Часть 1. Базовые проектные решения и пути модернизации космических аппаратов дистанционного зондирования Земли с аппаратурой оптико-электронного наблюдения

Развитие информационных технологий делает общедоступными данные со спутников, получающих изображения Земли в различных диапазонах спектра. Наиболее востребованной продукцией космических систем дистанционного зондирования Земли (КС ДЗЗ) будут цифровые изображения поверхности Земли с детальным разрешением лучше 1 м. Уже сегодня в общем доступе, например на сайте www.maps.google.com, можно найти снимки Земли, сделанные из космоса самыми различными аппаратами, с разрешением до 0,5 м.

С целью увеличения частоты наблюдения интересующих районов и производительности обычно используется несколько космических аппаратов, объединяющихся в орбитальную группировку. Общемировой тенденцией является объединение разнотипных КА в единую КС ДЗЗ с объединённым информационным центром, предоставляющим потребителям не только готовые цифровые изображения, но и различные специализированные продукты на основе их обработки.

Совершенствование целевой аппаратуры и создание единого информационного пространства позволило создать системы мониторинга Земли не только с высоким и детальным разрешением, но и высокой периодичностью наблюдения.

Совершенствование целевой аппаратуры КА ДЗЗ и создание единого информационного пространства позволило создать системы мониторинга Земли не только с высоким и детальным разрешением, но и высокой периодичностью наблюдения [ 1, 2, 5 ].

На мировом рынке данных сформировался устойчивый класс космических аппаратов, формирующих наиболее востребованные данные дистанционного зондирования Земли с разрешением от 0,5 м и лучше. Сложившийся баланс тактико-технических характеристик, высоты орбиты и количества КА достигнут в результате работы по замене дорогостоящей группировки тяжёлых КА типа KeyHole на серию КА различных производителей с упором на коммерческое распространение данных.

Отработка технологии малоразмерных КА ДЗЗ высокого разрешения началась в 1999 году на КА Iconos-2, успешно завершившем работу в 2015 году, и продолжилась на QuickBird с широкоугольной аппаратурой, запущенном в 2001 году. Указанные КА позволили получить высококачественные цифровые снимки с разрешением 1 м.

Достижение разрешающей способности в 0,5 м и лучше стало возможным на КА GeoEye-1 с четырёхзеркальной оптической системой 1,1 м. Далее последовали WorldView-2 и его модификация WorldView-3 (GeoEye-2).

В настоящее время функционирует не менее шести зарубежных КА подобного класса (WorldView, Pleiades, CSO-1, EROS, KazEOSat-2 и др.). Многие КА продолжают эксплуатироваться за пределами гарантийного срока. Масса КА этого класса не более 3000 кг. Высота полёта КА составляет от 600 до 800 км. Целевая аппаратура строится на основе зеркальной оптической системы диаметром от 0,7 до 1,3 м.

Основными поставщиками данных дистанционного зондирования Земли являются корпорации GeoEye и DigitalGlob. C 2013 года корпорация GeoEye объединилась с DigitalGlob. Создание КА проводится в рамках частно-государственного партнёрства. Основное бюджетное финансирование покупки данных осуществляется по программе EnchancedView для задач геопространственной разведки США. В объединённой орбитальной группировке Digital Glob основные этапы развития КА ДЗЗ прослеживаются наиболее наглядно.

Первоначально для замены тяжёлых КА ДЗЗ разработаны КА Iconos метрового разрешения (разработчик Lockhid Martin и Ratheon) и Early Bird обзорного наблюдения. Для обеспечения большой полосы захвата Early Bird оснащался полноапертурным сканирующим зеркалом. Первый КА Iconos был потерян в результате аварии ракеты-носителя, а Early Bird отказал в первые дни после запуска.

Отработка оптико-электронного комплекса метрового разрешения с компактным трёхзеркальным анастигматом Корша и приёмником изображения Kodak на матрицах временной задержки и накопления успешно проведена на КА Iconos-2.

Разрешение в 0,6 м в полосе захвата 16,5 км впервые обеспечил КА QuickBird-2 при помощи оптико-электронного комплекса (ОЭК) BHRC60 фирмы Bell. Отказаться от сканирующего зеркала позволил внеосевой зеркальный анастигмат Кука c полем зрения 2,12 градуса. В качестве приёмников изображения применялся отработанный на Iconos-2 приёмник изображения с удвоенной шириной и количеством элементов. Для обеспечения требуемой пропускной способности скорость радиолинии и ёмкость запоминающего устройства КА QuickBird-2 увеличены в два раза по сравнению с КА Iconos-2.

