Орбитальные пилигримы. Развитие и современное состояние спутниковых навигационных систем и сервисов

Б.А. Дворкин

Активное внедрение информационных спутниковых технологий как составной части бурно развивающейся информатизации общества кардинально меняет условия жизни и деятельности людей, их культуру, стереотип поведения, образ мыслей. Еще несколько лет тому назад на бытовые или автомобильные навигаторы смотрели как на чудо. Космические снимки высокого разрешения на Интернет-сервисах, таких, например, как Google Earth, люди разглядывали и не преставали восхищаться. Сейчас же ни один автомобилист (если в автомобиле пока нет навигатора) не выйдет из дома, предварительно не выбрав в навигационном портале оптимальный маршрут с учетом пробок. Навигационное оборудование устанавливается на подвижном составе общественного транспорта, в том числе и для целей контроля. Космические снимки используются для получения оперативной информации в районах стихийных бедствий и для решения различных задач, например, муниципального управления. Примеры можно множить и все они подтверждают тот факт, что результаты космической деятельности стали неотъемлемой частью современной жизни. Неудивительно также, что различные космические технологии часто используются совместно. Отсюда, конечно, идея интеграции технологий и создание единых сквозных технологических цепочек лежит на поверхности. В этом смысле не является исключением технологии дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) из космоса и глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС). Но обо всем по порядку…

ГЛОБАЛЬНЫЕ НАВИГАЦИОННЫЕ СПУТНИКОВЫЕ СИСТЕМЫ

Глобальная навигационная спутниковая система (ГНСС) - комплекс технических и программных средств, позволяющих получить свои координаты в любой точке земной поверхности путем обработки спутниковых сигналов. Основными элементами любой ГНСС являются:

• орбитальная группировка спутников;
• наземная система управления;
• приемное оборудование.

Спутники постоянно передают информацию о своем положении на орбите, наземные стационарные станции обеспечивают мониторинг и контроль положения спутников, а также их технического состояния. Приемное оборудование представляет собой различные спутниковые навигаторы, которые используются людьми в своей профессиональной деятельности или быту.

Принцип работы ГНСС основан на измерении расстояния от антенны приемного устройства до спутников, положение которых известно с большой точностью. Расстояние вычисляется по времени задержки распространения сигнала, передаваемого спутником на приемник. Для определения координат приемника достаточно знать положение трех спутников. На деле используются сигналы с четырех (или более) спутников - для устранения погрешности, вызванной разницей между часами спутника и приемника. Зная расстояния до нескольких спутников системы, с помощью обычных геометрических построений, программа «зашитая» в навигатор вычисляет его положение в пространстве, таким образом, ГНСС позволяет быстро определить местоположение с высокой точностью в любой точке земной поверхности, в любое время, при любых погодных условиях. Каждый спутник системы, помимо основной информации, передает также вспомогательную, необходимую для непрерывной работы приемного оборудования, в т. ч. полную таблицу положения всей спутниковой группировки, передаваемую последовательно в течение нескольких минут. Это необходимо для ускорения работы приемных устройств. Следует отметить немаловажную характеристику основных ГНСС - для пользователей, обладающих спутниковыми приемниками (навигаторами) получение сигналов бесплатно.

Общим недостатком использования любой навигационной системы является то, что при определенных условиях сигнал может не доходить до приемника, или приходить со значительными искажениями или задержками. Например, практически невозможно определить свое точное местонахождение внутри железобетонного здания, в тоннеле, в густом лесу. Для решения этой проблемы используются дополнительные навигационные сервисы, такие, например, как A-GPS.

Сегодня в космосе работает несколько ГНСС (табл. 1), находящиеся на разных этапах своего развития:

• GPS (или NAVSTAR) - управляется Министерством обороны США; в настоящее время единственная полностью развернутая ГНСС доступная круглосуточно пользователям по всему миру;
• ГЛОНАСС - российская ГНСС; находится в стадии завершения полного развертывания;
• Galileo - европейская ГНСС, находящаяся на этапе создания спутниковой группировки.

Упомянем также национальные региональные ГНСС Китая и Индии, соответственно - Бэйдоу и IRNSS, находящиеся на стадии разработки и развертывания; отличается небольшим количеством спутников и национально-ориентированные.

Характеристика основных ГНСС по состоянию на март 2010 г.

Рассмотрим некоторые особенности каждой ГНСС.

GPS

Основой американской системы GPS являются спутники (рис. 2), облетающие Землю по 6 круговым орбитальным траекториям (по 4 спутника в каждой), на высоте примерно 20 180 км. Спутники передают сигналы в диапазонах: L1=1575,42 МГц и L2=1227,60 МГц, последние модели также в диапазоне L5=1176,45 МГц. Полную работоспособность системы обеспечивают 24 спутника, однако, для увеличения точности позиционирования и резерва на случай сбоев, общее число спутников на орбите в настоящее время составляет 31 аппарат.

Рис. 1 Космический аппарат GPS Block II-F

Первоначально GPS предназначалась только для военных целей. Первый спутник был выведен на орбиту 14 июля 1974 г., а последний из всех 24 спутников, необходимых для полного покрытия земной поверхности, был выведен на орбиту в 1993 г. Стало возможным использовать GPS для точного наведения ракет на неподвижные, а затем и на подвижные объекты в воздухе и на земле. Для ограничения доступа к точной навигационной информации для гражданских пользователей вводились специальные помехи, однако с 2000 г. они были отменены, после чего точность определения координат с помощью простейшего гражданского GPS-навигатора составляет от 5–15 м (высота определяется с точностью до 10 м) и зависит от условий приема сигналов в конкретной точке, количества видимых спутников и ряда других причин. Использование глобальной системы распространения дифференциальных поправок WAAS повышает точность позиционирования GPS для Северной Америки до 1–2 м.

ГЛОНАСС

Первый спутник российской спутниковой системы навигации ГЛОНАСС был выведен на орбиту еще в советские времена - 12 октября 1982 г. Частично система была введена в эксплуатацию в 1993 г. и состояла из 12 спутников. Основой системы должны являться 24 спутника, движущихся над поверхностью Земли в трех орбитальных плоскостях с наклонением 64,8° и высотой 19 100 км. Принцип измерения и диапазоны передачи сигналов аналогичны американской системе GPS ГЛОНАСС.

В настоящее время на орбите находятся 23 спутников ГЛОНАСС (рис. 2). Последние три космических аппарата были выведены на орбиту 2 марта 2010 г. Сейчас используются по целевому назначению - 18 спутников. Это обеспечивает непрерывную навигацию почти на всей территории России, причем, Европейская часть обеспечена сигналом почти на 100%. По планам полностью система ГЛОНАСС будет развернута к концу 2010 г.

В настоящее время точность определения координат системой ГЛОНАСС несколько ниже аналогичных показателей для GPS (не превышает 10 м), при этом следует отметить, что совместное использование обеих навигационных систем существенно повышает точность позиционирования. Для улучшения работы систем GPS, ГЛОНАСС и Galileo на территории Европы и повышения их точности служит Европейская геостационарная служба навигационного покрытия (EGNOS).

Galileo

Европейская ГНСС Galileo предназначена для решения навигационных задач для любых подвижных объектов с точностью менее 1 м. В отличие от американской GPS и российской ГЛОНАСС, Galileo не контролируется военными ведомствами. Ее разработку осуществляет Европейское космическое агентство. В настоящее время на орбите находятся 2 тестовых спутника GIOVE-A (рис. 3) и GIOVE-B, запущенных, соответственно в 2005 и 2008 гг. Планируется, что навигационная система Galileo полностью будет развернута в 2013 г. и будет состоять из 30 спутников.

СПУТНИКОВЫЕ НАВИГАТОРЫ

Как уже отмечалось, составной частью любой спутниковой навигационной системы является приемное оборудование. Современный рынок навигационных приемников (навигаторы) отличается таким же многообразием, как и рынок любой другой электронной и телекоммуникационной продукции. Все навигаторы можно подразделить на профессиональные приемные устройства и приемники, используемые широким кругом пользователей. Остановимся подробнее на последних. Для них используются различные названия: GPS-навигаторы, GPS-трекеры, GPS-приемники, спутниковые навигаторы и т. д. В последнее время популярными становятся навигаторы, встроенные в другие устройства (карманные компьютеры, мобильные телефоны, коммуникаторы, часы и т. д.). Среди собственно спутниковых навигаторов особый большой класс составляют автомобильные навигаторы. Широкое распространение получают и навигаторы, предназначенные для пеших, водных и т. д. походов (их часто называют просто GPS-навигаторы, несмотря на то, что они могут принимать и сигналы ГЛОНАСС).

Обязательной принадлежностью практически всех персональных навигаторов является GPS-чипсет (или ресивер), процессор, оперативная память и монитор для отображения информации.

Современные автомобильные навигаторы способны прокладывать маршрут с учетом организации дорожного движения и осуществлять адресный поиск. Особенностью персональных навигаторов для туристов является, как правило, возможность приема спутникового сигнала в сложных условиях, например густого леса или горной местности. Некоторые модели имеют водонепроницаемый корпус повышенной удароустойчивости.

Основными производителями персональных спутниковых навигаторов являются:

• Garmin (США; навигаторы для воздушного, автомобильного, мото- и водного транспорта, а также для туристов и спортсменов)
• GlobalSat (Тайвань; навигационное оборудование различного назначения, в т. ч. GPS-приемники)
• Ashtech (быв. Magellan) (США; персональные и профессиональные навигационные приемники)
• MiTac (Тайвань; автомобильные и туристические навигаторы, карманные персональные компьютеры и коммуникаторы со встроенным GPS-приемником под брендами Mio, Navman, Magellan)
• ThinkWare (Корея; персональные навигационные устройства под брендом I-Navi)
• TomTom (Нидерланды; автомобильные навигаторы) и др.

Профессиональное навигационное оборудование, в т. ч. для инженерно-геодезических и маркшейдерских работ производят такие компании как Trimble, Javad (США), Topcon (Япония), Leica Geosystems (Швейцария) и др.

Как уже отмечалось, в настоящее время выпускается большое количество персональных навигационных устройств, различающихся по своим возможностям и цене. Мы в качестве иллюстрации опишем особенности только одного достаточно «продвинутого» прибора, для того, чтобы охарактеризовать возможности всего класса современных GPS-навигаторов. Это - одна из последних новинок популярной серии автомобильных навигаторов - TomTom GO 930 (описание взято с сайта GPS-Клуба - http://gps-club.ru).

Модель навигатора TomTom GO 930 (рис. 6) сочетает в себе последние тенденции автомобильной навигации - карты нескольких континентов, беспроводную гарнитуру и уникальную технологию Map Share™

Все устройства TomTom разрабатываются самой компанией и являются полностью «plug&play», и это означает, что их можно просто вынуть из коробки и начать использовать, не читая длинных инструкций. Интуитивно понятный интерфейс и «иконки» на русском языке, позволят водителям легко проложить маршрут. Ясные голосовые инструкции на русском языке помогают автомобилистам добраться до пункта назначения легко и без лишнего стресса. Навигатор поддерживает функцию беспроводного управления и технологию Enhanced Positioning Technology (EPT), созданную для беспрерывной навигации даже в туннелях или плотно застроенных областях.

Поставщиком навигационных карт TomTom является Tele Atlas, входящий в TomTom Group. В добавление к тому, что TomTom имеет полностью русифицированные карты, это единственный поставщик решений для навигации, который предлагает карты Европы и США на избранных моделях навигаторов.

Инфраструктура дорог мира меняется на 15% ежегодно. Поэтому TomTom дает своим пользователям возможность бесплатной загрузки последней версии карт в течение 30 дней с момента первого пользования навигатором, а также доступ к уникальной технологии Map Share™. Пользователи навигаторов TomTom могут загрузить новую карту через сервис TomTom HOME. Таким образом, последняя версия карты может быть доступна в любое время. Более того, автомобилисты могут пользоваться технологией Map Share™ - это бесплатное обновление карты вручную прямо на навигаторе, как только становятся известны изменения на дорогах, путем всего лишь нескольких касаний сенсорного экрана. Пользователи могут вносить изменения названий улиц, ограничения скорости на определенных отрезках пути, направления движения, перекрытые проезды, а также изменения в POI (точки интереса).

Уникальная технология TomTom по совместному использованию карт расширяет навигационные функции: теперь пользователь может мгновенно вносить изменения непосредственно в свою карту. Кроме того, пользователь может получать данные об аналогичных изменениях, выполненных всем сообществом TomTom.

Функция такого совместного использования карт позволяет:

• ежедневно и незамедлительно вносить изменения в карты Вашего устройства TomTom;
• получать доступ к самому крупному в мире сообществу пользователей навигационных устройств;
• ежедневно делиться обновлениями с другими пользователями TomTom;
• получать полный контроль над загружаемыми обновлениями;
• в любой местности использовать самые лучшие и точные карты.

КАРТЫ ДЛЯ ПЕРСОНАЛЬНЫХ СПУТНИКОВЫХ НАВИГАТОРОВ

Современные навигаторы немыслимы без наличия в них полноценных крупномасштабных карт, которые показывают объекты не только маршруту движения, но и на всей территории обзора (рис 7).

В навигаторы можно загружать как растровые так и векторные карты. Об одном из видов растровой информации мы поговорим особо, а здесь же заметим, что отсканированные и загруженные в GPS-приемники бумажные карты - не самый лучший способ отображения пространственной информации. Помимо невысокой точности позиционирования, возникает также проблема привязки координат карты к координатам, выдаваемым приемником.

Векторные цифровые карты, особенно в ГИС-форматах, представляют собой фактически базу данных, где хранится информация о координатах объектов в виде, например, «шейп-файлов» и, отдельно, качественные и количественные характеристики. При таком подходе в памяти навигаторов, информация занимает гораздо меньше места и появляется возможность загружать большое количество полезной справочной информации: бензозаправочные станции, гостиницы, кафе и рестораны, стоянки, достопримечательности и т. д.

Как уже говорилось выше, существуют навигационные системы, позволяющие пользователю дополнять карты навигатора своими собственными объектами.

В некоторых персональных навигационных устройствах, особенно, предназначенных для туристов, существует возможность наносить объекты самому (т. е. фактически составлять собственные карты и схемы). Для этих целей предусмотрен специальный несложный графический редактор.

Особо следует остановиться на режимных вопросах. Как известно, в России, до сих пор существуют ограничения на использование крупномасштабных топографических карт. Это в достаточной степени сдерживает развитие навигационной картографии. Следует, однако, отметить, что в настоящее время Федеральная служба государственной регистрации, кадастра и картографии (Росррестр) поставила задачу к 2011 г. иметь полное покрытие РФ (экономически развитых районов и городов) цифровыми навигационными картами масштабов 1:10 000, 1:25 000, 1:50 000. На этих картах будут отображаться навигационная информация, представленная графом дорог, цифровая картографическая подложка и тематическая информация (объекты придорожной инфраструктуры и сервиса).

