Використання сигналів космічних систем навігації для дзз. Глонасс для космічних застосувань

Метод дистанційного зондування Землі
Дистанційне зондування– це отримання будь-якими неконтактними
методами інформації про поверхню Землі, об'єкти на ній або в її надрах.
Традиційно до даних дистанційного зондування відносять ті методи,
які дозволяють отримати з космосу або з повітря зображення земного
поверхні в будь-яких ділянках електромагнітного спектру (тобто за допомогою
електромагнітних хвиль (ЕМВ).
Переваги методу дистанційного зондування Землі полягає в
наступному:
актуальність даних на момент зйомки (більшість картографічних
матеріалів безнадійно застаріли);
висока оперативність одержання даних;
висока точність обробки даних за рахунок застосування GPS-технологій;
висока інформативність (застосування спектрозональної, інфрачервоної та
радарної зйомки дозволяє побачити деталі, не помітні на звичайних
знімках);
економічна доцільність (витрати отримання інформації
за допомогою ДЗЗ істотно нижче за наземні польові роботи);
можливість отримання тривимірної моделі місцевості (матриці рельєфу) за
рахунок використання стереорежиму або лідарних методів зондування та,
як наслідок, можливість проводити тривимірне моделювання ділянки
земної поверхні (системи віртуальної дійсності).

Види зйомки для отримання даних дистанційного зондування
Види зондування за джерелом сигналу:
Види зондування за місцем розміщення апаратури:
Космічна зйомка (фотографічна або оптико-електронна):
панхроматична (частіше в одному широкому видимому ділянці спектру) - найпростіший
приклад чорно-біла зйомка;
кольорова (зйомка в кількох, частіше за реальні кольори на одному носії);
багатозональна (одночасна, але роздільна фіксація зображення в різних
зонах спектру);
радарна (радіолокаційна);
Аерофотозйомка (фотографічна або оптико-електронна):
Ті самі види ДЗЗ, що й у космічній зйомці;
Лідарна (лазерна).

Можливість виявити та виміряти те чи інше явище, об'єкт чи процес
визначається роздільною здатністю сенсора.
Види дозволів:

Характеристики сенсорів апаратів ДЗЗ
Короткі характеристики космічних апаратів для отримання даних
дистанційного зондування Землі комерційного використання

Аерофотокомплекс, інтегрований з GPS-приймачем

Приклади аерофотознімків різного оптичного дозволу
0,6 м
2м
6м

Пташиного польоту в оптичному та тепловому (інфрачервоному) спектрах
Зліва – кольоровий аерознімок
нафтобази, праворуч – нічний
тепловий знімок тієї ж
території. Крім чіткого
розрізнення порожніх (світлі
гуртки)
і
наповнених
ємностей, тепловий знімок
дозволяє виявити витоку
з
резервуару
(3)
і
трубопроводу (1,2). Сенсор
САВР,
зйомка
Центру
екологічного
і
техногенного моніторингу;
Тригірський.

Радарний космічний знімок
Радарні знімки дозволяють виявляти на поверхні води нафту та нафтопродукти.
завтовшки плівки від 50 мкм. Інше застосування радарних знімків – оцінка
вологовмісту грунтів.

10.

Радарний космічний знімок
Радарна інтерферометрія дозволяє виявляти з навколоземної орбіти деформації
земної поверхні в частині сантиметра. На цьому зображенні показані деформації,
виниклі за кілька місяців розробки нафтового родовища Белрідж в
Каліфорнії. Колірна шкала показує вертикальні усунення від 0 (чорний-синій) до –
58 мм (червоно-коричневий). Обробку виконано фірмою Atlantis Scientific за знімками ERS1

11.

Наземний комплекс прийому та обробки даних ДЗЗ
(НКПОД) призначений для прийому даних ДЗЗ від
космічних апаратів, їх обробки та зберігання.
До складу конфігурації НКПОД входять:
антенний комплекс;
приймальний комплекс;
комплекс синхронізації, реєстрації та структурного
відновлення;
Комплекс програмного забезпечення.
Для забезпечення максимального радіусу
огляду
антенний
комплекс
повинен
встановлюватися так, щоб горизонт був
відкритий від кутів місця 2 град. і вище в
будь-якому азимутальному напрямку.
Для якісного прийому суттєвим
є
відсутність
радіоперешкод
в
діапазоні від 8,0 до 8,4 ГГц (передавальні
пристрої радіорелейних, тропосферних та
інших ліній зв'язку).

12.

Наземний комплекс прийому та обробки даних ДЗЗ (НКПОД)
НКПОД забезпечує:
формування заявок на планування зйомки земної поверхні та прийому
даних;
розпакування інформації з сортуванням за маршрутами та виділенням масивів
відеоінформації та службової інформації;
відновлення рядково-лінійної структури відеоінформації, декодування,
радіометричну корекцію, фільтрацію, перетворення динамічного
діапазону, формування оглядового зображення та виконання інших операцій
цифрової первинної обробки;
аналіз якості отриманих зображень з використанням експертних та
програмних методів;
каталогізацію та архівацію інформації;
геометричну корекцію та геоприв'язку зображень з використанням даних
про параметри кутового та лінійного руху космічних апаратів (КА) та/або
опорних точок біля;
ліцензійний доступ до даних, які одержують з багатьох закордонних супутників ДЗЗ.
Програмне забезпечення для управління антеним та приймальним комплексом
виконує такі основні функції:
автоматичну перевірку функціонування апаратної частини НКПВД;
розрахунок розкладу сеансів зв'язку, тобто проходження супутника через зону видимості
НКПОД;
автоматичну активізацію НКПОД та прийом даних відповідно до
розкладом;
розрахунок траєкторії супутника та управління антенним комплексом для
супроводу супутника;
форматування прийнятого інформаційного потоку та запис його на жорсткий
диск;
індикацію поточного стану системи та інформаційного потоку;
автоматичне ведення журналів.

13.

Основні напрямки застосування супутникових систем глобального
позиціонування при геоінформаційному забезпеченні підприємств
нафтогазового сектора:
розвиток опорних геодезичних мереж усіх рівнів від глобальних до
знімальних, а також проведення нівелірних робіт з метою геодезичного
забезпечення діяльності підприємств;
забезпечення видобутку корисних копалин (відкрита технологія, бурові
роботи та ін);
геодезичне забезпечення будівництва, прокладання трубопроводів,
кабелів, шляхопроводів, ЛЕП та ін. інженерно-прикладних робіт;
землевпорядні роботи;
рятувально-попереджувальні роботи (геодезичне забезпечення при
лиха і катастрофи);
екологічні дослідження: координатна прив'язка розливів нафти, оцінка
площ нафтових плям та визначення напряму їх руху;
зйомка та картографування всіх видів – топографічна, спеціальна,
тематична;
інтеграція з ГІС;
застосування у диспетчерських службах;
Навігація всіх видів - повітряна, морська, сухопутна.

14.

Пристрій та застосування супутникових систем глобального
позиціонування у нафтогазовій галузі
Існуючі СГСП: GPS, ГЛОНАСС, Бейдоу, Galileo, IRNSS
Основні елементи супутникової системинавігації:

15.

ГЛОНАСС
Основою системи є 24 супутники (і 2 резервні), що рухаються над
поверхнею Землі в трьох орбітальних площинах з нахилом орбітальних
площин 64,8° та висотою 19 100 км
маса – 1415 кг,
гарантований
термін
активного
існування - 7 років,
особливості - 2 сигнали для цивільних
споживачів,
по
порівнянні
зі
супутниками
попереднього покоління («Глонасс»)
точність позиціонування
об'єктів підвищено в 2,5 рази,
потужність СЕП - 1400 Вт,
початок льотних випробувань – 10 грудня
2003 року.
вітчизняна бортова ЦВМ на базі
мікропроцесора із системою команд VAX
11/750
маса – 935 кг,
гарантований
термін
активного
існування - 10 років,
нові навігаційні сигнали у форматі
CDMA, сумісні за форматом із системами
GPS/Galileo/Compass
за рахунок додавання сигналу CDMA в діапазоні
L3, точність навігаційних визначень у
форматі ГЛОНАСС підвищиться вдвічі за
порівняно із супутниками «Глонасс-М».
повністю російський апарат, відсутні
імпортні прилади

16.

Точність ГЛОНАСС
Згідно з даними СДКМ на 22 липня 2011 року, помилки навігаційних
визначень ГЛОНАСС за довготою та широтою становили 4,46-7,38 м при
використання у середньому 7-8 КА (залежно від точки прийому). В теж
час помилки GPS становили 2,00-8,76 м при використанні в середньому 6-11
КА (залежно від точки прийому).
При спільному використанні обох систем навігації помилки
становлять 2,37-4,65 м при використанні в середньому 14-19 КА (в
залежно від точки прийому).
Склад групи КНС ГЛОНАСС на 13.10.2011:
Усього у складі ОГ ГЛОНАСС
28 КА
Використовуються за цільовим призначенням
21 КА
На етапі введення у систему
2 КА
Тимчасово виведені на
техобслуговування
4 КА
Орбітальний резерв
1 КА
На етапі виведення із системи
-

17.

