Развитие и современное состояние спутниковых навигационных систем и сервисов. интеграция технологий дзз и гнсс. Глонасс для космических применений Использование сигналов космических навигационных систем для дзз

Слово «спутник» в значении летательного аппарата появилось в нашем языке благодаря Федору Михайловичу Достоевскому, который рассуждал о том, «что станет в пространстве с топором?.. Если куда попадет подальше, то примется, я думаю, летать вокруг Земли, сам не зная зачем, в виде спутника...». Что подвигло писателя на подобные рассуждения, сегодня сказать затруднительно, но спустя столетие — в начале октября 1957 года — вокруг нашей планеты принялся летать совсем даже не топор, а сложнейший по тем временам аппарат, ставший первым искусственным спутником, посланным в космос с совершенно определенными целями. А за ним последовали и другие…

Особенности «поведения»

Сегодня к спутникам — нарушителям спокойной картины ночного неба — все давно привыкли. Созданные на заводах и запущенные на орбиту, они продолжают «кружить» во благо человечества, оставаясь неизменно интересными разве что узкому кругу специалистов. Что же представляют собой искусственные спутники и какую пользу из них извлекает человек?

Как известно, одним из главных условий выхода спутника на орбиту является его скорость — 7,9 км/с для низкоорбитальных спутников. Именно при такой скорости наступает динамическое равновесие и центробежная сила уравновешивает силу тяжести. Иными словами, спутник летит настолько быстро, что не успевает упасть на земную поверхность, поскольку Земля в прямом смысле слова уходит у него «из-под ног» из-за того, что она круглая. Чем больше начальная скорость, сообщенная спутнику, тем выше будет его орбита. Однако по мере удаления от Земли скорость на круговой орбите падает и геостационарные спутники движутся по своим орбитам со скоростью всего 2,5 км/с. При решении задачи длительного и даже вечного существования космического аппарата (КА) на околоземной орбите необходимо поднимать его на все большую высоту. Стоит заметить, что на движение КА существенным образом влияет и атмосфера Земли: даже будучи сверхразреженной на высотах свыше 100 км от уровня моря (условной границы атмосферы), она заметно тормозит их. Так что со временем все КА теряют высоту полета и срок их пребывания на орбите напрямую зависит от этой высоты.

С Земли спутники видны только ночью и в те моменты времени, когда они освещены Солнцем, то есть не попадают в область земной тени. Необходимость совпадения всех перечисленных факторов приводит к тому, что продолжительность наблюдения большинства низкоорбитальных спутников составляет в среднем по 10 минут перед входом и столько же — после выхода из тени Земли. При желании земные наблюдатели могут систематизировать спутники по яркости (на первом месте здесь находится Международная космическая станция (МКС) — ее яркость приближается к первой звездной величине), по периодичности мерцания (определяемой вынужденным или специально заданным вращением), по направлению движения (через полюс или в ином направлении). На условия наблюдения спутников существенным образом влияют цвет его покрытия, наличие и размах солнечных батарей, а также высота полета — чем она больше, тем медленнее движется спутник и тем существенно менее ярким и заметным он становится.

Большая высота полета (минимальное расстояние до Земли 180— 200 км) скрадывает размер даже таких относительно больших КА, как орбитальные комплексы «Мир» (сведенный с орбиты в 2001 году) или МКС, — все они видны, как светящиеся точки, большей или меньшей яркости. Простым глазом, за редким исключением, опознать спутник невозможно. Для целей точной идентификации КА используют различные оптические средства — от биноклей до телескопов, что простому наблюдателю не всегда доступно, а также расчеты их траекторий движения. Опознать отдельные КА астроному-любителю помогает Интернет, где публикуется информация о местонахождении спутников на околоземной орбите. В частности, любой желающий может войти на сайт NASA, где в режиме реального времени отображается текущее местонахождение МКС.

Что же касается практического применения спутников, то начиная с самых первых запусков они сразу стали решать конкретные задачи. Так, полет первого спутника был использован для исследования из космоса магнитного поля Земли, а его радиосигнал нес в себе данные о температуре внутри герметичного корпуса спутника. Поскольку запуск космического аппарата — удовольствие достаточно дорогое, да к тому же весьма сложное в реализации, то на каждый из запусков возлагается сразу несколько задач.

Прежде всего решаются технологические проблемы: отработка новых конструкций, систем управления, передачи данных и тому подобное. Полученный опыт позволяет создавать следующие экземпляры спутников более совершенными и постепенно переходить к решению усложненных целевых задач, оправдывающих расходы по их созданию. Ведь конечной целью этого производства, как и всякого другого, является извлечение прибыли (коммерческие запуски) или максимально эффективное использование спутников в процессе эксплуатации для целей обороны, решения геополитических и многих других задач.

Следует напомнить, что космонавтика в целом родилась вследствие военно-политического противостояния СССР и США. И, конечно, как только появился первый спутник, оборонные ведомства обеих стран, наладив контроль за космическим пространством, ведут с тех пор постоянный учет всех объектов, находящихся в ближайших окрестностях Земли. Так что, наверное, только им известно точное число КА, так или иначе функционирующих на данный момент. При этом отслеживаются не только сами космические аппараты, но и доставившие их на орбиту последние ступени ракет, переходные отсеки и другие элементы. То есть, строго говоря, спутником считается не только то, что имеет «интеллект» — собственную систему управления, наблюдения и связи, — но и простой болт, отделившийся от КА на очередной фазе полета.

По данным каталога Космического командования США по состоянию на 31 декабря 2003 года, таких спутников на околоземной орбите зарегистрировано 28 140, и число их неуклонно растет (учитываются объекты размером более 10 см). Со временем, в силу естественных причин, часть спутников падает на Землю в виде оплавленных остатков, но многие остаются на орбитах на протяжении десятилетий. Когда КА отрабатывают свой ресурс и перестают подчиняться командам с Земли, продолжая при этом летать, в околоземном космическом пространстве становится не просто тесно, но порой и опасно. Поэтому при запуске на орбиту нового аппарата, во избежание столкновения и катастрофы, необходимо постоянно знать о том, где находится «старый».

Классификация КА является задачей довольно трудоемкой, поскольку каждый аппарат уникален, а круг задач, решаемых новыми КА, постоянно расширяется. Однако если рассматривать космические аппараты с точки зрения практической пользы, то можно выделить основные категории, определяемые их целевым назначением. Наиболее востребованными на сегодняшний день являются спутники связи, навигационные, дистанционного зондирования Земли и научные. Спутники военного назначения и спутники-разведчики составляют отдельный класс, но по сути своей они решают те же задачи, что и их «мирные» собратья.

Спутники-связисты

Связисты одними из первых получили практическую выгоду от запуска спутников. Выведение на околоземную орбиту спутников-ретрансляторов позволило в кратчайшие сроки решить проблему устойчивой всепогодной связи на большей части обитаемой территории. Первым коммерческим спутником был именно спутник связи — «Эхо-2», запущенный США в 1964 году и позволивший организовать передачу телевизионных программ из Америки в Европу без использования кабельных линий связи.

В это же время свой спутник связи «Молния-1» был создан и в Советском Союзе. После развертывания наземной сети станций «Орбита» все регионы нашей большой страны получили доступ к Центральному телевидению, а кроме того, была решена проблема организации надежной и качественной телефонной связи. Спутники связи «Молния» размещались на высокоэллиптических орбитах с апогеем в 39 000 км. Для целей непрерывного вещания была развернута целая группировка спутников «Молния», летавших в различных орбитальных плоскостях. Наземные станции сети «Орбита» были снабжены довольно большими антеннами, которые с помощью сервоприводов отслеживали движение спутника по орбите, периодически переключаясь на тот, который находится в зоне видимости. С течением времени в процессе совершенствования элементной базы и улучшения технических параметров бортовых и наземных систем произошла смена нескольких поколений таких спутников. Но и по сей день группировки спутников семейства «Молния-3» обеспечивают передачу информации по всей территории России и за ее пределы.

Создание мощных ракет-носителей типа «Протон» и «Дельта» позволило обеспечить доставку спутников связи на геостационарную круговую орбиту. Ее особенность состоит в том, что на высоте 35 800 км угловая скорость вращения спутника вокруг Земли равна угловой скорости вращения самой Земли. Поэтому спутник, находящийся на такой орбите в плоскости земного экватора, как бы висит над одной точкой, а 3 геостационарных спутника, расположенных под углом 120°, обеспечивают обзор всей поверхности Земли, за исключением только приполярных районов. Поскольку задача поддержания своего заданного положения на орбите возлагается на сам спутник, то использование геостационарных космических аппаратов позволило существенно упростить наземные средства приема-передачи информации. Отпала необходимость снабжать антенны приводами — они стали статичными, и для организации канала связи их достаточно выставить лишь однажды, при первоначальной настройке. В итоге наземная сеть пользователей оказалась существенно расширенной, и информация стала поступать непосредственно потребителю. Свидетельство того — множество параболических антенн-тарелок, расположенных на жилых домах как в крупных городах, так и в сельской местности.

Поначалу, когда космос был «доступен» только для СССР и США, каждая из стран заботилась исключительно об удовлетворении собственных потребностей и амбиций, но со временем стало понятно, что спутники нужны всем, и в итоге постепенно начали появляться интернациональные проекты. Один из них — созданная в конце 1970-х годов общедоступная система глобальной связи ИНМАРСАТ. Основным ее назначением было предоставление морским судам устойчивой связи при нахождении в открытом море и координация действий во время спасательных операций. Сейчас мобильная связь через систему спутниковой связи ИНМАРСАТ обеспечивается посредством переносного терминала размером с небольшой кейс. При открытии крышки «чемоданчика» с вмонтированной в нее плоской антенной и наведении этой антенны в предполагаемый район нахождения спутника устанавливается двусторонняя голосовая связь, и обмен данными происходит со скоростью до 64 килобит в секунду. Причем сегодня четыре современных спутника обеспечивают связь уже не только на море, но и на суше, охватывая огромную территорию, простирающуюся от Северного до Южного полярного круга.

Дальнейшая миниатюризация средств связи и использование на космических аппаратах высокоэффективных антенн привели к тому, что спутниковый телефон приобрел «карманный» формат, мало чем отличающийся от обычного сотового.

В 1990-х годах почти одновременно началось развертывание сразу нескольких систем мобильной персональной спутниковой связи. Сначала появились низкоорбитальные — IRIDIUM («Иридиум») и GLOBAL STAR («Глобал Стар»), а затем геостационарная — THURAYA («Турайа»).

Система спутниковой связи «Турайа» имеет в своем составе пока 2 геостационарных спутника, позволяющих поддерживать связь на большей части Африканского континента, на Аравийском полуострове, на Среднем Востоке и в Европе.

Системы «Иридиум» и «Глобал Стар», схожие по своей структуре, используют группировки из большого числа низкоорбитальных спутников. Космические аппараты поочередно пролетают над абонентом, сменяя друг друга, поддерживая тем самым непрерывную связь.

В «Иридиум» входит 66 спутников, вращающихся на круговых орбитах (высота 780 км от поверхности Земли, наклонение 86,4°), размещенных в шести орбитальных плоскостях, по 11 аппаратов в каждой. Эта система обеспечивает 100-процентное покрытие нашей планеты.

«Глобал Стар» включает в себя 48 спутников, летающих в восьми орбитальных плоскостях (высота 1 414 км от поверхности Земли, наклонение 52°), по 6 аппаратов в каждой, обеспечивая 80-процентное покрытие, исключая приполярные районы.