НАВИГАЦИОННЫЕ СЕРВИСЫ

Развитие и совершенствованием спутниковых навигационных систем и приемного оборудования, а также все активное внедрение в жизнь WEB-технологий и WEB-сервисов послужило толчком к появлению различных навигационных сервисов. Многие модели навигаторов способны принимать и учитывать при прокладке маршрута информацию о ситуации на дорогах, по возможности избегая транспортных заторов. Данные о трафике (пробках) предоставляются специализированными службами и сервисами, по GPRS протоколу или из радио эфира по каналам RDS диапазона FM.

КОСМИЧЕСКИЕ СНИМКИ В НАВИГАТОРАХ

Любые навигационные карты достаточно быстро устаревают. Появление космических съемок сверхвысокого пространственного разрешения (в настоящее время космические аппараты WorldView-1, WorldView-2, GeoEye-1 обеспечивают разрешение до 50 см) дают картографии мощный инструмент обновления содержания карт. Однако после обновления карты и до ее выпуска и возможности «загрузки» в навигационное устройство проходит немало времени. Космические снимки предоставляют возможность сразу получить в навигаторе самую актуальную информацию.

Особый интерес с точки зрения использования космических снимков представляют собой, т. н. LBS-службы. LBS (Location-based service) представляет собой сервис, в основе которого - определение местоположения мобильного телефона. С учетом повсеместного развития мобильной связи и расширения услуг, предоставляемых сотовыми операторами, возможности рынка LBS-сервисов трудно переоценить. LBS не обязательно используют GPS-технологии для определения местоположения. Местоположение также может быть определено с использованием базовых станций сотовых сетей GSM и UMT.

Производители мобильных телефонов и навигационных устройств, предоставляя услуги LBS, все больше внимания уделяют космическим снимкам. Приведем в качестве примера компанию Nokia (Финляндия), которая подписала в 2009 г. соглашение с компанией DigitalGlobe, оператором спутников сверхвысокого разрешения WorldView-1, WorldView-2 и QuickBird, об обеспечении пользователей сервиса Ovi Maps доступом к космическим снимкам (заметим, что Ovi - новый бренд компании Nokia для Интернет-сервисов).

Помимо наглядности при навигации по городским территориям (рис. 8), очень полезно иметь подложку в виде космических снимков, путешествуя по малоизученной территории, на которую нет свежих и детальных карт. Сервис Ovi Maps может быть загружен практически во все устройства Nokia.

Интеграция космических снимков сверхвысокого разрешения в LBS-сервисы позволяет на порядок повысить их функциональность.

Одна из перспективных возможностей использования данных дистанционного зондирования Земли из космоса - создание по ним трехмерных моделей. Трехмерные карты отличаются большой наглядностью, и позволяют лучше ориентироваться, особенно в условиях городской застройки (рис. 9).

В заключение отметим большую перспективность использования ортотрансформированных снимков сверхвысокого разрешения в спутниковых навигаторах и LBS-сервисах. Компания «Совзонд» выпускает продукты ОРТОРЕГИОН и ОРТО10, которые базируются на ортотрансформированных снимках с космических аппаратов ALOS (ОРТОРЕГИОН) и WorldView-1, WorldView-2 (ОРТО10). Ортотрансформирование отдельных сцен выполняется по методу коэффициентов рациональных полиномов (RPC) без использования наземных опорных точек, что существенно удешевляет работу. Проведенные исследования показали, что по своим характеристикам продукты ОРТОРЕГИОН и ОРТО10 вполне могут служить основой для обновления навигационных карт, соответственно масштабов 1:25 000 и 1:10 000. Ортофотомозаики, представляющие собой фактически фотокарты, дополненные подписями, могут также непосредственно загружаться в навигаторы.

Интеграция космических снимков высокого разрешения в навигационные системы и LBS-сервисы, позволяет на порядок повысить их функциональность, удобство и эффективность использования.

Слово «спутник» в значении летательного аппарата появилось в нашем языке благодаря Федору Михайловичу Достоевскому, который рассуждал о том, «что станет в пространстве с топором?.. Если куда попадет подальше, то примется, я думаю, летать вокруг Земли, сам не зная зачем, в виде спутника...». Что подвигло писателя на подобные рассуждения, сегодня сказать затруднительно, но спустя столетие — в начале октября 1957 года — вокруг нашей планеты принялся летать совсем даже не топор, а сложнейший по тем временам аппарат, ставший первым искусственным спутником, посланным в космос с совершенно определенными целями. А за ним последовали и другие…

Особенности «поведения»

Сегодня к спутникам — нарушителям спокойной картины ночного неба — все давно привыкли. Созданные на заводах и запущенные на орбиту, они продолжают «кружить» во благо человечества, оставаясь неизменно интересными разве что узкому кругу специалистов. Что же представляют собой искусственные спутники и какую пользу из них извлекает человек?

Как известно, одним из главных условий выхода спутника на орбиту является его скорость — 7,9 км/с для низкоорбитальных спутников. Именно при такой скорости наступает динамическое равновесие и центробежная сила уравновешивает силу тяжести. Иными словами, спутник летит настолько быстро, что не успевает упасть на земную поверхность, поскольку Земля в прямом смысле слова уходит у него «из-под ног» из-за того, что она круглая. Чем больше начальная скорость, сообщенная спутнику, тем выше будет его орбита. Однако по мере удаления от Земли скорость на круговой орбите падает и геостационарные спутники движутся по своим орбитам со скоростью всего 2,5 км/с. При решении задачи длительного и даже вечного существования космического аппарата (КА) на околоземной орбите необходимо поднимать его на все большую высоту. Стоит заметить, что на движение КА существенным образом влияет и атмосфера Земли: даже будучи сверхразреженной на высотах свыше 100 км от уровня моря (условной границы атмосферы), она заметно тормозит их. Так что со временем все КА теряют высоту полета и срок их пребывания на орбите напрямую зависит от этой высоты.

С Земли спутники видны только ночью и в те моменты времени, когда они освещены Солнцем, то есть не попадают в область земной тени. Необходимость совпадения всех перечисленных факторов приводит к тому, что продолжительность наблюдения большинства низкоорбитальных спутников составляет в среднем по 10 минут перед входом и столько же — после выхода из тени Земли. При желании земные наблюдатели могут систематизировать спутники по яркости (на первом месте здесь находится Международная космическая станция (МКС) — ее яркость приближается к первой звездной величине), по периодичности мерцания (определяемой вынужденным или специально заданным вращением), по направлению движения (через полюс или в ином направлении). На условия наблюдения спутников существенным образом влияют цвет его покрытия, наличие и размах солнечных батарей, а также высота полета — чем она больше, тем медленнее движется спутник и тем существенно менее ярким и заметным он становится.

Большая высота полета (минимальное расстояние до Земли 180— 200 км) скрадывает размер даже таких относительно больших КА, как орбитальные комплексы «Мир» (сведенный с орбиты в 2001 году) или МКС, — все они видны, как светящиеся точки, большей или меньшей яркости. Простым глазом, за редким исключением, опознать спутник невозможно. Для целей точной идентификации КА используют различные оптические средства — от биноклей до телескопов, что простому наблюдателю не всегда доступно, а также расчеты их траекторий движения. Опознать отдельные КА астроному-любителю помогает Интернет, где публикуется информация о местонахождении спутников на околоземной орбите. В частности, любой желающий может войти на сайт NASA, где в режиме реального времени отображается текущее местонахождение МКС.

Что же касается практического применения спутников, то начиная с самых первых запусков они сразу стали решать конкретные задачи. Так, полет первого спутника был использован для исследования из космоса магнитного поля Земли, а его радиосигнал нес в себе данные о температуре внутри герметичного корпуса спутника. Поскольку запуск космического аппарата — удовольствие достаточно дорогое, да к тому же весьма сложное в реализации, то на каждый из запусков возлагается сразу несколько задач.

Прежде всего решаются технологические проблемы: отработка новых конструкций, систем управления, передачи данных и тому подобное. Полученный опыт позволяет создавать следующие экземпляры спутников более совершенными и постепенно переходить к решению усложненных целевых задач, оправдывающих расходы по их созданию. Ведь конечной целью этого производства, как и всякого другого, является извлечение прибыли (коммерческие запуски) или максимально эффективное использование спутников в процессе эксплуатации для целей обороны, решения геополитических и многих других задач.

Следует напомнить, что космонавтика в целом родилась вследствие военно-политического противостояния СССР и США. И, конечно, как только появился первый спутник, оборонные ведомства обеих стран, наладив контроль за космическим пространством, ведут с тех пор постоянный учет всех объектов, находящихся в ближайших окрестностях Земли. Так что, наверное, только им известно точное число КА, так или иначе функционирующих на данный момент. При этом отслеживаются не только сами космические аппараты, но и доставившие их на орбиту последние ступени ракет, переходные отсеки и другие элементы. То есть, строго говоря, спутником считается не только то, что имеет «интеллект» — собственную систему управления, наблюдения и связи, — но и простой болт, отделившийся от КА на очередной фазе полета.

По данным каталога Космического командования США по состоянию на 31 декабря 2003 года, таких спутников на околоземной орбите зарегистрировано 28 140, и число их неуклонно растет (учитываются объекты размером более 10 см). Со временем, в силу естественных причин, часть спутников падает на Землю в виде оплавленных остатков, но многие остаются на орбитах на протяжении десятилетий. Когда КА отрабатывают свой ресурс и перестают подчиняться командам с Земли, продолжая при этом летать, в околоземном космическом пространстве становится не просто тесно, но порой и опасно. Поэтому при запуске на орбиту нового аппарата, во избежание столкновения и катастрофы, необходимо постоянно знать о том, где находится «старый».

Классификация КА является задачей довольно трудоемкой, поскольку каждый аппарат уникален, а круг задач, решаемых новыми КА, постоянно расширяется. Однако если рассматривать космические аппараты с точки зрения практической пользы, то можно выделить основные категории, определяемые их целевым назначением. Наиболее востребованными на сегодняшний день являются спутники связи, навигационные, дистанционного зондирования Земли и научные. Спутники военного назначения и спутники-разведчики составляют отдельный класс, но по сути своей они решают те же задачи, что и их «мирные» собратья.

Спутники-связисты

Связисты одними из первых получили практическую выгоду от запуска спутников. Выведение на околоземную орбиту спутников-ретрансляторов позволило в кратчайшие сроки решить проблему устойчивой всепогодной связи на большей части обитаемой территории. Первым коммерческим спутником был именно спутник связи — «Эхо-2», запущенный США в 1964 году и позволивший организовать передачу телевизионных программ из Америки в Европу без использования кабельных линий связи.

В это же время свой спутник связи «Молния-1» был создан и в Советском Союзе. После развертывания наземной сети станций «Орбита» все регионы нашей большой страны получили доступ к Центральному телевидению, а кроме того, была решена проблема организации надежной и качественной телефонной связи. Спутники связи «Молния» размещались на высокоэллиптических орбитах с апогеем в 39 000 км. Для целей непрерывного вещания была развернута целая группировка спутников «Молния», летавших в различных орбитальных плоскостях. Наземные станции сети «Орбита» были снабжены довольно большими антеннами, которые с помощью сервоприводов отслеживали движение спутника по орбите, периодически переключаясь на тот, который находится в зоне видимости. С течением времени в процессе совершенствования элементной базы и улучшения технических параметров бортовых и наземных систем произошла смена нескольких поколений таких спутников. Но и по сей день группировки спутников семейства «Молния-3» обеспечивают передачу информации по всей территории России и за ее пределы.

Создание мощных ракет-носителей типа «Протон» и «Дельта» позволило обеспечить доставку спутников связи на геостационарную круговую орбиту. Ее особенность состоит в том, что на высоте 35 800 км угловая скорость вращения спутника вокруг Земли равна угловой скорости вращения самой Земли. Поэтому спутник, находящийся на такой орбите в плоскости земного экватора, как бы висит над одной точкой, а 3 геостационарных спутника, расположенных под углом 120°, обеспечивают обзор всей поверхности Земли, за исключением только приполярных районов. Поскольку задача поддержания своего заданного положения на орбите возлагается на сам спутник, то использование геостационарных космических аппаратов позволило существенно упростить наземные средства приема-передачи информации. Отпала необходимость снабжать антенны приводами — они стали статичными, и для организации канала связи их достаточно выставить лишь однажды, при первоначальной настройке. В итоге наземная сеть пользователей оказалась существенно расширенной, и информация стала поступать непосредственно потребителю. Свидетельство того — множество параболических антенн-тарелок, расположенных на жилых домах как в крупных городах, так и в сельской местности.

Поначалу, когда космос был «доступен» только для СССР и США, каждая из стран заботилась исключительно об удовлетворении собственных потребностей и амбиций, но со временем стало понятно, что спутники нужны всем, и в итоге постепенно начали появляться интернациональные проекты. Один из них — созданная в конце 1970-х годов общедоступная система глобальной связи ИНМАРСАТ. Основным ее назначением было предоставление морским судам устойчивой связи при нахождении в открытом море и координация действий во время спасательных операций. Сейчас мобильная связь через систему спутниковой связи ИНМАРСАТ обеспечивается посредством переносного терминала размером с небольшой кейс. При открытии крышки «чемоданчика» с вмонтированной в нее плоской антенной и наведении этой антенны в предполагаемый район нахождения спутника устанавливается двусторонняя голосовая связь, и обмен данными происходит со скоростью до 64 килобит в секунду. Причем сегодня четыре современных спутника обеспечивают связь уже не только на море, но и на суше, охватывая огромную территорию, простирающуюся от Северного до Южного полярного круга.

Дальнейшая миниатюризация средств связи и использование на космических аппаратах высокоэффективных антенн привели к тому, что спутниковый телефон приобрел «карманный» формат, мало чем отличающийся от обычного сотового.

В 1990-х годах почти одновременно началось развертывание сразу нескольких систем мобильной персональной спутниковой связи. Сначала появились низкоорбитальные — IRIDIUM («Иридиум») и GLOBAL STAR («Глобал Стар»), а затем геостационарная — THURAYA («Турайа»).

Система спутниковой связи «Турайа» имеет в своем составе пока 2 геостационарных спутника, позволяющих поддерживать связь на большей части Африканского континента, на Аравийском полуострове, на Среднем Востоке и в Европе.

