Классификация и задачи ДЗЗ

Рис. 4.

Каждая орбита обладает своими преимуществами и недостатками. Например, полярная и наклонная орбиты имеют существенный недостаток: так как спутник движется по этим орбитам, то для того, чтобы отслеживать положение спутника антенну нужно обязательно подстраивать для получения спутникового сигнала, для этого требуется специальное оборудование, которое стоит немалых денег: их очень сложно устанавливать и обслуживать.

Спутник же двигающийся по геостационарной орбите кажется неподвижным и как будто находится постоянно в одной точке. Это очень удобно для ретрансляции сигналов, так как не нужно регулировать положение рефлекторов антенн, направляя их на уходящий спутник. Именно геостационарную орбиту используют большинство спутников коммерческого назначения, также достоинствами этой орбиты являются возможность непрерывной круглосуточной связи в глобальной зоне обслуживания и практически полное отсутствие сдвига частоты. Экваториальная орбита (или геостационарная орбита) помимо положительных имеет и отрицательные характеристики: - невозможно передавать сигнал на приполярные районы Земли, так как угол местности очень мал; - из-за того, что несколько спутников на одной орбите могут находиться только на небольшом расстоянии друг от друга, то происходит перенасыщение геостационарной орбиты. Большая высота геостационарной орбиты также является недостатком, так как требуется много средств для вывода спутника на орбиту. Как уже было замечено ранее, спутник на геостационарной орбите неспособен обслуживать земные станции в приполярной области. Наклонная орбита позволяет решить эти проблемы, однако, из-за перемещения спутника относительно наземного наблюдателя необходимо запускать не меньше трех спутников на одну орбиту, чтобы обеспечить круглосуточный доступ к связи.

Но для каких целей используются различные орбиты ИСЗ? Например спутниковое телевидение являющееся новым и качественным форматом скоростной передачи данных с помощью специального оборудования, к которому подключается обычный телевизор. Вся информация, как визуальная (видео), так и аудио, синхронно передаются от передающего центра к потребителю через искусственный спутник Земли, расположенный на геостационарной орбите от станции вещания на космический спутник. Посредством него вся информация равномерно распределяется между приемниками абонентов. Для передачи сигнала используется цифровой стандарт, что позволяет многократно увеличить количество транслируемых каналов и избавится от помех. Для спутниковой ретрансляции телевизионных передач в основном используют два вида спутников: спутники, обращающиеся на вытянутых эллиптических орбитах, и спутники, размещенные на геостационарной орбите. Использование ИСЗ, расположенный на геостационарной орбите, исключает необходимость непрерывного наведения приемной антенны на спутник. Благодаря неизменному расстоянию до спутника стабилизируется уровень входного сигнала. Связь может осуществляться круглосуточно и без перерывов, необходимых для перехода с одного ИСЗ на другой(в 1965 году в СССР для этих целей использовали три спутника, движущихся по эллиптической орбите). Наконец, облегчается энергоснабжение аппаратуры, так как спутник почти постоянно освещается Солнцем. К недостаткам геостационарной орбиты относятся плохое обслуживание приполярных областей Земли и необходимость расположения космодрома на экваторе, иначе для выведения спутника на такую орбиту требуется значительное увеличение мощности ракеты-носителя. Тем не менее, эти недостатки окупаются простотой и дешевизной большого числа земных станций. Но самое главное - это возможность осуществления непосредственного приема телевизионных передач телезрителями с геостационарного спутника без промежуточного наземного ретранслятора.

Множество спутников располагается на наклонных или полярных орбитах. При этом требуемая мощность передатчика не так высока, и стоимость вывода спутника на орбиту ниже. Однако такой подход требует не только большого числа спутников, но и разветвленной сети наземных коммутаторов. Подобный метод используется операторами Iridiumи Globalstar. С операторами персональной спутниковой связи конкурируют операторы сотовой связи.

