СИСТЕМА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ И РАСПРОСТРАНЕНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЯ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ С ВЫСОКИМ ПРОСТРАНСТВЕННЫМ И ВРЕМЕННЫМ РАЗРЕШЕНИЕМ
SYSTEM TO IMAGE EARTH SURFACE AND DISTRIBUTE IT AT HIGH SPATIAL AND TIME RESOLUTION

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к системе для получения и предоставления спутниковых изображений земной поверхности, обладающих высоким разрешением деталей земной поверхности (10 метров или меньше, в частности, порядка одного метра) и высокой периодичностью глобального обзора Земли (две недели или меньше, в частности, порядка одних суток).
Уровень техники
По всему тексту выражение «периодичность глобального обзора Земли» означает периодичность, с которой система позволяет сделать полный снимок Земли.
Наблюдение Земли с помощью измерительных приборов, расположенных на спутниковой орбите, началось в 1950-х годах с разработки измерительных приборов, предназначенных, в частности, для метеорологии. С тех пор разработка таких приборов не прекращалась, при этом предпочтение отдавалось поочередно, в соответствии с предполагаемым применением, разрешению деталей земной поверхности или периодичности обновления.
В настоящее время существует большое количество измерительных приборов для наблюдения за земной поверхностью, включая Landsat, MODIS, IKONOS, QuickBird, EROS, SPOT 5, SPOT 4 и т.д. Эти приборы позволяют удовлетворить многочисленные потребности в получении изображений в таких разнообразных областях, как сельское хозяйство, картография, кадастровая съемка, оборона, окружающая среда, городское планирование, телекоммуникации, управление рисками, управление возобновляемыми ресурсами и т.д.
Измерительные системы IKONOS, QuickBird, EROS и т.д. представляют собой спутники с очень высоким разрешением, которые обеспечивают разрешение деталей земной поверхности порядка одного метра. С другой стороны, они имеют период полного обновления изображения земного шара, превышающий один месяц.
Измерительные системы MODIS (Moderate Resolution Imaging Spectrometer, спектрометр с формированием изображения с ограниченным разрешением), MERIS (Medium Resolution Imaging Spectrometer, спектрометр с формированием изображения со средним разрешением) и т.д. представляют собой измерительную аппаратуру, обладающую низким разрешением, но небольшим периодом полного обновления изображения всего земного шара, составляющим от трех суток до одной недели.
Иными словами, при существующем уровне техники, конструкция системы для получения и предоставления спутниковых изображений земной поверхности подчиняется противоречивым ограничениям. Таким образом, существует выбор между системой с высоким пространственным разрешением (порядка одного метра), но с низкой периодичностью глобального обзора (порядка одной недели или одного месяца), и измерительной системой с высокой периодичностью глобального обзора (порядка одних суток), но с низким пространственным разрешением (порядка 100 метров).
Для того чтобы воспользоваться высокой периодичностью обзора конкретных заданных зон при одновременном использовании подходящего пространственного разрешения, предложены альтернативные решения. Они состоят в применении одного или нескольких спутников, оборудованных оптическими приборами для получения изображений, пригодными для обеспечения отклонения оси наведения этих приборов. Действительно, способность получать изображения за пределами естественного следа орбиты спутника позволяет осуществлять наблюдение одной и той же географической зоны в ходе нескольких последовательных оборотов спутника.
Например, группировка спутников SPOT (Satellite Pour I'Observation de la Terre, спутник для наблюдения Земли) обеспечивает производительность получения данных и период обновления, позволяющие получать изображение заданной зоны земного шара каждые сутки. Указанная группировка состоит из ряда спутников, размещенных на полярной, круговой и солнечно-синхронной орбите синфазно по отношению к Земле. Каждый спутник имеет 26-дневный цикл. На каждом спутнике имеются оптические приборы, устройства регистрации данных и системы для передачи изображений на наземные приемные станции. Оптические приборы пригодны для обеспечения параметризуемого наклонного наведения, позволяя несколько раз наблюдать один и тот же регион в ходе 26-дневного цикла. Устройства регистрации данных позволяют сохранять изображения на борту спутника, если спутник не находится на линии видимости наземной станции.
Указанная группировка может, таким образом, обладать короткой периодичностью обзора конкретной зоны Земли. Тем не менее периодичность глобального обзора не может быть меньше 26 суток. Кроме того, если группировка запрограммирована таким образом, что многочисленные операции отклонения оси наведения от номинального положения выполняются в ходе 26-дневного цикла, периодичность глобального обзора поверхности Земли может значительно превышать 26 суток.
Другой недостаток такого решения состоит в затратах на изготовление, установку, управление и техническое обслуживание группировки спутников с отклонением оси наведения. В частности, такая группировка требует установки и управления рядом наземных станций, работающих автономно по отношению друг к другу и пригодных для передачи данных полученного изображения на центральный сервер для резервного копирования изображений с целью их распространения. Кроме того, каждый прибор каждого спутника контролируется с Земли группой специалистов, ответственных за определение и оптимизацию операций отклонения осей наведения оптических приборов по мере необходимости. Далее, каждый спутник должен быть снабжен устройствами записи, чтобы компенсировать отсутствие видимости с наземной станции. В дополнение к этому, каждый спутник включает специальную систему для передачи данных на Землю.
