Микроспутник дистанционного зондирования земли «АУРИГА» и сегменты применения его космических снимков

0

Малинин Александр, Дмитриев Дмитрий, Кудряшов Пётр, Милов Александр, Иосипенко Сергей, Кудрявцев Сергей, Парцевский Никита, Рязанский Михаил, Тумарина Мария

Введение

В последнее десятилетие микроспутники сделали заметный скачок от чисто студенческих проектов, нацеленных исключительно на образовательные цели, к полномасштабным коммерческим и научным проектам, способным решать широкий спектр прикладных и научных задач. Микроспутники, в том числе разработанные в стандарте CubeSat, запускаются десятками штук на одном средстве выведения. Текущий мировой рекорд по числу попутных групповых нагрузок в одном запуске был установлен в феврале 2017г, когда на одной индийской ракете-носителе PSLV было выведено на орбиту 103 микро и нано-спутника. При этом следует отметить, что по прогнозам на 2018-2019 годы более 60% микроспутников будут запускаться с целью проведения дистанционного зондирования Земли. Как пример группировок микроспутников, которые решают задачи мониторинга и зондирования Земли, можно привести такие группировки, как Dove и Lemur, которые насчитывают десятки и сотни спутников, обеспечивая глобальное покрытие поверхности Земли и высокую оперативность получения данных. В данной обстановке роста популярности микроспутников и группировок на их основе для решения задач дистанционного зондирования Земли, компанией ООО «Даурия – спутниковые технологии» разработан КА микро-класса «Аурига».

1. Описание микроспутника

Спутник «Аурига» разработан в соответствии с мировым стандартом микроспутников CubeSat и имеет форм-фактор 16U. В качестве полезной нагрузки в составе КА «Аурига» размещена оптико-электронная система (ОЭС), представляющая собой камеру высокого пространственного разрешения для съёмки Земли в видимом диапазоне. Уникальными особенностями микроспутника являются его компактные габариты и малая масса в сочетании с производительностью оптико-электронной системы и высоким пространственным разрешением. При габаритных размерах КА 250х250х450 мм и массе всего 18 кг он способен отснять и передать на наземные средства приёма данные ДЗЗ в объёме до 550 тыс. км2 в сутки. При этом пространственное разрешение ОЭС с целевой солнечно-синхронной орбиты высотой 600 км составит 2,8 м на пиксел в надир с полосой захвата в 30 км.
Геометрически, внутреннее пространство КА «Аурига» можно разделить на 2 зоны: зону служебной аппаратуры и зону ОЭС. При этом, ОЭС занимает более 75% объёма микроспутника, что, среди прочего, обеспечивает его компактность. Внешний вид и внутреннее пространство КА «Аурига» представлены на Рисунке 1.

Внешний вид и внутреннее пространство КА «Аурига»
Рисунок 1. Внешний вид и внутреннее пространство КА «Аурига»

 

Основные тактико-технические характеристики КА «Аурига» представлены в Таблице 1.

Таблица 1. Основные ТТХ КА «Аурига»

Параметр Значение
Орбита Солнечно-синхронная, 600 км
Габариты CubeSat 16U (250×250×450 мм)
Масса 18 кг
Средневитковая мощность 26 Вт
Ёмкость АКБ 96 Вт*ч
Система ориентации Прецизионная трёхосная
Точность ориентации (3σ) < 6  угл. мин
Точность стабилизации (3σ) < 3.5 угл. мин
Знание положения на орбите 20 м (GPS/ГЛОНАСС)
Отклонение по углу крена ±30°
Служебная радиолиния УКВ; 9.6-38.4 кбит/с
Канал сброса данных Ка-диапазон; 160 Мбит/с
Полезная нагрузка Оптико-электронная система
Тип запуска Из пускового контейнера

 

На Рисунке 2 показан процесс приёмки бортовой аппаратуры и сборки технологического образца платформы КА «Аурига».

