Сканировал и обработал Юрий Аболонко (Смоленск)

НОВОЕ В ЖИЗНИ, НАУКЕ, ТЕХНИКЕ

ПОДПИСНАЯ НАУЧНО-ПОПУЛЯРНАЯ СЕРИЯ

КОСМОНАВТИКА, АСТРОНОМИЯ

6/1988

Издается ежемесячно с 1971 г.

Н. В. Межеловский,
кандидат геолого-минералогических наук

Н. С. Рамм,
кандидат технических наук

В. В. Шварев,
доктор технических наук


АЭРОКОСМИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ ГЕОЛОГИЧЕСКОЙ СРЕДЫ

(Особенности и возможности космических съемок)


в приложении этого номера:

НОВОСТИ КОСМОНАВТИКИ
ХРОНИКА КОСМОНАВТИКИ



Издательство «Знание» Москва 1988

ББК 26.11
М43

СОДЕРЖАНИЕ

Межеловский Н. В. и др.

11 к.

В Основных направлениях экономического и социального развития СССР на 1986 – 1990 годы и на период до 2000 года предусматривается более широко и эффективно использовать геофизические и геохимические методы исследований, аэровысотные и космические средства для изучения поверхности Земли и ее недр. В брошюре рассказывается о развитии космических методов у нас и за рубежом, возможных при реализации подобной программы.

Брошюра рассчитана на всех, интересующихся современными проблемами космонавтики.

1802020000ББК 26.11

© Издательство «Знание», 1988 г.

ВВЕДЕНИЕ

Советская наука занимает передовые позиции в мире по использованию космической информации для решения многообразных геологических задач. Только в СССР проводится систематическое изучение геологического строения территории, основанное на преимущественном использовании материалов космических съемок и космовизуальных наблюдений. К концу XI пятилетки космогеологические карты масштаба 1 : 1 000 000 – 1 : 500 000 были составлены более чем для половины территории страны.

Успешное развитие и широта использования космических методов в геологии позволяют говорить о становлении нового научного направления – космогеологии. Космические снимки вместе с материалами традиционных методов изучения Земли дают космогеологии надежные данные для построения геологических моделей исследуемых территорий. Космогеология широко использует не только материалы космических съемок, но и самые современные методы и человекомашинные системы обработки и дешифрирования многообъемной и разнородной дистанционной информации, методы высокоточных измерений спектральных отражательных характеристик, цифровых записей изображений поверхности Земли, данных геологического, геохимического и геофизического анализов.

Достигнутый уровень развития методов и средств советской космогеологии свидетельствует о возможности их привлечения к решению самой острой и сложной проблемы современности – к решению проблемы охраны и рационального использования окружающей природной среды. Долговременная стратегия охраны природы, разработанная по инициативе советских ученых и одобренная в Организации Объединенных Наций, требует решительного перехода от пассивной регистрации губительных последствий многочисленных экологических нарушений и частых катастроф к их своевременному предупреждению и предотвращению.

Принятая программа совместных действий предусматривает создание системы надежного и широкомасштабного мониторинга окружающей природной среды. Мониторинг должен обеспечить систематическое и оперативное слежение за состоянием природной среды с целью ее контроля и управления правильным использованием всех ее компонентов.

Такой мониторинг может быть создан только на основе самых современных технических средств. Более чем 20-летний опыт дистанционного зондирования Земли и планет, особенно успешное развитие космогеологии, дают твердую уверенность в необходимости широкомасштабного использования всего потенциала накопленных космических средств для создания эффективной системы мониторинга окружающей природной среды.

Наряду с атмосферой и гидросферой важнейшей составной частью окружающей природной является верхняя часть литосферы, преобразуемая в таких масштабах, которые полностью подтверждают слова В. И. Вернадского о том, что деятельность человека по своим последствиям может быть сопоставима с результатами деятельности крупнейших геологических процессов.

Охрана и рациональное использование этой части литосферы, названной геологической средой, имеет не только жизненное, но и большое народнохозяйственное значение. Первостепенная важность ее охраны и рационального использования обусловлена не только ее значением как быстро расширяющейся среды обитания, но и как источника интенсивно используемых и невосполнимых земельных, минеральных и основных энергетических ресурсов.

В качестве примера можно указать на опасное развитие различных экзогенных геологических процессов (развевание, плоскостная и струйчатая водная эрозия, оврагообразование и др.), наносящих в настоящее время едва ли не самый большой ущерб земледелию и всему сельскому хозяйству нашей страны. Так, по данным Б. В. Виноградова, полученным на основе анализа космических съемок, в результате нерационального использования земель Калмыкии («Черные земли») в конце 50-х годов началось развевание песков. В 1958 г. площадь очагов развевания не превышала 2 – 3% территории, к 1976 г. она увеличилась до 18%, в 1981 г. – до 22 и в 1983 г. – до 33%. Только тогда здесь были приняты решительные меры по предотвращению превращения этой территории в антропогенную пустыню. Ущерб, нанесенный местному скотоводству, оценивается в несколько миллионов рублей.

По данным Института земледелия и защиты почв от эрозии, только за 4 года (с 1976 по 1980 г.) площадь эрозированных земель в Черноземной полосе возросла с 2,9 млн. га (15,2% площади) до 4 млн. га (28% площади), т. е. увеличилась в среднем за год на 4%. На эрозированных землях ежегодно теряется 30 – 60% урожая, что наносит государству ущерб в 400 млн. руб.

Только по правобережью Дона длина оврагов за последние годы возросла до 7 тыс. км, поглотив 70 000 га плодородных земель. По самым скромным подсчетам ущерб составил 200 млн. руб.

В огромной степени используют и преобразуют геологическую среду горнодобывающая промышленность, различные виды строительства (в первую очередь, гидротехническое, транспортное, мелиоративное), а также водное и сельское хозяйство. Их разрушительное воздействие по своим масштабам в ряде случаев сопоставимо с последствиями катастрофических природных явлений.

Оценка состояния и прогноз изменения геологической среды имеют важнейшее значение для выявления угрозы нарушения экологического равновесия в природе, а также большое народнохозяйственное значение. Прежде всего для обеспечения полного, безопасного и рационального освоения полезных ископаемых, для оптимального использования и инженерной защиты осваиваемых территорий; для рационального землепользования и мелиорации сельскохозяйственных земельных угодий.

Общегосударственной научно-технической программой XII пятилетки предусматривается разработка научных и технологических основ аэрокосмического мониторинга геологической среды.

Предполагается, что мониторинг будет осуществляться на трех иерархических уровнях: региональном, детальном и локальном. Региональный мониторинг должен охватывать целые экономические районы и давать общее представление о характере, масштабах, интенсивности различных геологических процессов, ущербе, который они наносят народнохозяйственным объектам и природной среде, эффективности применяемых защитных мероприятий и пр. В зависимости от степени освоенности территории и других факторов он может осуществляться в широком диапазоне масштабов от 1 : 100 000 до 1 : 500 000.

Получаемая информация найдет применение при составлении схем размещения производительных сил и отраслей народного хозяйства, схем районной планировки, отраслевых схем охраны и использования природных ресурсов, территориальных комплексных схем охраны природы, а также при решении широкого комплекса научных и прикладных задач, связанных с разработкой эффективных (в экологическом, экономическом и иных отношениях) мероприятий по управлению геологическими процессами. Детальный и локальный мониторинг должны давать уже более полное представление о развитии геологических процессов в пределах отдельных инженерных сооружений или их комплексов. Выбор методов, используемых при мониторинге, определяется его уровнем. При региональном мониторинге в качестве базовых целесообразно использовать аэрокосмические методы, дополняя их небольшим объемом наземных исследований, при детальном и локальном мониторинге основные данные будут получены наземными исследованиями, а аэрокосмические методы станут их существенным дополнением.

Ведущая роль в реализации аэрокосмического мониторинга должна принадлежать съемкам, выполняемым в оптическом диапазоне спектра, так как они дают максимум полезной информации. Следует отметить, что аэроснимки такого типа используются для дешифрования геологических процессов уже не одно десятилетие, и здесь достигнуты значительные успехи. Достаточно хорошо отработана методика дешифрирования снимков, критически оценены возможности метода, определены с известным приближением точность и надежность получаемой информации. Всем этим вопросам посвящена обширная литература. Значительно менее определены возможности использования для этой цели космических снимков. При изучении возможности и целесообразности использования КС для изучения динамики геологических процессов возникают два основных вопроса: какими должны быть повторность съемок и разрешающая способность снимков и могут ли они быть обеспечены современными техническими средствами.

Следует отметить, что в отличие от погодных условий или атмосферных явлений геологическая среда отличается относительной стабильностью и здесь нет необходимости в очень высокой оперативности наблюдений. Для изучения большинства процессов (различные виды эрозии, карст, оползни, переработка берегов и др.) интервал между съемками может измеряться 2 – 3 годами. Однако в некоторых случаях может возникнуть необходимость производства съемки в какой-то определенный момент времени, например при изучении землетрясений, разрушительных селевых потоков, больших обвалов, оползней и некоторых других явлений. Приурочить съемку непосредственно к моменту катастрофы можно только случайно, но выполнить ее немедленно вслед за катастрофой, когда еще свежи все ее последствия, очень важно, так как это позволит выявить некоторые закономерности процесса, оценить его последствия для природной среды, инженерных сооружений или различных хозяйственных объектов. В дальнейшем эти материалы можно использовать при составлении прогнозов, осуществлении экстраполяций и пр. Наконец, в некоторых, правда, достаточно редких случаях может возникнуть необходимость слежения за развитием процесса с интервалами, измеряемыми сутками и даже часами, например при извержении вулканов, катастрофическим разрушением берегов при штормах и паводках, движении горных ледников, смещении оползневых тел большого размера и некоторых других процессах.

