Космические съемочные системы сверхвысокого разрешения

Высокий спрос на космическую информацию обусловлен бурным развитием вычислительной техники, а также совершенствованием геоинформационных систем, основным источником данных для которых служат результаты дистанционного зондирования. Насущная потребность в материалах космической съемки стала причиной появления целой плеяды съемочных аппаратов со сверхвысоким пространственным разрешением. Точность географической привязки и детальность получаемых изображений позволили формировать на их основе карты и планы крупного масштаба, что ранее было возможно только с использованием аэросъемки. Высокая востребованность продуктов космической съемки привела к тому, что соответствующий сегмент рынка все активнее осваивается компаниями с частным капиталом. Это характерно не только для США, где поддержка частного бизнеса и передача ему ряда функций по получению данных в интересах государственных органов стала государственной политикой, но и для таких стран, как Израиль, Франция, Индия.

Стоит отметить эффективную схему взаимодействия государства и частного сектора, отработанную в США. Коммерческие спутники обеспечивают информацией государственные структуры на основе гарантированных контрактов. При этом часть ресурса (около 50%) компании-операторы используют для формирования космических изображений сверхвысокого разрешения, предназначенных для продажи на мировом рынке.

К сожалению, в России политика использования космических систем не сформирована, а «большой бизнес» не считает эту отрасль областью своих интересов, хотя от нее зависит информационная безопасность страны. Ниже будут рассмотрены действующие оптико-электронные и радиолокационные космические системы сверхвысокого разрешения. Причем акцент будет сделан не на использовании получаемых ими снимков (подобных публикаций более чем достаточно), а на технических особенностях и характеристиках аппаратуры, сведения о которой чрезвычайно скудны и разрозненны.

Основные параметры оптико-электронных космических аппаратов

С 1999 г. в мировом масштабе разработано и запущено более 15 гражданских космических аппаратов (КА) c оптико-электронной аппаратурой, обеспечивающих получение снимков с разрешением 0,4–1,0 м, которые нашли широкое применение в землепользовании, при проведении кадастровых работ, проектировании и строительстве инженерных сооружений, разведке месторождений углеводородного сырья, создании топографических карт и планов. Разработчиками первых КА сверхвысокого разрешения были исключительно американские компании, но с 2006 г. запуски подобных аппаратов осуществили: Израиль (EROS-B, Россия Ресурс-ДК, Корея Kompsat-2 и Индия Cartosat-2. Тем не менее, США пока сохраняют технологическое лидерство, о чем свидетельствует вывод на орбиту таких аппаратов, как GeoEye-1, WorldView-1, WorldView-2, WorldView-3, WorldView-4 с разрешением 0,3–0,5м.

Основные параметры оптикоэлектронных КА сверхвысокого разрешения и характеристики их бортовой съемочной аппаратуры приведены в таблицах 1 и 2:

Таблица 1. Параметры оптико-электронных КА сверхвысокого разрешения

КА	Страна	Дата пуска	H, км	i, градус	ТКА, мин	Наклон, градус	W, Вт	Размер, м×м	Масса, кг	Срок, лет
Существующие
IKONOS-2	США	24.09.99	681	98,1	98,3	45	600	1,8×1,6	720	5-7
QuickBird-2	США	18.10.01	450	97,2	93,4	50	563	3,0×1,8	1028	5-7
OrbView-3	США	26.06.03	470	97,2	92,6	50	625	1,9×1,2	360	5
EROS-B	Израиль	01.03.06	500	97,3	94,8	45	800	2,3×4,0	350	10
Ресурс-ДК1	Россия	15.06.06	361-604	70,4	94,0	40	-	7,9×-	6570	3
KOMPSAT-2	Корея	28.07.06	685	98,1	98,5	56	955	2,6×2,0	800	5
Cartosat-2	Индия	10.01.07	637	97,9	97,4	45	900	2,5×2,4	680	7
WorldView-1	США	18.09.07	496	97,2	93,0	40	3200	3,6×2,5	2500	7,25
Cartosat-2A	Индия	28.04.08	635	97,9	97,4	45	900	2,5×2,4	690	7
GeoEye-1	США	08.10.08	684	98,0	98,0	50	3862	4,4×2,7	1995	7
WorldView-2	США	08.10.09	770	97,8	100,0	40	3200	4,4×2,5	2800	7,25
Pléiades	Франция	2011	694	90,2	45	45	1500		1000
GeoEye-2	США	2012	-	-	-	-	-	-	-	-
Ресурс-П1	Россия	2012	-	-	-	-	-	-	-	-

