Малые космические аппараты для зондирования морской поверхности

Полный текст

Введение¹

С начала освоения космического пространства было запущено большое количество спутников дистанционного зондирования и проведено огромное число экспериментов, касающихся оценки возможностей использования новых методов для глобального мониторинга объектов суши и океана. Изучение Мирового океана более эффективными методами полностью ложится в план реализации «Десятилетия наук об океане в интересах устойчивого развития» (2021–2030 гг.) и поставлено в ряд важнейших проблем науки и техники, что связано с его возросшим значением в жизни человечества. Однако, несмотря на все возрастающую интенсивность изучения океана, уровень сегодняшних знаний о протекающих в нем процессах далеко не соответствует практическим потребностям. Для более детального и оперативного мониторинга нестационарных процессов в Мировом океане с диагностикой их параметров возрастает потребность в получении информации о протекающих процессах с минимальным временем повторяемости формируемых изображений.

В настоящее время термин «малый космический аппарат» (МКА) определяет не только массогабаритные характеристики, но и принципиально новую постоянно прогрессирующую архитектуру построения. Архитектура построения МКА определяет собственно массогабаритные размеры, стоимостные характеристики, персональную (полезную нагрузку), аппаратуру пользователя, систему запуска (как при создании группировки, так и при оперативном восполнении) и систему оперативного управления в реальном масштабе времени [1–3]. В разряд МКА также по весовым габаритам относятся наноспутники (вес от 1 до 10 кг), пикоспутники (вес от 100 г до 1 кг), фемтоспутники (вес до 100 г). Данные вид МКА из-за минимальной мощности электропитания в представленной работе не рассматривается.

Применение МКА позволит перейти на боле высокий продуктивный уровень решения поставленных задач дистанционного зондирования за счет возможности оперативного развертывания или замены группировки МКА. Применение радиолокатора бокового обзора с синтезированной апертурой подтверждается одним из первых экспериментов в истории на космическом аппарате Seasat. Основной целью эксперимента являлась оценка степени всепогодности микроволновых методов исследования Мирового океана, обработка методов и алгоритмов комплексных измерений гидрометрологических параметров и обработки данных [4]. Радиолокатор бокового обзора с синтезированной апертурой в представленном эксперименте работал в L-диапазоне на рабочей частоте 1,275 ГГц с полосой захвата на местности шириной 100 км по правому борту с центром 20º от надира. Синтезирование апертуры позволяло получать пространственное разрешение на местности 25 м.

Отличительной особенностью исследования океанов из космоса является то, что они часто закрыты облаками, метод синтезированной апертуры в этом смысле дает возможность преодолеть недостатки оптических систем зондирования. Представленный метод в перспективе позволил одновременно получать независимые многоракурсные радиолокационные изображения наблюдаемого участка для измерений: статистических характеристик высоты, длины и энергетических спектров океанических волн; топографии поверхности моря, которая является информацией о геоиде, штормовых волнах, приливах, океанических течениях, а также в определении размеров и природе морского льда [5; 6].

На сегодняшний день действующие радиолокаторы с синтезированной апертурой антенны (РСА) космического базирования имеют относительно большие размеры антенн (4–15 м), суммарный вес аппаратуры достигает 500 к.

Режимы обзора малыми космическими аппаратами с синтезированной апертурой антенны

Поверхность моря имеет особенности, которые включают многочисленные (если не все) характеристики других поверхностей. Поскольку речь идет о радиолокаторе, процесс рассеяния имеет место только на поверхности или очень близко от нее, так как глубина проникновения электромагнитного излучения на рабочих частотах радиолокатора с синтезированной апертурой очень мала. Способы моделирования морской поверхности можно разделить на три категории: почти ровные поверхности, очень грубые поверхности и комбинирования первых двух. Различие между почти ровной и очень грубой поверхностям производится в зависимости от того, велика или мала длина волны падающего излучения по сравнению с отклонением поверхности от некоторой средней плоскости. Почти ровные поверхности успешно анализировались решением уравнения Максвелла на границе раздела при приблизительном удовлетворении граничных условий. Единственно успешным подходом в случае очень грубых поверхностей является аналогия с физической оптикой. Однако этот метод имеет серьезный недостаток: он не учитывает эффектов затемнения или многократного рассеивания. Более того, нарушается необходимое условие – радиусы кривизны поверхности должны быть больше по сравнению с длинной волны падающего излучения и при этом трудно учесть эффект деполяризации.