Системы «Иридиум» и «Глобал Стар», схожие по своей структуре, используют группировки из большого числа низкоорбитальных спутников. Космические аппараты поочередно пролетают над абонентом, сменяя друг друга, поддерживая тем самым непрерывную связь.

В «Иридиум» входит 66 спутников, вращающихся на круговых орбитах (высота 780 км от поверхности Земли, наклонение 86,4°), размещенных в шести орбитальных плоскостях, по 11 аппаратов в каждой. Эта система обеспечивает 100-процентное покрытие нашей планеты.

«Глобал Стар» включает в себя 48 спутников, летающих в восьми орбитальных плоскостях (высота 1 414 км от поверхности Земли, наклонение 52°), по 6 аппаратов в каждой, обеспечивая 80-процентное покрытие, исключая приполярные районы.

Между двумя этими системами спутниковой связи существует принципиальное отличие. В «Иридиуме» телефонный сигнал, поступивший на спутник с Земли, передается по цепочке на следующий спутник до тех пор, пока не достигнет того, который в данный момент находится в зоне видимости одной из наземных приемных станций (станций сопряжения). Такая схема организации позволяет при минимуме затрат на создание наземной инфраструктуры в кратчайшие сроки после развертывания орбитальной составляющей приступить к ее эксплуатации. В «Глобал Стар» же трансляция сигнала со спутника на спутник не предусмотрена, поэтому этой системе необходима более плотная сеть наземных приемных станций. А так как в ряде районов планеты они отсутствуют, сплошного глобального покрытия не происходит.

Практическая польза от применения персональных средств спутниковой связи сегодня стала очевидной. Так, в процессе восхождения на Эверест в июне 2004 года российские альпинисты имели возможность использовать телефонную связь через «Иридиум», что значительно снижало накал тревоги всех тех, кто следил за судьбой альпинистов во время этого трудного и опасного мероприятия.

ЧП с экипажем корабля «СоюзТМА-1» в мае 2003 года, когда после возвращения на Землю спасатели в течение 3 часов не могли обнаружить космонавтов в казахской степи, также побудило руководителей программы МКС снабдить космонавтов спутниковым телефоном «Иридиум».

Спутники-навигаторы

Еще одним достижением современной космонавтики является приемник системы глобального позиционирования. Создаваться существующие ныне спутниковые системы глобального позиционирования — американская GPS (NAVSTAR) и российская «ГЛОНАСС» — начали еще 40 лет назад, в период «холодной войны», для точного определения координат баллистических ракет. Для этих целей в качестве дополнения к спутникам — регистраторам старта ракет, в космосе была развернута система навигационных спутников, в задачу которых входило сообщение своих точных координат в пространстве. Приняв необходимые данные одновременно с нескольких спутников, навигационный приемник определял и собственное местоположение.

«Затянувшееся» мирное время заставило владельцев систем начать делиться информацией с гражданскими потребителями сначала в воздухе и на воде, а затем и на суше, хотя и оставив за собой право в отдельные «особые» периоды загрублять привязку навигационных параметров. Так системы военного назначения стали гражданскими.

Разнообразные типы и модификации GPS-приемников широко используются на морских и воздушных средствах, в системах мобильной и спутниковой связи. Более того, приемник GPS, как и передатчик системы «Коспас-Сарсат», является обязательным оборудованием для любого плавсредства, выходящего в открытое море. Создаваемый Европейским космическим агентством грузовой космический корабль ATV, который в 2005 году полетит к МКС, свою траекторию сближения со станцией также будет корректировать по данным систем GPS и «ГЛОНАСС».

Обе навигационные спутниковые системы устроены приблизительно одинаково. GPS имеет 24 спутника, размещенных на круговых орбитах по 4 в шести орбитальных плоскостях (высота 20 000 км от поверхности Земли, наклонение 52°), а также 5 запасных аппаратов. В «ГЛОНАСС» тоже 24 спутника, по 8 в трех плоскостях (высота 19 000 км от поверхности Земли, наклонение 65°). Для того чтобы навигационные системы работали с требуемой точностью, на спутниках установлены атомные часы, с Земли регулярно передается информация, уточняющая характер движения каждого из них по орбите, а также условия распространения радиоволн.

Несмотря на кажущуюся сложность и масштабность системы глобального позиционирования, компактный GPSприемник сегодня может приобрести любой желающий. По сигналам со спутников этот прибор позволяет не только определить местоположение человека с точностью до 5—10 метров, но и снабдить его всеми необходимыми данными: географическими координатами с указанием места на карте, текущим мировым временем, скоростью движения, высотой над уровнем моря, положением сторон света, а также целым рядом сервисных функций, являющихся производными от первичной информации.

Достоинства космических навигационных систем настолько неоспоримы, что Объединенная Европа, несмотря на гигантские затраты, планирует создать собственную навигационную систему GALILEO («Галилей»). Систему своих навигационных спутников планирует развернуть и Китай.

Спутники дистанционного зондирования Земли

Применение миниатюрных GPS-приемников позволило существенно усовершенствовать работу еще одной категории космических аппаратов — так называемых спутников дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ). Если раньше снимки Земли, сделанные из космоса, было достаточно трудно связать с определенными географическими точками, то теперь этот процесс не представляет никаких проблем. А поскольку наша планета постоянно видоизменяется, то ее фотографии из космоса, никогда не повторяющиеся, будут востребованными всегда, предоставляя незаменимую информацию для изучения самых разнообразных аспектов земной жизни.

Спутники ДЗЗ имеют достаточно большую численность, и тем не менее их группировка постоянно пополняется новыми, все более совершенными аппаратами. Современным спутникам дистанционного зондирования, в отличие от тех, которые действовали в 1960—1970-х годах, нет необходимости возвращать на Землю отснятые в космосе фотопленки в специальных капсулах — на них установлены суперлегкие оптические телескопы и миниатюрные фотодетекторы на основе ПЗС-матриц, а также высокоскоростные линии передачи данных с пропускной способностью в сотни мегабит в секунду. В дополнение к оперативности получения данных появляется возможность еще и полной автоматизации обработки полученных изображений на Земле. Оцифрованная информация — это уже не просто изображение, а ценнейшая информация для экологов, лесоводов, землеустроителей и множества других заинтересованных структур.

В частности, спектрозональные фотографии, полученные в весенний период, дают возможность прогнозировать урожай, исходя из запаса влаги в почве, в период вегетации растений — обнаруживать места выращивания наркотических культур и своевременно принимать меры по их уничтожению.

Кроме того, необходимо принимать во внимание существующие ныне коммерческие системы продажи потребителям видеоизображений поверхности Земли (фотографий). Первыми такими системами была сначала группировка американских гражданских спутников LANDSAT, а затем французских — SPOT. При известных ограничениях и в соответствии с определенными расценками потребители во всем мире могут приобретать изображения интересующих их районов Земли с разрешением в 30 и 10 метров. Нынешние же, куда более совершенные спутники гражданского направления — ICONOS-2, QUICK BIRD-2 (США) и EROS-AI (Израиль— США) — после снятия ограничений американским правительством позволяют покупать фотографии земной поверхности с разрешением до 0,5 метра — в панхроматическом режиме и до 1 метра — в многоспектральном.

Вплотную к спутникам ДЗЗ примыкают метеорологические космические аппараты. Развитие их сети на околоземных орбитах существенно повысило надежность прогноза погоды и позволило обходиться без обширных сетей наземных метеостанций. А выходящие сегодня во всем мире выпуски новостей, сопровождаемые анимированными изображениями циклонов, трасс перемещения облачности, тайфунов и других явлений, которые создаются на основе данных метеоспутников, позволяют каждому из нас воочию убедиться в реальности происходящих на Земле природных процессов.

Спутники-«ученые»

По большому счету, каждый из искусственных спутников — это вынесенный за пределы Земли инструмент познания окружающего мира. Научные же спутники можно назвать своеобразными полигонами для проверки новых идей и конструкций и получения уникальной информации, которую никак иначе не добыть.

В середине 1980-х годов NASA была принята программа создания четырех астрономических обсерваторий, размещаемых в космосе. С теми или иными задержками все четыре телескопа были запущены на орбиту. Первым начал свою работу «ХАББЛ» (1990 год), предназначенный для исследования Вселенной в видимом диапазоне длин волн, за ним последовал «КОМПТОН» (1991 год), изучавший космическое пространство с помощью гамма-лучей, третьим был «ЧАНДРА» (1999 год), использовавший рентгеновские лучи, а завершил эту обширную программу «СПИТЦЕР» (2003 год), на долю которого пришелся инфракрасный диапазон. Названия всем четырем обсерваториям были даны в честь выдающихся американских ученых.

«ХАББЛ», работающий на околоземной орбите уже 15-й год, поставляет на Землю уникальные изображения далеких звезд и галактик. За столь продолжительный срок службы телескоп неоднократно ремонтировался во время полетов шаттлов, но после гибели «Колумбии» 1 февраля 2003 года запуски космических «челноков» были приостановлены. Планируется, что «ХАББЛ» пробудет на орбите до 2010 года, после чего, выработав свой ресурс, будет уничтожен. «КОМПТОН», передававший на Землю изображения источников гамма-излучения, прекратил свое существование в 1999 году. «ЧАНДРА» же продолжает исправно поставлять информацию о рентгеновских источниках. Все три этих телескопа предназначались учеными для работы на высокоэллиптических орбитах, дабы уменьшить влияние на них магнитосферы Земли.

Что же касается «СПИТЦЕРА», способного улавливать самое слабое тепловое излучение, исходящее от холодных удаленных объектов, то он в отличие от своих собратьев, вращающихся вокруг нашей планеты, находится на солнечной орбите, постепенно отдаляясь от Земли на 7° в год. Для того чтобы воспринимать крайне слабые тепловые сигналы, исходящие из глубин космоса, «СПИТЦЕР» охлаждает свои сенсоры до температуры, которая превышает абсолютный ноль всего на 3°.

С научной целью в космос запускают не только громоздкие и сложные научные лаборатории, но и маленькие спутники-шарики, снабженные стеклянными окошками и содержащие внутри уголковые отражатели. Параметры траектории полетов таких миниатюрных спутников с высокой степенью точности отслеживаются с помощью наведенного на них лазерного излучения, что позволяет получать информацию о малейших изменениях в состоянии гравитационного поля Земли.

Ближайшие перспективы

Получившее столь бурное развитие в конце XX века космическое машиностроение не останавливается в своем прогрессе ни на один год. Спутники, казавшиеся еще каких-нибудь 5—10 лет назад верхом технической мысли, сменяют на орбите новые поколения космических аппаратов. И хотя эволюция искусственных спутников Земли становится все более скоротечной, вглядываясь в недалекое будущее, можно попытаться увидеть основные перспективы развития беспилотной космонавтики.

Летающие в космосе рентгеновские и оптические телескопы уже подарили ученым немало открытий. Теперь же к запуску готовятся целые орбитальные комплексы, оснащенные этими приборами. Такие системы позволят провести массовое исследование звезд нашей Галактики на предмет наличия у них планет.

Ни для кого не секрет, что современные радиотелескопы земного базирования получают картинки звездного неба с разрешением, на порядки превосходящим достигнутое в оптическом диапазоне. Сегодня для такого рода исследовательских инструментов настала пора выведения в космос. Эти радиотелескопы будут запущены на высокие эллиптические орбиты с максимальным удалением от Земли на 350 тыс. км, что позволит не менее чем в 100 раз улучшить качество получаемых с их помощью изображений радиоизлучения звездного неба.

Недалек тот день, когда в космосе будут построены заводы по производству особо чистых кристаллов. И это касается не только биокристаллических структур, так нужных медицине, но и материалов для полупроводниковой и лазерной промышленности. Вряд ли это будут спутники — здесь скорее понадобятся посещаемые или роботизированные комплексы, а также пристыковываемые к ним транспортные корабли, доставляющие исходные продукты и привозящие на Землю плоды внеземной технологии.

Не за горами и начало колонизации других планет. В таких длительных полетах без создания замкнутой экосистемы никак не обойтись. И биологические спутники (летающие оранжереи), имитирующие дальние космические перелеты, появятся на околоземной орбите в самом недалеком будущем.

Одной из самых фантастических задач, при этом уже сегодня с технической точки зрения абсолютно реальной, является создание космической системы глобальной навигации и наблюдения земной поверхности с точностью до сантиметров. Такая точность позиционирования найдет применение в самых разных областях жизни. В первую очередь в этом нуждаются сейсмологи, надеющиеся, отслеживая малейшие колебания земной коры, научиться предсказывать землетрясения.

На сегодняшний момент наиболее экономичным способом вывода спутников на орбиту являются одноразовые ракеты-носители, причем чем ближе к экватору находится космодром, тем дешевле оказывается запуск и тем больше выводимая в космос полезная нагрузка. И хотя ныне уже созданы и успешно функционируют плавучая, а также самолетная пусковые установки, хорошо развитая инфраструктура вокруг космодрома еще долго будет основой для успешной деятельности землян по освоению околоземного пространства.

Александр Спирин, Мария Побединская

Редакция выражает благодарность Александру Кузнецову за помощь в подготовке материала.

Спутник ДЗЗ “Ресурс-П”

Дистанционное зондирование Земли (ДЗЗ) - наблюдение поверхности авиационными и космическими средствами, оснащёнными различными видами съемочной аппаратуры. Рабочий диапазон длин волн, принимаемых съёмочной аппаратурой, составляет от долей микрометра (видимое оптическое излучение) до метров (радиоволны). Методы зондирования могут быть пассивные, то есть использовать естественное отраженное или вторичное тепловое излучение объектов на поверхности Земли, обусловленное солнечной активностью, и активные - использующие вынужденное излучение объектов, инициированное искусственным источником направленного действия. Данные ДЗЗ, полученные с (КА), характеризуются большой степенью зависимости от прозрачности атмосферы. Поэтому на КА используется многоканальное оборудование пассивного и активного типов, регистрирующие электромагнитное излучение в различных диапазонах.

Аппаратура ДЗЗ первых КА, запущенных в 1960-70-х гг. была трассового типа - проекция области измерений на поверхность Земли представляла собой линию. Позднее появилась и широко распространилась аппаратура ДЗЗ панорамного типа - сканеры, проекция области измерений на поверхность Земли которых представляет собой полосу.

Космические аппараты дистанционного зондирования Земли используются для изучения природных ресурсов Земли и решения задач метеорологии. КА для исследования природных ресурсов оснащаются в основном оптической или радиолокационной аппаратурой. Преимущества последней заключаются в том, что она позволяет наблюдать поверхность Земли в любое время суток, независимо от состояния атмосферы.