При определении необходимой разрешающей способности снимков следует исходить в первую очередь из размеров геологических объектов, подлежащих картированию. Анализ среднемасштабных и инженерно-геологических карт, составленных с помощью комплекса наземных методов, которые можно рассматривать в данном случае как эталон, свидетельствует о том, что многие проявления геологических процессов (различные формы эрозии, карстовые воронки, бугры пучения, термокарстовые западины и др.) не превышают по размеру 5 – 10 м, а нередко и менее. Таким образом, для успешного картирования динамики геологических процессов снимки должны обладать возможно большим разрешением, так как в противном случае большая часть полезной информации будет потеряна.

В свете изложенных требований рассмотрим особенности и возможности космической съемки.

КОСМИЧЕСКАЯ СЪЕМКА ПОВЕРХНОСТИ ЗЕМЛИ

Основные типы съемки. Методов съемки поверхности Земли из космоса довольно много, и их число постепенно возрастает, поскольку новая техника позволяет реализовать не использовавшиеся ранее возможности. Однако количество принципиально возможных вариантов съемки все же ограниченно. Действительно, любая съемка – это регистрация яркости поверхности Земли в определенном диапазоне спектра электромагнитных волн, причем в диапазоне, для которого атмосфера достаточно прозрачна, а Земля либо имеет собственную яркость, либо способна отражать излучение Солнца или искусственного источника электромагнитных волн.

Гамма- и рентгеновские лучи не отражаются и слабо излучаются поверхностью Земли: ультрафиолетовый свет и большинство длин волн инфракрасного (ИК) излучения атмосфера Земли практически не пропускает; радиоволны, за исключением наиболее коротких, не создают направленного излучения. Вследствие всего этого возможны только следующие варианты съемки Земли из космоса:

1. Регистрация солнечного света, отраженного поверхностью Земли в видимой области спектра (длины волн 0,5 – 0,7 мкм) и в «окнах прозрачности» атмосферы так называемого ближнего ИК-диапазона (~0,7 – 3 мкм). Космические съемки в этих областях в дальнейшем будем называть съемками в оптическом диапазоне спектра.

2. Съемка собственного ИК-теплового и радиотеплового излучения Земли, главным образом ИК-тепловая съемка в зоне длин волн 9 – 12 мкм и радиотепловая съемка в микроволновом диапазоне радиоволн, включающем миллиметровые и сантиметровые волны.

3. Активные методы дистанционного зондирования, т. е. регистрация сигналов, отраженных от поверхности Земли и генерируемых искусственным источником направленного излучения, находящимся на борту космического аппарата (КА). Это или лазерная, или радиолокационная съемка.

Практически лазерная съемка, да и то с самолетов, а не с КА, только начинает развиваться. Что же касается радиолокационной съемки, то в классическом варианте она имеет серьезное ограничение: регистрация происходит в диапазоне, длины волн которого на несколько порядков больше, чем у видимого света, и поэтому пространственное разрешение радиолокационных снимков относительно очень низкое. Эту трудность удалось преодолеть созданием так называемых радиолокационных станций с синтезированной апертурой. Съемка с помощью этих станций предусматривает замену каждого импульса сигнала на множество импульсов, слегка отличающихся по частоте, причем отклики на них регистрируются отдельно в цифровом виде и совмещаются затем с помощью ЭВМ, формируя единое изображение. Основное преимущество съемки с помощью радиолокационных станций с синтезированной апертурой – возможность ее выполнения в любое время суток и независимо от наличия облачности.

Для целей мониторинга природной среды в настоящее время наибольший интерес представляют космические съемки в оптическом диапазоне, которым ниже уделено основное внимание. Однако в дальнейшем ведущая роль должна перейти, по всей видимости, к съемке с помощью радиолокационных станций с синтезированной апертурой.

Космическая фотосъемка. Основной вид космических съемок, выполняемых в Советском Союзе, – это фотографирование поверхности Земли с помощью специализированных народнохозяйственных спутников из серии «Космос». Это автоматические космические аппараты, выводимые на квазиполярную околокруговую орбиту со средней высотой около 250 км. Они оснащены несколькими фотокамерами с различным фокусным расстоянием и производят космическую фотосъемку в разных масштабах.

Крупномасштабные снимки имеют высокое фотографическое качество и выдерживают без ощутимой потери резкости увеличение до масштабов 1 : 100 000 – 1 : 25 000 при полосе обзора на поверхности Земли 100 – 30 км. Разрешение на местности достигает 5 м. Практикуется черно-белая съемка на панхроматические аэрофотопленки, спектрозональная съемка, позволяющая получить цветное изображение местности в искусственных цветах, и многозональная съемка – одновременное фотографирование с помощью нескольких различных камер с разными фотопленками и светофильтрами, обеспечивающими регистрацию в разных зонах фотографического диапазона спектра (т. е. диапазона длин волн 0,5 – 0,9 мкм).

Каждый из спутников «Космос», предназначенный для фотографирования Земли, функционирует примерно 2 недели, после чего отснятая пленка возвращается на Землю для фотохимической обработки и репродуцирования.

Фотосъемка производится с борта пилотируемых орбитальных станций, однако она во многом уступает космической фотосъемке с помощью КА «Космос». Прежде всего это связано с тем, что орбитальные станции из соображений радиационной безопасности выводятся на орбиты с наклонением 51 – 52° и съемка возможна только до этой широты, т. е. не осуществима для большей части территории СССР. Кроме того, орбитальные станции – многоцелевые и пилотируемые космические аппараты, вследствие чего условия их стабилизации и установки фотокамер, а также режимы съемки менее благоприятны, чем на специализированных фотосъемочных спутниках. Космическая фотосъемка с борта орбитальных станций ведется в масштабах порядка 1 : 3 000 000 и меньших.

В США космическая фотосъемка выполнялась различными фотокамерами с борта орбитальных станций «Скайлэб» и «Спейслэб», а также с многоразовых транспортных космических кораблей (МТКК) типа «Спейс Шаттл». При этом черно-белые фотоснимки, полученные крупноформатной камерой ЛФК, имеют пространственное разрешение порядка 7 м. После катастрофы МТКК «Челленджер» и нескольких аварий американских и французских ракет-носителей крупномасштабная фотосъемка проводится только в СССР. С середины 1987 г. Советский Союз начал экспорт крупномасштабных космических фотоснимков.

Несмотря на высокий уровень развития отечественной космической фотосъемки, она решает далеко не все задачи дистанционного зондирования, тем более аэрокосмического мониторинга геологической среды. Это объясняется следующими причинами:

1. Основная цель аэрокосмического мониторинга геологической среды – оперативная выработка оптимальной реакции на ее состояние и изменения. А от заказа космической фотосъемки до передачи снимков потребителю неизбежно проходит несколько месяцев.

2. В существующих вариантах космическая фотосъемка недостаточно оперативна не только для мониторинга, но и для целей дистанционного зондирования. Вследствие ограниченного числа запусков соответствующих спутников «Космос» и кратковременного действия каждого из них крупномасштабная съемка участков, которая обычно требуется в заданный сезон определенного года и в безоблачную погоду, как правило, в требуемые сроки не выполняется. Снимки некоторых участков не удается получить даже в течение нескольких лет.

3. Повторные космические фотосъемки определенных участков если и выполнимы, то в различных условиях освещения и в разные сезоны, вследствие чего сопоставление их результатов затруднительно.

4. Космическая фотосъемка возможна только в фотографическом диапазоне спектра (длины волны 0,5 – 0,9 мкм), а во многих случаях, в частности для решения ряда задач аэрокосмического мониторинга геологической среды, требуется регистрация и в более длинноволновой части оптического диапазона, а также в ИК-тепловой области.

Вследствие изложенного ведущие капиталистические страны ориентируются прежде всего не на космическую фотосъемку, а на космическую сканерную съемку, позволяющую преодолеть отмеченные недостатки.

Космическая сканерная съемка. Космическая сканерная съемка выполняется с помощью невозвращаемых спутников, каждый из которых действует в течение нескольких лет и передает зарегистрированную информацию на Землю по радиоканалам. Практика показала, что для успешного выполнения космической сканерной съемки требуется создание целой системы, называемой обычно системой изучения природных ресурсов Земли, или просто природоресурсной системой. В нее входят сами природоресурсные спутники, наземный командно-измерительный комплекс, каналы связи, центры приема и обработки информации, подсистемы сбора заказов, каталогизации и рассылки снимков пользователям, иногда геостационарные спутники, принимающие информацию от природоресурсных спутников и передающие ее на Землю. Природоресурсная система производит периодический глобальный обзор поверхности Земли, а использование ее данных носит международный характер.

Рассмотрим космическую сканерную съемку на примере съемки с помощью природоресурсной системы «Лэндсат», поскольку эта система действует уже 15 лет, полностью развита и переведена на коммерческую основу. Особенно подробно следует остановиться на орбитах спутников «Лэндсат» и режимах съемки, так как модификация именно этих характеристик позволяет удовлетворить требования аэрокосмического мониторинга геологической среды.

При каждом обороте спутника «Лэндсат» вокруг Земли его датчики снимают полосу местности шириной 185 км. Полосы съемки для обеспечения глобального обзора должны в определенном порядке примыкать друг к другу без разрывов и избыточных перекрытий. Это же относится и к строкам сканирования, которые должны прилегать друг к другу, образуя единое изображение в постоянном масштабе. Для реализации всего этого высота орбиты должна быть постоянной. Поэтому орбита спутников «Лэндсат» круговая, а не эллиптическая.

Космическая сканерная съемка выполнима при солнечном освещении, т. е. только днем. Однако местное время прохождения спутника над определенной точкой Земли меняется от оборота к обороту из-за прецессии узлов орбиты и вращения Земли вокруг Солнца. Так, если спутник, запущенный па орбиту с высотой 300 км и наклонением i = 50°, сегодня проходит над Ленинградом в 12 ч дня, то через 8 сут это произойдет уже в 9 ч, а примерно через месяц – в полночь. Ясно, что для природоресурсных спутников это недопустимо. Поэтому они выводятся только на такие орбиты, прецессия которых точно компенсирует изменение взаимного положения Земли и Солнца. Такие орбиты называются солнечно-синхронными и имеют наклонение около 98°. При этом наклонении трасса спутника (т. е. проекция его траектории на поверхность Земли) при переходе из Южного полушария в Северное идет к северо-северо-западу, а самая северная точка трассы имеет широту 82°. На каждом витке солнечно-синхронной орбиты спутник пересекает экватор в одно и то же дневное время t₀.