Устаткування прийому сигналів ГЛОНАСС
Екран приладу-навігатора Glospace з
відображенням плану московських вулиць
перспективної проекції та вказівкою
місцезнаходження спостерігача
НАП «ГРОТ-М» (НДІКП, 2003 р.)
один із перших зразків

18.

GPS
Основою системи є 24 супутники (і 6 резервних), що рухаються над
поверхнею Землі з частотою 2 обороти на добу по 6-ти круговим орбітальним
траєкторіям (по 4 супутники в кожній), висотою приблизно 20180 км з нахилом
орбітальних площин 55 °
Супутник системи GPS на орбіті

19.

Устаткування прийому сигналів GPS

20.

Типи устаткування прийому сигналу СГПС
навігатор ( точний час; орієнтацію з боків світла; висоту над рівнем
моря; направлення на точку з координатами, заданими користувачем; поточну
швидкість, пройдена відстань, середня швидкість; поточне становище на
електронну карту місцевості; поточне положення щодо маршруту);
трекер (GPS/ГЛОНАСС +GSM, передає дані про місцезнаходження та переміщення,
не відображає картку на клієнтському обладнанні (тільки на сервері);
логер (трекер без GSM-модуля, записує дані про переміщення).
навігатор
трекер
Логер

Б.А. Дворкін

Активне впровадження інформаційних супутникових технологій як складової частини інформатизації суспільства, що бурхливо розвивається, кардинально змінює умови життя і діяльності людей, їх культуру, стереотип поведінки, спосіб мислення. Ще кілька років тому на побутові чи автомобільні навігатори дивилися як на диво. Космічні знімки високого дозволу на Інтернет-сервісах, таких, як Google Earth, люди розглядали і не переставали захоплюватися. Зараз же жоден автомобіліст (якщо в автомобілі поки що немає навігатора) не вийде з дому, попередньо не вибравши в навігаційному порталі оптимальний маршрут з урахуванням пробок. Навігаційне обладнання встановлюється на рухомому складі громадського транспорту, зокрема і з метою контролю. Космічні знімки використовуються для отримання оперативної інформації в районах стихійного лиха і для вирішення різних завдань, наприклад, муніципального управління. Приклади можна множити і всі вони підтверджують той факт, що результати космічної діяльностістали невід'ємною частиною сучасного життя. Не дивно також, що різні космічні технології часто використовують спільно. Звідси, звичайно, ідея інтеграції технологій та створення єдиних наскрізних технологічних ланцюжків лежить на поверхні. У цьому сенсі не є винятком технології дистанційного зондування Землі (ДЗЗ) із космосу та глобальних навігаційних супутникових систем (ГНСС). Але про все по порядку.

ГЛОБАЛЬНІ НАВІГАЦІЙНІ СУПУТНИКОВІ СИСТЕМИ

Глобальна навігаційна супутникова система (ГНСС) - комплекс технічних та програмних засобів, що дозволяють отримати свої координати у будь-якій точці земної поверхні шляхом обробки супутникових сигналів. Основними елементами будь-якої ДПС є:

• орбітальне угруповання супутників;
• наземна система керування;
• приймальне обладнання.

Супутники постійно передають інформацію про своє становище на орбіті, наземні стаціонарні станції забезпечують моніторинг та контроль за положенням супутників, а також їх технічного стану. Приймальне обладнання є різноманітними супутниковими навігаторами, які використовуються людьми у своїй професійній діяльності або побуті.

Принцип роботи ГНСС заснований на вимірі відстані від антени приймального пристрою до супутників, становище яких відоме з великою точністю. Відстань обчислюється за часом затримки поширення сигналу, що передається супутником приймач. Для визначення координат приймача достатньо знати положення трьох супутників. Насправді використовуються сигнали з чотирьох (або більше) супутників - для усунення похибки, спричиненої різницею між годинником супутника та приймача. Знаючи відстані до кількох супутників системи, за допомогою звичайних геометричних побудов, програма «зашита» в навігатор обчислює його положення в просторі, таким чином, ГНСС дозволяє швидко визначити місцезнаходження з високою точністю в будь-якій точці земної поверхні, у будь-який час за будь-яких погодних умов. . Кожен супутник системи, крім основної інформації, також передає допоміжну, необхідну для безперервної роботи приймального обладнання, в т. ч. повну таблицю положення всього супутникового угруповання, що передається послідовно протягом декількох хвилин. Це необхідно для прискорення роботи приймальних пристроїв. Слід зазначити важливу характеристику основних ДПСС - для користувачів, які мають супутникові приймачі (навігатори) отримання сигналів безкоштовно.

Загальним недоліком використання будь-якої навігаційної системи є те, що за певних умов сигнал може не доходити до приймача або приходити зі значними спотвореннями чи затримками. Наприклад, практично неможливо визначити своє точне місцезнаходження всередині залізобетонної будівлі, у тунелі, у густому лісі. Для вирішення цієї проблеми використовуються додаткові навігаційні сервіси, такі як A-GPS.

Сьогодні в космосі працює кілька ДПСС (табл. 1), що знаходяться на різних етапах свого розвитку:

• GPS(або NAVSTAR) – керується Міністерством оборони США; в даний час єдина повністю розгорнута ДПС доступна цілодобово користувачам по всьому світу;
• ГЛОНАСС- російська ДПСС; знаходиться у стадії завершення повного розгортання;
• Galileo- європейська ДПСС, яка перебуває на етапі створення супутникового угруповання.

Згадаємо також національні регіональні ДПСС Китаю та Індії, відповідно - Бейдоу та IRNSS, що знаходяться на стадії розробки та розгортання; відрізняється невеликою кількістю супутників та національно-орієнтовані.

Характеристика основних ДПС станом на березень 2010 р.

Розглянемо деякі особливості кожної ДПСУ.

GPS

Основою американської системи GPS є супутники (рис. 2), що облітають Землю за 6 круговими орбітальними траєкторіями (по 4 супутники в кожній), на висоті приблизно 20 180 км. Супутники передають сигнали в діапазонах: L1=1575,42 МГц та L2=1227,60 МГц, останні моделітакож у діапазоні L5=1176,45 МГц. Повну працездатність системи забезпечують 24 супутники, однак, для збільшення точності позиціонування та резерву на випадок збоїв, загальна кількість супутників на орбіті в даний час складає 31 апарат.

Мал. 1 Космічний апарат GPS Block II-F

Спочатку GPS призначалася лише для військових цілей. Перший супутник був виведений на орбіту 14 липня 1974 р., а останній із усіх 24 супутників, необхідних для повного покриття земної поверхні, був виведений на орбіту в 1993 р. Стало можливим використовувати GPS для точного наведення ракет на нерухомі, а потім і на рухливі об'єкти в повітрі та на землі. Для обмеження доступу до точної навігаційної інформації для цивільних користувачів вводилися спеціальні перешкоди, проте з 2000 р. їх було скасовано, після чого точність визначення координат за допомогою найпростішого цивільного GPS-навігатора становить від 5-15 м (висота визначається з точністю до 10 м). і залежить від умов прийому сигналів у конкретній точці, кількості видимих ​​супутників та інших причин. Використання глобальної системи поширення диференціальних виправлень WAAS підвищує точність позиціонування GPS для Північної Америки до 1-2 м.

ГЛОНАСС

Перший супутник російської супутникової системи навігації ГЛОНАСС був виведений на орбіту ще за радянських часів - 12 жовтня 1982 р. Частково система була введена в експлуатацію в 1993 р. і складалася з 12 супутників. Основою системи повинні бути 24 супутники, що рухаються над поверхнею Землі в трьох орбітальних площинах з нахилом 64,8 ° і висотою 19 100 км. Принцип вимірювання та діапазони передачі сигналів аналогічні американській системі GPS ГЛОНАСС.

Мал. 2 Космічний апарат ГЛОНАСС-М

В даний час на орбіті знаходяться 23 супутники ГЛОНАСС (рис. 2). Останні три космічні апарати було виведено на орбіту 2 березня 2010 р. Наразі використовуються за цільовим призначенням – 18 супутників. Це забезпечує безперервну навігацію майже по всій території Росії, причому, Європейська частина забезпечена сигналом майже 100%. За планами повністю систему ГЛОНАСС буде розгорнуто до кінця 2010 року.

В даний час точність визначення координат системою ГЛОНАСС дещо нижче за аналогічні показники для GPS (не перевищує 10 м), при цьому слід зазначити, що спільне використання обох навігаційних систем істотно підвищує точність позиціонування. Для покращення роботи систем GPS, ГЛОНАСС та Galileo на території Європи та підвищення їх точності служить Європейська геостаціонарна служба навігаційного покриття (EGNOS).

