Спосіб спостереження землі з космосу

Настоящее изобретение относится к наблюдению Земли из космоса преимущественно с использованием узкоугольной перенацеливаемой съемочной аппаратуры космического базирования и передачи информации по радиоканалу. Известен способ (Герман М.А. Спутниковая метеорология. - Л.: Гидрометиздат, 1975. - С.367) глобального наблюдения Земли со спутника с использованием широкоугольной аппаратуры, в котором съемочная и передающая аппаратура работают непрерывно и информация передается по широковещательному каналу с глобальной зоной обслуживания на сеть приемных земных станций, в том числе на сеть автономных приемных станций, установленных у пользователей. Для съемки территорий, находящихся вне зоны радиовидимости земных станций, предусмотрен режим записи информации в бортовое запоминающее устройство с последующим ее воспроизведением при попадании спутника в зону радиовидимости земной станции. При этом центр управления полетом прогнозирует движение спутника, планирует режимы работы съемочной и передающей аппаратуры и передает земным станциям целеуказания для наведения антенн и приема информации, формирует программу работы спутника и через командноизмерительные пункты передает ее на борт, недостатком способа являются повышенные энергозатраты на непрерывную работу аппаратуры. Известен также способ (Техника электросвязи за режимом: Справ. - М.: Радио и связь, 1990. С.165 - 176), в котором с целью сокращения энергозатрат на передачу информации используют остронаправленную бортовую антенну, перенацеливаемую на приемную земную станцию. Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является способ (Лебедев А.А., Нестеренко О.П. Космические системы наблюдения. Синтез и моделирование. - М.: Машиностроение, 1991. С.18 28) детального наблюдения с использованием узкоугольной аппаратуры, при котором с целью экономии электроэнергии и повышения эффективности работы аппаратуры, ее перенацеливают в полосе захвата, выбирая наиболее важные и свободные от облачности районы, съемку ведут отдельными сеансами. В главном центре приема и обработки данных по заявкам пользователей формируют программу съемки, включающую время проведения сеансов, режимы работы и углы наведения съемочной и передающей аппаратуры и передают эту программу в Центр управления полетом. Центр управления полетом прогнозирует движение спутника и через командно-измерительные пункты передает ее на борт, передает приемным земным станциям целеуказания по наведению антенн, режимам съемки и сеансам работы передающей аппаратуры. Приемная земная станция обеспечивает прием, предварительную обработку информации, включающую ее географическую привязку, радиометрическую и геометрическую коррекцию и передачу результатов обработки пользователям с использованием существующи х каналов связи. Общими признаками прототипа и заявленного изобретения являются прогнозирование движения спутника, формирование программы работы спутника и закладку ее на борт, наведение бортовой съемочной и передающей аппаратуры, съемку и передачу информации на приемные земные станции, прием, обработку и распространение информации пользователям. В известном способе при детальной съемке с высоким разрешением поток информации от съемочной аппаратуры может быть весьма значительным. Например, при многоспектральной (3 канала) съемке с разрешением 10м в полосе обзора 30км поток информации составит 50Мбит/с. Для приема такого потока необходимы приемные земные станции с большими антеннами диаметром 6 - 10м и высокопроизвольными средствами регистрации и обработки данных. Обусловленная этими фактами высокая стоимость земных станций препятствует и х массовому распространению среди пользователей при реализации известного способа. В известном способе съемку и передачу информации производят в соответствии с заблаговременно заложенной на борт программой, а для распространения информации используют привлекаемые средства связи общего пользования, что снижает оперативность и эффективность реализации заявок. Так, время от выдачи заявки до получения информации пользователем составляет 6 - 22 суток. Из-за меняющихся условий облачности эффективность оптической съемки составляет не более 10 - 20%. Из-за ошибок в прогнозировании движения спутника и ошибок в его угловой ориентации снижается точность программного наведения на объект съемки и затрудняется географическая привязка снимка к объекту. В основу изобретения поставлена задача усовершенствовать способ наблюдения Земли путем передачи функций управления съемочной и передающей аппаратурой спутника непосредственно пользовательской приемопередающей земной станции, устанавливаемой в районе съемки, что приведет к повышению оперативности и эффективности выполнения заявки пользователя. Поставленная задача решается тем, что в способе, включающем прогнозирование движения спутника, формирование программы съемки и передачу ее в Центр управления полетом, формирование и закладку на борт временной программы работы спутника, передачу целеуказаний приемным земным станциям, наведение съемочной аппаратуры и бортовых передающих антенн, съемку и передачу информации на приемные земные станции, прием полученной со спутника информации, ее обработку и распространение пользователям, согласно изобретению в Центре управления полетом формируют программу предельной загрузки спутника сеансами съемки, абонентские