Лекци_ГИС_11

Лекция №11. Космические снимки
Лекция №11. Космические снимки
11.1. Определения
Аэрокосмические методы - совокупность методов неконтактной съемки (дистанционного
зондирования) и изучения Земли и ее частей путем регистрации и анализа их собственного и
отраженного излучения с летательных воздушных и космических аппаратов. Одни из основных методов получения геоизображений.
Дистанционное зондирование - неконтактная съемка Земли или других планет с летательных
воздушных или космических аппаратов, судов, подводных лодок.
Аэрокосмическое зондирование, бурно развиваясь в последнее время, предоставило
новые методы исследования земной поверхности. Практическое использование космических
снимков лежит в тематическом картографировании и кадастровых задачах.
Развитие методов дистанционного зондирования способствовало развитию дешифрования и попыток автоматизировать этот процесс, который в настоящее время лишь частично
реализован.
11.2. Особенности съемки из космоса
Космические снимки получают с высоты более 100 км., т.е. при движении носителя
аппаратуры вне атмосферы , в космическом пространстве, с ракет, пилотируемых космических кораблей и орбитальных станций, автоматических искусственных спутников Земли и
других космических аппаратов.
11.2.1. ВЛИЯНИЕ ПАРАМЕТРОВ ОРБИТЫ
Съемка из космоса имеет две основные особенности: выполняется с орбит, параметры
которых влияют на свойства снимков; производятся с большого расстояния через толщу атмосферы. По сравнению с самолетом космический аппарат имеет ограниченные возможности маневрирования. Съемку производят с определенной орбиты. Параметры орбиты и скорость космического корабля обычно известны, поэтому может быть найдено его пространственное положение в заданный момент фотографирования.
У орбиты имеются следующие параметры, влияющие на снимки:

Форма орбит, обусловленная законами небесной механики, в зависимости от скорости
движения корабля, может быть круговой, эллиптической, параболической и гиперболической. Незамкнутые параболические и гиперболические орбиты используются для вывода космических аппаратов к другим планетам, а наблюдение за Землей производится
обычно с круговых и эллиптических орбит (замкнутых). Для съемки наиболее предпочтительны круговые орбиты, у которых высоты в перигее и апогее близки. Круговая орбита обеспечивает одинаковую высоту съемки земной поверхности.

Наклонение, определяемое углом i между плоскостью орбиты и плоскостью экватора,
разделяют орбиты экваториальные (i=0), полярные (i=90) и наклонные. В реальных условиях из-за особенностей гравитационного поля Земли строго полярных и экваториальных
орбит (как и строго круговых) не существует, и под ними понимают околополярные, околоэкваториальные (около круговые). В число наклонных орбит входят прямые (0<i<90) и
обратные (90 <i <180). Это разделение зависит от направления запуска космического аппарата относительно вращения Земли.

Высота, можно выделить три группы наиболее часто используемых орбит - с высотами
100-500, 500-2000 и 36000-40000 км. Первая - это орбиты пилотируемых кораблей и орбитальных станций, для них наиболее характерны высоты 200-400 км. Вторая включает
орбиты ресурсных и метеорологических спутников; для ресурсных спутников характер-
Лекция №11. Космические снимки
ны высоты 600, 900 км, для метеорологических 900-1400 км. Третья группа - это орбиты
геостационарных спутников; угловая скорость движения спутника в них равна скорости
вращения Земли, и поэтому спутник движется синхронно с подспутниковой точкой земной поверхности. Таким образом, орбиты разной высоты обеспечивают решения различных съемочных задач: низкие околоземные орбиты используются для детальной фоторграфической съемки, орбиты средней высоты - для оперативной менее детальной съемки
и удаленные геостационарные орбиты - для постоянного наблюдения за отдельным районом.

Период обращения T. - время оборота спутника вокруг Земли - также представляет интерес с точки зрения съемки, от него зависит число витков в сутки и соответственно межвитковое расстояние, определяющее возможность перекрытия снимков соседних трасс.
Обычно спутники на околоземных орбитах имеют при скорости 11 км/с период обращения 1.5 часа, за сутки около 16 витков вокруг Земли. Межвитковое расстояние при этом
составляет примерно 25.5 градусов, что на экваторе соответствует 2500 км. Учитывая,
что охват снимков для большинства видов аппаратуры существенно меньше (для фотографической аппаратуры, например, 100-200 км.), такая съемка без разрывов с соседних
витков в одни сутки невозможна. Если трассы ежесуточно повторяются (такие орбиты
называются суточными периодическими, что бывает при периоде обращения, кратном 24
ч.), то и разрывы в съемке будут сохраняться. Поэтому для съемки рассчитывают орбиты
таким образом, чтобы небольшое суточное смещение трасс обеспечивало съемку в последовательные сутки без разрывов и с некоторым перекрытием. Это возможно на так
называемых квазипериодических орбитах с определенным суточным сдвигом трассы
спутника на ширину зоны охвата съемкой с учетом необходимого перекрытия полос обзора.