Таблица 2. Параметры бортовой съемочной аппаратуры и выходные параметры КА

КА	Параметры оптико-электронной камеры						Параметры ЗУ и передачи инф.		Выходные параметры космической системы
	f, м	d, см	Размер p, мкм		Количество p		Емкость, Гбит	Скорость, Мбит/с	Захват, км	MС	Разрешение, м
			PAN	MS	PAN	MS					PAN	MS
Существующие
IKONOS-2	10,0	70	12	48	13500	3375	80	320	11	68000	1,0	4.0
QuickBird-2	8,8	60	12	48	27568	6892	128	320	16,5	51000	0,6	2,4
OrbView-3	3,0	45	6	24	8000	2000	32	150	8	157000	1,0	4,0
EROS-B	5,0	50	7	Нет	10000	Нет	2×120	450	7	100000	0,7	Нет
Ресурс-ДК1	4,0	50	9	-	36000	-	768	300	28,3	90000	1,0	3,0
KOMPSAT-2	-	-	-	-	15000	3750	64 и 96	320	15	137000	1,0	4,0
Cartosat-2	5,6	70	7	Нет	12288	Нет	64	105	9,6	114000	0.8	Нет
WorldView-1	8,8	60	8	Нет	35000	Нет	2200	800	16,4	113000	0,5	Нет
Cartosat-2A	5,6	70	7	Нет	12288	Нет	64	105	9,6	56000	0.8	Нет
GeoEye-1	13,3	110	8	32	35000	9300	1200	740	15,2	51000	0,41	1,64
WorldView-2	13,3	110	8	32	35000	9300	2200	800	16,4	58000	0,46	1,8
Pleiades-1	12,9	65	13	52	30000	7500	600	465	20	53800	0,5	2,0
GeoEye-2	-	110	-	-	-	-	-	-	-	-	0,25	-
Ресурс-П1	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	0,5-1	-

GeoEye-1 позволяет одновременно вести съемку в панхроматическом и многоспектральном режимах с пространственным разрешением 0,4 и 1,6 м соответственно. Важной особенностью этого КА является высокая точность координатной привязки изображений, которая обеспечивается благодаря применению космической платформы с высокой стабильностью и повышенной точностью определения пространственного положения и ориентации спутника.

В соответствии с данными изготовителя, средняя квадратическая погрешность определения координат точек местности по снимкам GeoEye-1 составляет 1,5 м в плане без использования наземных опорных точек. При повышении пространственного разрешения и точности географической привязки космических снимков можно на их основе формировать карты и планы вплоть до масштаба 1:2000 (т. е. использовать на уровне материалов аэрофотосъемки). Представляется, что такие точность позиционирования и масштаб конечных продуктов еще долго будут разграничивать области применения космических и авиационных съемочных средств.

Еще одним технологическим преимуществом КА GeoEye-1 является способность аппарата с большой скоростью (4°/с) поворачиваться в любом направлении для перенацеливания телескопа на заданный участок Земли, что позволяет получать большое количество кадров на каждом витке и осуществлять различные режимы съемки: кадровый, маршрутный, площадной, а также вести стереосъемку. При ширине захвата в надире 15,2 км и углах отклонения оси камеры от него до 40° производительность системы выше, чем у любой другой из существующих коммерческих платформ. Характеристики охвата территории при различных режимах съемки КА GeoEye-1 приведены в табл. 3.