Космические платформы КА Iconos и QuickBird обеспечивали прецизионные режимы съёмки с трёхосным отслеживанием, что позволяло снимать сложные полигональные площади. Динамические характеристики указанных КА были невелики. В качестве исполнительных органов системы ориентации применялись двигатели-маховики.

Эксплуатация QuickBird показала возможность достижения высокого разрешения в широкой полосе захвата. Усовершенствованный внеосевой зеркальный анастигмат Кука WV100 фирмы Bell был установлен на КА WorldView-1 с лучшими динамическими характеристиками.

Улучшение пространственного разрешения до 0,3–0,5 м достигнуто в результате создания корпорацией ITT и входящей в неё Harris трёхзеркального анастигмата Корша c диаметром 1,1 м и полем зрения до 1,3°. Одновременно в указанной компании создан оптико-электронный преобразователь с размером пикселя 8 мкм и шириной 35 000 пикселей. Оптико-электронный комплекс Harris SpaceView 110 с апертурой 1,1 м впервые применён на КА GeoEye-1, что позволило улучшить пространственную разрешающую способность до 0,4 м. С минимальными изменениями SpaceView 110 применяется на КА WorldView-2, -3, -4.

Увеличение габаритов ОЭК потребовало применения более тяжёлых космических платформ. КА GeoEye-1 разработан фирмой ITT с интегральной компоновкой на основе платформы SA-200 HP фирмы General Dynamics. Недостатком GeoEye-1 являлась невысокая скорость перенацеливания.

КА фирмы Bell WorldView-1, -2, -3 созданы на однотипной платформе BCP-5000 (рис. 1). Динамические характеристики этой серии КА существенно улучшены за счёт применения силовых гироскопов.

В дальнейшем на WorldView-4 корпорация ITT также применила усовершенствованную платформу LM900 фирмы Lockhid Martin с увеличенной мощностью системы энергоснабжения и силовыми гироскопами в качестве исполнительных органов.

Увеличение апертуры позволило повысить высоту орбиты до 800 км и отказаться от использования сложного внеосевого анастигмата Кука для решения задач, требующих большой полосы захвата при умеренном разрешении.

Рис. 1. Размещение двух типов оптико-электронных комплексов КА WorldView-1, -2, -3 на унифицированной платформе

В результате на WorldView-2 достигнута такая же полоса захвата, как и у QuickBird и WorldView-1, при несколько лучшем разрешении. Улучшение динамических характеристик платформ позволило снимать маршруты и площади за счёт перенацеливания КА. Последующие КА WorldView-2, -3, -4 запущены на более низкую орбиту для наблюдения с разрешением 0,4 м и лучше.

Совершенствование оптико-электронного преобразователя проводится увеличением количества каналов, скорости радиолинии и ёмкости запоминающего устройства. Например, для КА GeoEye-1, WorldView-1, -2, -3, -4 применён однотипный оптико-электронный преобразователь (ОЭП) с различным количеством мультиспектральных каналов. На КА WorldView-1 установлен только панхроматический приёмник. В WorldView-2 по сравнению с GeoEye-1 увеличено количество мультиспектральных диапазонов с 4 до 8. На КА WorldView-3 дополнительно добавлено 8 каналов ближнего инфракрасного диапазона.

Развитие твердотельных запоминающих устройств позволило увеличить ёмкость запоминающего устройства до 2200 Гбит. Скорость радиолинии увеличена до 800 Мбит/c. Большое количество каналов в ОЭП WorldView-3 потребовало в единичном случае установки радиолинии 1200 Мбит/c.

Развитие и модернизация КА ДЗЗ, используемых компанией Digital Globe, осуществляется за счёт совершенствования оптико-электронного преобразователя (увеличения количества каналов) и радиолинии (увеличение скорости) вместе с применением уникальной крупногабаритной оптической системы (ОС) и отработанных космических платформ.

При этом повышение производительности и оперативности достигается, в основном, путём наращивания орбитальной группировки КА ДЗЗ. Требуемая детальность изображения обеспечивается двумя КА на орбите с высотой 620 км. Как минимум один КА такого же типа находится на повышенной до 770–800 км высоте орбиты с целью наблюдения с большей шириной полосы захвата и оперативностью.