Спутники «Лэндсат» снимают местность на нисходящих витках, т. е. на той части оборота вокруг Земли, когда они движутся с северо-северо-запада на юго-юго-восток (рис. 1, а). При этом для последних спутников «Лэндсат» t₀ = 9 ч 45 мин, и они всегда снимают Шпицберген в 13 ч 30 мин местного времени, побережье Таймыра – в 12 ч. Ленинград или Магадан – в 10 ч 45 мин, экваториальный пояс – около 9 ч 45 мин, а побережье Антарктиды – около 8 ч. Тем самым глобальный обзор выполняется в утренние и дневные часы, оптимальные для съемки. Заметим, что на каждом витке местное время съемки непрерывно уменьшается вдоль трассы, хотя гринвичское (или московское) время при этом возрастает.

Рис. 1. Схема обзора земной поверхности спутниками системы «Лэндсат»: а) трассы и полосы обзора смежных по времени витков орбиты (пунктиром отмечена трасса спутника, двумя линиями – полоса обзора сканирующими приборами МСС и ТМ, L – межвитковый интервал, 2874 км для спутника «Лэндсат-1» и 2752 км для спутника «Лэндсат-4»); б) заполнение межвиткового интервала витками различных суток за период глобального обзора спутником «Лэндсат-1» (треугольником отмечен суточный сдвиг, λ – интервал между соседними витками трассы, номера суток периода подписаны у витков трассы); в) то же для спутника «Лэндсат-4»

При наклонении орбиты i = 90° она называется полярной, при i < 90°, когда спутник запускается в северо-восточном (или юго-восточном) направлении, – прямой, а при i > 90° – обратной. Таким образом, солнечно-синхронные орбиты – обратные. Запуск спутника на обратную орбиту энергетически не выгоден, так как вращение Земли в этом случае уменьшает исходную орбитальную скорость, однако для долговременных природоресурсных спутников этот проигрыш перекрывается возможностью всегда пролетать съемочный маршрут в дневные часы, причем всегда в одни и те же.

Первые спутники «Лэндсат» («Лэндсат-1, -2, -3», действовавшие с 1972 по 1984 г.) запускались на орбиты со средней высотой 918 км, что соответствует числу оборотов в сутки N = 13¹⁷/₁₈. Вследствие этого межвитковый интервал, или интервал между трассами двух соседних по времени оборотов спутника, составлял 360° : 13¹⁷/₁₈ = 25,8°, т. е. 2874 км на экваторе. Ежесуточно витки трассы смещались к западу на ¹/₁₈ межвиткового интервала, т. е. на 160 км вдоль экватора. Это обеспечивало глобальный обзор Земли за 18 сут, а на 19-е сутки трассы проходили точно по трассам первых суток, и начинался следующий период глобального обзора (рис. 1, б). Очевидно, повторяемость трасс свойственна всем солнечно-синхронным орбитам, на которых спутник делает рациональное число оборотов в сутки, т. е. 13 + k/p, или 14 + k/p, или 15 + k/p оборотов. При этом целое число p является периодом глобального обзора, а целое число k определяет суточный сдвиг (рис. 1, б, в). Такие орбиты называются изомаршрутными.

У спутников «Лэндсат-4 и -5», относящихся ко второму поколению этой системы, высота полета уменьшена до 705 км для улучшения разрешения на местности. В этом случае N = 14⁹/₁₆, а период глобального обзора равен 16 суткам. Заполнение межвиткового интервала витками различных суток периода для спутников «Лэндсат-4, -5» представлено на рис. 1, в. Из него видно, что трассы, смежных на местности витков, т. е. соседние маршруты съемки, спутник проходит с интервалом 7 сут, а схема реализации глобального обзора значительно сложнее, чем у спутников «Лэндсат-1, -2, -3».

Очевидно, трассы спутников «Лэндсат-1, -2, -3» равномерно покрывают Землю 251 витком, а спутников «Лэндсат-4, -5» – 233 витками. Это определяет полосу обзора аппарата.

На всех спутниках «Лэндсат» установлен сканирующий многозональный аппарат МСС (Multi Spectral Scanner) с элементом разрешения на местности d = 80 м, на спутниках «Лэндсат-4, -5», кроме того, прибор ТМ (Thematic Mapper) с d = 30 м. Наиболее совершенный из сканирующих аппаратов. Во всех случаях съемки производится точно в надирном направлении, что обеспечивается трехосной ориентацией спутника с угловыми колебаниями не более 0,01° и угловыми скоростями, не превосходящими 10^–6 град/с.

Камера прибора ТМ представляет собой оптический телескоп, горизонтально расположенный на ориентированном спутнике в направлении, перпендикулярном траектории. Апертура телеобъектива 40,6 см, фокусное расстояние 244 см. Перед объективом расположено зеркало, колеблющееся с частотой 7 Гц, отклоняющее луч визирования примерно на 90° и обеспечивающее последовательную регистрацию элементов изображения в центре фокальной плоскости объектива.

Мгновенное поле зрения прибора 42,5 мкрад, что соответствует визированию участка местности диаметром 30 м. Съемка ведется как при прямом, так и при обратном ходе зеркала, причем в каждом случае одновременно регистрируется по 16 строк изображения. Таким образом, в каждую секунду полета производится съемка 16 × 2 × 7 = 224 строк полоски местности длиной 224 × 30 = 6720 м. Поскольку скорость смещения следа орбиты спутника «Лэндсат» вдоль трассы 6,7 км/с, строки примыкают друг к другу без разрывов и перекрытий.

Аппарат ТМ имеет 7 спектральных каналов, характеристики которых приведены в табл. 1.

В Советском Союзе система «Ресурс-0», предназначенная для космической сканерной съемки, пока находится в экспериментальной стадии. Она развивается на базе метеорологической системы «Метеор», спутники которой производят ежесуточный (или даже более частый) обзор поверхности Земли, но с разрешением порядка нескольких километров.

КОСМИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ МОНИТОРИНГА

Высокооперативная съемка высокого разрешения. Для многих целей комплексного мониторинга, т. е. для контроля за паводками, образованием и сходом лавин и селевых потоков, извержениями вулканов, землетрясениями, аварийным загрязнением морей и внутренних, вод, созреванием и заболеванием посевов и т. п. и для принятия оптимальных решений, связанных с подобными явлениями, требуется высокооперативная съемка, вплоть до ежесуточной, причем с высоким разрешением – порядка 10 – 20 м. Решение этой задачи космическими системами, аналогичными рассмотренным выше, практически неосуществимо.

Относительно космической фотосъемки и съемки с помощью метеорологических спутников это очевидно, так как временнóе разрешение первой и пространственное разрешение второй на несколько порядков ниже требуемого для мониторинга. Космические природоресурсные системы типа «Лэндсат» на первый взгляд могут быть модифицированы применительно к рассматриваемой задаче, однако это потребовало бы нереально большого увеличения скорости переработки информации.

Действительно, при глобальном обзоре поверхности Земли эта скорость I выражается формулой I = c/pd², где с – коэффициент пропорциональности (несколько меняющийся в зависимости от качества съемки и числа спектральных каналов); p – период глобального обзора; d – элемент разрешения на местности.

При периоде обзора в 16 сут приборы МСС и ТМ на спутнике «Лэндсат» имеют соответственно элементы разрешения 80 и 30 м, I равно 15 Мбит/с и 85 Мбит/с, причем последнее значение является серьезным техническим достижением и вряд ли будет существенно увеличено в ближайшие годы. Но для мониторинга с ежесуточным обзором и d = 10 м эти значения следовало бы согласно приведенной формуле увеличить примерно до 15 000 Мбит/с. Хотя такая система в принципе осуществима (например, путем одновременного ввода в действие нескольких сот природоресурсных спутников), но экономически совершенно бессмысленна.

Оказывается, однако, что она и не нужна. Потребителей интересует многократная съемка далеко не всей поверхности Земли, а лишь некоторой совокупности, как говорят экологи, «горячих участков». Причем размеры участков, состояние которых должно регистрироваться с разрешением порядка 10 – 20 м, как правило, невелики. Многократная же, тем более ежедневная съемка остальной территории Земли со столь высоким разрешением практически бесполезна. Она привела бы лишь к неоправданным расходам на непрерывную, круглосуточную и круглогодичную переработку информации со средней скоростью порядка 10 000 Мбит/с.

В соответствии с этим целесообразен переход от природоресурсных систем к многоцелевым системам дистанционного зондирования и мониторинга поверхности Земли, которые обеспечивали бы как глобальный обзор, так и съемку отдельных участков местности в требуемый момент и с нужной частотой, вплоть до ежесуточной или еще более высокой. Несколько позже будут изложены и другие обоснования перехода к единым многоцелевым системам. В этом случае регистрируемыми участками могут быть: город, пострадавший от землетрясения или иного стихийного бедствия, действующий вулкан, лесной пожар, нефтяные пятна в море, динамика крупной стройки, плотины или карьера, особенно при возникновении аварийных ситуаций, и т. д. Характерный размер подобных «горячих участков» – несколько десятков километров, а регистрация их зачастую требуется лишь в течение нескольких суток активного развития процесса.

При надирной съемке полоса обзора датчиков высокого разрешения точно равна произведению диаметра элемента d на число М элементов в строке D = Md, причем для лучших из созданных и проектируемых датчиков М = 6000 – 10 000. Следовательно, при d = 10 м обеспечивается полоса обзора не шире 100 км. В этих условиях отказ от глобальной съемки позволяет уменьшить скорость переработки информации, но не приводит к увеличению оперативности заданной выборочной съемки, так как ежесуточно можно регистрировать только участки, лежащие в пределах узких полос обзора с соответствующих витков орбиты.