Положение орбиты по отношению к Солнцу. Для космических съемок большое значение имеет способность орбиты сохранять постоянную ориентацию на Солнце. Достоинство таких солнечно-синхронных орбит, у которых угол между плоскостью орбиты и
направлением на солнце остается постоянным, состоит в том, что они обеспечивают одинаковую освещенность земной поверхности вдоль трассы полета космического аппарата.
Таким образом, для глобальной съемки Земли целесообразно использовать орбиты, одновременно являющиеся круговыми, полярными, квазипериодическими и солнечносинхронными. В интервале высот 400-1000 км. Эти требования удовлетворяют орбиты с 14 и
15 витками в сутки и высотой около 570, 700 и 900 км. Они используются для ресурсных
спутников.
В случае наличия на борту спутника приборов, имеющих различные по ширине полосы обзора (различным разрешением на местности), рассчитываются такие орбиты, которые
могли бы обеспечить полное покрытие поверхности Земли съемкой с помощью каждого вида
аппаратуры.
11.2.2. ВЛИЯНИЕ АТМОСФЕРЫ
Съемка из космоса ведется через толщу атмосферы, что вызывает осложнения разного
характера: экранирующее влияние облачности, поглощение солнечных лучей определенных
длин волн атмосферой, рассеивание лучей, влияние атмосферной дымки и др.

Облачность представляет наибольшие помехи для съемки в оптическом диапазоне. В
каждый момент времени она закрывает более 50% поверхности земного шара. Некоторые
районы Земли остаются закрытыми большую часть года. Спутнику LandSat потенциально
достаточно 18 суток, чтобы покрыть съемкой поверхность Земли, но потребовалось более
10 лет для реального получения снимков планеты.

Поглощение лучей атмосферы. Даже при безоблачном небе съемку приходится вести
через всю толщу атмосферы, которая поглощает часть лучей. Это поглощение зависит от
Лекция №11. Космические снимки
длины волны излучения. Съемку выполняют только те участки спектра, где электромагнитное излучение не поглощается, т.е. в так называемых «окнах прозрачности» атмосферы. Большое окно прозрачности (0.4-1.3 мкм) приходится на видимый и ближний инфракрасный диапазон; в тепловом инфракрасном диапазоне три более узких окна, и здесь
возможно использование ограниченного набора длин волен. Наибольшая прозрачность
наблюдается при радиодиапазоне. (от сотен Кгц до десятком Мгц)

Рассеивание лучей, атмосферная дымка. Влияние атмосферы состоит также в рассеивании лучей атмосферой, неодинаковом в различных спектральных диапазонах. Атмосферная дымка наиболее сильно проявляется в синей, голубой зонах спектра. Она снижает контрасты изображения на космических снимках, искажает цвет объектов при съемке
на цветную пленку. Ее необходимо учитывать при фотометрических спектральных определениях по многозональным снимкам.
11.3. Свойства космических снимков
Наиболее универсальной формой представления информации при космических исследованиях является снимок - двумерное изображение, полученное в результате дистанционной регистрации техническими средствами собственного или отраженного излучения и
предназначаемое для обнаружения, качественного или количественного изучения объектов,
явлений и процессов путем де шифрования, измерения и картографирования.
Космические снимки имеют большую познавательную ценность по сравнению с
аэрофотоснимками, так как имеют большую обзорность, генерализованность изображения,
комплексное отображение всех компонентов геосферы, регулярную повторяемость через
определенные интервалы времени, оперативность поступления информации, возможность ее
получения для объектов, недоступных изучению другими средствами.
 Обзорность снимков. Космические снимки по сравнению с аэроснимками охватывает
существенно большую площадь, т.е. обладает свойствами большой обзорности. При использовании одной и той же фотографирующей системы для аэрофотосъемки с высоты 5
км и космической съемки с высоты 250 км охват при съемки из космоса увеличивается в
50 раз по стороне снимка и в 2500 раз по площади. Один космический снимок перекрывает такую площадь как 10 000 аэрофотоснимков. При этом большие регионы охватываются единовременно при одних и тех же условиях. Появляется возможность изучения региональных и зональных закономерностей, глобальные явления, вести исследования в планетарном масштабе.
 Комплексное отображение компонентов геосферы. Совместное отображение разных
компонентов геосферы - литосферы, гидросферы, биосферы и атмосферы - дает возможность изучить их связи, причем набор этих компонентов увеличивается и в высоту и в
глубину за счет того, что благодаря большой высоте съемки на космических снимках
отображаются облачный покров планеты, а в следствии генерализации изображения на
них находят отображения глубинные геологические структуры, которые не выявляются
при аэроснимках. Снимки обеспечивают изучение атмосферных процессов, взаимодействия атмосферы и океана, проявлений гидродинамики - течений, фронтальных зон в
океане. Совместное отображение многих компонент ландшафта имеет два преимущества
- во-первых, взаимосвязи объектов облегчают де шифрование, во-вторых, возможность
использования снимков для различных тематических карт при комплексном картографировании.