Процесс сборки платформы КА «Аурига»
Рисунок 2. Процесс сборки платформы КА «Аурига»

В состав оптико-электронной системы КА «Аурига» входит пятиэлементный зеркально-линзовой осевой телескоп в сочетании с высокоскоростным фотосенсором линейного сканирования, использующим технологию TDI (Time Delay  Integration). Основные ТТХ ОЭС представлены в Таблице 2.

Таблица 2. Основные ТТХ ОЭС КА «Аурига»

Параметр Значение
Материал оптики Плавленый кварц (SiO2)
Эквивалентная круглая апертура 241 мм
Фокусное расстояние 745 мм
Угловое разрешение Лучше 2 угл. сек
Спектральный канал Панхром, 450-900 нм
Режимы съёмки Линейный/Матричный
Размер пикселя 3.5 мкм
Размеры матрицы 17824×256 пикселей
Практическое поле зрения линейной съёмки 15030×64 пикселей
Потребляемая мощность (max) 20 Вт
Радиометрическое разрешение 12 бит
Ёмкость ЗУ 512 Гб
Частота считывания строк 1-47 кГц
Практическая частота считывания изображения на скорости 6500 м/с ≈2.3 кГц
Прямой интерфейс с передатчиком Ка-диапазона Ethernet-1000
Масса  < 6 кг
Габарит 234×234×340 мм

 

Внешний вид ОЭС КА «Аурига» представлен на Рисунке 3.

Внешний вид ОЭС КА «Аурига»
Рисунок 3. Внешний вид ОЭС КА «Аурига»

Основным режимом съёмки КА «Аурига» будет являться съёмка полосой вдоль трассы КА с возможностью отклонения от надира по крену на угол до ±30°. Длина одной полосы съемки ограничена тепловыми условиями функционирования фотосенсора и составляет порядка 1200 км.

2. Наземный сегмент управления

Для управления микроспутником (а впоследствии и группировкой микроспутников) предполагается использовать собственный центр управления полетом (ЦУП) и сеть наземных станций УКВ-диапазона (НС).

Выдача на борт КА команд управления и полётного задания на съёмку, а также приём служебной телеметрической информации с борта КА будет осуществляться двумя наземными станциями, одна из которых расположена на территории Инновационного центра Сколково, г. Москва, а вторая на территории Академгородка, г. Новосибирск. НС представляет собой быстровозводимую простую конструкцию, а для связи с ЦУП используется глобальная сеть Интернет, что позволяет легко увеличить число станций под нужды группировки.

Программное обеспечение ЦУП, в свою очередь, имеет не только модули для планирования и проведения сеансов связи с КА, но и программные комплексы оперативного и долгосрочного планирования для распределения работ между различными наземными станциями.

Сброс целевой информации на наземную станцию приёма (пункт приема информации, ППИ) будет осуществляться через параболическую приёмную антенну Ка-диапазона, принадлежащую компании Kongsberg Satellite Services AS (KSAT) и расположенную на архипелаге Шпицберген на широте 78°. Приполярное расположение станции приёма целевой информации позволяет осуществлять передачу данных съёмки с борта КА практически на каждом витке орбитального полёта.

Расчётная суточная производительность космической системы в составе одного КА «Аурига» на круговой ССО высотой 600 км с одной станцией приёма целевой информации, расположенной на архипелаге Шпицберген на широте 78°, составит 550 тыс. км2 отснятой и переданной на землю информации.

Для приема заявок, планирования съемки и обработки полученной целевой информации в состав наземного сегмента включен наземный комплекс приема, обработки и распространения (НКПОР), который включает в себя следующие программные модули:

  • Комплекс взаимодействия с потребителем (КВП);
  • Автоматизированный наземный комплекс целевого планирования (АНКЦП);
  • Комплекс визуализации работы АНКЦП (ВР АНКЦП);
  • Комплекс полетной калибровки (ПК);
  • Комплекс первичной обработки визуализации и оценки качества ЦИ (ПОВК).

На Рисунке 4 представлена упрощенная схема НКПОР.

Схема НКПОР
Рисунок 4. Схема НКПОР

КВП представляет собой веб-интерфейс для доступа к базе данных НКПОР, с возможностью зарегистрированным пользователям вносить заявки с указанием требуемых объектов и параметров съемки. В качестве картографической подложки КВП может быть использована карта OpenStreetMap. Основное окно программы КВП представлено на Рисунке 5.