Таким образом, системы мониторинга должны базироваться на возможности наклонной съемки, когда регистрация заданных участков, расположенных на разном расстоянии от трассы, достигается наклоном оси датчика на различные углы α поперек трассы. Если эти углы достигают, скажем, 40°, то с одного витка можно регистрировать заданные участки в пределах полосы, ширина которой близка к удвоенной высоте съемки (порядка 1500 км). Благодаря этому, как будет показано дальше, один спутник может снять любые участки через сутки, а два спутника – ежесуточно.

Соответственно в дальнейшем под системами мониторинга будем понимать космические системы, предназначенные для частой, вплоть до ежесуточной съемки множества заданных участков размером 60 – 200 км, причем спутники оснащены камерами с разрешением порядка 10 – 20 м, допускающими как вертикальную, так и наклонную космическую сканерную съемку.

Таких систем пока нет, однако с 1986 г. начата коммерческая эксплуатация второй в мире (после системы «Лэндсат») космической природоресурсной системы, характеристики которой близки к требуемым для мониторинга. Это система «Спот», разработанная Францией при участии фирм Швеции и Бельгии.

Система «Спот» и проект «Терс». Спутник «Спот-1» запущен в феврале 1986 г. на околокруговую солнечно-синхронную изомаршрутную орбиту с наклонением i = 98,7° и средней высотой 832 км, что соответствует числу оборотов спутника вокруг Земли в сутки N = 14⁵/₂₆. Планируется одновременная работа одного-двух спутников «Спот», действующих в течение трех или более лет каждый, с их последующей заменой. На каждом спутнике устанавливается два идентично сканирующих аппарата высокого разрешения HRV. Информация регистрируется в цифровой форме со скоростью порядка 30 Мбит/с от каждой камеры. Часть ее запоминается для сбрасывания при полете в зоне радиовидимости центров приема, созданных во Франции, Швеции, Австралии и Канаде. Остальная информация сбрасывается в реальном времени регистрации и может приниматься на индивидуальных или коллективных пунктах приема.

Камера аппарата HRV представляет собой оптическую систему, телеобъектив которой имеет фокусное расстояние f = 100 см, действующее отверстие 32 см и угол зрения 2β = 4,13°. Сканирование местности электронное, основанное на использовании приборов с зарядовой связью (ПСЗ). Оно позволяет отказаться от сканирующего зеркала неизбежного в оптико-механическом сканирующем аппарате и от затвора, необходимого в фотокамере, т. е. от механического перемещения частей датчика, и от соответствующего двигателя. Электронное сканирование имеет следующие преимущества:

а) отсутствуют вибрации датчика, ухудшающие качество изображения и препятствующие регистрации строк с высокой частотой;

б) элементы строки регистрируются не последовательно, а одновременно, что снимает энергетические ограничения и позволяет уменьшить мгновенное поле зрения при сохранении высокого отношения сигнала к шуму.

В совокупности эти особенности позволили уменьшить элемент разрешения от d = 30 м (ТМ спутника «Лэндсат») до d = 10 м у HRV, хотя высота съемки системой «Спот» больше, чем у системы «Лэндсат».

В фокальной плоскости камеры HRV установлена линейка (строка) ПЗС длиной 78 мм, состоящая из М = 6000 ячеек (элементов) размером 13 мкм каждая. При вертикальной съемке это соответствует разрешению d = 10 м, полосе обзора при съемке одним аппаратом D = 60 км, а двумя сканирующими аппаратами – 117 км (установлены с 5%-ным перекрытием полос обзора). При разрешении d = 10 м время регистрации строки τ = 1,5 · 10^–3 с; при съемке с использованием ПЗС это время выдержки. Оно достаточно для регистрации изображения в одной широкой полосе спектра, но мало для многозональной съемки.

Вследствие этого предусмотрены два режима работы HRV: панхроматическая съемка в зоне длин волн 0,51 – 0,73 мкм при элементе разрешения d = 10 м с 64 градациями яркости (6 бит на точку) и многозональная съемка в зонах длин волн 0,50 – 0,59 мкм, 0,61 – 0,68 мкм и 0,79 – 0,89 мкм при d = 20 м и 256 градациях (8 бит на точку). При многозональной съемке элементы сдваиваются и М = 3000. В обоих случаях скорость переработки информации для одного сканирующего аппарата 25 Мбит/с, а с учетом служебных данных и необходимой избыточности – 30 Мбит/с.

При точной ориентации спутника реальные оптические оси камер расположены горизонтально, поперек маршрута съемки, а перед каждым из них установлено поворотное зеркало, меняющее направление центрального луча визирования на вертикальное или отклоненное поперек трассы. Отклонение изменяется дискретно, через 0,6° и обеспечивает съемку с наклоном α оптической оси α до ±27° к вертикали подспутниковой точки. При этом из-за сферичности Земли угол ε наклона оптической оси к вертикали регистрируемого в центре строки участка местности достигает 30,9°.

При максимальном наклоне оптической оси размер участка съемки поперек трассы возрастает с 60 до 80 км, а элемент разрешения от d = 10 или 20 м соответственно до d = 13 и 27 м. Камеры могут работать как совместно, так и при независимых друг от друга наклонах их зеркал. Таким образом, с одного витка орбиты при помощи спутника «Спот» можно снимать участки местности в полосе шириной 900 км. В отличие от полосы обзора сканирующего аппарата назовем эту характеристику виртуальной полосой обзора.

При вертикальной (надирной) съемке обоими сканирующими аппаратами спутник «Спот» обеспечивает глобальный обзор Земли 369 маршрутами за 26 сут. При этом виртуальные полосы обзора покрывают поверхность Земли не реже чем через 5 сут (в среднем через 3 сут), а на широтах |φ| ≥ 45° – через 4 сут. Можно показать, что с позиций оперативности съемки параметры орбиты и сканирующей аппаратуры спутников «Спот» несколько рассогласованы: малые изменения этих параметров обеспечивают глобальное покрытие виртуальными полосами обзора не реже чем раз в 3 сут.

Система «Спот» предназначена прежде всего для глобальной съемки высокого разрешения и для стереофотограмметрического измерения рельефа по стереопара, снятой с двух различных витков. Однако из приведенных характеристик ясно, что эту систему можно рассматривать и как первый вариант системы мониторинга. Заметим, что при отмеченной оптимизации ее параметров и при работе одновременно трех спутников она обеспечила бы ежесуточный обзор произвольно расположенных заданных участков.

Следует иметь в виду, что с переходом от обычных природоресурсных систем к системе мониторинга существенно усложняется подсистема связи с пользователями. Действительно, в последнем случае она должна обеспечить оперативный сбор заказов на съемку участков, соответствующее программирование съемки, корректировку этой программы в соответствии с наличием облачности над некоторыми участками и своевременное доведение информации до заказчиков, пользующихся централизованными данными.

Вследствие этого в течение ряда лет Национальный центр космических исследований Франции вел серьезную организационную подготовку к реализации программы «Спот» и широкую пропаганду этой программы среди потенциальных потребителей как во Франции, так и за ее пределами. Создано акционерное общество «Спот Имедж», издается ежемесячный журнал того же наименования, изготавливаются и поставляются потребителям установки для приема видеоинформации, собираются статистические данные для предрасчета части информации, которую должны хранить бортовые запоминающие устройства, и данные о структуре этой информации и т. д. По-видимому, эффективное действие системы мониторинга без подобной организационной подготовки невозможно.

Прототипом системы мониторинга, основанным на иных принципах, чем «Спот», следует считать проект «Терс» (Tropisch Erdressourse, Satellite), предложенный совместно Нидерландами и Индонезией. Данных о реализации этого проекта пока нет, однако по оригинальности, адекватности поставленным целям и достижимой оперативности он, безусловно, заслуживает рассмотрения.

Проект предназначен для съемки заданных участков, расположенных в широтном поясе |φ| ≤ 11°, несколько раз в течение любых суток. Для спутника «Терс» выбрана экваториальная (i = 0) круговая орбита с высотой 1680 км, что соответствует N = 12,0. При этом спутник движется вдоль экватора к востоку и относительно вращающейся Земли делает за сутки ровно на один оборот меньше, т. е. относительно местности, N = 11,0. Соответственно спутник пролетает над идентичными точками экватора через каждые 2 ч 10 мин, и с этой же частотой может в течение всего светлого времени суток регистрировать заданные участки экваториальной зоны.

Спутник «Терс» предполагается оснастить одним сканирующим аппаратом f = 200 см, 2β = 3,4°, в фокальной плоскости которого установлена линейка ПЗС длиной 119 мм, состоящая примерно из 8000 ячеек. Соответственно элемент разрешения равен 12 м, а полоса обзора – около 100 км. Как и прибор HRV, сканирующий аппарат спутника «Терс» должен обеспечивать или панхроматическую регистрацию, или же трехзональную, при которой элемент разрешения увеличивается до 25 м.

Оптическая ось сканирующего прибора спутника «Терс» отклоняется поворотным зеркалом поперек трассы на заданный угол α, –33,5° ≤ α ≤ 33,5°, что соответствует углу ε ≤ 44,3° и виртуальной полосе обзора 2470 км. Это и обеспечивает возможность съемки местности до широты φ = ±11,2° с каждого витка орбиты. Система «Терс» прекрасно использует возможность многократного увеличения оперативности за счет отказа не только от глобальной съемки, но и от глобального покрытия Земли виртуальными полосами обзора. К сожалению, расчеты показывают, что применение этой идеи для других широтных поясов дает значительно худшие результаты.

Формирование системы мониторинга на базе солнечно-синхронных орбит. Анализ показывает, что если съемка требуется не чаще чем раз в сутки, то систему мониторинга, как и природоресурсную систему, целесообразно формировать на базе солнечно-синхронных орбит.

