Роботы в космосе

Располагаются современные спутники ДЗ в околоземном пространстве на орбитах высотой от 200 до 1000 км, за исключением геостационарных метеоспутников, находящихся на высоте около 35 тыс. км над землей. Для описания формы, пространственного положения плоскости орбиты и движения по ней спутника выделяют шесть независимых параметров, или элементов, называемых кеплеровыми (фото 1). Это большая полуось (A), эксцентриситет (e), наклонение (i), долгота восходящего узла (W), аргумент перигея (w) и истинная аномалия (u). С помощью кеплеровых элементов рассчитывают траектории полета спутника, прогнозируют его местоположение, к примеру, на неделю или месяц вперед, благодаря чему можно планировать наблюдение объектов и районов на земной поверхности, а также формировать оптимальные маршруты съемки [1]. Спутники ДЗ работают по большей части на круговых орбитах, что позволяет получать изображения объектов наблюдения примерно одного качества и масштаба. Часто эта орбита солнечно-синхронная, необходимая для съемки районов наблюдения с постоянной освещенностью, то есть при одной и той же высоте Солнца над горизонтом на заданной широте. За сутки спутник совершает около пятнадцати витков, раз в несколько дней делая полный обзор поверхности Земли (фото 2).

Читая эти строки, многие, наверное, вспоминают историю про спутники-шпионы, якобы способные различать номера автомашин. И хотя это некоторое преувеличение (номера автомобилей сверху не видны принципиально, тем не менее оно не умаляет высоких технических характеристик уникальной аппаратуры космического наблюдения, самыми важными из которых являются: величина разрешения на местности, показывающая, каких размеров объекты различимы на изображении (лучшие значения - 1 м), и быстрота доставки отснятого изображения на Землю потребителю (до 1,5-2 часов).

Представить себе, что такое космическая фотоаппаратура, несложно, достаточно мысленно увеличить размеры бытового фотоаппарата-мыльницы раз эдак в 25 да прибавить систему управления и капсулы, в которых пленка доставляется на землю. С такой техникой не всякий справится. Достоинствами фотографической аппаратуры по сравнению с другими средствами ДЗ являются простота и надежность. Как система передачи информации фотопленка обладает огромной информационной емкостью. На 1 кв. см снимка умещается от 1 до 10 млн. бит. Для передачи такого объема информации по радиоканалу требуется примерно в 10 тыс. раз больше времени, чем для ее регистрации.

Фотоспутники применяются для решения широкого круга научных, социально-экономических и военных задач. Основные из них: исследование природных ресурсов Земли; составление и обновление топографических карт и фотопланов; поиск объектов, выявление закономерностей их расположения, наблюдение за динамикой объектов, вскрытие их назначения и признаков функционирования; идентификация и "привязка" к карте результатов наблюдения, полученных другими средствами ДЗ.

В оптико-электронных спутниках ДЗ в качестве объектива используются уже не линзовые, как в фотографических, а зеркальные телескопы, в качестве же приемника электромагнитного излучения применяется не фотопленка, а полупроводниковые приборы с зарядовой связью (ПЗС). В результате изображение преобразуется в электрические сигналы, которые сохраняются бортовыми запоминающими устройствами для последующей передачи на Землю по радиолинии. Для увеличения снимаемой площади используют оптико-механические и электронные сканеры, устанавливаемые на спутниках оптико-электронного наблюдения, которые строят изображения, комбинируя движение спутника и качание сканирующего зеркала перпендикулярно направлению полета (фото 3: схема сканирования и образец снимка). Такая оптическая схема применена на спутниках ДЗ Landsat и SPOT. В фокальной плоскости оптической системы размещается фотоприемное устройство, собранное, как правило, из матриц ПЗС, выполненных на основе кремния (для видимого и ближнего ИК-диапазонов), охлаждаемого антимонида индия (для среднего ИК-диапазона, 3-5 мкм) и охлаждаемого ртутно-кадмиевого теллурида (для дальнего ИК-диапазона, 8-14 мкм). С развитием гиперспектральной съемки находит применение элементная база для фотоприемников, которые уже позволяют регистрировать излучение в 256 узких (10 нм) спектральных зонах, формируя целый "куб изображений". Зарегистрированные фотоприемником сигналы усиливаются, преобразуются в цифровую форму, помещаются в бортовое ЗУ, и уже через несколько секунд после приема изображение готово к передаче на Землю для доставки потребителю.