Кроме того, такое решение сталкивается с серьезной практической трудностью. Действительно, обзор всего земного шара с помощью такой группировки спутников с целью получения изображений, обладающих пространственным разрешением порядка одного метра и периодичностью глобального обзора порядка одних суток, требует управления при посредстве центрального сервера с объемом информации порядка 1500 терабайт данных в сутки, то есть 17 гигабайт в секунду, что значительно превышает возможности передачи со спутника и наземной обработки, достижимых при использовании технологий и архитектуры серверов, доступных в настоящее время.
Раскрытие изобретения
Целью настоящего изобретения является устранение этих недостатков, преодоление трудностей и предложение системы для получения и предоставления изображений земной поверхности, которая обладает высоким пространственным и временным разрешением, конкретно, порядка одного метра и одних суток соответственно.
Целью настоящего изобретения является также предложение такой системы, в которой не применяется отклонение осей наведения оптических приборов, позволяя, таким образом, использовать спутники с упрощенной конструкцией и более низкой стоимостью, способные функционировать без выполнения сложных операций.
Целью настоящего изобретения является также предложение такой системы, которая не требует наличия центрального сервера для распространения изображений.
Целью настоящего изобретения является также предложение такой системы, которая не требует специального обслуживания.
Целью настоящего изобретения является также предложение такой системы, которая способна снабжать данными устройства массовой информации, доступные в сети Интернет.
Ввиду этого, настоящее изобретение относится к системе для получения и распространения изображений земной поверхности со средней длиной окружности С, содержащей группировку спутников, называемую «космическим сегментом получения изображений», в которой каждый спутник характеризуется шириной полосы обзора F и низкой орбитой, что позволяет ему описывать количество орбит в сутки, равное ORB (ORB>1), и снабжен, по меньшей мере, одним оптическим устройством получения изображений; ряд наземных устройств обработки и распространения изображений, называемый «наземным сегментом обработки и распространения изображений»; сеть передачи данных, называемую «сегментом связи», которая обеспечивает передачу изображений, полученных космическим сегментом получения изображений, на наземный сегмент обработки и распространения изображений, при этом сегмент связи содержит, по меньшей мере, один передающий модуль для каждого спутника, выполненный с возможностью передачи, после каждого получения изображений, по меньшей мере, одним оптическим устройством получения изображений, относящимся к указанному спутнику, полученного изображения на наземный сегмент обработки и распространения изображений и, по меньшей мере, один приемный модуль для каждого наземного устройства обработки и распространения изображений, выполненный с возможностью приема изображений, поступающих из космического сегмента получения изображений, причем космический сегмент получения изображений содержит, по меньшей мере, одно оптическое устройство получения изображений для каждого спутника, имеющее фиксированное нацеливание и обладающее высоким пространственным разрешением; наземный сегмент обработки и распространения изображений включает, для каждого наземного устройства обработки и распространения изображений, по меньшей мере, одну линию связи, соединяющую наземное устройство обработки и распространения изображений и, по меньшей мере, одно непосредственно примыкающее наземное устройство обработки и распространения изображений, чтобы обеспечить перекрытие изображений, полученных указанным наземным устройством обработки и распространения изображений, с изображениями, полученными указанным, по меньшей мере, одним непосредственно примыкающим наземным устройством обработки и распространения изображений; каждое наземное устройство обработки и распространения изображений содержит модуль обработки, выполненный с возможностью обработки изображений, полученных приемным модулем наземного устройства обработки и распространения изображений, запоминающие средства, принимающие и сохраняющие указанные изображения, обработанные модулем обработки, средства соединения с цифровой сетью, предоставляющей сохраненные изображения в распоряжение пользователей, подключенных к цифровой сети.
Система согласно настоящему изобретению включает ряд спутников, каждый из которых включает устройство с фиксированной точкой нацеливания и модуль для передачи каждого полученного изображения на обрабатывающий сегмент при помощи сегмента связи. Эта передача следует за каждым получением, поэтому спутник космического сегмента системы согласно настоящему изобретению не требует оснащения устройствами регистрации данных, размещаемыми на борту. Конкретно, больше нет необходимости ждать, пока спутник окажется на линии видимости наземной станции. Если приемный модуль находится на линии видимости передающего модуля, он принимает изображение и обрабатывает его. В противном случае изображение будет потеряно. Иными словами, каждое устройство для получения изображений с фиксированной точкой нацеливания спутника системы согласно настоящему изобретению делает систематические снимки с последующей систематической передачей на землю. То, что произойдет в дальнейшем с переданными изображениями, т.е. будут ли они приняты приемным модулем, не касается устройств для передачи изображений. Что бы ни произошло, следующее изображение принимается устройством и, в свою очередь, передается на Землю.
Система согласно настоящему изобретению позволяет преодолеть технологические и экономические ограничения решений, относящихся к известному уровню техники, за счет реализации трех неразрывно связанных иерархических технических сегментов в масштабе планеты: космического сегмента получения изображений, сегмента связи и наземного сегмента для обработки и распространения изображений. Такой подход обеспечивает делокализацию системы, созданной в масштабах всей Земли, обеспечивая распределение нагрузок, связанных с получением данных, по ряду спутников, распределение линий связи по совокупности модулей для передачи и приема изображений, распределение управления и распространения изображений по устройствам для обработки изображений, которые взаимосвязаны друг с другом. Это разделение функций системы согласно настоящему изобретению обеспечивает возможность разрежения потоков данных, существенно упрощая эксплуатацию и управление спутниками.
