Комплекс приема и обработки информации ДЗЗ в ВКА им. А. Ф. Можайского

0

П. А. Лошкарев, Ю. В. Клепов

Практика получения изображений поверхности Земли из космоса насчитывает чуть более полувека. Первый снимок земной поверхности был получен при помощи фотоаппарата, установленного на баллистической ракете Fau-2 немецкого производства, запущенной в 1945 г. с американского ракетного полигона White Sands. Ракета достигла высоты 120 км, после чего фотоаппарат с отснятой пленкой был возвращен на Землю в специальной капсуле. До конца 1950-х гг. космическая съемка поверхности Земли осуществлялась с высот до 200 км исключительно с использованием аппаратуры, устанавливаемой на баллистических ракетах и зондах. Началом систематического обзора поверхности Земли из космоса можно считать запуск 1 апреля 1960 г. американского метеорологического спутника Tiros-1. Первый отечественный искусственный спутник Земли (ИСЗ) аналогичного назначения, «Космос-122», был выведен на орбиту 25 июня 1966 г.

С тех пор область применения данных дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) из космоса многократно расширилась. Сюда входит решение задач гидрометеорологии, экологии, мониторинга чрезвычайных ситуаций (ЧС), обширного спектра природохозяйственных задач (сельского и лесного хозяйства, промысла морепродуктов, геологии и поиска полезных ископаемых, землеустройства, строительства, прокладки транспортных магистралей, картографии, создания и обновления геоинформационных систем (ГИС), гидротехники и мелиорации), океанографических и океанологических задач, а также научных задач фундаментального изучения состояния и эволюции Земли как целостной и постоянно изменяющейся экологической системы. Создание и развитие космических средств и технологий дистанционного зондирования Земли является в настоящее время одним из важнейших направлений применения космической техники для социально-экономических и научных целей. В мире уже успешно эксплуатируются десятки космических аппаратов (КА) ДЗЗ. В различных стадиях разработки находятся от 200 до 300 новых проектов по реализации перспективных возможностей наблюдения и съемки Земли из космоса.

Эффективность применения КА ДЗЗ обеспечивается наземными комплексами, осуществляющими прием и регистрацию космической информации (КИ), ее обработку и хранение, а также изготовление тематических продуктов для предоставления потребителям информации.

Именно такой типовой наземный комплекс приема, регистрации и обработки КИ от КА ДЗЗ установлен в Военно-космической академии  им. А.Ф. Можайского в Санкт-Петербурге. Разработчиком данного комплекса является Научно-исследовательский институт точных приборов (ОАО «НИИ ТП», г. Москва). Антенная система этого комплекса принимает КИ в X-диапазоне (8,025 – 8,400 ГГц). Диаметр зеркала антенны составляет 2,4 м. Рефлектор установлен на крыше пятиэтажного здания (см. рис.1 и таблицу 1).

Таблица 1. Технические характеристики антенного комплекса

Параметры

Значение

Офсетный  рефлектор, D, м D= 2,4
Схема построения опорно-поворотного устройства азимутально-угломестная
Диапазон рабочих углов:

— по азимуту, град

— по углу места, град

 

± 270

от минус 5 до 95

Максимальные скорости наведения:

— по азимуту, градус/с (не менее)

— по углу места, градус/с (не менее)

 

15

10

Суммарная погрешность наведения, угл. мин. (не более) 5
Функционирование при максимальной скорости ветра, м/с 25
Габариты  (ШхВхГ), м 4*4,2*4
Масса, кг 1200
Материал рефлектора алюминиевый сплав c порошковым покрытием
Полоса принимаемых частот, ГГц 8,025-8,40
Поляризация правая круговая
Коэффициент усиления, дБ

(не менее)

42
Скорость приема и регистрации, Мбит/с до 153 по каждому из приемных каналов
Объем памяти накопителя, Тбайт

(не менее)

2
Режим работы Программное наведение

Ручное наведение

ris_1_web
Рис. 1. Рефлектор антенной системы на крыше здания ВКА им. А. Ф. Можайского

 

Данный комплекс предназначен для обучения студентов-слушателей академии следующим навыкам:

  • Планирования и подготовки к сеансу связи с КА.
  • Управления антенной и трактом приема.
  • Регистрации КИ и ее структурного восстановления (визуализации).
  • Проведения первичной обработки КИ.
  • Проведения тематической обработки КИ.
  • Систематизации и архивного хранения КИ.