Таким образом, можно обозначить подход при создании КА ДЗЗ, при котором в составе КА есть переменная (динамическая) составляющая (ОЭП, ЗУ, высокоскоростная радиолиния) и консервативная составляющие (крупногабаритная оптическая система, космическая платформа).

Космические системы дистанционного зондирования Земли, имеющие оптические системы большого диаметра, имеют лучшее линейное разрешение на местности с большей высоты полёта и, соответственно, более высокую периодичность наблюдения и оперативность доставки информации.

Пространственное разрешение в оптико-электронных комплексах наблюдения определяется дальностью наблюдения и угловым разрешением. Совершенствование КС ДЗЗ идёт в направлении улучшения угловой разрешающей способности до уровня лучше 0,2 угл. с путём увеличения диаметра ОС (GeoEye-1, CSО-1). Это обусловлено тем, что КС ДЗЗ, имеющие ОС большого диаметра, имеют лучшее линейное разрешение на местности с большей высоты полёта и, соответственно, более высокую периодичность наблюдения и оперативность доставки информации [ 3, 4, 9 ] . Кроме того, крупногабаритные ОС позволяют приблизить пространственное разрешение к ограничению, обусловленному турбулентностью атмосферы.

Методическое обеспечение создания КА ДЗЗ является сложной научно-технической проблемой [ 6 ], требующей увязки характеристик составляющих элементов космической системы. Увеличение диаметра ОС требует улучшения точности стабилизации.

Большинство ОЭК построено на основе оптической системы трёхзеркального анастигмата Корша (TMA) с относительным фокусным расстоянием не менее 12. Невысокое относительное фокусное расстояние определяется крупным размером пикселя приёмника изображения менее 8–13 мкм. Использование достаточно крупного размера ячеек приёмника изображения обусловлено требованием обеспечения достаточной потенциальной ямы для накопления сигнала обеспечения радиометрической чувствительности [ 7 ]. Кроме этого, обеспечивается ограничение на смаз изображения от вибраций, вызванных работой исполнительных органов системы стабилизации [ 8 ].

Согласование размера пикселя и относительного фокусного расстояния для большинства современных высокоразрешающих ОЭК производится по принципу равенства радиуса кружка рассеивания и размера пикселя. Дальнейшее увеличение фокусного расстояния теоретически может повысить разрешающую способность, однако на практике систематические и случайные смазы изображения и остаточная расфокусировка не позволяют этого сделать. Одновременно увеличение относительного отверстия более рациональных значений существенно снижает освещённость ячеек приёмника изображения и радиометрическую чувствительность.

Увеличение диаметра апертуры оптической системы позволило улучшить периодичность и производительность путём увеличения высоты орбиты до 770–800 км (WorldView-2 и CSO-1). С целью улучшения разрешающей способности одновременно применяются КА на высотах 617–680 км (WorldView-3, -4 и Pleiades-1, -2).

Количество одновременно функционирующих однотипных КА в орбитальной группировке увеличивается от двух-трёх в Pleiades и WorldView до планируемых четырёх в CSO. Увеличение численности орбитальной группировки возможно в результате сокращения сроков производства КА с 3–4 лет до 2–3 лет.

Альтернативный путь развития КА ДЗЗ продемонстрирован фирмой Airbas Defence (бывшая Astrium) при переходе от КА Pleiades-1, -2 . На Pleiades-1, -2 были отработаны методология и технология создания КА с интегральной компоновкой и крупногабаритным ОЭК. В КА CSO-1 отсутствует деление на модуль целевой аппаратуры и служебную платформу. Сохранились отработанные принципы интегральной компоновки КА типа Pleiades-1, -2 (рис. 2).

Рис. 2. Сравнение КА Pleiades и CSO

Переход от диаметров 0,7 м к 1,3 м производился без изменения основных расчётных параметров и относительного фокусного расстояния ОС.

Массовые характеристики оптической системы, вероятнее всего, были улучшены за счёт применения карбида кремния SiC в зеркалах телескопа и нитрида кремния SiN в элементах конструкции. Удельная масса главного зеркала Pleyades-1, -2 c оправой составляет около 68 кг/м². В космической обсерватории Euclid установлена ОС типа Корша с диаметром 1,25 м, предположительно являющаяся аналогом ОС CSO-1. Удельная масса 1,25 м зеркала Euclid равна 30 кг/м².

