуг) в суму від 270 до 560 млн. гривень. В той же час непрямий дохід, отриманий в результаті проведення космічної діяльності, направленої на зміцнення національної безпеки, а також впровадження розробок і новітніх технологій, складатиме від 2 млрд 40 млн до 2 млрд 570 млн гривень. В цілому відносно перспектив космічної розвідки України варто сказати наступне. Абсолютно очевидно, що на сьогодні створені всі передумови для пріоритетного розвитку підрозділу космічної розвідки у складі ГУР МО. По-перше, світовий досвід свідчить про гостру необхідність такого вигляду розвідки для забезпечення інтересів національної безпеки в сучасних умовах. По-друге Україна як «космічна держава» має величезний потенціал для розробки і виробництва технічних засобів космічної розвідки, в т.ч. унікальних. Не скористатися наявними можливостями було б злочинно безглуздо.
Щодо вартості космічної інформації можна сказати, що на данний час існує безліч різноманітних інтернет сайтів на яких можно безкоштовно подивитися зображення отримані з різних типів ДЗЗ. Наприклад сайт http://search.kosmosnimki.ru/
6 Вплив процесів енергомасообміну в системі грунт-вода-рослини і формування спектральних характеристик рослинного покрову
8 Моделі та спектральні характеристики об’єктів аерокосмічного зондування.
Космічні зображення певних ділянок Землі – це, насамперед, інформаційні моделі таких ділянок. Вони містять різноманітні дані про різні об’єкти та явища, про їхні взаємозв’язки, просторовий розподіл, стан, зміни в часі тощо. Ефективне використання таких зображень потребує знання про їхні інформаційні властивості та володіння спеціальними способами видобування з них необхідної інформації.
Знімання Землі з космосу забезпечується спеціальними космічними системами вивчення природних ресурсів та моніторингу навколишнього середовища. Вимоги різних користувачів до оглядовості, оперативності, роздільної здатності, періодичності, спектральних каналів інколи суттєво відрізняються. А це вимагає наявності на орбіті одночасно багатьох супутників ДЗЗ, які дозволяють отримувати різні типи космічних зображень. Класифікація останніх здійснюється за певними критеріями, наприклад:
1) за спектральним діапазоном електромагнітного випромінювання, яке використовується;
2) за типом сигналу (власне чи відбите, природне чи спрямоване від штучного джерела випромінювання), який реєструється;
3) за способом реєстрації електромагнітних хвиль (фотографічні, сканерні, телевізійні);
4) за розрізненням та оглядовістю.
Зупинимося детальніше на класифікації, пов’язаній зі спектральним діапазоном електромагнітного випромінювання. В даний час у дистанційних методах використовують відносно невелику частину спектру – від 0,380 мкм до 3 м (рис. 2.1). На зони спектру, який використовується, накладаються обмеження, пов’язані з прозорістю атмосфери. Є кілька спектральних інтервалів, у яких електромагнітне випромінювання майже цілком пропускається атмосферою ( це так названі вікна прозорості атмосфери). Найбільш широке застосування в методах ДЗЗ із космосу знаходить вікно прозорості, що відповідає оптичному діапазону (він також називається видимим). Використання короткохвильової ділянки видимої зони спектру ускладнено значними варіаціями пропускної здатності атмосфери на цьому спектральному інтервалі в залежності від параметрів її стану. Тому на практиці при ДЗЗ із космосу в оптичному діапазоні застосовують спектральний інтервал
Рис 2.1 - «Вікна прозорості» атмосфери і діапазони знімання
довжин хвиль, що перевищують 0,5 мкм. У далекому інфрачервоному (ІЧ) або тепловому діапазоні (3...1000 мкм) є тільки три вузьких вікна прозорості: 3...5 мкм, 8...14 мкм і 30...80 мкм, з яких поки в методах ДЗЗ із космосу використовують тільки перші два. В ультракороткохвильовому діапазоні радіохвиль (1мм...10м) є відносно широке вікно прозорості від 2 см до 10 м. У методах ДЗЗ із космосу застосовують його короткохвильову частину (до 1м), названу надвисокочастотним (НВЧ) діапазоном (в американській літературі для найбільш короткохвильової частини цього діапазону вживається термін «мікрохвильовий діапазон»). Крім того, в ультракороткохвильовому діапазоні радіохвиль є кілька вузьких вікон прозорості в міліметровій і субміліметровій зонах.
Коефіцієнти прозорості залежать не тільки від спектрального діапазону випромінювання, що використовується, але і від різних параметрів стану атмосфери (вмісту аерозолів, водяного пару та інших газових складових). У табл. 2.1 приведені дані про прозорість атмосфери в різних спектральних інтервалах, розраховані на основі молекулярної моделі, що використовує параметри стану атмосфери, усереднені для умов України.
Для кожного з перерахованих спектральних діапазонів характерний специфічний механізм формування сигналу, який реєструється апаратурою ДЗЗ, і залежить від виду випромінювання (відбите чи власне), а також від типу поверхні, яка зондується (суша, вода, атмосфера).
Табл. 2.1 - «Вікна прозорості» атмосфери
Спектральний інтервал
|
Прозорість
|
300-900 нм.
|
0.45
|
1.0-1.1 мкм.
|
0.50
|
1.2-1.3 мкм.
|
0.55
|
1.5-1.8 мкм.
|
0.60
|
2.0-2.4 мкм.
|
0.65
|
3.5-4.0 мкм.
|
0.6...0.7 (збільшується зі збільшенням λ)
|
4.6-4.9 мкм.
|
0.45
|
8.0-9.5 мкм.
|
0.20...0.55 (збільшується зі збільшенням λ)
|
|
|
10.0-13.0 мкм.
|
0.30...0.55 (максимум при λ=10.6 мкм)
|
|
|
1.05-1.15 мм.
|
0.15
|
1.2-1.3 мм.
|
0.50
|
1.9-2.1 мм.
|
0.60
|
3.0-3.8 мм.
|
0.75
|
9.0-11.0 мм.
|
0.95
|
2 см....10 см.
|
1
| |
|
|
Скачать 1.63 Mb.