Таблица 3. Характеристики охвата территории при различных режимах съемки КА GeoEye-1

Ширина захвата и возможные размеры участков на одном витке	Номинальная ширина захвата в надире – 15,2 км Площадь одного кадра – 225 км2 (15×15 км) Максимальная площадь  - 15 000  км2 (300×50 км) Площадь квадрата 1°×1° - 10 000 км2 (100×100 км) Площадь стереосъемки – 6 270 км2 (224×28 км)
Максимальная суточная производительность	Число кадров в панхроматическом режиме – 2400 Площадь в панхроматическом режиме – 700 000 км2 Площадь в многоспектральном режиме – 350 000 км2

Кооперация компаний во главе с DigitalGlobe (США) изготовила и запустила два космических аппарата — WorldView-1 и WorldView-2. В проекте участвовали Bell Aerospace (США; платформа), Kodak (США; оптическая камера), BAE Systems (Великобритания; система обработки).

WorldWiew-1 массой 2500 кг оснащен телескопом с зеркалом диаметром 60 см для съемки с разрешением 0,45 м только в панхроматическом режиме при ширине полосы захвата 16,4 км. WorldView-2 массой 2800 кг оборудован крупногабаритным телескопом с диаметром зеркала 110 см для съемки с разрешением 0,45 м в панхроматическом режиме и 1,8 м в мультиспектральном (восемь спектральных каналов). Ширина полосы захвата на местности при съемке в надир составит 16,4 км при высоте орбиты 770 км.

Для достижения высокого качества изображения применяются оптическая система с высоким контрастом и оптимизированным отношением сигнал/шум, а также технология временной задержки и накопления сигнала (TDI) на многолинейных ПЗС-структурах (6 режимов накопления от 8 до 64 крат). Оба космических аппарата оснащены бортовыми регистраторами емкостью 2,2 Тбит и сверхскоростной (800 Мбит/с) радиолинией передачи данных. Срок активного существования — 7 лет и более. Для увеличения производительности в системе ориентации используются гироскопы управления моментом, которые позволяют довести скорость перенацеливания телескопа на объекты съемки до 4,5°/с. Аппаратура может выполнять съемку в кадровом, маршрутном (в том числе сложной конфигурации, например, вдоль береговой линии, дороги, нефтепровода или государственной границы), площадном (участки 60x60 км) режимах, а также в режиме формирования стереопар.

Предусмотрена также возможность программирования съемки и приема информации на станцию клиента (виртуальный оператор) в течение одного сеанса радиосвязи. Коммерческая эксплуатация спутника WorldView-2 в полном объеме должна началась в январе 2010 г.

Важной особенностью рассмотренных перспективных КА является высокая точность координатной привязки изображений, которая достигается благодаря применению космической платформы с высокой стабильностью и улучшенной точностью определения ориентации спутника. Так, координатная точность изображений КА WorldView-1 без использования наземных контрольных точек оценивается в 5,8–7,6 м (СЕ90), с наземными контрольными точками в пределах снимка — в 2 м, с контрольными точками на соседних снимках — в 3–3,5 м (технология Accuracy Transfer Service — ATS). Планируемая координатная точность изображений позволит создавать карты масштаба 1:10 000 без использования наземных контрольных точек.

Космические снимки сверхвысокого пространственного рахрешения найдут применение при разработке крупномасштабных карт и планов местности, в различных тематических ГИС, при планировании городской застройки, строительстве дорог, линий связи, трубопроводов и других объектов инфраструктуры. В случае устойчивого развития рынка потребителями пространственных данных на основе космических изображений сверхвысокого разрешения могут стать миллионы людей: водители автомобилей, оснащенных навигационными компьютерами, пользователи ГИС, проектировщики, строители, страховщики и др. Фрагмент мультиспектральной съемки со спутника WorldView-2 приведен на рис. 1.

Рисунок 1 - Фрагмент мультиспектральной съемки со спутника WorldView-2 с пространственным разрешением 50 см 

Рисунок 2 - Фрагмент радиолокационной съемки 

Основные параметры радиолокационных космических аппаратов

Радиолокационные изображения могут быть получены независимо от метеоусловий и освещенности в районе цели и позволяют выполнять заявки на съемку в течение нескольких суток. Кроме того, космические радиолокационные изображения дают возможность создавать цифровые модели рельефа, а специальные технологии интерферометрической съемки — определять незначительные подвижки грунта. Учитывая, что существующие радиолокационные космические системы RADARSAT-1 (Канада), ERS-2, ENVISAT-1 (оба — ESA) и ALOS (Япония) обеспечивают разрешение на местности не лучше 8 м, что не отвечает современным требованиям, проведем сравнение аппаратов сверхвысокого разрешения по основным параметрам (табл. 4).

