Законы Кеплера. В.В. Волоцуев, И.С. Ткаченко Введение в проектирование космическ. В. В. Волоцуев, И. С. Ткаченко
 Скачать 6.51 Mb.
|
|
2.5 Дистанционное зондирование Земли с помощью автоматических космических аппаратов в народно-хозяйственных целях Большое количество околоземных автоматических КА, осна- щенных аппаратурой наблюдения за поверхностью суши и океанов Земли, кроме решения научных задач, используется в практических народно-хозяйственных целях. Такие автоматические КА также принято называть КА дистан- ционного зондирования Земли (КА ДЗЗ). Среди задач, имеющих ощутимую практическую народно- хозяйственную значимость в настоящее время, можно выделить: - картография (составление детальных географических карт населенных и ненаселенных областей с учетом антропогенных фак- торов изменения местности); - метеорология (мониторинг состояния атмосферы заданных районов Земли с целью составления прогнозов погоды и климата); 50 - оперативное наблюдение локальных районов Земли (особенно актуально для решения оперативных военно-разведывательных за- дач) и др. 2.5.1 Качества космической информации наблюдения земной поверхности Введем некоторые понятия, необходимые для изучения после- дующих материалов. Космическая информация наблюдения – это изображения по- верхности Земли, полученные с помощью аппаратуры наблюдения, размещенной на борту КА. Качество информации наблюдения – мера оценки полученной информации, позволяющая отличить её от другой подобной инфор- мации (к примеру, время получения одной информации составляет 1 час, а другой информации – 5 часов). Рассмотрим некоторые важные качества космической инфор- мации наблюдения. А) Линейное разрешение на местности Линейное разрешение на местности – это величина, которая характеризует размер наименьших объектов, различимых на полу- ченном изображении. К примеру, на земной поверхности расположен объект, который представляет собой четыре плоские плиты размером 2м×2м (см. рис. 2.21). Рис. 2.21. Линейное разрешение на местности 51 При пространственном разрешении 5 , 0 R м (см рис. 2.21) на изображении объект будет хорошо различим (изображение каждой из 4-х плит состоит из 16 точек-пикселей). При детальности 1 R м на изображении объект будет различим, но в 2 раза хуже (изображе- ние каждой из 4-х плит будет состоять из 4 пикселей). При деталь- ности 2 R м изображение всего наземного объекта будет представ- лять четыре пикселя. При пространственном разрешении 4 R м мы уже не сможем различить черты объекта на изображении земной по- верхности. Пространственное разрешение зависит как от характеристик самой аппаратуры наблюдения, так и от её удаленности от объекта наблюдения (в частности, от высоты орбиты КА). Детальность наблюдения является важным качеством для всех указанных народ- но-хозяйственных задач. Следует отметить, что в последние десяти- летия наблюдается рост потребности в получении высоко детальной информации наблюдения. Б) Спектрозональность наблюдения Это качество связанно с количеством участков (зон) спектра наблюдаемых электромагнитных волн, отраженных от объекта наблюдения (ОН). Если аппаратура наблюдения не способна различать участки наблюдаемого спектра электромагнитных волн (регистрирует в ре- жиме, либо есть отраженная электромагнитная волна от ОН, либо её нет), то получаемое от этой аппаратуры изображение называется панхроматическим (двухцветным). Самым близким аналогом пан- хроматических изображений являются черно-белые фотографии. Если аппаратура наблюдения способна различать участки оп- тического диапазона спектра электромагнитных волн, соответству- ющие основным цветам (к примеру, чёрный-красный-зеленый-синий), то получаемое от этой аппаратуры изображение принято называть мультиспектральным (цветным). Если аппаратура наблюдения способна различать узкие участ- ки оптического диапазона спектра электромагнитных волн (к приме- ру, оттенки красного – оттенки синего – оттенки зеленого и др.), то получаемое изображение называют гиперспектральным. 