Между двумя этими системами спутниковой связи существует принципиальное отличие. В «Иридиуме» телефонный сигнал, поступивший на спутник с Земли, передается по цепочке на следующий спутник до тех пор, пока не достигнет того, который в данный момент находится в зоне видимости одной из наземных приемных станций (станций сопряжения). Такая схема организации позволяет при минимуме затрат на создание наземной инфраструктуры в кратчайшие сроки после развертывания орбитальной составляющей приступить к ее эксплуатации. В «Глобал Стар» же трансляция сигнала со спутника на спутник не предусмотрена, поэтому этой системе необходима более плотная сеть наземных приемных станций. А так как в ряде районов планеты они отсутствуют, сплошного глобального покрытия не происходит.

Практическая польза от применения персональных средств спутниковой связи сегодня стала очевидной. Так, в процессе восхождения на Эверест в июне 2004 года российские альпинисты имели возможность использовать телефонную связь через «Иридиум», что значительно снижало накал тревоги всех тех, кто следил за судьбой альпинистов во время этого трудного и опасного мероприятия.

ЧП с экипажем корабля «СоюзТМА-1» в мае 2003 года, когда после возвращения на Землю спасатели в течение 3 часов не могли обнаружить космонавтов в казахской степи, также побудило руководителей программы МКС снабдить космонавтов спутниковым телефоном «Иридиум».

Спутники-навигаторы

Еще одним достижением современной космонавтики является приемник системы глобального позиционирования. Создаваться существующие ныне спутниковые системы глобального позиционирования — американская GPS (NAVSTAR) и российская «ГЛОНАСС» — начали еще 40 лет назад, в период «холодной войны», для точного определения координат баллистических ракет. Для этих целей в качестве дополнения к спутникам — регистраторам старта ракет, в космосе была развернута система навигационных спутников, в задачу которых входило сообщение своих точных координат в пространстве. Приняв необходимые данные одновременно с нескольких спутников, навигационный приемник определял и собственное местоположение.

«Затянувшееся» мирное время заставило владельцев систем начать делиться информацией с гражданскими потребителями сначала в воздухе и на воде, а затем и на суше, хотя и оставив за собой право в отдельные «особые» периоды загрублять привязку навигационных параметров. Так системы военного назначения стали гражданскими.

Разнообразные типы и модификации GPS-приемников широко используются на морских и воздушных средствах, в системах мобильной и спутниковой связи. Более того, приемник GPS, как и передатчик системы «Коспас-Сарсат», является обязательным оборудованием для любого плавсредства, выходящего в открытое море. Создаваемый Европейским космическим агентством грузовой космический корабль ATV, который в 2005 году полетит к МКС, свою траекторию сближения со станцией также будет корректировать по данным систем GPS и «ГЛОНАСС».

Обе навигационные спутниковые системы устроены приблизительно одинаково. GPS имеет 24 спутника, размещенных на круговых орбитах по 4 в шести орбитальных плоскостях (высота 20 000 км от поверхности Земли, наклонение 52°), а также 5 запасных аппаратов. В «ГЛОНАСС» тоже 24 спутника, по 8 в трех плоскостях (высота 19 000 км от поверхности Земли, наклонение 65°). Для того чтобы навигационные системы работали с требуемой точностью, на спутниках установлены атомные часы, с Земли регулярно передается информация, уточняющая характер движения каждого из них по орбите, а также условия распространения радиоволн.

Несмотря на кажущуюся сложность и масштабность системы глобального позиционирования, компактный GPSприемник сегодня может приобрести любой желающий. По сигналам со спутников этот прибор позволяет не только определить местоположение человека с точностью до 5—10 метров, но и снабдить его всеми необходимыми данными: географическими координатами с указанием места на карте, текущим мировым временем, скоростью движения, высотой над уровнем моря, положением сторон света, а также целым рядом сервисных функций, являющихся производными от первичной информации.

Достоинства космических навигационных систем настолько неоспоримы, что Объединенная Европа, несмотря на гигантские затраты, планирует создать собственную навигационную систему GALILEO («Галилей»). Систему своих навигационных спутников планирует развернуть и Китай.

Спутники дистанционного зондирования Земли

Применение миниатюрных GPS-приемников позволило существенно усовершенствовать работу еще одной категории космических аппаратов — так называемых спутников дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ). Если раньше снимки Земли, сделанные из космоса, было достаточно трудно связать с определенными географическими точками, то теперь этот процесс не представляет никаких проблем. А поскольку наша планета постоянно видоизменяется, то ее фотографии из космоса, никогда не повторяющиеся, будут востребованными всегда, предоставляя незаменимую информацию для изучения самых разнообразных аспектов земной жизни.

Спутники ДЗЗ имеют достаточно большую численность, и тем не менее их группировка постоянно пополняется новыми, все более совершенными аппаратами. Современным спутникам дистанционного зондирования, в отличие от тех, которые действовали в 1960—1970-х годах, нет необходимости возвращать на Землю отснятые в космосе фотопленки в специальных капсулах — на них установлены суперлегкие оптические телескопы и миниатюрные фотодетекторы на основе ПЗС-матриц, а также высокоскоростные линии передачи данных с пропускной способностью в сотни мегабит в секунду. В дополнение к оперативности получения данных появляется возможность еще и полной автоматизации обработки полученных изображений на Земле. Оцифрованная информация — это уже не просто изображение, а ценнейшая информация для экологов, лесоводов, землеустроителей и множества других заинтересованных структур.

В частности, спектрозональные фотографии, полученные в весенний период, дают возможность прогнозировать урожай, исходя из запаса влаги в почве, в период вегетации растений — обнаруживать места выращивания наркотических культур и своевременно принимать меры по их уничтожению.

Кроме того, необходимо принимать во внимание существующие ныне коммерческие системы продажи потребителям видеоизображений поверхности Земли (фотографий). Первыми такими системами была сначала группировка американских гражданских спутников LANDSAT, а затем французских — SPOT. При известных ограничениях и в соответствии с определенными расценками потребители во всем мире могут приобретать изображения интересующих их районов Земли с разрешением в 30 и 10 метров. Нынешние же, куда более совершенные спутники гражданского направления — ICONOS-2, QUICK BIRD-2 (США) и EROS-AI (Израиль— США) — после снятия ограничений американским правительством позволяют покупать фотографии земной поверхности с разрешением до 0,5 метра — в панхроматическом режиме и до 1 метра — в многоспектральном.

Вплотную к спутникам ДЗЗ примыкают метеорологические космические аппараты. Развитие их сети на околоземных орбитах существенно повысило надежность прогноза погоды и позволило обходиться без обширных сетей наземных метеостанций. А выходящие сегодня во всем мире выпуски новостей, сопровождаемые анимированными изображениями циклонов, трасс перемещения облачности, тайфунов и других явлений, которые создаются на основе данных метеоспутников, позволяют каждому из нас воочию убедиться в реальности происходящих на Земле природных процессов.

Спутники-«ученые»

По большому счету, каждый из искусственных спутников — это вынесенный за пределы Земли инструмент познания окружающего мира. Научные же спутники можно назвать своеобразными полигонами для проверки новых идей и конструкций и получения уникальной информации, которую никак иначе не добыть.

В середине 1980-х годов NASA была принята программа создания четырех астрономических обсерваторий, размещаемых в космосе. С теми или иными задержками все четыре телескопа были запущены на орбиту. Первым начал свою работу «ХАББЛ» (1990 год), предназначенный для исследования Вселенной в видимом диапазоне длин волн, за ним последовал «КОМПТОН» (1991 год), изучавший космическое пространство с помощью гамма-лучей, третьим был «ЧАНДРА» (1999 год), использовавший рентгеновские лучи, а завершил эту обширную программу «СПИТЦЕР» (2003 год), на долю которого пришелся инфракрасный диапазон. Названия всем четырем обсерваториям были даны в честь выдающихся американских ученых.

«ХАББЛ», работающий на околоземной орбите уже 15-й год, поставляет на Землю уникальные изображения далеких звезд и галактик. За столь продолжительный срок службы телескоп неоднократно ремонтировался во время полетов шаттлов, но после гибели «Колумбии» 1 февраля 2003 года запуски космических «челноков» были приостановлены. Планируется, что «ХАББЛ» пробудет на орбите до 2010 года, после чего, выработав свой ресурс, будет уничтожен. «КОМПТОН», передававший на Землю изображения источников гамма-излучения, прекратил свое существование в 1999 году. «ЧАНДРА» же продолжает исправно поставлять информацию о рентгеновских источниках. Все три этих телескопа предназначались учеными для работы на высокоэллиптических орбитах, дабы уменьшить влияние на них магнитосферы Земли.

Что же касается «СПИТЦЕРА», способного улавливать самое слабое тепловое излучение, исходящее от холодных удаленных объектов, то он в отличие от своих собратьев, вращающихся вокруг нашей планеты, находится на солнечной орбите, постепенно отдаляясь от Земли на 7° в год. Для того чтобы воспринимать крайне слабые тепловые сигналы, исходящие из глубин космоса, «СПИТЦЕР» охлаждает свои сенсоры до температуры, которая превышает абсолютный ноль всего на 3°.

С научной целью в космос запускают не только громоздкие и сложные научные лаборатории, но и маленькие спутники-шарики, снабженные стеклянными окошками и содержащие внутри уголковые отражатели. Параметры траектории полетов таких миниатюрных спутников с высокой степенью точности отслеживаются с помощью наведенного на них лазерного излучения, что позволяет получать информацию о малейших изменениях в состоянии гравитационного поля Земли.

Ближайшие перспективы

Получившее столь бурное развитие в конце XX века космическое машиностроение не останавливается в своем прогрессе ни на один год. Спутники, казавшиеся еще каких-нибудь 5—10 лет назад верхом технической мысли, сменяют на орбите новые поколения космических аппаратов. И хотя эволюция искусственных спутников Земли становится все более скоротечной, вглядываясь в недалекое будущее, можно попытаться увидеть основные перспективы развития беспилотной космонавтики.

Летающие в космосе рентгеновские и оптические телескопы уже подарили ученым немало открытий. Теперь же к запуску готовятся целые орбитальные комплексы, оснащенные этими приборами. Такие системы позволят провести массовое исследование звезд нашей Галактики на предмет наличия у них планет.

Ни для кого не секрет, что современные радиотелескопы земного базирования получают картинки звездного неба с разрешением, на порядки превосходящим достигнутое в оптическом диапазоне. Сегодня для такого рода исследовательских инструментов настала пора выведения в космос. Эти радиотелескопы будут запущены на высокие эллиптические орбиты с максимальным удалением от Земли на 350 тыс. км, что позволит не менее чем в 100 раз улучшить качество получаемых с их помощью изображений радиоизлучения звездного неба.

Недалек тот день, когда в космосе будут построены заводы по производству особо чистых кристаллов. И это касается не только биокристаллических структур, так нужных медицине, но и материалов для полупроводниковой и лазерной промышленности. Вряд ли это будут спутники — здесь скорее понадобятся посещаемые или роботизированные комплексы, а также пристыковываемые к ним транспортные корабли, доставляющие исходные продукты и привозящие на Землю плоды внеземной технологии.

Не за горами и начало колонизации других планет. В таких длительных полетах без создания замкнутой экосистемы никак не обойтись. И биологические спутники (летающие оранжереи), имитирующие дальние космические перелеты, появятся на околоземной орбите в самом недалеком будущем.

