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

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

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):

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.