Общий обзор

Дистанционное зондирование является методом получения информации об объекте или явлении без непосредственного физического контакта с данным объектом. Дистанционное зондирование является подразделом географии. В современном понимании, термин в основном относится к технологиям воздушного или космического зондирования местности с целью обнаружения, классификации и анализа объектов земной поверхности, а также атмосферы и океана, при помощи распространяемых сигналов (например, электромагнитной радиации). Разделяют на активное (сигнал сначала излучается самолетом или космическим спутником) и пассивное дистанционное зондирование (регистрируется только сигнал других источников, например, солнечный свет).

Пассивные сенсоры дистанционного зондирования регистрируют сигнал, излучаемый или отраженный объектом либо прилегающей территорией. Отраженный солнечный свет – наиболее часто используемый источник излучения, регистрируемый пассивными сенсорами. Примерами пассивного дистанционного зондирования являются цифровая и пленочная фотография, применение инфракрасных, приборов с зарядовой связью и радиометров.

Активные приборы, в свою очередь, излучают сигнал с целью сканирования объекта и пространства, после чего сенсор имеет возможность обнаружить и измерить излучение, отраженное или образованное путем обратного рассеивания целью зондирования. Примерами активных сенсоров дистанционного зондирования являются радар и лидар, которыми измеряется задержка во времени между излучением и регистрацией возвращенного сигнала, таким образом определяя размещение, скорость и направление движения объекта.

Дистанционное зондирование предоставляет возможность получать данные об опасных, труднодоступных и быстродвижущихся объектах, а также позволяет проводить наблюдения на обширных участках местности. Примерами применения дистанционного зондирования может быть мониторинг вырубки лесов (например, в бассейне Амазонки), состояния ледников в Арктике и Антарктике, измерение глубины океана с помощью лота. Дистанционное зондирование также приходит на замену дорогостоящим и сравнительно медленным методам сбора информации с поверхности Земли, одновременно гарантируя невмешательство человека в природные процессы на наблюдаемых территориях или объектах.

При помощи орбитальных космических аппаратов ученые имеют возможность собирать и передавать данные в различных диапазонах электромагнитного спектра, которые, в сочетании с более масштабными воздушными и наземными измерениями и анализом, обеспечивают необходимый спектр данных для мониторинга актуальных явлений и тенденций, таких как Эль-Ниньо и другие природные феномены, как в кратко-, так и в долгосрочной перспективе. Дистанционное зондирование также имеет прикладное значение в сфере геонаук (к примеру, природопользование), сельском хозяйстве (использование и сохранение природных ресурсов), национальной безопасности (мониторинг приграничных областей).

Техники получения данных

Основная цель мультиспектральных исследований и анализа полученных данных – это объекты и территории, излучающие энергию, что позволяет выделять их на фоне окружающей среды. Краткий обзор спутниковых систем дистанционного зондирования находится в обзорной таблице.

Как правило, лучшим временем для получения данных методами дистанционного зондирования является летнее время (в частности, в эти месяцы наибольший угол солнца над горизонтом и наибольшая длительность дня). Исключением из этого правила является получение данных с помощью активных датчиков (например, Радар, Лидар), а также тепловых данных в длинноволновом диапазоне. В тепловидении, при котором датчики проводят измерения тепловой энергии, лучше использовать промежуток времени, когда разница температуры земли и температуры воздуха наибольшая. Таким образом, лучшее время для этих методов – холодные месяцы, а также несколько часов до рассвета в любое время года.

Кроме того, есть еще некоторые соображения, которые нужно учитывать. С помощью радара, например, нельзя получать изображение голой поверхности земли при толстом снежном покрове; то же самое можно сказать и о лидаре. Тем не менее, эти активные сенсоры нечувствительны к свету (или его отсутствию), что делает их отличным выбором для применения к высоких широтах (для примера). Кроме того, как радар, так и лидар способны (в зависимости от используемых длин волн) получать изображения поверхности под пологом леса, что делает их полезными для применения в сильно заросших регионах. С другой стороны, спектральные методы получения данных (как стереоизображения, так и мультиспектральные методы) применимы в основном солнечные дни; данные, собранные в условиях низкой освещенности, как правило, имеют низкий уровень сигнал / шум, что усложняет их обработку и интерпретацию. К тому же, в то время как стереоизображения способны отображать и идентифицировать растительность и экосистемы, при помощи этого метода (как и при мульти-спектральном зондировании) невозможно проникнуть под навес деревьев и получить изображения земной поверхности.

Применение дистанционного зондирования

Дистанционное зондирование наиболее часто применяется в сельском хозяйстве, геодезии, картографировании, мониторинге поверхности земли и океана, а также слоев атмосферы.

Сельское хозяйство

При помощи спутников можно с определенность цикличностью получать изображения отдельных полей, регионов и округов. Пользователи могут получать ценную информацию о состоянии угодий, в том числе идентификацию культур, определение посевных площадей сельскохозяйственных культур и состояние урожая. Спутниковые данные используются для точного управления и мониторинга результатов ведения сельского хозяйства на различных уровнях. Эти данные могут быть использованы для оптимизации фермерского хозяйства и пространственно-ориентированного управления техническими операциями. Изображения могут помочь определить местоположение урожая и степень истощения земель, а затем могут быть использованы для разработки и реализации плана лечения, для локальной оптимизации использования сельскохозяйственных химикатов. Основными сельскохозяйственными приложениями дистанционного зондирования являются следующие:

• растительность:
  • классификация типа культур
  • оценка состояния посевов (мониторинг сельскохозяйственных культур, оценка ущерба)
  • оценка урожайности

• почва
  • отображение характеристик почвы
  • отображение типа почвы
  • эрозия почвы
  • влажность почвы
  • отображение практики обработки почвы

Мониторинг лесного покрова

Дистанционное зондирование также применяется для мониторинга лесного покрова и идентификации видов. Полученные таким способом карты могут покрывать большую площадь, одновременно отображая детальные измерения и характеристики территории (тип деревьев, высота, плотность). Используя данные дистанционного зондирования, возможно определить и разграничить различные типы леса, что было бы трудно достичь, используя традиционные методы на поверхности земли. Данные доступны в различных масштабах и разрешениях, что вполне соответствует локальным или региональные требованиям. Требования к детальности отображения местности зависит от масштаба исследования. Для отображения изменений в лесном покрове (текстуры, плотности листьев) применяются:

• мультиспектральные изображения: для точной идентификации видов необходимы данные с очень высоким разрешением

• многоразовые снимки одной территории, используются для получения информации о сезонных изменений различных видов

• стереофотографии – для разграничение видов, оценки плотности и высоты деревьев. Стереофотографии предоставляют уникальный вид на лесной покров, доступный только через технологии дистанционного зондирования

• Радары широко применяются в зоне влажных тропиков, благодаря их свойству получать изображения при любых погодных условиях

• Лидары позволяет получать 3-мерную структуру леса, обнаруживать изменения высоты поверхности земли и объектов на ней. Данные Лидара помогают оценить высоту деревьев, области корон и количество деревьев на единице площади.

Мониторинг поверхности

Мониторинг поверхности является одним из наиболее важных и типичных применений дистанционного зондирования. Полученные данные используются при определении физического состояния поверхности земли, например, леса, пастбища, дорожного покрытия и т.д., в том числе результатов деятельности человека, такие, как ландшафт в промышленных и жилых зонах, состояния сельскохозяйственных территорий и т.п. Первоначально должна быть установлена система классификации земельного покрова, которая обычно включает в себя уровни и классы земель. Уровни и классы должны быть разработаны с учетом цели использования (на национальном, региональном или местном уровне), пространственного и спектрального разрешения данных дистанционного зондирования, запросу пользователя и так далее.

Обнаружение изменения состояния поверхности земли необходимо для обновления карт растительного покрова и рационализации использование природных ресурсов. Изменения, как правило, обнаруживаются при сравнении нескольких изображений, содержащих несколько уровней данных, а также, в некоторых случаях, при сравнении старых карт и обновленных изображений дистанционного зондирования.

• сезонные изменения: сельскохозяйственные угодья и лиственные леса изменяются по-сезонно

• годовые изменения: изменения поверхности земли или территории землепользования, например, районы вырубки леса или разрастания городов

Информация о поверхности земли и изменения характера растительного покрова прямо необходимы для определения и реализации политики защиты окружающей среды и могут быть использованы совместно с другими данными для проведения сложных расчетов (например, определения рисков эрозии).

Геодезия

Сбор геодезических данных с воздуха впервые был использован для обнаружения подводных лодок и получения гравитационных данных, используемых для построения военных картах. Эти данные являют собой уровни мгновенных возмущений гравитационного поля Земли, которые могут быть использованы для определения изменений в распределении масс Земли, что в свою очередь может быть востребовано для проведения различных геологических исследований.

Акустические и около-акустические применения

• Сонар: пассивный гидролокатор, регистрирует звуковые волны, исходящие от других объектов (судно, кит и т.д.); активный гидролокатор, излучает импульсы звуковых волн и регистрирует отраженный сигнал. Используется для обнаружения, определения местоположения и измерения параметров подводных объектов и местности.

• Сейсмографы – специальный измерительный прибор, который используется для обнаружения и регистрации всех типов сейсмических волн. При помощи сейсмограмм, снятых в разных местах определенной территории, можно определить эпицентр землетрясения и измерить его амплитуду (после того как оно произошло) путем сравнения относительных интенсивностей и точного времени колебаний.

• УЗИ: датчики ультразвукового излучения, которые испускают высокочастотные импульсы и регистрируют отраженный сигнал. Используется для обнаружения волн на воде и определения уровня воды.

При координации серий масштабных наблюдений, большинство систем зондирования зависят от следующих факторов: расположения платформы и ориентации датчиков. Высококачественные инструменты в настоящее время часто используют позиционную информацию от спутниковых систем навигации. Вращение и ориентация часто определяется электронными компасами с точностью около одного – двух градусов. Компасы могут измерять не только азимут (т.е. градусное отклонение от магнитного севера), но и высоты (значение отклонения от уровня моря), так как направление магнитного поля относительно Земли зависит от широты, на которой происходит наблюдение. Для более точного ориентирования необходимо применение инерциальной навигации, с периодическими поправками различными методами, включая навигацию по звездам или известным ориентирам.

Обзор основных приборов дистанционного зондирования

• Радары, в основном, применяются в системах контроля воздушного трафика, раннего оповещения, мониторинга лесного покрова, сельском хозяйстве и для получения метеорологических данных большого масштаба. Радар Допплера используется правоохранительными организациями для контроля скоростного режима автотранспорта, а также для получения метеорологических данных о скорости и направлении ветра, местоположении и интенсивности осадков. Другие типы получаемой информации включают в себя данные об ионизированном газе в ионосфере. Интерферометрический радар искусственной апертуры используется для получения точных цифровых моделей рельефа больших участков местности.

• Лазерные и радиолокационные высотомеры на спутниках обеспечивают получение широкого спектра данных. Измеряя отклонения уровня воды океана, вызванные гравитацией, данные приборы отображают особенности рельефа морского дна с разрешением порядка одной мили. Измеряя высоту и длину волны океанских волн при помощи высотомеров, можно узнать скорость и направление ветра, а также скорость и направление поверхностных океанических течений.

• Ультразвуковые (акустические) и радиолокационные датчики используются для измерения уровня моря, приливов и отливов, определения направления волн в прибрежных морских регионах.

• Технология светового обнаружения и определения дальности (ЛИДАР) хорошо известна своим применением в военной сфере, в частности, в лазерной навигации снарядов. ЛИДАРы используется также для обнаружения и измерения концентрации различных химических веществ в атмосфере, в то время как ЛИДАР на борту самолета может быть использован для измерения высоты объектов и явлений на земле с большей точностью, чем та, которая может быть достигнута при помощи радиолокационной техники. Дистанционное зондирование растительности также является одним из основных применений ЛИДАРа.

• Радиометры и фотометры являются наиболее распространенными используемыми инструментами. Они фиксируют отраженное и испускаемое излучение в широком диапазоне частот. Наиболее распространенными являются датчики видимого и инфракрасного диапазонов, затем идут микроволновые, датчики гамма-лучей и, реже, датчики ультрафиолета. Эти приборы также могут быть использованы для обнаружения эмиссионного спектра различных химических веществ, предоставляя данные об их концентрации в атмосфере.

• Стереоизображения, полученные при помощи аэрофотосъёмки часто используются при зондировании растительности на поверхности Земли, а также для построения топографических карт при разработке потенциальных маршрутов путем анализа изображений местности, в сочетании с моделированием особенностей окружающей среды, полученных наземными методами.

• Мультиспектральные платформы, такие как Landsat активно использовались начиная с 70-х годов. Эти приборы использовались для построения тематических карт путем получения изображений в нескольких длинах волн электромагнитного спектра (мульти-спектра) и, как правило, они применяются на спутниках наблюдения за Землей. Примерами таких миссий являются в том числе программа Landsat или спутник IKONOS. Карты растительного покрова и землепользования, полученные методом тематического картографирования могут быть использованы для разведки полезных ископаемых, обнаружения и мониторинга использования земель, вырубки лесов, и изучения здоровья растений и сельскохозяйственных культур, в том числе огромных участков сельскохозяйственных земель или лесных массивов. Космические снимки программы Landsat используются регулирующими органами для контроля параметров качества воды, включая глубину Секки, плотность хлорофилла и общее содержание фосфора. Метеорологические спутники используются в метеорологии и климатологии.

• Методом спектральной визуализации получают изображения, в которых каждый пиксель содержит полную спектральную информацию, отображая узкие спектральные диапазоны в пределах непрерывного спектра. Приборы спектральной визуализации используются для решения различных задач, в том числе применяются в минералогии, биологии, военном деле, измерениях параметров окружающей среды.

• В рамках борьбы с опустыниванием, дистанционное зондирование позволяет наблюдать за областями, которые находятся в зоне риска в долгосрочной перспективе, определять факторы опустынивания, оценивать глубину их воздействия, а также предоставлять необходимую информацию лицам, ответственным за принятие решений по принятию соответствующих мер охраны окружающей среды.

Обработка данных

При ДЗЗ, как правило, применяется обработка цифровых данных, т. к. именно в этом формате получают данные ДЗЗ в настоящее время. В цифровом формате проще производить обработку и хранение информации. Двумерное изображение в одном спектральном диапазоне можно представить в виде матрицы (двухмерного массива) чисел I (i, j) , каждое из которых представляет интенсивность излучения, принятого датчиком от элемента поверхности Земли, которому соответствует один пиксель изображения.