Galileo

Європейська ДПС Galileo призначена для вирішення навігаційних завдань для будь-яких рухомих об'єктів з точністю менше 1 м. На відміну від американської GPS та російської ГЛОНАСС, Galileo не контролюється військовими відомствами. Її розробку здійснює Європейське космічне агентство. В даний час на орбіті знаходяться 2 тестові супутники GIOVE-A (рис. 3) і GIOVE-B, запущених, відповідно в 2005 і 2008 рр. Планується, що навігаційна система Galileo повністю буде розгорнута в 2013 році і складатиметься з 30 супутників.

Мал. 3 Космічний апарат GIOVE-A

СУПУТНИКОВІ навігатори

Як уже зазначалося, складовою будь-якої супутникової навігаційної системи є приймальне обладнання. Сучасний ринок навігаційних приймачів (навігатори) відрізняється таким же різноманіттям, як і ринок будь-якої іншої електронної та телекомунікаційної продукції. Всі навігатори можна поділити на професійні приймальні пристрої та приймачі, які використовуються широким колом користувачів. Зупинимося докладніше на останніх. Для них використовуються різні назви: GPS-навігатори, GPS-трекери, GPS-приймачі, супутникові навігатори і т.д. .). Серед супутникових навігаторів особливий великий клас складають автомобільні навігатори. Широкого поширення набувають і навігатори, призначені для піших, водних і т. д. походів (їх часто називають просто GPS-навігатори, незважаючи на те, що вони можуть приймати і сигнали ГЛОНАСС).

Обов'язковою приналежністю практично всіх персональних навігаторів є GPS-чіпсет (або ресивер), процесор, оперативна пам'ять та монітор для відображення інформації.

Сучасні автомобільні навігатори здатні прокладати маршрут з урахуванням організації дорожнього руху та здійснювати адресний пошук. Особливістю персональних навігаторів для туристів є, як правило, можливість прийому супутникового сигналу в складних умовах, наприклад, густого лісу або гірської місцевості. Деякі моделі мають водонепроникний корпус підвищеної стійкості до ударів.

Основними виробниками персональних супутникових навігаторів є:

• Garmin (США; навігатори для повітряного, автомобільного, мото- та водного транспорту, а також для туристів та спортсменів)
• GlobalSat (Тайвань; навігаційне обладнання різного призначення, у т. ч. GPS-приймачі)
• Ashtech (був. Magellan) (США; персональні та професійні навігаційні приймачі)
• MiTac (Тайвань; автомобільні та туристичні навігатори, кишенькові персональні комп'ютери та комунікатори з вбудованим GPS-приймачем під брендами Mio, Navman, Magellan)
• ThinkWare (Корея; персональні навігаційні пристрої під брендом I-Navi)
• TomTom (Нідерланди; автомобільні навігатори) та ін.

Професійне навігаційне обладнання, у т. ч. для інженерно-геодезичних та маркшейдерських робіт виробляють такі компанії як Trimble, Javad (США), Topcon (Японія), Leica Geosystems (Швейцарія) та ін.

Як зазначалося, нині випускається велика кількістьперсональних навігаційних пристроїв, що відрізняються за своїми можливостями та ціною. Ми як ілюстрація опишемо особливості лише одного досить «просунутого» приладу, щоб охарактеризувати можливості всього класу сучасних GPS-навігаторів. Це одна з останніх новинок популярної серії автомобільних навігаторів. TomTom GO 930 (Опис взято з сайту GPS-Клубу - http://gps-club.ru).

Модель навігатора TomTom GO 930 (рис. 6) поєднує останні тенденції автомобільної навігації - карти декількох континентів, бездротову гарнітурута унікальну технологію Map Share™

Мал. 4 Автомобільний навігатор TomTom GO 930

Всі пристрої TomTom розробляються самою компанією і повністю «plug&play», і це означає, що їх можна просто вийняти з коробки і почати використовувати, не читаючи довгих інструкцій. Інтуїтивно зрозумілий інтерфейс та «іконки» російською мовою дозволять водіям легко прокласти маршрут. Ясні голосові інструкції російською допомагають автомобілістам дістатися до пункту призначення легко і без зайвого стресу. Навігатор підтримує функцію бездротового керування та технологію Enhanced Positioning Technology (EPT), створену для безперервної навігації навіть у тунелях або щільно забудованих областях.

Постачальником навігаційних карт TomTom є Tele Atlas, що входить до TomTom Group. На додаток до того, що TomTom має повністю русифіковані карти, це єдиний постачальник рішень для навігації, який пропонує карти Європи та США на вибраних моделях навігаторів.

Інфраструктура доріг світу змінюється на 15% щороку. Тому TomTom дає своїм користувачам можливість безкоштовно завантажувати останню версію карт протягом 30 днів з моменту першого користування навігатором, а також доступ до унікальної технології Map Share™. Користувачі навігаторів TomTom можуть завантажити нову картучерез сервіс TomTom HOME. Таким чином, остання версія картки може бути доступна у будь-який час. Більше того, автомобілісти можуть користуватися технологією Map Share™ - це безкоштовне оновлення карти вручну прямо на навігаторі, як тільки стають відомі зміни на дорогах, шляхом лише кількох торкань сенсорного екрану. Користувачі можуть вносити зміни назв вулиць, обмеження швидкості на певних відрізках колії, напрямки руху, перекриті проїзди, а також зміни в POI (точки інтересу).

Унікальна технологія TomTom із спільного використання карт розширює навігаційні функції: тепер користувач може миттєво вносити зміни безпосередньо до своєї карти. Крім того, користувач може отримувати дані про аналогічні зміни, виконані всією спільнотою TomTom.

Функція такого спільного використаннякарт дозволяє:

• щоденно та негайно вносити зміни до карт Вашого пристрою TomTom;
• отримувати доступ до найбільшого у світі спільноти користувачів навігаційних пристроїв;
• щоденно ділитися оновленнями з іншими користувачами TomTom;
• отримувати повний контроль над оновленнями, що завантажуються;
• у будь-якій місцевості використовувати найкращі та точні карти.

КАРТИ ДЛЯ ПЕРСОНАЛЬНИХ СУПУТНИКОВИХ навігаторів

Сучасні навігатори немислимі без наявності в них повноцінних великомасштабних карт, які показують об'єкти як маршруту руху, а й по всій території огляду (рис 7).

Мал. 5 Зразок дрібномасштабної навігаційної карти

У навігатори можна завантажувати як растрові, так і векторні карти. Про один з видів растрової інформації ми поговоримо особливо, а тут же зауважимо, що відскановані та завантажені до GPS-приймачів паперові картки - не найбільший кращий спосібвідображення просторової інформації. Крім невисокої точності позиціонування, виникає проблема прив'язки координат карти до координат, що видаються приймачем.

Векторні цифрові карти, особливо в ГІС-форматах, є фактично базою даних, де зберігається інформація про координати об'єктів у вигляді, наприклад, «шейп-файлів» і, окремо, якісні та кількісні характеристики. При такому підході в пам'яті навігаторів інформація займає набагато менше місця і з'являється можливість завантажувати велику кількість корисної довідкової інформації: бензозаправні станції, готелі, кафе і ресторани, стоянки, пам'ятки і т.д.

Як уже говорилося вище, існують навігаційні системи, що дозволяють користувачеві доповнювати карти навігатора своїми власними об'єктами.

У деяких персональних навігаційних пристроях, особливо призначених для туристів, існує можливість наносити об'єкти самому (тобто фактично складати власні карти та схеми). Для цього передбачено спеціальний нескладний графічний редактор.

Особливо слід зупинитись на режимних питаннях. Як відомо, у Росії досі існують обмеження на використання великомасштабних топографічних карт. Це достатньо стримує розвиток навігаційної картографії. Слід, однак, відзначити, що в даний час Федеральна служба державної реєстрації, кадастру та картографії (Росррестр) поставила завдання до 2011 мати повне покриття РФ (економічно розвинених районів і міст) цифровими навігаційними картами масштабів 1:10 000, 1:25 000, 1:50 000. На цих картах відображатимуться навігаційна інформація, представлена ​​графом доріг, цифрова картографічна підкладка та тематична інформація (об'єкти придорожньої інфраструктури та сервісу).

НАВІГАЦІЙНІ СЕРВІСИ

Розвиток та вдосконалення супутникових навігаційних систем та приймального обладнання, а також все активне впровадження в життя WEB-технологій та WEB-сервісів послужило поштовхом до появи різних навігаційних сервісів. Багато моделей навігаторів здатні приймати та враховувати під час прокладання маршруту інформацію про ситуацію на дорогах, по можливості уникаючи транспортних заторів. Дані про трафік (пробки) надаються спеціалізованими службами та сервісами, GPRS протоколом або з радіо ефіру каналами RDS діапазону FM.

