ИССЛЕДОВАНИЕ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА, 2007, № 2, с. 43-55
КОСМИЧЕСКИЕ АППАРАТЫ, СИСТЕМЫ И ПРОГРАММЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА
УДК 528.835.042.3
ПРОЕКТ СПУТНИКОВОГО ГИПЕРСПЕКТРОМЕТРА, ПРЕДНАЗНАЧЕННОГО ДЛЯ МАЛОГО КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА
© 2007 г. Д. Б. Балтер1, А. А. Белов1, Д. В. Воронцов2, Л. А. Ведешин3, В. В. Егоров4, А. П. Калинин5, А. Г. Орлов1, А. И. Родионов6, И. П. Родионова1, Е. Ю. Федунин6
1Институт космических исследований РАН, Москва 2Институт химической физики им. Н.Н. Семенова РАН, Москва 3Институт прикладной математики им. М.В. Келдыша РАН, Москва 4Президиум РАН, Москва 5Институт проблем механики РАН, Москва 6ЗАО Научно-технический центр "Реагент", Москва 5E-mail: kalinin@ipmnet.ru Поступила в редакцию 26.02.2006 г.
Описан проект гиперспектрометра, предназначенного для установки на малый космический аппарат (МКА). Представлены структурная и габаритная схемы прибора и его основные технические характеристики. Дается краткое описание космической платформы МКА "Астрогон-Вулкан" в качестве одного из возможных вариантов размещения гиперспектрометра и методов обработки гиперспектральной информации. Приводится описание научных и прикладных задач, эффективное решение которых реализуется с помощью гиперспектральных данных.
ВВЕДЕНИЕ
В последние годы информация, получаемая гиперспектрометрами, устанавливаемыми на космические платформы, находит все большее применение в решении научных, хозяйственных, экологических и прикладных задач [1-4]. Эта информация обеспечивает уникальные возможности по классификации и оценке состояния зондируемых природных и антропогенных объектов по сравнению с возможностями панхроматических и муль-тиспектральных наблюдений.
За рубежом космическая гиперспектрометрия широко применяется для решения задач глобальной и региональной экологии, сельского, лесного и водного хозяйств, мониторинга различных чрезвычайных ситуаций и т.д. [5]. К сожалению, до настоящего времени в России разработки спутниковых гиперспектрометров (СГС) не получили должного развития. Однако имеется опыт в разработке, изготовлении и проведении летных испытаний авиационного образца гиперспектрометра, выполненных ЗАО НТЦ "Реагент" в кооперации с рядом институтов Российской академии наук [6-9], а также в создании и апробации методов тематической обработки гиперспектральных данных. В настоящее время указанным коллективом на основе опыта проектирования и эксплуатации авиационных прототипов подготовлен проект космического гиперспектрометра, не уступающего по своим основным характеристикам лучшим зарубежным образцам.
Цель настоящей работы - описание проекта по созданию гиперспектрометра космического базирования, включающее принципы построения гиперспектрометра, выбор космической платформы и методов обработки получаемых данных, а также анализ задач, решаемых с помощью информации, получаемой прибором.
ОПИСАНИЕ ГИПЕРСПЕКТРОМЕТРА
Используемый опыт
Структура СГС, состав функций и диапазон измерений определялись опытом авиационного гиперспектрального дистанционного зондирования (ДЗ) [6-9]. При разработке СГС использовались следующие результаты этого опыта, полученного НТЦ "Реагент".
1. Применение акустооптических перестраиваемых неколлинеарных фильтров (АОПФ), разработанных в начале 1990-х годов [10-12]. Гиперспектральная съемка предполагает не просто получение набора узко-спектральных изображений, как это принято в многозональной съемке, а формирование интегральных сигнатур-спектральных портретов зондируемых объектов.
2. Применение прецизионной системы регистрации данных на уровне счета отдельных фотонов - "время-координато-чувствительные детекторы" (ВКЧД) [13]. Низкий уровень информационного сигнала и необходимость учета динамики
МКА делают их применение обязательным условием реализации проекта.
3. Определение положения мгновенного поля зрения СГС, основанного на применении тех же ВКЧД, выступающих в роли безинерционных сенсоров в составе прецизионных астродатчиков [14]. Возможность решить эту уникальную задачу достигается слежением только за выделенной группой объектов в поле зрения прибора.
4. Использование высокопроизводительной помехоустойчивой, радиационно-стойкой бортовой ЭВМ на параллельных вычислительных системах с программным обеспечением реального времени, созданной кооперацией НТЦ "Реагент", ИПМ им. М.В. Келдыша РАН, ИКИ РАН, совместно с Fraungofer Institute for Computer Architecture and Software, Германия [15-17].
Описание структуры и габаритов
На рис. 1 изображена структурная схема гиперспектрального комплекса. Гиперспектрометр находится на теплосъемной панели, а для прецизионной температурной стабилизации в конструкцию интегрированы термодатчики и система термостабилизации. В него встроен блок вторичного питания, управляемый со спутниковой платформы разовыми командами (Р/К).
Оптическая часть гиперспектрометра состоит из входного объектива с мгновенным полем зрения 0.36°, спектроделителя на акустооптических перестраиваемых фильтрах, последовательно формирующих различные спектральные диапазоны из общего спектра входного излучения, и объектива, проецирующего развертку спектра на соответствующее каждому диапазону фотоприемное устройство на базе ВКЧД.