52 На рисунке 2.22 схематично показано различие информации по качеству спектрозональности наблюдения. Рис. 2.22. Спектрозональность наблюдения Следует отметить, что практически все современные КА ДЗЗ оснащены мультиспектральной или гиперспектральной аппаратурой наблюдения. В) Периодичность наблюдения Периодичность наблюдения – это показатель, которая характе- ризует средний временной интервал между двумя последовательны- ми наблюдениями за одним и тем же объектом. Периодичность наблюдения отдельного КА зависит от харак- теристик аппаратуры наблюдения и параметров рабочей орбиты, но, как правило, не превышает 1-го или 2-ух раз в сутки. Улучшение пе- риодичности наблюдения достигается за счет одновременного ис- пользования нескольких КА ДЗЗ (орбитальной группировки) 53 для наблюдения за выбранным объектом. В момент, когда объект наблюдения располагается вне зоны наблюдения одного КА ДЗЗ, он попадает в зону наблюдения другого КА ДЗЗ. Чем большее количе- ство КА ДЗЗ используется в орбитальной группировке, тем короче временной интервал периодичности наблюдения. Г) Оперативность наблюдения Оперативность наблюдения – это мера, которая характеризует средний временной интервал между поступлением заявки на наблю- дение за объектом и предоставлением готового изображения потре- бителю на Земле. Время доставки информации потребителю складывается из временных затрат: - на подготовку полётного задания для КА ДЗЗ по наблюдению наземного объекта по заявке потребителя; - на проведение наблюдения заданного наземного объекта с помощью КА ДЗЗ; - на пересылку информации наблюдения с борта КА ДЗЗ на наземный пункт приёма информации (напрямую или через спутник- ретранслятор); - на обработку информации наблюдения и предоставления её потребителю. В настоящее время для различных народно-хозяйственных за- дач потребителем предъявляются различные требования к оператив- ности наблюдения. К примеру, для картографии требуемая перио- дичность может измеряться годами, а для метеорологии часами. Наибольшего успеха по оперативности наблюдения с помощью КА ДЗЗ достигли в военной сфере. В период проведения военных операций в локальных районах Ближнего востока с помощью средств космического наблюдения вооруженным силам США предоставля- лась информация почти в непрерывном режиме «real-time». 54 При этом количество задействованных КА ДЗЗ в орбитальной груп- пировке исчислялось десятками. 2.5.2 Примеры реализации космических аппаратов дистанционного зондирования Земли В настоящее время на орбитах Земли функционируют десятки КА ДЗЗ, решающих различные народно-хозяйственные задачи. Раз- работчиками этих КА ДЗЗ являются разные страны, даже не имею- щие своих средств выведения. Приведем описание лишь некоторых КА ДЗЗ, имеющих высокую детальность наблюдения. 1. КА ДЗЗ «WorldView-2» (США) запущен 8 октября 2009 года на солнечно-синхронную орбиту высотой 770 км, обеспечивающую его прохождение над любым районом Земли каждые 1÷2 дня (в зави- симости от широты ОН). КА позволяет получать цифровые изоб- ражения земной поверхности с детальностью 46см в панхроматиче- ском режиме и 1,84 м в мультиспектральном режиме при съемке в надир. Масса КА составляет порядка 2800 кг. Внешний облик КА ДЗЗ « WorldView-2» показан на рисунке 1.35. Рис. 2.23. Внешний облик КА ДЗЗ « WorldView-2» [3] 55 2. КА ДЗЗ «Ресурс-П2» (Россия) запущен 26 декабря 2014 года на околополярную орбиту высотой порядка 470 км. Позволяет полу- чать цифровые изображения земной поверхности с детальностью 76 см в панхроматическом режиме и 3 м в мультиспектральном режиме при съемке в надир. Масса КА составляет порядка 6300 кг. Внешний облик КА ДЗЗ «Ресурс-П2» показан на рисунке 2.24. Рис. 2.24. Внешний облик КА ДЗЗ «Ресурс-П2» [6] 3) КА ДЗЗ « TerraSAR-X» (Германия) был запушен 15 июня 2007 г. на околополярную орбиту высотой 514 км. Радиолокационная аппаратура наблюдения с синтезированной апертурой позволяет вы- полнять интерферометрическую съемку земной поверхности с де- тальностью 1 м. Масса КА составляет порядка 1350 кг. Внешний об- лик КА ДЗЗ «TerraSAR-X» показан на рисунке 2.25. Рис. 2.25. Внешний облик КА ДЗЗ «TerraSAR-X» [3] 56 4) КА ДЗЗ «АИСТ-2Д» (Россия) был запущен 28 апреля 2016 года на солнечно-синхронную орбиту высотой порядка 485 км. Поз- воляет получать цифровые изображения земной поверхности с де- тальностью 1,5 