 Регулярная повторяемость снимков. Космические методы обеспечивают регулярную
повторяемость съемки с интервалом годы, месяцы, дни, недели, часы и минуты, что
трудно реализовать при аэросъемке.
 Снимки как модели действительности. Кроме познавательного значения снимков, они
могут использоваться как модель местности, например, ландшафтной структуры территории. Для такого использования важно, что по размерности отображаемых объектов
Лекция №11. Космические снимки
наиболее распространенные снимки из космоса с разрешением 10-100 м оказались адекватные важнейшим рангам объектов географических исследований на земной поверхности. Другое важное достоинство моделей снимков состоит в том, что они представляяют
собой пространственно -временные модели, позволяющие на основе пространственных
смен изучит временные изменения, используя концепцию пространственно-временных
рядов.
11.3.1. ГЕОМЕТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СНИМКОВ
Особенности проекций космических снимков. Существуют обстоятельства затрудняющие
работу со снимками, в основном, они связаны с геометрическими свойствами снимков,
прежде всего с особенностью проекций космических изображений.
В этом отношении космические снимки разнообразны в зависимости от технологии
их получения. Для фотографических снимков характерна центральна проекция, для сканерных (и инфракрасных тепловых и микроволновых снимков) - особая проекция, близкая к
центральной в пределах к каждой строки сканирования (а при малом охвате снимков, т.е. небольших углах сканирования - близкая к ортогональной), которая осложняется неодномоментным получением снимка, поскольку во время сканирования движется носитель аппаратуры и объект съемки (с движением Земли). Геометрия радиолокационных снимков зависит
от расстояния от съемочной аппаратуры до объекта съемки (фиксируемого во время прохождения радиосигнала). Во всех этих случаях также сказывается кривизна земной поверхности,
рельефа поверхности.
Общего учения о проекциях космических снимков пока не создано, хотя разработанные
системы компьютерной обработки снимков со спутников «Метеор-Природа», MSS и TM
LandSat, SPOT, NOAA практически решают проблему проективные преобразования изображения в различные картографические проекции.
Искажения из-за кривизны Земли. Большой охват территории одним снимков приводит к
искажениям, связанным со сферичностью земной поверхности. Для оценки плановых смещений точек фотоснимка  R , вызванных кривизной Земли, пользуются формулой
x3H
K , где x -расстояние от точки до центра снимка, H - высота орбиты , R - радиус
2 Rf 2
Земли, f - фокусное расстояние камеры, K - коэффициент увелчичения снимка.
Для сканерных снимков подобную оценку можно выполнить по соотношению охвата и высоты съемки.
Искажения за рельеф земной поверхности
R 
11.4. Как работает спутник
11.4.1. ПЕРЕДАЮЩИЕ СИСТЕМЫ СПУТНИКА
Базовый элемент коммуникационной системы спутника показан на рис. 11.1
Лекция №11. Космические снимки
Процесс начинается со станции на Земле, установленной для передачи и приема сигнала от
спутника, который находится на орбите Земли. Каждая станция посылает информацию в
форме высоко мощных (высоковольтных), высоко частотных (Ггц) на спутник, который принимает и передает сигнал назад на Землю, где сигнал принимается другими станциями на
поверхности Земли в области покрытия спутника. Область, на которой принимается сигнал
приемлемой мощности со спутника называется следом спутника (или опорной поверхностью
спутника) (footprint). Система передачи от станции с Земли на спутник называется Связь
вверх (Uplink). Система от спутника на Землю называется Связь вниз DownLink.
11.4.2. ЧАСТОТНЫЕ ПОЛОСЫ СПУТНИКА
Наиболее часто используемые полосы спутника - это C-band, Ku-band и Ka-band. C-band, Kuband - это два наиболее общих частотных спектра, используемых сегодняшними спутниками.
Существует обратное отношение между частотой и длиной волны - т.е. когда частота увеличивается, длина волны уменьшается. Когда длина волны увеличивается, то большая антенна
(спутниковая тарелка) необходима для приема сигнала.
Полоса С (С-band) располагается от 4 до 8 Ггц. Эти относительно маленькие частоты передаются при большей по сравнению с Ku-band и Ka-band длиной волны. Это означает, что
большая спутниковая антенна требуется для приема минимальной интенсивности, и, следовательно, минимальный размер средней C-band антенны должен составлять приблизительно
2-3 метра в диаметре.
Лекция №11. Космические снимки
Рис. 11.2. C-band спутниковая антенна.