Изображение состоит из n x m пикселей, каждый пиксель имеет координаты (i, j) – номер строки и номер колонки. Число I (i, j) – целое и называется уровнем серого (или спектральной яркостью) пикселя (i, j) . Если изображение получено в нескольких диапазонах электромагнитного спектра, то его представляет трехмерная решетка, состоящая из чисел I (i, j, k) , где k – номер спектрального канала. С математической точки зрения нетрудно обработать цифровые данные, полученные в таком виде.

Для того чтобы правильно воспроизвести изображение но цифровым записям, поставляемым пунктами приема информации, необходимо знать формат записи (структуру данных), а также число строк и столбцов. Используют четыре формата, которые упорядочивают данные как:

• последовательность зон (Band Sequental, BSQ );

• зоны, чередующиеся но строкам (Band Interleaved by Line, BIL );
• зоны, чередующиеся но пикселям (Band Interleaved by Pixel, BIP );
• последовательность зон со сжатием информации в файл методом группового кодирования (например, в формате jpg).

В BSQ -формате каждый зональный снимок содержится в отдельном файле. Это удобно, когда нет необходимости работать сразу со всеми зонами. Одну зону легко прочитать и визуализировать, зональные снимки можно загружать в любом порядке но желанию.

В BIL -формате зональные данные записываются в один файл строка за строкой, при этом зоны чередуются но строкам: 1-ая строка 1-ой зоны, 1-ая строка 2-ой зоны, …, 2-ая строка 1-ой зоны, 2-ая строка 2-ой зоны и т. д. Такая запись удобна, когда выполняется анализ одновременно всех зон.

В BIP -формате зональные значения спектральной яркости каждого пикселя хранятся последовательно: сначала значения первого пикселя в каждой зоне, затем значения второго пикселя в каждой зоне и т. д. Такой формат называют совмещенным. Он удобен при выполнении по-пиксельной обработки многозонального снимка, например, в алгоритмах классификации.

Групповое кодирование используют для уменьшения объема растровой информации. Такие форматы удобны для хранения больших снимков, для работы с ними необходимо иметь средство распаковки данных.

Файлы изображений обычно снабжаются следующей дополнительной информацией, относящейся к снимкам:

• описание файла данных (формат, число строк и столбцов, разрешение и т. д.);

• статистические данные (характеристики распределения яркостей – минимальное, максимальное и среднее значение, дисперсия);
• данные о картографической проекции.

Дополнительная информация содержится либо в заголовке файла изображения, либо в отдельном текстовом файле с именем, совпадающим с именем файла изображения.

По степени сложности различаются следующие уровни обработки КС, предоставляемых пользователям:

• 1А – радиометрическая коррекция искажений, вызванных разницей в чувствительности отдельных датчиков.

• 1В – радиометрическая коррекция на уровне обработки 1А и геометрическая коррекция систематических искажений сенсора, включая панорамные искажения, искажения, вызванные вращением и кривизной Земли, колебанием высоты орбиты спутника.

• 2А – коррекция изображения на уровне 1В и коррекция в соответствии с заданной геометрической проекцией без использования наземных контрольных точек. Для геометрической коррекции используется глобальная цифровая модель рельефа (ЦМР, DEM ) с шагом на местности 1 км. Используемая геометрическая коррекция устраняет систематические искажения сенсора и проектирует изображение в стандартную проекцию (UTM WGS-84 ), с использованием известных параметров (спутниковые эфемеридные данные, пространственное положение и т. д.).

• 2В – коррекция изображения на уровне 1В и коррекция в соответствии с заданной геометрической проекцией с использованием контрольных наземных точек;

• 3 – коррекция изображения на уровне 2В плюс коррекция с использованием ЦМР местности (ортотрансформирование).

• S – коррекция изображения с использованием контрольного изображения.

Качество данных, получаемых в результате дистанционного зондирования, зависит от их пространственного, спектрального, радиометрического и временного разрешения.

Пространственное разрешение

Характеризуется размером пикселя (на поверхности Земли), записываемого в растровую картинку - обычно варьируется от 1 до 4000 метров.

Спектральное разрешение

Данные Landsat включают семь полос, в том числе инфракрасного спектра, в пределах от 0.07 до 2.1 мкм. Сенсор Hyperion аппарата Earth Observing-1 способен регистрировать 220 спектральных полос от 0.4 до 2.5 мкм, со спектральным разрешением от 0.1 до 0.11 мкм.

Радиометрическое разрешение

Число уровней сигнала, которые сенсор может регистрировать. Обычно варьируется от 8 до 14 бит, что дает от 256 до 16 384 уровней. Эта характеристика также зависит от уровня шума в инструменте.

Временное разрешение

Частота пролёта спутника над интересующей областью поверхности. Имеет значение при исследовании серий изображений, например при изучении динамики лесов. Первоначально анализ серий проводился для нужд военной разведки, в частности для отслеживания изменений в инфраструктуре, передвижений противника.

Для создания точных карт на основе данных дистанционного зондирования, необходима трансформация, устраняющая геометрические искажения. Снимок поверхности Земли аппаратом, направленным точно вниз, содержит неискаженную картинку только в центре снимка. При смещении к краям расстояния между точками на снимке и соответствующие расстояния на Земле все более различаются. Коррекция таких искажений производится в процессе фотограмметрии. С начала 1990-х большинство коммерческих спутниковых изображений продается уже скорректированными.

Кроме того, может требоваться радиометрическая или атмосферная коррекция. Радиометрическая коррекция преобразует дискретные уровни сигнала, например от 0 до 255, в их истинные физические значения. Атмосферная коррекция устраняет спектральные искажения, внесенные наличием атмосферы.

Размер: px

Начинать показ со страницы:

Транскрипт

1 Тема 2.3. Применение дистанционного зондирования Земли и спутниковой навигации в нефтегазовой отрасли Метод дистанционного зондирования Земли: характеристики и достоинства Получение и обработка данных для ГИС наиболее важный и трудоемкий этап создания подобных информационных систем. В настоящее время самым перспективным и экономически целесообразным считается метод получения данных об объектах на основе данных дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) и GPS-измерений. В широком смысле дистанционное зондирование это получение любыми неконтактными методами информации о поверхности Земли, объектах на ней или в ее недрах. Традиционно к данным дистанционного зондирования относят только те методы, которые позволяют получить из космоса или с воздуха изображение земной поверхности в каких-либо участках электромагнитного спектра. Существует несколько видов съемки, использующих специфические свойства излучений с различными длинами волн. При проведении географического анализа, помимо собственно ДЗЗ, обязательно используются пространственные данных из других источников цифровые топографические и тематические карты, схемы инфраструктуры, внешние базы данных. Снимки позволяют не только выявлять различные явления и объекты, но и оценивать их количественно. Достоинства метода дистанционного зондирования Земли заключается в следующем: актуальность данных на момент съемки (большинство картографических материалов безнадежно устарели); высокая оперативность получения данных; высокая точность обработки данных за счет применения GPS технологий; высокая информативность (применение спектрозональной, инфракрасной и радарной съемки позволяет увидеть детали, не различимые на обычных снимках); экономическая целесообразность (затраты на получение информации посредством ДЗЗ существенно ниже наземных полевых работ); возможность получение трехмерной модели местности (матрицы рельефа) за счет использования стереорежима или лидарных методов зондирования и, как следствие, возможность проводить трехмерное моделирование участка земной поверхности (системы виртуальной реальности). Дистанционные методы характеризуются тем, что регистрирующий прибор значительно удален от исследуемого объекта. При таких исследованиях явлений и процессов на земной поверхности расстояния до объектов могут измеряться от единиц до тысяч километров. Это обстоятельство обеспечивает необходимый обзор поверхности и позволяет получать максимально генерализованные изображения. Существуют различные классификации ДЗЗ. Отметим наиболее важные с точки зрения практического сбора данных в нефтегазовой отрасли. Регистрироваться может собственное излучение объектов и отраженное излучение других источников. Этими источниками могут быть Солнце или сама съемочная аппаратура. В последнем случае используется когерентное излучение (радары, сонары и лазеры), что позволяет регистрировать не только интенсивность излучения, но также и его поляризацию, фазу и доплеровское смещение, что дает дополнительную информацию. Понятно, что работа самоизлучающих (активных) сенсоров не зависит от времени суток, но зато требует значительных затрат энергии. Таким образом, виды зондирования по источнику сигнала: активное (вынужденное излучение объектов, инициированное искусственным источником направленного действия); пассивное (собственное, естественное отраженное или вторичное тепловое излучение объектов на поверхности Земли, обусловленное солнечной активностью). Съемочная аппаратура может размещаться на различных платформах. Платформой может быть космический аппарат (КА, спутник), самолет, вертолет и даже простая тренога. В по- 1

2 следнем случае мы имеем дело с наземной съемкой боковых сторон объектов (например, для архитектурных и реставрационных задач) или наклонной съемкой с естественных или искусственных высотных объектов. Третий вид платформы не рассматривается в силу того, что он относится к специальностям, далеким от той, для которой написаны данные лекции. На одной платформе может размещаться несколько съемочных устройств, называемых инструментами или сенсорами, что обычно для КА. Например, спутники Ресурс-О1 несут сенсоры МСУ-Э и МСУ-СК, а спутники SPOT по два одинаковых сенсора HRV (SPOT-4 HRVIR). Понятно, что чем дальше находится платформа с сенсором от изучаемого объекта, тем больший охват и меньшую детализацию будут иметь получаемые изображения. Поэтому в настоящее время выделяют следующие виды съемки для получения данных дистанционного зондирования: 1. Космическая съемка (фотографическая или оптико-электронная): панхроматическая (чаще в одном широком видимом участке спектра) простейший пример черно-белая съемка; цветная (съемка в нескольких, чаще реальных цветах на одном носителе); многозональная (одновременная, но раздельная фиксация изображения в разных зонах спектра); радарная (радиолокационная); 2. Аэрофотосъемка (фотографическая или оптико-электронная): те же виды ДЗЗ, что и в космической съемке; лидарная (лазерная). Оба вида съемки находят широкое применение в нефтегазовой отрасли при создании ГИС предприятия, при этом каждый из них занимает свою нишу. Космическая съемка (КС), имеет более низкое разрешение (от 30 до 1 м в зависимости от типа съемки и типа космического аппарата), но за счет этого охватывает большие пространства. Космическая съемка используется для съемки больших площадей в целях получения оперативной и актуальной информации о районе предполагаемых геологоразведочных работ, базовой подосновы для создания глобальной ГИС на район разработки полезных ископаемых, экологического мониторинга нефтяных разливов и т.п. При этом используется как обычная монохромная (черно-белая съемка), так и спектрозональная. Аэрофотосъемка (АФС), позволяет получать изображение более высокого разрешения (от 1-2 м до 5-7 см). Аэрофотосъемка используется для получения высоко детальных материалов для решения задач земельного кадастра применительно к арендуемым участкам добычи полезных ископаемых, учета и управления имуществом. Кроме того, использование аэрофотосъемки на сегодняшний день представляется оптимальным вариантом получения данных для создания ГИС на линейно-протяженные объекты (нефте-, газопроводы и т.д.) за счет возможности применения «коридорной» съемки. Характеристики получаемых снимков (и АФС, и КС), т.е. возможность обнаружить и измерить то или иное явление, объект или процесс зависят от характеристик сенсоров соответственно. Главной характеристикой является разрешающая способность. Системы ДЗЗ характеризуются несколькими видами разрешений: пространственным, спектральным, радиометрическим и временным. Под термином «разрешение» обычно подразумевается пространственное разрешение. Пространственное разрешение (рисунок 1) характеризует размер наименьших объектов, различимых на изображении. В зависимости от решаемых задач, могут использоваться данные низкого (более 100 м), среднего (м) и высокого (менее 10 м) разрешений. Снимки низкого пространственного разрешения являются обзорными и позволяют одномоментно охватывать значительные территории вплоть до целого полушария. Такие данные используются чаще всего в метеорологии, при мониторинге лесных пожаров и других масштабных природных бедствий. Снимки среднего пространственного разрешения на сегодня основной источник данных для мониторинга природной среды. Спутники со съемочной аппаратурой, работающей в этом диапазоне пространственных разрешений, запускались и запускаются многими странами Россией, США, Францией и др., что обеспечивает постоянство и непрерывность наблюдения. Съемка вы- 2

3 сокого разрешения из космоса до недавнего времени велась почти исключительно в интересах военной разведки, а с воздуха с целью топографического картографирования. Однако сегодня уже есть несколько коммерчески доступных космических сенсоров высокого разрешения (КВР- 1000, IRS, IKONOS), позволяющих проводить пространственный анализ с большей точностью или уточнять результаты анализа при среднем или низком разрешении. Рисунок 1. Примеры аэрофотоснимков различного пространственного разрешения: 0,6 м (вверху), 2 и 6 м (внизу) Спектральное разрешение указывает на то, какие участки спектра электромагнитных волн (ЭМВ) регистрируются сенсором. При анализе природной среды, например, для экологического мониторинга, этот параметр наиболее важный. Условно весь диапазон длин волн, используемых в ДЗЗ, можно поделить на три участка радиоволны, тепловое излучение (ИК-излучение) и видимый свет. Такое деление обусловлено различием взаимодействия электромагнитных волн и земной поверхности, различием в процессах, определяющих отражение и излучение ЭМВ. Наиболее часто используемый диапазон ЭМВ видимый свет и примыкающее к нему коротковолновое ИК-излучение. В этом диапазоне отражаемая солнечная радиация несет в себе информацию, главным образом, о химическом составе поверхности. Подобно тому, как человеческий глаз различает вещества по цвету, сенсор дистанционного зондирования фиксирует «цвет» в более широком понимании этого слова. В то время как человеческий глаз регистрирует лишь три участка (зоны) электромагнитного спектра, современные сенсоры способны различать десятки и сотни таких зон, что позволяет надежно выявлять объекты и явления по их заранее известным спектрограммам. Для многих практических задач такая детальность нужна не всегда. Если интересующие объекты известны заранее, можно выбрать небольшое число спектральных зон, в которых они будут наиболее заметны. Так, например, ближний ИК-диапазон очень эффективен в оценке состояния растительности, определении степени ее угнетения. Для большинства приложений достаточный объем информации дает многозональная съемка со спутников LANDSAT (США), SPOT (Франция), Ресурс-О (Россия). Для успешного проведения съемки в этом диапазоне длин волн необходимы солнечный свет и ясная погода. Обычно оптическая съемка ведется либо сразу во всем видимом диапазоне (панхроматическая), либо в нескольких более узких зонах спектра (многозональная). При прочих равных 3

