ВЕРОЯТНОСТНАЯ СПУТНИКОВАЯ СИСТЕМА ДЛЯ МОНИТОРИНГА ЛЕСНЫХ ПОЖАРОВ
PROBABLE SATELLITE SYSTEM FOR MONITORING FOREST FIRE

Изобретение относится к космической области, а именно к спутниковым системам наблюдения Земли, а более точно касается спутниковой системы обеспечения наблюдений обширных регионов Земли.
Известна информационная система дистанционного мониторинга лесных пожаров ИСДМ-Рослесхоз Федерального агентства лесного хозяйства РФ (см. Щетинский В.Е. и др. Применение информационной системы дистанционного мониторинга «ИСДМ Рослесхоз» для определения пожарной опасности в лесах Российской Федерации (Учебное пособие) // ФГУ «Авиалесоохрана» г. Пушкино (МО), 2007, с. 82).
Основными недостатками этой системы являются:
- отсутствие собственных космических средств;
- недостаточная оперативность обновления информации;
- недостаточная достоверность обнаружения пожаров;
- предоставление данных частично на коммерческой основе.
Наиболее близкой по технической сути (прототипом) к предлагаемому изобретению является спутниковая система автоматизированного управления и оперативного контроля (мониторинга) критически важных объектов и территорий Союзного государства «Россия - Беларусь» (см. заявку на изобретение РФ №2006143879 от 13 декабря 2006 г., МПК В64G 1/10), которая имеет жесткую структуру, когда каждый космический аппарат системы находится в своей «ячейке».
Данная система имеет существенные недостатки, связанные со значительными временными, материальными и энергетическими затратами на их создание, поддержание и восполнение.
Задачей предлагаемого изобретения является создание вероятностной спутниковой системы для мониторинга лесных пожаров, при которой техническим результатом будет являться снижение стоимости создания системы и массо-габаритных характеристик космических аппаратов, входящих в систему.
Этот технический результат в вероятностной спутниковой системе для мониторинга лесных пожаров, включающей в свой состав космические аппараты на круговых орбитах, оснащенные сканирующей широкоугольной оптико-электронной системой инфракрасного диапазона с линейным фотоприемным устройством для обнаружения очага лесного пожара и следящей оптико-электронной системой инфракрасного диапазона с матричным фотоприемным устройством, перенацеливаемой по целеуказаниям от сканирующей системы, для определения параметров очага лесного пожара и формирования сигнала предупреждения о лесном пожаре, достигается тем, что космические аппараты снабжены одной следящей широкоугольной оптико-электронной системой инфракрасного диапазона с несколькими матричными фотоприемными устройствами для обнаружения и определения параметров очага лесного пожара, а также формирования сигнала предупреждения о лесном пожаре.
В вероятностных спутниковых системах положение космических аппаратов изменяется в широких пределах, а расстановка и последующее поддержание их относительного положения не осуществляется. Необходимый уровень эффективности их функционирования достигается увеличением количественного состава космических аппаратов в системе.
Спутниковые системы космических аппаратов, построенные по вероятностной (некорректируемой) схеме, позволяют нивелировать недостатки детерминированных систем (см. прототип), но их построение накладывает некоторые ограничения, в том числе и на класс используемых орбит. В качестве основных ограничений в этом случае можно указать следующие:
- количество космических аппаратов в вероятностных спутниковых системах должно быть достаточно большим для того, чтобы обеспечить структурную устойчивость системы;
- необходимо использовать околокруговые орбиты с эксцентриситетом, близким к нулю, так как в этом случае вековой уход аргумента широты перигея не будет заметно влиять на функционирование космических аппаратов, в частности на размеры контролируемых зон земной поверхности;
- необходимо использовать низкие орбиты с высотами до 2000 км, что позволяет, во-первых, обеспечить гибкость структуры системы в целом, а во-вторых, упростить бортовую целевую аппаратуру и космических аппаратов в целом и тем самым существенно уменьшить их габаритные и массовые характеристики.
В качестве отличительных характеристик спутниковых систем космических аппаратов, построенных по вероятностному принципу, необходимо отметить следующие:
- при построении вероятностных спутниковых систем нет жестких ограничений на место расположения отдельных космических аппаратов в плоскости орбиты, следовательно, требования по точности выведения космических аппаратов могут быть снижены;
- построение вероятностных спутниковых систем можно проводить с помощью пакетных запусков или с попутным грузом;
- построение вероятностных спутниковых систем можно проводить с использованием конверсионных баллистических ракет более легкого класса (в том числе с подводных лодок);
- системы космических аппаратов, построенные по вероятностной схеме, не требуют коррекции, а следовательно, космические аппараты не нуждаются в корректирующей двигательной установке (КДУ) и запасах топлива, что обеспечивает возможность существенно снизить стоимость системы;
- отсутствие необходимости поддержания элементов орбиты космических аппаратов в строгих пределах позволяет снизить нагрузку на наземный комплекс управления (НКУ), а также обеспечивает возможность эксплуатации вероятностных спутниковых систем при выходе отдельных элементов НКУ из строя;
- выход из стоя отдельных космических аппаратов из спутниковой системы космических аппаратов, построенной по вероятностной схеме, незначительно уменьшает эффективность ее функционирования, так как качество решения целевой задачи зависит от положения на орбите всей совокупности космических аппаратов системы.