Система согласно настоящему изобретению обладает высоким пространственным разрешением, при этом каждое устройство для получения изображений имеет высокое пространственное разрешение. По всему тексту выражение «высокое пространственное разрешение» означает разрешение менее 100 метров, конкретно, порядка одного метра.
Согласно настоящему изобретению каждый спутник космического сегмента получения изображений предпочтительно включает, по меньшей мере, одно оптическое устройство для получения изображений с фиксированной точкой нацеливания, обладающее пространственным разрешением порядка одного метра.
Предпочтительно, согласно настоящему изобретению, каждый передающий модуль сегмента связи пригоден для осуществления связи, по меньшей мере, с одним соседним передающим модулем, а каждый приемный модуль сегмента связи пригоден для осуществления связи, по меньшей мере, с одним соседним приемным модулем.
Группировка спутников системы согласно настоящему изобретению пригодна для охвата всего земного шара или, по меньшей мере, большей части земного шара.
Согласно настоящему изобретению спутники космического сегмента получения изображений, наземные устройства для обработки и распространения изображений, относящиеся к наземному сегменту обработки и распространения изображений, передающие модули, относящиеся к сегменту связи, и приемные модули, относящиеся к сегменту связи, предпочтительно географически распределены по всей Земле.
<mrow><mi>N</mi><mo>=</mo><mn>2</mn><mo>*</mo><mfrac><mi>C</mi><mrow><mi>O</mi><mi>R</mi><mi>B</mi><mo>*</mo><mi>F</mi></mrow></mfrac></mrow>
<mrow><mi>M</mi><mo>=</mo><mi>α</mi><mo>⋅</mo><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mi>C</mi><mrow><mi>π</mi><mo>⋅</mo><mi>r</mi></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup></mrow>
Согласно настоящему изобретению космический сегмент получения изображений предпочтительно содержит, по меньшей мере, N спутников, где
, а наземный сегмент обработки и распространения изображений, содержит, по меньшей мере, М устройств для обработки изображений, распределенных по поверхности Земли, где
, r является средним радиусом окружностей видимости приемных модулей, связанных с наземными устройствами для обработки и распространения изображений, а α является заданным коэффициентом.
Таким образом, спутник постоянно находится на линии видимости, по меньшей мере, одного приемного модуля.
<mrow><mrow><mrow><msup><mrow /><mi>C</mi></msup></mrow><mo>/</mo><mrow><msub><mrow /><mrow><mi>O</mi><mi>R</mi><mi>B</mi></mrow></msub></mrow></mrow></mrow>
<mrow><mfrac><mi>C</mi><mrow><mi>O</mi><mi>R</mi><mi>B</mi><mo>*</mo><mi>F</mi></mrow></mfrac></mrow>
<mrow><mi>N</mi><mo>=</mo><mn>2</mn><mo>*</mo><mfrac><mi>C</mi><mrow><mi>O</mi><mi>R</mi><mi>B</mi><mo>*</mo><mi>F</mi></mrow></mfrac></mrow>
Конкретно, для спутника, который описывает в сутки количество орбит, равное ORB, расстояние, измеренное на экваторе между двумя прохождениями, составляет
. Таким образом, если каждый спутник обладает шириной полосы обзора F, количество спутников, необходимое для охвата всего земного шара в сутки, составляет, по меньшей мере
. В действительности, необходимы, по меньшей мере,
, поскольку в пределах восходящей ветви орбиты спутника Земля не освещена Солнцем; только нисходящая ветвь орбиты позволяет получать изображения.
Согласно варианту настоящего изобретения все различные спутники используют одну и ту же солнечно-синхронную квазиполярную орбиту и сдвинуты во времени, чтобы соответствующие точки прохождения на экваторе были удалены друг от друга на величину, равную значению ширины их полосы обзора F.
Таким образом, система согласно настоящему изобретению, включая группировку из N спутников, позволяет каждый день получать снимок совокупности точек земного шара без необходимости какого-либо отклонения осей наведения оптических приборов.
Каждое оптическое устройство спутника системы согласно настоящему изобретению обладает высоким пространственным разрешением, предпочтительно порядка одного метра.
Таким образом, система наблюдения за земной поверхностью согласно настоящему изобретению позволяет достичь не только высокого временного разрешения порядка одних суток, но и высокого пространственного разрешения порядка одного метра.
Удвоенное количество спутников позволяет повысить частоту повторной съемки вдвое.
Сразу же после получения каждое изображение передается сегментом связи на наземный сегмент для обработки и распространения изображений. Согласно варианту настоящего изобретения сегмент связи пригоден для передачи каждого полученного изображения ближайшему наземному устройству обработки и распространения изображений.
Каждый приемный модуль, относящийся к сегменту связи, предпочтительно включает приемную антенну, обладающую окружностью видимости с радиусом r.
Согласно варианту настоящего изобретения каждое наземное устройство обработки и распространения изображений связано со специальным приемным модулем, близким к указанному наземному устройству обработки и распространения изображений. Тем не менее ничто не препятствует применению приемных модулей, удаленных от наземных устройств для обработки и распространения изображений.
<mrow><mi>M</mi><mo>=</mo><mi>α</mi><mo>⋅</mo><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mi>C</mi><mrow><mi>π</mi><mo>⋅</mo><mi>r</mi></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup></mrow>
Наземный сегмент для обработки и распространения изображений предпочтительно содержит M наземных устройств для обработки и распространения изображений, при этом
, где α является заданным коэффициентом, который определяет степень перекрытия.
