Система дистанционного зондирования Земли на Международной космической станции

0

С.М. Басков, В.Ф. Земсков

На сегодняшний день в Российской Федерации существует дефицит данных дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) в связи с отсутствием необходимой орбитальной группировки космических аппаратов. Для частичного удовлетворения информационных потребностей государственных и частных организаций Российской Федерации и иностранных государств решением Федерального космического агентства создается система оптико-электронных модулей мониторинга поверхности Земли, которая будет установлена на российском сегменте Международной космической станции (МКС).
В соответствии с этим между Ракетно-космической корпорацией «Энергия» им. С.П. Королева,  Научно-производственным концерном «БАРЛ» и компанией Earth Video Camera Inc. было достигнуто соглашение по осуществлению совместного проекта по установке и эксплуатации на борту российского сегмента МКС данной системы.

Рис. 1. Схема размещения оптико-электронных модулей на российском сегменте МКС
Рис. 1. Схема размещения оптико-электронных модулей на российском сегменте МКС

Стоит отметить, что стоимость создания и установки системы оптико-электронных модулей на российский сегмент МКС гораздо ниже, чем затраты на создание и ввод в эксплуатацию аналогичного по характеристикам космического аппарата ДЗЗ.
Разработка оптико-электронных модулей и развертывание сети наземных станций осуществляются за собственные средства участников проекта, а установка камер на МКС — за счет госбюджета РФ.
Система состоит из двух оптико-электронных модулей высокого и среднего разрешения с различными режимами съемки. Схема размещения камер на борту МКС представлена на рис. 1.

HRC (High Resolution Camera)

Рис. 2. Схема съемки видеокамерой высокого разрешения
Рис. 2. Схема съемки видеокамерой высокого разрешения

Оптико-электронный модуль высокого разрешения будет размещен на подвижном манипуляторе, что позволит осуществлять как традиционную кадровую съемку (рис. 2), так и высокодетальную видеосъемку с пространственным разрешением около 1,1 метра.

Всего за виток возможно 18 включений продолжительностью около минуты с частотой 3,25 кадра в секунду.

Рис. 3. Внешний вид видеокамеры высокого разрешения
Рис. 3. Внешний вид видеокамеры высокого разрешения

Характеристики камеры высокого разрешения представлены в табл. 1. Стоит отметить, что на сегодняшний день такой способ съемки ни на одном из существующих космических аппаратов ДЗЗ не реализован.

Внешний вид камеры высокого разрешения представлен на рис. 3.

 

 

Характеристики оптико-электронного модуля высокого разрешения

Режим съемки Мультиспектральный (R, G, B)
Фокусное расстояние, м 2,54
Относительное отверстие, см 8
Тип датчика КМОП-матрица, (CMOS) формат 35 мм,
Число пикселей 3048 х 4560
Пространственное разрешение, м 1,15
Радиометрическое разрешение, бит/пиксель 12
Размер кадра по горизонтали, км 5,03
Размер кадра по вертикали, км 3,36
Объем, мм 500 х 500 х 1200
Масса, кг <45

 

MRC (Medium Resolution Camera)

Рис. 4. Схема съемки камерой среднего разрешения
Рис. 4. Схема съемки камерой среднего разрешения

Оптико-электронный модуль среднего разрешения предназначен для съемки земной поверхности в мультиспектральном диапазоне (в т.ч. и ближнем красном) с разрешением 5,5 м. и шириной полосы захвата около 47 км (рис. 4). Характеристики модуля среднего разрешения представлены в табл. 2. Камера будет производить непрерывный круглосуточный мониторинг, меняя коэффициент компрессии при съемке водной и неосвещенной части земной поверхности. Реализация такого режима позволит накопить уникальный банк данных дистанционного зондирования Земли. Внешний вид камеры высокого разрешения представлен на рис .5.

Рис. 5. Внешний вид камеры среднего разрешения
Рис. 5. Внешний вид камеры среднего разрешения

Таблица 2

Характеристики оптико-электронного модуля среднего разрешения

Режим съемки Мультиспектральный (R, G, B, NIR)
Фокусное расстояние, м 0,455
Относительное отверстие, см 7,3
Тип датчика Индивидуальная линейная ПЗС-матрица (CCD) для каждого цветового канала.
Число пикселей 8800
Пространственное разрешение, м 5,38
Радиометрическое разрешение, бит/пиксель 13
Ширина полосы захвата, км 47,38
Объем, мм 200 х 200 х 750
Масса, кг <10

 

Еще одним несомненным преимуществом данной системы оптико-электронных модулей является возможность её технического усовершенствования в процессе эксплуатации, а также возможность проведения оперативного обслуживания (ремонта) оборудования силами экипажа МКС в случае выявления неисправностей или возникновения нештатных ситуаций.

Данные с оптико-электронных модулей будут поступать на установленный бортовой компьютер и записываться на твердотельные накопители общей емкостью 250 ГБ объединенных в RAID конфигурацию. Бортовой компьютер также будет осуществлять управление камерами и принимать командные файлы, сигнал синхронизации времени с МКС и данные телеметрии станции. Поток данных будет транслироваться по высокоскоростной системе передачи данных на распределенную сеть наземных станций, развернутую ЗАО НПК «БАРЛ» (рис. 6) и партнерами, а затем, с использованием серверных технологий, передаваться в единый центр для обработки. Для реализации такой системы создается центр приема и обработки данных ДЗЗ, основными задачами которого будет централизация, хранение, обработка и распространение данных, поступающих от различных наземных станций. Характеристики антенных систем приведены в табл. 3.

Рис. 6. Распределенная сеть наземных станций ЗАО НПК «БАРЛ»
Рис. 6. Распределенная сеть наземных станций ЗАО НПК «БАРЛ»

Таблица 3

Характеристики антенных систем

Диаметр зеркала, м 3,7
Тип Однозеркальная прямофокусная
Тип опорно-поворотного устройства 3-х осная (с динамической третьей осью)
Диапазон рабочих частот, МГц 7 800 – 8 450
Поляризация Правая круговая
Коэффициент усиления G с учетом потерь в тракте, дБ 47,8
Добротность, дБ/К 26,15
Уровень боковых лепестков, дБ — 18
Диапазон вращения, град

по азимуту

по углу места

по углу наклона

 

-270 до +270

0 до 180

-6 до +6

Максимальная скорость поворота антенны, град/с

по азимуту

по углу места

по углу наклона

 

20

20

10

Тип модуляции BPSK, QPSK, OQPSK, 8PSK,16ASK
Скорость приема информации, Мбит/с До 1000
Допустимая скорость ветра, м/с Рабочая 25

Предельная 50

Масса, кг 500

 

Поскольку операторами большинства спутников ДДЗ, представленных на сегодняшний день на рынке, являются зарубежные компании, то заказ новой съемки всегда связан с целым рядом организационных, и финансовых трудностей. Срок выполнение заказа актуальной космической съемки может составлять до 45 суток и даже выше. К тому же не все территории являются доступными для съемки в интересах РФ по политическим соображениям. Наличие возможности самостоятельно закладывать программы съемки в систему оптико-электронных модулей, установленных на российском сегменте, снимает временные и политические ограничения, а так же предоставляет возможность выбора приоритетных районов съемки, в зависимости от сложившейся ситуации или требований заказчика.

В целом следует отметить, что в результате государственно-частного международного партнерства Ракетно-космической корпорации «Энергия» им С.П. Королева, Научно-производственного концерна «БАРЛ» и компании Earth Video Camera Inc. формируется новый подход к предоставлению востребованных на рынках РФ и зарубежья услуг по ДЗЗ.