4 условиях, панхроматические снимки обладают более высоким пространственным разрешением. Они наиболее пригодны для топографических задач и для уточнения границ объектов, выделяемых на многозональных снимках меньшего пространственного разрешения. Тепловое ИК-излучение (рисунок 2) несет информацию, в основном, о температуре поверхности. Помимо прямого определения температурных режимов видимых объектов и явлений (как природных, так и искусственных), тепловые снимки позволяют косвенно выявлять то, что скрыто под землей подземные реки, трубопроводы и т.п. Поскольку тепловое излучение создается самими объектами, для получения снимков не требуется солнечный свет (он даже, скорее, мешает). Такие снимки позволяют отслеживать динамику лесных пожаров, нефтяные и газовые факелы, процессы подземной эрозии. Следует отметить, что получение космических тепловых снимков высокого пространственного разрешения технически затруднительно, поэтому сегодня доступны снимки с разрешением около 100 м. Много полезной информации дает также тепловая съемка с самолетов. Рисунок 2. Аэроснимок нефтебазы в диапазоне видимого света (слева) и ночной тепловой снимок в ИК-диапазоне той же территории (справа) Сантиметровый диапазон радиоволн используется для радарной съемки. Важнейшее преимущество снимков этого класса в их всепогодности. Поскольку радар регистрирует собственное, отраженное земной поверхностью, излучение, для его работы не требуется солнечный свет. Кроме того, радиоволны этого диапазона свободно проходят через сплошную облачность и даже способны проникать на некоторую глубину в почву. Отражение сантиметровых радиоволн от поверхности определяется ее текстурой («шероховатостью») и наличием на ней всевозможных пленок. Так, например, радары способны фиксировать наличие нефтяной пленки толщиной 50 мкм (рисунок 3) и более на поверхности водоемов даже при значительном волнении. В принципе, радарная съемка с самолетов способна обнаруживать подземные объекты, например, трубопроводы и утечки из них. Рисунок 3. Радарный снимок нефтяного пятна на поверхности воды 4

5 Радиометрическое разрешение определяет диапазон различимых на снимке яркостей. Большинство сенсоров обладают радиометрическим разрешением 6 или 8 бит, что наиболее близко к мгновенному динамическому диапазону зрения человека. Но есть сенсоры и с более высоким радиометрическим разрешением (10 бит для AVHRR и 11 бит для IKONOS), позволяющим различать больше деталей на очень ярких или очень темных областях снимка. Это важно в случаях съемки объектов, находящихся в тени, а также когда на снимке одновременно находятся большие водные поверхности и суша. Кроме того, такие сенсоры, как AVHRR имеют радиометрическую калибровку, что позволяет проводить точные количественные измерения. Наконец, временное разрешение определяет, с какой периодичностью один и тот же сенсор может снимать некоторый участок земной поверхности. Этот параметр весьма важен для мониторинга чрезвычайных ситуаций и других быстро развивающихся явлений. Большинство спутников (точнее, их семейств) обеспечивают повторную съемку через несколько дней, некоторые через несколько часов. В критических случаях для ежедневного наблюдения могут использоваться снимки с различных спутников, однако, нужно иметь в виду, что заказ и доставка сами по себе могут потребовать немалого времени. Одним из вариантов решения является приобретение приемной станции, позволяющей принимать данные непосредственно со спутника. Это удобное решение для ведения постоянного мониторинга используется некоторыми организациями на территории России, обладающими приемными станциями данных со спутников Ресурс-О. Для отслеживания изменений на какой-либо территории важна также возможность получения архивных (ретроспективных) снимков. В таблице 1 приведены краткие характеристики основных типов космических аппаратов дистанционного зондирования Земли коммерческого использования, применение которых возможно для решения задач по созданию и обновлению ГИС предприятий нефтегазового комплекса. Таблица 1 Краткие характеристики космических аппаратов для получения данных дистанционного зондирования Земли коммерческого использования Название КА Разрешение Разрешение многозональное Размер кадра Страна панхроматическое QuickBird 2 0,61 м 2,44 м 16 х 16 км США Iconos 2 1 м 4 м 11 х 11 км США EROS A1 1,8 м - 12,5 х 12,5 км США КВР м - 40 х 40 км Россия Spot 5 5 м(2,5 м) 10 м 60 х 60 км Франция ТК м х 300 км Россия Landsat 7 15 м 30 м 170 х 185 км США Кроме того, ДЗЗ могут классифицироваться по различными видам разрешения и охвата, по типу носителя данных (фотографические и цифровые), по принципу работы сенсора (фотоэффект, пироэффект и др.), по способу формирования (развертки) изображения, по специальным возможностям (стереорежим, сложная геометрия съемки), по типу орбиты, с которой производится съемка, и т.д. Для приема и обработки данных ДЗЗ с космических аппаратов используются наземные комплексы приема и обработки данных (НКПОД). В состав базовой конфигурации НКПОД входят (рисунок 4): антенный комплекс; приемный комплекс; комплекс синхронизации, регистрации и структурного восстановления; программный комплекс. 5

6 Рисунок 4. Состав наземного комплекса приема и обработки данных НКПОД обеспечивает: формирование заявок на планирование съемки земной поверхности и приема данных; распаковку информации с сортировкой по маршрутам и выделением массивов видеоинформации и служебной информации; восстановление строчно-линейной структуры видеоинформации, декодирование, радиометрическую коррекцию, фильтрацию, преобразование динамического диапазона, формирование обзорного изображения и выполнение других операций цифровой первичной обработки; анализ качества полученных изображений с использованием экспертных и программных методов; каталогизацию и архивацию информации; геометрическую коррекцию и геопривязку изображений с использованием данных о параметрах углового и линейного движения космических аппаратов и/или опорных точек на местности; лицензионный доступ к данным, получаемых со многих зарубежных спутников ДЗЗ. Аппаратная составляющая НКПОД работает в тесной взаимосвязи с программным комплексом. Программное обеспечение для управления антенным и приемным комплексом выполняет следующие основные функции: автоматическую проверку функционирования аппаратной части НКПОД; расчет расписания сеансов связи, т. е. прохождения спутника через зону видимости НКПОД; автоматическую активизацию НКПОД и прием данных в соответствии с расписанием; расчет траектории спутника и управление антенным комплексом для сопровождения спутника; форматирование принимаемого информационного потока и запись его на жесткий диск; индикацию текущего состояния системы и информационного потока; автоматическое ведение журналов работы. Программное обеспечение дает возможность управления НКПОД с удаленного терминала через локальную сеть или сеть Интернет. 6

7 В состав программного обеспечения НКПОД, как правило, входят средства для ведения электронного каталога изображений и архивации. Поиск изображений в каталоге выполняется по следующим основным признакам: наименование спутника, тип съемочной аппаратуры и режим ее работы, дата и время съемки, территория (географические координаты). Дополнительно может устанавливаться программное обеспечение для визуализации, фотограмметрической и тематической обработки данных ДЗЗ, такое как: INPHO (компания INPHO, Германия) полнофункциональная фотограмметрическая система; ENVI (корпорация ITT Visual Information Solutions, США) программный комплекс для обработки данных ДЗЗ и их интеграции с данными ГИС; ArcGIS (компании ESRI, США) программное решение для построения корпоративных, отраслевых, региональных, государственных ГИС. Для обеспечения максимального радиуса обзора антенный комплекс должен устанавливаться так, чтобы горизонт был открыт от углов места 2 и выше в любом азимутальном направлении. Для качественного приема существенным является отсутствие радиопомех в диапазоне от 8,0 до 8,4 ГГц (передающие устройства радиорелейных, тропосферных и других линий связи). Следует также отметить, что по оценкам экспертов, в ближайшем будущем данные дистанционного зондирования станут основным источником информации для ГИС, в то время как традиционные карты будут использоваться только на начальном этапе в качестве источника статичной информации (рельеф, гидрография, основные дороги, населенные пункты, административное деление). В настоящее время в нефтегазовой отрасли наблюдается бурный всплеск применения спутниковых навигационных систем, предназначенных для определения параметров пространственного положения объектов. Сегодня применяются две системы второго поколения американская GPS (Global Positioning System), имеющая также название NAVSTAR, и российская ГЛОНАСС (Глобальная навигационная спутниковая система). Устройство и применение спутниковых систем глобального позиционирования в нефтегазовой отрасли Основные направления применения спутниковых систем глобального позиционирования при геоинформационном обеспечении предприятий нефтегазового сектора следующие: развитие опорных геодезических сетей всех уровней от глобальных до съемочных, а также проведение нивелирных работ в целях геодезического обеспечения деятельности предприятий; обеспечение добычи полезных ископаемых (открытая разработка, буровые работы и др.); геодезическое обеспечение строительства, прокладки трубопроводов, кабелей, путепроводов, ЛЭП и др. инженерно-прикладных работ; землеустроительные работы; спасательно-предупредительные работы (геодезическое обеспечение при бедствиях и катастрофах); экологические исследования: координатная привязка разливов нефти, оценка площадей нефтяных пятен и определение направления их движения; съемка и картографирование всех видов топографическая, специальная, тематическая; интеграция с ГИС; применение в диспетчерских службах; навигация всех видов воздушная, морская, сухопутная. Данные систем глобального спутникового позиционирования (СГСП) применяются в различных (мониторинговые, изыскательские, исследовательские и т.п.) системах, где требуется 7

8 жесткая пространственно-временная привязка результатов измерений. Основными достоинствами СГСП являются: глобальность, оперативность, всепогодность, точность, эффективность. О тенденциях развития этих систем можно судить по объему продаж спутниковых приемников GPS/ГЛОНАСС, который удваивается через каждые 2-3 года. Обе системы имеют двойное назначение военное и гражданское, поэтому излучают два вида сигналов: один с пониженной точностью определения координат (~100 м) L1 для гражданского применения и другой высокой точности (~10-15 м и точнее) L2 для военного применения. Для ограничения доступа к точной навигационной информации вводят специальные помехи, которые могут быть учтены после получения ключей от соответствующего военного ведомства (США для NAVSTAR и России для ГЛОНАСС). Для NAVSTAR L1=1575,42 МГц и L2=1227,6 МГц. В ГЛОНАСС используется частотное разделение сигналов, т. е. каждый спутник работает на своей частоте и, соответственно, L1 находится в пределах от 1602,56 до 1615,5 МГц и L2 от 1246,43 до 1256,53 МГц. Сигнал в L1 доступен всем пользователям, сигнал в L2 только военным (то есть, не может быть расшифрован без специального секретного ключа). В настоящее время эти помехи отменены, и точный сигнал доступен гражданским приемникам, однако в случае соответствующего решения государственных органов стран-владельцев военный код может быть снова заблокирован (в системе NAVSTAR это ограничение было отменено только в мае 2000 года и в любой момент может быть восстановлено). В составе систем глобального спутникового позиционирования можно выделить три компонента: наземную систему контроля и управления; системы космических аппаратов; аппаратуру пользователей. Система контроля и управления состоит из станций слежения за спутниками, службы точного времени, главной станции с вычислительным центром и станций загрузки данных на борт космических аппаратов. Спутники проходят над контрольными пунктами дважды в сутки. Собранная информация об орбитах обрабатывается и прогнозируются координаты спутников (эфемериды). По этим данным составляется альманах. Эти и другие данные с наземных станций загружаются на борт каждого спутника. Принцип работы спутниковых систем навигации основан на измерении расстояния от антенны на объекте (координаты которого необходимо получить) до спутников, положение которых известно с большой точностью. Таблица положений всех спутников называется альманахом, которым должен располагать любой спутниковый приемник до начала измерений. Обычно приемник сохраняет альманах в памяти со времени последнего выключения и если он не устарел мгновенно использует его. Каждый спутник передает в своем сигнале весь альманах. Таким образом, зная расстояния до нескольких спутников системы, с помощью обычных геометрических построений, на основе альманаха, можно вычислить положение объекта в пространстве, поскольку в системе глобального спутникового позиционирования каждый спутник выполняет роль отдельного геодезического опорного пункта с известными координатами в текущий момент времени. Координаты измеряемого объекта, на котором находится навигационный приемник, определяются методом линейных засечек. Измеренные параметры определяют поверхности положения, в точке пересечения которых находится искомый объект. Метод измерения расстояния от спутника до антенны приемника основан на определенности скорости распространения радиоволн. Для осуществления возможности измерения времени распространяемого радиосигнала каждый спутник навигационной системы излучает сигналы точного времени, в составе своего сигнала, используя точно синхронизированные с системным временем атомные часы. При работе спутникового приемника его часы синхронизируются с системным временем, и при дальнейшем приеме сигналов вычисляется задержка между временем излучения, содержащимся в самом сигнале, и временем приема сигнала. Располагая этой информацией, навигационный приемник вычисляет координаты антенны. Дополнительно накапливая и обрабатывая эти данные за определенный промежуток времени, становится возможным вычислить такие параметры движения, как скорость (текущую, максимальную, среднюю), пройденный 8

9 путь и т. д. Измерения производятся в так называемом беззапросном режиме, когда передатчик на спутнике работает непрерывно, а навигационный приемник включается по мере надобности. Произведем рассмотрение состава системы космических аппаратов. Спутники NAVSTAR располагаются в шести плоскостях на высоте примерно км. Спутники ГЛОНАСС (шифр «Ураган») находятся в трех плоскостях на высоте примерно км. Номинальное количество спутников в обеих системах 24. Группировка NAVSTAR полностью укомплектована в апреле 1994-го и с тех пор поддерживается, группировка ГЛОНАСС была полностью развернута в декабре 1995-го, но затем значительно деградировала и лишь в сентябре 2010 была укомплектована до штатного количества 24 (а также два резервных спутника). На рисунке 5 представлены навигационные спутники Navstar-2 и Глонасс-М. Рисунок 5. Спутники навигационных систем GPS (слева) и ГЛОНАСС (справа) 24 спутника обеспечивают 100 % работоспособность системы в любой точке земного шара, но не всегда могут обеспечить уверенный прием и хороший расчет позиции. Поэтому, для увеличения точности позиционирования и резерва на случай сбоев, общее число спутников на орбите поддерживается в большем количестве. Для GPS это количество равно 30 (6 резервных), а для ГЛОНАСС 26 (2 резервных). Также невысокое наклонение орбит спутников (примерно 55 для GPS и 64,8 для ГЛОНАСС) серьезно ухудшает точность в приполярных районах Земли, так как спутники невысоко поднимаются над горизонтом. Обе системы используют сигналы на основе т. н. «псевдошумовых последовательностей», применение которых придает им высокую помехозащищенность и надежность при невысокой мощности излучения передатчиков. Каждый спутник системы, помимо основной информации, передает также вспомогательную, необходимую для непрерывной работы приемного оборудования. В эту категорию входит полный альманах всей спутниковой группировки, передаваемый последовательно в течение нескольких минут. Таким образом, старт приемного устройства может быть достаточно быстрым, если он содержит актуальный альманах (порядка одной минуты), т.е. был выключен менее 3-4 часов это называется «теплый старт» (приемник получает только эфемериды спутников), но может занять и до 30-ти минут, если приемник вынужден получать полный альманах т. н. «холодный старт». Необходимость в «холодном старте» возникает обычно при первом включении приемника, либо если он долго не использовался (более 70 часов) или был перемещен на значительное расстояние. Существует также «горячий старт» (приемник выключен менее 30 минут), когда работа приемника начинается немедленно с небольшой ошибкой, корректируемой в процессе измерения координат. Общим недостатком использования любой радионавигационной системы является то, что при определенных условиях сигнал может не доходить до приемника, или приходить со значительными искажениями или задержками. Например, практически невозможно определить свое точное местонахождение в глубине внутри железобетонного здания, в подвале или в тоннеле. Так как рабочая частота GPS лежит в дециметровом диапазоне радиоволн, уровень приема сигнала от спутников может серьезно ухудшиться под плотной листвой деревьев или из-за очень большой 9