Одной из самых фантастических задач, при этом уже сегодня с технической точки зрения абсолютно реальной, является создание космической системы глобальной навигации и наблюдения земной поверхности с точностью до сантиметров. Такая точность позиционирования найдет применение в самых разных областях жизни. В первую очередь в этом нуждаются сейсмологи, надеющиеся, отслеживая малейшие колебания земной коры, научиться предсказывать землетрясения.

На сегодняшний момент наиболее экономичным способом вывода спутников на орбиту являются одноразовые ракеты-носители, причем чем ближе к экватору находится космодром, тем дешевле оказывается запуск и тем больше выводимая в космос полезная нагрузка. И хотя ныне уже созданы и успешно функционируют плавучая, а также самолетная пусковые установки, хорошо развитая инфраструктура вокруг космодрома еще долго будет основой для успешной деятельности землян по освоению околоземного пространства.

Александр Спирин, Мария Побединская

Редакция выражает благодарность Александру Кузнецову за помощь в подготовке материала.

Спутник ДЗЗ “Ресурс-П”

Дистанционное зондирование Земли (ДЗЗ) - наблюдение поверхности авиационными и космическими средствами, оснащёнными различными видами съемочной аппаратуры. Рабочий диапазон длин волн, принимаемых съёмочной аппаратурой, составляет от долей микрометра (видимое оптическое излучение) до метров (радиоволны). Методы зондирования могут быть пассивные, то есть использовать естественное отраженное или вторичное тепловое излучение объектов на поверхности Земли, обусловленное солнечной активностью, и активные - использующие вынужденное излучение объектов, инициированное искусственным источником направленного действия. Данные ДЗЗ, полученные с (КА), характеризуются большой степенью зависимости от прозрачности атмосферы. Поэтому на КА используется многоканальное оборудование пассивного и активного типов, регистрирующие электромагнитное излучение в различных диапазонах.

Аппаратура ДЗЗ первых КА, запущенных в 1960-70-х гг. была трассового типа - проекция области измерений на поверхность Земли представляла собой линию. Позднее появилась и широко распространилась аппаратура ДЗЗ панорамного типа - сканеры, проекция области измерений на поверхность Земли которых представляет собой полосу.

Космические аппараты дистанционного зондирования Земли используются для изучения природных ресурсов Земли и решения задач метеорологии. КА для исследования природных ресурсов оснащаются в основном оптической или радиолокационной аппаратурой. Преимущества последней заключаются в том, что она позволяет наблюдать поверхность Земли в любое время суток, независимо от состояния атмосферы.

Общий обзор

Дистанционное зондирование является методом получения информации об объекте или явлении без непосредственного физического контакта с данным объектом. Дистанционное зондирование является подразделом географии. В современном понимании, термин в основном относится к технологиям воздушного или космического зондирования местности с целью обнаружения, классификации и анализа объектов земной поверхности, а также атмосферы и океана, при помощи распространяемых сигналов (например, электромагнитной радиации). Разделяют на активное (сигнал сначала излучается самолетом или космическим спутником) и пассивное дистанционное зондирование (регистрируется только сигнал других источников, например, солнечный свет).

Пассивные сенсоры дистанционного зондирования регистрируют сигнал, излучаемый или отраженный объектом либо прилегающей территорией. Отраженный солнечный свет – наиболее часто используемый источник излучения, регистрируемый пассивными сенсорами. Примерами пассивного дистанционного зондирования являются цифровая и пленочная фотография, применение инфракрасных, приборов с зарядовой связью и радиометров.

Активные приборы, в свою очередь, излучают сигнал с целью сканирования объекта и пространства, после чего сенсор имеет возможность обнаружить и измерить излучение, отраженное или образованное путем обратного рассеивания целью зондирования. Примерами активных сенсоров дистанционного зондирования являются радар и лидар, которыми измеряется задержка во времени между излучением и регистрацией возвращенного сигнала, таким образом определяя размещение, скорость и направление движения объекта.

Дистанционное зондирование предоставляет возможность получать данные об опасных, труднодоступных и быстродвижущихся объектах, а также позволяет проводить наблюдения на обширных участках местности. Примерами применения дистанционного зондирования может быть мониторинг вырубки лесов (например, в бассейне Амазонки), состояния ледников в Арктике и Антарктике, измерение глубины океана с помощью лота. Дистанционное зондирование также приходит на замену дорогостоящим и сравнительно медленным методам сбора информации с поверхности Земли, одновременно гарантируя невмешательство человека в природные процессы на наблюдаемых территориях или объектах.

При помощи орбитальных космических аппаратов ученые имеют возможность собирать и передавать данные в различных диапазонах электромагнитного спектра, которые, в сочетании с более масштабными воздушными и наземными измерениями и анализом, обеспечивают необходимый спектр данных для мониторинга актуальных явлений и тенденций, таких как Эль-Ниньо и другие природные феномены, как в кратко-, так и в долгосрочной перспективе. Дистанционное зондирование также имеет прикладное значение в сфере геонаук (к примеру, природопользование), сельском хозяйстве (использование и сохранение природных ресурсов), национальной безопасности (мониторинг приграничных областей).

Техники получения данных

Основная цель мультиспектральных исследований и анализа полученных данных – это объекты и территории, излучающие энергию, что позволяет выделять их на фоне окружающей среды. Краткий обзор спутниковых систем дистанционного зондирования находится в обзорной таблице.

Как правило, лучшим временем для получения данных методами дистанционного зондирования является летнее время (в частности, в эти месяцы наибольший угол солнца над горизонтом и наибольшая длительность дня). Исключением из этого правила является получение данных с помощью активных датчиков (например, Радар, Лидар), а также тепловых данных в длинноволновом диапазоне. В тепловидении, при котором датчики проводят измерения тепловой энергии, лучше использовать промежуток времени, когда разница температуры земли и температуры воздуха наибольшая. Таким образом, лучшее время для этих методов – холодные месяцы, а также несколько часов до рассвета в любое время года.

Кроме того, есть еще некоторые соображения, которые нужно учитывать. С помощью радара, например, нельзя получать изображение голой поверхности земли при толстом снежном покрове; то же самое можно сказать и о лидаре. Тем не менее, эти активные сенсоры нечувствительны к свету (или его отсутствию), что делает их отличным выбором для применения к высоких широтах (для примера). Кроме того, как радар, так и лидар способны (в зависимости от используемых длин волн) получать изображения поверхности под пологом леса, что делает их полезными для применения в сильно заросших регионах. С другой стороны, спектральные методы получения данных (как стереоизображения, так и мультиспектральные методы) применимы в основном солнечные дни; данные, собранные в условиях низкой освещенности, как правило, имеют низкий уровень сигнал / шум, что усложняет их обработку и интерпретацию. К тому же, в то время как стереоизображения способны отображать и идентифицировать растительность и экосистемы, при помощи этого метода (как и при мульти-спектральном зондировании) невозможно проникнуть под навес деревьев и получить изображения земной поверхности.

Применение дистанционного зондирования

Дистанционное зондирование наиболее часто применяется в сельском хозяйстве, геодезии, картографировании, мониторинге поверхности земли и океана, а также слоев атмосферы.

Сельское хозяйство

При помощи спутников можно с определенность цикличностью получать изображения отдельных полей, регионов и округов. Пользователи могут получать ценную информацию о состоянии угодий, в том числе идентификацию культур, определение посевных площадей сельскохозяйственных культур и состояние урожая. Спутниковые данные используются для точного управления и мониторинга результатов ведения сельского хозяйства на различных уровнях. Эти данные могут быть использованы для оптимизации фермерского хозяйства и пространственно-ориентированного управления техническими операциями. Изображения могут помочь определить местоположение урожая и степень истощения земель, а затем могут быть использованы для разработки и реализации плана лечения, для локальной оптимизации использования сельскохозяйственных химикатов. Основными сельскохозяйственными приложениями дистанционного зондирования являются следующие:

• растительность:
  • классификация типа культур
  • оценка состояния посевов (мониторинг сельскохозяйственных культур, оценка ущерба)
  • оценка урожайности

• почва
  • отображение характеристик почвы
  • отображение типа почвы
  • эрозия почвы
  • влажность почвы
  • отображение практики обработки почвы

Мониторинг лесного покрова

Дистанционное зондирование также применяется для мониторинга лесного покрова и идентификации видов. Полученные таким способом карты могут покрывать большую площадь, одновременно отображая детальные измерения и характеристики территории (тип деревьев, высота, плотность). Используя данные дистанционного зондирования, возможно определить и разграничить различные типы леса, что было бы трудно достичь, используя традиционные методы на поверхности земли. Данные доступны в различных масштабах и разрешениях, что вполне соответствует локальным или региональные требованиям. Требования к детальности отображения местности зависит от масштаба исследования. Для отображения изменений в лесном покрове (текстуры, плотности листьев) применяются:

• мультиспектральные изображения: для точной идентификации видов необходимы данные с очень высоким разрешением

• многоразовые снимки одной территории, используются для получения информации о сезонных изменений различных видов

• стереофотографии – для разграничение видов, оценки плотности и высоты деревьев. Стереофотографии предоставляют уникальный вид на лесной покров, доступный только через технологии дистанционного зондирования

• Радары широко применяются в зоне влажных тропиков, благодаря их свойству получать изображения при любых погодных условиях

• Лидары позволяет получать 3-мерную структуру леса, обнаруживать изменения высоты поверхности земли и объектов на ней. Данные Лидара помогают оценить высоту деревьев, области корон и количество деревьев на единице площади.

Мониторинг поверхности

Мониторинг поверхности является одним из наиболее важных и типичных применений дистанционного зондирования. Полученные данные используются при определении физического состояния поверхности земли, например, леса, пастбища, дорожного покрытия и т.д., в том числе результатов деятельности человека, такие, как ландшафт в промышленных и жилых зонах, состояния сельскохозяйственных территорий и т.п. Первоначально должна быть установлена система классификации земельного покрова, которая обычно включает в себя уровни и классы земель. Уровни и классы должны быть разработаны с учетом цели использования (на национальном, региональном или местном уровне), пространственного и спектрального разрешения данных дистанционного зондирования, запросу пользователя и так далее.

Обнаружение изменения состояния поверхности земли необходимо для обновления карт растительного покрова и рационализации использование природных ресурсов. Изменения, как правило, обнаруживаются при сравнении нескольких изображений, содержащих несколько уровней данных, а также, в некоторых случаях, при сравнении старых карт и обновленных изображений дистанционного зондирования.

• сезонные изменения: сельскохозяйственные угодья и лиственные леса изменяются по-сезонно

• годовые изменения: изменения поверхности земли или территории землепользования, например, районы вырубки леса или разрастания городов

Информация о поверхности земли и изменения характера растительного покрова прямо необходимы для определения и реализации политики защиты окружающей среды и могут быть использованы совместно с другими данными для проведения сложных расчетов (например, определения рисков эрозии).

Геодезия

Сбор геодезических данных с воздуха впервые был использован для обнаружения подводных лодок и получения гравитационных данных, используемых для построения военных картах. Эти данные являют собой уровни мгновенных возмущений гравитационного поля Земли, которые могут быть использованы для определения изменений в распределении масс Земли, что в свою очередь может быть востребовано для проведения различных геологических исследований.

Акустические и около-акустические применения

• Сонар: пассивный гидролокатор, регистрирует звуковые волны, исходящие от других объектов (судно, кит и т.д.); активный гидролокатор, излучает импульсы звуковых волн и регистрирует отраженный сигнал. Используется для обнаружения, определения местоположения и измерения параметров подводных объектов и местности.

• Сейсмографы – специальный измерительный прибор, который используется для обнаружения и регистрации всех типов сейсмических волн. При помощи сейсмограмм, снятых в разных местах определенной территории, можно определить эпицентр землетрясения и измерить его амплитуду (после того как оно произошло) путем сравнения относительных интенсивностей и точного времени колебаний.

