Современная концепция аэрокосмических съемок и дистанционного зондирования

Расположение спутников обоих  созвездий сделано с расчетом того, что в любой точке поверхности Земли, при отсутствии заслоняющих препятствий, в любое время суток можно отслеживать от 4 до 8 спутников. Зона видимости спутника с некоторой точки земной поверхности определяется, в основном, углом возвышения спутника над горизонтом.

Сами спутники имеют  шарообразную форму диаметром около 6 м, массой ~850 кг. Для энергоснабжения спутники оснащены солнечными батареями. Угол «засветки» поверхности Земли, определяемый рупорной системой спутника, составляет 28,6°.

Каждый спутник созвездия  снабжен водородным стандартом частоты  и времени, генерирующим опорную частоту f₀=10,23 МГц с суточной нестабильностью 10ֿ¹⁴ - 10ֿ¹⁵. Эти колебания преобразуются в сигналы с частотами L₁=154f₀=1575,42 МГц (длина волны λ₁=19 см) и L₂=120f₀=1227,60 МГц (длина волны λ₂=24 см).

Все спутники имеют радиопередатчики с устройством модуляции несущих  частот и приемники для связи  с комплексом управления системой. Кроме того, спутники оснащены бортовыми вычислительными процессорами, аккумуляторами и системой ориентации и корректирования орбиты.

Так, сигнал на частоте L₁ модулируется точным кодом Р (precise), дальномерным кодом свободного доступа С/А и навигационным сообщением. Частота L₂ модулирована только Р-кодом. Коды представляют собой непрерывно излучаемые псевдослучайные последовательные значения +1 и -1 (рис. 3.1).

Рис. 3.1 Характерная форма кодовой последовательности

С/А-код имеет частоту f₀/10 и повторяется каждую миллисекунду. Р-код несет частоту f₀ и повторяется каждые 1,5 с. С частотой кодов связаны длины волн λ-модуляции, равные у Р-код 30 м, а у С/А-кода 300 м.

Длины волн оказывают влияние  на точность измерения дальностей. При этом Р-код позволяет решать навигационные задачи с более высокой точностью, но он защищен от несанкционированного пользования. Частоты L₁ и L₂ модулированы также сигналами, несущими навигационные сообщения. Они представляет собой файлы данных емкостью 1500 бит, транслируемые каждые 30 с и содержат в себе:

• параметры орбиты спутника, позволяющие вычислять на любой момент 
  его прямоугольные геоцентрические координаты;
• поправку времени, дрейф и ускорение спутникового стандарта частоты 
  относительно времени системы GPS и всемирного времени;
• информацию о техническом состоянии спутника;
• данные о состоянии всех спутников системы и приближенные элементы их орбит.

   Вторая спутниковая  навигационная система ГЛОНАСС  разработана и развернута в СССР в 70-е годы прошлого века. Эта система имеет много общего с системой ОР8 .

В системе ГЛОНАСС излучаемые спутником частоты Ь₍ и Ь₂ также модулированы дальномерными кодами и навигационным сообщением. Но в отличие от ОР8 коды всех спутников одинаковы, а разделение сигналов частотно. Такое распределение частот доводится до пользователя альманахом, входящим в состав навигационного сообщения. Так частота L₁=f₀₁=КΔf₁, где f₀₁= 1602 МГц, К=0,1,2...24, а Δf₁=562,5 кГц.

   Передаваемое спутником  навигационное сообщение содержит  оперативную информацию, в которую входят оцифровка меток времени спутника, сдвиг времени спутника относительно единого времени системы, отличие фазы и частоты излучения относительно опорной частоты эталона времени и эфемеридная информация (координаты ИСЗ и составляющие его скорости и ускорения).

    Неоперативная  информация содержит альманах системы с приближенными параметрами орбит всех действующих спутников и сведения о техническом состоянии системы.

    Наземный сектор управления  и контроля (командно-измерительный  комплекс) предназначен для поддержания постоянной работоспособности космического сектора и для систематического обновления передаваемой потребителю информации. Этот сектор в системе GPS состоит из одной ведущей станции и трех загружающих станций.

   Координаты станций  слежения заранее были определены  с высокой степенью точности. С этих станций осуществляется непрерывное отслеживание спутников с помощью двухчастотных специализированных приемников, оборудованных атомными часами. С этой целью на всех станциях производят измерения расстояний до всех находящихся в поле зрения спутников. Расстояния определяют на основе кодовых сигналов с точностью около 2,5 м каждые полторы секунды. С помощью таких измерений уточняются текущие значения эфемерид спутников. Все эти работы выполняются в автоматическом режиме, а их уравнивание осуществляется с ведущей станции. Кроме того, на станциях слежения проверяется точность хода спутниковых часов, а в местах расположения КС собирают и ретранслируют на ведущую станцию наблюдения метеоданные (температуру, давление и влажность воздуха).