приемо-передающие земные станции устанавливают непосредственно в районе съемки, со спутника по широковещательному служебному каналу "борт - Земля" с глобальной зоной обслуживания передают сигнал готовности спутника к съемке, при получении земной станцией сигнала готовности визуально определяют условия освещенности и облачности в районе съемки и при благоприятных условиях передают на спутник заявку на проведение съемки; измеряют навигационные параметры местоположения земной станции в системе координат, связанной со спутником, и наводят съемочную и передающую аппаратур у в соответствии с заявкой земной станции. Кроме того, передачу информации на абонентскую станцию ведут на скорости, пониженной относительно съемочной, а при наложении времени съемки отдельных объектов на время передачи абонентской станции, кадра от съемки предыдущего объекта, передачу информации от этих объектов ведут в режиме непосредственной передачи на узловую станцию с последующей ретрансляцией через спутник информации от узловой к абонентской станции в свободное от съемок время. Такие существенные отличительные признаки изобретения как формирование в Центре управления полетом программы предельной загрузки спутника сеансами съемки, широковещательное оповещение со спутника готовности к съемке, установка абонентских приемо-передающих земных станций непосредственно в районе съемки с возможностью визуального контроля освещенности и облачности и передачи на спутник заявки на проведение съемки, измерение навигационных параметров местоположения земной станции в системе координат, связанной со спутником и наведение съемочной и передающей аппаратуры в соответствии с заявкой земной станции являются необходимыми и достаточными во всех случаях, на которые распространяется испрашиваемый объем правовой охраны. Остальные отличительные признаки характеризуют изобретение лишь в особых условиях, а именно, когда с целью снижения габаритов и стоимости земной станции, передачу информации на абонентскую станцию ведут на скорости, пониженной относительно съемочной, а при наложении времени съемки отдельных объектов на время передачи абонентской станции кадра от съемки предыдущего объекта, передачу информации от этих объектов ведут в режиме непосредственной передачи на узловую станцию с последующей ретрансляцией через спутник информации от узловой к абонентской станции в свободное от съемок время. Причинно-следственная связь между совокупностью существенных признаков и достигаемым техническим результатом в повышении оперативности реализации заявки пользователя поясняется таблицей, в которой представлены типовые временные затраты на реализацию отдельных операций по известному и предлагаемому способу. Эффективность реализации заявки пользователя повышается также за счет того, что при визуальном контроле гарантируется 100% вероятность съемки в безоблачных (или малооблачных) условиях, пользователь сам выбирает непосредственно перед съемкой необходимые ему режимы работы аппаратуры, например, нужные спектральные диапазоны, съемочную и передающую аппаратур у наводят по данным навигационного определения местоположения земной станции и фактического углового положения спутника. Сущность изобретения поясняется фиг.1 и 2, где на фиг.1 изображена схема наблюдения, в которой цифрами обозначены: 1 - центр управления полетом; 2 - командно-измерительный пункт; 3 -положение спутника в момент закладки программы; 4, 5, 6 абонентские приемопередающие земные станции; 7 - зона обслуживания спутника, соответствующая его положению 8; 9 - узловая земная станция; 10 полоса захвата съемочной аппаратуры; 11, 12 положения спутника в моменты начала и конца съемки; 13 - положение спутника в момент окончания передачи на станцию 9,отснятого кадра. На фиг.2 приведена структурная схема бортового информационного комплекса, в которой цифрами обозначены: 14 - приемная антенна служебного канала; 15, 33 -частотные фильтры; 16, 34 - приемники; 17 - модем; 18, 23, 27, 36 передатчики; 19 передающая антенна служебного канала; 20 - система индикации углового положения; 21 - блок навигации и наведения съемочной аппаратуры; 22 - бортовая ЭВМ; 24 - съемочная аппаратура; 25 переключатель; 26, 31 - модуляторы; 28, 37 - блоки наведения передающих антенн; 29 - передающая антенна для режима непосредственной передачи на узловую станцию; 30 - бортовое запоминающее устройство; 32 приемная антенна информационного канала; 35 - преобразователь частоты; 38 передающая антенна информационного канала. Предложенный способ реализуется следующим образом. Центр управления полетом 1 прогнозирует движение спутника, исходя из ресурсных возможностей спутника, формирует программу предельной загрузки спутника сеансами съемки и на ее основе - программу работы спутника. Сформированную программу работы спутника и его начальные условия движения Центр управления полетом через командноизмерительный пункт 2 передает на борт спутника 3, Абонентские приемо-передающие земные станции 4,5, 6, устанавливаются непосредственно в районах съемки. Эти станции обеспечивают; - связь со спутником по служебным каналам "борт-Земля" и "Земля-борт" в глобальной зоне обслуживания 7 (соответствует положению спутника 8) и через него - с узловой приемопередающей земной станцией 9 и другими абонентскими станциями; связь со спутником по основным информационным каналам "борт-Земля" и "Земляборт" с уменьшенной