Возникновение и развитие космических систем изучения природных ресурсов Земли

ВЕСТНИК САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКОГО УНИВЕРСИТЕТА

Сер. 2. 2008. Вып. 4. Ч. II

И. М. Левкин

ВОЗНИКНОВЕНИЕ И РАЗВИТИЕ КОСМИЧЕСКИХ СИСТЕМ ИЗУЧЕНИЯ ПРИРОДНЫХ РЕСУРСОВ ЗЕМЛИ

Через несколько лет после наступления космической эры ведущие державы мира — СССР и США начали использовать космические системы дистанционного зондирования (ДЗЗ) для изучения природных ресурсов Земли (ИПРЗ).

Первые шаги в этой области были сделаны с помощью метеорологических спутников, которые смогли получить черно-белые изображения земной поверхности, лежащей под облаками (1960 г., метеорологический спутник «Тирос», США). Качество этих изображений было достаточно низким. Однако полученные результаты позволили сделать вывод о возможности и целесообразности изучения природных ресурсов Земли из космоса и необходимости создания и развития соответствующих космических систем1.

Космическая система ДЗЗ представляла собой достаточно сложный автоматизированный комплекс, включающий орбитальную систему (группировку космических аппаратов (КА) с установленной на них бортовой аппаратурой) и сеть наземных пунктов приема информации, оснащенных приемо-регистрирующей аппаратурой, средствами обработки и выдачи формализованных данных в интересах решения различных научных и хозяйственных задач: картографирования, сельского хозяйства, лесного хозяйства, океанографии, ледовой разведки, геологической разведки, экологического мониторинга и т. д.

В развитии орбитальных систем ДЗЗ можно выделить два основных направления, возникших практически одновременно (в начале 60-х гг. ХХ столетия). Они связаны с использованием пилотируемых и автоматических орбитальных средств2.

Пилотируемые КА для решения задач ИПРЗ снабжались соответствующей специальной аппаратурой: оптической, фотографической, оптико-электронной, лазерной и др.

Оптическая аппаратура представляла собой специальные оптические визиры, которые позволяли с высот 200 км и более наблюдать стабилизированное изображение земной поверхности в фокальной плоскости прибора. Несмотря на то что скорость перемещения изображения была достаточно большой (в связи с большой скоростью движения КА по орбите — 7,9 км/с), использование оптических визиров позволяло распознавать крупные объекты (промышленные предприятия и разработки полезных ископаемых, аэропорты, морские порты, отдельные строения, дороги и т. д.). Так, например, в мае 1963 г. астронавт Г. Купер во время полета на корабле «Меркурий» (США) впервые наблюдал ряд заводов, подъездные пути к ним и даже дым из труб. Основными недостатками визуального наблюдения за земной поверхностью являлись3:

• быстрая смена сюжетов в приборах наблюдения, что, как правило, не позволяло обнаруживать малоразмерные объекты;

• отсутствие возможности документально подтверждать результаты наблюдений.

© И. М. Левкин, 2008

Устранить недостатки оптических систем наблюдения позволила установка на борту пилотируемых КА фотографических и оптико-электронных систем. Эти системы формировали изображения земной поверхности, которые стали основным источником информации в исследовании природных ресурсов Земли. Это объясняется следующими обстоятельствами:

• космический снимок по аналогии с аэрофотоснимком является привычным видом информации для широкого круга специалистов (например, при некоторых видах геологических работ использование аэрофотоснимков являлось обязательным);

• космический снимок, содержащий изображения различных элементов ландшафта, поставляет материал для интерпретации многим специалистам (например, геологам, географам, геоботаникам и др.);

• по космическим фотоснимкам, выполненным метрическими системами, можно измерять все три координаты местности и тем самым определять различные структурные элементы и проводить картирование, а также выполнять привязку к местности данных, полученных нефотографическими приемниками;

• космические фотоснимки благодаря своей обзорности существенно дополняют аэрофотоснимки.

Космические аппараты ДЗЗ осуществляли съемку земной поверхности в кадровом и маршрутных режимах (рис. 1-2 соответственно).