Ku-band спутниковая передача происходит на частотах от 11 до 17 Ггц. Эти относительно
высокие частоты передаются более короткой волной, и, следовательно меньшая антенна может использоваться для приема минимальной интенсивности (сигнала). Ku-band может использовать 45 см антенны. (Системы RSA DSS, Sony DSS).
Рис.11.3 Ku-band Sony DSS система
Ka-band передается на частотах от 20 до 30 Ггц. Это очень высоко частотная передача означает очень маленькую длину волны, и, следовательно, очень маленький диаметр приемной
антенны.
11.4.3. СПУТНИКИ ГЕОСИНХРОННОЙ ЗЕМНОЙ ОРБИТЫ (ГЕО СПУТНИК) (ГЕОСТАЦИОНАРНОЙ
ЗЕМНОЙ ОРБИТЫ)
Сегодня подавляющее большинство спутников на земной орбите расположено на 22 238
миль выше земного экватора в геосинхронной земной орбите (ГЕО) (Geosynchronous Earth
Orbit), или, что иногда называется орбитой Кларка. Эта орбита названа в честь Артура
Кларка, который первым предложил в 1945 г., чтобы спутники на геосинхронной орбите
земли использовались в коммуникационных целях. Как показано на рис.11.4 точное расстояние орбиты составляет 22238 миль, на которой спутник делает полный круг за 24 часа. Так
как такие спутники двигаются с той же относительной скоростью, что и Земля, то они находятся неподвижно над поверхностью Земли. Поэтому большинство антенн на Земле не обязаны двигаться за Спутником, когда они нацелены на спутник.
Лекция №11. Космические снимки
Рис.11.4 Орбита Кларка
11.4.4. СПУТНИКИ СРЕДНЕЙ ЗЕМНОЙ ОРБИТЫ (MEO MEDIUM EARTH ORBIT)
В течении последних нескольких лет технологический прогресс в космической коммуникации достиг новых орбит и построения новых систем. Новая серия MEO спутников была выпущена на орбиту радиуса 8000 миль. Сигналы переданные с MEO путешествуют на более
короткие расстояния, которые переносят улучшенную интенсивность сигнала в приемнике.
Это значит, что можно использовать более мелкие, облегченные приемные терминалы. Кроме того, так как орбита меньшего радиуса, то расстояния, которые сигнал проходит от и до
спутника меньше, следовательно меньше и задержка передачи. Задержка передачи - это время, которое требуется сигналу, чтобы пройти до спутника и обратно на приемную станцию.
Для коммуникаций в реальном времени чем меньше задержка, тем лучше. Например, для
GEO спутников требуется 0.25 сек для кругового путешествия. А для MEO спутников менее
0.1 секунды. MEO оперируют в диапазоне от 2 и выше Ггц.
11.4.5. СПУТНИКИ НИЖНЕЙ ЗЕМНОЙ ОРБИТЫ (LEO LOW )
Спутники LEO делятся на три категории. Маленькие LEO, большие LEO и мега LEO .
Спутники LEO располагаются на орбитах с радиусом от 500 до 1000 миль. Это относительно
короткое расстояние уменьшает время задержки до 0.05 сек. и в дальнейшем уменьшится
необходимость в чувствительных и громоздких приемниках. Маленькие LEO будут действовать на частотах 800 Мгц, большие LEO от 2 Ггц и выше, мега LEO будут оперировать в
диапазоне 20-30 Ггц. Более высокие частотны, ассоциированные с Мега LEO , передают
больше информации в несущей, имеют большие возможности для реального времени, меньшие задержки видео передачи. Microsoft Corporation и McCaw Cellular (сейчас известная как
AT&T Wireless Services) объединились для развертывания 840 спутников (формировать Теледиск), с основой из Мега LEO.
Лекция №11. Космические снимки
11.4.6. ПЛАТФОРМЫ ВЫСОКАЯ ВЫСОТА ДЛИННАЯ ДЛИТЕЛЬСНОСТЬ (HIGH ALTITUDE LONG
ENDURANCE)
Экспериментальные HALE платформы являются высоко эффективными и облегченными самолетами, несущими коммуникационное оборудование, который будет работать на очень
низкой земной орбите геостационарного спутника. На высоте 7000 футов HALE платформы
будут передавать с задержками не больше 0.001 сек. Они будут работать на батареях и солярке. Приемные устройства можно будет держать в руках.
11.4.7. ОРБИТАЛЬНЫЕ СЛОТЫ
Когда спутников на геостационарной орбите становится до 200 возникает вопрос, как сохранить спутники от столкновений друг с другом или от использования одного и того же места
в космосе? Чтобы решить эту проблему международные организации типа International
Telecommunications Union (ITU) и национальные правительственные организации типа
Federal Communications Commission (FCC) договариваются и размещают спутники на геостационарной орбите. Эти расположения определяются градусами долготы и известны как орбитальные слоты. В ответ на громадные требования в орбитальных слотах ITU и FCC прогрессивно уменьшают требуемое расстояние до только 2 градусов для C-band and Ku-band
спутников.