• УЗИ: датчики ультразвукового излучения, которые испускают высокочастотные импульсы и регистрируют отраженный сигнал. Используется для обнаружения волн на воде и определения уровня воды.

При координации серий масштабных наблюдений, большинство систем зондирования зависят от следующих факторов: расположения платформы и ориентации датчиков. Высококачественные инструменты в настоящее время часто используют позиционную информацию от спутниковых систем навигации. Вращение и ориентация часто определяется электронными компасами с точностью около одного – двух градусов. Компасы могут измерять не только азимут (т.е. градусное отклонение от магнитного севера), но и высоты (значение отклонения от уровня моря), так как направление магнитного поля относительно Земли зависит от широты, на которой происходит наблюдение. Для более точного ориентирования необходимо применение инерциальной навигации, с периодическими поправками различными методами, включая навигацию по звездам или известным ориентирам.

Обзор основных приборов дистанционного зондирования

• Радары, в основном, применяются в системах контроля воздушного трафика, раннего оповещения, мониторинга лесного покрова, сельском хозяйстве и для получения метеорологических данных большого масштаба. Радар Допплера используется правоохранительными организациями для контроля скоростного режима автотранспорта, а также для получения метеорологических данных о скорости и направлении ветра, местоположении и интенсивности осадков. Другие типы получаемой информации включают в себя данные об ионизированном газе в ионосфере. Интерферометрический радар искусственной апертуры используется для получения точных цифровых моделей рельефа больших участков местности.

• Лазерные и радиолокационные высотомеры на спутниках обеспечивают получение широкого спектра данных. Измеряя отклонения уровня воды океана, вызванные гравитацией, данные приборы отображают особенности рельефа морского дна с разрешением порядка одной мили. Измеряя высоту и длину волны океанских волн при помощи высотомеров, можно узнать скорость и направление ветра, а также скорость и направление поверхностных океанических течений.

• Ультразвуковые (акустические) и радиолокационные датчики используются для измерения уровня моря, приливов и отливов, определения направления волн в прибрежных морских регионах.

• Технология светового обнаружения и определения дальности (ЛИДАР) хорошо известна своим применением в военной сфере, в частности, в лазерной навигации снарядов. ЛИДАРы используется также для обнаружения и измерения концентрации различных химических веществ в атмосфере, в то время как ЛИДАР на борту самолета может быть использован для измерения высоты объектов и явлений на земле с большей точностью, чем та, которая может быть достигнута при помощи радиолокационной техники. Дистанционное зондирование растительности также является одним из основных применений ЛИДАРа.

• Радиометры и фотометры являются наиболее распространенными используемыми инструментами. Они фиксируют отраженное и испускаемое излучение в широком диапазоне частот. Наиболее распространенными являются датчики видимого и инфракрасного диапазонов, затем идут микроволновые, датчики гамма-лучей и, реже, датчики ультрафиолета. Эти приборы также могут быть использованы для обнаружения эмиссионного спектра различных химических веществ, предоставляя данные об их концентрации в атмосфере.

• Стереоизображения, полученные при помощи аэрофотосъёмки часто используются при зондировании растительности на поверхности Земли, а также для построения топографических карт при разработке потенциальных маршрутов путем анализа изображений местности, в сочетании с моделированием особенностей окружающей среды, полученных наземными методами.

• Мультиспектральные платформы, такие как Landsat активно использовались начиная с 70-х годов. Эти приборы использовались для построения тематических карт путем получения изображений в нескольких длинах волн электромагнитного спектра (мульти-спектра) и, как правило, они применяются на спутниках наблюдения за Землей. Примерами таких миссий являются в том числе программа Landsat или спутник IKONOS. Карты растительного покрова и землепользования, полученные методом тематического картографирования могут быть использованы для разведки полезных ископаемых, обнаружения и мониторинга использования земель, вырубки лесов, и изучения здоровья растений и сельскохозяйственных культур, в том числе огромных участков сельскохозяйственных земель или лесных массивов. Космические снимки программы Landsat используются регулирующими органами для контроля параметров качества воды, включая глубину Секки, плотность хлорофилла и общее содержание фосфора. Метеорологические спутники используются в метеорологии и климатологии.

• Методом спектральной визуализации получают изображения, в которых каждый пиксель содержит полную спектральную информацию, отображая узкие спектральные диапазоны в пределах непрерывного спектра. Приборы спектральной визуализации используются для решения различных задач, в том числе применяются в минералогии, биологии, военном деле, измерениях параметров окружающей среды.

• В рамках борьбы с опустыниванием, дистанционное зондирование позволяет наблюдать за областями, которые находятся в зоне риска в долгосрочной перспективе, определять факторы опустынивания, оценивать глубину их воздействия, а также предоставлять необходимую информацию лицам, ответственным за принятие решений по принятию соответствующих мер охраны окружающей среды.

Обработка данных

При ДЗЗ, как правило, применяется обработка цифровых данных, т. к. именно в этом формате получают данные ДЗЗ в настоящее время. В цифровом формате проще производить обработку и хранение информации. Двумерное изображение в одном спектральном диапазоне можно представить в виде матрицы (двухмерного массива) чисел I (i, j) , каждое из которых представляет интенсивность излучения, принятого датчиком от элемента поверхности Земли, которому соответствует один пиксель изображения.

Изображение состоит из n x m пикселей, каждый пиксель имеет координаты (i, j) – номер строки и номер колонки. Число I (i, j) – целое и называется уровнем серого (или спектральной яркостью) пикселя (i, j) . Если изображение получено в нескольких диапазонах электромагнитного спектра, то его представляет трехмерная решетка, состоящая из чисел I (i, j, k) , где k – номер спектрального канала. С математической точки зрения нетрудно обработать цифровые данные, полученные в таком виде.

Для того чтобы правильно воспроизвести изображение но цифровым записям, поставляемым пунктами приема информации, необходимо знать формат записи (структуру данных), а также число строк и столбцов. Используют четыре формата, которые упорядочивают данные как:

• последовательность зон (Band Sequental, BSQ );

• зоны, чередующиеся но строкам (Band Interleaved by Line, BIL );
• зоны, чередующиеся но пикселям (Band Interleaved by Pixel, BIP );
• последовательность зон со сжатием информации в файл методом группового кодирования (например, в формате jpg).

В BSQ -формате каждый зональный снимок содержится в отдельном файле. Это удобно, когда нет необходимости работать сразу со всеми зонами. Одну зону легко прочитать и визуализировать, зональные снимки можно загружать в любом порядке но желанию.

В BIL -формате зональные данные записываются в один файл строка за строкой, при этом зоны чередуются но строкам: 1-ая строка 1-ой зоны, 1-ая строка 2-ой зоны, …, 2-ая строка 1-ой зоны, 2-ая строка 2-ой зоны и т. д. Такая запись удобна, когда выполняется анализ одновременно всех зон.

В BIP -формате зональные значения спектральной яркости каждого пикселя хранятся последовательно: сначала значения первого пикселя в каждой зоне, затем значения второго пикселя в каждой зоне и т. д. Такой формат называют совмещенным. Он удобен при выполнении по-пиксельной обработки многозонального снимка, например, в алгоритмах классификации.

Групповое кодирование используют для уменьшения объема растровой информации. Такие форматы удобны для хранения больших снимков, для работы с ними необходимо иметь средство распаковки данных.

Файлы изображений обычно снабжаются следующей дополнительной информацией, относящейся к снимкам:

• описание файла данных (формат, число строк и столбцов, разрешение и т. д.);

• статистические данные (характеристики распределения яркостей – минимальное, максимальное и среднее значение, дисперсия);
• данные о картографической проекции.

Дополнительная информация содержится либо в заголовке файла изображения, либо в отдельном текстовом файле с именем, совпадающим с именем файла изображения.

По степени сложности различаются следующие уровни обработки КС, предоставляемых пользователям:

• 1А – радиометрическая коррекция искажений, вызванных разницей в чувствительности отдельных датчиков.

• 1В – радиометрическая коррекция на уровне обработки 1А и геометрическая коррекция систематических искажений сенсора, включая панорамные искажения, искажения, вызванные вращением и кривизной Земли, колебанием высоты орбиты спутника.

• 2А – коррекция изображения на уровне 1В и коррекция в соответствии с заданной геометрической проекцией без использования наземных контрольных точек. Для геометрической коррекции используется глобальная цифровая модель рельефа (ЦМР, DEM ) с шагом на местности 1 км. Используемая геометрическая коррекция устраняет систематические искажения сенсора и проектирует изображение в стандартную проекцию (UTM WGS-84 ), с использованием известных параметров (спутниковые эфемеридные данные, пространственное положение и т. д.).

• 2В – коррекция изображения на уровне 1В и коррекция в соответствии с заданной геометрической проекцией с использованием контрольных наземных точек;

• 3 – коррекция изображения на уровне 2В плюс коррекция с использованием ЦМР местности (ортотрансформирование).

• S – коррекция изображения с использованием контрольного изображения.

Качество данных, получаемых в результате дистанционного зондирования, зависит от их пространственного, спектрального, радиометрического и временного разрешения.

Пространственное разрешение

Характеризуется размером пикселя (на поверхности Земли), записываемого в растровую картинку - обычно варьируется от 1 до 4000 метров.

Спектральное разрешение

Данные Landsat включают семь полос, в том числе инфракрасного спектра, в пределах от 0.07 до 2.1 мкм. Сенсор Hyperion аппарата Earth Observing-1 способен регистрировать 220 спектральных полос от 0.4 до 2.5 мкм, со спектральным разрешением от 0.1 до 0.11 мкм.

Радиометрическое разрешение

Число уровней сигнала, которые сенсор может регистрировать. Обычно варьируется от 8 до 14 бит, что дает от 256 до 16 384 уровней. Эта характеристика также зависит от уровня шума в инструменте.

Временное разрешение

Частота пролёта спутника над интересующей областью поверхности. Имеет значение при исследовании серий изображений, например при изучении динамики лесов. Первоначально анализ серий проводился для нужд военной разведки, в частности для отслеживания изменений в инфраструктуре, передвижений противника.

Для создания точных карт на основе данных дистанционного зондирования, необходима трансформация, устраняющая геометрические искажения. Снимок поверхности Земли аппаратом, направленным точно вниз, содержит неискаженную картинку только в центре снимка. При смещении к краям расстояния между точками на снимке и соответствующие расстояния на Земле все более различаются. Коррекция таких искажений производится в процессе фотограмметрии. С начала 1990-х большинство коммерческих спутниковых изображений продается уже скорректированными.

Кроме того, может требоваться радиометрическая или атмосферная коррекция. Радиометрическая коррекция преобразует дискретные уровни сигнала, например от 0 до 255, в их истинные физические значения. Атмосферная коррекция устраняет спектральные искажения, внесенные наличием атмосферы.