В связи со сложным влиянием факторов, определяющих работу космических систем с РСА, выбор оптимальных параметров является сложной инженерной задачей. Техническое задание для РСА обычно определяет орбитальную высоту, требуемую дальность и разрешение по азимуту, зону захвата и полосу (полосу настройки зоны захвата), а также конструктивные характеристики и энергопотребление. Расчет выполняется путем последовательного приближения. Максимальный горизонтальный размер антенны Dr < 2δX, который может быть задан конструктивными соображениями или по результатам расчетов режимов наблюдения и параметров оборудования, определяется указанным разрешением [7].

Радиолокационное изображение содержит много легко различимых и идентифицируемых признаков и имеет явное сходство с изображениями, полученными оптическими приборами, но это сходство обманчиво. Оно включает в себя множество результатов отражений от поверхности, которая подвергается воздействию излучения с длинами волн на много порядков больше, чем у видимого света. Разрешение оптических систем, используемых в дистанционном зондировании, редко ограничивается дифракцией на заданной апертуре. С радиолокатором это явление почти неизбежно. Радиолокатор также является источником излучения, отражение которого улавливается для получения изображения, т. е. он является активным инструментом дистанционного зондирования, а не пассивным. Активной оптической системой в настоящее время, является лидар – дальномер оптического диапазона. Радиолокатор облучает вращающуюся искривленную поверхность Земли радиоволнами со сферическим фронтом. Ранние системы самолетного базирования обычно не учитывали эти геометрические особенности из-за малой высоты полета РСА, но в системах космического базирования они должны учитываться. В результате расстояние от радиолокатора до отдельной точки облучения изменяется по мере перемещения точки наблюдения – эффект «блуждания по дальности». Существует два компонента, ответственных за этот эффект: квадратичный член из-за кривизны Земли и линейный член из-за вращения Земли. Каждая точка должна быть прослежена по всей синтезированной апертуре, чтобы устранить этот эффект, хотя фактическое поведение для отдельной точки будет зависеть от широты и дальности. Во время обработки необходимо добавить зависящий от диапазона квадратичный сдвиг фазы в направлении движения аппарата, чтобы компенсировать кривизну фронта отраженной волны.

Стремление обеспечить достаточно высокую периодичность наблюдения заданной акватории по приемлемой стоимости вполне может быть достижимо при создании орбитальные группировки (ОГ), МКА нового поколения с РСА. При этом МКА с РСА со средним уровнем разрешения, но с большой полосой съемки наиболее полно отвечают требованиям по наблюдению за морской обстановкой [8; 9].

Один МКА с высотой орбиты 1500 км за суточный период, над одной точкой поверхности моря, может провести радиолокационное зондирование не менее 6 раз. Для оперативного получения информации о состоянии морской поверхности с МКА при высоте орбиты 1500 км необходимо создание группировки с 4 орбитами по 3 МКА на каждой по аналогии с орбитальной группировкой многофункциональной системой персональной спутниковой связи «Гонец-Д1М».

Выбор режима обзора зависит от поставленной задачи и технических характеристик малого космического аппарата и подразделяется:

Сложность использования широкополосного режима по ходу маршрута (обзорный режим) (рис. 1, а) вызывается азимутальной неоднозначностью и геометрическими искажениями, вызванными радиальной скоростью в лучах при ошибках ориентации МКА и, особенно, при работе в орбитальной системе координат, а также потреблением во время съемки повышенной мощности от буферных батарей. Оптимальные варианты исключения ошибки ориентации – это использование фазированной антенной решётки с электронным сканированием и цифровой обработкой полученных сигналов [10; 11]. Задача цифровой обработки потребует перехода на программируемые логические интегральные схемы.

При непрерывной съемке возможна реализация обработки всей азимутальной диаграммы направленности антенны (разрешение до δХ ≥ D_r/2), и широкополосный режим может быть уменьшен по положению полосы захвата, как представлено на рис. 1, б. Полоса захвата находится в пределах полосы обзора РСА.