КОСМІЧНІ ЗНІМКИ У навігаторах

Будь-які навігаційні карти досить швидко старіють. Поява космічних зйомок надвисокої просторової роздільної здатності (нині космічні апарати WorldView-1, WorldView-2, GeoEye-1 забезпечують роздільну здатність до 50 см) дають картографії потужний інструмент оновлення вмісту карток. Однак після оновлення карти та до її випуску та можливості «завантаження» в навігаційний пристрій проходить чимало часу. Космічні знімки надають можливість одразу отримати в навігаторі найактуальнішу інформацію.

Особливий інтерес з погляду використання космічних знімків є, т. зв. LBS служби. LBS (Location-based service) є сервіс, в основі якого - визначення розташування мобільного телефону. З урахуванням повсюдного розвитку мобільного зв'язкута розширення послуг, що надаються стільниковими операторами, можливості ринку LBS-сервісів важко переоцінити LBS не обов'язково використовують GPS технології для визначення місцезнаходження. Розташування також може бути визначено з використанням базових станційстільникових мереж GSM та UMT.

Мал. 6 Космічний знімок у мобільному телефоні Nokia

Виробники мобільних телефонівта навігаційних пристроїв, надаючи послуги LBS, все більше уваги приділяють космічним знімкам. Наведемо як приклад компанію Nokia (Фінляндія), яка підписала у 2009 р. угоду з компанією DigitalGlobe, оператором супутників надвисокого дозволу WorldView-1, WorldView-2 та QuickBird, про забезпечення користувачів сервісу Ovi Maps доступом до космічних знімків (зауважимо, що Ovi - Новий бренд компанії Nokia для Інтернет-сервісів).

Крім наочності при навігації міськими територіями (рис. 8), дуже корисно мати підкладку у вигляді космічних знімків, подорожуючи маловивченою територією, на яку немає свіжих і детальних карт. Сервіс Ovi Maps може бути завантажений практично у всі пристрої Nokia.

Інтеграція космічних знімків надвисокої роздільної здатності в LBS-сервіси дозволяє на порядок підвищити їхню функціональність.

Одна з перспективних можливостей використання даних дистанційного зондування Землі з космосу – створення за ними тривимірних моделей. Тривимірні карти відрізняються великою наочністю і дозволяють краще орієнтуватися, особливо в умовах міської забудови (рис. 9).

Мал. 7 Тривимірна навігаційна карта

На закінчення відзначимо велику перспективність використання ортотрансформованих знімків надвисокої роздільної здатності у супутникових навігаторах та LBS-сервісах. Компанія «Совзонд» випускає продукти ОРТОРЕГІОН та ОРТО10, які базуються на ортотрансформованих знімках із космічних апаратів ALOS (ОРТОРЕГІОН) та WorldView-1, WorldView-2 (ОРТО10). Ортотрансформування окремих сцен виконується за методом коефіцієнтів раціональних поліномів (RPC) без використання наземних опорних точок, що суттєво здешевлює роботу. Проведені дослідження показали, що за своїми характеристиками продукти ОРТОРЕГІОН і ОРТО10 цілком можуть служити основою для оновлення навігаційних карт відповідно масштабів 1:25 000 і 1:10 000. Ортофотомозаїки, що є фактично фотокартки, доповнені підписами, можуть також безпосередньо завантажуватися в навігатори.

Інтеграція космічних знімків високого дозволу в навігаційні системи та LBS-сервіси дозволяє на порядок підвищити їх функціональність, зручність та ефективність використання.

Супутник ДЗЗ "Ресурс-П"

Дистанційне зондування Землі (ДЗЗ) - спостереження поверхні авіаційними та космічними засобами, оснащеними різними видами знімальної апаратури. Робочий діапазон довжин хвиль, що приймаються знімальною апаратурою, становить від часток мікрометра (видиме оптичне випромінювання) до метрів (радіохвилі). Методи зондування можуть бути пасивні, тобто використовувати природне відбите або вторинне теплове випромінювання об'єктів на поверхні Землі, обумовлене сонячною активністю, і активні, що використовують вимушене випромінювання об'єктів, ініційоване штучним джерелом спрямованої дії. Дані ДЗЗ, отримані з (КА), характеризуються великим ступенем залежність від прозорості атмосфери. Тому на КА використовується багатоканальне обладнання пасивного та активного типів, що реєструють електромагнітне випромінювання у різних діапазонах.

Апаратура ДЗЗ перших КА, запущених у 1960-70-х роках. була трасового типу - проекція області вимірювань на поверхню Землі була лінією. Пізніше з'явилася і поширилася апаратура ДЗЗ панорамного типу - сканери, проекція області вимірів поверхню Землі яких є смугу.

Космічні апарати дистанційного зондування Землі використовуються для вивчення природних ресурсів Землі та вирішення завдань метеорології. КА для дослідження природних ресурсів оснащуються переважно оптичною або радіолокаційною апаратурою. Переваги останньої полягають у тому, що вона дозволяє спостерігати поверхню Землі у будь-який час, незалежно від стану атмосфери.

Загальний огляд

Дистанційне зондування є методом отримання інформації про об'єкт або явище без безпосереднього фізичного контакту з цим об'єктом. Дистанційне зондування є підрозділом географії. У сучасному розумінні термін в основному відноситься до технологій повітряного або космічного зондування місцевості з метою виявлення, класифікації та аналізу об'єктів земної поверхні, а також атмосфери та океану за допомогою поширюваних сигналів (наприклад, електромагнітної радіації). Поділяють на активне (сигнал спочатку випромінюється літаком або космічним супутником) та пасивне дистанційне зондування (реєструється лише сигнал інших джерел, наприклад, сонячне світло).

Пасивні сенсори дистанційного зондування реєструють сигнал, що випромінюється або відображений об'єктом або прилеглою територією. Відображений сонячне світло - джерело випромінювання, що найчастіше використовується, реєструється пасивними сенсорами. Прикладами пасивного дистанційного зондування є цифрова та плівкова фотографія, застосування інфрачервоних, приладів із зарядним зв'язком та радіометрів.

Активні прилади, у свою чергу, випромінюють сигнал з метою сканування об'єкта та простору, після чого сенсор має можливість виявити та виміряти випромінювання, відбите або утворене шляхом зворотного розсіювання метою зондування. Прикладами активних сенсорів дистанційного зондування є радар і лідар, якими вимірюється затримка в часі між випромінюванням і реєстрацією повернутий сигнал, таким чином визначаючи розміщення, швидкість і напрямок руху об'єкта.

Дистанційне зондування надає можливість отримувати дані про небезпечні, важкодоступні об'єкти, що швидко рухаються, а також дозволяє проводити спостереження на великих ділянках місцевості. Прикладами застосування дистанційного зондування може бути моніторинг вирубування лісів (наприклад, у басейні Амазонки), стан льодовиків в Арктиці та Антарктиці, вимірювання глибини океану за допомогою лоту. Дистанційне зондування також приходить на заміну дорогим і порівняно повільним методам збору інформації з поверхні Землі, одночасно гарантуючи невтручання людини в природні процеси на територіях або об'єктах, що спостерігаються.

За допомогою орбітальних космічних апаратів вчені мають можливість збирати та передавати дані в різних діапазонах електромагнітного спектру, які, у поєднанні з більш масштабними повітряними та наземними вимірами та аналізом, забезпечують необхідний спектр даних для моніторингу актуальних явищ та тенденцій, таких як Ель-Ніньо та інші природні феномени, як у коротко-, і у довгостроковій перспективі. Дистанційне зондування також має прикладне значення у сфері геонаук (наприклад, природокористування), сільському господарстві (використання та збереження природних ресурсів), національної безпеки (моніторинг прикордонних областей).

Техніки отримання даних

Основна мета мультиспектральних досліджень та аналізу отриманих даних – це об'єкти та території, що випромінюють енергію, що дозволяє виділяти їх на тлі навколишнього середовища. Короткий огляд супутникових систем дистанційного зондування знаходиться у оглядовій таблиці.

Як правило, найкращим часом для отримання даних методами дистанційного зондування є літній час (зокрема, у ці місяці найбільший кут сонця над горизонтом та найбільша тривалість дня). Винятком із цього правила є отримання даних за допомогою активних датчиків (наприклад, Радар, Лідар), а також теплових даних у довгохвильовому діапазоні. У теплобаченні, при якому датчики проводять вимірювання теплової енергії, краще використовувати проміжок часу, коли різниця температури землі та температури повітря є найбільшою. Таким чином, найкращий час для цих методів – холодні місяці, а також кілька годин до світанку будь-якої пори року.

Крім того, є ще деякі міркування, які потрібно враховувати. За допомогою радара, наприклад, не можна отримувати зображення голої поверхні землі при товстому сніговому покриві; те саме можна сказати і про лідара. Тим не менш, ці активні сенсори нечутливі до світла (або його відсутності), що робить їх відмінним вибором для застосування до високих широт (наприклад). Крім того, як радар, так і лідар здатні (залежно від довжин хвиль, що використовуються) отримувати зображення поверхні під пологом лісу, що робить їх корисними для застосування в сильно зарослих регіонах. З іншого боку, спектральні методи отримання даних (як стереозображення, так і мультиспектральні методи) застосовуються в основному сонячні дні; дані, зібрані в умовах низького освітлення, як правило, мають низький рівень сигнал/шум, що ускладнює їхню обробку та інтерпретацію. До того ж, у той час як стереозображення здатні відображати та ідентифікувати рослинність та екосистеми, за допомогою цього методу (як і при мультиспектральному зондуванні) неможливо проникнути під навіс дерев та отримати зображення земної поверхні.