скоростью относительно съемочной, и через спутник - связь с узловой станцией 9 и другими абонентскими станциями. Узловая станция 9 дополнительно обеспечивает: прием информации от съемочной аппаратуры спутника в режиме непосредственной передачи; - координацию работы абонентских станций путем выделения им каналов связи и разрешения конфликтных ситуаций. Для организации связи используются известные методы многостанционного доступа (Спилкер Дж. Цифровая спутниковая связь. - М.: Связь, 1979. - С.182 - 264). С помощью БЦВМ 22 на спутнике определяют его текущее состояние, через передатчик 23 и антенну 19 широковещательного служебного канала "борт - Земля" передают сигнал готовности спутника к работе в зону обслуживания 7 (соответствует положению спутника 8). Узловая земная станция 9 и абонентские земные станции пользователей 4, 5, 6 принимают сигнал готовности. По переданным в сигнале готовности начальным условиям движения спутника рассчитывают его трассу движения и возможности наблюдения земной станции, определяемые полосой захвата 9 и удалением земной станции от трассы. При попадании земных станций (станции 5 и 6) в полосу захвата операторы станций визуально определяют условия освещенности и облачности в районе съемки и при благоприятных условиях передают по служебному каналу "Земля-борт" заявку на проведение съемки с использованием известных протоколов многостанционного доступа (Бунин С.Г., Войтер А.П. Вычислительные сети с пакетной радиосвязью. - К.: Техника, 1989). В заявку на проведение съемки включают необходимые установочные данные: режимы работы, углы прицеливания, времена включения и выключения съемочной и передающей аппаратуры, которые определяют следующим образом. При передаче сигналов по служебным каналам "борт - Земля" и "Земля - борт" известными способами (Итоги науки и техники. Геодезия и аэросъемка. - Т.27. - М., 1989. - С.69 71) измеряют с помощью блока 21 навигационные характеристики сигналов, например, временную задержку сигнала и доплеровский сдвиг частоты, по которым определяют местоположение земной станции в системе координат, связанной со спутником. По данным от бортовой системы индикации положения 20, например, с использованием солнечных датчиков, определяют фактическое угловое положение спутника. На основании полученной информации определяют угол прицеливания съемочной аппаратуры и время ее включения. С использованием бортовых устройств 14, 15, 16, 17, 22, 18, 19 спутника ретранслируют полученные заявки по широковещательному каналу "борт - Земля" всем абонентам в зоне 7, в том числе и узловой станции 9. Узловая станция анализирует поступающие заявки и устраняет возможные конфликтные ситуации: 1. Заявки частично или полностью совмещаются по времени работы съемочной аппаратуры, но различаются углами ее прицеливания, В этом случае по известным правилам, например, по приоритетности (см. Бунин С.Г., Войтер А.П., Вычислительные сети с пакетной радиосвязью. - К.: Техника, 1989) аннулируют все конкурирующие заявки, оставляя одну. 2. Заявка абонентских станций частично или полностью совмещаются по времени работы передающей аппаратуры, но различаются углами ее прицеливания. В этом случае наиболее приоритетную заявку удовлетворяют полностью, по конкурирующим заявкам передачу информации ведут в режиме НП на узловую станцию через информационный канал, образованный блоками 24, 25, 26, 27, 29. После устранения конфликтных ситуаций с узловой станции заявки передают по служебному каналу "борт - Земля" на спутник для реализации. Поступившие от узловой станции бесконфликтные заявки ретранслируются по широковещательному служебному каналу "борт Земля" всем абонентам в зоне 7, а на борту спутника направляются в программно-временные устройства 21, 28, 37, обеспечивающие наведение съемочной и передающей аппаратуры. В регионах, не обеспеченных узловыми станциями, например, в удаленных и пустынных районах, анализ и устранение конфликтных ситуаций производится бортовой ЭВМ 22 путем выделения одной приоритетной заявки и аннулирования конкурирующи х заявок. В соответствии с заложенной в блоки 21, 28, 37 программой наводят съемочную аппаратуру 24 на объект съемки, бортовую передающую антенну 38 абонентского канала - на абонентскую земную станцию, бортовую передающую антенну 29 на узловую земную станцию, включают съемочную 24 и записывающую 30 аппаратур у, а также передающую аппаратур у 26, 27 канала непосредственной передачи в рабочий режим на период съемки, т.е. прохождения спутника от положения 11 до положения 12. Включают бортовую передающую аппаратуру 30, 31, 36 абонентского канала в рабочий режим на время передачи отснятого кадра на пониженной скорости, т.е. на время прохождения спутника от положения 12 до положения 13. С целью повышения оперативности доставки информации пользователям, спутник в свободное от съемок время используют для ретрансляции данных между узловой и абонентскими станциями. Для этого с помощью служебного канала, образованного блоками 14, 15, 16, 17, 22, 18, 19 и с использованием известных процедур многостанционного доступа и пакетной коммутации (Бунин С.Г., Войтер А.П. Вычислительные сети с пакетной радиосвязью. К.: Техника, 1989), устанавливают виртуальный канал передачи данных через приемную антенну 32, фильтр 33, приемник 34, преобразователь частоты 35, передатчик 36 и перенацеливаемую передающую антенну 38 информационного канала.