В состав комплекса входят:

  • Комплекс приема и регистрации информации (КПРИ).
  • Комплекс восстановления и цифровой обработки информации (КВЦОИ) (для КА типа «Ресурс»).
  • Рабочее место первичной обработки данных с зарубежных КА (РМ ОДЗКА) (для КА Terra, Aqua).
  • Рабочее место вторичной (в т.ч. тематической) обработки (РМО).
  • База геоинформационных данных (БГД).
  • Локальная вычислительная сеть (ЛВС).

Работа комплекса состоит из следующих основных этапов (рис. 2):

ris_2_web
Рис. 2 Функциональная схема комплекса приема, регистрации и обработки КИ от КА ДЗЗ

  

Планирование приема и обработки информации

Формирование планов работы  КА типа «Ресурс» осуществляется оператором, назначаемым Правительством Российской Федерации, которым в настоящее время является НЦ ОМЗ (Научный центр оперативного мониторинга Земли) – дочернее предприятие ОАО «Российские космические системы».

В соответствии с поступившими оператору КА «Ресурс» заявками потребителей осуществляется распределение задач по съемке земной поверхности, а также  определение порядка сброса информации с КА на пункты приема информации, одним из которых является комплекс в Военно-космической академии  им. А.Ф. Можайского.

В результате планирования оператор формирует:

  • План работы бортовой аппаратуры (рабочую программу).
  • Исходные данные для приема и обработки информации.

План работы бортовой аппаратуры в соответствии с технологией работы КА «Ресурс» передается в составе рабочей программы  на борт КА и, начиная с определенного времени, заложенного в программе, управляет его работой.

Исходные данные для приема и обработки информации в виде файлов передаются (как правило, по каналам связи) на пункт приема информации в Военно-космической академии  им. А.Ф. Можайского. Основными исходными данными, необходимыми для обеспечения  приема информации от КА «Ресурс», являются:

  • Начальные условия движения КА.
  • Исходные данные по сеансу связи (ИДСС).
  • Исходные данные обработки информации (ИД ОИ).

Исходные данные ИДСС и ИДОИ содержат сведения о времени проведения сеансов связи (сеансов выдачи специальной информации), количестве и параметрах маршрутов съемки, режимах работы бортовой аппаратуры и другие служебные данные. Как правило, ИДСС и ИДОИ формируются исходя из суточного цикла управления КА, т. е. содержат данные о съемке территории и сеансах сброса информации на предстоящие сутки. Указанные исходные данные  поступают на пункт приема информации заблаговременно (не менее чем за 2 часа до сеанса связи).

После приема исходных данных  они записываются в комплекс управления и контроля  (КУК) (из состава КПРИ). КУК осуществляет их преобразование и выдачу необходимых данных во взаимодействующие системы, в первую очередь –  в комплекс синхронизации, регистрации и структурного восстановления КСРСВ (из состава КПРИ) и КВЦОИ.

Так как  для космических аппаратов ДЗЗ  Terra и Aqua целевая съемка и сброс информации на пункты приема специально не планируются, планирование приема информации для данных КА ведется по следующей технологии: операторы, осуществляющие управление КА ДЗЗ  Terra и Aqua,  на своих сайтах в сети Интернет публикуют данные  о времени и параметрах целевой съемки, времени и месте включения передающей аппаратуры для сброса информации; КПРИ анализирует опубликованные данные и исходя из своих возможностей и поставленных задач, определяет:

  • Время возможного приема информации.
  • Наличие в составе передаваемой информации интересующих маршрутов.

Прием и первичная обработка информации

Прием специальной информации (СИ) от космических аппаратов ДЗЗ «Ресурс», Terra и Aqua  осуществляется с использованием антенной системы  и аппаратуры КПРИ.  В процессе приема осуществляется декодирование специальной и служебной информации и ее запись на  рабочую станцию КПРИ.