  

Рис. 1. Проекция площади при различных режимах обзора: а – широкополосный режим; б – узкополосный режим; в – прожекторный режим

Fig. 1. Projection of the area in different viewing modes: a – wideband mode; b – narrowband mode; c – spotlight mode

 

В случае, когда необходима широкая зона захвата и условия однозначности не удовлетворяются, то зону обзора сканируют несколькими парциальными лучами в обзорном режиме «скансар» [12] ценой уменьшения времени обработки информации. Обзор ведется кадрами поочередно с переключением лучей.

Прожекторный режим реализуется в том случае, когда требуется высокое разрешение, а длительность сигнала ограничена зоной облучения антенной по азимуту (рис. 1, в). Данный режим осуществляется удержанием диаграммы направленности антенны в снимаемом кадре при пролете МКА [13; 14].

Оптимизация обработки сигналов в многопозиционном прожекторном режиме

Космическая многопозиционная система должна состоять только из приемопередатчиков, расположенных на космических аппаратах различных космических систем (передатчики – космические аппараты системы связи, навигационные космические аппараты, телекоммуникационные космические аппараты и др., приемники – научно-исследовательские МКА), способных осуществлять совместную обработку от объектов, способных отражать радиосигнал. На рис. 2 представлена космическая многопозиционная система, работающая в прожекторном режиме, где функцию подсвета выполняют передатчик космического аппарата низкоорбитальной системы связи (ПРД КА-1), передатчик космического аппарата системы связи на эллиптической орбите (ПРД КА-2) и передатчик космического аппарата геостационарной системы связи (ПРД КА-3), а прием отраженного сигнала выполняет группировка или «рой» МКА (ПРМ МКА-1, ПРМ МКА-2, ПРМ МКА-3). Реализацией многопозиционной системы РСА является относительное движение радиолокаторов и рассеивающих точек в пределах необходимой облучаемой области.

 

Рис. 2. Многопозиционная система с прожекторным режимом

Fig. 2. Multi-position spotlight system

 

Согласно рис. 2, излучатели будут вводить доплеровский сдвиг в отраженный сигнал, который будет иметь максимальное положительное значение, когда он вначале входит в пучок приема, и максимальное отрицательное значение при выходе из прожекторной зоны. Характер изменения доплеровского сдвига для любой точки будет одинаковым по времени. Доплеровский процесс линейно модулирует частоту отраженного сигнала так, что его форма совпадает с тем отраженным сигналом, который принимается вслед за передачей исходного импульса.

Максимальная длина синтезированной апертуры является расстоянием, проходимым МКА, для которого отдельная точка остается в пределах обзора реального пучка. Тем самым выполняется одно из требований для космических систем к режимам покрытия, обеспечивающим «безпропускной» режим обзора.

Одной из основных задач при создании такой системы является разработка методов совместной обработки наблюдаемых полей [15–18], что позволит достичь максимального качества получаемых данных.

В настоящее время проведено большое количество «теоретических» работ, задачей которых является глобальный мониторинг состояния морской поверхности, включая передвижение атмосферных циклонов (штормовые волны). Для радиолокационной подсветки земной поверхности используются спутниковые радионавигационные системы (GNSS) [19–28] или геостационарные телекоммуникационные космические аппараты [29; 30].

Обобщенная структурная схема предлагаемой многопозиционной РСА с одним космическим аппаратом – передатчиком (высокоорбитальные или низкоорбитальные спутники связи, а также навигационные спутники), одним МКА – приемником и наземным комплексом представлена на рис. 3.

Космический радиолокационный комплекс любой космической системы включает в себя антенну, передающую на космическом аппарате подсвета (ПРД КА), и приемную антенну на МКА с РСА (ПРМ МКА), блок формирования сигналов (БФС), синхронизатор, приёмник с выходами на фазовый детектор (ФД) синусного и косинусного квадратурных каналов, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) квадратурных каналов, блок сопряжения с радиолинией передачи данных, процессор управления и контроля, навигационное оборудование, командно-телеметрическую радиолинию (КРЛ) и радиолинию передачи данных (РПД).