11.5. Технические аспекты систем спутниковой связи
Системы спутниковой связи (ССС) широко используются во многих регионах мира и стали
неотъемлемой частью инфраструктуры телекоммуникаций большинства стран. Не только
промышленно развитые страны с разнообразными современными сетями телекоммуникаций,
но все чаще и развивающиеся страны успешно внедряют ССС. Новые спутниковые приложения обеспечивают быстрое создание новых широковещательных служб и частных сетей.
Хотя коммерческое использование геосинхронных спутников связи началось почти 25 лет
назад, их широкое применение в сетях связи стало возможным лишь в начале 1980-х годов.
Телевидение, телефония, широкополосная передача данных продолжают доминировать в
списке услуг ССС. Современные системы спутниковой связи предоставляют беспрецедентные возможности для развития частных сетей, организации служб связи типа "точка-точка" и
"точка-множество точек".
11.5.1. СПУТНИКОВАЯ СВЯЗЬ
Спутник - устройство связи, которое принимает сигналы от земной станции (ЗС), усиливает
и транслирует в широковещательном режиме одновременно на все ЗС, находящиеся в зоне
видимости спутника. Спутник не инициирует и не терминирует никакой пользовательской
информации за исключением сигналов контроля и коррекции возникающих технических
проблем и сигналов его позиционирования. Спутниковая передача начинается в некоторой
ЗС, проходит через спутник, и заканчивается в одной или большем количестве ЗС.
ССС состоит из трех базисных частей: космического сегмента, сигнальной части и наземного
сегмента (рис. 1). Космический сегмент охватывает вопросы проектирования спутника, расчета орбиты и запуска спутника. Сигнальная часть включает вопросы используемого спектра
частоты, влияния расстояния на организацию и поддержание связи, источники интерференции сигнала, схем модуляции и протоколов передачи. Наземный сегмент включает размещение и конструкцию ЗС, типы антенн, используемых для различных приложений, схемы
мультиплексирования, обеспечивающие эффективный доступ к каналам спутника. Космический сегмент, сигнальная часть и наземный сегмент обсуждаются в следующих разделах.
Лекция №11. Космические снимки
Преимущества и ограничения ССС
ССС имеют уникальные особенности, отличающие их от других систем связи. Некоторые
особенности обеспечивают преимущества, делающие спутниковую связь привлекательной
для ряда приложений. Другие создают ограничения, которые неприемлемы при реализации
некоторых прикладных задач.
ССС имеет ряд преимуществ:
Устойчивые издержки. Стоимость передачи через спутник по одному соединению не зависит от расстояния между передающей и принимающей ЗС. Более того, все спутниковые сигналы - широковещательные. Стоимость спутниковой передачи, следовательно, остается
неизменной независимо от числа принимающих ЗС. Широкая полоса пропускания. Малая
вероятность ошибки. В связи с тем, что при цифровой спутниковой передаче побитовые
ошибки весьма случайны, применяются эффективные и надежные статистические схемы их
обнаружения и исправления.
Выделим также ряд ограничений в использовании ССС:
Значительная задержка. Большое расстояние от ЗС до спутника на геосинхронной орбите
приводит к задержке распространения, длиной почти в четверть секунды. Эта задержка
вполне ощутима при телефонном соединении и делает чрезвычайно неэффективным использование спутниковых каналов при неадаптированной для ССС передаче данных. Размеры
ЗС. Крайне слабый на некоторых частотах спутниковый сигнал, доходящий до ЗС (особенно
для спутников старых поколений), заставляет увеличивать диаметр антенны ЗС, усложняя
тем самым процедуру размещения станции. Защита от несанкционированного доступа к
информации. Широковещание позволяет любой ЗС, настроенной на соответствующую частоту, принимать транслируемую спутником информацию. Лишь шифрование сигналов, зачастую достаточно сложное, обеспечивает защиту информации от несанкционированного
доступа. Интерференция. Спутниковые сигналы, действующие в Ku- или Ka-полосах частот
(о них ниже), крайне чувствительны к плохой погоде. Спутниковые сети, действующие в Cполосе частот, восприимчивы к микроволновым сигналам. Интерференция вследствие плохой погоды ухудшает эффективность передачи в Ku- и Ka-полосах на период от нескольких
минут до нескольких часов. Интерференция в С-полосе ограничивает развертывание ЗС в
районах проживания с высокой концентрацией жителей.
Влияние упомянутых преимуществ и ограничений на выбор спутниковых систем для частных сетей довольно значительно. Решение об использовании ССС, а не распределенных
наземных сетей, всякий раз необходимо экономически обосновать. Все более возрастающую
конкуренцию ССС составляют оптоволоконные сети связи.