10 облачности. Нормальному приему сигналов GPS могут повредить помехи от многих наземных радиоисточников, а также от магнитных бурь. Для искусственного подавления сигналов спутниковых навигационных систем используются передатчики активных помех. Впервые широкой общественности передатчики разработки российской компании «Авиаконверсия» были представлены в 1997 году на авиасалоне МАКС Точность определения координат может варьироваться в широких пределах от нескольких десятков метров до десятков сантиметров и зависит от способов измерений, которые делятся на: абсолютные способы определения геоцентрических координат (автономные, дифференциальные); относительные способы определения пространственных векторов базовых линий (статические, кинематические). Наибольшую точность обеспечивают дифференциальные и относительные статические способы. В их основе лежит способ измерения координат с двух станций находящихся друг от друга на относительно небольшом удалении (до 30 км). При этом считается, что на таких расстояниях измерения с двух станций до спутников искажены одинаково. Подобные методы измерений позволяют проводить профессиональные геодезические навигационные приемники таких фирм как: Leica (Швейцария), Ashtech (США), Trimble (США) и некоторые другие. В дифференциальном способе в приемниках должна быть предусмотрена возможность реализации дифференциального режима. Сущность данного метода заключается в следующем. Один приемник ставится на пункте с заранее известными координатами (например, опорном пункте геодезической сети). При этом его называют базовой референц-станцией или контрольнокорректирующей. Другой преемник, подвижный, размещается на определяемой точке. Поскольку координаты базовой станции известны, то их можно использовать для сравнения с вновь определяемыми и находить на этой основе поправки для подвижной станции, которые передаются на подвижную станцию по радиоканалу посредством специального передатчика. Мобильная станция, получив дифференциальные поправки, корректирует свои измеренные координаты, тем самым повышая точность измерения. Наиболее ощутимые выгоды от внедрения идеи исключения погрешностей достигнуты в способах относительных статических измерений. Как и в дифференциальном режиме, аппаратуру устанавливают на двух станциях, например А и В. В статике по разностям, свободным от многих искажений, вычисляют соединяющий эти станции пространственный вектор D: D = (X B X A, Y B Y A, Z B Z A). Базовая станция должна иметь точные координаты, чтобы по измеренным приращениям можно было вычислить координаты остальных пунктов геодезической сети с требуемой точностью. Благодаря измерению приращений координат и применению фазового метода погрешности в результатах определения координат пунктов сведены к нескольким десяткам сантиметров. Эти способы являются основными в геодинамических и важнейших геодезических работах. Существуют целые сети, вырабатывающие дифференциальные поправки для навигационных приборов по вышеописанным принципам. О них рассказывается далее. Использование тех или иных видов навигационных приемников и методов измерений зависит от требований к точности определения координат опорных точек. Нет никакого смысла использовать дорогие геодезические приемники и продолжительные по времени методы измерений для получения координат опорной точки в целях привязки, например, снимков КА Landsat с разрешением 15 (30) м. В этом случае достаточно использовать простейшие недорогие навигационные приемники, обеспечивающие приемлемую точность в 5-20 м. Важно подчеркнуть, что точность всех навигационных приемников зависит не только от длительности проведения отдельных измерений и метода измерений, но и от числа видимых спутников над горизонтом, а также характера и открытости местности (равнина или застроенная территория), влияющего на переотражение сигнала. Точность системы ГЛОНАСС в настоящее время несколько ниже, чем GPS, 4,46-8,38 м при использовании в среднем 7-8 космических аппаратов (в зависимости от точки приема). В то 10

11 же время ошибки GPS составляют 2,00-8,76 м при использовании в среднем 6-11 космических аппаратов (в зависимости от точки приема). При совместном использовании обеих навигационных систем ошибки составляют 2,37-4,65 м при использовании в среднем космических аппаратов (в зависимости от точки приема). Согласно заявлениям главы Роскосмоса Анатолия Перминова, принимаются меры по увеличению точности. К концу 2010 году повысится точность расчета эфемерид и ухода бортовых часов, что приведет к увеличению точности навигационных определений до 5,5 метров. Сделано это будет за счет модернизации наземного сегмента на 7 пунктах наземного комплекса управления устанавливается новая измерительная система с высокими точностными характеристиками. В 2011 году количество спутников в группировке планируется увеличить до 30. Параллельно с этим будет идти замена спутников Глонасс-М на более совершенные Глонасс-К (поддерживают новые CDMA сигналы в формате GPS/Galileo/Compass, которые значительно облегчат разработку мультисистемных навигационных приборов) и Глонасс-К2 (транслирует сигналы с кодовым разделением: два сигнала в диапазонах частот L1 и L2 и открытый сигнал в диапазоне L3), что повысит точность до 2,8 м. Для увеличения точности навигации используют системы, которые посылают уточняющую информацию («дифференциальную поправку к координатам» DGPS, теоретические аспекты формирования которой были рассмотрены выше), позволяющую повысить точность измерения координат приемника до нескольких метров и даже до нескольких десятков сантиметров при использовании сложных дифференциальных режимов. Дифференциальная поправка основана на геостационарных спутниках и наземных базовых станциях. Каждая из станций оборудована GPS аппаратурой и специальным программным обеспечением, предназначенным для приема GPS сигналов, анализа полученных измерений, вычисления ошибок ионосферы, отклонений траекторий и часов спутников. Эти данные передаются на центральную станцию управления (Master Station WMS), где повторно обрабатываются и анализируются с учетом измерений, полученных со всех базовых станций сети. Затем корректирующая информация передается на геостационарные спутники и уже оттуда ретранслируются пользователям. Сигнал от геостационарным спутников принимается аналогично сигналу от спутников навигационной системы по одному или нескольким каналам. DGPS может быть платной (расшифровка сигнала возможна только одним определенным приемником после оплаты «подписки на услугу») или бесплатной. В настоящее время существуют бесплатные американская система WAAS, европейская система EGNOS, японская система MSAS основанные на нескольких передающих коррекции геостационарных спутниках, позволяющих получить высокую точность (до 30 см). В России лишь в Калининградской области возможно полнофункционально использовать сигналы от системы EGNOS. На остальной территории прием дифференциальной поправки невозможен. Ключевым вопросом в организации спутниковой навигации является выбор устройств для приема сигнала, т.е. аппаратуры пользователя. Потребителям предлагаются различные устройства и программные продукты, позволяющие видеть свое местонахождение на электронной карте; имеющие возможность прокладывать маршруты с учетом рельефа местности; искать на карте конкретные объекты по координатам или адресу и т.д. При этом навигационный приемник может быть выполнен как отдельное устройство, или же навигационный чип встраивается в другое оборудование, например, мобильный телефоны, смартфон, КПК или онбордер (бортовой компьютеры). На рисунке 6 приведены примеры навигаторов: вверху без поддержки карт (слева собственно GPS-навигатор Magellan Blazer 12 в удароустойчивом влагозащищенном корпусе, справа навигация с помощью сотового телефона (iphone), закрепленного на руле велосипеда), внизу автонавигатор Glospace с поддержкой карт. Сравнивая оборудование для GPS и ГЛОНАСС можно сказать, что все приемники ГЛО- НАСС позволяют работать и с GPS, но не наоборот. Возможен одновременный прием сигналов обеих навигационных систем, дающий более точные координаты. Комбинированная ГЛО- НАСС/GPS аппаратура профессионального уровня изготавливается многими производителями, в том числе зарубежными фирмами Topcon, Javad, Trimble, Septentrio, Ashtech, NovAtel, SkyWave Mobile Communications. Основной причиной, по которой ГЛОНАСС не используется в чистом виде, является отсутствие качественных цифровых карт, а также громоздкость и слишком высокое энергопотребление самих приемников (по этим причинам чипы ГЛОНАСС не встраиваются в 11

12 мобильное оборудование). Однако идет постепенное уменьшение этих параметров и на данный момент существуют полнофункциональные чипы с поддержкой систем ГЛОНАСС/GPS, а также GALILEO/COMPASS. Рисунок 6. Навигаторы В нефтегазовой отрасли широкое распространение получили GPS-трекеры и GPSлоггеры, которые ведут запись и передачу координат на серверный центр и используются для спутникового мониторинга автомобилей, людей, активов и т.д. Эти данные используются диспетчерскими службами для организации эффективного управления транспортом и персоналом. GPS-трекер фиксирует данные о местоположении и с регулярными интервалами передает их посредством радиосвязи, GPRS- или GSM-соединения, спутникового модема на серверный центр мониторинга или просто компьютер со специальным программным обеспечением через USB, RS-232, PS/2. Пользователь трекера, либо диспетчер ведущий мониторинг за объектом, может подключиться к серверу системы, используя программу-клиент либо web-интерфейс под своим логином и паролем. Система отображает местонахождение объекта и историю его перемещения трек на карте (рисунок 7). Передвижения трекера можно анализировать либо в режиме реального времени, либо позже. Собственных дисплеев GPS-трекеры не имеют и за счет этого дешевле своих собратьев навигаторов. Для мониторинга персонала используются персональные трекеры (малого размера), а для мониторинга транспорта автомобильные. Автотрекеры позволяют подключать различные датчики (уровня топлива, нагрузки на ось и т.д.) и сами подключены к бортовой сети. Для автомобильных трекеров предусмотрено также подключение внешней антенны. 12

13 Рисунок 7. Трек GPS-логгеры не только не имеют дисплея, но и не содержат модулей передачи данных (GSM-модулей), поэтому не пригодны для мониторинга в реальном времени. Информация логгера записывается во время движения во встроенную память и становится доступной после подключения к компьютеру для ее анализа. В тех случаях, когда необходимо предоставить дополнительные возможности помимо простого занесения координаты в память приемника, используются собственно навигаторы (почти всегда, GPS-навигаторы). Они обладают широким кругом возможностей, обзор которых выходит за рамки нашего изложения. Основными из них для нефтегазовой отрасли является возможность отображения карт различного профиля, прокладка маршрутов на местности, поиск и определение координат объектов и т.д. Например, данные возможности использовали специалисты BG Transco компании, занимающейся обслуживанием более км подземных газопроводов, для определения местоположения сооружений, попадающих в потенциально опасную область вблизи газопровода в случае критических ситуаций. Для этого использовали панхроматическое спутниковое изображение с разрешением на местности 1 м для анализа буферных зон в областях с высокой плотностью населения. Изображение было привязано по опорным точкам, полученным с помощью GPSприемника. На изображение была наложена аналитическим методом (по координатам) трасса газопровода и в результате пространственного анализа была вычислена 200-метровая буферная зона потенциального риска и все объекты, находящиеся в ней. Другим примером является постройка магистрального нефтепровода протяженностью 450 км в Ненецком Автономном округе РАО «Роснефтегазстрой». В качестве главного источника информации были использованы снимки космического аппарата Landsat, позволившие получить наиболее достоверную и оперативную информацию о местности в районе предполагаемой прокладки нефтепровода. На основе цифровой модели рельефа были созданы цифровые модели территории планируемого объекта, выполнены расчеты углов поворота, величины и направления уклонов по трассе нефтепровода. Профессиональные GPS-навигаторы отличается качеством изготовления компонентов (особенно антенн), используемым программным обеспечением (ПО), поддерживаемыми режимами работы (например RTK, binary data output), рабочими частотами (L1 + L2), алгоритмами подавления интерференционных зависимостей, солнечной активности (влияние ионосферы), поддерживаемыми системами навигации (например, NAVSTAR GPS, ГЛОНАСС, Galileo, Beidou), увеличенным запасом электропитания и разумеется, ценой. Необходимо отметить, что в настоящее время наметилась тенденция к тесной интеграции GPS-технологий и методов получения и обработки данных дистанционного зондирования Земли, проявляющейся в основном в области аэрофотосъемки. Уже достаточно длительное время при съемочных работах используют аэрофотокамеры некоторых производителей, интегрированные с GPS-приемниками (рисунок 8), которые при фотосъемке местности фиксируют пространственные трехмерные координаты центра проекции каждого кадра. Использование данной технологии 13

14 по оценке специалистов позволяет сократить в раз число опорных точек, требуемых для фотограмметрической обработки материалов облета, что существенно повышает производительность работ и снижает суммарную стоимость затрат на получение исходных данных. Рисунок 8. Аэрофотокомплекс, интегрированный с GPS-приемником Таким образом, при создании ГИС применяют комбинированные источники информации: сочетание методов дистанционного зондирования Земли космическими аппаратами различной детальности, данные GPS-измерений, лазерная и стереосъемка, данные с топокарт и т.п. Все зависит только от требований, предъявляемых к системе. Можно утверждать, что комбинация информации, получаемой с помощью различных средств дистанционного зондирования Земли и данных GPS-измерений, позволит получить полную и исчерпывающую информацию о любом объекте наиболее оперативно и достоверно, а также полностью обеспечит все потребности для информационного обеспечения любого проекта, любой системы, любого предприятия. Устойчивый рост применения геоинформационных технологий на предприятиях нефтегазового комплекса, наметившийся в последнее время, обусловлен не только развитием возможностей самих ГИС, но и тесной интеграцией данных информационных систем с GPSтехнологиями и технологиями получения и обработки данных дистанционного зондирования Земли. 14

ГИС И GPS В НЕФТЕГАЗОВОЙ ОТРАСЛИ Еременко.Д.И. Нижневартовский нефтяной техникум (филиал) ФГБОУ ВОЮГУ Югорский государственный университет Нижневартовск, России GIS and GPS IN OIL AND GAS INDUSTRY Eremenko.D.I.