Главным недостатком экваториальных орбит является задержка сигнала. Спутники на экваториальных орбитах оптимальны для систем радио- и телевизионного вещания, где задержки в 250 мс (в каждом направлении) не сказываются на качественных характеристиках сигналов. Системы радиотелефонной связи более чувствительны к задержкам, а поскольку суммарная задержка в системах данного класса составляет около 600 мс (с учетом времени обработки и коммутации в наземных сетях), даже современная техника эхоподавления не всегда позволяет обеспечить связь высокого качества. В случае "двойного скачка" (ретрансляции через наземную станцию-шлюз) задержка становится неприемлемой уже более чем для 20% пользователей.

 В соответствии с  высотой орбиты системы спутниковой  связи делятся на:

• Низкоорбитальные - (700 — 1 500) км.
• Среднеорбитальные - (5 000 — 15 000) км.
• Высокоорбитальные — от 15 000 и выше.

Низкоорбитальные ССС используются для телефонной двусторонней связи, так как при этом происходит наименьшая задержка сигнала (не проявляется эффект реверберации). Кроме того, низкоорбитальные ССС используются для оптической разведки и связи с объектами малой энергетической емкости, например, с аварийными буями.

 Среднеорбитальные ССС  используются, в основном, для систем  радиовещания и ТВ или для двусторонней факсимильной, ТЛГ, пейджинговой связи и обмена данными. Также для телеметрических систем слежения за автомобилями, поездами с передачей от них телеметрической информации. То есть, в тех системах, где задержка сигнала не оказывает существенного влияния на качество работы каналов связи.

 Высокоорбитальные ССС, чаще всего, используются для  передачи телевизионных и радиовещательных программ. Кроме того, данные системы связи используются для систем односторонней ТЛГ, ФАКС, пейджинговой связи и обмена данными.

4. Основные параметры оптико-электронных КА

Начиная с 1999 года, в мире было разработано и запущено 11 гражданских космических аппаратов с оптико-электронной аппаратурой, обеспечивающих получение снимков с разрешением 0,4—1,0 м. Такие космические снимки широко используются для землепользования, кадастра, проектирования и строительства инженерных сооружений, разведки месторождений углеводородного сырья, создания топографических карт и планов.

Если первые КА были разработаны американскими компаниями, то, начиная с 2006 года, к запускам КА сверхвысокого разрешения присоединились и другие страны: Израиль (Eros-B), Россия (Ресурс-ДК), Корея (Kompsat-2) и Индия (Cartosat-2). Но компании США, сохраняя технологический отрыв, запустили КА GeoEye-1 (рис. 5), WorldView-1 и WorldView-2 с разрешением 0,4—0,5 м.

Рис. 5. KAGeoEye-1

Основные параметры оптико-электронных космических аппаратов сверхвысокого разрешения и характеристики их бортовой съемочной аппаратуры приведены в таблице 1.

Таблица 1.

Параметры оптико-электронных КА сверхвысокого разрешения

Лучшим из рассмотренных КА являются GeoEye-1, WorldView-1 и WorldView-2, которые обеспечивают съемку с пространственным разрешением 0,4—0,5 м. Поэтому рассмотрим характеристики этих КА более подробно.

КА GeoEye-1 обеспечивает одновременную съемку в панхроматическом и многоспектральном режимах с пространственным разрешением 0,4 и 1,6 м соответственно. Важной особенностью этого КА является высокая точность координатной привязки снимков, которая обеспечивается благодаря применению космической платформы с высокой стабильностью и повышенной точностью определения пространственного положения и ориентации спутника. В соответствии с данными изготовителя, СКП определения координат точек местности по снимкам, получаемым КА GeoEye-1 составляет 1,5 м в плане без использования наземных опорных точек. Повышение пространственного разрешения и точности географической привязки космических снимков позволяет получать карты и планы масштаба до 1:2000 на уровне аэрофотосъемки. Представляется, что такая точность и масштаб карт на длительный период будут определять тот водораздел, который разграничивает области применения космических и авиационных съемочных средств.

Еще одним технологическим преимуществом КА GeoEye-1 является возможность получения огромного количества снимков. Космический аппарат может с большой скоростью поворачиваться в любом направлении для наведения телескопа на заданный участок Земли. Высокая скорость перенацеливания КА GeoEye-1 (4°/сек) позволяет получать большое количество кадров при каждом прохождении и осуществлять различные режимы съемки: кадровый, маршрутный, площадной, а также режим стереосъемки. При ширине захвата в надире 15,2 км и углах наклона до 40° производительность системы больше, чем для любой существующей коммерческой платформы.