11.5.2. КОСМИЧЕСКИЙ СЕГМЕНТ
Современные спутники связи, используемые в коммерческих ССС, занимают геосинхронные
орбиты, в которых период орбиты равен периоду отметки на поверхности Земли. Это становится возможным при размещении спутника над заданным местом Земли на расстоянии
35800 км в плоскости экватора.
Большая высота, требуемая для поддержания геосинхронной орбиты спутника, объясняет
нечувствительность спутниковых сетей к расстоянию. Длина пути от заданной точки на Земле через спутник на такой орбите до другой точки Земли в четыре раза больше расстояния по
поверхности Земли между двумя ее максимально удаленными точками.
Лекция №11. Космические снимки
В настоящее время наиболее плотно занятая орбитальная дуга равна 76о (приблизительно; 67о
по 143о западной долготы). Спутники этого сектора обеспечивают связь стран Северной,
Центральной и Южной Америки.
Главными компонентами спутника являются его конструкционные элементы; системы
управления положением, питания; телеметрии, трекинга, команд; приемопередатчики и антенна.
Структура спутника обеспечивает функционирование всех его компонентов. Предоставленный сам себе спутник в конечном счете перешел бы к случайным вращениям, превратившись
в бесполезное для обеспечения связи устройство. Устойчивость и нужная ориентация антенны поддерживается системой стабилизации. Размер и вес спутника ограничены в основном
возможностями транспортных средств, требованиями к солнечным батареям и объему топлива для жизнеобеспечения спутника (обычно в течение десяти лет).
Телеметрическое оборудование спутника используется для передачи на Землю информации
о его положении. В случае необходимости коррекции положения, на спутник передаются соответствующие команды, по получении которых включается энергетическое оборудование и
коррекция осуществляется.
Ширина полосы
Ширина полосы (bandwidth) спутникового канала характеризует количество информации,
которую он может передавать в единицу времени. Типичный спутниковый приемопередатчик имеет ширину полосы 36 МГц на частотах от 4 МГц до 6 МГц.
Обычно ширина полосы спутникового канала велика. Например, один цветной телевизионный канал занимает полосу 6 МГц. Каждый приемопередатчик на современных спутниках
связи поддерживает полосу в 36 МГц, при этом спутник несет 12 или 24 приемопередатчиков, что дает в результате 432 МГц или 864 МГц, соответственно.
Спектр частот
Спутники связи должны преобразовывать частоту получаемых от ЗС сигналов перед ретрансляцией их к ЗС, поэтому спектр частот спутника связи выражен в парах. Из двух частот
в каждой паре, нижняя используется для передачи от спутника к ЗС (нисходящие потоки),
верхняя - для передачи от ЗС на спутник (восходящие потоки). Каждая пара частот называется полосой.
Современные спутниковые каналы чаще всего применяют одну из двух полос: C-полосу (от
спутника к ЗС в области 6 ГГц и обратно в области 4 ГГц), или Ku-полосу (14 ГГц и 12 ГГц,
соответственно). Каждая полоса частот имеет свои характеристики, ориентированные на
разные задачи связи (таблица 1).
Спутниковые диапазоны полос передачи, L (GHz)
Полоса, С
(MHz)
Диапазон частот, Ku
(GHz)
Доступная ширина, Ka
(Hz)
1.6/1.5
15
6/4
500
14/12
500
30/120
2500
Большинство действующих спутников используют C-полосу. Передача в С-полосе может
покрывать значительную область земной поверхности, что делает спутники особенно пригодными для сигналов широковещания. С другой стороны, сигналы С-полосы, являются относительно слабыми и требуют развитых и достаточно дорогих антенн на ЗС. Важная особенность сигналов С-полосы - их устойчивость к атмосферному шуму. Атмосфера земли почти прозрачна для сигналов в диапазоне 4/6 ГГц. К сожалению, этим же фактором обусловлено то, что сигналы С-полосы более всего подходят для наземных двухточечных микровол-
Лекция №11. Космические снимки
новых передач, портящих более слабые спутниковые сигналы. Данное обстоятельство заставляет размещать ЗС, использующие при передаче С-полосу, за много километров от городских центров и мест плотного проживания населения.
Передача в Ku-полосе имеет противоположные свойства. Луч при такой передаче сильный,
узкий, что делает передачу идеальной для двухточечных соединений или соединений от точки к нескольким точкам. Наземные микроволновые сигналы никоим образом не влияют на
сигналы Ku-полосы, и ЗС Ku-полосы могут быть размещены в центрах городов. Естественная большая мощность сигналов Ku-полосы позволяет обойтись меньшими, более дешевыми
антеннами ЗС. К сожалению, сигналы Ku-полосы чрезвычайно чувствительны к атмосферным явлениям, особенно туману и сильному дождю. Хотя подобные погодные явления, как
известно, воздействуют на небольшую область в течение краткого времени, результаты могут быть достаточно серьезны, если такие условия совпадают с ЧНН (час наибольшей
нагрузки, например 4 часа пополудни, полдень пятницы).