Б.А. Дворкин

Активное внедрение информационных спутниковых технологий как составной части бурно развивающейся информатизации общества кардинально меняет условия жизни и деятельности людей, их культуру, стереотип поведения, образ мыслей. Еще несколько лет тому назад на бытовые или автомобильные навигаторы смотрели как на чудо. Космические снимки высокого разрешения на Интернет-сервисах, таких, например, как Google Earth, люди разглядывали и не преставали восхищаться. Сейчас же ни один автомобилист (если в автомобиле пока нет навигатора) не выйдет из дома, предварительно не выбрав в навигационном портале оптимальный маршрут с учетом пробок. Навигационное оборудование устанавливается на подвижном составе общественного транспорта, в том числе и для целей контроля. Космические снимки используются для получения оперативной информации в районах стихийных бедствий и для решения различных задач, например, муниципального управления. Примеры можно множить и все они подтверждают тот факт, что результаты космической деятельности стали неотъемлемой частью современной жизни. Неудивительно также, что различные космические технологии часто используются совместно. Отсюда, конечно, идея интеграции технологий и создание единых сквозных технологических цепочек лежит на поверхности. В этом смысле не является исключением технологии дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) из космоса и глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС). Но обо всем по порядку…

ГЛОБАЛЬНЫЕ НАВИГАЦИОННЫЕ СПУТНИКОВЫЕ СИСТЕМЫ

Глобальная навигационная спутниковая система (ГНСС) - комплекс технических и программных средств, позволяющих получить свои координаты в любой точке земной поверхности путем обработки спутниковых сигналов. Основными элементами любой ГНСС являются:

• орбитальная группировка спутников;
• наземная система управления;
• приемное оборудование.

Спутники постоянно передают информацию о своем положении на орбите, наземные стационарные станции обеспечивают мониторинг и контроль положения спутников, а также их технического состояния. Приемное оборудование представляет собой различные спутниковые навигаторы, которые используются людьми в своей профессиональной деятельности или быту.

Принцип работы ГНСС основан на измерении расстояния от антенны приемного устройства до спутников, положение которых известно с большой точностью. Расстояние вычисляется по времени задержки распространения сигнала, передаваемого спутником на приемник. Для определения координат приемника достаточно знать положение трех спутников. На деле используются сигналы с четырех (или более) спутников - для устранения погрешности, вызванной разницей между часами спутника и приемника. Зная расстояния до нескольких спутников системы, с помощью обычных геометрических построений, программа «зашитая» в навигатор вычисляет его положение в пространстве, таким образом, ГНСС позволяет быстро определить местоположение с высокой точностью в любой точке земной поверхности, в любое время, при любых погодных условиях. Каждый спутник системы, помимо основной информации, передает также вспомогательную, необходимую для непрерывной работы приемного оборудования, в т. ч. полную таблицу положения всей спутниковой группировки, передаваемую последовательно в течение нескольких минут. Это необходимо для ускорения работы приемных устройств. Следует отметить немаловажную характеристику основных ГНСС - для пользователей, обладающих спутниковыми приемниками (навигаторами) получение сигналов бесплатно.

Общим недостатком использования любой навигационной системы является то, что при определенных условиях сигнал может не доходить до приемника, или приходить со значительными искажениями или задержками. Например, практически невозможно определить свое точное местонахождение внутри железобетонного здания, в тоннеле, в густом лесу. Для решения этой проблемы используются дополнительные навигационные сервисы, такие, например, как A-GPS.

Сегодня в космосе работает несколько ГНСС (табл. 1), находящиеся на разных этапах своего развития:

• GPS (или NAVSTAR) - управляется Министерством обороны США; в настоящее время единственная полностью развернутая ГНСС доступная круглосуточно пользователям по всему миру;
• ГЛОНАСС - российская ГНСС; находится в стадии завершения полного развертывания;
• Galileo - европейская ГНСС, находящаяся на этапе создания спутниковой группировки.

Упомянем также национальные региональные ГНСС Китая и Индии, соответственно - Бэйдоу и IRNSS, находящиеся на стадии разработки и развертывания; отличается небольшим количеством спутников и национально-ориентированные.

Характеристика основных ГНСС по состоянию на март 2010 г.

Рассмотрим некоторые особенности каждой ГНСС.

GPS

Основой американской системы GPS являются спутники (рис. 2), облетающие Землю по 6 круговым орбитальным траекториям (по 4 спутника в каждой), на высоте примерно 20 180 км. Спутники передают сигналы в диапазонах: L1=1575,42 МГц и L2=1227,60 МГц, последние модели также в диапазоне L5=1176,45 МГц. Полную работоспособность системы обеспечивают 24 спутника, однако, для увеличения точности позиционирования и резерва на случай сбоев, общее число спутников на орбите в настоящее время составляет 31 аппарат.

Рис. 1 Космический аппарат GPS Block II-F

Первоначально GPS предназначалась только для военных целей. Первый спутник был выведен на орбиту 14 июля 1974 г., а последний из всех 24 спутников, необходимых для полного покрытия земной поверхности, был выведен на орбиту в 1993 г. Стало возможным использовать GPS для точного наведения ракет на неподвижные, а затем и на подвижные объекты в воздухе и на земле. Для ограничения доступа к точной навигационной информации для гражданских пользователей вводились специальные помехи, однако с 2000 г. они были отменены, после чего точность определения координат с помощью простейшего гражданского GPS-навигатора составляет от 5–15 м (высота определяется с точностью до 10 м) и зависит от условий приема сигналов в конкретной точке, количества видимых спутников и ряда других причин. Использование глобальной системы распространения дифференциальных поправок WAAS повышает точность позиционирования GPS для Северной Америки до 1–2 м.

ГЛОНАСС

Первый спутник российской спутниковой системы навигации ГЛОНАСС был выведен на орбиту еще в советские времена - 12 октября 1982 г. Частично система была введена в эксплуатацию в 1993 г. и состояла из 12 спутников. Основой системы должны являться 24 спутника, движущихся над поверхностью Земли в трех орбитальных плоскостях с наклонением 64,8° и высотой 19 100 км. Принцип измерения и диапазоны передачи сигналов аналогичны американской системе GPS ГЛОНАСС.

рис. 2 Космический аппарат ГЛОНАСС-М

В настоящее время на орбите находятся 23 спутников ГЛОНАСС (рис. 2). Последние три космических аппарата были выведены на орбиту 2 марта 2010 г. Сейчас используются по целевому назначению - 18 спутников. Это обеспечивает непрерывную навигацию почти на всей территории России, причем, Европейская часть обеспечена сигналом почти на 100%. По планам полностью система ГЛОНАСС будет развернута к концу 2010 г.

В настоящее время точность определения координат системой ГЛОНАСС несколько ниже аналогичных показателей для GPS (не превышает 10 м), при этом следует отметить, что совместное использование обеих навигационных систем существенно повышает точность позиционирования. Для улучшения работы систем GPS, ГЛОНАСС и Galileo на территории Европы и повышения их точности служит Европейская геостационарная служба навигационного покрытия (EGNOS).

Galileo

Европейская ГНСС Galileo предназначена для решения навигационных задач для любых подвижных объектов с точностью менее 1 м. В отличие от американской GPS и российской ГЛОНАСС, Galileo не контролируется военными ведомствами. Ее разработку осуществляет Европейское космическое агентство. В настоящее время на орбите находятся 2 тестовых спутника GIOVE-A (рис. 3) и GIOVE-B, запущенных, соответственно в 2005 и 2008 гг. Планируется, что навигационная система Galileo полностью будет развернута в 2013 г. и будет состоять из 30 спутников.

рис. 3 Космический аппарат GIOVE-A

СПУТНИКОВЫЕ НАВИГАТОРЫ

Как уже отмечалось, составной частью любой спутниковой навигационной системы является приемное оборудование. Современный рынок навигационных приемников (навигаторы) отличается таким же многообразием, как и рынок любой другой электронной и телекоммуникационной продукции. Все навигаторы можно подразделить на профессиональные приемные устройства и приемники, используемые широким кругом пользователей. Остановимся подробнее на последних. Для них используются различные названия: GPS-навигаторы, GPS-трекеры, GPS-приемники, спутниковые навигаторы и т. д. В последнее время популярными становятся навигаторы, встроенные в другие устройства (карманные компьютеры, мобильные телефоны, коммуникаторы, часы и т. д.). Среди собственно спутниковых навигаторов особый большой класс составляют автомобильные навигаторы. Широкое распространение получают и навигаторы, предназначенные для пеших, водных и т. д. походов (их часто называют просто GPS-навигаторы, несмотря на то, что они могут принимать и сигналы ГЛОНАСС).

Обязательной принадлежностью практически всех персональных навигаторов является GPS-чипсет (или ресивер), процессор, оперативная память и монитор для отображения информации.

Современные автомобильные навигаторы способны прокладывать маршрут с учетом организации дорожного движения и осуществлять адресный поиск. Особенностью персональных навигаторов для туристов является, как правило, возможность приема спутникового сигнала в сложных условиях, например густого леса или горной местности. Некоторые модели имеют водонепроницаемый корпус повышенной удароустойчивости.

Основными производителями персональных спутниковых навигаторов являются:

• Garmin (США; навигаторы для воздушного, автомобильного, мото- и водного транспорта, а также для туристов и спортсменов)
• GlobalSat (Тайвань; навигационное оборудование различного назначения, в т. ч. GPS-приемники)
• Ashtech (быв. Magellan) (США; персональные и профессиональные навигационные приемники)
• MiTac (Тайвань; автомобильные и туристические навигаторы, карманные персональные компьютеры и коммуникаторы со встроенным GPS-приемником под брендами Mio, Navman, Magellan)
• ThinkWare (Корея; персональные навигационные устройства под брендом I-Navi)
• TomTom (Нидерланды; автомобильные навигаторы) и др.

Профессиональное навигационное оборудование, в т. ч. для инженерно-геодезических и маркшейдерских работ производят такие компании как Trimble, Javad (США), Topcon (Япония), Leica Geosystems (Швейцария) и др.

Как уже отмечалось, в настоящее время выпускается большое количество персональных навигационных устройств, различающихся по своим возможностям и цене. Мы в качестве иллюстрации опишем особенности только одного достаточно «продвинутого» прибора, для того, чтобы охарактеризовать возможности всего класса современных GPS-навигаторов. Это - одна из последних новинок популярной серии автомобильных навигаторов - TomTom GO 930 (описание взято с сайта GPS-Клуба - http://gps-club.ru).

Модель навигатора TomTom GO 930 (рис. 6) сочетает в себе последние тенденции автомобильной навигации - карты нескольких континентов, беспроводную гарнитуру и уникальную технологию Map Share™

рис. 4 Автомобильный навигатор TomTom GO 930

Все устройства TomTom разрабатываются самой компанией и являются полностью «plug&play», и это означает, что их можно просто вынуть из коробки и начать использовать, не читая длинных инструкций. Интуитивно понятный интерфейс и «иконки» на русском языке, позволят водителям легко проложить маршрут. Ясные голосовые инструкции на русском языке помогают автомобилистам добраться до пункта назначения легко и без лишнего стресса. Навигатор поддерживает функцию беспроводного управления и технологию Enhanced Positioning Technology (EPT), созданную для беспрерывной навигации даже в туннелях или плотно застроенных областях.

Поставщиком навигационных карт TomTom является Tele Atlas, входящий в TomTom Group. В добавление к тому, что TomTom имеет полностью русифицированные карты, это единственный поставщик решений для навигации, который предлагает карты Европы и США на избранных моделях навигаторов.

Инфраструктура дорог мира меняется на 15% ежегодно. Поэтому TomTom дает своим пользователям возможность бесплатной загрузки последней версии карт в течение 30 дней с момента первого пользования навигатором, а также доступ к уникальной технологии Map Share™. Пользователи навигаторов TomTom могут загрузить новую карту через сервис TomTom HOME. Таким образом, последняя версия карты может быть доступна в любое время. Более того, автомобилисты могут пользоваться технологией Map Share™ - это бесплатное обновление карты вручную прямо на навигаторе, как только становятся известны изменения на дорогах, путем всего лишь нескольких касаний сенсорного экрана. Пользователи могут вносить изменения названий улиц, ограничения скорости на определенных отрезках пути, направления движения, перекрытые проезды, а также изменения в POI (точки интереса).