α представляет собой коэффициент, который позволяет обеспечить перекрытие различных окружностей видимости антенн, связанных с приемными модулями. На практике α составляет от 1,1 до 1,25, обеспечивая получение степени перекрытия зон видимости в диапазоне от 10% до 25%.
Таким образом, независимо от своего положения, спутник оказывается на линии видимости, по меньшей мере, одной антенны, позволяя получить изображение.
Согласно варианту настоящего изобретения сегмент связи может также включать другие устройства, расположенные между космическим сегментом и наземным сегментом для обработки и распространения изображений, например, релейные антенны или группировку средневысотных спутников, отвечающих за прием изображений, поступающих от сегмента получения космических изображений, и за их ретранслирование на устройство обработки и распространения изображений, расположенное на Земле.
Согласно настоящему изобретению каждое изображение передается наземному устройству обработки и распространения изображений, относящемуся к наземному сегменту для обработки и распространения изображений. Указанное наземное устройство обработки и распространения изображений подключено к цифровой сети для того, чтобы пользователь, подключенный к указанной цифровой сети, мог получать указанное изображение. Каждое наземное устройство обработки и распространения изображений подключено к непосредственно примыкающим устройствам для обработки и распространения изображений, так, чтобы можно было осуществить перекрытие изображений. Действительно, два соседних наземных устройства для обработки и распространения изображений принимают изображения, относящиеся к смежным зонам, учитывая, что каждое наземное устройство для обработки и распространения изображений может принимать только изображения, соответствующие его зоне видимости, определяемой ее окружностью видимости с радиусом r. Каждое наземное устройство для обработки и распространения изображений может создавать местный фотоплан путем использования линий связи, расположенных между двумя соседними наземными устройствами для обработки и распространения изображений.
Изображения, фиксируемые системой согласно настоящему изобретению, не централизованы. Они постоянно распространяются по совокупности наземных устройств для обработки и распространения изображений.
Система согласно настоящему изобретению осуществляет интеграцию изображений, т.е. выполняет поправки на геометрию, возможные фотометрические поправки, изменения точек привязки и изменения координат, определение границ изображений и перекрытий при помощи различных наземных устройств для обработки и распространения изображений, которые распределены по поверхности земного шара. Иными словами, часть системы делокализована на поверхности Земли, причем указанная часть системы, отвечающая за интеграцию изображений, распределена по поверхности земного шара. Кроме того, глобальное изображение земной поверхности, созданное системой согласно настоящему изобретению, постоянно распространяется по всему земному шару. Каждое наземное устройство обработки и распространения изображений включает часть глобального изображения земной поверхности, хранящуюся в его памяти.
Кроме того, каждое такое наземное устройство обработки и распространения изображений пригодно для приема исключительно изображений, поступающих от спутников, которые пролетают над ним, при этом изображения, полученные наземным устройством обработки и распространения изображений, покрывают заданный район.
Соответственно, пользователь, который желает получить доступ к одному или нескольким изображениям какого-то региона земного шара, может определить, на какое наземное устройство обработки и распространения изображений должен быть отправлен его запрос.
По всему тексту термин «пользователь» означает машину или комбинацию «человек-машина», которая пригодна для установления связи с устройством обработки при помощи цифровой сети.
Космический сегмент получения изображений, относящийся к системе согласно настоящему изобретению, содержит группировку спутников, включающую, по меньшей мере, N спутников. Идеальное количество спутников зависит от ширины полосы обзора каждого спутника.
Согласно настоящему изобретению космический сегмент получения изображений предпочтительно содержит, по меньшей мере, N спутников, каждый из которых обладает шириной полосы обзора порядка 2500/N километров.
Согласно варианту настоящего изобретения космический сегмент получения изображений содержит, по меньшей мере, 25 спутников, каждый из которых обладает шириной полосы обзора порядка 100 километров.
Согласно другому варианту настоящего изобретения космический сегмент получения изображений содержит, по меньшей мере, 250 спутников, каждый из которых обладает шириной полосы обзора порядка 10 километров.
Каждый спутник космического сегмента получения изображений, относящегося к системе согласно настоящему изобретению, включает модуль для передачи изображений, полученных оптическим устройством с фиксированной точкой нацеливания, пригодный для передачи после каждого получения изображений, при этом изображение получено сегментом связи таким образом, чтобы передать его на наземный сегмент для обработки и распространения изображений.
Указанный модуль передачи может принадлежать к любому известному типу.
Согласно настоящему изобретению для каждого спутника модуль передачи изображений, относящийся к сегменту связи, предпочтительно пригоден для обеспечения сжатия изображений перед их передачей на наземный сегмент обработки и распространения изображений.
Указанное сжатие изображений может быть реализовано с помощью любого известного типа средств, например, с помощью программных средств. Это может быть сжатие в формате JPEG, MPEG, ZIP, RAR и т.д.
Согласно настоящему изобретению указанное сжатие, выполняемое модулем передачи изображений, предпочтительно представляет собой сжатие JPEG.
Сегмент связи отвечает за передачу сжатых изображений на наземный сегмент обработки и распространения изображений.
Передача изображений сегментом связи от космического сегмента получения изображений на наземный сегмент обработки и распространения изображений может быть реализована с помощью всех типов известных средств.