Застосування дистанційного зондування

Дистанційне зондування найчастіше застосовується у сільському господарстві, геодезії, картографуванні, моніторингу поверхні землі та океану, а також шарів атмосфери.

Сільське господарство

За допомогою супутників можна з певністю циклічністю отримувати зображення окремих полів, регіонів та округів. Користувачі можуть отримувати цінну інформацію про стан угідь, у тому числі ідентифікацію культур, визначення посівних площ сільськогосподарських культур та стан урожаю. Супутникові дані використовуються для точного управління та моніторингу результатів ведення сільського господарства на різних рівнях. Ці дані можуть бути використані для оптимізації фермерського господарства та просторово-орієнтованого управління технічними операціями. Зображення можуть допомогти визначити місце врожаю і ступінь виснаження земель, а потім можуть бути використані для розробки та реалізації плану лікування, для локальної оптимізації використання сільськогосподарських хімікатів. Основними сільськогосподарськими додатками дистанційного зондування є:

• рослинність:
  • класифікація типу культур
  • оцінка стану посівів (моніторинг сільськогосподарських культур, оцінка збитків)
  • оцінка врожайності

• грунт
  • відображення характеристик ґрунту
  • відображення типу ґрунту
  • ерозія ґрунту
  • вологість ґрунту
  • відображення практики обробітку ґрунту

Моніторинг лісового покриву

Дистанційне зондування також застосовується для моніторингу лісового покриву та ідентифікації видів. Отримані у такий спосіб карти можуть покривати більшу площу, одночасно відображаючи детальні вимірювання та характеристики території (тип дерев, висота, щільність). Використовуючи дані дистанційного зондування, можна визначити та розмежувати різні типилісу, що було б важко досягти, використовуючи традиційні методи на поверхні землі. Дані доступні в різних масштабах та дозволах, що цілком відповідає локальним або регіональним вимогам. Вимоги до детальності відображення місцевості залежить від масштабу дослідження. Для відображення змін у лісовому покриві (текстури, щільності листя) застосовуються:

• мультиспектральні зображення: для точної ідентифікації видів необхідні дані з дуже високою роздільною здатністю

• багаторазові знімки однієї території, що використовуються для отримання інформації про сезонні зміни різних видів

• стереофотографії – для розмежування видів, оцінки щільності та висоти дерев. Стереофотографії надають унікальний вид на лісовий покрив, доступний лише через технології дистанційного зондування.

• Радари широко застосовуються в зоні вологих тропіків, завдяки їх властивості отримувати зображення за будь-яких погодних умов.

• Лідари дозволяє отримувати 3-мірну структуру лісу, виявляти зміни висоти поверхні землі та об'єктів на ній. Дані Лідара допомагають оцінити висоту дерев, області корон та кількість дерев на одиниці площі.

Моніторинг поверхні

Моніторинг поверхні є одним із найбільш важливих та типових застосувань дистанційного зондування. Отримані дані використовуються щодо фізичного стану поверхні землі, наприклад, лісу, пасовища, дорожнього покриття тощо, зокрема результатів діяльності, такі, як ландшафт у промислових і житлових зонах, стану сільськогосподарських територій тощо. Спочатку повинна бути встановлена ​​система класифікації земельного покриву, яка зазвичай включає рівні та класи земель. Рівні та класи повинні бути розроблені з урахуванням мети використання (на національному, регіональному або місцевому рівні), просторового та спектрального дозволу даних дистанційного зондування, запиту користувача тощо.

Виявлення зміни стану поверхні землі необхідне оновлення карт рослинного покриву і раціоналізації використання природних ресурсів. Зміни, як правило, виявляються при порівнянні кількох зображень, що містять кілька рівнів даних, а також, у деяких випадках, порівнянні старих карт і оновлених зображень дистанційного зондування.

• сезонні зміни: сільськогосподарські угіддя та листяні ліси змінюються по-сезонно

• річні зміни: зміни поверхні землі чи території землекористування, наприклад, райони вирубки лісу чи розростання міст

Інформація про поверхню землі та зміни характеру рослинного покриву прямо необхідні визначення та реалізації політики захисту навколишнього середовища і можуть бути використані спільно з іншими даними для проведення складних розрахунків (наприклад, визначення ризиків ерозії).

Геодезія

Збір геодезичних даних з повітря вперше був використаний для виявлення підводних човнів та отримання гравітаційних даних, що використовуються для побудови військових карт. Ці дані становлять рівні миттєвих обурень гравітаційного поля Землі, які можуть бути використані для визначення змін у розподілі мас Землі, що у свою чергу може бути затребуваним для проведення різних геологічних досліджень.

Акустичні та навколоакустичні застосування

• Сонар: пасивний гідролокатор, що реєструє звукові хвилі, що виходять з інших об'єктів (судно, кит і т.д.); активний гідролокатор, випромінює імпульси звукових хвиль та реєструє відбитий сигнал. Використовується для виявлення, визначення розташування та вимірювання параметрів підводних об'єктів та місцевості.

• Сейсмографи – спеціальний вимірювальний пристрійякий використовується для виявлення та реєстрації всіх типів сейсмічних хвиль. За допомогою сейсмограм, знятих у різних місцях певної території, можна визначити епіцентр землетрусу та виміряти його амплітуду (після того, як воно сталося) шляхом порівняння відносних інтенсивностей та точного часу коливань.

• УЗД: датчики ультразвукового випромінювання, які випускають високочастотні імпульси та реєструють відбитий сигнал. Використовується для виявлення хвиль на воді та визначення рівня води.

При координації серій масштабних спостережень більшість систем зондування залежать від наступних факторів: розташування платформи та орієнтації датчиків. Високоякісні інструменти часто використовують позиційну інформацію від супутникових систем навігації. Обертання та орієнтація часто визначається електронними компасами з точністю близько одного – двох градусів. Компаси можуть вимірювати як азимут (тобто. градусне відхилення від магнітної півночі), а й висоти (значення відхилення рівня моря), оскільки напрям магнітного поля щодо Землі залежить від широти, де відбувається спостереження. Для більш точного орієнтування необхідно застосування інерційної навігації з періодичними поправками різними методами, включаючи навігацію по зірок або відомих орієнтирів.

Огляд основних приладів дистанційного зондування

• Радари в основному застосовуються в системах контролю повітряного трафіку, раннього оповіщення, моніторингу лісового покриву, сільському господарстві та для отримання метеорологічних даних великого масштабу. Радар Допплера використовується правоохоронними організаціями для контролю швидкісного режиму автотранспорту, а також для отримання метеорологічних даних про швидкість та напрям вітру, місцезнаходження та інтенсивність опадів. Інші типи одержуваної інформації включають дані про іонізований газ в іоносфері. Інтерферометричний радар штучної апертури використовується для отримання точних цифрових моделей рельєфу великих ділянок місцевості.

• Лазерні та радіолокаційні висотоміри на супутниках забезпечують отримання широкого спектра даних. Вимірюючи відхилення рівня води океану, викликані гравітацією, ці прилади відображають особливості рельєфу морського дна з роздільною здатністю близько однієї милі. Вимірюючи висоту і довжину хвилі океанських хвиль за допомогою висотомірів, можна дізнатися швидкість і напрям вітру, а також швидкість і напрям поверхневих океанічних течій.

• Ультразвукові (акустичні) та радіолокаційні датчики використовуються для вимірювання рівня моря, припливів та відливів, визначення напрямку хвиль у прибережних морських регіонах.

• Технологія світлового виявлення та визначення дальності (ЛІДАР) добре відома своїм застосуванням у військовій сфері, зокрема у лазерній навігації снарядів. ЛІДАРи використовується також для виявлення та вимірювання концентрації різних хімічних речовин в атмосфері, в той час як ЛІДАР на борту літака може бути використаний для вимірювання висоти об'єктів та явищ на землі з більшою точністю, ніж та, яка може бути досягнута за допомогою радіолокаційної техніки. Дистанційне зондування рослинності також є одним із основних застосувань ЛІДАРу.

• Радіометри і фотометри є найпоширенішими інструментами, що використовуються. Вони фіксують відбите і випромінювання, що випускається, в широкому діапазоні частот. Найбільш поширеними є датчики видимого та інфрачервоного діапазонів, потім йдуть мікрохвильові датчики гамма-променів і, рідше, датчики ультрафіолету. Ці прилади можуть бути використані для виявлення емісійного спектру різних хімічних речовин, надаючи дані про їх концентрацію в атмосфері.