Уникальная технология TomTom по совместному использованию карт расширяет навигационные функции: теперь пользователь может мгновенно вносить изменения непосредственно в свою карту. Кроме того, пользователь может получать данные об аналогичных изменениях, выполненных всем сообществом TomTom.

Функция такого совместного использования карт позволяет:

• ежедневно и незамедлительно вносить изменения в карты Вашего устройства TomTom;
• получать доступ к самому крупному в мире сообществу пользователей навигационных устройств;
• ежедневно делиться обновлениями с другими пользователями TomTom;
• получать полный контроль над загружаемыми обновлениями;
• в любой местности использовать самые лучшие и точные карты.

КАРТЫ ДЛЯ ПЕРСОНАЛЬНЫХ СПУТНИКОВЫХ НАВИГАТОРОВ

Современные навигаторы немыслимы без наличия в них полноценных крупномасштабных карт, которые показывают объекты не только маршруту движения, но и на всей территории обзора (рис 7).

рис. 5 Образец мелкомасштабной навигационной карты

В навигаторы можно загружать как растровые так и векторные карты. Об одном из видов растровой информации мы поговорим особо, а здесь же заметим, что отсканированные и загруженные в GPS-приемники бумажные карты - не самый лучший способ отображения пространственной информации. Помимо невысокой точности позиционирования, возникает также проблема привязки координат карты к координатам, выдаваемым приемником.

Векторные цифровые карты, особенно в ГИС-форматах, представляют собой фактически базу данных, где хранится информация о координатах объектов в виде, например, «шейп-файлов» и, отдельно, качественные и количественные характеристики. При таком подходе в памяти навигаторов, информация занимает гораздо меньше места и появляется возможность загружать большое количество полезной справочной информации: бензозаправочные станции, гостиницы, кафе и рестораны, стоянки, достопримечательности и т. д.

Как уже говорилось выше, существуют навигационные системы, позволяющие пользователю дополнять карты навигатора своими собственными объектами.

В некоторых персональных навигационных устройствах, особенно, предназначенных для туристов, существует возможность наносить объекты самому (т. е. фактически составлять собственные карты и схемы). Для этих целей предусмотрен специальный несложный графический редактор.

Особо следует остановиться на режимных вопросах. Как известно, в России, до сих пор существуют ограничения на использование крупномасштабных топографических карт. Это в достаточной степени сдерживает развитие навигационной картографии. Следует, однако, отметить, что в настоящее время Федеральная служба государственной регистрации, кадастра и картографии (Росррестр) поставила задачу к 2011 г. иметь полное покрытие РФ (экономически развитых районов и городов) цифровыми навигационными картами масштабов 1:10 000, 1:25 000, 1:50 000. На этих картах будут отображаться навигационная информация, представленная графом дорог, цифровая картографическая подложка и тематическая информация (объекты придорожной инфраструктуры и сервиса).

НАВИГАЦИОННЫЕ СЕРВИСЫ

Развитие и совершенствованием спутниковых навигационных систем и приемного оборудования, а также все активное внедрение в жизнь WEB-технологий и WEB-сервисов послужило толчком к появлению различных навигационных сервисов. Многие модели навигаторов способны принимать и учитывать при прокладке маршрута информацию о ситуации на дорогах, по возможности избегая транспортных заторов. Данные о трафике (пробках) предоставляются специализированными службами и сервисами, по GPRS протоколу или из радио эфира по каналам RDS диапазона FM.

КОСМИЧЕСКИЕ СНИМКИ В НАВИГАТОРАХ

Любые навигационные карты достаточно быстро устаревают. Появление космических съемок сверхвысокого пространственного разрешения (в настоящее время космические аппараты WorldView-1, WorldView-2, GeoEye-1 обеспечивают разрешение до 50 см) дают картографии мощный инструмент обновления содержания карт. Однако после обновления карты и до ее выпуска и возможности «загрузки» в навигационное устройство проходит немало времени. Космические снимки предоставляют возможность сразу получить в навигаторе самую актуальную информацию.

Особый интерес с точки зрения использования космических снимков представляют собой, т. н. LBS-службы. LBS (Location-based service) представляет собой сервис, в основе которого - определение местоположения мобильного телефона. С учетом повсеместного развития мобильной связи и расширения услуг, предоставляемых сотовыми операторами, возможности рынка LBS-сервисов трудно переоценить. LBS не обязательно используют GPS-технологии для определения местоположения. Местоположение также может быть определено с использованием базовых станций сотовых сетей GSM и UMT.

рис. 6 Космический снимок в мобильном телефоне Nokia

Производители мобильных телефонов и навигационных устройств, предоставляя услуги LBS, все больше внимания уделяют космическим снимкам. Приведем в качестве примера компанию Nokia (Финляндия), которая подписала в 2009 г. соглашение с компанией DigitalGlobe, оператором спутников сверхвысокого разрешения WorldView-1, WorldView-2 и QuickBird, об обеспечении пользователей сервиса Ovi Maps доступом к космическим снимкам (заметим, что Ovi - новый бренд компании Nokia для Интернет-сервисов).

Помимо наглядности при навигации по городским территориям (рис. 8), очень полезно иметь подложку в виде космических снимков, путешествуя по малоизученной территории, на которую нет свежих и детальных карт. Сервис Ovi Maps может быть загружен практически во все устройства Nokia.

Интеграция космических снимков сверхвысокого разрешения в LBS-сервисы позволяет на порядок повысить их функциональность.

Одна из перспективных возможностей использования данных дистанционного зондирования Земли из космоса - создание по ним трехмерных моделей. Трехмерные карты отличаются большой наглядностью, и позволяют лучше ориентироваться, особенно в условиях городской застройки (рис. 9).

рис. 7 Трехмерная навигационная карта

В заключение отметим большую перспективность использования ортотрансформированных снимков сверхвысокого разрешения в спутниковых навигаторах и LBS-сервисах. Компания «Совзонд» выпускает продукты ОРТОРЕГИОН и ОРТО10, которые базируются на ортотрансформированных снимках с космических аппаратов ALOS (ОРТОРЕГИОН) и WorldView-1, WorldView-2 (ОРТО10). Ортотрансформирование отдельных сцен выполняется по методу коэффициентов рациональных полиномов (RPC) без использования наземных опорных точек, что существенно удешевляет работу. Проведенные исследования показали, что по своим характеристикам продукты ОРТОРЕГИОН и ОРТО10 вполне могут служить основой для обновления навигационных карт, соответственно масштабов 1:25 000 и 1:10 000. Ортофотомозаики, представляющие собой фактически фотокарты, дополненные подписями, могут также непосредственно загружаться в навигаторы.

Интеграция космических снимков высокого разрешения в навигационные системы и LBS-сервисы, позволяет на порядок повысить их функциональность, удобство и эффективность использования.

Сергей Ревнивых, заместитель руководителя дирекции ГЛОНАСС, директор департамента развития системы ГЛОНАСС ОАО «Информационные спутниковые системы им. академика М.Ф. Решетнёва»

Пожалуй, нет ни одной отрасли экономики, где бы уже не применялись технологии спутниковой навигации - от всех видов транспорта до сельского хозяйства. И области применений постоянно расширяются. Причём, в большинстве своём, приёмные устройства принимают сигналы как минимум двух глобальных навигационных систем - GPS и ГЛОНАСС.

Состояние вопроса

Так уж получилось, что применение ГЛОНАСС именно в космической отрасли в России не столь велико, как этого можно было бы ожидать, учитывая тот факт, что основным разработчиком системы ГЛОНАСС является Роскосмос. Да, уже многие наши космические аппараты, носители, разгонные блоки имеют в составе бортовой аппаратуры приёмники ГЛОНАСС. Но пока они - либо вспомогательные средства, либо используются в составе полезной нагрузки. До сих пор для проведения траекторных измерений, для определения орбит околоземных космических аппаратов, синхронизации в большинстве случаев используются наземные средства командно-измерительного комплекса, многие из которых давно выработали свой ресурс. Кроме того, измерительные средства располагаются на территории Российской Федерации, что не позволяет обеспечить глобальное покрытие всей траектории космических аппаратов, что сказывается на точности орбиты. Применение навигационных приёмников ГЛОНАСС в составе штатной бортовой аппаратуры траекторных измерений позволит получить точность орбиты низкоорбитальных КА (составляют основную часть орбитальной группировки) на уровне 10 сантиметров в любой точке орбиты в реальном времени. При этом нет необходимости привлекать к проведению траекторных измерений средства командно-измерительного комплекса, тратить средства на обеспечение их работоспособности и содержание личного состава. Достаточно иметь одну-две станции для приёма навигационной информации с борта и передачи её в центр управления полётом для решения задач планирования. Такой подход меняет всю стратегию баллистико-навигационного обеспечения. Но, тем не менее, эта технология уже достаточно хорошо в мире отработана и особой сложности не представляет. Здесь требуется только принятие решения о переходе на такую технологию.

Значительное количество низкоорбитальных космических аппаратов составляют спутники дистанционного зондирования Земли и решения научных задач. С развитием технологий и средств наблюдения, повышения разрешающей способности, повышаются требования к точности привязки получаемой целевой информации к координатам спутника в момент съёмки. В апостериорном режиме для обработки снимков и научных данных во многих случаях точность орбиты требуется знать на уровне сантиметров.

Для специальных космических аппаратов геодезического класса (типа Lageos, Эталон), которые специально созданы в целях решения фундаментальных задач изучения Земли и уточнения моделей движения космических аппаратов, сантиметровые точности орбит уже достигнуты. Но надо иметь в виду, что эти аппараты летают за пределами атмосферы и имеют сферическую форму, чтобы минимизировать неопределённость возмущений солнечного давления. Для траекторных измерений используется глобальная международная сеть лазерных дальномеров, что стоит недёшево, и работа средств сильно зависит от погодных условий.

Космические аппараты ДЗЗ и науки в основном летают на высотах до 2000 км, имеют сложную геометрическую форму, в полной мере испытывают возмущения от атмосферы и солнечного давления. Задействовать лазерные средства международных служб не всегда представляется возможным. Поэтому задача получения орбит таких спутников с сантиметровой точностью является очень непростой. Требуется использование специальных моделей движения и методов обработки информации. За последние 10-15 лет в мировой практике достигнут значительный прогресс для решения таких задач с использованием бортовых высокоточных навигационных приёмников ГНСС (в основном - GPS). Пионером в этой области выступил спутник Topex-Poseidon (совместный проект NASA-CNES, 1992-2005 гг., высота 1 336 км, наклонение 66), точность орбиты которого ещё 20 лет назад была обеспечена на уровне 10 см (2,5 см по радиусу).

В ближайшее десятилетие в Российской Федерации запланировано к запуску достаточно много космических аппаратов ДЗЗ для решения прикладных задач различного назначения. В том числе, для ряда космических систем требуется привязка целевой информации с очень высокой точностью. Это задачи разведки, картографирования, мониторинга ледовой обстановки, чрезвычайных ситуаций, метеорологии, а также рад фундаментальных научных задач в области изучения Земли и мирового океана, построения высокоточной динамической модели геоида, высокоточных динамических моделей ионосферы и атмосферы. Точность положения космического аппарата уже требуется знать на уровне сантиметров на всём витке орбиты. Речь идёт об апостериорной точности.