Согласно варианту настоящего изобретения сегмент связи пригоден для обеспечения передачи данных, поступающих от наземного сегмента обработки и распространения изображений, на космический сегмент. Эти поступающие данные представляют собой, например, данные для управления космическим сегментом получения изображений. Согласно указанному варианту обмен данными между космическим сегментом получения изображений и наземным сегментом обработки и распространения изображений при помощи сегмента связи осуществляется двунаправлено.
Этот двунаправленный обмен позволяет обеспечить, без каких-либо специальных дополнительных средств, управление спутниками и устройствами получения изображений, относящимися к космическому сегменту получения изображений. Поскольку наземный сегмент обработки и распространения изображений распределен по поверхности Земли так, чтобы образовать сетку для обработки изображений, управление спутниками можно реализовать из любой точки земного шара простым и экономичным способом.
Согласно предпочтительному варианту настоящего изобретения изображения передаются при помощи сегмента связи от космического сегмента на наземный сегмент обработки и распространения изображений в соответствии с протоколом кодового мультиплексирования в широкополосных сетях (W-CDMA, Wideband Code Division Multiple Access, широкополосный множественный доступ с кодовым разделением).
Протокол кодового мультиплексирования в широкополосных сетях, более известный под сокращенным названием «W-CDMA», представляет собой протокол передачи данных, который использует широкий спектр для распределения передаваемой информации по многочисленным частотам.
Указанный протокол служит основой для стандарта UMTS (Universal Mobile Telecommunications System, универсальная система мобильной связи). Конкретно, он позволяет одновременно передавать все данные - при помощи пакетов и неупорядоченно - на любой частоте разрешенного диапазона. Приемный модуль принимает и форматирует данные. Это позволяет достигать высоких скоростей передачи.
Таким образом, система согласно настоящему изобретению может предпочтительно быть основана на наземных сетях связи, которые используют указанный стандарт UMTS.
В ближайшем будущем сегмент связи сможет также включить в себя наземные сети связи на основе перспективных технологий, таких как мультиплексирование с ортогональным разделением по частоте (OFDM, orthogonal frequency division multiplexing) или высокоскоростная пакетная передача данных по нисходящей линии связи (HSDPA, High-Speed Downlink Package Access).
v
Согласно предпочтительному варианту настоящего изобретения, сегмент связи пригоден для передачи изображений от космического сегмента на наземный сегмент для обработки и распространения изображений в соответствии с протоколом передачи данных, использующим стандарт сети Интернет типа IP или эквивалентный стандарт, обеспечивающий двунаправленный обмен данными.
v4
v3
Указанный протокол для обмена данными между космическим сегментом получения изображений и наземным сегментом обработки и распространения изображений может, например, использовать стандарты IP или IP для того, чтобы обеспечить простое непосредственное взаимодействие между сетями типа Интернет.
Согласно предпочтительному варианту настоящего изобретения управление совокупностью спутников космического сегмента получения изображений осуществляется посредством адресации в восходящей линии связи спутников, рассматриваемых в качестве узлов передачи данных по сетевому протоколу IP.
Согласно другому предпочтительному варианту настоящего изобретения управление поступающими данными на уровне спутников обеспечивается ПК-совместимым модулем под управлением ОС Linux или любого другого стандарта на обработку данных, обеспечивающего прямую совместимость с протоколами IP.
Система согласно настоящему изобретению для каждого устройства обработки изображений, относящегося к наземному сегменту обработки и распространения изображений, включает средства соединения с цифровой сетью с тем, чтобы иметь возможность предоставить указанные сохраненные изображения в распоряжение пользователей, подключенных к указанной цифровой сети.
Указанная наземная цифровая сеть может принадлежать к любому типу.
Несмотря на это, согласно настоящему изобретению указанная цифровая сеть предпочтительно является цифровой сетью общего пользования.
Такая сеть предпочтительно представляет собой ПК-совместимую сеть, например, сеть Интернет. Сказанное позволяет легко осуществить совместное использование изображений, полученных системой согласно настоящему изобретению.
Таким образом, система согласно настоящему изобретению позволяет в любой точке земного шара предоставить пользователю изображение, которое обновляется каждые сутки и обладает разрешением порядка одного метра.
Система согласно настоящему изобретению обеспечивает разработку многочисленных новых применений. Конкретно, такие разнообразные области, как сельское хозяйство, картография, кадастровая съемка, оборона, окружающая среда, городское планирование, телекоммуникации, управление рисками, управление возобновляемыми ресурсами и т.д. благодаря системе согласно настоящему изобретению обладают средствами для получения последних данных, позволяющих выполнять разнообразные виды анализа. Иными словами, система согласно настоящему изобретению обеспечивает любому пользователю возможность соединения с цифровой сетью, например, сетью Интернет, позволяя увидеть любую точку на земном шаре, при этом изображение указанной точки получено не позднее, чем сутки назад, и обладает разрешением деталей земной поверхности порядка одного метра.