Передача речи и данных
Мультиплексирование с разделением частот (FDM) широко используется для мультиплексирования нескольких речевых каналов или каналов данных на один спутниковый приемопередатчик.
В FDM волновая форма каждого индивидуального телефонного сигнала фильтруется для
ограничения ширины полосы диапазоном звуковых частот между 300 и 3400 Гц, затем преобразуется. Далее сигналы двенадцати каналов мультиплексируются в составной сигнал основной полосы. Каждая группа составлена из телефонных сигналов, размещенных в интервалах с шириной полосы равной 4 кГц. Затем несколько групп повторно мультиплексируются и формируют большую группу, которая может содержать от 12 до 3600 отдельных речевых каналов.
Мультиплексирование с временным разделением (TDM) - другой метод для передачи речи
и/или данных по одному каналу. Если в FDM для передачи речевого сигнала (или данных)
назначаются отдельные сегменты частоты внутри всей полосы, в методе TDM передача ведется по всей выделенной полосе частот. В исходящем канале повторяемые базовые временные периоды, называемые иногда фреймами (frame), разделены на фиксированное число тактов, которые выделяются последовательно для передачи сигналов входящих речевых каналов и каналов данных. Для предохранения от возможных потерь информации используются
накопители (буферы).
Система Aloha
Влияние разработанного в Гавайском университете в начале 1970-х протокола множественного доступа Aloha (известного также под названием система Aloha) на развитие спутниковых и локальных сетей связи трудно переоценить.
В данной системе ЗС используют пакетную передачу по общему спутниковому каналу. В
любой момент времени каждая ЗС может передавать лишь один пакет. Поскольку спутнику
по отношению к пакетам отведена роль ретранслятора, всегда, когда пакет одной ЗС достигает спутника во время трансляции им пакета некоторой другой ЗС, обе передачи накладываются (интерферируют) и "разрушают" друг друга. Возникает требующая разрешения конфликтная ситуация.
В соответствии с ранним вариантом системы Aloha, известной под названием "чистая система Aloha", ЗС могут начать передачу в любой момент времени. Если спустя время распространения они прослушивают свою успешную передачу, то заключают, что избежали кон-
Лекция №11. Космические снимки
фликтной ситуации (т.е. тем самым получают положительную квитанцию). В противном
случае они знают, что произошло наложение (или, быть может, действовал какой-либо другой источник шума) и они должны повторить передачу (т.е. получают отрицательную квитанцию). Если ЗС сразу же после прослушивания повторят свои передачи, то наверняка
опять попадут в конфликтную ситуацию. Требуется некоторая процедура разрешения конфликта для того, чтобы ввести случайные задержки при повторной передаче, и разнести во
времени вступающие в конфликт пакеты.
Другой вариант системы Aloha состоит в разбиении времени на отрезки - окна, длина которых равна длине одного пакета при передаче (предполагается, что все пакеты имеют одну и
ту же длину). Если теперь потребовать, чтобы передача пакетов начиналась только в начале
окна (время привязано к спутнику), то получится двойной выигрыш в эффективности использования спутникового канала, т.к. наложения при этом ограничиваются длиной одного
окна (вместо двух, как в чистой системе Aloha). Эта система называется синхронной системой Aloha (рис. 2).
Рисунок 2.
Период уязвимости для системы Aloha.
Третий подход базируется на резервировании временных окон по требованию ЗС.
Читатели, знакомые с протоколами множественного доступа в локальных сетях, поймут, что
описанная система Aloha является предшественником используемого в сетях Ethernet протокола множественного доступа с проверкой несущей и обнаружением конфликтов (CSMA-CD
- Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection). Особенность протокола CDMA-CD
заключается в возможности быстрого определения конфликтов (в течение микро- и даже
наносекунды) и мгновенного прекращения передачи. На спутниковых каналах из-за большого времени распространения оперативное прекращение передачи заведомо испорченных пакетов, к сожалению, невозможно.
Другим усовершенствованием системы Aloha может служить назначение приоритетов для
ЗС с большой интенсивностью нагрузки.
Наземный сегмент
Технологическое развитие привело к значительному уменьшению размеров ЗС. На начальном этапе спутник не превышал нескольких сотен килограммов, а ЗС представляли собой
гигантские сооружения с антеннами более 30 м в диаметре. Современные спутники весят несколько тонн, а антенны, зачастую не превышающие 1 м в диаметре, могут быть установлены в самых разнообразных местах. Тенденция уменьшения размеров ЗС вместе с упрощением установки оборудования приводит к снижению его стоимости. На сегодняшний день стоимость ЗС является, пожалуй, главной характеристикой, определяющей широкое распространение ССС. Преимущество спутниковой связи основано на обслуживании географически удаленных пользователей без дополнительных расходов на промежуточное хранение и
коммутацию. Любые факторы, понижающие стоимость установки новой ЗС, однозначно содействуют развитию приложений, ориентированных на использование ССС. Относительно
Лекция №11. Космические снимки
высокие издержки развертывания ЗС позволяют наземным волоконно-оптическим сетям в
ряде случаев успешно конкурировать с ССС.
