Создание лаборатории приема и обработки данных ДЗЗ в вузах

М. Е. Венедиктов

Современный процесс образования подразумевает использование принципиально иных подходов в системе обучения. Сегодняшний выпускник должен обладать практикой работы с реальными данными на отвечающих времени технических средствах.

К этому принципу организации учебного процесса приходят МГУ им. М.В. Ломоносова, МГТУ им. Н.Э. Баумана, СПбГУ, ВКА им. А.Ф. Можайского и ряд других вузов, создавшие на своей базе образовательные лаборатории приема и обработки данных дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ). У учащихся в вузах появляется уникальная возможность участвовать в полном цикле работы с космическими аппаратами (КА) ДЗЗ, начиная от планирования сеанса связи со спутником и заканчивая углубленной обработкой космической съемки.

Для внедрения такой технологии в образовательный процесс необходимо развернуть на площадке вуза собственный центр дистанционного зондирования Земли (ЦДЗЗ) с соответствующей антенной системой (АС).

Следует отметить, что обладатели такого комплекса имеют возможность приема данных с бесплатных научно-исследовательских космических аппаратов, таких, как Aqua и Terra, входящих в проект NASA EOS (Earth Observing System), в режиме реального времени (рис. 1).

ЗАО НПК «БАРЛ» разработал комплексный центр приема и обработки данных, который состоит из современных аппаратно-программных решений и позволяет работать практически со всеми коммерческими КА ДЗЗ, существующими на сегодняшний день.

Структурно комплекс состоит из следующих систем:

• планирования и управления антенным комплексом;
• приема информации;
• обработки информации;
• хранения информации;
• связи и передачи данных.

СИСТЕМА ПЛАНИРОВАНИЯ И УПРАВЛЕНИЯ АНТЕННЫМ КОМПЛЕКСОМ

Система предназначена для планирования сеансов приема информации с КА ДЗЗ (рис. 2), управления и непрерывного контроля состояния антенной системы в течение всего сеанса связи.

В состав системы входит:

• АРМ планирования и управления АС;
• плата управления АС;
• СПО планирования сеансов связи и управления антенной.

СИСТЕМА ПРИЕМА ИНФОРМАЦИИ

Система предназначена для обеспечения непосредственного приема с КА ДЗЗ и регистрации данных потока целевой информации в течение сеанса связи.

Система приема информации решает следующие задачи:

• обеспечение приема информации с КА в зоне связи;
• прием изображений и сопроводительной информации с КА;
• регистрация целевой информации на накопителях информации.

Состав системы приема информации:

• антенная система;
• система управления антенной;
• АРМ приема информации;
• приемник-демодулятор высокочастотного сигнала.

Антенная система предназначена для сопровождения и непосредственного приема данных с космических аппаратов. На сегодняшний день у ЗАО НПК «БАРЛ» имеется несколько вариантов антенных систем, отвечающих последним требованиям космической отрасли (табл. 1).

Таблица 1. Параметры антенных систем

Инновационным решением является использование шестиопорной конструкции Hexapod. По сравнению с классическим трехосным опорно-поворотным устройством (рис. 3а) технология на основе Hexapod (рис. 3б) имеет ряд неоспоримых преимуществ.

Существенно увеличивается точность наведения, значительно улучшаются кинематические характеристики, что позволяет антенной системе следить не только за низкоорбитальными космическими аппаратами, но и за авиационными средствами. Полностью отсутствуют какие-либо ограничения на работу вблизи точки зенита.

СИСТЕМА ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ

Система предназначена для проведения оценки, предварительной и вторичной обработки информации с целью доведения данных ДЗЗ до конечного потребителя в необходимом виде.

В ходе обработки на автоматизированных рабочих местах оператор, используя специальное программное обеспечение, решает следующие задачи:

• Оперативный контроль качества принимаемой информации:
  • распаковка данных с КА ДЗЗ;
  • оценка качества принимаемой информации.
• Предварительная обработка:
  • радиометрическая коррекция;
  • восстановление сбойной информации;
  • преобразование координат изображения в выбранную картографическую проекцию с обеспечением требуемой точности.
• Вторичная обработка:
  • создание ортофотопланов с высокой точностью геопозиционирования;
  • обработка стереоизображений;
  • получение векторизованных данных;
  • тематическая обработка данных.

СИСТЕМА ХРАНЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ

Система предоставляет пользователю возможность сохранять данные, полученные с КА ДЗЗ, в единую базу данных. СПО системы хранения информации обеспечивает:

• хранение, сбор и распределение информации;
• поддержку справочного раздела для осуществления поиска из базы данных;
• ведение базы данных с возможностью ежесуточной загрузки в нее обработанных изображений;
• формирование отчетных документов о реальном информационном состоянии базы данных.

СИСТЕМА СВЯЗИ И ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ

Система предназначена для обмена данными с внешним пользователем.

Основные решаемые задачи:

• внутренний обмен данными между рабочими местами через ЛВС;
• обмен данными и обеспечение голосовой связи между комплексом и внешним пользователем;
• обеспечение информационной безопасности передаваемых данных.

Наглядным примером работы системы является процесс приема и обработки данных с сенсора MODIS (Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer) космического аппарата Aqua. Сенсор осуществляет постоянную съемку поверхности Земли, обрабатывая данные в 36 спектральных каналах. Два канала имеют пространственное разрешение 250 м, 5 каналов (3–7) — 500 м, остальные каналы (8–36) — 1000 м. Полоса обзора сенсора MODIS составляет 2330 км.

Для осуществления сеанса связи со спутником необходимо рассчитать в СПО планирования сеансов связи точное время позиционирования КА в зоне видимости приемной антенной системы. Для этого используется набор элементов орбиты в формате TLE (Two-Line Element), актуальные данные которых ежедневно обновляются на сайте http://celestrak.com/NORAD/elements/

Поскольку после обработки демодулятором данные с КА приходят в необработанном формате RAW, необходимо конвертировать этот поток информации в формат, воспринимаемый ПО обработки данных ДЗЗ, такой, как HDF-EOS (Hierarchical Data Format).

С помощью СПО RT-STPS «сырые» данные спектрорадиометра распаковываются в формат PDS (Production Data Set). Для конвертирования и калибровки под операционной системой Windows используют пакет IMAPP, разработанный совместно американскими и российскими специалистами. Следует учитывать, что информация сенсора MODIS КА Aqua в формате PDS не содержит данные о эфемеридах (в отличие от данных аналогичного сенсора КА Terra) и при обработке требуется дополнительный файл параметров формата TLE. Полученные данные уровня 1A/1Bможно визуализировать в программном комплексе ENVI.

Для отображения в естественных цветах каналам RGB должна соответствовать последовательность 1–3–4 каналов данных сенсора. В силу архитектуры сканера MODIS и кривизны поверхности Земли при обработке радиометрических данных иногда проявляется эффект наложения частей смежных сканов (на краях снимков), так называемый эффект «бабочки» (рис. 4а). Эти геометрические искажения убираются в процессе автоматической привязки специальными алгоритмами ENVI (рис. 4б).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В заключение следует отметить, что использование подобных центров по обработке данных ДЗЗ позволяет:

• наглядно демонстрировать учащимся принцип работы космических и наземных систем;
• участвовать в процессе планирования, обработки и интерпретации данных;
• создавать и накапливать банки геоданных;
• программировать собственное программное обеспечение;
• проводить научные исследования, что значительно повысит квалификацию выпускаемых специалистов.