Согласно предпочтительному варианту настоящего изобретения система включает, по меньшей мере, один наземный сервер, называемый «сервером геопортала», который располагается где-либо на поверхности земного шара и подключается к сети общего пользования. Пользователь может зарегистрироваться на сервере геопортала при помощи сети общего пользования, чтобы подать запрос на отображение изображения данного региона. Сервер геопортала включает модуль, который пригоден для определения, согласно региону, соответствующему полученному запросу, наземного устройства обработки и распространения изображений, включающего соответствующее изображение. После этого сервер геопортала регистрируется на указанном устройстве обработки и распространения изображений при помощи сети общего пользования и загружает указанное изображение, чтобы передать его в распоряжение пользователя. Таким образом, согласно указанному варианту осуществления распространение изображения Земли по различным наземным устройствам для обработки и распространения изображений является полностью прозрачным для пользователя. Только сервер геопортала включает таблицу для определения, согласно координатам региона, соответствующего полученному запросу, устройств (а) обработки, включающего данное изображение.
Согласно предпочтительному варианту настоящего изобретения система включает, кроме того, наземный сервер, называемый «сервером геопортала», подключенный с помощью указанной сети общего пользования к каждому наземному устройству обработки и распространения изображений, при этом указанный сервер геопортала содержит средства для получения запроса на предоставление изображения данного региона земного шара, поступающего от пользователя, средства для анализа указанного запроса и для определения наземного устройства обработки и распространения изображений, в памяти которого хранится указанное изображение, средства для загрузки указанного изображения с наземного устройства обработки и распространения изображений, которое было определено, средства для предоставления загруженного изображения в распоряжение пользователя.
Такой сервер геопортала предоставляет системе согласно настоящему изобретению возможность легко и быстро предоставить изображение земного шара, созданное системой, в распоряжение любого пользователя, подключенного к сети общего пользования.
Таким образом, система согласно указанному варианту способна предлагать услуги, недоступные ранее, такие как предоставление любому пользователю, имеющему соединение с сетью Интернет, изображение региона земного шара, полученное не позднее 24 часов назад и обладающее разрешением деталей земной поверхности порядка одного метра.
Изобретение относится, кроме того, к системе для получения и распространения спутниковых изображений земной поверхности, характеризующейся сочетанием всех или некоторых характеристик, упомянутых выше или ниже.
Прочие характеристики, цели и преимущества настоящего изобретения будут ясны из нижеследующего описания, которое представляет в качестве неограничивающего примера вариант осуществления настоящего изобретения со ссылкой на прилагаемые чертежи.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 представлена схема системы для получения и распространения изображений со спутника наблюдения Земли согласно варианту осуществления настоящего изобретения.
На фиг.2 представлена схема спутника космического сегмента получения изображений, относящегося к системе согласно варианту осуществления настоящего изобретения и находящегося на низкой околоземной орбите.
На фиг.3 представлена схема наземного сегмента для обработки и распространения изображений и часть сегмента связи системы согласно варианту осуществления настоящего изобретения, на которой показаны окружности видимости модулей для получения изображений и линии связи между соседними наземными устройствами для обработки и распространения изображений.
На фиг.4 представлена схема наземного сегмента для обработки и распространения изображений согласно варианту осуществления настоящего изобретения, на которой показаны линии связи между соседними наземными устройствами для обработки и распространения изображений.
На фиг.5 представлена схема устройства для получения и распространения изображений, относящаяся к системе согласно варианту осуществления настоящего изобретения.
В целях наглядности и ясности масштабы и пропорции на чертежах не соответствуют реальным.
Осуществление изобретения
Как показано на фиг.1, система для получения и распространения изображений со спутника наблюдения Земли согласно варианту осуществления настоящего изобретения содержит группировку спутников, называемую «космическим сегментом 1 для получения изображений», ряд наземных устройств для обработки и распространения изображений, называемый «наземным сегментом 3 для обработки и распространения изображений», и сеть передачи данных, называемая «сегментом связи 2», которая пригодна для обеспечения передачи изображений, полученных космическим сегментом 1 для получения изображений, на наземный сегмент 3 для обработки и распространения изображений.
Космический сегмент 1 системы согласно настоящему изобретению содержит ряд спутников 4, каждый из которых обладает шириной полосы обзора F и низкой орбитой, что позволяет ему описывать в сутки количество орбит, равное ORB.
На фиг.2 представлен такой спутник 4 на низкой околоземной орбите и след указанного спутника на поверхности Земли.
Каждый спутник 4 системы согласно настоящему изобретению предпочтительно совершает более одного оборота в сутки по орбите. Согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения каждый спутник 4 совершает 16 оборотов в сутки по орбите.
Кроме того, каждый спутник 4 включает, по меньшей мере, одно оптическое устройство получения изображений с фиксированным нацеливанием.
Таким оптическим устройством получения изображений является, например, фотокамера с фиксированным наведением, которая направлена в сторону Земли и пригодна для получения многоспектральных изображений областей земной поверхности, над которыми пролетает спутник 4.
Таким образом, спутник 4 системы согласно настоящему изобретению не требует специальной программы наведения, что существенно снижает затраты на изготовление и техническое обслуживание.
Согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения такой спутник представляет собой оптический парашют.
Кроме того, каждый спутник 4 включает, по меньшей мере, один модуль для передачи изображений, пригодный для передачи после каждого получения изображений оптическим устройством, относящимся к указанному спутнику 4, полученного изображения на наземный сегмент 3 для обработки и распространения изображений. Такой передающий модуль может принадлежать к любому известному типу и не описан здесь подробно.
Наземный сегмент 3 для обработки и распространения изображений содержит ряд наземных устройств 5 для обработки и распространения изображений.