Таблица 4. Характеристики радиолокационных КА

Наименование	Страна	Дата запуска	Разрешение, м	Диапазон	Захват, км
Существующие
SAR-Lupe	Германия	19.12.06	0.5	X	5×5
TerraSAR-X	Германия	15.06.07	1.0	X	10×5
COSMO-Skymed-1	Италия	08.06.07	1.0	X	10
COSMO-Skymed-2	Италия	09.12.07	1.0	X	10
COSMO-Skymed-3	Италия	24.10.08	1.0	X	10
COSMO-Skymed-4	Италия	2010	1.0	X	10
TerraSAR-L	Англия	2010	1.0	L	10
Tandem-X	Германия	2010	1.0	X	10×5
RISAT	Индия	2010	1.0	С	10

15 июня 2007 г. был запущен гражданский спутник TerraSAR-X, который обеспечил радарную съемку с разрешением 1 м. По силе воздействия на рынок геоинформатики это событие можно сравнить с появлением в свое время на орбите КА IKONOS-2с оптической аппаратурой метрового разрешения. Радиолокационные изображения с разрешением до 1 м близки по качеству к высокодетальным оптическим снимкам, но при этом могут быть получены при любых метеоусловиях и освещенности в районе цели.

По данным российских компаний-операторов, результаты оптической съемки объектов в средней полосе России заказчикам приходится ждать от недели до месяца, в то время как радиолокационная аппаратура позволит выполнить заявки в течение нескольких суток после заказа. Кроме того, космические радиолокационные изображения дают возможность формировать цифровые модели рельефа для создания топографических карт обширных территорий, что с устаревшим фондом карт. Радиолокационные изображения дополняют снимки, полученные в видимом и инфракрасном диапазонах, повышая объем доступной информации и ее достоверность. С появлением радарных космических систем с сопоставимым системам видимого диапазона разрешением возможности дистанционного зондирования Земли из космоса многократно возрастают.

Вывод в космос орбитальных группировок из нескольких спутников, таких как SAR-Lupe и COSMO-Skymed, значительно повышает оперативность съемки. Правда, КА SARLupe и COSMO-Skymed не относятся к коммерческим проектам.

 
Специальные технологии интерферометрической съемки позволяют определять незначительные подвижки грунта — эти данные могут быть использованы для контроля состояния трубопроводов, обнаружения нелегальных врезок в нефтегазопроводы и оценки сейсмоопасности. Интерферометрия комбинирует комплексные изображения, зафиксированные антеннами под различными углами наблюдения или в разное время. По результатам сравнения двух снимков одного и того же участка местности получают интерферограмму, представляющую собой сеть цветных полос, ширина которых соответствует разности фаз по обеим экспозициям. Благодаря высокой частоте излучения подвижки регистрируются с сантиметровой точностью.

Все данные предоставляются в цифровом виде, что обеспечивает объективность и однозначность интерпретации. Интерферометрия может рассматриваться в качестве альтернативы традиционной стереофотографической технологии для создания топографических карт. Наиболее простой способ оценки смещений состоит в сравнении пары разновременных спутниковых изображений. Две интерферограммы позволяют выявить любые изменения, произошедшие на поверхности Земли (оползни, предвестники землетрясений), а также по колебаниям характеристик радиосигналов отследить смену влажности почвы (проблемы подтопления).Для получения достоверных результатов необходимо соблюдение ряда условий, например, выведение спутника для повторной экспозиции в область космического пространства, близкую к первой экспозиции; один сезон съемки (хоть и в разные годы) для сходного состояния отражающей поверхности (растительный покров, гидрогеологические условия).

