Особенности автоматической потоковой обработки данных КМСС космического комплекса «Метеор-3М»

0

О. В. Бекренёв, Л.А. Гришанцева, Б.С. Жуков, И.В. Полянский

Космический комплекс (КК) «Метеор-3М», создаваемый в соответствии с Федеральной космической программой России, предназначен для получения данных дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) в интересах решения задач метеорологии, гидрологии и контроля состояния окружающей среды. Запланировано развитие КК «Метеор-3М» до пяти космических аппаратов (КА) к 2020 г. , на четырех из которых предусмотрена установка комплекса многозональной спутниковой съемки (КМСС, разработчик — ИКИ РАН) в видимом и ближнем инфракрасном диапазоне. В 2009 г. начал работу первый КА, оснащенный КМСС, — «Метеор-М» № 1, в 2014 г. — второй — «Метеор-М» № 2. Эксплуатацию КК «Метеор-3М» в целях информационного обеспечения государственных социально-экономических и научных программ выполняет НЦ ОМЗ ОАО «Российские космические системы» — оператор российских космических средств ДЗЗ — в рамках бюджетного финансирования.

КМСС состоит из трех многозональных сканирующих устройств (МСУ): двух МСУ-100, предназначенных для исследования поверхности суши, и одного МСУ-50 — для исследования океана. МСУ-100 развернуты поперек трассы полета КА и в сумме обеспечивают примерно такое же поле зрения, как МСУ-50 — порядка 900 км. Характеристики МСУ представлены в табл. 1.

Фокусное расстояние объектива, мм Пространственное разрешение, м Спектральные диапазоны, мкм Ширина полосы обзора, км
МСУ-100 100 60 0,535–0,575

0,630–0,680

0,760–0,900

470
МСУ-50 50 120 0,370–0,450

0,450–0,510

0,580–0,690

900

Табл. 1. Характеристики МСУ

Высокая интенсивность информационного потока, получаемого с КК «Метеор-3М», и потребность в оперативном предоставлении продуктов обработки данных конечным пользователям выдвигают требования по максимальной автоматизации аппаратно-программных средств обработки данных КМСС, обеспечению обработки и последующего хранения всего массива полученных данных с целью сокращения эксплуатационных расходов и уменьшения количества ошибок, вызванных человеческим фактором.

В составе наземного комплекса приема, обработки и распространения космической информации (НКПОР) Роскосмоса в штатном режиме функционирует разработанная специалистами НЦ ОМЗ ОАО «Российские космические системы» технология потоковой автоматической обработки данных КМСС до всемирно принятых уровней, в частности уровня 1B (по классификации NASA/CEOS). Применительно к российским КК ДЗЗ, используемая технология является уникальной: ни в одном другом КК не реализованы средства стандартной обработки, находящиеся только под контролем администратора и не требующие интерактивного участия операторов, при этом аппаратная составляющая представляет собой два сервера и рабочее место администратора.

Программный комплекс разработан таким образом, что может работать, как на мощных серверах, так и на обычных ПЭВМ, оснащенных следующим базовым программным обеспечением:

  • ОС Windows версии ХР или 7;
  • СУБД Firebird0 или 2.5;
  • архиватор WinRaR (версия не ниже 3.0) или 7-ZIP (версия 9.2).

Время обработки данных до уровня 1В на ПЭВМ с различными характеристиками представлено в табл. 2.

Основные характеристики ПЭВМ Время обработки одного маршрута съемки длительностью около 10 минут
Процессор Intel Xeon x5690 (3.5 ГГц, 2 ядра), оперативная память объемом 3 Гб 20 минут
Процессор Intel Core i7 (3.0 ГГц, 4 ядра),
оперативная память объемом 12 Гб
10 минут

Табл. 2. Время обработки данных КМСС до уровня 1В

Аппаратно-программные средства, универсальные по отношению к данным с КА «Метеор-М» № 1 и № 2, обеспечивают выполнение следующих операций:

  • – распаковка исходных данных, получаемых приемными комплексами, фильтрация, исправление ошибок;
  • вычисление и аппроксимация элементов внешнего ориентирования для приборной системы координат МСУ в системе координат WGS-84, формирование навигационных файлов на основе обработки результатов прямых измерений местоположения и ориентации КА, содержащихся в исходных данных;
  • выделение данных КМСС из приборного файла, разбиение на кадры (гранулы), длина которых примерно равна ширине полосы обзора МСУ, радиометрическая и геометрическая коррекция, географическая координатная привязка видеоинформации по навигационным данным, при этом радиометрическая и геометрическая коррекция выполняется по данным периодически проводимых полетных калибровок;
  • геометрическое совмещение зональных данных в кадре на заданной географической сетке.