Очевидно, что съемка заданных участков с помощью одного спутника может производиться тем чаще, чем шире виртуальная полоса обзора. Вследствие этого рассмотрим пути ее увеличения, предполагая, как и ранее, что речь идет о съемке в оптическом диапазоне с долговременно действующих спутников, находящихся на солнечно-синхронной орбите.

Виртуальную полосу обзора можно увеличить, задавая больший предельный угол наклона оси камеры α_max и большую высоту круговой орбиты. Однако сканирующие аппараты оптического диапазона имеют определенные ограничения. С возрастанием угла αmax возрастает и соответствующий ему угол наклона луча визирования к местной вертикали участка съемки ε_max, что приводит к ухудшению качества изображения, его передаточных характеристик и радиометрической точности вследствие усиления влияния воздушной дымки. Теоретические расчеты и опыт работы со снимками показывают, что это ухудшение мало заметно при изменении ε от 0 до 35 – 40°, но быстро становится очень существенным при его дальнейшем увеличении. Поскольку на краях виртуальной полосы обзора в среднем окажется лишь небольшая часть участков съемки, представляется допустимым предельное значение εmax примерно 44 – 45°, как это и предусмотрено проектом «Терс».

С увеличением высоты орбиты виртуальная полоса, соответствующая определенному ε_max, возрастает (чем и вызвана необычайно большая для природоресурсных спутников высота орбиты спутника «Терс»). Однако увеличение высоты орбиты вызывает серьезные технические проблемы и ведет к удорожанию системы. Это связано с двумя обстоятельствами. Во-первых, выведение тяжелого природоресурсного спутника (масса спутника «Спот» 2 т) на высокую орбиту требует использования мощной ракеты-носителя. При запуске спутника с экваториальных космодромов на околоэкваториальные орбиты эта трудность легко преодолима, но околополярные и особенно солнечно-синхронные орбиты, для которых i > 90°, энергетически значительно менее выгодны, требуют более мощных ракет-носителей, и дальнейший рост этой мощности нежелателен.

Во-вторых, для достижения заданного элемента разрешения d при больших значениях высоты орбиты Н нужно увеличить фокусное расстояние камеры при сохранении светосилы, т. е. увеличить действующее отверстие объектива пропорционально H, создавая достаточно сложные оптические телескопы. При этом быстро возрастает масса сканирующей аппаратуры, что требует и дальнейшего роста мощности ракет-носителей. Соответственно при формировании систем встает задача достижения требуемой виртуальной полосы обзора при наименьшей высоте полета (или максимальной полосы при заданной высоте).

При фиксированных значениях высоты Н и наклонения i круговой орбиты параметр α_max следует выбирать в допустимых для него пределах таким образом, чтобы виртуальные полосы обзора спутников ежесуточно (или за то число суток, которым ограничена оперативность формируемой системы) покрывали всю поверхность Земли без пропусков. При этом наименьшее значение αmax получается лишь в случае, если экватор покрывается без излишних перекрытий.

Расчеты показывают, что системы для ежесуточной съемки с ε_max ≤ 45° можно сформировать из двух солнечно-синхронных спутников только при H ≥ 800 – 850 км. С этой целью можно, в частности, использовать орбиту системы «Спот», увеличив α_max сканирующих приборов до 39°, а ε_max – соответственно до 45,3°. Взаимное расположение трасс обоих спутников, обеспечивающее сплошное покрытие местности виртуальными полосами обзора, изображено на рис. 2. При этом трасса второго спутника проходит точно по середине интервала между трассами последовательных витков орбиты первого.

Рис. 2. Схема расположения трасс при съемке с помощью двух солнечно-синхронных спутников (пунктиром отмечена часть трассы второго спутника, сплошной линией – трассы двух последовательных витков первого спутника)

Как уже говорилось, небольшое изменение высоты орбиты и параметров сканирующих аппаратов системы «Спот» обеспечивает глобальный обзор заданных участков одним спутником один раз в 3 сут. При этом H = 800 км, а ε_max = 33°. Казалось бы, дальнейшее увеличение ε_max может улучшить оперативность съемки с помощью одного солнечно-синхронного спутника. Однако это не совсем так. Чтобы один спутник мог выполнить съемку через сутки, его трасса должна проходить в самые первые сутки периода по сплошной линии рис. 2, во второй – по пунктирной, т. е. спутник должен делать за сутки 14,5 или 13,5 оборота вокруг Земли, что соответствует высотам орбиты в 730 и 1080 км

В первом случае α_max = 42,0° ε_max = 48,2°; во втором α_max = 33°, ε_max = 39,6°. Таким образом, глобальный обзор заданных участков через сутки возможен с помощью одного солнечно-синхронного спутника, но при этом необходимо или идти на ухудшение качества изображения части участков (для которых ε ≈ ε_max ≈ 48°), или же существенно усложнять и удорожать систему из-за увеличения высоты съемки.

Согласно изложенному целесообразно формировать систему из двух идентичных спутников, находящихся на околокруговых солнечно-синхронных орбитах с высотой 830 – 850 км, трассы которых расположены в соответствии с рис. 2, а камеры способны работать с отклонением оптических осей поперек трассы на углы до 40°. Такая система обеспечивает ежесуточную съемку произвольно расположенных участков (при отсутствии облачности над этими участками).

По-видимому, каждый спутник системы целесообразно оснастить двумя сканирующими аппаратами. Один из них должен быть аналогичен прибору HRV системы «Спот», но отличаться от нее большим значением α_max и возможностью «сдваивать» элементы разрешения вдоль и поперек строк не только при многозональном, но и при панхроматическом режиме работы. Это обеспечило бы возможность съемки при малых высотах Солнца, т. е. значительно продлило бы сезон съемки высоких широт.

Второй сканирующий аппарат должен обеспечивать многозональную регистрацию местности в нескольких спектральных каналах ближнего ИК-диапазона, аналогичных каналам прибора ТМ («Лэндсат»). Разрешение второго сканирующего аппарата может быть на порядок меньше, чем у первого, т. е. 100 – 300 м. Если предусмотреть возможность двух-трех переключений направления его оптической оси, то он обеспечил бы просмотр всей поверхности Земли (со средним разрешением) за 2 – 3 сут и позволил бы выявить возникновение новых «горячих участков» и включить их в программу съемки.

Для принятия решения о регистрации того или иного из заданных участков в реальном времени съемки целесообразно иметь на борту специальный прибор для регистрации облачности. Им может служить сканирующий аппарат среднего разрешения, с оптической осью, отклоненной на угол 45 – 50° вперед вдоль трассы, регистрирующей распределение облачности в пределах всей виртуальной полосы обзора аппарата высокого разрешения. Такой сканирующий аппарат даст информацию о возможности регистрации участка примерно за 1,5 мин до момента съемки этого участка, что вполне достаточно для автоматической корректировки программы съемки с помощью бортового вычислительного устройства.

Предлагаемая система позволяет решить задачу мониторинга существующими техническими средствами и при вполне допустимой скорости переработки информации. Действительно, для каждого спутника такой системы I должно быть примерно таким же, как у спутника «Спот», т. е. 40 – 60 Мбит/с. В зависимости от имеющихся заявок потребителей, а также из-за облачности над участками съемки реальные значения могут быть существенно меньшими, т. е. среднее суммарное значение I всей системы порядка 100 Мбит/с. Применительно к решаемым задачам съемка некоторых участков может производиться с максимальной частотой, остальных – с меньшей (раз в неделю, месяц, год). Таким образом, регистрируется вся требуемая информация, но только действительно нужная информация.

Формирование системы высокого разрешения для съемки с интервалом в несколько часов. Как уже говорилось, долговременно действующие природоресурсные спутники выводятся на солнечно-синхронную орбиту с целью оптимизации условий освещения. Однако исследования вопроса показали*, что преимущество достигается только для таких солнечно-синхронных орбит, у которых местное среднее время t₀ пересечения спутником плоскости экватора находится в пределах 9 – 11 ч. При других t₀ условия съемки становятся неблагоприятными. С другой стороны, поскольку для ежесуточной съемки произвольно расположенных участков нужны как минимум два спутника, для съемки, проводимой несколько раз в сутки, их требуется хотя бы 4 – 6.

* См.: Рамм Н. С. и Рынская А. К. Высокооперативная космическая съемка высокого разрешения. Деп. в ВИНИТИ, № 4316-В 87, 26 мая 1987 г., 34 с.

На основе этих соображений возможен новый подход к формированию высокооперативной съемочной системы высокого разрешения, принципиально отличающийся от подходов, принятых как в системе «Спот», так и в проекте «Терс». Базируется на использовании прямой околокруговой квазиполярной орбиты без суточного сдвига, т. е. так называемой геосинхронной орбиты, с числом оборотов спутника N = 14,0. Наклонение i этой орбиты выбрано равным 86°, а ее средняя высота, соответствующая указанным значениям N и i, равна 880 км. На эту орбиту запускается k спутников (k ≥ 4) таким образом, чтобы у каждого из них t₀ было бы на 24/k больше, чем у предыдущего. Разумеется, эта орбита, как и всякая, кроме солнечно-синхронной, процессирует, однако при k ≥ 4 это не препятствует съемке произвольно расположенных участков в дневное время.

Действительно, при наличии только одного спутника участки, регистрируемые им в дневные часы, с течением времени должны из-за изменения t₀ регистрироваться рано утром, а затем и ночью, и съемка становится невозможной. При наличии нескольких спутников на орбитах с идентичными значениями N и i и с идентичными трассами, но с разными t₀, дело обстоит иначе. Поскольку при каждом обороте спутника трасса пересекает все 24 часовых пояса, он может вести съемку на тех частях восходящего и нисходящего витков, которые проходят в дневное время.

С изменением даты широтный пояс, в котором возможна съемка, меняется, однако выпадающие из него участки при этом начинают попадать в зону съемки другого спутника системы.

Иначе говоря, для высокооперативной системы, при числе спутников k ≥ 4, оптимальную орбиту можно выбрать независимо от солнечного освещения. Способ выбора таких орбит* приводит к единственной орбите с параметрами: i = 86, N = 14,0, H = 880 км. Покажем, что эта орбита действительно обеспечивает наклонную съемку произвольно расположенного участка местности датчиком высокого разрешения через каждые 24/k в течение всего светлого времени суток.