Аэрокосмические (дистанционные) методы в лесном хозяйстве Лекции 1-2 Вуколова И.А., к.с.-х.н., доцент кафедры лесоустройства и охраны леса МГУЛ Дистанционное зондирование (ДЗЗ) - процесс, посредством которого

Спутниковые навигационные системы ГЛОНАСС, GPS, Galileo С давних времён путешественники задавались вопросом: как определить своё местоположение на Земле? Древние мореплаватели ориентировались по звёздам,

Что такое GPS? Спутниковая навигационная система GPS (Global Positioning System) или Глобальная система позиционирования местоопределения. Система GPS официальное название NAVSTAR (Navigation System of

Доклад на заседании секции 3 НТС ФГУП ЦНИИмаш по вопросу «Общий замысел геодезических направлений исследований в рамках НИР «Развитие» от 28 мая 2013 года Роль и место в исследованиях по проблемным вопросам

ГЛОБАЛЬНЫЕ НАВИГАЦИОННЫЕ СПУТНИКОВЫЕ СИСТЕМЫ, ПРИМЕНЕНИЕ В ГЕОДЕЗИИ Захарчев С.В., Андреева Н В. БГТУ имени В.Г. Шухова Белгород, Россия GLOBAL NAVIGATION SATELLITE SYSTEMS, APPLICATIONS IN GEODESY Zakharchev

Позиционирование определение с помощью спутниковых систем местонахождения наблюдателя или объекта в трехмерном земном пространстве. Достоинства спутниковых систем позиционирования: глобальность оперативность

Фролова Елена Андреевна Frolova Elena Andreevna АНАЛИЗ ТЕХНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ГЛОБАЛЬНЫХ СПУТНИКОВЫХ СИСТЕМ ГЛОНАСС И GPS. ANALYSIS OF TECHNICAL PROPERTIES OF GLOBAL SATELLITE SYSTEMS OF GLONASS AND GPS.

ФГУП «РНИИ КП» Альманах результатов мониторинга целостности взаимодополняющих систем ГЛОНАСС/GPS за период с 08.11.2007 03:00:00 по с 08.11.2007 06:00:00 1. Введение Данный материал представляет результаты

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» КАФЕДРА КАДАСТРА НЕДВИЖИМОСТИ,

РАЗВИТИЕ АЭРОКОСМИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ДЛЯ МОНИТОРИНГА ИНФРАСТРУКТУРЫ НЕФТЕГАЗОВОЙ ОТРАСЛИ Генеральный конструктор Н.Н. Севастьянов КОНФЕРЕНЦИЯ «КОСМИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ МОНИТОРИНГА И ТЕХНОЛОГИИ ПРИМЕНЕНИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ

GPS: принципы работы, классификация устройств За последние годы функция GPS превратилась из непонятной рядовому пользователю аббревиатуры в прекрасно знакомую, ежедневно облегчающую жизнь тысячам пользователей

Схема взаимосвязей средств дистанционного зондирования Государственный мониторинг земель дистанционными методами Дистанционные методы наземный Воздушный (Аэро-) космический Виды первичной информации Фотограмметрические

УДК 621.391.26 К.М. Другов, Л.А. Подколзина СИСТЕМЫ НАВИГАЦИИ НАЗЕМНЫХ ПОДВИЖНЫХ ОБЪЕКТОВ Современный технический прогресс в области информационных технологий существенно расширяет тактико-технические

10 В. А. Добриков, В. А. Авдеев, Д. А. Гаврилов УДК 621.396.96+629.78 В. А. ДОБРИКОВ, В. А. АВДЕЕВ, Д. А. ГАВРИЛОВ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТРАЕКТОРИИ АВИАЦИОННОГО НОСИТЕЛЯ РАДИОЛОКАТОРА С СИНТЕЗИРОВАННОЙ АПЕРТУРОЙ

РАЗРАБОТКА И ПРОГРАММИРОВАНИЕ УСТРОЙСТВА ДЛЯ ПОИСКА И ОБНАРУЖЕНИЯ МЕЛКОЙ БЫТОВОЙ ТЕХНИКИ Капустин Дмитрий Юрьевич Ведение Основной целью работы является упрощение поиска мелких вещей. Все мы периодически

Современные аспекты применения ГИСтехнологий в нефтегазовом секторе Управление геоинформационных систем www.primegroup.ru Предпосылки использования ГИС-технологий в ТЭК Пространственное распределение объектов

Открытое акционерное общество «Научно-исследовательский и производственный центр «Природа» (ОАО «НИиП центр «Природа») ДАННЫЕ ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ЗЕМЛИ В СИСТЕМЕ ГОСУДАРСТВЕННОГО ТОПОГРАФИЧЕСКОГО

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана» (МГТУ им. Н.Э. Баумана) «Интеллектуальные

КОСМИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ЗЕМЛИ (ДЗЗ) ГОСУДАРСТВЕННОГО КОСМИЧЕСКОГО НАУЧНО-ПРОИЗВОДСТВЕННОГО ЦЕНТРА (ГКНПЦ) ИМ. М.В. ХРУНИЧЕВА И.А. Глазкова ГКНПЦ им. М.В. Хруничева. E-mail: [email protected]

«Система контроля навигационного поля КНС ГЛОНАСС/GPS на территории Восточного полушария Земли беззапросными измерительными системами» ДОКЛАДЧИК: Заместитель председателя Красноярского Научного Центра

Дистанционное зондирование Земли при экологогеологических исследованиях 3. Методы и технологии изучения Земли из космоса Содержание 3.1. Технология получения материалов ДЗЗ Схема получения и обработки

Геоинформационные системы Лекция 14 Определение ГИС (географическая информационная система) система сбора, хранения, анализа и графической визуализации пространственных (геогр афических) данных и связанной

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное автономное учреждение высшего профессионального образования "Казанский (Приволжский) федеральный университет" Институт

Тенденции развития геоинформатики в России и в мире Интеграция геопространства Болсуновский Михаил Александрович Первый заместитель генерального директора Компания «Совзонд» * Отрасль 1 2 3 Технологии

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ТЕХНИЧЕСКОМУ РЕГУЛИРОВАНИЮ И МЕТРОЛОГИИ НАЦИОНАЛЬНЫЙ СТАНДАРТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ГОСТ Р 52928-2008 СИСТЕМА СПУТНИКОВАЯ НАВИГАЦИОННАЯ ГЛОБАЛЬНАЯ Термины и определения Москва Стандартинформ

Главная цель системы Снижение расходов на эксплуатацию автотранспорта и повышение эффективности его использования за счет получения достоверной и оперативной информации о его движении Цели внедрения системы

МОБИЛЬНЫЕ СОТРУДНИКИ НАВИГАЦИОННЫЕ ТРАНСПОРТ СЕРВИСЫ ПОЛЕЗНО ЗНАТЬ! ОПТИМИЗИРУЙТЕ РАБОТУ ВАШИХ СОТРУДНИКОВ ЭФФЕКТИВНЫЙ И КОНТРОЛЬ ТРАНСПОРТА РАЗЪЕЗДНЫХ ВНЕ ОФИСА СОТРУДНИКОВ И ТРАНСПОРТА КОМПАНИИ При оснащении

ОЦЕНКА ТОЧНОСТИ ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ С ПРИМЕНЕНИЕМ ОБОРУДОВАНИЯ ГНСС КОМПАНИИ JAVAD GNSS М.О. Любич («УГТ-Холдинг», Екатеринбург) В 2011 г. окончил Уральский федеральный университет им. первого Президента

Классификация по технологии получения изображения Фотографические Сканерные ОМ Видимый и инфракрасный диапазон Сканерные ОЭ Радиолокационные Радиодиапазон Пассивные регистрируют естественное излучение

Классификация технических средств дистанционного зондирования Группы ТС ДЗ съемочная аппаратура, носители съемочной аппаратуры, наземные средства дистанционного зондирования Съемочная аппаратура весь парк

ОБЗОР СОВРЕМЕННЫХ РАДИОЛОКАЦИОННЫХ ДАННЫХ ДЗЗ И МЕТОДИК ИХ ОБРАБОТКИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА SARSCAPE Ю.И. Кантемиров (ООО «Компания Совзонд») [email protected] В докладе приводится

937 Использование сигнатур для повышения точности определения местоположения подвижных объектов в локальных системах позиционирования. Зарецкий С.В. ([email protected]) Московский Физико-технический Институт

Современные технологии позволяют создавать вполне приемлемые по цене навигационные системы для автомобилистов, которые умеют не только отображать на своем экране карту местности и местоположение автомобиля,

Системы глобального позиционирования 1 Цель лекции Понимать как работают основные функции спутниковой навигации Знать как определить положение на карте 2 Принцип измерения транзитного времени сигнала Расстояние

Материалы Международной научно-технической конференции, 3 7 декабря 2012 г. МОСКВА INTERMATIC 2 0 1 2, часть 6 МИРЭА ПОДХОДЫ К ПОСТРОЕНИЮ БОРТОВОЙ РАДИОЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ КОНТРОЛЯ ЦЕЛОСТНОСТИ СПУТНИКОВЫХ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ТЕХНИЧЕСКОМУ РЕГУЛИРОВАНИЮ И МЕТРОЛОГИИ НАЦИОНАЛЬНЫЙ СТАНДАРТ российской ФЕДЕРАЦИИ ГОСТ Р 53607-2009 МЕТОДЫ И ТЕХНОЛОГИИ ВЫПОЛНЕНИЯ ГЕОДЕЗИЧЕСКИХ И ЗЕМЛЕУСТРОИТЕЛЬНЫХ РАБОТ Определение

Предложение по космическому мониторингу смещений земной поверхности и сооружений для решения задач ГОКов 1 Оглавление 1. Общая информация 3 2. Этапы работ по космическому мониторингу смещений....5 3. Ресурсное

Ввод и обработка данных дистанционного зондирования Земли Лектор: к.т.н. Токарева Ольга Сергеевна Лекция 2 Структура системы ДЗЗ Орбитальный сегмент ИСЗ Информационный центр Целевая аппаратура Станция

СПУТНИКОВЫЕ НАВИГАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ GPS и GLONASS Кафедра теоретической механики МФТИ, Институт проблем управления РАН, Javad GNSS Межпредметный семинар МФТИ, 29.10.08 Оглавление GPS и ГЛОНАСС 1 GPS и ГЛОНАСС

Материалы Международной научно-технической конференции, 14 17 ноября 2011 г. МОСКВА INTERMATIC 2 0 1 1, часть 3 МИРЭА ИЗМЕРЕНИЕ ДАЛЬНОСТИ ЦИФРОВОЙ ПОДВИЖНОЙ РАДИОСВЯЗИС ПОМОЩЬЮ ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ НА

Внедрение спутниковых навигационных технологий с использованием системы ГЛОНАСС в интересах социально-экономического развития Архангельской области СПУТНИКОВОЕ ПОЗИЦИОНИРОВАНИЕ ОБЩЕГРАЖДАНСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПРОГРАММЫ TOPOCAD ПРИ РЕАЛИЗАЦИИ ПРОЕКТА МОНИТОРИНГА ДОННЫХ ОТЛОЖЕНИЙ ВОДОХРАНИЛИЩА Галахов В.П., ЗАО «Геостройизыскания» По материалам исследований сотрудников факультета гражданского строительства

Карепин Александр Сергеевич аспирант Самсонова Наталья Вячеславовна канд. экон. наук, заведующая кафедрой ФГБОУ ВПО «Ростовский государственный строительный университет» г. Ростов-на-Дону, Ростовская область

Фаза Кода Измерения и Результаты Базовые принципы и источники ошибок Фактор снижения точности (DOP) DOP - геометрический фактор качества обратной пространственной засечки DOP зависит от взаимного расположения

УДК 528.4+ 528.7+528.8 ПРИМЕНЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ДАННЫХ ДЗЗ ДЛЯ КАРТОГРАФИРОВАНИЯ ОБЪЕКТОВ СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА В.Н. Максимова В статье рассмотрены вопросы, посвященные методу картографирования объектов сельского

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ГЕОДЕЗИИ И КАРТОГРАФИИ (МИИГАИК) Описание основной образовательной программы высшего образования Направление

ВСЕРОССИЙСКАЯ ОЛИМПИАДА ШКОЛЬНИКОВ «ШАГ В БУДУЩЕЕ» «ШАГ В БУДУЩЕЕ, МОСКВА» ИНФРОМАТИКА И СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ Оглавление Введение Измерение высоты Барометрический высотомер Радиотехнический высотомер Выбор

УДК 528.48(076.5) Хмырова Е.Н. (Караганда, КарГТУ), Бесимбаева О.Г. (Караганда, КарГТУ), Игемберлина М.Б. (Караганда, КарГТУ) Координатный метод разбивочных работ с комплексным использованием современных

Картография, топография и дистанционное зондирование: современные тенденции Прасолова Анна Ивановна, доцент Географического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова [email protected] Тульская Надежда

ТЕСТ ТОПОГРАФИЧЕСКИЕ СЪЁМКИ 1. Какими методами осуществляется наземная топографическая съёмка? - тахеометрическим;* - стереотопографическим; - комбинированным. 2. Какой метод является в настоящее время

История разработок Первые результаты работы аппаратуры и ККВО на борту космического аппарата «Метеор-М» 1 АНО «Космос-НТ» Институт космических исследований РАН 2009 Около 30 лет в ИКИ РАН ведутся работы

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ПО ВЫСШЕМУ ОБРАЗОВАНИЮ ПЕРМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ КАФЕРДА СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ Использование систем позиционирования для выполнения

Космическая геодезия и высокоточная гравиметрия в современной геодинамике В.Е.Жаров, А.В.Копаев. В.К.Милюков Основания для работы Федеральная целевая программа «Глобальная навигационная система» Проект

ОГЛАВЛЕНИЕ Предисловие...3 Введение... 4 РАЗДЕЛ I. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ГЕОДЕЗИИ И ГЕОДЕЗИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЯХ Глава 1. Земная поверхность и способы ее изображения... 6 1.1. Форма Земли и определение положения

ГОНЕЦ-Д1М Многофункциональная система персональной спутниковой связи www.gonets.ru МСПСС «Гонец-Д1М» МСПСС «Гонец-Д1М» предназначена для передачи данных и предоставления услуг связи абонентам в любой точке

Международная организация гражданской авиации A37-WP/195 1 РАБОЧИЙ ДОКУМЕНТ ТЕ/109 22/9/10 (Information paper) АССАМБЛЕЯ 37-Я СЕССИЯ ТЕХНИЧЕСКАЯ КОМИССИЯ Пункт 35 повестки дня. Глобальная система организации

Диагностика подводных переходов. Трассопоисковые системы. Трассопоисковые системы представляют собой приборы, предназначенные для дистанционного поиска, обнаружения и измерения пространственного положения