Географическая привязка видеоинформации, как правило, осуществляется на основе результатов обработки данных прямых измерений местоположения и ориентации КА, содержащихся в выходном кадре аппаратуры бортового синхронизирующего координатно-временного устройства (БСКВУ‑М). Данное устройство содержит аппаратуру спутниковой навигации ГЛОНАСС, а также прибор астроориентации БОКЗ-М, предназначенный для высокоточного определения инерциальной трехосной ориентации КА по данным произвольных участков небесной сферы, т.е. ориентации КА относительно инерциальной системы координат в каждый момент времени. В случае отсутствия данных БОКЗ-М для геометрического совмещения зональных данных и географической привязки маршрута используются общедоступные баллистические данные NORAD (North American Aerospace Defense Command), в которых отсутствует информация об ориентации КА в момент съемки.

Опыт эксплуатации аппаратно-программных средств показал, что автоматическая географическая координатная привязка по независимым орбитальным данным NORAD дает погрешности порядка 5 км, ошибка в геометрическом совмещении зональных данных составляет величину около 5 км. Использование информации БОКЗ-М уменьшает погрешности привязки до 500 м для КА «Метеор-М» № 1 и до 60 м — для КА «Метеор-М» № 2. Точность совмещения зональных данных при этом составляет 200–500 м для КА «Метеор-М» № 1 и 60 м — для КА «Метеор-М» № 2. Необходимо отметить, что указанные ошибки геореференцирования для КА «Метеор-М» № 1 возникают, в основном, из-за погрешности привязки видеоданных к сетке времени КА [4]. В КА «Метеор-М» № 2 привязка данных ко времени производится на аппаратном уровне, что позволяет довести точность геореференцирования до одного пикселя (60 м), что в целом соответствует общепринятым требованиям к информации ДЗЗ среднего разрешения.

Радиометрическая коррекция данных КМСС выполняется по данным наземных предполетных испытаний на сертифицированных средствах ВНИИОФИ. Проведенное в период летных испытаний сопоставление данных КМСС и MODIS/Terra показало, что относительная погрешность расхождения данных не превышает величины 10%, соответственно представляется возможным интерпретировать данные КМСС, как спектральную плотность энергетической яркости на верхней границе атмосферы.

НКПОР Роскосмоса обеспечивает получение и хранение следующих выходных продуктов обработки информации КМСС, предназначенных для непосредственного использования конечными потребителями:

  • данные уровня 1В — радиометрически и геометрически скорректированные, географически привязанные без использования опорных точек, в виде файлов-матриц зональных данных, файлов-сеток географической привязки и файла-заголовка;
  • данные уровня 2А — синтезированные, трансформированные в одну из стандартных картографических проекций (UTM или полярная стереографическая) без использования опорных точек, представленные в яркостях или коэффициентах яркостей, в виде файлов в форматах JPEG, ENVI (*.hdr), Erdas Imagine (*.img), GeoTIFF;
  • данные уровня 2А (см. выше), атмосферно скорректированные по выбранной стандартной зимней или летней модели атмосферы, в виде файлов в форматах JPEG, ENVI (*.hdr), Erdas Imagine (*.img), GeoTIFF;
  • данные уровня 3А — синтезированные, трансформированные в стандартную картографическую проекцию (UTM или полярная стереографическая) путем ортотрансформирования, в виде файлов в форматах JPEG, ENVI (*.hdr), Erdas Imagine (*.img), GeoTIFF;
  • обзорные изображения («квиклуки») с пространственным разрешением 1 км, одноканальные в случае выполнения обработки по данным баллистического прогноза и цветосинтезированные – в остальных случаях, в форматах JPEG, ENVI (*.hdr), Erdas Imagine (*.img).

Примеры визуализированных данных уровня обработки 1B представлены на рис. 1 и 2.

ris_2Рис. 1. Пример визуализации данных, полученных КМСС КА «Метеор-М» № 2. Камчатский залив
ris_3Рис. 2. Пример визуализации данных, полученных КМСС КА «Метеор-М» № 2.
Дельта Волги

В настоящее время открытый доступ к данным КМСС, путем обеспечения возможности приема и обработки, предоставлен только для участников консорциума УНИГЕО. Роскосмосом рассматривается вопрос об открытии данных КМСС для широкого круга потребителей, в том числе зарубежных, через портал открытых данных в Интернете.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

  1. Чуркин Л. А., Космический комплекса гидрометеорологического и океанографического обеспечения «Метеор-3М» со спутником «Метеор-М» // Геоматика, 2009, № 3(4).
  2. ОАО «Корпорация «ВНИИЭМ» [электронный ресурс] – Режим доступа: www.vniiem.ru (дата обращения 05.03.2015).
  3. Аванесов Г. А., Полянский И. В., Жуков Б. С. и др. Комплекс многозональной спутниковой съемки на борту КА«Метеор-М» № 1: три года на орбите // Исследование Земли из космоса, 2013. № 2.
  4. Т.В. Кондратьева, А. В. Никитин, И. В. Полянский, Точность координатной привязки видеоданных камер МСУ-100/50 КА «Метеор-М» № 1 // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса, 2013. Т. 10. № 3.