Интерфейс КВП
Рисунок 5. Интерфейс КВП

АНКЦП представляет собой математическую модель космического аппарата, в части систем, связанных с проведением съемки. Для доступа к ней оператор использует веб-интерфейс ВР АНКЦП, в котором планирует работу космического аппарата на суточном интервале и проверяет реализуемость составленной программы работ на основе моделируемых данных.

Интерфейс ВР АНКЦП
Рисунок 6. Интерфейс ВР АНКЦП

Для получения информации о текущем состоянии космического аппарата АНКЦП запрашивает актуальную информацию напрямую из базы данных ЦУП. Оттуда же запрашивается информация о ранее подготовленных рабочих программах для КА, чтобы учитывать ее при планировании новых съемок и передачи ЦИ. В процессе моделирования АНКЦП отслеживает и предупреждает оператора о:

  • реализуемости выполнения запланированных программных разворотов КА;
  • возможном выходе одного из двигателей-маховиков КА на предельные скорости вращения во время прохождения одного из участков программы ориентации;
  • засветке служебной и целевой оптической аппаратуры, и времени восстановления работоспособности засвеченной аппаратуры;
  • состоянии заряда аккумуляторной батареи КА;
  • температурном режиме работы бортовой аппаратуры;
  • погодных условиях (облачность, снежный покров);
  • несоответствии параметров съемки требованиям заказчика.

Результатом работы оператора АНКЦП является запланированная рабочая программа для КА на следующие сутки, которая заносится в базу данных ЦУП, после чего в составе КПИ передается на борт в одном из служебных сеансов связи.

Комплекс полетной калибровки используется для проведения технологических операций съемки, с целью проведения геометрической и радиометрической коррекций. Комплекс выполняет задачи формирования заявок на технологическую съемку (которые, планируются, как и обычные заявки в АНКЦП) и обработки полученных технологическим снимков, с целью получения калибровочных коэффициентов.
Кроме заявок на технологическую съемку Земной поверхности, комплекс полетной калибровки может формировать заявки на проведение астрокоррекции.

Комплекс ПОВК используется для получения от ППИ целевой информации и её первичной автоматизированной обработки. После чего проводится обработка ЦИ, приведение ее к одному из стандартных уровней обработки (см. ниже) и каталогизация готовых маршрутов съёмки.

Кроме того, ПОВК решает задачу оценки качества полученных снимков и может выставлять для АНКЦП требования на повторную съемку или повторный сброс маршрутов съёмки.

3. Уровни обработки космических снимков

Полученные от ППИ по высокоскоростному защищённому каналу скоростью 100 Мбит/с данные поступают на вход сервера НКПОР, развёрнутого на территории компании. Установленным на сервере программным обеспечением НКПОР будет выполняться автоматизированная предварительная обработка маршрутов съёмки ДЗЗ в соответствии со следующими уровнями, представленными в Таблице 3.

Таблица 3. Уровни обработки маршрутов ДЗЗ КА «Аурига»

Уровень 1 Маршруты съёмки после выполнения статистической радиометрической коррекции
Уровень 2A Выполнение геометрического трансформирования изображений в заданную картографическую проекцию с использованием только орбитальных данных
Уровень 2B Ортотрансформирование изображений с привлечением топогеодезических данных, опорных точек и данных о рельефе местности (ЦМР)
Уровень 3 Мозаики, созданные на заданный район из совокупности (блока) изображений целых маршрутов однородных данных по одному из следующих вариантов:

а) после совместного уравнивания блока изображений уровня 1 и трансформирования или ортотрансформирования в заданную картографическую проекцию;

б) без уравнивания блока, по изображениям уровня обработки 2

Уровень 4 Цифровые модели рельефа и цифровые модели местности

 

Кроме стандартных уровней предварительной обработки маршрутов съёмки предполагается оказание сервисных услуг по созданию в интересах конечных потребителей геоинформационных и тематических продуктов с добавленной стоимостью.