Это уже непростая задача для космической баллистики. Пожалуй, единственный способ, который может обеспечить решение этой задачи, - использование измерений бортового навигационного приёмника ГНСС и соответствующих средств высокоточной обработки навигационной информации на земле. В большинстве случаев это комбинированный приёмник, работающий по системам GPS и ГЛОНАСС. В ряде случаев могут быть выдвинуты требования применения только системы ГЛОНАСС.

Эксперимент по высокоточному определению орбит с помощью ГЛОНАСС

У нас в стране технология получения высокоточных координат с помощью навигационных приёмников геодезического класса достаточно хорошо отработана для решения геодезических и геодинамических задач на поверхности Земли. Это технология так называемого высокоточного позиционирования (precise point positioning). Особенностью технологии является следующее:

* для обработки измерений навигационного приёмника, координаты которого необходимо уточнить, информация из навигационных кадров сигналов ГНСС не используется. Навигационные сигналы используются только для измерений дальности, преимущественно на основе измерений фазы несущей частоты сигнала;

* в качестве эфемеридно-временной информации навигационных космических аппаратов используются высокоточные орбиты и поправки бортовых часов, которые получены на основе постоянной обработки измерений глобальной сети станций приёма навигационных сигналов ГНСС. В основном сейчас используются решения Международной службы ГНСС (IGS);

* измерения навигационного приёмника, координаты которого требуется определить, обрабатываются совместно с высокоточной эфемеридно-временной информацией с использованием специальных методов обработки.

В результате координаты приёмника (фазового центра антенны приёмника) могут быть получены с точностью единиц сантиметров.

Для решения научных задач, а также для задач землеустройства, кадастра, строительства в России уже в течение нескольких лет такие средства существуют и широко применяются. В то же время, информации о средствах, которые могут решать задачи высокоточного определения орбит низкоорбитальных КА, у автора до настоящего времени не было.

Проведённый несколько месяцев назад инициативный эксперимент показал, что прототипы таких средств у нас есть, и они могут быть использованы для создания штатных отраслевых средств высокоточного баллистико-навигационного обеспечения низкоорбитальных КА.

В результате эксперимента подтверждена возможность использования существующих прототипов для высокоточного определения орбиты низкоорбитальных КА на уровне нескольких сантиметров.

Для эксперимента был выбраны летающий отечественный КА ДЗЗ «Ресурс-П» № 1 (околокруговая солнечно-синхронная орбита со средней высотой 475 км.), оснащённый комбинированным навигационным приёмником ГЛОНАСС/GPS. Для подтверждения результата обработка данных была повторена для геодезических КА системы GRACE (совместный проект NASA и DLR, 2002-2016 гг, высота 500 км, наклонение 90), на борту которых были установлены приёмники GPS. Особенности эксперимента следующие:

* с целью оценки возможностей системы ГЛОНАСС для определения орбиты КА «Ресурс-П» (общий вид представлен на рис. 1) использовались измерения только системы ГЛОНАСС (4 комплекта бортовых навигационных приёмников разработки ОАО «РИРВ»);

* для получения орбиты КА системы GRACE (общий вид представлен на рис. 2) использовались измерения только системы GPS (измерения находятся в свободном доступе);

* в качестве ассистирующей информации использовались высокоточные эфемериды и поправки бортовых часов навигационных спутников систем ГЛОНАСС и GPS, которые получены в ИАЦ КВНО ЦНИИмаш на основе обработки измерений станций глобальной сети IGS (данные находятся в свободном доступе). Оценка точности этих данных службой IGS представлена на рис. 3 и составляет порядка 2,5 см. Расположение глобальной сети станций ГЛОНАСС/GPS службы IGS представлено на рис. 4;

* макетный образец аппаратно-программного комплекса, обеспечивающий высокоточное определение орбиты низкоорбитальных КА (инициативная разработка ЗАО «ГЕО-ЦУП»). Образец также обеспечивает декодировку измерений бортовых приёмников КА «Ресурс-П» с использованием высокоточной эфемеридно-временной информации и учётом особенностей сеансной работы бортовых приёмников. Макетный образец прошёл отработку по измерениям КА системы GRACE.

Рис. 1. Общий вид космического аппарата «Ресурс-П».

Рис. 2. Общий вид КА системы GRACE.

Рис. 3. Оценка точности эфемерид ИАЦ КВНО ЦНИИмаш службой IGS. Точность ассистирующей эфемеридной информации навигационных КА ГЛОНАСС (обозначение - IAC, тёмно-синие точки на графике) составляет 2,5 см.

Рис. 4. Расположение глобальной сети станций ГЛОНАСС/GPS международной службы IGS (источник - http://igscb.jpl.nasa.gov/network/iglos.html).

В результате эксперимента получен беспрецедентный результат для отечественного баллистико-навигационного обеспечения низкоорбитальных космических аппаратов:

* С учётом ассистирующей информации и реальных измерений бортовых навигационных приёмников КА «Ресурс-П» только по измерениям ГЛОНАСС была получена высокоточная орбита этого КА с точностью 8-10 см (см. рис. 5).

* С целью подтверждения результата в ходе эксперимента аналогичные расчёты были проведены для геодезических КА системы GRACE, но уже с использованием измерений GPS (см. рис. 6). Точность орбиты этих КА была получена на уровне 3-5 см, что полностью совпадает с результатами ведущих центров анализа службы IGS

Рис. 5. Точность орбиты КА «Ресурс-П», полученной по измерениям только ГЛОНАСС с использованием ассистирующей информации, оценённая по измерениям четырёх комплектов бортовых навигационных приёмников.

Рис. 6. Точность орбиты КА GRACE-B, полученной по измерениям только GPS с использованием ассистирующей информации.

Система АННКА первого этапа

На основании результатов проведённого эксперимента объективно следуют выводы:

В России существует значительный задел отечественной разработки для решения задач высокоточного определения орбит низкоорбитальных КА на конкурентоспособном уровне с зарубежными центрами обработки информации. На основе этого задела создание постоянно действующего отраслевого баллистического центра для решения такого рода задач не потребует больших затрат. Этот центр сможет предоставлять всем заинтересованным организациям, которым требуется привязка к координатам информации со спутников ДЗЗ, услуги по высокоточному определению орбит любых спутников ДЗЗ, оснащённых аппаратурой спутниковой навигации ГЛОНАСС и/или ГЛОНАСС/GPS. В перспективе могут использоваться и измерения китайской системы BeiDou и европейской Galileo.

Впервые показано, что по измерениям системы ГЛОНАСС при решении высокоточных задач можно обеспечить точность решений практически не хуже, чем по измерениям GPS. Итоговая точность зависит в основном от точности ассистирующей эфемеридной информации и точности знания модели движения низкоорбитальных КА.

Представление результатов отечественных систем ДЗЗ с высокоточной привязкой к координатам резко повысит её значимость и конкурентоспособность (с учётом роста и рыночной цены) на мировом рынке результатов дистанционного зондирования Земли.

Таким образом, для создания первой очереди системы Ассистирующей Навигации для Низкоорбитальных КА (условное название - система АННКА) в Российской Федерации имеются в наличии (или находятся в стадии создания) все составные части:

* есть собственное базовое специальное программное обеспечение, которое позволяет независимо от операторов ГЛОНАСС и GPS получать высокоточную эфемеридно-временную информацию;

* есть прототип специального программного обеспечения, на основе которого в кратчайшие сроки может быть создан штатный аппаратно-программный комплекс определения орбит низкоорбитальных КА с точностью на уровне сантиметров;

* есть отечественные образцы бортовых навигационных приёмников, которые позволяют решать задачу с такой точностью;

* Роскосмосом создается собственная глобальная сеть станций приёма навигационных сигналов ГНСС.

Архитектура системы АННКА для реализации первого этапа (апостериорный режим) показана на рис. 7.

Функции системы следующие:

* получение измерений от глобальной сети в центр обработки информации системы АННКА;

* формирование высокоточных эфемерид для навигационных космических аппаратов систем ГЛОНАСС и GPS (в перспективе - для систем BeiDou и Galileo) в центре АННКА;

* получение измерений бортовой аппаратуры спутниковой навигации, установленной на борту низкоорбитального КА ДЗЗ и передача её в центр АННКА;

* расчёт высокоточной орбиты КА ДЗЗ в центре АННКА;

* передача высокоточной орбиты КА ДЗЗ в центр обработки данных наземного специального комплекса системы ДЗЗ.

Система может быть создана в кратчайшие сроки, даже в рамках существующих мероприятий федеральной целевой программы поддержания, развития и использования системы ГЛОНАСС.

Рис. 7. Архитектура системы АННКА на первом этапе (апостериорный режим), обеспечивающей определение орбит низкоорбитальных КА на уровне 3-5 см.

Дальнейшее развитие

Дальнейшее развитие системы АННКА в направлении реализации режима высокоточного определения и прогнозирования орбиты низкоорбитальных КА в реальном времени на борту может коренным образом изменить всю идеологию баллистико-навигационного обеспечения такого рода спутников и полностью отказаться от использования измерений наземных средств командно-измерительного комплекса. Трудно сказать насколько, но эксплуатационные затраты на баллистико-навигационное обеспечение будут сокращены значительно, учитывая оплату работы наземных средств и персонала.

В США в NASA такая система создана более 10 лет назад на базе связной спутниковой системы для обеспечения управления космическими аппаратами TDRSS и созданной ещё ранее глобальной системы высокоточной навигации GDGPS. Система получила название TASS. Она обеспечивает ассистирующей информацией все научные космические аппараты и спутники ДЗЗ на низких орбитах с целью решения на борту задач определения орбит в реальном времени на уровне 10-30 см.

Архитектура системы АННКА на втором этапе, обеспечивающей решение задач определения орбит на борту с точностью 10-30 см в реальном времени, показана на рис. 8:

Функции системы АННКА на втором этапе следующие:

* получение измерений от станций приёма навигационных сигналов ГНСС глобальной сети в реальном времени в центр обработки данных АННКА;

* формирование высокоточных эфемерид для навигационных космических аппаратов систем ГЛОНАСС и GPS (в перспективе - для систем BeiDou и Galileo) в центре АННКА в реальном времени;

* закладка высокоточных эфемерид на КА-ретранслятор связных систем (постоянно, в реальном времени);

* ретрансляция высокоточных эфемерид (ассистирующей информации) спутниками-ретрансляторами для низкоорбитальных КА ДЗЗ;

* получение высокоточного положения КА ДЗЗ на борту с помощью специальной аппаратуры спутниковой навигации, способной обрабатывать принимаемые навигационные сигналы ГНСС совместно с ассистирующей информацией;

* передача целевой информации с высокоточной привязкой в центр обработки данных наземного специального комплекса ДЗЗ.

Рис. 8. Архитектура системы АННКА на втором этапе (режим реального времени), обеспечивающей определение орбит низкоорбитальных КА на уровне 10-30 см в реальном времени на борту.

Проведённый анализ существующих возможностей, экспериментальные результаты показывают, что в Российской Федерации имеется хороший задел для создания системы высокоточной ассистирующей навигации низкоорбитальных космических аппаратов, что позволит значительно сократить расходы на управление этими аппаратами и сократить отставание от ведущих космических держав в области высокоточной навигации КА в решении актуальных научных и прикладных задач. Для того чтобы сделать необходимый шаг в эволюции технологии управления низкоорбитальными КА, необходимо только принять соответствующее решение.

Система АННКА первого этапа может быть создана уже в кратчайшие сроки с минимальными затратами.

