INFLUENCE OF THE SHAPE OF THE FOOTPRINT ON THE EFFICIENCY OF THE EARTH OBSERVATION BY THE SPACECRAFT OF RADAR WORK

Full Text

Введение. Дистанционное зондирование - процесс, при котором собирается информация об объекте, территории или явлении без непосредственного контакта с ним. В последнее время особое значение приобретает космическая съёмка земной поверхности, которая производится с космических аппаратов (КА). Космические снимки находят применение как в практической, так и в научной сфере [1]. Огромная роль отводится космическим системам наблюдения при создании топографических карт различного масштаба, при этом информация дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) позволяет оперативно оценивать происходящие изменения и проводить обновление данных для геоинформационных систем. Можно выделить основные направления использования информации ДЗЗ, получаемой космическими системами наблюдения: сельское хозяйство, климатология, поиск полезных ископаемых и энергоносителей, землепользование, наблюдение состояния морей и океанов, лесное хозяйство, контроль водных ресурсов, мониторинг чрезвычайных ситуаций, видовая военная разведка [2]. ДЗЗ является одним из приоритетных направлений развития российской космонавтики в настоящее время. Вектор его развития должен быть направлен на создание и комплексное использование спутниковой группировки ДЗЗ, обеспечивающей стратегическую независимость России в космической информации. Приоритетность развития космических средств ДЗЗ актуализирована стратегическими интересами России в космосе, обусловленными широким спектром внутренних, внешних, природных и техногенных вызовов [3]. Принцип дистанционных методов основан на интерпретации результатов измерения электромагнитного излучения, которое отражается либо излучается объектом и регистрируется в некоторой удалённой от него точке пространства. В настоящее время значительное развитие получили космические аппараты радиолокационного наблюдения. Радиолокационные снимки получают при активном методе съёмки, когда антенна съёмочной системы генерирует радиоизлучение, оно отражается поверхностью и улавливается регистрирующей аппаратурой. Основное достоинство радиолокационной съёмки - её всепогодность: она очень удобна для исследования океана (его волнения, загрязнения [4-7]). Термины и определения. Под обзором поверхности Земли понимается наблюдение поверхности Земли с помощью аппаратуры, установленной на борту КА [8; 9]. Множество точек поверхности Земли, осматриваемых КА в данный момент, называется мгновенной зоной обзора (МЗО) [10]. Эффективность использования космических систем дистанционного зондирования Земли оценивается разрешающей способностью и периодичностью наблюдения. Повысить периодичность обзора можно путём увеличения количества космических аппаратов в орбитальной группировке, увеличения ширины полосы обзора или путем изменения мгновенной зоны обзора. При движении КА по орбите МЗО перемещается по поверхности Земли. Геометрическое место МЗО называется полосой обзора. Границами полосы обзора являются огибающие МЗО. Геометрической характеристикой полосы обзора является ширина полосы обзора (ШПО). КА ДЗЗ радиолокационного наблюдения используют односторонний или двусторонний боковой обзор [11-13]. Отражение сигнала зависит от рельефа поверхности, её шероховатости, структуры. Особенность бокового обзора, присущая КА радиолокационного наблюдения, заключается в том, что не осматривается поверхность под КА - заданный отступ от трассы (рис. 1). На рис. 2 показана поверхность Земли, которая осмотрена при двустороннем боковом обзоре за один виток КА. Для увеличения эффективности космических систем (КС) ДЗЗ предлагается использовать радиолокационный комплекс (РЛК) с круговым обзором. При использовании кругового обзора с сохранением углов наблюдения, при которых работает РЛК, МЗО принимает форму кольца с центром в подспутниковой точке (рис. 3). При круговом обзоре увеличивается ШПО (к поверхности Земли, которая осматривается при двустороннем боковом обзоре, добавляется поверхность, которая находится около трассы КА и не осматривается при двустороннем боковом обзоре). При перемещении круговой мгновенной зоны обзора образуется полоса осмотра с большей шириной, нежели при двустороннем боковом осмотре (рис. 4). M:\Направление 202\Отделение 226\Сектор 569\_Личные папки\Варфоломеев В.