* Рынская А. К. Изомаршрутные орбиты ИСЗ долговременного периодического глобального обзора Земли, не зависящего от солнечного освещения // Исслед. Земли из космоса. – 1987. – № 5. – С. 114–120.

На последней странице обложки изображены два восходящих витка трассы рассматриваемой орбиты и расположенный между ними нисходящий виток. Рисунок поясняет основные особенности выбранной орбиты **:

** Схема расположения трасс 1-го и 2-го восходящих и 8-го нисходящего витков орбиты при i = 86 и H = 880 км.

1) поскольку N – целое и четное число, нисходящие витки трассы пересекают экватор ровно посередине между смежными восходящими витками (при нечетных N точки пересечения восходящих и нисходящих витков с экватором совпадают, и число виртуальных полос обзора на экваторе равно N, а не 2N);

2) наклонение орбиты выбрано таким образом, что витки трассы пересекают экватор под прямым углом. Вследствие этого в низких и средних широтах трассы восходящих и нисходящих витков почти параллельны друг другу;

3) наибольшее расстояние вдоль параллели между восходящим и смежным нисходящим витком достигается на экваторе и равно ¹/₂₈ длины экватора, т. е. 1430 км;

4) вследствие отсутствия суточного сдвига расположение витков трассы неизменно, т. е. рассмотренные свойства трассы справедливы для любых суток полета.

Расчеты показывают, что при H = 880 км виртуальная полоса обзора в 1430 км перекрывается узкоугольным датчиком при ε ≤ 44°, что допустимо. Таким образом, виртуальные полосы обзора одного спутника, находящегося на рассматриваемой орбите, ежесуточно покрывают всю поверхность Земли, а с помощью k таких спутников действительно можно вести съемку произвольно расположенного участка с высоким разрешением и через каждые 24/k в течение всего светлого времени суток.

Высказанные ранее соображения о целесообразности дополнительного сканирующего аппарата среднего разрешения прибора для регистрации облачности справедливы и для системы, действующей на орбите без суточного сдвига.

По сравнению с системой мониторинга, основанной на солнечно-синхронных орбитах, система, базирующаяся на прямой геосинхронной орбите, имеет как преимущества, так и недостатки. Сначала перечислим основные преимущества.

1. Система, сформированная из k долговременно действующих спутников, обеспечивает съемку произвольно расположенных заданных участков через каждые 24/k ч в течение всего светлого времени суток. В частности, для съемки через каждые 6 ч требуется 4 спутника, в то время как с солнечно-синхронных орбит 4 спутника обеспечивают съемку не чаще чем 2 раза в сутки.

2. Съемка с прямой геосинхронной орбиты обеспечивает получение изображения местности при самых различных направлениях освещения. Это позволяет улучшить интерпретацию снимков и практически необходимо для применения структурозонального анализа снимков и большинства других статистических и автоматизированных методов дешифрирования. В то же время возможности съемки при разном направлении освещения с солнечно-синхронных орбит очень ограниченны.

3. При равной средней скорости переработки информации, съемке с прямой геосинхронной орбиты соответствуют меньшие пиковые нагрузки.

4. Возможность съемки полюсов Земли и прилегающих к ним участков, не обеспечиваемая с солнечно-синхронных орбит.

5. Возможность выполнения ИК-тепловой съемки в разное время суток.

Среди основных недостатков можно указать следующие: 1) невозможность выполнения сплошной надирной съемки местности; 2) некоторое увеличение доли участков, которые всегда регистрируются при наклонах оптической оси, близких к максимальному; 3) более медленное увеличение процента перекрытия виртуальных полос обзора с удалением от экватора; 4) невозможность формирования системы менее чем из четырех спутников.

И все же, несмотря на эти недостатки, представляется, что съемка с геосинхронной орбиты сможет успешно конкурировать со съемкой с солнечно-синхронных орбит, но только после нескольких лет постоянной рентабельной эксплуатации систем на солнечно-синхронных орбитах.

ВЛИЯНИЕ ОБЛАЧНОСТИ. ЕДИНАЯ МНОГОЦЕЛЕВАЯ СИСТЕМА

Специфика космической съемки высокого разрешения. Съемка поверхности Земли из космоса ведется уже около четверти века. В этот период использовались прежде всего мелкомасштабные космические снимки или,, как их нередко называют, снимки малого и среднего разрешения. С их помощью получено много важных результатов, в основном регионального или даже глобального характера. К настоящему времени то, что можно получить по мелкомасштабным снимкам, в основном получено. Поэтому для широкого и эффективного использования космических дистанционных методов необходимо иметь крупномасштабные космические снимки, снимки высокого разрешения.

Таким образом, космическая съемка высокого разрешения нужна не только для целей мониторинга, но и для решения большинства задач дистанционного зондирования Земли. Такой съемке присущи следующие особенности.

1. Узкая полоса обзора, на порядок и более отличающаяся от полосы обзора датчиков малого и среднего разрешения. Так, например, снимки среднего разрешения, снятые сканером МСУ-С системы «Метеор–Природа», соответствуют полосе обзора около 1300 км, а снимки, полученные с помощью HRV спутника «Спот»,– 60 км.

2. Пригодность результатов для включения в серийные, массовые изыскания геологической, сельскохозяйственной и иной направленности. Так, например, в геологии данные сканера МСУ-С помогли решить ряд научных задач регионального характера. Однако для геологического доизучения и картирования территории в масштабе 1 : 50 000 они практически не годятся. Работы по геологической съемке требуют снимков более высокого разрешения.

3. Необходимость выполнения съемки только в ясную погоду, при хорошей прозрачности атмосферы. Для обзорных исследований изображение облачности еще допустимо, а при сплошном дешифрировании, входящем в технологический цикл, изображение облаков и теней ют них такой же брак, как и при аэрофотосъемке.

4. Необходимость в большинстве случаев выполнения съемки в строго определенный сезон. Это оговаривается практически во всех руководствах по дистанционным методам в геологии и очевидно для сельскохозяйственных, лесоустроительных и многих иных применений, а также для целей мониторинга.

5. Жесткие требования к надежности и своевременности съемки. Если нельзя с вероятностью 90 – 95% рассчитывать на получение заказанных космических снимков в нужный год и сезон, то нельзя строить в расчете на них тематическое дистанционное зондирование или мониторинг, т. е. нужно вести его, по-прежнему.

Итак, космические снимки высокого разрешения нужны, если обеспечено их надежное получение и они сняты в нужный сезон и в ясную погоду. К сожалению, в настоящее время из-за неблагоприятных метеоусловий заказы на крупномасштабную космическую съемку, как правило, выполняются не полностью или же не выполняются вовсе, и планировать мониторинг или, скажем, геологические работы, рассчитывая на обязательное использование таких снимков, пока нельзя. Количественные аспекты этого вопроса недостаточно известны, и на них следует остановиться более подробно.

Вероятностная оценка влияния облачности*. Назовем номинальным периодом съемки и обозначим через n наименьший интервал времени в сутках между двумя регистрациями участка, достижимый для конкретной съемочной системы без учета влияния погодных условий. Для систем, рассчитанных только на надирную съемку, n совпадает с периодом глобального обзора. Например, для спутника «Лэндсат-4» n = 16 сут.

* См.: Гусев Н. А. и др. Оценка частоты космической съемки высокого разрешения, необходимой для эффективного использования снимков. Деп. в ВИНИТИ № 916-В 88 от 3.02.88 г.

Реальный период съемки может существенно отличаться от номинального. Действительно, пусть какой-либо фиксированный участок местности снят с помощью спутника типа «Лэндсат». В следующий раз его можно снять только ровно через 16 сут, если в этот момент над ним не будет облаков. Если погодные условия оказались неблагоприятными, то возможность провести съемку появится уже только через 32 сут – она также может реализоваться, а может и не реализоваться. Различие номинального и реального периода съемок часто» бывает большим. Именно оно резко снижает надежность обеспечения задач исследования природных ресурсов Земли и мониторинга материалами космических съемок высокого разрешения.

Реальный период съемки фиксированного участка зависит от n и от погодных условий на участке в заданный сезон его съемки. Для приближенной оценки вероятности съемки требуется априорная оценка погодных условий.

Пусть сначала требуется определить вероятность p съемки участка в фиксированные сутки, в случае когда природоресурсный спутник типа «Лэндсат» пролетает в этот день над участком. Время надирной съемки участка с солнечно-синхронной орбиты заранее известно, а съемка выполнима, если в это время погода на всем участке ясная. Однако практически этого недостаточно: нужно, чтобы прозрачность атмосферы была хорошей, а облаков не было бы и вблизи границ участка, так как иначе качество изображения снижается, а коэффициенты спектральной яркости объектов оказываются искаженными.

С другой стороны, требовать, чтобы ясная погода стояла в течение всего дня съемки, было бы избыточно. Кроме того, априорная оценка p возможна только по многолетним данным метеопостов или же метеорологических спутников. При этом наблюдения постов точечные и производятся только раз в 3 ч в стандартные метеосроки, а спутниковые данные относятся к различным моментам времени, так как метеорологические спутники, как правило, выводятся не на солнечно-синхронные орбиты.

Тем не менее очевидно, что приближенная априорная оценка p возможна. Для определенности будем считать, что съемка осуществима, если полусумма значений облачности в баллах, определенных в смежные метеосроки, между которыми спутник пролетает над участком, не превышает 0,5 балла для всех ближайших к участку метеопостов. Тогда в качестве p естественно принять ту часть лет из обрабатываемого ряда наблюдений, когда съемка была бы осуществима.

Для перехода к съемке в течение сезона длительность m суток будем считать значения априорной вероятности съемки для каждых суток сезона независимыми и обозначим через p ее среднее значение. Для случая наклонной съемки определение априорной вероятности регистрации участка в день съемки более сложно и останавливаться на этом не будем. Ясно, однако, что приближенный выбор возможен и в этом случае.