4. Целевые сегменты рынка применения продуктов съёмки КА «Аурига»

Можно выделить восемь основных сегментов рынка, где активно применяются продукты ДЗЗ, в порядке убывания их приоритета:

  • Оборона и безопасность, разведка.
  • Мониторинг окружающей среды.
  • Энергетика, нефтегазовая отрасль.
  • Инфраструктура и кадастр.
  • Контроль использования природных ресурсов, недропользование.
  • Контроль морских акваторий.
  • Предупреждение и ликвидация ЧС.
  • Сервисы позиционирования массового спроса.

Продукты космической съёмки, получаемые с борта КА «Аурига», могут найти применение, прежде всего, в энергетике и нефтегазовой отрасли, в задачах рационального недропользования, контроль инфраструктуры, а также для смягчения последствий ЧС.

В нефтегазовой отрасли востребованы оптические снимки высокого разрешения для контроля целостности магистральных трубопроводов, контроля зон отчуждения вокруг трубопроводов, оценки процессов эрозии почвы, составления тематических карт объектов энергетики и инфраструктуры, определения морфологических характеристик припая в районе выхода ниток газопроводов.

Широкое применение продукты космической съёмки КА «Аурига» смогут найти в лесном хозяйстве в задачах инвентаризации и мониторинга лесного фонда, контроля правил лесопользования, борьбы с лесными пожарами и незаконными вырубками.
В сельском хозяйстве продукты космической съёмки КА «Аурига» могут применяться для инвентаризации, учёта и контроля сельскохозяйственных земель.

В части мониторинга ЧС космическая съёмка играет важнейшую роль для оперативной съёмки и оценки последствий природных и техногенных катастроф в отдельных регионах. Продукты космической съёмки КА «Аурига» найдут применение при мониторинге лесопожарной обстановки, дождевых паводков и весеннего половодья на реках, а также для оценки последствий крупномасштабных техногенных ЧС.

При мониторинге объектов инфраструктуры продукты космической съёмки КА «Аурига» позволят решать задачи оценки динамики строительства крупноразмерных объектов, выявления фактов незаконного строительства и свалок бытовых отходов, при планировании зон застройки и объектов транспортной инфраструктуры.

Возможности одного микроспутника «Аурига» ограничены низкой частотой повторной съёмки и отсутствием мультиспектральных каналов. Однако, его преимущества раскрываются в полном объёме при создании группировки аналогичных микроспутников, фазированных в одной или нескольких орбитальных плоскостях. Данные микроспутники будут нести мультиспектральные оптико-электронные камеры, что позволит оперативно получать разноплановые данных о наземных объектах. Группировка микроспутников «Аурига» сможет предоставлять более разнообразные сервисные услуги, но с меньшими затратами, чем спутники среднего и большого классов. В первую очередь, данные сервисы будут относиться к мониторингу динамических процессов, где потребность в обновлённых оперативных данных космической съёмки будет играть существенную роль для принятия корректных и своевременных управленческих решений.

Заключение

На мировом рынке ДЗЗ современные микроспутники прочно занимают нишу в сегменте продуктов среднего и высокого пространственного разрешения. К их преимуществам можно отнести сравнительно невысокую стоимость создания и запуска, сжатые сроки развёртывания и возврата инвестиций. Группировки микроспутников ДЗЗ позволяют решать задачи оперативного мониторинга заданных районов земной поверхности, служить источником больших объёмов видовой информации об изменениях на Земле. Данная информация, отсортированная и проанализированная средствами наземной тематической автоматизированной пост-обработки, позволит значительно повысить точность и оперативность принятия решений во многих областях жизни человека.

Микроспутник «Аурига» станет первым отечественным частным спутником ДЗЗ высокого разрешения. Запуск первого спутника-демонстратора «Аурига» будет осуществлён на РН Союз-2.1 в качестве вторичной полезной нагрузки. Запуск запланирован на конец 2018г. В перспективе с учётом лётных испытаний КА «Аурига» планируется развернуть группировку аналогичных микроспутников с мультиспектральными ОЭС, что позволит расширить круг решаемых информационных тематических задач и повысить производительность космической системы.