Зарубежные КА ДЗЗ с диаметрами оптической системы в 0,3…0,4 м получили развитие в направлении упрощённых малых КА типа SkySat с массой не более 100 кг. Разрешающая способность таких КА составляет 1–2 м. Количество КА в группировке более двадцати, что обеспечивает высокую периодичность наблюдения.

В условиях планов развёртывания группировок КА типа SkySat применение сложных высокопрецизионных платформ для установки целевой аппаратуры диаметром 0,3…0,4 м уже не имеет смысла.

Готовые оптико-электронные комплексы диаметром до 0,7 м предлагаются на коммерческом рынке. Аналогичная Iconos-2 коммерческая модификация ОЭК Kodak-1000TMA может быть изготовлена за два года по цене около 1 млн долл. Разработчик целевой аппаратуры для КА WorldView-1, -2 и -3 Harris Corporation предлагает ряд ОЭК трёх типоразмеров: с диаметром 25, 35 и 40 см для малых КА и 50, 65, 70 и 110 см – для больших КА. Существуют предложения готовых КА, например упрощённая копия КА Pleiades типа KazEOSat-2 предлагается Airbas Defence and Space (Astrium).

Существенное улучшение пространственной разрешающей способности до 0,3–0,5 м зарубежных КА ДЗЗ достигнуто за счёт применения новых крупногабаритных оптико-электронных комплексов. В силу уникальности таких ОЭК Harris и Astrium построение КА производится путём выбора служебной платформы с требуемыми характеристиками по динамике и точности стабилизации от различных производителей или путём интегральной компоновки КА со служебными системами.

В настоящее время наибольшим диаметром ОС типа Корша до 1,3 м обладает КА CSO-1. Дальнейшее совершенствование ОС продолжится в направлении создания трёхзеркальных анастигматов Корша с диаметром 1,5–2 м с зеркалами и элементами конструкции из карбида с массой от 500 до 800 кг.

Увеличение диаметра апертуры до 1,5–2 м позволит создать два типа КА: для решения задач в полосе обзора до 25–30 км с разрешением 0,5 м на высоте выше 1200 км и для детального наблюдения с полосой захвата 15 км и пространственным разрешением лучше 0,25 м на высоте 700–800 км.

Увеличение размеров фокальной плоскости таких ОС потребует создания следующего поколения ОЭК с количеством пикселей более 40 000. В орбитальном построении неизменным является использование солнечно-синхронных орбит. В будущем можно прогнозировать создание КА на наклонных орбитах для улучшения периодичности наблюдения определенных широтных поясов.

 Литература

1. Бакланов А. И. К вопросу о пространственном разрешении и точности привязки изображений космических систем наблюдения высокого разрешения // Геоматика. 2010. № 3. С. 25–30.
2. Бакланов А. И., Блинов В. Д., Горбунов И. А., Забиякин А. С. и др. Аппаратура высокого разрешения для перспективного космического аппарата «Ресурс-ПМ» // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета. 2016. Т. 15. № 2. С. 30–35.
3. Ефанов В. В., Клименко Н. Н., Семункина В. И., Шостак С. В. Космическая система дистанционного зондирования Земли на базе космического аппарата «Аркон»: к 20-летию первого запуска // Вестник НПО им. С. А. Лавочкина. 2017. № 4. С. 25–34.
4. Ефанов В. В., Семункина В. И., Шостак С. В. Особенности баллистического проектирования КС ДЗЗ оптико-электронного наблюдения типа «Аркон-1» // Вестник ФГУП НПО им. С. А. Лавочкина. 2009. № 1. C. 46–52.
5. Занин К. А., Москатиньев И. В. Основные направления развития зарубежных оптико-электронных космических систем дистанционного зондирования Земли (обзор) // Вестник НПО им. С. А. Лавочкина. 2019. № 2. С. 28–36.
6. Золотой С. А. Методические основы научного сопровождения процессов создания космических систем дистанционного зондирования Земли // Вестник НПО им. С. А. Лавочкина. 2017. № 1. C. 83–86.
7. Хартов В. В., Ефанов В. В., Занин К. А. Основы проектирования орбитальных оптико-электронных комплексов: учеб. пособие. М: Изд-во МАИ, 2011. 127 с.
8. Макриденко Л. А., Волков С. Н., Геча В. Я., Жилинев М. Ю. и др. Основные источники снижения качества изображений Земли, получаемых при орбитальной оптической съёмке с борта МКА // Вопросы электромеханики. Труды ВНИИЭМ. 2017. Т. 160. № 5. С. 3– 19.
9. Тимофеев В. Н. Основные принципы создания современных информационных космических систем оптико-электронного наблюдения поверхности Земли // Космонавтика и ракетостроение. 2003. № 3. С. 42–48.
10. Costes V., Cassar G., Escarrat L., Conseil S. Optical design of a compact telescope for the next generation earth observation system, Proc. SPIE 10564, International Conference on Space Optics – ICSO 2012, 1056416 (20 November 2017); https://doi.org/10.1117/12.2309055