Ведущая станция управления непрерывно собирает информацию со всех станций слежения и по данным о движении спутников за трое суток вычисляет параметры их орбит и осуществляет прогноз их дальнейшего движения. Наряду с этим на этой станции формируются навигационные сообщения с параметрами орбиты каждого спутника, поправками к показаниям его часов, а также альманахом, содержащим краткую информацию обо всех спутниках системы. Три раза в сутки навигационное сообщение передается на спутники с помощью загружающих станций.Входящие в состав ведущей станции высокоточные часы являются опорными часами для всей системы GPS. Все другие часы системы сравниваются с опорными часами, в результате чего осуществляется их синхронизация. Через станции загрузки ведущая станция может корректировать орбиты спутников с помощью их реактивных двигателей.

Наземный сегмент системы ГЛОНАСС  включает в себя центр управления системы (ЦУС), контрольные станции (КС), контрольные станции слежения (КСС), квантово-оптические станции (КОС), системы контроля фаз (СКФ), аппаратуру контроля поля (АКП) и другие следящие станции (рис. 3.2).

Наземные передающие антенны  системы расположены так, что  каждый спутник ежедневно имеет, по крайней мере, три сеанса связи с системой слежения.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 3.2 Размещение станций контроля и управления системы ГЛОНАСС:

ЦУС — центр  управления системой ГЛОНАСС, ЦС —  центральный синхронизатор; КС — контрольная станция; СКФ—система контроля фаз; КОС—квантово-оптическая станция.

Расположенная целиком  на территории России сеть контрольных станций обеспечивает высокую точность и надежность управления космическим комплексом.

Наряду с описанной  выше постоянной циркуляцией потока информации, на головной (ведущей) станции формируется банк данных, содержащий более точные значения эфемерид спутников, которые поставляются по запросам потребителей, заинтересованных в получении результатов спутниковых измерений повышенной точности.

 

3.2 Позиционирование

 