Каждое наземное устройство 5 для обработки и распространения изображений включает, по меньшей мере, один модуль для приема изображений, пригодный для приема изображений, поступающих от космического сегмента 1 для получения изображений.
Модули для передачи изображений, относящиеся к спутникам 4, и модули для получения изображений, относящиеся к наземным устройствам 5 для обработки и распространения изображений, образуют часть сегмента связи 2.
Указанный сегмент связи 2 может включать другие устройства передачи/приема, которые пригодны для обеспечения передачи изображений от космического сегмента 1 для получения изображений на наземный сегмент 3 для обработки изображений.
На практике передающие и приемные модули связаны с передающими и приемными антеннами 6.
Согласно варианту осуществления настоящего изобретения, представленному на фиг.1, приемные антенны 6 удалены от наземных устройств 5 для обработки и распространения изображений. Каждое наземное устройство 5 для обработки и распространения изображений подключено к антенне 6 с помощью линии связи 7. Указанная линия связи может принадлежать к любому типу. Например, указанная линия связи 7 может представлять собой проводную линию связи, линию радиосвязи, соединение Wi-Fi и т.д.
Согласно другому особенно предпочтительному варианту осуществления, представленному на фиг.3, каждое наземное устройство 5 для обработки и распространения изображений включает локально антенну 6.
Согласно настоящему изобретению, представленному на чертежах, каждое наземное устройство 5 для обработки и распространения изображений, относящееся к наземному сегменту 3 для обработки и распространения изображений, включает, кроме того, линию связи 8, соединяющую указанное наземное устройство 5 для обработки и распространения изображений и, по меньшей мере, одно непосредственно примыкающее наземное устройство для обработки и распространения изображений.
Указанная линия связи 8 позволяет обеспечить перекрытие изображений, полученных указанным наземным устройством для обработки и распространения изображений, с изображениями, полученными непосредственно примыкающим(и) наземным(и) устройство(-ами) для обработки и распространения изображений. Линии связи 8 могут принадлежать к любому типу. Например, эти линии связи 8 могут быть проводными линиями связи или линиями радиосвязи.
Кроме того, каждое наземное устройство 5 для обработки и распространения изображений включает, как показано на фиг.5, модуль обработки 11, который пригоден для обработки изображений 9, полученных приемным модулем 12 указанного наземного устройства 5 для обработки и распространения изображений.
Модуль обработки изображений 11 наземного устройства 5 для обработки и распространения изображений представляет собой, например, микрокомпьютер, включающий программные средства для обработки изображений.
Каждое наземное устройство 5 для обработки и распространения изображений включает, кроме того, средства 13 для хранения изображений, обработанных модулем обработки 11. Эти средства хранения могут принадлежать к любому типу. Например, эти средства хранения 13 могут быть образованы запоминающим устройством большой емкости, таким как память на дисках.
Каждое наземное устройство 5 для обработки и распространения изображений включает, кроме того, средства соединения 14 с цифровой сетью 15, с тем чтобы иметь возможность предоставить изображения, сохраненные с помощью средств хранения 13, в распоряжение пользователей, подключенных к указанной цифровой сети 15.
<mrow><mi>N</mi><mo>=</mo><mn>2</mn><mo>*</mo><mfrac><mi>C</mi><mrow><mi>O</mi><mi>R</mi><mi>B</mi><mo>*</mo><mi>F</mi></mrow></mfrac></mrow>
Согласно предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения система включает, по меньшей мере, N спутников, при этом
, где С представляет собой среднюю длину окружности Земли, ORB - количество оборотов, совершаемых спутником 4 по орбите за сутки, a F - ширину его полосы обзора.
<mrow><mi>M</mi><mo>=</mo><mi>α</mi><mo>⋅</mo><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mi>C</mi><mrow><mi>π</mi><mo>.</mo><mi>r</mi></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup></mrow>
Согласно предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения система, кроме того, включает М наземных устройств 5 для обработки и распространения изображений, при этом
, где r представляет собой средний радиус окружностей видимости антенн 6, связанных с приемными модулями 12 наземных устройств 5 для обработки и распространения изображений, а α - заданный коэффициент, позволяющий обеспечить перекрытие окружностей видимости.
Согласно предпочтительному варианту осуществления коэффициент α имеет фиксированное значение 1, 2, которое позволяет получить степень перекрытия 20%.
Например, согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения N имеет фиксированное значение 25, при этом каждый спутник 4 обладает шириной полосы обзора 100 км.
Согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения N имеет фиксированное значение 250, при этом каждый спутник 4 обладает шириной полосы обзора 10 км.
Согласно предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения количество наземных устройств 5 для обработки и распространения изображений, относящихся к наземному сегменту 3 для обработки и распространения изображений, равно количеству спутников 4 космического сегмента 1 для получения изображений.
Приемная антенна 6, связанная с приемным модулем 12 наземного устройства 5 для обработки и распространения изображений, может принадлежать к любому типу. Конкретно, антенна 6 может обладать разными окружностями видимости в соответствии, в частности, с ее высотой. Согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения антенна 6 обладает окружностью видимости 2500 км.
Согласно указанному варианту осуществления, система согласно настоящему изобретению может включать 25 антенн 6, связанных с 25 наземными устройствами 5 для обработки и распространения изображений, распространенных по поверхности Земли.