м в панхроматическом режиме и 4,5 м в мультиспек- тральном режиме при съемке в надир. Масса КА составляет порядка 530 кг. Внешний облик КА ДЗЗ «АИСТ-2Д» показан на рисунке 2.26. Рис. 2.26. Внешний облик КА ДЗЗ «АИСТ-2Д» [6] 2.6 Обеспечение коммуникаций с помощью автоматических космических аппаратов Коммуникационные системы предназначены для передачи на расстояние какой-либо информации или материальных объектов от одного субъекта к другим. В более узком смысле, коммуникацион- ными системами называют системы для передачи на расстояние ин- формации (аналоговой или цифровой) с помощью различной элек- троники. В космическом пространстве можно выделить две задачи, свя- занные с информационными коммуникациями: обеспечение ретранс- ляции радиосигналов и навигационное обеспечение. 57 2.6.1 Обеспечение ретрансляции радиосигналов в космическом пространстве Для обеспечения ретрансляции радиосигналов с поверхности Земли через околоземное космическое пространство используются автоматические КА, которые называют спутниками связи. Каждый современный спутник связи получает радиосигнал с одной точки земной поверхности, если необходимо усиливает его, и передает в другую точку на Земной поверхности (см. рис. 2.27). Рис. 2.27. Ретрансляция радиосигнала через спутник связи Необходимым условием длительной радиосвязи является про- должительное нахождение спутника связи в зоне радиовидимости одного или нескольких наземных пунктов связи. Первые спутники связи запускались на высокоэллиптические наклонные орбиты. Апогей орбиты находился над областью ретранс- ляции, т.е. в области апогея КА находился большую часть времени витка и обеспечивал радиосвязь между наземными объектами. Но периодически спутник связи выходил из зоны радиосвязи и улетал в 58 тень Земли (в область перигея орбиты). Схема размещения спутника связи на высокоэллиптической орбите показана на рисунке 2.28. Рис. 2.28. Спутник связи на высокоэллиптической орбите В настоящее время повсеместно используется цифровая элек- троника и радиоэлектроника. Поэтому через спутник связи передает- ся уже цифровая информация, которая по содержанию может быть аудиоинформацией, видеоинформацией, текстовой информацией и т.д. Для обеспечения связи пользователей между любыми двумя точ- ками на Земном шаре используются орбитальные группировки спут- ников связи (несколько спутников приходятся на одного оператора связи). Удобной, с точки зрения стационарного нахождения спутника связи в зоне радиовидимости, является геостационарная орбита (круговая орбита высотой 36000км и наклонением 0 0 ), на которой период обращения спутника равен периоду обращения Земли (спут- 59 ник связи как бы висит над одной точкой поверхности). Схема раз- мещения спутника связи на геостационарной орбите показана на ри- сунке 2.29. Рис. 2.29. Спутник связи на геостационарной орбите Как правило, для доставки спутников связи на высокую гео- стационарную орбиту требуются ракеты-носители тяжелого класса, так как на опорную орбиту вместе с КА выводится разгонный блок с запасами топлива для полета до рабочей орбиты. Тем не менее каж- дый год на геостационарную орбиту выводятся по несколько КА для обеспечения связи в народно-хозяйственных целях (телевидение, интернет и др.). Приведем примеры эксплуатируемых, в настоящее время, оте- чественных спутников связи народно-хозяйственного назначения. 1. КА серии «Экспресс-АТ» (АО «Информационные спутнико- вые системы им. Академика М.Ф. Решетнева», Россия) были запу- щены 16 марта 2014 года на геостационарную орбиту. Масса КА на рабочей орбите составляет около 1250кг. Основной задачей КА «Экс- пресс-АТ» является телевизионная ретрансляция. Внешний облик КА «Экспресс-АТ» показан на рисунке 2.30. 60 Рис. 2.30. Внешний облик КА «Экспресс-АТ» [3] 2. КА «Экспресс-АМ6» (АО «Информационные спутниковые системы им. Академика М.Ф. Решетнева», Россия) был запущен 21 октября 2014 года на геостационарную орбиту. Масса КА на рабочей орбите составляет 1250кг. Спутник предназначается для предостав- ления пакета мультисервисных услуг (цифровое телерадиовещание, телефония, видеоконференцсвязь, передача данных, доступ к сети Интернет). Внешний облик КА «Экспресс-АМ6» показан на рисун- ке 2.31. Рис. 2.31. Внешний облик КА «Экспресс-АМ6» [3] 2.6.2 Спутниковая навигация Одной из частных задач коммуникаций, решаемых с помощью КА, является задача обеспечения навигации для объектов, движу- щихся по поверхности Земли или в околоземном пространстве. 