Фотографические и оптико-электронные спутники обеспечивают сегодня наиболее детальные данные о поверхности Земли и объектах на ней. Однако эти средства ДЗ действенны только при хорошей погоде в светлое время суток. Этого недостатка лишены спутники с радиолокационной аппаратурой на борту.

Наилучшее качество радиолокационных изображений земной поверхности обеспечивают космические радиолокаторы с синтезированной апертурой (РСА). РСА формирует изображение путем зондирования поверхности когерентными СВЧ-сигналами и приема отраженного излучения последовательно, по траектории полета спутника. При этом с помощью когерентного суммирования сигналов достигается искусственное увеличение размера апертуры антенны и сужение ее диаграммы направленности. Такой метод синтезирования изображения позволяет существенно увеличить разрешающую способность данных зондирования до десяти, а в перспективе - до трех метров. Кроме того, по радарным изображениям можно выявить движущиеся объекты, определить скорость и направление их движения, а также получить информацию о высотном рельефе зондируемой местности.

Космическая радиолокация помогает также в наблюдении объектов, скрытых растительностью и расположенных в приповерхностном слое земли или в прибрежной зоне водоемов (заглубленные трубопроводы, линии связи, электропередач и т. п.).

Впрочем, на сегодняшний день лишь немногоие страны могут позволить себе иметь спутники ДЗ. Однако государств, активно их разрабатывающих и проявляющих интерес к использованию получаемых ими данных, с каждым годом становится все больше и больше.

Какие же средства ДЗ существуют сегодня в мире?

Среди спутников с аппаратурой низкого разрешения в первую очередь следует упомянуть NOAA, дающие снимки с разрешением в единицы километров и позволяющие решать метеорологические задачи, определять температуру моря и суши, следить за ледовым и снежным покровом, обнаруживать пожары.

Как ни удивительно, высокими характеристиками для своего класса обладают спутники Индии. На сегодня это одна из передовых стран в мире по качеству данных наблюдения, распространением которых занимается, правда, американская компания Space Imaging. Индия использует спутники типа IRS (Indian Remote Sensing). Лучший из них обеспечивает разрешение на местности до 6 м в полосе захвата аппаратуры 70-90 км при возможности съемки в полосе обзора 800 км. Минимальная периодичность наблюдения объектов на Земле составляет пять суток, а оперативность доставки информации потребителям не превышает 24 часов.

Спутниками ДЗ обладает также Франция, эксплуатирующая аппараты типа Spot, объем продаж изображений с которых самый большой в мире (а наибольший объем продаж радиолокационных изображений в мире дает канадский спутник Radarsat, обеспечивающий получение данных с наилучшим разрешением около 9 м). Весьма совершенный спутник типа Spot-4 выведен на орбиту в 1998 году. Стоимость его создания и запуска -около 600 млн. долларов. Спутник имеет массу 2,75 т и среди прочего оборудования несет две камеры типа HRVIR (High Resolution Visible Infra-Red). Каждая из них массой около 250 кг работает в двух участках видимого (0,5-0,59 и 0,61-0,68 мкм) спектра, участке ближнего ИК-спектра (0,79-0,89 мкм) и коротковолнового ИК-спектра (1,58-1,75 мкм) и обеспечивает получение изображений с максимальной разрешающей способностью 10 м. В качестве фотоприемного устройства на ИСЗ используются линейки ПЗС с размером чувствительного элемента 13х13 мкм (фото 4).

В интересах ДЗ используются также американские спутники Landsat и Terra с разрешением до 15 м и 10 м соответственно, китайско-бразильский спутник CBERS с разрешением до 10 м, южнокорейский спутник Kompsat с разрешением до 10 м, южноафриканский спутник Sunsat с разрешением до 15 м и другие. Россия опережает ряд зарубежных стран по детальности данных ДЗ (мы можем снимать Землю с разрешением до 2 м). Однако российские спутники типа "Ресурс-Ф" и "Комета" - это фотографические средства "одноразового использования".

В последнее время удалось существенно уменьшить габариты и массу спутников ДЗ. Наилучших результатов здесь добились американцы. В прошлом году выведен на орбиту малый спутник ДЗ типа Ikonos, разработанный в США и позволяющий получать изображения высокого разрешения - до 1 м (подробности см. "КТ" #319). В этом году, как ожидается, ему составят конкуренцию малые спутники ДЗ QuickBird, OrbView и Eros, которые также позволят получать изображения с разрешением до 1 м.