Отдельными элементами в общую конструкцию гиперспектрометра встроены прецизионные астродатчики, также основанные на ВКЧД.
Узел контроллеров гиперспектрометра управляет съемом данных с ВКЧД, термостабилизацией и съемом данных с прецизионных астродатчиков. Сверхпроизводительный встроенный контроллер обрабатывает данные с ВКЧД, астродатчиков, записывает данные в магнитную память объемом до 300 Гбайт и обменивается ими по высокоскоростной линии связи со спутниковой платформой. Также контроллер принимает с платформы навигационные, телеметрические данные и командную информацию по магистральному каналу информационного обмена (МКИО).
На рис. 2 изображены габаритные размеры гиперспектрального комплекса, составляющие 500 х 700 х 300 мм3.
Технические характеристики разрабатываемого гиперспектрометра
Гиперспектрометр обеспечивает получение информации о распределении поля спектральной яркости земной поверхности в диапазоне 0.35-2.5 мкм (гиперспектральные измерения) одновременно в шести спектральных поддиапазонах в соответствии с табл.1.
Приведем основные характеристики СГС:
- количество спектрально-поляризационных каналов измерения >1600;
- гиперспектральный режим съемки осуществляется в каждом из шести спектральных диапазонов по программе, заданной с Земли, или сформированной на борту;
- мгновенное поле зрения, град 0.36
- пространственное разрешение, м <3 м
- спектральное разрешение, нм 1 (для X = 0.5 мкм)
- входной диаметр объектива,
мм 250-300
- разрешение ВКЧД, линий 500
- угловое разрешение ВКЧД,
рад 6 • 10-6 (для X = 0.5 мкм)
- радиометрическое разрешение: в среднем не хуже 5% для максимального спектрального разрешения до 2.2 нм и пространственного - до 3 м. Рассматривается возможность повышения его до 1%; в отдельных спектральных диапазонах или пространственных областях может быть доведена до 0.1%;
- внешняя и внутренняя калибровки;
- температурный диапазон работы для посадочных мест -40.. .+40°С
- температурный режим работы для оптико-механического блока 20 ± 2°С
- объем магнитной памяти, Гбайт до 300
- скорость выдачи данных в радиолинию, Мбит/с 120
- масса прибора в целом, кг не более 50
- пиковая потребляемая мощность, Вт 200
- срок эксплуатации в условиях полета,
лет не менее 5.
Сравнительный анализ технических характеристик разрабатываемого гиперспектрометра с уже имеющимися зарубежными аналогами
Для проведения такого сравнения рассмотрим характеристики современных зарубежных спутниковых гиперспектрометров (см. табл. 2).
Конструктив
Рис. 1. Структурная схема гиперспектрометра. Угловая ширина поля зрения - 0.36°.
Из анализа табл. 1 и 2 видно, что параметры предлагаемого в настоящем проекте гиперспектрометра в большинстве случаев превосходят па-
раметры его зарубежных аналогов по таким характеристикам, как число спектральных каналов 1600 и 504 соответственно, пространственное раз-
Теплосъемная панель
м м
о о о
1. 27В
2. МКИО
3. Р/К
4. Высокоскоростная линия связи
300 мм
500 мм
0.36°
Рис. 2. Габаритная схема гиперспектрометра.
решение на местности 3 и 8 м, спектральное разрешение 1 и 3 нм. Что касается ширины спектрального диапазона гиперспектрометра 0.252500 нм, то она несколько уступает некоторым зарубежным аналогам. То же самое можно сказать и о ширине полосы захвата на местности -3.6 км при высоте полета ИСЗ 600 км. Однако последнее ограничение не является принципиальным, поскольку предусматривается возможность работы прибора в режиме перенацеливания. Таким образом, проектируемый гиперспектрометр
Таблица 1. Характеристики СГС
Зона спектра Диапазон спектра, мкм Спектральное разрешение, нм Аппаратное пространственное разрешение, м (с высоты 550 км) Измерение поляризации
1 0.35-0.45 1 2-3 есть
2 0.4-0.65 1 2-3 »
3 0.6-0.9 1-3 3-4 »
4 0.9-1.7 10-20 4-6 »
5 1.6-2.5 10-30 6-8 »
по большинству своих основных параметров превосходит зарубежные аналоги.
ХАРАКТЕРИСТИКИ ПЛАТФОРМЫ МКА
Гиперспектрометр не привязан к конкретной платформе и может быть размещен на широком классе космических платформ. В качестве возможного варианта размещения гиперспектрометра в [1] рассмотрено использование платформ группировки космической системы (КС) прогноза и мониторинга землетрясений "Вулкан", планируемой на момент рассмотрения в [1] в качестве одной из базовых платформ для МКА в Федеральной космической программе. Спутники системы "Вулкан" представляют собой малые космические аппараты и рассчитаны на солнечно-синхронные орбиты с высотами 550-1000 км. Платформы КС унифицированы, что обеспечивает адаптацию механическими, электрическими и другими интерфейсами. Использование МКА не требует для своего вывода тяжелых ракет-носителей, что позволяет удешевить их запуск и эксплуатацию.
Платформа МКА включает следующий основной состав служебной аппаратуры:
- бортовой комплекс управления;
- систему ориентации и стабилизации;
- систему
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.