Наземный комплекс включает в себя командно-телеметрическую радиолинию, приемник РПД, архив информационной составляющей, устройство синтеза цифровой ридиоголограммы (ЦРГ), устройство нормализации, радиометрической и геометрической коррекции изображений, привязки к географическим координатам, рабочее место по обработке информации для поставленной задачи.

Технологическая повторяемость обуславливает относительно невысокую стоимость создания и развертывания такой многопозиционной системы, а создание универсального программного обеспечения обработки информации позволит оперативно вносить корректировки в алгоритмы работы системы.

 

Рис. 3. Структурная схема многопозиционного РСА

Fig. 3. Structural diagram of a multi-position SAR

 

В представленной многопозиционной РСА с использованием научно-исследовательских МКА могут быть применены методы радиолокационного зондирования, разделяющиеся на три основных класса:

1. методы исследования флюктуаций амплитуды обратно рассеянного (или отраженного) сигнала, в основе которых лежит связь пространственных характеристик морского волнения со структурой, огибающей внутрипериодные флюктуации и угломестные зависимости удельной эффективной площади рассеяния морской поверхности от интенсивности ветрового волнения;
2. методы, основанные на анализе доплеровских смещений частоты сигнала, вызванных наличием радиальных проекций скоростей единичных отражателей относительно радиолокатора;
3. методы, основанные на измерениях временных задержек и сдвигов элементов отраженного сигнала.

Данные методы основываются на представлении распределенного коэффициента отражения объектов, входящего в уравнение отраженного/рассеянного сигнала, в виде функционально-детерминированного или стохастического пространственного процесса. Дальнейшая оптимизация метода формирования радиолокационного изображения в системах дистанционных исследований морской поверхности могут основываться на двух основных моделях отраженных от поверхности сигналов – стохастической и функционально-детерминированной.

Заключение

Многопозиционная система с РСА на базе МКА будет являться в перспективе одной из мощных систем получения изображения морской поверхности, однако присутствуют сложности и трудности преобразования необработанных данных от РСА в понятную форму. Одним из вариантов решения данной проблемы является цифровая корреляция и гибкий подход, что позволит точно воспринимать вид изображения. Представленная схема получения и обработки информации может стать базой для создания различных вариантов квазиоптимальных алгоритмов, применимых при отсутствии необходимой априорной информации или при необходимости обеспечения измерений в масштабе реального времени. Использование МКА для радиолокационного зондирования морской поверхности в составе многопозиционной системы РСА позволит оперативно провести корректировку алгоритмов обработки радиолокационных изображений и возможность в перспективе проводить комплексную обработку радиолокационных данных, получаемых от метеоспутников и систем наблюдения в оптических диапазонах.

 

 

_______________________________________

^[1] Работа выполнена в рамках государственного задания Минобрнауки России по теме «Разработка новых методов автономной навигации космических аппаратов в космическом пространстве» 121102600068-5.

Работа выполнена в рамках государственного задания по теме № 0555-2021-0005.

The work was carried out within the framework of the state task of the Ministry of Education and Science of the Russian Federation on the topic “Development of new methods for autonomous navigation of spacecraft in outer space” 121102600068-5. The work was carried out within the framework of the state assignment on topic No. 0555-2021-0005.

Об авторах

Игорь Николаевич Карцан

Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева; Морской гидрофизический институт РАН; Севастопольский государственный университет; Экспертно-аналитический центр

Автор, ответственный за переписку.
Email: kartsan@sibsau.ru

доктор технических наук, доцент, старший научный сотрудник, профессор

Россия, 660037, Красноярск, проспект имени газеты «Красноярский Рабочий», 31; 299011, Севастополь, ул. Капитанская, 2; 299053, Севастополь, ул. Университетская, 33; 109316, Москва, ул. Талалихина, 33/4

Александр Олегович Жуков

Экспертно-аналитический центр; Институт астрономии Российской академии наук

Email: aozhukov@mail.ru

доктор технических наук, профессор, заместитель директора по научной работе, ведущий научный сотрудник

Россия, 109316, Москва, ул. Талалихина, 33/4; 119017, Москва, ул. Пятницкая, 48

Список литературы

Дополнительные файлы