Первую цветную фотографию поверхности Земли сделал второй космонавт планеты Г. С. Титов (1961) на пилотируемом космическом аппарате «Восток-2».

На первых фотографических снимках можно было выявить изменения в городской застройке, прогресс в строительстве новых дорог, дренажную систему полей, вид культивируемых сельскохозяйственных посевов и т. п. («Восток-2» (СССР), «Джемини-4», «Аполлон-6» (США)). Использование в дальнейшем новых технических средств фотографической съемки позволило получать высокодетальные изображения участков земной поверхности (линейное разрешение на местности до одного метра), а также изображения в различных диапазонах видимого и инфракрасного (ИК) спектра. Так, на пилотируемом космическом аппарате «Союз-9» применялись различные фотоаппараты с большим диапазоном фокусных расстояний (/= 30, 90 и 300 мм), что позволяло решать широкий круг народнохозяйственных задач.

Регистрация изображений одного и того же участка местности в узких диапазонах электромагнитного спектра, начатая в 1969 г., давала возможность различать невидимые для

Кадр

Рис. 1. Оптическая схема кадровой фотосъемки

— устройство компенсации скоростного смаза; 2 — объектив; 3 — фокальная плоскость; 4 — фотопленка.

человека детали земной поверхности, например, поля с нормально развивающимися и пораженными болезнями сельскохозяйственными культурами, содержание влаги в почве, ее плодородие и т. п. Это объясняется тем, что регистрируемая отраженная или излученная земными объектами энергия существенно зависит от их состояния. Различия этой энергии после регистрации могут быть преобразованы в зоны различной (условной) окраски в пределах исследуемой области и тем самым отобразить то или иное состояние объекта. Практика применения таких систем показала, что наиболее информативными являются узкие интервалы порядка 20-30 нм. Такие интервалы обеспечивались электронными системами, в то время как фотографические системы Рис. 2. Схема маршрутам «^отох-рафирокшта позволяли получать изображения в пределах 50-100 нм.

При эксплуатации таких систем фотографирование проводилось одновременно по нескольким каналам. Так, на пилотируемых космических аппаратах «Союз-12» и « Союз-13» устанавливались 9-объективные фотоаппараты, в которых использовались три фотопленки: две чувствительные к видимой области спектра, третья — к инфракрасной.

Возможность внимательно изучать полученные изображения земной поверхности на борту пилотируемых КА и орбитальных станций позволила существенно увеличить диапазон решаемых задач ИПРЗ. Однако сложная программа полетов, как правило, не предусматривала выделения необходимого времени на изучение полученных снимков. Поэтому в полном объеме дешифрирование изображений осуществлялось на Земле, уже после посадки спускаемого аппарата.

С увеличением продолжительности полетов на орбитальных станциях (например, «Салютах» (СССР)) задержки в доставке документальной информации о земной поверхности из космоса стали непозволительно велики. В связи с этим на борту таких станций начали устанавливать фототелевизионную аппаратуру. Схема работы такой аппаратуры представлена на рис. 3.

Использование фототелевизионной аппаратуры позволяло после химико-фотографической обработки (проявки) фотопленки на борту пилотируемой орбитальной станции отсканировать изображение и передать его по радиоканалу на наземные пункты приема и обработки космической информации. Однако дополнительные преобразования изображения в оптико-электронных и приемо-передающих каналах в определенной степени снижали качество получаемых изображений, поэтому в дальнейшем от такой схемы получения информации отказались. Этому решению также способствовало бурное развитие твердотельных формирователей изображений (на основе приборов с зарядовой связью (ПЗС)), которые позволяли сразу формировать цифровые изображения земной поверхности и передавать их на Землю.

сканирования Строка изображения

луча

Рис. 3. Схема работы фототелевизионной аппаратуры

На пилотируемые орбитальные станции (например, «Салют-3», СССР) устанавливалась также радиолокационная аппаратура ДЗЗ — радиолокационные станции бокового обзора (РЛС БО). Она позволяла получать высококачественные изображения земной поверхности в сантиметровом диапазоне электромагнитного спектра независимо от погодных условии и условий освещенности4.