После приема с КА «Ресурс» записанная информация поступает на рабочие станции КВЦОИ, где осуществляется ее первичная обработка, включающая, как правило, следующие типовые операции, характерные для космических оптико-электронных систем:

  • Распаковка информации сеанса приема.
  • Декодирование изображений, закодированных бортовой аппаратурой КА «Ресурс».
  • Восстановление строчно-линейной структуры видеоинформации с постоянными параметрами «сшивки» матриц и зон компенсации.
  • Коррекция яркости.
  • Линейная фильтрация.
  • Расширение динамического диапазона.
  • Сшивка изображения маршрута в единое целое (при необходимости).
  • Преобразование изображений маршрутов в типовые и (или) специализирован­ные форматы.
  • Выдача обработанных маршрутов на РМО.

После приема с КА Terra, Aqua записанная информация поступает на рабочее место обработки данных с зарубежных КА (РМ ОДЗКА), где осуществляется ее первичная обработка.

Вторичная, в том числе тематическая, обработка информации

Как правило, она включает:

  • Тематическую обработку информации.
  • Повышение дешифровочных свойств изображений.
  • Оценка качества информации.
  • Привязка маршрута (маршрутов) к карте.
  • Определение координат одиночных объектов (целей).
  • Геокодирование и ортофототрансформирование.
  • Формирование отчетных информационных документов (в том числе геоинформационных).
  • Создание специализированных растровых и векторных слоев для геопространственных систем.
  • Создание 3D-моделей, построение рельефа местности.
  • Запись данных и документов в БГД.

Содержание тематической обработки информации зависит от целевых задач. Следует различать виды тематической обработки, например:

  • Поиск полезных ископаемых.
  • Поиск и определение трасс для строительства автомобильных и железных дорог.
  • Уточнение водных ресурсов.
  • Планирование городского строительства.
  • Лесопользование.
  • Контроль сельхозугодий.
  • Ликвидация чрезвычайных ситуаций.
  • Составление (обновление) топографических карт и мн. др.

Одним из видов тематической обработки  видовой информации является дешифрирование — технологический процесс, основное содержание которого заключается в выявлении, распознавании и определении характеристик объектов, отображенных на фотоснимке местности  (определение по ГОСТ Р52369-2005).

Любая тематическая обработка осуществляется, как правило, с использованием  накопленных данных и знаний, т. е. требует  информационной поддержки в виде баз данных и/или знаний.

Основными программными комплексами, обеспечивающими решение задач вторичной обработки информации, являются:

  • Программный комплекс ПК ДАКО (ПК детального анализа и комплексной обработки информации).
  • Программный продукт ERDAS IMAGINE.

Программный комплекс ПК ДАКО обеспечивает совместный анализ материалов космической и аэросъемки в видимом, ИК и СВЧ диапазонах спектра,   картографических материалов,  формализованных данных по изучаемой территории, а также разработку по результатам анализа отчетно-информационных документов.

Система ERDAS IMAGINE является стандартом де-факто в области обработки ДЗЗ. Этот программный продукт, имеющий широкий набор инструментов, создан специально для обработки данных ДЗЗ и интеграции полученных результатов в ГИС.

Что касается других задач вторичной обработки (повышение дешифровочных свойств изображений, оценивание качества информации, привязка маршрутов к карте и многих других), их решение осуществляется выборочно, исходя из решаемых в учебном процессе задач.

Использование наземных комплексов приема, регистрации и обработки КИ от КА ДЗЗ, подобных установленному в Военно-космической академии им. А. Ф. Можайского, дает возможность студентам – слушателям академии наглядно изучить принципы работы космических и наземных средств ДЗЗ, участвовать в процессе планирования сеанса связи, осуществлять прием и обработку информации с КА, проводить собственные научные исследования, а также приобрести практический опыт использования информации, полученной с КА ДЗЗ.

Оперативный спутниковый контроль природных ресурсов, динамики природных процессов и явлений, чрезвычайных ситуаций является мощным инструментом сбора информации о состоянии интересующей территории (страны, края, города), необходимой для принятия правильных и своевременных управленческих решений.