• Стереозображення, отримані за допомогою аерофотозйомки, часто використовуються при зондуванні рослинності на поверхні Землі, а також для побудови топографічних карт при розробці потенційних маршрутів шляхом аналізу зображень місцевості, у поєднанні з моделюванням особливостей навколишнього середовища, отриманих наземними методами.

• Мультиспектральні платформи, такі як Landsat, активно використовувалися починаючи з 70-х років. Ці прилади використовувалися для побудови тематичних карт шляхом отримання зображень у кількох довжинах хвиль електромагнітного спектра (мульти-спектра) і, зазвичай, застосовуються на супутниках спостереження Землею. Прикладами таких місій є програма Landsat або супутник IKONOS. Карти рослинного покриву та землекористування, отримані методом тематичного картографування, можуть бути використані для розвідки корисних копалин, виявлення та моніторингу використання земель, вирубування лісів, та вивчення здоров'я рослин та сільськогосподарських культур, у тому числі величезних ділянок сільськогосподарських земель або лісових масивів. Космічні знімки програми Landsat використовуються регулюючими органами для контролю якості води, включаючи глибину Секкі, щільність хлорофілу і загальний вміст фосфору. Метеорологічні супутники використовуються в метеорології та кліматології.

• Методом спектральної візуалізації одержують зображення, у яких кожен піксель містить повну спектральну інформацію, відображаючи вузькі спектральні діапазони у межах безперервного спектра. Прилади спектральної візуалізації використовуються для вирішення різних завдань, у тому числі застосовуються в мінералогії, біології, військовій справі, вимірювання параметрів навколишнього середовища.

• У рамках боротьби з опустелюванням, дистанційне зондування дозволяє спостерігати за областями, що знаходяться в зоні ризику в довгостроковій перспективі, визначати фактори спустошення, оцінювати глибину їх впливу, а також надавати необхідну інформацію особам, відповідальним за прийняття рішень щодо вжиття заходів охорони навколишнього середовища.

Обробка даних

При ДЗЗ, зазвичай, застосовується обробка цифрових даних, оскільки у цьому форматі отримують дані ДЗЗ нині. У цифровому форматі простіше проводити обробку та зберігання інформації. Двовимірне зображення в одному спектральному діапазоні можна подати у вигляді матриці (двовимірного масиву) чисел I (i, j)кожне з яких представляє інтенсивність випромінювання, прийнятого датчиком від елемента поверхні Землі, якому відповідає один піксель зображення.

Зображення складається з n x mпікселів, кожен піксель має координати (i, j)– номер рядка та номер колонки. Число I (i, j)- ціле і називається рівнем сірого (або спектральної яскравістю) пікселя (i, j). Якщо зображення отримано в декількох діапазонах електромагнітного спектру, то його представляє тривимірні грати, що складаються з чисел I (i, j, k), де k- Номер спектрального каналу. З математичної точки зору неважко обробити цифрові дані, отримані у такому вигляді.

Для того щоб правильно відтворити зображення але цифровим записам, що поставляються пунктами прийому інформації, необхідно знати формат запису (структуру даних), а також кількість рядків та стовпців. Використовують чотири формати, які впорядковують дані як:

• послідовність зон ( Band Sequental, BSQ);

• зони, що чергуються по рядках ( Band Interleaved by Line, BIL);
• зони, що чергуються по пікселям ( Band Interleaved by Pixel, BIP);
• послідовність зон зі стиском інформації у файл методом групового кодування (наприклад, у форматі jpg).

У BSQ-форматікожен зональний знімок міститься в окремому файлі. Це зручно, коли немає необхідності працювати одразу з усіма зонами. Одну зону легко прочитати та візуалізувати, зональні знімки можна завантажувати в будь-якому порядку за бажанням.

У BIL-форматізональні дані записуються в один файл рядок за рядком, при цьому зони чергуються за рядками: 1-ий рядок 1-ої зони, 1-ий рядок 2-ої зони, …, 2-ий рядок 1-ої зони, 2-ий рядок Другий зони і т. д. Така запис зручна, коли виконується аналіз одночасно всіх зон.

У BIP-форматізональні значення спектральної яскравості кожного пікселя зберігаються послідовно: спочатку значення першого пікселя в кожній зоні, потім значення другого пікселя в кожній зоні тощо. Такий формат називають суміщеним. Він зручний при виконанні піксельної обробки багатозонального знімка, наприклад, в алгоритмах класифікації.

Групове кодуваннявикористовують зменшення обсягу растрової інформації. Такі формати зручні для зберігання великих знімків, для роботи з ними необхідно мати засіб розпакування даних.

Файли зображень зазвичай мають наступну додаткову інформацію, яка стосується фотографій:

• опис файлу даних (формат, число рядків та стовпців, роздільна здатність тощо);

• статистичні дані (характеристики розподілу яскравостей – мінімальне, максимальне та середнє значення, дисперсія);
• дані про картографічну проекцію.

Додаткова інформація міститься або в заголовку файлу зображення, або в окремому текстовому файліз ім'ям, яке збігається з ім'ям файлу зображення.

За ступенем складності розрізняються такі рівні обробки КС, що надаються користувачам:

• 1А – радіометрична корекція спотворень, спричинених різницею у чутливості окремих датчиків.

• 1В – радіометрична корекція на рівні обробки 1А та геометрична корекція систематичних спотворень сенсора, включаючи панорамні спотворення, спотворення, спричинені обертанням та кривизною Землі, коливанням висоти орбіти супутника.

• 2А – корекція зображення на рівні 1В та корекція відповідно до заданої геометричної проекції без використання наземних контрольних точок. Для геометричної корекції використовується глобальна цифрова модель рельєфу. ЦМР, DEM) з кроком біля 1 км. Використовувана геометрична корекція усуває систематичні спотворення сенсора та проектує зображення у стандартну проекцію ( UTM WGS-84), з використанням відомих параметрів (супутникові ефемеридні дані, просторове положення тощо).

• 2В – корекція зображення на рівні 1В та корекція відповідно до заданої геометричної проекції з використанням контрольних наземних точок;

• 3 – корекція зображення лише на рівні 2В плюс корекція з допомогою ЦМР місцевості (ортотрансформирование).

• S – корекція зображення за допомогою контрольного зображення.

Якість даних, одержуваних у результаті дистанційного зондування, залежить від їх просторового, спектрального, радіометричного та тимчасового дозволу.

Просторовий дозвіл

Характеризується розміром пікселя (на поверхні Землі), що записується в растрову картинку – зазвичай варіюється від 1 до 4000 метрів.

Спектральний дозвіл

Дані Landsat включають сім смуг, у тому числі інфрачервоного діапазону, в межах від 0.07 до 2.1 мкм. Сенсор Hyperion апарату Earth Observing-1 здатний реєструвати 220 спектральних смуг від 0.4 до 2.5 мкм, зі спектральною роздільною здатністю від 0.1 до 0.11 мкм.

Радіометричний дозвіл

Число рівнів сигналу, які сенсор може реєструвати. Зазвичай варіюється від 8 до 14 біт, що дає від 256 до 16384 рівнів. Ця характеристика залежить від рівня шуму в інструменті.

Тимчасовий дозвіл

Частота прольоту супутника над областю поверхні, що цікавить. Має значення щодо серій зображень, наприклад щодо динаміки лісів. Спочатку аналіз серій проводився для потреб військової розвідки, зокрема для відстеження змін в інфраструктурі, пересування противника.

Для створення точних картна основі даних дистанційного зондування, необхідна трансформація, що усуває геометричні спотворення. Знімок поверхні Землі апаратом, спрямованим точно вниз, містить неспотворене зображення лише в центрі знімка. При зміщенні до країв відстані між точками на знімку та відповідні відстані Землі дедалі більше різняться. Корекція таких спотворень проводиться у процесі фотограмметрії. З початку 1990-х більшість комерційних супутникових зображень продається вже скоригованими.

Крім того, може бути потрібна радіометрична або атмосферна корекція. Радіометрична корекція перетворює дискретні рівні сигналу, наприклад від 0 до 255, їх справжні фізичні значення. Атмосферна корекція усуває спектральні спотворення, що внесені наявністю атмосфери.

Сергій Ревнива, заступник керівника дирекції ГЛОНАСС, директор департаменту розвитку системи ГЛОНАСС ВАТ «Інформаційні супутникові системи ім. академіка М.Ф. Решетнєва»

Мабуть, немає жодної галузі економіки, де б не застосовувалися технології супутникової навігації - від усіх видів транспорту до сільського господарства. І області застосування постійно розширюються. Причому, здебільшого, приймальні пристрої приймають сигнали як мінімум двох глобальних навігаційних систем - GPS та ГЛОНАСС.