Сущность изобретения поясняется рисунками, где на фиг. 1 показана возможная схема построения вероятностной спутниковой системы для мониторинга лесных пожаров, которая могла бы использовать в качестве базового одноосно (гравитационно) стабилизированный космический аппарат (КА), в состав которого будут входить:
1 - гравитационная штанга, которая также будет использоваться как приемная антенна системы межспутниковой связи (CMC);
2 - многорупорная передающая антенна CMC;
3 - корпус КА с панелями солнечных батарей;
4 - бортовой оптико-электронный сканирующий датчик (ОЭСД);
5 - антенны для связи КА с НКУ.
Система межспутниковой связи должна будет обеспечивать постоянный обмен целевой информацией и данными о собственном положении каждого отдельного спутника между всеми КА системы, находящимися в зоне прямой видимости. Такая организация системы связи позволит использовать в составе НКУ единый центр приема и обработки информации, так как каждый КА системы, доступный для связи с НКУ, будет способен передать на Землю всю информацию о состоянии системы (включая данные навигационной аппаратуры потребителя (НАП) «ГЛОНАСС», телеметрическую и целевую информацию). Также возможно создание мобильного НКУ, который будет способен выполнять свои задачи в любом районе, обслуживаемом системой.
В основу построения и функционирования бортового ОЭСД обнаружения и определения направления визирования очага возгорания положен принцип кругового сканирования подстилающей поверхности. Он реализуется с помощью сверхширокоугольного инфракрасного (ИК) объектива 6 (фиг. 2) типа «рыбий глаз» (fish eye) с полем зрения порядка 140°, обеспечивающим наблюдение с орбиты КА всего диска Земли (с учетом ошибок гравитационной стабилизации КА), а также с использованием вращающейся призмы 7 (фиг. 2) Пехана (roof призмы). Вариант построения оптической схемы ОЭСД и вид на фокальную поверхность 8 (фиг. 2) с расположенными на ней фотоприемными устройствами (ФПУ) со стороны оптической оси объектива приведен на фиг. 2.
На фокальной поверхности 8 (фиг. 2) предлагается расположить линейные ФПУ 9 (фиг. 2) с диапазоном чувствительности 3-5 мкм для обнаружения источников 10 (фиг. 2) ИК излучения (очагов пожара) в пределах всей доступной для наблюдения части Земли, а также линейные ФПУ 11 (фиг. 2) с диапазоном чувствительности 8-12 мкм для построения местной вертикали, ограниченные диапазоном надирного угла (40°…70°), где поз. 12 (фиг. 2) - изображение диска Земли. Фотоприемные устройства располагаются симметрично относительно центра изображения, период вращения которого должен составлять несколько секунд.
i
i
i
i
i
На фиг. 3 изображена принципиальная схема работы системы (линия АВ - направление оси симметрии i-го КА (совпадает с направлением оптической оси ИК датчика, являющейся осью сканирования подстилающей поверхности), АO - местная ИК вертикаль, ϕ - угол между местной вертикалью и линией визирования пожара).
i
Результатом обработки полученных с ФПУ сигналов являются значения углов ϕ между направлением на источники ИК излучения и местной вертикалью, которые совместно с данными о местоположении КА передаются в режиме реального времени по каналам CMC на Землю. На основе результатов этих измерений, а также с использованием данных НАП в наземном центре обработки информации методом триангуляции рассчитываются географические координаты пожаров, а также оцениваются площади возгораний на основе анализа мощности приходящего от них ИК излучения.
Для нормального функционирования системы необходимо, чтобы каждая точка контролируемой подстилающей поверхности (или выбранных пожароопасных районов) находилась в зоне видимости как минимум двух КА системы. Данное условие будет обеспеченно выбором конкретных параметров построения вероятностной спутниковой системы для мониторинга лесных пожаров. Однако при наличии над территорией пожара только двух КА системы, в ходе решения триангуляционной задачи кроме истинных решений 13 (фиг. 3) будут возникать ложные решения 14 (фиг. 3), для исключения которых достаточно установить на КА магнитометр или астродатчик, позволяющий определить ориентацию КА относительно вертикальной оси. В случае обработки данных от трех и более КА системы ложные решения 14 (фиг. 3) будут отбрасываться в процессе обработки полученных данных на НКУ.
Таким образом, предлагаемая вероятностная спутниковая система для мониторинга лесных пожаров может решить множество существующих проблем в сфере мониторинга лесных пожаров и окружающей среды. С учетом сравнительно небольшой стоимости, данная система может обеспечить непрерывное наблюдение за всей территорией нашей страны (или выбранного района) с возможностью оперативного получения и обработки данных об экологическом состоянии лесных угодий.