Пример снимка, полученного КА GeoEye-1, показан на рисунке 6. Кооперация во главе с DigitalGlobe изготовила и запустила два космических аппарата WorldView-1 и WorldView-2. В проекте участвовали компании Bell

Рис. 6. Аэропорт Внуково

Aerospace (платформа), Kodak (оптическая камера), BAE Systems (система обработки). WorldWiew-1 оснащен телескопом с диаметром зеркала 60 см для съемки с разрешением 0,45 м только в панхроматическом диапазоне при ширине полосы захвата 16,5 км. Масса нового аппарата 2500 кг. Второй спутник, WorldView-2 массой 2800 кг оборудован крупногабаритным телескопом с диаметром зеркала ПО см для съемки с разрешением 0,45 м в панхроматическом диапазоне и 1,8 м в мультиспектральном режиме в 8 спектральных каналах. Размер кадра на местности при съемке в надир составит 16,5 км при высоте орбиты 770 км.

Для достижения высокого качества изображения применяется оптическая система с высоким контрастом и отношением сигнал/шум, а также технология временной задержки и накопления сигнала (TDI) на многолинейных ПЗС-структурах (6 режимов накопления от 8 до 64 крат). Оба КА оснащены бортовыми регистраторами емкостью 2,2 Тбит и сверхскоростной радиолинией передачи данных 800 Мбит/сек, а срок существования планируется более 7 лет.

Для увеличения производительности в системе ориентации используются гироскопы управления моментом, которые позволяют в 2 раза увеличить скорость перенацеливания телескопа на объекты съемки (до 4,5°/с). Аппаратура может выполнять съемку в различных режимах: кадровом, маршрутном (возможна съемка маршрутов сложной конфигурации, например, вдоль береговой линии, дороги, нефтепровода или госграницы), площадном (участки размером 60x60 км), а также в режиме формирования стереопар. Государственные клиенты будут получать заказанные изображения WorldView через сетевой терминал, называемый «виртуальной наземной станцией» (Virtual Ground Station-VGT), или непосредственно на наземную приемную станцию заказчика. Для обеспечения высокой оперативности КА WorldView могут вести съемку одновременно с передачей данных на станции клиентов. Предусмотрена также возможность программирования съемки и приема информации через станцию клиента (так называемого «виртуального оператора») в течение одного сеанса радиосвязи. Коммерческая эксплуатация спутника WorldView-2 в полном объеме начинается с января 2010.

Рис. 7. Орбитальная группировка компании DigitalGlobe.

Важной особенностью этих перспективных КА является высокая точность координатной привязки изображений, которая достигается благодаря применению космической платформы с высокой стабильностью и улучшенной точностью определения ориентации спутника. Так, координатная точность изображений КА WorldView-1 составит без наземных контрольных точек 5,8—7,6 м (СЕ 90), с наземными контрольными точками 2 м и с соседними контрольными точками, не попавшими в площадь снимка, 3—3,5 м (технология Accuracy Transfer Service — ATS). Планируемая координатная точность изображений позволит создавать карты масштаба 1:10000 без использования наземных контрольных точек. Сверхдетальные изображения найдут применение при разработке крупномасштабных карт и планов местности, в различных тематических ГИС, при планировании городской застройки, строительстве дорог, линий связи, трубопроводов и других объектов инфраструктуры. В случае устойчивого развития рынка потребителями геопространственных данных на основе космических изображений сверхвысокого разрешения могут стать миллионы людей: водители автомобилей, оснащенных навигационными компьютерами, пользователи различных тематических ГИС, проектировщики, строители, страховщики и многие другие.

Фрагмент мультиспектральной съемки со спутника WorldView-2 показан на рисунке 8.

Рис. 8. Фрагмент мультиспектральной съемки со спутника WorldView-2 с пространственным разрешением 50 см. Площадь Венеции. Рим.

Заключение