Изображения формировались за счет отражения от Земли зондирующих импульсов, генерируемых передатчиком орбитальной станции (рис. 4). Для повышения разрешающей способности радиолокационных изображений оказалось удобным использовать режим синтезирования аппертуры антенны (рис. 5).

При помощи радиолокационной съемки решались научные, экологические, сельскохозяйственные и другие задачи.

Так, например, с борта станции «Салют-4» было отснято 5,6 млн км2 территории бывшего Советского Союза. По оценке специалистов, экономический эффект от двухмесячной работы в интересах различных отраслей хозяйства составил более 50 млн руб.5

Одним из итогов полета «Салюта-5» стало уточнение границ внутренних морей и водоемов, составление прогнозов их развития, выявление новых геологических структур, подземных хранилищ пресной воды.

Использование радиолокационных станций бокового обзора позволило не только получить дополнительную информацию о природных ресурсах Земли, но и исключить зависимость результатов дистанционного зондирования от погодных условий и условий освещенности местности в момент съемки.

Наблюдение за состоянием земной поверхности, ее фотографирование в различных диапазонах магнитного спектра до настоящего времени остаются важными задачами, которые решаются пилотируемыми космическими аппаратами и орбитальными станциями.

Летатальный аппарат

Рис. 4. Схема формирования радиолокационного изображения радиолокационной

станции бокового обзора

С

направление полета

Интервал синтезирования

\ I / \ I /

Объект

Рис. 5. Схема формирования синтезироанного радиолокационного изображения ТП — периодичность зондирующих импульсов; р — угловой размер диаграммы направленности антенны (по азимуту); К" — наклонная дальность на траверсе космического аппарата

X

Изучение природных ресурсов Земли при помощи беспилотных КА развивалось параллельно с пилотируемой космонавтикой.

Если исключить из рассмотрения космические аппараты военного назначения, то в США одним из первых беспилотных КА, непосредственно предназначенным для решения задач ИПРЗ, стал аппарат «Лэндсат» (1972). Первые образцы спутников «Лэнд-сат» были запущены на приполярные круговые орбиты высотой около 920 км. При этом наблюдаемые ими области суши и океана смещались на запад из-за вращения Земли. Параметры орбит были выбраны так, что спутник мог выдавать информацию о любом районе мира каждые 18 суток. Изображения представлялись в цифровой форме и передавались на наземные приемные станции, где записывались на магнитную ленту для последующего воспроизведения в виде цветных и черно-белых фотоотпечатков6.

Для наблюдения за океанскими (морскими) акваториями в США в этот же период создан спутник «Сисат». С орбиты высотой 800 км «Сисат» направлял свои пять приборов на океаны и, совершая ежедневно 14 оборотов вокруг Земли, производил наблюдения в видимом диапазоне спектра с длинами волн 0,4-0,7 мкм и в радиодиапазоне с частотами 1000-300 000 МГц. Эта информация позволяла получать изображения океанских волн, ледяных полей, айсбергов и ледовых путей — прямолинейных открытых пространств во льду, по которым могут проходить суда, а также измерять температуру морской поверхности, скорость и направление ветра и количество воды в атмосфере.

Важным этапом в развитии беспилотных средств ДЗЗ в США стало создание фирмой TRW космических аппаратов КН-11 (1978-1979). Этот аппарат отличался от спутников «Лэндсат» и «Сисат» большей производительностью, качеством получаемой информации и оперативностью доставки ее в наземные пункты обработки.

В СССР первый беспилотный космический аппарат для фотографирования Земли «Зенит-2» был выведен на орбиту Земли в 1962 г. Аппараты этого типа были оснащены фотографической аппаратурой и позволили получить значительное количество ценных данных7.

Ко второму поколению космических аппаратов ДЗЗ относятся КА типа «Прогноз». Они оснащены инфракрасным телескопом, что позволяет решать ряд важных задач в условиях низкой освещенности.