С\ДЗЗ\METOP_soil_moisture - копия.jpg Рис. 1. Боковой обзор Рис. 2. Поверхность Земли, которая осмотрена при двустороннем боковом обзоре за один виток КА Рис. 3. МЗО КА с РЛК при круговом обзоре для различных моментов времени Рис. 4. Поверхность Земли, которая осмотрена при круговом обзоре за один виток КА Сравнение эффективности. Для сравнения эффективности обзора были проведены расчёты коэффициента покрытия (доля осмотренной земной поверхности) для различных форм МЗО. Расчёт производится с помощью алгоритма оценки эффективности обзора поверхности Земли. Алгоритм оценки эффективности обзора поверхности Земли реализован на языке высокого уровня С++. Основные положения алгоритма: - учитываются размеры и формы МЗО, её расположение относительно трассы; - полёт КА моделируется с учётом возмущающих сил [14; 15]; - вся полоса обзора рассчитывается как сумма МЗО (за вычетом уже осмотренных областей). Обычно предполагают, что бортовая аппаратура обеспечивает обзор части пространства, ограниченной поверхностью кругового конуса с углом полураствора, равным углу обзора бортовой аппаратуры. В этом случае на поверхности шарообразной Земли получаем круговую зону обзора, размеры которой характеризуются геоцентрическим углом. Перед началом расчёта задаётся орбита космического аппарата с помощью кеплеровских элементов, начальное положение космического аппарата, а также угол полураствора бортовой аппаратуры, задаётся время расчёта. Далее, с заданным шагом расчёта определяются геометрические размеры мгновенной зоны обзора и её положение на поверхности Земли. После этого на каждой широте определяются долготы, которые попадают в область мгновенной зоны обзора. По окончании заданного времени вычисляется коэффициент покрытия, который равен отношению площади поверхности Земли, которая осмотрена орбитальной группировкой, ко всей площади поверхности Земли. В качестве расчётной орбиты используется круговая орбита с наклонением i = 73, высотой h = 475 км. ШПО - 500 км, отступ от трассы - 400 км. Результаты расчёта приведены в табл. 1. На рис. 5 и 6 показана поверхность Земли, которая осмотрена за пять витков КА при двустороннем боковом и круговом обзоре соответственно. Для осмотра всей поверхности Земли в широтном поясе [-80; 80] одному КА с круговым обзором необходимо 70 часов, а одному КА, использующему двусторонний боковой обзор, - 110 часов. В табл. 2 показано количество КА в орбитальной группировке, необходимое для того, чтобы осматривать любую точку в широтном поясе [-80; 80] с заданным периодом. Таблица 1 Результаты расчёта Способ обзора Коэффициент покрытия, % за 1 виток за 2 витка за 3 витка за 5 витков Односторонний боковой 3,73 7,22 10,68 18,13 Двусторонний боковой 7,46 13,92 20,09 31,46 Круговой 14,35 24,8 35,19 55,43 Рис. 5. Поверхность Земли, которая осмотрена при двустороннем боковом обзоре за пять витков КА Рис. 6. Поверхность Земли, которая осмотрена при круговом обзоре за пять витков КА Таблица 2 Количество КА Способ обзора Период обзора 4 часа 6 часов 8 часов 10 часов 12 часов Двусторонний боковой 28 18 15 12 10 Круговой 10 8 6 6 4 Заключение. На эффективность землеобзора существенное влияние оказывает форма МЗО. При использовании РЛК кругового обзора повышается периодичность обзора. При заданной периодичности обзора, используя круговой обзор, сокращается количество КА в орбитальной группировке. В целях повышения эффективности работы КС ДЗЗ целесообразно рассмотреть возможность создания бортового РЛК кругового обзора.

About the authors

V. S. Varfolomeev

Design Bureau “Arsenal” M. V. Frunze

Email: varfolomeev008@mail.ru
1-3, Komsomola Str., Saint-Petersburg, 195009, Russian Federation

References

Supplementary files