Стан питання

Так уже вийшло, що застосування ГЛОНАСС саме в космічній галузі в Росії не таке велике, як цього можна було б очікувати, враховуючи той факт, що основним розробником системи ГЛОНАСС є Роскосмос. Так, вже багато наших космічних апаратів, носіїв, розгінних блоків мають у складі бортової апаратури приймачі ГЛОНАСС. Але поки що вони - або допоміжні засоби, або використовуються у складі корисного навантаження. Досі проведення траєкторних вимірів, визначення орбіт навколоземних космічних апаратів, синхронізації здебільшого використовуються наземні засоби командно-вимірювального комплексу, багато хто з яких давно виробили свій ресурс. Крім того, вимірювальні засоби розташовуються на території Російської Федерації, що не дозволяє забезпечити глобальне покриття всієї траєкторії космічних апаратів, що позначається на точності орбіти. Застосування навігаційних приймачів ГЛОНАСС у складі штатної бортової апаратури траєкторних вимірювань дозволить отримати точність орбіти низькоорбітальних КА (становлять основну частину орбітального угруповання) на рівні 10 сантиметрів у будь-якій точці орбіти в реальному часі. При цьому немає необхідності залучати до проведення траєкторних вимірювань кошти командно-вимірювального комплексу, витрачати кошти на забезпечення їхньої працездатності та утримання особового складу. Достатньо мати одну-дві станції для прийому навігаційної інформації з борту і передачі в центр управління польотом на вирішення завдань планування. Такий підхід змінює всю стратегію балістико-навігаційного забезпечення. Але ця технологія вже досить добре у світі відпрацьована і особливої ​​складності не становить. Тут потрібно лише ухвалення рішення про перехід на таку технологію.

Значну кількість низькоорбітальних космічних апаратів становлять супутники дистанційного зондування Землі та рішення наукових завдань. З розвитком технологій та засобів спостереження, підвищення роздільної здатності, підвищуються вимоги до точності прив'язки одержуваної цільової інформації до координат супутника в момент зйомки. В апостеріорному режимі для обробки знімків та наукових даних у багатьох випадках точність орбіти потрібно знати на рівні сантиметрів.

Для спеціальних космічних апаратів геодезичного класу (типу Lageos, Еталон), які спеціально створені для вирішення фундаментальних завдань вивчення Землі та уточнення моделей руху космічних апаратів, сантиметрові точності орбіт вже досягнуто. Але треба мати на увазі, що ці апарати літають за межами атмосфери та мають сферичну форму, щоб мінімізувати невизначеність збурень сонячного тиску. Для траєкторних вимірювань використовується глобальна міжнародна мережа лазерних далекомірів, що коштує недешево, і робота коштів залежить від погодних умов.

Космічні апарати ДЗЗ та науки в основному літають на висотах до 2000 км, мають складну геометричну форму, повною мірою зазнають обурення від атмосфери та сонячного тиску. Задіяти лазерні засоби міжнародних служб не завжди є можливим. Тому завдання отримання орбіт таких супутників із сантиметровою точністю є дуже непростим. Потрібно використання спеціальних моделей руху та методів обробки інформації. За останні 10-15 років у світовій практиці досягнуто значного прогресу для вирішення таких завдань з використанням бортових високоточних навігаційних приймачів ДПС (в основному - GPS). Піонером у цій галузі виступив супутник Topex-Poseidon (спільний проект NASA-CNES, 1992-2005 рр., висота 1336 км, спосіб 66), точність орбіти якого ще 20 років тому була забезпечена на рівні 10 см (2,5 см по радіусом).

У найближче десятиліття Російської Федерації заплановано до запуску досить багато космічних апаратів ДЗЗ на вирішення прикладних завдань різного призначення. У тому числі для ряду космічних систем потрібна прив'язка цільової інформації з дуже високою точністю. Це завдання розвідки, картографування, моніторингу льодової обстановки, надзвичайних ситуацій, метеорології, а також ради фундаментальних наукових завдань у галузі вивчення Землі та світового океану, побудови високоточної динамічної моделі геоїду, високоточних динамічних моделейіоносфери та атмосфери. Точність становища космічного апарату вже потрібно знати лише на рівні сантиметрів усім витку орбіти. Йдеться про апостеріорну точність.

Це вже непросте завдання для космічної балістики. Мабуть, єдиний спосіб, який може забезпечити вирішення цього завдання, - використання вимірювань бортового навігаційного приймача ДПСС та відповідних засобів високоточної обробки навігаційної інформації на землі. У більшості випадків це комбінований приймач, що працює за системами GPS та ГЛОНАСС. У ряді випадків можуть бути висунуті вимоги застосування системи ГЛОНАСС.

Експеримент з високоточного визначення орбіт за допомогою ГЛОНАСС

У нас у країні технологія отримання високоточних координат за допомогою навігаційних приймачів геодезичного класу досить добре відпрацьована для вирішення геодезичних та геодинамічних завдань на Землі. Це технологія так званого високоточного позиціонування (precise point positioning). Особливістю технології є таке:

* для обробки вимірювань навігаційного приймача, координати якого необхідно уточнити, інформація з навігаційних кадрів сигналів ГНСС не використовується. Навігаційні сигнали використовуються тільки для вимірювання дальності, переважно на основі вимірювань фази несучої частоти сигналу;

* В якості ефемерідно-часової інформації навігаційних космічних апаратів використовуються високоточні орбіти та поправки бортового годинника, які отримані на основі постійної обробки вимірювань глобальної мережістанцій прийому навігаційних сигналів ДПСС. В основному зараз використовуються рішення Міжнародної служби ДПС (IGS);

* Виміри навігаційного приймача, координати якого потрібно визначити, обробляються спільно з високоточною ефемерідно-часової інформацією з використанням спеціальних методів обробки.

В результаті координати приймача ( фазового центруантени приймача) можуть бути отримані з точністю одиниць сантиметрів.

Для вирішення наукових завдань, а також для задач землеустрою, кадастру, будівництва в Росії вже протягом кількох років такі засоби існують і широко застосовуються. У той же час, інформації про засоби, які можуть вирішувати завдання високоточного визначення орбіт низькоорбітальних КА, автор дотепер не мав.

Проведений кілька місяців тому ініціативний експеримент показав, що прототипи таких засобів ми маємо, і вони можуть бути використані для створення штатних галузевих засобів високоточного балістико-навігаційного забезпечення низькоорбітальних КА.

В результаті експерименту підтверджено можливість використання існуючих прототипів для високоточного визначення орбіти низькоорбітальних КА на рівні кількох сантиметрів.

Для експерименту було обрано літаючий вітчизняний КА ДЗЗ «Ресурс-П» № 1 (навколокругова сонячно-синхронна орбіта із середньою висотою 475 км.), оснащений комбінованим навігаційним приймачем ГЛОНАСС/GPS. Для підтвердження результату обробка даних була повторена для геодезичних КА системи GRACE (спільний проект NASA та DLR, 2002-2016 рр., висота 500 км, спосіб 90), на борту яких було встановлено приймачі GPS. Особливості експерименту такі:

* З метою оцінки можливостей системи ГЛОНАСС для визначення орбіти КА «Ресурс-П» (загальний вигляд представлений на рис. 1) використовувалися вимірювання тільки системи ГЛОНАСС (4 комплекти бортових навігаційних приймачів розробки ВАТ «РІРВ»);

* для отримання орбіти КА системи GRACE (загальний вигляд представлений на рис. 2) використовувалися вимірювання лише системи GPS (вимірювання знаходяться у вільному доступі);

* як асистуючу інформацію використовувалися високоточні ефемериди та поправки бортового годинника навігаційних супутників систем ГЛОНАСС та GPS, які отримані в ІАЦ КВНО ЦНІІмаш на основі обробки вимірювань станцій глобальної мережі IGS (дані знаходяться у вільному доступі). Оцінку точності цих даних службою IGS представлено на рис. 3 і становить близько 2,5 см. Розташування глобальної мережі станцій ГЛОНАСС/GPS служби IGS представлено на рис. 4;

* макетний зразок апаратно-програмного комплексу, що забезпечує високоточне визначення орбіти низькоорбітальних КА (ініціативна розробка ЗАТ «ГЕО-ЦУП»). Зразок також забезпечує декодування вимірювань бортових приймачів КА «Ресурс-П» з використанням високоточної ефемерідно-часової інформації та врахування особливостей сеансної роботи бортових приймачів. Макетний зразок пройшов відпрацювання вимірювань КА системи GRACE.

Мал. 1. Загальний вигляд космічного апарату "Ресурс-П".

Мал. 2. Загальний вигляд КА системи GRACE.

Мал. 3. Оцінка точності ефемерид ІАЦ КВНВ ЦНІІмаш службою IGS. Точність ефемеридної інформації, що асистує, навігаційних КА ГЛОНАСС (позначення - IAC, темно-сині точки на графіку) становить 2,5 см.

Мал. 4. Розташування глобальної мережі станцій ГЛОНАСС/GPS міжнародної служби IGS (джерело - http://igscb.jpl.nasa.gov/network/iglos.html).