Новой вехой в истории отечественных систем ДЗЗ стал космический аппарат серии «Ресурс» (Россия). Этот аппарат предназначен для высокодетальной и цветной космической съемки с разрешением от 1 м до 50 м. Сброс информации на наземные пункты обработки осуществляется по радиоканалу, что позволяет использовать аппарат для решения самого широкого класса, включая мониторинг чрезвычайных ситуаций8.

Формирование сети наземных пунктов приема информации связано с установкой на орбитальные средства аппаратуры, осуществляющей сброс изображений подстилающей поверхности по радиоканалу.

На первом этапе развития наземных пунктов приема информации на каждом из них осуществлялись следующие основные операции наземной обработки:

• прием и регистрация информации;

• химико-фотографическая обработка фотоматериалов;

• монтаж и компоновка кадров (снимков);

• дешифрирование изображений;

• формализация (оформление) результатов;

• передача информации.

Прием телевизионной и инфракрасной информации на наземном пункте приема осуществлялся при помощи антенны и приемного устройства. Канал передачи строился либо через спутник-ретранслятор, находящийся на геостационарной орбите, либо непосредственно с космического аппарата ИПРЗ (рис. 6).

Первые каналы передачи были аналоговыми. После приема информации она регистрировалась на фоторегистрирующем устройстве по схеме, приведенной на рис. 7. В соответствии с этой схемой текущая строка изображения поэлементно высвечивалась на экране электронно-лучевой трубки и через объектив попадала на фотопленку. Развертка по кадру (маршруту) осуществлялась за счет движения фотопленки. В дальнейшем в качестве источника излучения вместо электронно-лучевой трубки использовался лазер.

Позднее при повышении качества магнитной записи поступающее изображение одновременно регистрировалось и на фотопленку и на видеомагнитофон.

Проэкспонированная фотопленка подвергалась затем химико-фотографической обработке и дешифрированию.

Регистрация изображений, полученных при помощи радиолокационных систем землеобзора, происходила в два этапа.

На первом этапе на фотопленку регистрировались сигналы отраженного зондирующего импульса с учетом величины сдвига фазы несущего радиосигнала в зависимости от наклонной дальности. Зарегистрированное изображение в этом случае представляло из себя первичную радиоголограмму.

На втором этапе проводилась оптико-когерентная обработка первичной фотопленки. В ходе этой обработки при помощи оптической системы и когерентного источника света осуществлялась свертка радиоголограммы и опорной функции РЛС БО, в результате чего формировалось радиолокационное изображение местности с достаточно высоким разрешением (10-20 м).

Основными средствами дешифрирования зарегистрированных на фотопленку изображений в видимом, инфракрасном и радиолокационном диапазонах электромагнитного спектра являлись оптические и телевизионные (оптико-электронные приборы).

К оптическим приборам относятся наборы луп для дешифрирования: обзорные лупы для общего изучения снимка или объекта (увеличение 2-4х), лупы для распознавания

а

Спутник-ретранслятор

Спутник-ретранслятор

/

Рис. 6. Схема передачи информации на наземный пункт приема а — через спутник-ретрянслятор; б — непосредственно.

Направление движения фотопленки

Приемное устройство

Направление движения луча на экране

Лентопротяжный механизм с фотопленкой

Рис. 7. Схема регистрации изображения в фоторегистрирующем устройстве

объекта в деталях (увеличение 4-9х) и измерительные лупы (увеличение 10—12х); телескопические лупы, бинокулярные лупы, стереоскопические микроскопы, зеркальные и линзово-зеркальные стереоскопы, многозональные проекторы, просмотровые устройства проекционного типа, аддитивные цветные просмотровые устройства и т. д.

К телевизионным (оптико-электронным приборам) относятся электронные картографические трансформаторы, электронные приборы для анализа многозональных изображений и т. д.

