КОСМИЧЕСКИЕ АППАРАТЫ, СИСТЕМЫ И ПРОГРАММЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА
ОПЫТ ЭКСПЛУАТАЦИИ МАЛОГО КА ДЗЗ "МОНИТОР-Э" И ПЕРСПЕКТИВЫ СОЗДАНИЯ ЕГО УЛУЧШЕННОГО АНАЛОГА КА "МОНИТОР-2" © 2011 г. Е. В. Михайлов*, О. В. Михеев, А. Е. Положенцев, В. М. Судаков
Государственный космический научно-производственный центр им. М.В. Хруничева, Москва
*Е-таП: eo@khrunichev.com Поступила в редакцию 10.08.2010 г.
В 2010 г. завершился ресурс функционирования малого космического аппарата (КА) "Монитор-Э". Разработчиком данного КА, Государственным космическим научно-производственным центром им. М.В. Хруничева, предлагается создать КА "Монитор-2" — улучшенный аналог КА "Монитор-Э" для решения задачи оперативного мониторинга территории России. КА "Монитор-2" оснащается многоспектральной съемочной аппаратурой видимого- и ИК-диапазонов среднего разрешения с полосой захвата до 120 км. Для выбранных характеристик целевой аппаратуры, орбитальных параметров КА и условий наблюдения проведено моделирование и получены оценки показателей периодичности и производительности съемки для различного числа КА в орбитальной группировке.
Ключевые слова: трассовая съемка, кадровая съемка, периодичность съемки, производительность съемки, целевая аппаратура, полоса захвата, разрешение на местности
ВВЕДЕНИЕ
Создание в Государственном космическом научно-производственном центре им. М.В. Хруничева (ГКНПЦ) космического аппарата (КА) "Монитор-Э" явилось первой реализацией проекта по созданию российского малого КА нового поколения, в котором были заложены технические и эксплуатационные характеристики, соответствующие лучшим зарубежным аналогам (Монитор для Земли, 2005). При разработке КА "Монитор-Э" использовались новейшие технологии и принципы, опробированные в отрасли космического приборостроения на рубеже 2000-2005 гг. КА "Монитор-Э" ("Э" - экспериментальный) был запущен 26 августа 2005 г и после плановых летных испытаний был введен в опытную эксплуатацию 26 февраля 2006 г. Несмотря на отдельные отказы в бортовых системах, КА "Монитор-Э" обеспечивал, хотя и в ограниченном режиме, проведение съемок в течение более 5 лет при заданном пятилетнем ресурсе.
За весь период работы им было проведено более 1000 маршрутов съемки поверхности Земли, общей площадью более 150 млн. км2. Изображения, получаемые с КА "Монитор-Э", благодаря применению в съемочной аппаратуре простых пиксельных линеек обладают высокими геометрическим качеством и измерительными характеристиками. Данные с КА "Монитор-Э" широко используются различными ведомствами и администрациями ре-
гионов России в интересах лесного хозяйства, сельского хозяйства, рыболовства, экологического мониторинга, задач по обнаружению последствий чрезвычайных ситуаций.
Важно отметить, что в процессе разработки КА "Монитор-Э" ГКНПЦ им. М.В. Хруничева была создана вся необходимая наземная инфраструктура для подготовки КА к запуску, запуска КА с космодрома "Плесецк", управления, приема и обработки информации на этапе летных испытаний и эксплуатации.
Учитывая высокий научно-технический и производственный потенциал ГКНПЦ им. М.В. Хруничева, созданный в процессе разработки КА различного назначения, а также сегодняшние потребности российских ведомств в спутниковых данных, получаемых с использованием средств дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ), ГКНПЦ им. М.В. Хруниче-ва предлагается создать улучшенный аналог КА "Монитор-Э" - КА "Монитор-2".
СОСТАВ ЦЕЛЕВОЙ АППАРАТУРЫ И ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ КА
Анализ требований к спектральным характеристикам аппаратуры КА, приведенным, например в (Жиленев, 2009), а также характеристик уже существующих в мире КА ДЗЗ, в том числе опыт эксплуатации КА "Монитор-Э", показывает, что большинство задач, возлагаемых на КА "Монитор-2",
Таблица 1. Основные характеристики комплекса целевой аппаратуры КА "Монитор-2"
Тип аппаратуры Базовый комплект Один из возможных типов аппаратуры дооснащения
Аппаратура видимого и ближнего ИК-диапазонов ИК-аппаратура коротковолнового диапазона Гиперспектральная аппаратура ИК-аппаратура среднего и дальнего диапазонов
Спектральный диапазон, мкм 0.51-0.85 (ПХ) 0.45-0.52 0.52-0.60 0.63-0.69 0.74-0.90 (МС) 1.55-1.75 2.08-2.55 0.5-1.0 (60 каналов) 1.5-2.5 (30 каналов) 3.5-4.1 10.25-11.4 11.4-12.5
Пространственное разрешение (при съемке в надир), м 3-5 (ПХ) 8-12 (МС) 20 30 (ВД) 60 (ИК) 60
Полоса захвата, км 120 120 40 110
Разрядность квантования, бит/пикс 12 12 12 12
Характеристики системы сбора, накопления и передачи информации — основные режимы — объем ЗУ, Тбит — скорость передачи информации, Мбит/с ЗАП; ЗАП+ВОСПР; ВОСПР (со сжатием или без сжатия информации) 2 300 (возможно введение дополнительного канала на скорость 64 Мбит/с для работы с персональными станциями приема)
Примечание. Принятые сокращения: ВД — видимый (диапазон); ИК — инфракрасный (диапазон); ПХ — панхроматический (канал); МС — многоспектральный (канал); ЗАП — запись; ВОСПР — воспроизведение (информации), ЗУ — запоминающее устройство.