Позиционирование (positioning, GPS measurement, GPS surveying) - измерения с помощью  систем спутникового позиционирования с целью определения координат местонахождения объекта в трехмерном земном пространстве. В GPS и ГЛОНАСС (GLONASS) измеряют кодовым или фазовым методами псевдодальности от приемника позиционирования до 4 или большего числа спутников. Существует ряд способов П. Автономное позиционирование (autonomous positioning) - способ определения абсолютных (полных) координат местонахождения пространственной линейной засечкой по измерениям кодовым методом псевдодальностей только с определяемого пункта. Способ чувствителен ко всем источникам погрешностей. На точность влияют нестабильность частот, сдвиги шкал времени и др. аппаратурные погрешности на спутниках и в приемниках позиционирования, погрешности в координатах спутников, внешняя среда - ионосфера, тропосфера, многолучевость. Ионосферные погрешности (ionospheric errors) определяются концентрацией электронов, зависят от угла возвышения спутника, географического местонахождения, времени суток, года, активности Солнца, в средних широтах меняются от единиц до десятков метров; их исключают измерениями на двух частотах L1 и L2. В тропосфере, где скорость распространения радиоволн зависит только от метеоусловий, искажения учитывают по моделям стандартной атмосферы. При высотах спутников над горизонтом менее 10о наблюдений не производят, т.к. тропосферные задержки (tropospheric errors) превышают 10 м. К антенне приходят радиолучи непосредственно от спутника, а также отраженные от земной поверхности, зданий, других объектов, возникшие из-за дифракции, и дополнительно искажают дальности; это явление называют многолучевостью, или многопутностью (multipath). К понижению точности ведут режимы SA и AS. Точность координат зависит от геометрического фактора засечки (см. - GDOP, HDOP, HTDOP, PDOP, VDOP, TDOP). Точность определения координат около 10 - 100 м. Дифференциальное позиционирование (differential positioning, DGPS, DGLONASS) - псевдодальности измеряют кодовым методом одновременно с двух пунктов: базовой станции, или референц-станции (base station, reference station, DIRES), расположенной на пункте с известными координатами, и подвижной станции (rover station), стоящей над новой точкой; на базовой станции измеренные расстояния сравнивают с вычисленными по координатам и определяют их разности - дифференциальные поправки (differential corrections), которые передают на подвижную станцию в реальном времени или учитывают в ходе вычислений координат после измерений (постобработки - postprocessing). Точность координат около 1-5 м, при аппаратуре повышенной точности и специальном программном обеспечении - около 1-3 дм. Статическое позиционирование, или статика (statics) - способ относительных (relative, baselines) измерений, когда фазовым методом по продолжительным (около часа и дольше) наблюдениям определяют приращения координат между базовой и подвижной станциями, иначе - вектор между этими станциями. Чтобы ослабить влияния погрешностей, в ходе обработки из результатов фазовых измерений формируют разности: первые (простые) разности (single-difference, SD) - из измерений с базовой и с определяемой станций на один и тот же спутник, вторые (сдвоенные) разности (double-difference, DD) - из первых разностей измерений на разные спутники и третьи (строенные) разности (triple-difference, TD) - из вторых разностей разных эпох наблюдений. Вторые и третьи разности практически свободны от большинства погрешностей. Обработкой их по методу наименьших квадратов вычисляют вектор между станциями, а затем координаты подвижной станции. Комбинируя частоты L1 и L2, образуют волны: ионосферно-свободную (ionosphere-free), длина 5,4 см, из строгого соотношения этих частот; разностную (wide-lane), длина 86,2 см, из разности указанных частот; суммарную (narrow-lane), длина 10,7 см, из суммы частот. Измерения обрабатывают на всех волнах и отбирают оптимальный результат. Ускоренная статика (fast statics) - разновидность статики, в которой для разрешения неоднозначности применяют стратегии поиска, не требующие продолжительных наблюдений, продолжительность же измерений согласована с числом наблюдаемых спутников и уменьшается при его увеличении; способ хуже защищен от многолучевости. Псевдостатика (pseudostatics) - разновидность статики, когда непрерывность измерений сохраняется только на базовой станции; на подвижной станции измерения выполняют лишь в начале и в конце часового интервала. Точность положения в плане около (5-10) мм + (1-2) ppm от длины вектора; точность положения по высоте 2-3 раза ниже. Способы кинематики (kinematics) - разновидности относительных измерений, выполняемых обычно фазовым методом, позволяющие измерять вектор между базовой и подвижной станциями за короткое время. Предварительно определяют координаты базового и подвижного приемников статическим П., другими способами, или приемники позиционирования устанавливают на пунктах, координаты которых известны с точностью до нескольких см. На известном векторе выполняют измерения до 4 или большего числа спутников и образуют однозначные вторые фазовые разности. После этого, не прерывая измерений, приемник перемещают на следующий - определяемый пункт. Важно, чтобы измерения велись непрерывно по одним и тем же спутникам. По известным координатам базовой станции и непрерывным измерениям сначала вычисляют вектор до новой станции, а затем и ее координаты. Далее приемник перемещают на следующий пункт. Различают разновидности кинематики: непрерывная кинематика (continuous kinematics) - способ П., при котором не останавливаясь перемещаются с приемником по контуру и через заданные интервалы времени фиксируют его координаты, обработка после измерений; способ "стой и иди" ("stop and go") - способ П., предусматривающий возможность остановиться на точке, выполнить более длительные измерения, а затем продолжить движение, обработка после измерений; кинематика реального времени (real time kinematics, RTK) - способ П., когда при помощи дополнительного цифрового канала данные с базового приемника передают на подвижный и обработка ведется в ходе измерений. Точность кинематики 2-3 раза ниже точности статики.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Глава 4. Основы дистанционного зондирования

4.1 Общая характеристика  методов дистанционного зондирования

Дистанционное зондирование — это  получение информации об объекте по результатам измерений, производимых без прямого контакта с этим объектом, т. е. на некотором расстоянии. Дистанционное зондирование в целях исследования природных ресурсов и экологии в настоящее время ведется как бы на трех уровнях: наземном, самолетном и космическом. Наземные и аэрокосмические средства дистанционного зондирования в совокупности позволяют получить достоверную и исчерпывающую информацию.

Методы дистанционного зондирования Земли основаны на измерении параметров и определении характеристик собственного или отраженного электромагнитного излучения земных объектов. По результатам измерений оценивают состояние исследуемых объектов. В зависимости от используемого диапазона электромагнитного излучения различают оптические и радиотехнические методы дистанционного зондирования. И те, и другие методы могут быть активными или пассивными. Активные методы основаны на использовании отраженного от объектов исследования излучения, направленного на эти объекты специальным излучателем, работающим чаще всего на фиксированной длине волны или частоте электромагнитного излучения. Пассивные методы построены на использовании собственного электромагнитного излучения объектов, происходящего в широком диапазоне длин волн.

