3.2 Космічні системи моніторингу

3.2.1 Високооперативна зйомка високого розрізнення

Для багатьох цілей комплексного моніторингу, тобто для контролю за повенями, утворенням та сходженням лавин і селевих потоків, виверженнями вулканів, землетрусами, аварійним забрудненням морів та внутрішніх вод, зростанням та захворюванням посівів тощо, та для прийняття оптимальних рішень, повязаних з подібними явищами, необхідна високооперативна зйомка, аж до щодобової, до того ж з високим розрізненням порядку 10...20 метрів на місцевості.

Доцільний перехід від природо-ресурсних систем до багатоцільових систем дистанційного зондування та моніторингу поверхні Землі, які б забезпечували як глобальний огляд, так і зйомку окремих ділянок місцевості в необхідний момент та з необхідною частотою, аж до щодобової або ще вище. В такому випадку ділянками, що реєструються, можуть бути:

місто, що постраждало від землетрусу або іншого стихійного лиха;

діючий вулкан;

лісова пожежа;

нафтові плями в морі;

динаміка великої будівлі, греблі або карєру (особливо під час виникнення аварійних ситуацій) тощо.

Характерний розмір подібних “гарячих ділянок” - декілька десятків кілометрів, а реєстрація їх часто необхідна лише протягом декількох діб активного розвитку процесу.

При надирній зйомці смуга огляду оптичних датчиків високого розрізнення дорівнює добутку діаметра елемента на число елементів в строчці до того ж для кращих із існуючих датчиків М=6 000...10 000. Отже, при забезпечується смуга огляду не ширше . В таких умовах відмова від глобальної зйомки дозволяє зменшити швидкість обробки інформації, але не призводить до збільшення оперативності заданої вибіркової зйомки, через що можна реєструвати лише ті ділянки, що знаходяться в межах вузьких смуг огляду з відповідних витків орбіти.

Отже, системи моніторингу мають базуватися на можливості зйомки з нахилом, коли реєстрація заданих ділянок, що розташовані на різній відстані від траси, досягається нахилом осі датчика на різні кути поперек траси. Дякуючи цьому, один супутник може знімати будь-які ділянки через добу, а два супутники - цілодобово.

Під системами моніторингу слід розуміти космічні системи, що призначені для частої, аж до щодобової зйомки численних заданих ділянок земної поверхні розмірами 60...200 км, до того ж, супутники обладнані камерами з розрізненням порядку 10...20 м, які допускають як вертикальну сканерну зйомку так і космічну сканерну зйомку з нахилом.

3.2.2 Система “Спот” та проект ,,Терс”

ШСЗ “Спот-1" був запущений в лютому 1986 р. на майже кругову сонячно-синхронну ізомаршрутну орбіту з нахилом та середньою висотою 832 км, що відповідає числу обертів супутника N=145/26 навколо Землі на добу. Кожний супутник обладнано двома апаратами високого розрізнення HRV, що сканують ідентично. Інформація реєструється в цифровій формі із швидкістю 30 Мбіт/с від кожної камери. Частина її запамятовується для скидання під час польоту в зоні радіо видимості центрів приймання, створених в Росії, Україні, Франції, Швеції, Австралії та Канаді. Решта інформації скидається в реальному часі реєстрації і може прийматись на індивідуальних або колективних пунктах приймання.

Камера апарату HRV є оптичною системою, телеобєктив якої має фокусну відстань f=100 см, діючий отвір 32 см та кут зору 2в=4,13о. Сканування місцевості електронне, засноване на використанні приладів із зарядовим звязком (ПЗЗ). Воно дозволяє відмовитись від скануючого дзеркала, неминучого в оптико-механічному скануючому апараті та від затвору, необхідного в фотокамері, тобто від механічного переміщення частин датчика, а також і відповідного двигуна.

Переваги електронного сканування

Відсутні вібрації датчика (які погіршують якість зображення та перешкоджають реєстрації строк з високою частотою).

Елементи строки реєструються не послідовно, а одночасно, що знімає енергетичне обмеження та дозволяє зменшити миттєве поле зору за умови збереження високого відношення сигналу до шуму.

У фокальній площині камери HRV встановлена лінійка (рядок) ПЗЗ довжиною 78 мм, яка складається з М=6 000 комірок (елементів) розміром 13 мкм кожна.

Передбачено 2 режими роботи HRV:

Панхроматичне знімання в зоні л=0,51...0,73мкм при елементі розрізнення d=10 см з 64 градаціями яскравості (6 біт на точку).

Багатозональна зйомка в зонах л=0,50...0,59 мкм, 0,61...0,68 мкм та 0,79...0,89 мкм при d=20 м та 256 градацій (8 біт на точку).

В обох випадках швидкість переробки інформації для одного скануючого апарата 25 Мбіт/с, а з урахуванням службових даних та необхідної надмірності - 30 Мбіт/с.

Під час точної орієнтації супутника реальні оптичні осі камер розташовані горизонтально, поперек маршруту зйомки, а перед кожними із них встановлено дзеркало, що повертається, і змінює напрямок центрального променя візування на вертикальне дзеркало, або яке відхилене поперек траси руху супутника. Відхилення змінюється дискретно, через 0,6° та забезпечує зйомку з нахилом оптичної осі від ±27° до вертикалі над супутникової точки. При цьому, через сферичність Землі кут вимірюється від нахилу оптичної осі до вертикалі ділянки місцевості, що реєструється в центрі, і він досягає 30,9°.

При максимальному нахиленні оптичної осі розмір ділянки зйомки поперек траси зростає з 60 до 80 мкм, а елемент розрізнення від d=10 або 20 м відповідно до d=13 або 27 м. Камери можуть працювати як спільно, так і при незалежних одне від одного нахилень їхніх дзеркал.

При вертикальній (надирній) зйомці обома скануючими апаратами супутник “Спот” забезпечує глобальний огляд Землі 369 маршрутами за 26 діб. Система “Спот” призначена, насамперед для глобальної зйомки високого розрізнення та для стереофотографічного вимірювання рельєфу по стереопарі, відзнятою з двох різних витків. Однак цю систему можна розглядати і як перший варіант моніторингу.

Перехід від звичайних природо-ресурсних систем до системи моніторингу здійснюється за рахунок суттєвого ускладнення підсистеми звязку з користувачами.

Прототипом системи моніторингу, заснованої на інших принципах, ніж Spot (“Спот”), слід вважати проект Ters (“Терс”) (Tropisch Erdressourse Satellite), який був запропонований спільно Нідерландами та Індонезією. Проект призначений для зйомки заданих ділянок ландшафтів, які розташовані в широтному поясі , декілька разів протягом доби. Для супутника “Терс” обрано екваторіальну () кругову орбіту з Н=1680 км, що відповідає N=12,0.

При цьому супутник рухається вздовж екватора на схід відносно Землі, що обертається, здійснюється за добу рівно на один оберт менше, тобто відносно місцевості Nґ=11,0. Відповідно супутник пролітає над ідентичними точками екватору через кожні

Оптична вісь скануючого приладу супутника ,,Терс” відхиляється дзеркалом, що повертається поперек траси на заданий кут -33,5є?б?+33,5°, що відповідає куту ?44,3є та віртуальній смузі огляду 2470 км. Це і забезпечує можливість зйомки місцевості до широти ц=±11,2 є з кожного витка орбіти. Система “Терс” добре використовує можливість багатократного збільшення оперативності за рахунок відмови не лише від глобальної зйомки, але і від глобального покриття Землі віртуальними смугами огляду. На жаль, використання цієї ідеї для інших широтних поясів дає гірші результати.