Согласно предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения каждая линия связи 8 между двумя наземными устройствами 5 для обработки и распространения изображений является линией связи цифровой сети 15. Таким образом, в случае, когда цифровая сеть 15 представляет собой сеть Интернет, предоставление системы согласно настоящему изобретению является особенно легким и экономичным.
Кроме того, в случае, когда приемные антенны разнесены относительно наземного устройства 5 для обработки и распространения изображений, линии связи 7 также предпочтительно являются линиями цифровой сети 15.
Иными словами, система согласно указанному варианту осуществления может рассматриваться в качестве цифровой сети 15, включающей ряд серверов, которые образованы, с одной стороны, наземными устройствами 5 для обработки и распространения изображений и, с другой стороны, орбитальными спутниками 4 для получения изображений.
Средства связи между космическим сегментом 1 для получения изображений и наземным сегментом 3 для обработки и распространения изображений, а также средства связи между наземными устройствами 5 для обработки и распространения изображений могут принадлежать к любому типу.
Тем не менее, согласно предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения для связи используется протокол UMTS.
Согласно другим вариантам осуществления для связи могут использоваться и другие протоколы, например, протоколы на основе перспективных технологий, таких как мультиплексирование с ортогональным разделением по частоте (OFDM, orthogonal frequency division multiplexing) или высокоскоростная пакетная передача данных по нисходящей линии связи (HSDPA, High-Speed Downlink Package Access).
Согласно предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения изображения подвергаются сжатию перед передачей на наземный сегмент 3 для обработки и распространения изображений. Указанное сжатие может быть любого типа, например, сжатие JPEG.
Система согласно настоящему изобретению позволяет реализовать ежедневное получение снимков с метровой разрешающей способностью всей поверхности Земли простым и экономичным способом.
Эти снимки могут преимущественно распространяться с помощью центрального сервера, на котором регистрируются законные пользователи.
Для этого система согласно настоящему изобретению предпочтительно включает сервер, называемый «сервером геопортала», подключенным посредством цифровой сети общего пользования 15 к каждому устройству обработки 5.
Указанный сервер содержит средства для приема запроса на предоставление изображения данного региона земного шара, поступающего от удаленного пользователя, средства для анализа указанного запроса и для определения наземного устройства 5 для обработки и распространения изображений, включающего соответствующее изображение 9, и средства для загрузки изображения 9 с целью его предоставления в распоряжение указанного пользователя.
Изображение Земли, полученное системой согласно настоящему изобретению, распространяется по поверхности Земли. С другой стороны, указанное распространение прозрачно для пользователя, учитывая, что именно сервер геопортала отвечает, согласно полученному запросу, за подсоединение к соответствующим наземным устройствам 5 для обработки и распространения изображений и за загрузку изображений с целью их предоставления в распоряжение пользователя.
Таким сервером геопортала является, например, микрокомпьютер, включающий средства вычисления, средства хранения, программное обеспечение для анализа и обработки запросов и т.д.
Система согласно настоящему изобретению позволяет получать и предоставлять спутниковые изображения земной поверхности, которые обладают высоким пространственным и временным разрешением, конкретно, порядка одного метра и одних суток соответственно.
Система согласно настоящему изобретению физически распространяет совокупность полученных изображений по Земле, обеспечивая загрузку и обработку данных. Конкретно, используемые полосы пропускания частот совместимы с технологиями, доступными на сегодняшний день.
Система согласно настоящему изобретению не требует какого-либо отклонения оси наведения устройств для получения изображений на борту спутников.
Кроме того, система согласно настоящему изобретению не требует наличия какого-либо центрального сервера для записи и (или) распространения изображений и не содержит такой сервер. Изображения постоянно распространяются по Земле и сохраняются средствами хранения различных наземных устройств для обработки и распространения изображений.
Система согласно настоящему изобретению особенно пригодна для предоставления изображений Земли пользователям, подключенным к сети общего пользования типа Интернета. Конкретно, система согласно настоящему изобретению позволяет любому пользователю, подключенному к указанной сети, получать изображение части поверхности Земли, обладающее разрешением порядка одного метра и снятое менее суток назад. Как следствие, система согласно настоящему изобретению открывает путь к многочисленным новым применениям, конкретно, в области сельского хозяйства, картографии, безопасности, обороны, окружающей среды, городского планирования, телекоммуникаций, управления рисками, управления возобновляемыми ресурсами и т.д.
Система согласно настоящему изобретению может быть предметом разработки многочисленных новых вариантов, не описанных здесь конкретно. В частности, система согласно настоящему изобретению может включать другие устройства для получения изображений, расположенные на борту другого летательного аппарата, или даже расположенные на высоких наземных сооружениях, таких как многоэтажные жилые здания, и может передавать полученные изображения на сегмент обработки изображений при помощи сегмента связи. Указанный сегмент связи может также включать различные дополнительные устройства, позволяя передавать изображения от сегмента для получения изображений на наземный сегмент для обработки и распространения изображений. Такими дополнительными устройствами являются, например, релейные антенны, промежуточные сети и т.д. Наземный сегмент для обработки и распространения изображений может содержать большое разнообразие наземных устройств для обработки и распространения изображений, распределенных по поверхности Земли. Такие устройства могут быть микрокомпьютерами, подключенными к сети общего пользования, например, Интернет, и в общем случае могут представлять собой любое устройство, пригодное для получения изображения, обработки изображения и его предоставления в распоряжение пользователей сети.