Оптические методы охватывают видимый диапазон (0,4— 0,76 мкм), ближнюю ИК-область (0,76—1,5 мкм) и среднюю ИК-область (1,5—20 мкм) спектра. Границы областей определены во многом условно. В радиотехнических методах используют в основном измерение с длиной волны от 1 мм до дециметровых волн.

Оптическим и радиотехническим методам дистанционного зондирования свойственны как достоинства, так и недостатки, проистекающие из существенной разницы в длинах волн электромагнитного излучения и поэтому из различий прежде всего в механизмах взаимодействия излучения с атмосферой, зондируемой поверхностью, принципах приема излучения.

Важнейшими и принципиальными достоинствами оптических методов дистанционного зондирования являются высокое пространственное разрешение, большое информационное содержание оптических сигналов, наглядная интерпретация данных зондирования.

Высокое пространственное разрешение, которое обеспечивают  оптические   методы   дистанционного  зондирования,   можно просто объяснить с точки зрения явления дифракции излучения на входной апертуре приемной системы. Как известно, чем меньше длина волны λ, тем меньше угол дифракции и тем меньше изображение дифракционного кружка. Если считать, что приемная   система   имеет   круглую   апертуру   диаметром   D,  то  угол дифракции а_д=1,22λ/D). Для оптической системы D — это часто  диаметр   объектива,   строящего   изображение  зондируемой поверхности, а для радиотехнической системы D — диаметр антенны.  Если  принять,  что  минимально  разрешаемый  системой дистанционного  зондирования  угол  равен  а_д, то очевидно, что разрешение увеличивается с уменьшением λ. С другой стороны, разрешение увеличивается и при увеличении D. Вот почему радиотехнические системы для обеспечения высокого разрешения должны иметь сравнительно крупные диаметры антенн.

Большое информационное содержание оптических сигналов объясняется прежде всего тем, что большая часть энергии собственного излучения природных образований приходится на оптический диапазон. Кроме того, частотный диапазон оптического излучения позволяет переносить большее количество информации. Действительно, поскольку длина волны λ, и частота электромагнитного колебания υ связаны зависимостью υ = с/λ (где с — скорость света), изменение частоты электромагнитных колебаний через соответствующее изменение длины волны определяется как

dυ=- dλ

или в конечных приращениях

Δυ= Δλ

т. е. чем меньше λ, тем больше Δυ, а чем больше полоса частот, занимаемая сигналом, тем больше этот сигнал может передать информации. Полезная информация может содержаться не только в энергетических и спектральных признаках оптического сигнала, но и в его временных параметрах, а также в структуре изображения, создаваемого оптическим сигналом. Это позволяет еще более расширить информационную емкость оптических методов дистанционного зондирования.

Наглядность интерпретации  данных зондирования обусловлена тем, что многие оптические методы дистанционного зондирования ориентированы на построение видимого изображения, а такая информация сравнительно легко интерпретируется человеком, свободно оперирующим многочисленными информационными признаками, такими как цвет, яркость, форма объекта, его ориентация и др.

Общим и наиболее существенным недостатком оптических методов  дистанционного зондирования является сильная зависимость результатов зондирования от состояния атмосферы и погодных условий. Облачный покров — практически непреодолимое препятствие для оптического излучения, что делает зондирование невозможным.

Основные достоинства радиотехнических методов дистанционного зондирования — всепогодность, возможность зондирования через растительность и облака, возможность контроля значительных толщ земной поверхности и льда, чувствительность к состоянию «шероховатости» поверхности, а также к содержанию влаги в поверхностном и подповерхностном слоях.

К недостаткам радиолокационных методов, как уже отмечалось, следует отнести их меньшее пространственное разрешение, большие габариты приемных антенн.

Области применения оптических и радиотехнических методов дистанционного зондирования, как правило, различны в силу отмеченных достоинств и недостатков этих методов. Вместе с тем невозможно сегодня указать и строгие границы применения этих методов.

Приведем лишь некоторые  примеры использования данных дистанционного зондирования в различных областях спектра электромагнитных волн. По результатам измерений в видимой и ближней ИК-области спектра возможно распознавание сельскохозяйственных культур, прогнозирование урожая, контроль за состоянием сельскохозяйственных посевов, исследование загрязненности стоков вод, осмотр земель с целью создания реестра, исследование загрязнения окружающей среды, обнаружение залежей минералов.