Для перехода ко второму этапу потребуется реализовать комплекс мероприятий, который должен быть предусмотрен в рамках государственных или федеральных целевых программ:

* создание специальной связной спутниковой системы для обеспечения непрерывного управления околоземными космическими аппаратами, либо на геостационарной орбите, либо на наклонных геосинхронных орбитах;

* модернизация аппаратно-программного комплекса формирования ассистирующей эфемеридной информации в реальном времени;

* завершение создания российской глобальной сети станций приёма навигационных сигналов ГНСС;

* разработка и организация производства бортовых навигационных приёмников, способных обрабатывать навигационные сигналы ГНСС совместно с ассистирующей информацией в реальном времени.

Реализация этих мероприятий - серьёзная, но вполне реализуемая работа. Она может быть выполнена предприятиями ОРКК с учётом уже запланированных мероприятий в рамках Федеральной космической программы и в рамках Федеральной целевой программы поддержания, развития и использования системы ГЛОНАСС с учётом соответствующих корректировок. Оценка затрат на её создание и экономического эффекта - необходимый этап, который должен быть сделан с учётом запланированных проектов создания космических систем комплексов дистанционного зондирования Земли, систем спутниковой связи, космических систем и комплексов научного назначения. Есть абсолютная уверенность, что эти затраты себя оправдают.

В заключение автор выражает искреннюю благодарность ведущим специалистам в области отечественной спутниковой навигации Аркадию Тюлякову, Владимиру Митрикасу, Дмитрию Фёдорову, Ивану Скакуну за организацию эксперимента и предоставление материалов для данной статьи, международной службе IGS и её руководителям - Урсу Хугентоблю и Руфи Нилан - за предоставленную возможность в полном объёме использовать измерения глобальной сети станций приёма навигационных сигналов, а также всем тем, кто помогал и не мешал.

Метод дистанционного зондирования Земли
Дистанционное зондирование – это получение любыми неконтактными
методами информации о поверхности Земли, объектах на ней или в ее недрах.
Традиционно к данным дистанционного зондирования относят только те методы,
которые позволяют получить из космоса или с воздуха изображение земной
поверхности в каких-либо участках электромагнитного спектра (т.е. посредством
электро-магнитных волн (ЭМВ).
Достоинства метода дистанционного зондирования Земли заключается в
следующем:
актуальность данных на момент съемки (большинство картографических
материалов безнадежно устарели);
высокая оперативность получения данных;
высокая точность обработки данных за счет применения GPS – технологий;
высокая информативность (применение спектрозональной, инфракрасной и
радарной съемки позволяет увидеть детали, не различимые на обычных
снимках);
экономическая целесообразность (затраты на получение информации
посредством ДЗЗ существенно ниже наземных полевых работ);
возможность получение трехмерной модели местности (матрицы рельефа) за
счет использования стереорежима или лидарных методов зондирования и,
как следствие, возможность проводить трехмерное моделирование участка
земной поверхности (системы виртуальной реальности).

Виды съемки для получения данных дистанционного зондирования
Виды зондирования по источнику сигнала:
Виды зондирования по месту размещения аппаратуры:
Космическая съемка (фотографическая или оптико-электронная):
панхроматическая (чаще в одном широком видимом участке спектра) – простейший
пример черно-белая съемка;
цветная (съемка в нескольких, чаще реальных цветах на одном носителе);
многозональная (одновременная, но раздельная фиксация изображения в разных
зонах спектра);
радарная (радиолокационная);
Аэрофотосъемка (фотографическая или оптико-электронная):
Те же виды ДЗЗ, что и в космической съемке;
Лидарная (лазерная).

Возможность обнаружить и измерить то или иное явление, объект или процесс
определяется разрешающей способностью сенсора.
Виды разрешений:

Характеристики сенсоров аппаратов ДЗЗ
Краткие характеристики космических аппаратов для получения данных
дистанционного зондирования Земли коммерческого использования

Аэрофотокомплекс, интегрированный с GPS-приемником

Примеры аэрофотоснимков различного оптического разрешения
0,6 м
2м
6м

Аэрофотоснимок в оптическом и тепловом (инфракрасном) спектрах
Слева – цветной аэроснимок
нефтебазы, справа – ночной
тепловой снимок той же
территории. Помимо четкого
различения пустых (светлые
кружки)
и
наполненных
емкостей, тепловой снимок
позволяет обнаружить утечки
из
резервуара
(3)
и
трубопровода (1,2). Сенсор
САВР,
съемка
Центра
экологического
и
техногенного мониторинга, г.
Трехгорный.

Радарный космический снимок
Радарные снимки позволяют обнаруживать на поверхности воды нефть и нефтепродукты с
толщиной пленки от 50 мкм. Другое применение радарных снимков – оценка
влагосодержания почв.

10.

Радарный космический снимок
Радарная интерферометрия позволяет обнаруживать с околоземной орбиты деформации
земной поверхности в доли сантиметра. На данном изображении показаны деформации,
возникшие за несколько месяцев разработки нефтяного месторождения Белридж в
Калифорнии. Цветовая шкала показывает вертикальные смещения от 0 (черный-синий) до –
58 мм (красно-коричневый). Обработка выполнена фирмой Atlantis Scientific по снимкам ERS1

11.

Наземный комплекс приема и обработки данных ДЗЗ
(НКПОД) предназначен для приема данных ДЗЗ от
космических аппаратов, их обработки и хранения.
В состав конфигурации НКПОД входят:
антенный комплекс;
приемный комплекс;
комплекс синхронизации, регистрации и структурного
восстановления;
комплекс программного обеспечения.
Для обеспечения максимального радиуса
обзора
антенный
комплекс
должен
устанавливаться так, чтобы горизонт был
открыт от углов места 2 град. и выше в
любом азимутальном направлении.
Для качественного приема существенным
является
отсутствие
радиопомех
в
диапазоне от 8,0 до 8,4 ГГц (передающие
устройства радиорелейных, тропосферных и
других линий связи).

12.

Наземный комплекс приема и обработки данных ДЗЗ (НКПОД)
НКПОД обеспечивает:
формирование заявок на планирование съемки земной поверхности и приема
данных;
распаковку информации с сортировкой по маршрутам и выделением массивов
видеоинформации и служебной информации;
восстановление строчно-линейной структуры видеоинформации, декодирование,
радиометрическую коррекцию, фильтрацию, преобразование динамического
диапазона, формирование обзорного изображения и выполнение других операций
цифровой первичной обработки;
анализ качества полученных изображений с использованием экспертных и
программных методов;
каталогизацию и архивацию информации;
геометрическую коррекцию и геопривязку изображений с использованием данных
о параметрах углового и линейного движения космических аппаратов (КА) и/или
опорных точек на местности;
лицензионный доступ к данным, получаемых со многих зарубежных спутников ДЗЗ.
Программное обеспечение для управления антенным и приемным комплексом
выполняет следующие основные функции:
автоматическую проверку функционирования аппаратной части НКПОД;
расчет расписания сеансов связи, т. е. прохождения спутника через зону видимости
НКПОД;
автоматическую активизацию НКПОД и прием данных в соответствии с
расписанием;
расчет траектории спутника и управление антенным комплексом для
сопровождения спутника;
форматирование принимаемого информационного потока и запись его на жесткий
диск;
индикацию текущего состояния системы и информационного потока;
автоматическое ведение журналов работы.

13.

Основные направления применения спутниковых систем глобального
позиционирования при геоинформационном обеспечении предприятий
нефтегазового сектора:
развитие опорных геодезических сетей всех уровней от глобальных до
съемочных, а также проведение нивелирных работ в целях геодезического
обеспечения деятельности предприятий;
обеспечение добычи полезных ископаемых (открытая разработка, буровые
работы и др.);
геодезическое обеспечение строительства, прокладки трубопроводов,
кабелей, путепроводов, ЛЭП и др. инженерно-прикладных работ;
землеустроительные работы;
спасательно-предупредительные работы (геодезическое обеспечение при
бедствиях и катастрофах);
экологические исследования: координатная привязка разливов нефти, оценка
площадей нефтяных пятен и определение направления их движения;
съемка и картографирование всех видов – топографическая, специальная,
тематическая;
интеграция с ГИС;
применение в диспетчерских службах;
навигация всех видов – воздушная, морская, сухопутная.

14.

Устройство и применение спутниковых систем глобального
позиционирования в нефтегазовой отрасли
Существующие СГСП: GPS, ГЛОНАСС, Бэйдоу, Galileo, IRNSS
Основные элементы спутниковой системы навигации:

15.

ГЛОНАСС
Основой системы являются 24 спутника (и 2 резервных), движущихся над
поверхностью Земли в трёх орбитальных плоскостях с наклоном орбитальных
плоскостей 64,8° и высотой 19 100 км
масса - 1415 кг,
гарантированный
срок
активного
существования - 7 лет,
особенности - 2 сигнала для гражданских
потребителей,
по
сравнению
со
спутниками
предшествующего поколения («Глонасс»)
точность определения местоположения
объектов повышена в 2,5 раза,
мощность СЭП - 1400 Вт,
начало летных испытаний - 10 декабря
2003 года.
отечественная бортовая ЦВМ на базе
микропроцессора с системой команд VAX
11/750
масса - 935 кг,
гарантированный
срок
активного
существования - 10 лет,
новые навигационные сигналы в формате
CDMA, совместимые по формату с системами
GPS/Galileo/Compass
за счёт добавления CDMA сигнала в диапазоне
L3, точность навигационных определений в
формате ГЛОНАСС повысится вдвое по
сравнению со спутниками «Глонасс-М».
полностью российский аппарат, отсутствуют
импортные приборы.

16.

Точность ГЛОНАСС
Согласно данным СДКМ на 22 июля 2011 года ошибки навигационных
определений ГЛОНАСС по долготе и широте составляли 4,46-7,38 м при
использовании в среднем 7-8 КА (в зависимости от точки приёма). В то же
время ошибки GPS составляли 2,00-8,76 м при использовании в среднем 6-11
КА (в зависимости от точки приёма).
При совместном использовании обеих навигационных систем ошибки
составляют 2,37-4,65 м при использовании в среднем 14-19 КА (в
зависимости от точки приёма).
Состав группы КНС ГЛОНАСС на 13.10.2011:
Всего в составе ОГ ГЛОНАСС
28 КА
Используются по целевому назначению
21 КА
На этапе ввода в систему
2 КА
Временно выведены на
техобслуживание
4 КА
Орбитальный резерв
1 КА
На этапе вывода из системы
-

17.

Оборудование приема сигналов ГЛОНАСС
Экран прибора-навигатора Glospace с
отображением плана московских улиц в
перспективной проекции и указанием
местоположения наблюдателя
НАП «ГРОТ-М» (НИИКП, 2003 г.)
один из первых образцов

18.

GPS
Основой системы являются 24 спутника (и 6 резервных), движущихся над
поверхностью Земли с частотой 2 оборота в сутки по 6-ти круговым орбитальным
траекториям (по 4 спутника в каждой), высотой примерно 20180 км с наклоном
орбитальных плоскостей 55°
Спутник системы GPS на орбите

19.

Оборудование приема сигналов GPS

20.

Типы оборудования для приема сигнала СГПС
навигатор (точное время; ориентацию по сторонам света; высоту над уровнем
моря; направление на точку с координатами, заданными пользователем; текущую
скорость, пройденное расстояние, среднюю скорость; текущее положение на
электронной карте местности; текущее положение относительно маршрута);
трекер (GPS/ГЛОНАСС +GSM, передает данные о местоположении и перемещении,
не отображает карту на клиентском оборудовании – только на сервере);
логгер (трекер без GSM-модуля, записывает данные о перемещении).
навигатор
трекер
логгер