References

1. Baklanov A. I. K voprosu o prostranstvennom razreshenii i tochnosti privyazki izobrazheniy kosmicheskikh sistem nablyudeniya vysokogo razresheniya // Geomatika. 2010. № 3. S. 25-30.
2. Baklanov A. I., Blinov V. D., Gorbunov I. A., Zabiyakin A. S. i dr. Apparatura vysokogo razresheniya dlya perspektivnogo kosmicheskogo apparata «Resurs-PM» // Vestnik Samarskogo gosudarstvennogo aerokosmicheskogo universiteta. 2016. T. 15, № 2. S. 30-35.
3. Yefanov V. V., Klimenko N. N., Semunkina V. I., Shostak S. V. Kosmicheskaya sistema distantsionnogo zondirovaniya Zemli na baze kosmicheskogo apparata «Arkon»: k 20-letiyu pervogo zapuska // Vestnik NPO im. S. A. Lavochkina. 2017. № 4. S. 25–34.
4. Yefanov V. V., Semunkina V. I., Shostak S. V. Osobennosti ballisticheskogo proyektirovaniya KS DZZ optiko-elektronnogo nablyudeniya tipa «Arkon 1» //Vestnik FGUP NPO im. S. A. Lavochkina. 2009. № 1. C. 46–52.
5. Zanin K. A., Moskatin'yev I. V. Osnovnyye napravleniya razvitiya zarubezhnykh optiko-elektronnykh kosmicheskikh sistem distantsionnogo zondirovaniya Zemli (obzor) // Vestnik NPO im. S.A. Lavochkina. 2019. № 2(44). S. 28–36
6. Zolotoy S. A. Metodicheskiye osnovy nauchnogo soprovozhdeniya protsessov sozdaniya kosmicheskikh sistem distantsionnogo zondirovaniya Zemli //Vestnik NPO im. S.A. Lavochkina. 2017. № 1. C. 83–86.
7. Khartov V. V., Yefanov V. V., Zanin K. A. Osnovy proyektirovaniya orbital'nykh optiko-elektronnykh kompleksov: ucheb. posobiye. M: Izd-vo MAI, 2011. 127 s.
8. Makridenko L. A., Volkov S. N., Gecha V. YA., Zhilinev M. YU. i dr. Osnovnyye istochniki snizheniya kachestva izobrazheniya Zemli, poluchayemykh pri orbital'noy opticheskoy s"yemke s borta MKA // Voprosy elektromekhaniki. Trudy VNIIEM. 2017. T. 160, № 5. S. 3–19.
9. Timofeyev V. N. Osnovnyye printsipy sozdaniya sovremennykh informatsionnykh kosmicheskikh sistem optiko-elektronnogo nablyudeniya poverkhnosti Zemli // Kosmonavtika i raketostroyeniye. 2003. № 3(32). S. 42–48.
10. Costes V., Cassar G., Escarrat L., Conseil S. Optical design of a compact telescope for the next generation earth observation system // International conference on Space Optics (ICSO 2012), Ajaccio-Corsica, France, 2012. https://doi.org/10.1117/12.2309055 (Data obrashcheniya 31.03.2019).

© Занин К. А., Клименко Н. Н., Москатиньев И. В., 2020

История статьи:

Поступила в редакцию: 24.01.2020

Принята к публикации: 09.02.2020

Модератор: Плетнер К. В.

Конфликт интересов: отсутствует

Для цитирования: Занин К. А., Клименко Н. Н., Москатиньев И. В. Современные космические аппараты дистанционного зондирования Земли // Воздушно-космическая сфера. 2020. № 1. С. 82–89.

Скачать статью в формате PDF >>