Оценки влияния облачности при космической съемке в целях исследования природных ресурсов Земли или мониторинга складываются из решения нескольких основных задач, в каждой из которых значение p предполагается известным. Перечислим их.

1. Задачи, относящиеся к однократной съемке малого участка, регистрируемого в пределах одной полосы обзора:

а) определить вероятность ¯p выполнения g съемки в течение сезона длительностью m суток системой с номинальным периодом n суток;

б) предрассчитать значение n, необходимое для съемки в заданный интервал m с заданной вероятностью ¯р.

2. Те же задачи для участка, регистрируемого только в пределах j полос обзора (j ≥ 2).

3. Те же задачи для участка, регистрируемого i раз (i ≥ 2), причем каждый раз в течение интервала в m суток (интервалы предполагаются непересекающимися).

Задача 1а сводится к схеме испытаний Бернулли, в которой число испытаний может принимать одно из двух значений с вероятностью, зависящей от целой и дробной части отношения m/n. Решение задачи получается использованием формулы полной вероятности. В обратной задаче 1б формула, полученная для определения ¯p, используется как уравнение, из которого и определяется отношение m/n.

Аналогично, хотя и несколько более сложно, решается вторая задача. После этого третья задача не вызывает трудностей, так как вероятность выполнения i-кратной съемки равна при прочих равных условиях, корню i-й степени из вероятности однократной съемки.

Результаты расчета вероятности съемки. В табл. 2 сведены результаты расчета вероятности выполнения съемок P в зависимости от длительности сезона, возможностей системы и требуемого числа повторных регистраций, а в табл. 3 – отношения m/n при различных ¯Р, p, j и i, позволяющие определить номинальный период системы n – необходимый для регистрации определенного участка в заданный сезон.

* Прочеркнуты графы, в которых ¯p = 0, даже если ясная погода держится в течение всего сезона съемки.

Таблица 3

Из таблиц следует, что существующие природоресурсные системы не обеспечивают не только нужд мониторинга, но и многих обычных задач изучения природных ресурсов, вовсе не требующих на первый взгляд частого выполнения съемки. Разумеется, в первую очередь это относится к районам со сложными метеоусловиями, т. е. к большинству районов Северо-Востока Советского Союза. Так, например, при p = ¹/₆ вероятность выполнения однократной съемки даже малого участка (j = 1) с помощью системы «Лэндсат» (n = 16) в течение всего летнего сезона (m = 90) равна 0,64, т. е. недостаточна для мониторинга на основе космических снимков.

Еще хуже обстоит дело при необходимости отснять, скажем, трапецию масштаба 1 : 200 000 с разрешением на местности порядка 10 м. Участок такого размера аппаратура типа HRV спутника «Спот» покрывает только с трех-четырех маршрутов съемки. Приняв для расчета j = 4, получим, что при плохих метеоусловиях вероятность выполнения съемки трапеции с помощью спутника «Лэндсат» в течение целого лета всего лишь 0,01. Более того, система «Лэндсат» не обеспечивает сколько-нибудь надежного выполнения такой съемки и в регионах со средними метеоусловиями (p = ¹/₂).

Табл. 2 и 3 позволяют сделать следующие выводы.

1. Природоресурсные системы типа «Лэндсат» и современные варианты КА для крупномасшабной космической фотосъемки не обеспечивают надежного решения большинства задач исследования природных ресурсов Земли, тем более мониторинга.

2. Эта ненадежность особенно сильно сказывается в странах с большой территорией, значительная часть которой лежит в высоких широтах, в частности для СССР.

3. Ненадежность систем типа «Лэндсат» возрастает и, видимо, будет возрастать далее, поскольку с развитием дистанционных методов требования к выбору сезона съемки становятся более жесткими. Съемка должна быть выполнена в течение того месяца или, даже, недели, когда дешифровочные признаки изучаемых объектов проявляются наиболее отчетливо, а из табл. 2 видно, что при этом вероятность регистрации участка может очень резко уменьшиться. Так, например, при i = l, j = 2, p = ¹/₆ вероятность выполнения съемки при помощи системы «Лэндсат» падает в 12 раз при сокращении сезона съемки с 90 до 30 сут.

4. Если при i = j = l (т. е. при однократной съемке небольшого участка) ¯P ≥ 0,96, то и повторная съемка выполнима при тех же условиях достаточно надежно. Надежность однократной съемки быстро падает с увеличением диаметра участка (т. е. значения j). Из этого, с учетом предыдущего пункта, вытекает, что уменьшение номинального периода системы нередко столь же важно для целей исследования природных ресурсов Земли, как и для мониторинга.

5. Для выполнения мониторинга или же однократной крупномасштабной съемки участков диаметром 150 – 200 км с вероятностью хотя бы 90% нужна система с номинальным периодом n = 1 – 2 сут. Так, например (см. табл. 3), при p = 1/3, j = 4, i = l и ¯Р = 90, m/n = 18. Это означает, что съемка в течение сезона длительностью в 2 – 3 недели выполнима только с помощью системы с n = 1.

Все это приводит к основному заключению. Для целей мониторинга природных ресурсов Земли и нужна единая многоцелевая система дистанционного зондирования, рассчитанная прежде всего на выборочную наклонную съемку заданных участков с номинальным периодом не более 2 сут. Как показано в предыдущем разделе, формирование такой системы в настоящее время вполне возможно. Более того, можно предполагать, что она окажется экономически выгоднее систем типа «Лэндсат» или даже «Спот», поскольку: 1) решает более широкий круг задач; 2) за счет большой ширины виртуальной полосы обзора обеспечивает проведение съемки в течение почти всего светлого времени суток, независимо от наличия облачности вдоль трассы; 3) может производить как оперативную съемку, так и в случае надобности глобальный обзор поверхности Земли и съемку местности всего раз в несколько лет там, где более частая регистрация не нужна.

Заметим, что для средних и особенно высоких широт номинальный период съемки уменьшается за счет увеличения перекрытия между смежными полосами обзора (или виртуальными полосами обзора). Если на экваторе это перекрытие равно 10%, то на широте 55° оно возрастает до 50%, что означает сплошное покрытие любого маршрута съемки смежными с ним с запада и с востока маршрутами. Очевидно, что это равносильно двукратному уменьшению номинального периода n. Аналогично, начиная с широты 67°, достигается сплошное тройное перекрытие, т. е. n уменьшается в 3 раза.

Разумеется, это существенно увеличивает вероятность ¯P съемки участков, расположенных в высоких широтах. Однако, используя табл. 2 и 3, легко убедиться, что учет такого увеличения ¯P не может изменить основного вывода о необходимости единой съемочной системы с номинальным периодом съемки = 1 – 2 сут.

Крупномасштабная космическая съемка и аэрофотосъемка. Итак, если крупномасштабная космическая съемка действительно необходима, то она должна производиться оперативными системами и быть многоцелевой, единой для нужд мониторинга и других задач дистанционного зондирования. Однако возникает вопрос: «Нельзя ли попросту заменить ее мелкомасштабной аэрофотосъемкой, оставив космическую съемку только для региональных целей, где высокая обзорность дает ей бесспорные преимущества?»

Оказывается, нет. Космические снимки имеют в принципе гораздо большие дешифровочные возможности, чем мелкомасштабные аэроснимки, поскольку и те и другие сняты практически через всю толщу атмосферы, по аэроснимки – с границы плотного слоя атмосферы, а космические снимки – из далеких от него точек. Соответственно светорассеяние в атмосфере влияет на космические снимки гораздо слабее, чем на аэроснимки.

На космических снимках можно в принципе отдешифрировать малоконтрастные границы и структурные элементы, не изображающиеся на аэроснимках ни при каком масштабе съемки (в крупном масштабе эти границы изображаются широкой зоной постепенного перехода и незаметны вследствие размытости зоны, в мелком – они незаметны из-за размытости при светорассеянии). Смоделировать этот эффект можно, сравнив изображение, скажем, текста на плакате, если смотреть «а него сквозь кальку, удаленную от плаката на несколько сантиметров и «а несколько миллиметров.

Следует иметь в виду, что атмосферная коррекция снимков помогает восстановить цвет относительно крупных объектов, но не может вернуть информации, потерянной при светорассеянии. Это основное соображение в пользу крупномасштабной космической съемки. Имеются и другие.

1. Как уже говорилось, при увеличении угла наклона проектирующего луча к вертикали визируемой точки местности ε более чем до 40 – 45° влияние светорассеяния в атмосфере быстро возрастает, а дешифрируемость снимков ухудшается. Соответственно даже с высоты 10 км нельзя получить качественную аэросъемку с полосой обзора более 15 – 20 км. При космических съемках это обстоятельство не влияет на надирную съемку высокого разрешения и даже на наклонную съемку с отклонением оси датчика от надира на углы до 35 – 40°. Соответственно в одинаковых условиях освещения и при одном состоянии атмосферы из космоса можно получить качественные снимки высокого разрешения с полосой обзора порядка 100 км.

2. При современных точностях ориентации и стабилизации КА геометрическая коррекция космических снимков много проще, чем аэроснимков. Для надирной космической съемки она также упрощается вследствие отсутствия влияния рельефа. В то же время стереопара из надирного и наклонного космических снимков позволяет при дешифрировании стереоскопически ощущать микрорельеф местности в пределах первых метров.

3. Коррекции всех видов (геометрическая, радиометрическая, аппаратурная, радиационная, атмосферная)» для космических снимков могут выполняться централизованно, т. е. на одном комплекте аппаратуры, и значительно дешевле, быстрее и качественнее, чем при разрозненных аэрофотосъемках. Это обстоятельство усиливается и вследствие того, что один космический снимок высокого разрешения охватывает гораздо большую площадь, чем мелкомасштабный аэроснимок.