61 Задача навигации – это задача информирования движущегося объекта о текущих координатах его центра масс в геоцентрической системе координат. Посредством математических вычислений также можно вычислить текущие скорости движения данного движущегося объекта. К примеру, для летящего самолета с помощью системы спутниковой навигации можно получить информацию о текущих координатах, высоте и скорости полета. Схема, поясняющая принцип определения координат точки в трехмерном пространстве, показана на рисунке 2.32. Допустим, что в пространстве XYZ есть точка «О», координаты которой требуется определить. Также в пространстве есть точки-маркеры «1», «2», «3», координаты которых мы знаем (r 1 , r 2 , r 3 ). Также мы можем замерить расстояния между точкой «О» и точками «1», «2», «3», т.е. Δr 1 , Δr 2 , Δr 3 Если использовать только первую точку-маркер «1», то изме- рив расстояние между точками Δr 1 ,мы не сможем однозначно опре- делить координаты точки «О», так как такое же расстояние Δr 1 ’=Δr 1 может иметь любая точка на сфере 1 (см. рис. 1.44). Если использовать вторую точку-маркер «2», то измерив рас- стояние Δr 2 (см. рис. 1.44), мы опять однозначно не можем опреде- лить координаты точки «О», так как такое же расстояние Δr 2 ’=Δr 2 имеют все точки на окружности 1 (см. рис. 1.44). Если использовать третью точку-маркер «3», то измерив рас- стояние Δr 3 , мы в некоторых случаях можем определить координаты точки «О». Т.е. неопределенность сократится до выбора из двух то- чек «О» и «О’», расстояние между которыми существенное. С помо- щью логического вычисления будет выбрано подходящее решение. К примеру, если точка «О» расположена на земной поверхности, то модуль её радиус-вектора будет близок к радиусу Земли, а модуль радиус-вектора точки «О’» будет отличаться (точка окажется либо глубоко под землей, либо высоко над землей). Наличие четвертой точки-маркера позволит однозначно опре- делить координаты точки «О». 62 Рис. 2.32. Принцип определения координат точки в пространстве Соответственно, можно создать орбитальную группировку КА, координаты движения которых будут известны в любой момент вре- мени. Также оснастить данные КА оборудованием, которое будет посылать радиоэлектронный сигнал с информацией о координатах спутника. На наземном устройстве разместить электронное оборудо- вание, которое будет получать радиосигналы с КА и вычислять рас- стояние от наземного объекта до спутника, путем обработки полу- ченных сигналов. В результате, можно вычислять координаты ука- занного наземного объекта. На рисунке 2.33 показана схема осу- ществления спутниковой навигации. 63 Рис. 2.33. Принцип функционирования спутниковой навигации Для осуществления глобальной спутниковой навигации в ор- битальную группировку должно входить не менее 24-х КА, разме- щенных на специальных устойчивых орбитах. В настоящее время полностью развернуты уже две глобальные спутниковые навигаци- онные системы (GPS, ГЛОНАСС) и несколько систем находятся в стадии развертывания или создания. Ниже приведены описания при- меры КА, входящих в навигационные спутниковые системы. 1. КА серии «ГЛОНАСС-К», входящие в состав спутниковой навигационной системы «ГЛОНАСС» (Россия) относятся к совре- менному поколению спутников. Размещаются на круговых орбитах с высотой порядка 19000 км и наклонением около 64,8 0 . Масса каждо- го КА составляет порядка 940 кг. Внешний облик КА серии «ГЛО- НАСС-К» показан на рисунке 1.46. 64 Рис. 2.34. Внешний облик КА серии «ГЛОНАСС-К» [3] 2. КА серии «GPS IIF», входящие в состав спутниковой навига- ционной системы «GPS» (США) относятся к поколению спутников периода 2010-2016 г. Размещаются на круговых орбитах с высотой порядка 20200 км и наклонением около 55,0 0 . Масса каждого КА со- ставляет порядка 1630 кг. Внешний облик КА серии «GPS IIF» пока- зан на рисунке 2.35. Рис. 2.35. Внешний облик КА серии «GPS IIF» [3] |