В результаті експерименту отримано безпрецедентний результат для вітчизняного балістико-навігаційного забезпечення низькоорбітальних космічних апаратів:

* З урахуванням асистуючої інформації та реальних вимірювань бортових навігаційних приймачів КА «Ресурс-П» тільки за вимірюваннями ГЛОНАСС було отримано високоточну орбіту цього КА з точністю 8-10 см (див. рис. 5).

* З метою підтвердження результату в ході експерименту аналогічні розрахунки були проведені для геодезичних КА системи GRACE, але вже з використанням вимірювань GPS (див. рис. 6). Точність орбіти цих КА була отримана на рівні 3-5 см, що повністю збігається із результатами провідних центрів аналізу служби IGS

Мал. 5. Точність орбіти КА «Ресурс-П», отриманої за вимірами лише ГЛОНАСС з використанням інформації, що асистує, оцінена за вимірами чотирьох комплектів бортових навігаційних приймачів.

Мал. 6. Точність орбіти КА GRACE-B, отриманої за вимірами лише GPS з використанням інформації, що асистує.

Система АННКА першого етапу

На підставі результатів проведеного експерименту об'єктивно випливають висновки:

У Росії її існує значний доробок вітчизняної розробки на вирішення завдань високоточного визначення орбіт низькоорбітальних КА на конкурентоспроможному рівні із зарубіжними центрами обробки інформації. На основі цього зачепила створення постійно діючого галузевого балістичного центру для вирішення таких завдань не вимагатиме великих витрат. Цей центр зможе надавати всім зацікавленим організаціям, яким потрібна прив'язка до координат інформації з супутників ДЗЗ, послуги з високоточного визначення орбіт будь-яких супутників ДЗЗ, які оснащені апаратурою супутникової навігації ГЛОНАСС та/або ГЛОНАСС/GPS. У перспективі можуть використовуватись і вимірювання китайської системи BeiDou та європейської Galileo.

Вперше показано, що за вимірами системи ГЛОНАСС при вирішенні високоточних завдань можна забезпечити точність рішень практично не гірше, ніж за вимірами GPS. Підсумкова точність залежить в основному від точності ефемеридної інформації, що асистує, і точності знання моделі руху низькоорбітальних КА.

Подання результатів вітчизняних систем ДЗЗ з високоточною прив'язкою до координат різко підвищить її значущість і конкурентоспроможність (з урахуванням зростання та ринкової ціни) на світовому ринку результатів дистанційного зондування Землі.

Таким чином, для створення першої черги системи Асистуючої Навігації для Низькоорбітальних КА (умовна назва - система АННКА) в Російській Федерації є (або знаходяться в стадії створення) всі складові частини:

* є власне базове спеціальне програмне забезпечення, яке дозволяє незалежно від операторів ГЛОНАСС та GPS отримувати високоточну ефемерідно-тимчасову інформацію;

* Є прототип спеціального програмного забезпечення, на основі якого в найкоротші терміни може бути створений штатний апаратно-програмний комплекс визначення орбіт низькоорбітальних КА з точністю на рівні сантиметрів;

* є вітчизняні зразки бортових навігаційних приймачів, які дозволяють вирішувати завдання з такою точністю;

* Роскосмосом створюється власна глобальна мережа станцій прийому навігаційних сигналів ГНСС.

Архітектура системи АНК для реалізації першого етапу (апостеріорний режим) показана на рис. 7.

Функції системи такі:

* отримання вимірювань від глобальної мережі до центру обробки інформації системи АННКА;

* формування високоточних ефемерид для навігаційних космічних апаратів систем ГЛОНАСС та GPS (у перспективі – для систем BeiDou та Galileo) у центрі АННКА;

* Отримання вимірювань бортової апаратури супутникової навігації, встановленої на борту низькоорбітального КА ДЗЗ та передача її в центр АННКА;

* Розрахунок високоточної орбіти КА ДЗЗ у центрі АННКА;

* передача високоточної орбіти КА ДЗЗ до центру обробки даних наземного спеціального комплексу системи ДЗЗ.

Система може бути створена у найкоротші терміни, навіть у рамках існуючих заходів федеральної цільової програми підтримки, розвитку та використання системи ГЛОНАСС.

Мал. 7. Архітектура системи АНК на першому етапі (апостеріорний режим), що забезпечує визначення орбіт низькоорбітальних КА на рівні 3-5 см.

Подальший розвиток

Подальший розвиток системи АННКА у напрямі реалізації режиму високоточного визначення та прогнозування орбіти низькоорбітальних КА в реальному часі на борту може докорінно змінити всю ідеологію балістико-навігаційного забезпечення такого роду супутників та повністю відмовитися від використання вимірювань наземних засобів командно-вимірювального комплексу. Важко сказати, наскільки, але експлуатаційні витрати на баллістико-навігаційне забезпечення будуть скорочені значно, враховуючи оплату роботи наземних засобів та персоналу.

У США в NASA така система створена понад 10 років тому на базі зв'язкової супутникової системи для забезпечення управління космічними апаратами TDRSS та створеної раніше глобальної системи високоточної навігації GDGPS. Система отримала назву TASS. Вона забезпечує інформацією, що асистує, всі наукові космічні апарати і супутники ДЗЗ на низьких орбітах з метою вирішення на борту завдань визначення орбіт в реальному часі на рівні 10-30 см.

Архітектура системи АННКА на другому етапі, що забезпечує вирішення задач визначення орбіт на борту з точністю 10-30 см в реальному часі, показано на рис. 8:

Функції системи АННКА на другому етапі наступні:

* Отримання вимірювань від станцій прийому навігаційних сигналів ГНСС глобальної мережі в реальному часі в центр обробки даних АННКА;

* формування високоточних ефемерид для навігаційних космічних апаратів систем ГЛОНАСС та GPS (у перспективі – для систем BeiDou та Galileo) у центрі АННКА в реальному часі;

* Закладання високоточних ефемерид на КА-ретранслятор зв'язкових систем (постійно, в реальному часі);

* ретрансляція високоточних ефемерид (асистуючої інформації) супутниками-ретрансляторами для низькоорбітальних КА ДЗЗ;

* отримання високоточного положення КА ДЗЗ на борту за допомогою спеціальної апаратури супутникової навігації, здатної обробляти навігаційні сигнали ГНСС, що приймаються, спільно з асистуючою інформацією;

* передача цільової інформації з високоточною прив'язкою до центру обробки даних наземного спеціального комплексу ДЗЗ.

Мал. 8. Архітектура системи АННКА на другому етапі (режим реального часу), що забезпечує визначення орбіт низькоорбітальних КА на рівні 10-30 см у реальному часі на борту.

Проведений аналіз існуючих можливостей, експериментальні результати показують, що в Російській Федерації є гарний заділ для створення системи високоточної асистуючої навігації низькоорбітальних космічних апаратів, що дозволить значно скоротити витрати на управління цими апаратами та скоротити відставання від провідних космічних держав у галузі високоточної навігації КА у вирішенні актуальних наукових та прикладних завдань. Для того, щоб зробити необхідний крок в еволюції технології управління низькоорбітальними КА, необхідно лише ухвалити відповідне рішення.

Система АННКА першого етапу може бути створена вже в найкоротші терміни з мінімальними витратами.

Для переходу до другого етапу потрібно реалізувати комплекс заходів, який має бути передбачений у рамках державних або федеральних цільових програм:

* Створення спеціальної зв'язкової супутникової системи для забезпечення безперервного управління навколоземними космічними апаратами, або на геостаціонарній орбіті, або на похилих геосинхронних орбітах;

* модернізація апаратно-програмного комплексу формування асистуючої ефемеридної інформації в реальному часі;

* Завершення створення російської глобальної мережі станцій прийому навігаційних сигналів ГНСС;

* розробка та організація виробництва бортових навігаційних приймачів, здатних обробляти навігаційні сигнали ГНСС разом з інформацією, що асистує, в реальному часі.

Реалізація цих заходів – серйозна, але цілком реалізована робота. Вона може бути виконана підприємствами ОРКК з урахуванням вже запланованих заходів у рамках Федеральної космічної програми та у рамках Федеральної цільової програми підтримки, розвитку та використання системи ГЛОНАСС з урахуванням відповідних коригувань. Оцінка витрат за її створення та економічного ефекту - необхідний етап, який має бути зроблено з урахуванням запланованих проектів створення космічних систем комплексів дистанційного зондування Землі, систем супутникового зв'язку, космічних систем та комплексів наукового призначення. Є абсолютна впевненість, що ці витрати виправдають себе.

На закінчення автор висловлює щиру подяку провідним фахівцям у галузі вітчизняної супутникової навігації Аркадію Тюлякову, Володимиру Мітрікасу, Дмитру Федорову, Івану Скакуну за організацію експерименту та надання матеріалів для цієї статті, міжнародній службі IGS та її керівникам – Урсу Хугентоблю та Руфі в повному обсязівикористовувати виміри глобальної мережі станцій прийому навігаційних сигналів, і навіть всім, хто допомагав і заважав.