Сказанное относится и к синтезу цветного изображения по данным многозональной сканерной или фотосъемки. Так, например, при должной обработке в масштабе 1 : 100 000 можно получить не только зональные, но и цветные синтезированные снимки, зарегистрированные прибором ТМ спутников «Лэндсат». Очевидно, при этом один снимок, изображающий площадь 185 × 185 км, эквивалентен 100 аэроснимкам формата 18 × 18 см того же масштаба (1 : 100 000).

4. Рассмотренные выше трудности, связанные с облачностью, влияют и на аэрофотосъемку, приводя к существенному увеличению ее стоимости в районах с плохой погодой. Более того, наклонная космическая сканерная съемка меньше зависит от погоды, чем мелкомасштабная аэрофотосъемка, поскольку в виртуальной полосе обзора шириной 1000 – 1500 км, как правило, всегда есть районы, свободные от облачности.

Итак, космические снимки с разрешением 10 – 20 м действительно необходимы для дистанционного зондирования, в частности, для мониторинга. Разумеется, это не значит, что от мелкомасштабной аэрофотосъемки со временем следует вовсе отказаться. Она остается основным материалом для стереоскопического наблюдения и измерения деталей рельефа, поскольку превышения меньше 3 – 5 м на космических снимках неразличимы, а наблюдения превышений в 5 – 10 м возможны только на стереопаре, составленной из снимков с двух разных витков орбиты, т. е. требуют двукратной космической съемки с соблюдением некоторых дополнительных условий.

МОДИФИКАЦИЯ КОСМИЧЕСКОЙ ФОТОСЪЕМКИ ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ ДИНАМИКИ ПРИРОДНОЙ СРЕДЫ

Для мониторинга окружающей среды космическая фотосъемка мало пригодна вследствие недостаточной оперативности. Действительно, спутник для космической съемки находится на орбите около 14 сут, потом заснятая фотопленка возвращается на Землю, проходит фотохимическую обработку и фоторепродуцирование, и только после этого информация начинает поступать к пользователям. Для выработки оперативной реакции на происходящие в окружающей среде процессы это, очевидно, не подходит.

Однако изучать динамику этих процессов методами дистанционного зондирования нередко можно и после их завершения. Для этого требуется только, чтобы имелась информация о развитии процесса, т. е. материалы периодической, достаточно частой съемки. Это могут быть, в частности, и космические фотоснимки. Учитывая, что в Советском Союзе крупномасштабная космическая фотосъемка получила широкое развитие, а космическая сканерная съемка высокого разрешения пока находится в экспериментальной стадии, следует рассмотреть возможности повторных космических фотосъемок, а также модификаций, позволяющих уменьшить ее номинальный период*.

* См.: Рамм Н. С., Рынская А. К. Модификация космической фотосъемки для изучения динамики природной среды. Деп. в ВИНИТИ, № 917-В 88 от 3.02.88 г.

Основной объем отечественной крупномасштабной космической фотосъемки выполняется в надирном направлении фотокамерами с фокусным расстоянием f = 100 см и форматом 30 × 30 см с высоты орбиты Н = 250 – 350 км с помощью специальных спутников серии «Космос», находящихся на прямых околокруговых орбитах с наклонением 82°. Каждый спутник этого типа действует около полумесяца, после чего отснятая фотопленка возвращается на Землю для фотохимической обработки, репродуцирования и использования. Масштаб такой космической фотосъемки порядка 1 : 300 000.

За время работы каждый спутник «Космос» проходит около 200 оборотов вокруг Земли, т. е. может вести съемку с 200 маршрутов. Следовательно, даже при идеальной погоде и соответствующем выборе орбиты он может покрыть однократной съемкой полосу местности общей шириной менее 20 000 км, т. е. далеко не все возможные участки.

Ежегодно космическая фотосъемка в народнохозяйственных целях ведется с помощью 4 – 8 спутников «Космос», однако с учетом влияния облачности этого совершенно недостаточно для надежного выполнения однократной съемки, и тем более для изучения динамики природной среды. Таким образом, переход к «прицельной» наклонной съемке заданных участков весьма актуален и для космической фотосъемки. В настоящее время такая фотосъемка применяется, но в незначительном объеме. Это в известной степени объясняется самой ее спецификой, т. е. необходимостью технически обеспечить наклон оси фотокамеры.

Проще и эффективнее всего отклонять оптическую ось камеры от вертикали с помощью поворотного зеркала, как это делается при космической сканерной съемке, например в системе «Спот». Такое устройство позволяет вести как надирную, так и наклонную съемку с заданным набором значений угла наклона. Однако в конструкции спутников для космической фотосъемки это, как правило, не предусмотрено.

Вследствие этого наклонная космическая фотосъемка требует или существенной реконструкции КА (например, установки наружного поворотного зеркала, изменения положения фотокамеры и иллюминатора относительно конструктивных осей КА и т. д.), или же отклонения оси камеры посредством соответствующего вращения всего КА. Последнее, очевидно, приводит к прекращению съемки на время, необходимое для изменения ориентации спутника и последующей стабилизации его, при каждой смене наклона оптической оси. Геометрическая коррекция наклонных космофотоснимков также усложняется по сравнению с коррекцией надирных снимков.

Наряду с наклонным визированием к космической фотосъемке с прямых орбит целесообразно применить и принцип, заложенный в проекте «Терс», т. е. сузить широтный пояс, в пределах которого ведется съемка. При этом исключение части заполярных районов путем уменьшения наклонения орбиты позволяет сгустить витки трассы в высоких широтах, а отказ от съемки Южного (или Северного) полушария и тропической зоны – оптимизировать выбор начального времени прохождения экватора так, чтобы в оставшемся широтном поясе и восходящие и нисходящие витки орбиты приходились бы на дневное время.

Итак, задача ставится следующим образом. Найти параметры орбиты для многократной и возможно более частой космической фотосъемки заданных участков с помощью одного спутника, запускаемого на срок порядка 14 сут, за счет а) замены сплошной съемки съемкой заданных участков; б) широкого использования не только надирной, но и наклонной съемки; в) ограничения снимаемых территорий определенной широтной зоной.

Очевидно, что оптимальное решение этой задачи будет различным для разных регионов, для спутников с разными предельными наклонами оси фотокамеры и для камер с разными углами зрения. Рассмотрим его применительно к следующим исходным данным: 1) спутник предназначен для съемки территории Советского Союза, точнее говоря, для съемки участков, произвольно расположенных в пределах широтного пояса от 36 до 73 – 83° с. ш.; 2) время функционирования спутника 12 – 15 сут; 3) съемка производится в сезон с середины мая до середины июля; 4) орбита круговая со средней высотой 250 – 350 км (т. е. с N = 15,5 – 16); 5) съемка ведется узкоугольной фотокамерой с максимальным отклонением оптической оси ε_max = 35 – 40°; 6) ε_max≤ 45°; 7) фотосъемка производится только при высоте Солнца h_С ≥ 20°.

Искомыми параметрами являются следующие: число оборотов N (средняя высота) и наклонениеi орбиты; местное среднее время t₀ прохождения восходящего узла на первом рабочем витке орбиты; время (число суток) действия КА. Поскольку наибольшая частота регистрации достигается при равномерном расположении витков трассы за период съемки, орбиту следует выбирать изомаршрутной с числом оборотов N = 15 + k/p, где p равно числу суток, в течение которого КА ведет съемку, или же делителю этого числа. Однако в последнем случае некоторые участки регистрировались бы только при α = α_max, что нежелательно.

Итак, следует искать параметры p и k изомаршрутной орбиты, полагая время функционирования КА равным p суткам. В соответствии с пунктами 2 и 4 исходных данных 12 ≤ p ≤ l5 и 0,6 ≤ k/p ≤ 1,0, т. е. рассмотрению подлежат только орбиты, соответствующие нескольким комбинациямp и k.

Просмотр этих значений показывает, что оптимальное распределение трасс восходящих и нисходящих витков орбиты и одновременно наилучшие условия освещения с учетом прецессии достижимы только для орбит с числом оборотов N = 15⁹/₁₄, причем для всех остальных орбит возможности повторных съемок много ниже.

Табл. 4 иллюстрирует максимальные возможности повторных наклонных съемок участков, произвольно расположенных в пределах выбранного широтного пояса с помощью одного спутника, запущенного на 14 сут на орбиту с N = 15⁹/₁₄ и различными наклонениями. Из табл. 4 следует, что многократная космическая фотосъемка с помощью одного спутника вполне достижима. Действительно, при i = 70° участки, расположенные на широте Москвы (φ = 55°) или севернее, при ясной погоде регистрируются не менее 9 раз, т. е. с номинальным периодом n ≤ ¹⁴/₉ ≈ 1,5 сут. Съемка при этом возможна в широтном поясе от 36 до 73°. В него входит вся территория Советского Союза и Канады, кроме северной части Таймыра и части островов Северного Ледовитого океана, все европейские государства, большая часть США, Японии и Китая.

Таблица 4

Николай Васильевич Межеловский

Наталья Спиридоновна Рамм

Валентин Владимирович Шварев

АЭРОКОСМИЧЕСКИИ МОНИТОРИНГ ГЕОЛОГИЧЕСКОЙ СРЕДЫ

Гл. отраслевой редактор Л. А. Ерлыкин

Редактор Е. Ю. Ермаков

Мл. редактор С. С. Патрикеева

Обложка художника А. А. Астрецова

Худож. редактор Т. С. Егорова

Техн. редактор Н. В. Клецкая

Корректор В. И. Гуляева

ИБ № 9252

Сдано в набор 23.03.88. Подписано к печати 18.05.88. Т 05391. Формат бумаги 84×108¹/₃₂. Бумага тип. № 2. Гарнитура литературная. Печать высокая. Усл. печ. л. 3,36. Усл. кр.-отт. 3,57. Уч.-изд. л. 3,45. Тираж 30 805 экз. Заказ 610. Цена 11 коп. Издательство «Знание». 101835, ГСП, Москва, Центр, проезд Серова, д. 4. Индекс заказа 884206.

Типография Всесоюзного общества «Знание». Москва, Центр, Новая пл., д. 3/4.

4-я стр. обложки