Эти проблемы в большей мере решаются с помощью тандема спутников, которые перемещаются по одним и тем же орбитам с интервалом пролета 24 ч. Космическая информация со спутника TerraSAR-X может найти применение при картографировании, планировании городской застройки, ликвидации последствий стихийных бедствий, в транспортном строительстве, сельском и лесном хозяйстве. Маркетинг космической информации TerraSAR-X будет осуществлять компания Infoterra GmbH (Германия), которая предлагает зарубежным клиентам принимать радиолокационные изображения на собственные приемные станции.

Космическое агентство Германии DLR разработало дополнительный спутник Tandem-X, который был запущен 21 июня 2010 г. для группового полета с TerraSAR-X в целях оперативной интерферометрической съемки с высокой точностью. Резюмируя, можно отметить, что данные дистанционного зондирования, полученные с этих спутников, обеспечивают:

• Наивысшее пространственное разрешение для радарных систем (до 1 м);
• Возможность круглосуточного всепогодного наблюдения за любыми объектами на земной поверхности;
• Получение высокоточных ЦМР с помощью интерферометрических методов;
• Мониторинг даже незначительных (до 1 мм) подвижек поверхности;
• Высокую оперативность выполнения заказов.

Оснащение спутника TerraSAR-X новейшим радаром с синтезированной апертурой, позволяющим выполнять съемку земной поверхности с беспрецедентным пространственным разрешением, делает названную систему одним из наиболее совершенных инструментов дистанционного зондирования Земли (наряду с COSMO-Skymed). Спутник находится на солнечно-синхронной полярной орбите высотой 514 км, имеющей наклон 97,44°. Расчетный срок пребывания на орбите TerraSAR-X составляет около пяти лет. Радар выполняет съемку земной поверхности в X-диапазоне длин волн (3,1 см) с изменяемой поляризацией излучения (HH, VH, HV, VV), варьировать съемочными углами можно от 20 до 55°. Технические характеристики КА TerraSAR-X приведены в табл. 5:

Таблица 5. Технические характеристики КА TerraSAR-X

Дата запуска: 15.06.2007 г.
Спектральный диапазон	3,1 см – (X-диапазон)
Режимы	High Resolution SpotLight (Сверхвысокого разрешения)	SpotLight (Высокого разрешения)	StripMap (Широкополосный высокого разрешения)	ScanSAR (Среднего разрешения)
Номинальное пространственное разрешение	1 м	2 м	3 м	16 м
Размер сцены	5 км X 10 км	10 км X 10 км	30 км X 50 км	100 км X 150 км
Скорость передачи данных	300 Мбит/сек
Радиометрическое разрешение	8 бит
Формат файлов	CEOS
Обработка	Радиометрическая, сенсорная и геометрическая коррекция. Приведение к картографической проекции, создание ЦМР, производных картографических продуктов
Периодичность съемки	Максимум - 4,5 суток, в 95% случаев – 2 суток
Срок выполнения заказа	1-3 дня для архивных данных 1-6 дней для съемки на заказ
Минимальная площадь заказа	Одна стандартная сцена для любого из 4 режимов

Высокая востребованность космической информации и эффективная политика взаимодействия государства и частного бизнеса позволили ряду стран создать коммерческие космические системы сверхвысокого разрешения (до 0,4 м), которые обеспечивают информацией государственные структуры на основе гарантированных контрактов, параллельно формируя продукцию для продажи на мировом рынке. Высокая конкуренция разработчиков космических систем привела к существенному улучшению технических характеристик аппаратуры, сокращению сроков разработки систем и уменьшению габаритных параметров КА. Среди достижений следует отметить изготовление зеркал телескопов из легковесных материалов, новейшую технологию их шлифовки и использование более совершенных матриц с размером пикселов 6–8 мкм, работающих по технологии временной задержки и накопления сигналов. В состав бортовой аппаратуры всех рассмотренных КА входят звездные и высокоточные гироскопические датчики, приемники сигналов GPS, которые используются для определения углового и пространственного положения аппаратов на орбите. Характеристики съемочной и измерительной аппаратуры позволяют создавать с использованием космических снимков топографические карты масштаба 1:10 000 и мельче без наземных контрольных точек и топографические планы масштаба до 1:2000 при их наличии.

Лавров Виктор Николаевич, "Геопространственное Агентство Иннотер"