решается комплексом оптико-электронной аппаратуры, в состав которого входят панхроматическая и многозональная аппаратура видимого и ближнего ИК-диапазонов. В многозональной аппаратуре желательно иметь не менее четырех спектральных каналов. Кроме того, в состав аппаратурного комплекса целесообразно включить ИК-аппаратуру коротковолнового диапазона.
При выборе разрешения и полосы захвата аппаратуры КА "Монитор-2" учитывались два главных фактора:
— подавляющее число народно-хозяйственных задач с использованием данных ДЗЗ решается при пространственном разрешении материалов ДЗЗ от 2—5 м в панхроматическом канале до 6—10 м в многоспектральных каналах;
— возможности унифицированной космической платформы "Яхта", эксплуатируемой в составе КА "Монитор-Э" и на основе которой строится КА "Монитор-2", обеспечивают размещение многоспектральной съемочной аппаратуры с указанным выше разрешением с предельно возможной полосой захвата до 120 км.
Орбита: — высота, км — наклонение, град Солнечно-синхронная 670 км 98.1
Точность поддержания ориентации (3ст), град 0.05
Точность стабилизации (3ст), град/с 0.0005
Электрическая мощность СБ, Вт 1800
Масса КА, кг 850
Срок функционирования, лет не менее 7
Средство выведения, ракета-носитель (РН) РН "Рокот", РН "Ангара-1-2",
Рис. 1. Космический аппарат "Монитор-2" и его технические характеристики.
Предложения по созданию съемочной аппаратуры с указанными характеристиками разработаны, например, специалистами Красногорского завода им. С.А. Зверева.
Основные характеристики комплекса целевой аппаратуры, предлагаемого к установке на КА "Мо-нитор-2", приведены в табл. 1. Общий вид КА и его технические характеристики приведены на рис. 1.
АНАЛИЗ ВОЗМОЖНОСТЕЙ КА "МОНИТОР-2" ПО ПЕРИОДИЧНОСТИ И ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ СЪЕМКИ
Оценка периодичности и производительности съемки КА "Монитор-2" получена путем статистического моделирования процессов съемки с учетом баллистических параметров КА, характеристик целевой аппаратуры, а также месторасположения и размеров зон радиовидимости пунктов приема информации. Оценка получена для следующих исходных данных:
— производится съемка территории России для летнего сезона наблюдения;
— КА функционируют на солнечно-синхронных орбитах с высотой 670 км;
— допустимые углы разворота КА составляют ±30°;
— полоса захвата аппаратуры — 120 км;
— предельный угол Солнца при съемке равен 10°;
— задействованы три ППИ (в Москве, Красноярске, Хабаровске) с предельными углами радиовидимости 5°;
— информационный поток со всей съемочной аппаратуры ~1500 Мбит/с;
— объем бортового запоминающего устройства (ЗУ) равен 2 Тбит;
— скорость сброса видеоинформации на ППИ составляет 300 Мбит/с;
— коэффициент сжатия видеоинформации (без существенной потери качества) ~3;
— расчеты получены без учета облачности.
Периодичность съемки в кадровом режиме любого заданного объекта на территории России, сут
3.5
3.0
2.5
2.0
1.5
1.0
0.5
0
□ Максимальная
□ Средняя
345 Число КА в группировке
□Без сжатия □Сжатие 3
Периодичность обновления информации о всей территории России, сут
45 40 35 30 25 20 15 10 05
345 Число КА в группировке
Рис. 2. Зависимость периодичности съемки в кадровом режиме любого заданного объекта на территории России от числа КА в группировке.
Рис. 3. Зависимость периодичности обновления информации для всей территории России от числа КА в группировке (летний сезон).
0
1
2
1
2
Результаты моделирования приведены на рис. 2-6.
На рис. 2 показана зависимость максимальной и средней периодичности наблюдения заданного объекта на территории России от числа КА в группировке при съемке в кадровом режиме. Нахождение совокупности значений периодичности осуществлялось по множеству реализаций случайного местоположения объектов на территории России. Далее определялось максимально возможное время повторной съемки объекта для самого "неблагоприятного" по расположению объекта на территории России и, по совокупности реализаций, - среднее время повторной съемки. Как видно из рис. 2, максимальная периодичность составляет для одного КА 3 сут, а для группировки из двух КА - 1 сут. На рисунке также видно, что увеличение числа КА в группировке до трех и более не приводит к уменьшению максимальной (в отличие от средней) периодичности съемки объекта.
Для режима трассовой съемки, когда необходимо обеспечить наблюдение больших площадей, на рис. 3 приведена зависимость периодичности обновления информации на всю территорию России от числа КА в группировке. Как следует из рис. 3, для одного КА периодичность обновления данных на всю территорию России составит 22 сут, а для группировки из трех КА 13 сут (около 7 раз за сезон). Периодичность улучшается почти в 2 раза при применении на борту процедуры сжатия видеоинформации.
На рис. 4 и 5 наглядно показано, как увеличивается площадь отснятой территории России в зависимости от времени полета для случаев одного и пяти КА в группировке.
На рис. 6 показана зависимость производительности КА по проведению съемки при изменении числа КА "Монитор-2" в группировке от одного до
пят
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.