Основными средствами измерения зарегистрированных на фотопленку изображений в видимом, инфракрасном и радиолокационном диапазонах электромагнитного спектра являлись масштабные линейки (шкалы) на прозрачной или непрозрачной основе, измерительные лупы со шкалой в поле зрения, циркули-измерители, пропорциональные циркули, координатометры, транспортиры, планиметры, измерительные микроскопы, автоматизированные монокомпараторы, полуавтоматы считывания графической информации и т. д.

Характеристики некоторых средств дешифрирования и измерения изображений приведены в табл. 1-29.

При появлении цифровых каналов связи со спутниками-ретрансляторами в конце 70-х — начале 80-х гг. ХХ столетия прием, регистрация и дешифрирование информации о природных ресурсах Земли на наземных пунктах осуществляется при помощи цифровых приемников и специализированных электронно-вычислительных машин. Однако методы и приемы дешифрирования космических изображений существенных изменений не претерпели. Накопленные знания дешифровочных признаков естественных и искусственных объектов на поверхности Земли составляют базу для дальнейшего развития автоматизированных систем обработки изображений.

Таким образом, с момента своего возникновения системы ИПРЗ сыграли ведущую роль в космической деятельности. Опыт практического применения космических аппаратов ДЗЗ и наземных пунктов приема информации показал их высокую эффективность в решении как научных, так и хозяйственных задач, а также позволил наметить дальнейшие пути совершенствования системы ИПРЗ.

Таблица 1

Характеристики средств дешифрирования изображений

Наименование наборов луп Увеличение, крат Диаметр поля зрения, мм

Набор луп НДЛ-2

Обзорная лупа 2,0 80

Штативная увеличительная лупа 4,0 4,5

Измерительная лупа (цена деления шкалы — 0,1 мм) 10,0 17

Набор луп НДЛ-3

Налобная обзорная лупа 2,0 120

Бинокуляр (микроскопическая система) с объективами 0,7х и комплектом окуляров: окуляр 6х (обзорный комплект) окуляр 12,5х (увеличительный комплект) окуляр 17х (измерительный комплект) 4,2 8,7 11,9 34 25 20

Таблица 2 Характеристики средств измерения изображений

Параметры ММИ БМИ, БМИ-1 УИМ-21

Пределы измерения длин, мм: в продольном направлении в поперечном направлении 0-75 0-25 0-150 0-50 0-200 0-100

Пределы измерения углов, градусы 0-360 0-360 0-360

Цена деления: отсчетного устройства, мм шкалы угломерной головки, мин 0,01 1 0,005 1 0,001 1

Увеличение микроскопов 10х, 30х, 50х 10х, 15х, 30х, 50х 10х, 15х, 30х, 50х

Диаметр поля зрения, мм 21; 7; 4,2 21; 14; 7; 4,2 16,2; 10,8; 5,4; 3,2

1 Гэтланд К. Космическая техника / Пер. с англ. С. Ф. Костромина, С. Д. Гришина. М., 1986. С. 80. 2Ханцеверов Ф. Р., Остроухов В. В. Моделирование космических систем изучения природных ресурсов Земли. М., 1989. С. 34.

3 Космическая фотосъемка и геологические исследования / Под ред. Г. Б. Гонина, С. И. Стрельникова. Л., 1975. С. 4;

4 Лычев Е. Н. Даты и события космонавтики: Справочник. СПб., 2005. С. 63.

5 Популярная история астрономии и космонавтики / Автор-сост. К. А. Ляхова. М., 2002. С. 315.

6 Гэтланд К. Космическая техника / Пер. с англ. С. Ф. Костромина, С. Д. Гришина. М., 1986. С. 83.

7Андреев С. Увидеть все: о работе спутников дистанционного зондирования Земли // Российский космос. 2007. № 2. С. 79.

8 Филатов В. Н., Присяжнюк С. П., Зиновьев В. Г., Полетаев А. М. Тенденции в дистанционном зондировании Земли и проблемы стандартизации данных // Информация и космос. 2005. № 1. С. 16-17.

9Живичин А. Н., Соколов В. С. Дешифрирование фотографических изображений. М., 1980. С. 120, 135.