Следовательно, главное преимущество спутниковых систем состоит в возможности создавать сети связи, предоставляющие новые услуги связи или расширяющие прежние, при этом
с экономической точки зрения преимущество ССС обратно пропорционально стоимости ЗС.
В зависимости от типа, ЗС имеет возможности передачи и/или приема. Как уже отмечалось,
фактически все интеллектуальные функции в спутниковых сетях осуществляются в ЗС. Среди них - организация доступа к спутнику и наземным сетям, мультиплексирование, модуляция, обработка сигнала и преобразование частот. Отметим, наконец, что большинство проблем в спутниковой передаче решается оборудованием ЗС.
В настоящее время выделяются четыре типа ЗС. Наиболее сложными и дорогостоящими являются ориентированные на большую интенсивность пользовательской нагрузки ЗС с очень
высокой пропускной способностью. Станции такого типа предназначены для обслуживания
пользовательских популяций, требующих для обеспечения нормального доступа к ЗС волоконно-оптических линий связи. Подобные ЗС стоят миллионы долларов.
Станции средней пропускной способности эффективны для обслуживания частных сетей
корпораций. Размеры подобных сетей ЗС могут быть самыми разнообразными в зависимости
от реализованных приложений (передача речи, видео, данных). Различаются два типа корпоративных ССС.
Развитая корпоративная ССС с большими капиталовложениями обычно поддерживает такие
услуги, как видеоконференция, электронная почта, передача видео, речи и данных. Все ЗС
такой сети имеют одинаково большую пропускную способность, а стоимость станции доходит до 1 миллиона долларов.
Менее дорогостоящим типом корпоративной сети является ССС большого числа (до нескольких тысяч) микротерминалов (VSAT - Very Small Aperture Terminal) связанных с одной
главной ЗС (MES - Master Earth Station). Данные сети ограничиваются обычно приемом/передачей данных и приемом аудио-видеоуслуг в цифровом виде. Микротерминалы
общаются между собой посредством транзита с обработкой через главную ЗС. Топология
таких сетей является звездообразной.
Четвертый тип ЗС ограничен возможностями приема. Это самый дешевый вариант станции,
поскольку ее оборудование оптимизируется под предоставление одной или нескольких конкретных услуг. Данная ЗС может быть ориентирована на прием данных, аудиосигнала, видео
или их комбинаций. Топология также звездообразная.
Международные консорциумы в ССС
Intelsat
Консорциум Intelsat (The International Telecommunications Satellite Organization) - старейший
и наиболее крупный - образован в 1965 году с целью предоставления государствамучастникам консорциума (в основном - развивающимся странам) современных технологий
связи. Intelsat - это организация, включающая более 120 стран полных участников и около 60
стран - ассоциированных участников.
Первый коммерческий спутник Early Bird был выведен Intelsat на орбиту в апреле 1965 году.
К июню того же года спутник официально начал передачу по 240 телефонным каналам, что
эквивалентно одному телевизионному каналу по ширине полосы. Intelsat быстро вырос до
крупнейшей ССС с 18 спутниками, располагающимися над Атлантикой, Индийским и Тихим
Лекция №11. Космические снимки
океанами. В настоящее время базовыми спутниками Intelsat являются мощнейшие Intelsat
VIII и Intelsat-К, значительно превосходящие по своим характеристикам первый Early Bird.
Так в сравнении даже с Intelsat VI, оборудованным 48 приемопередатчиками, Intelsat VIII
имеет 36 С-полос и 10 Ku-полос и поддерживает сотни тысяч телефонных каналов. Цена
спутника на один канал с 100 тыс. долл. снизилась до нескольких тысяч, а цена минуты использования канала абонентом, составлявшая ранее 10 долл. понизилась до 1 доллара. Мощность солнечных батарей Intelsat VIII составляет 4 КВт, т.е. возросла по сравнению с Intelsat
VI на 54% и, соответственно, в 4 раза по сравнению с Intelsat V.
Eutelsat
Консорциум Eutelsat (The European Telecommunications Satellite Organization) был образован
1977 году для передачи телефонных вызовов и европейских телевизионных программ на
континенте. В 1994 году участниками Eutelsat были 36 государств Европы, в настоящее время страны восточной Европы становятся полноправными участниками консорциума.
Современная технологическая программа Eutelsat базируется на мощных спутниках Eutelsat
II, а в дальнейшем, начиная с 1998 году будет переориентирована на спутники третьего поколения Eutelsat III, предоставляющие расширенные операционные возможности и предназначенные для использования в первом десятилетии следующего века.
Inmarsat
Консорциум Inmarsat (The International Marine Satellite Organization) образован в 1979 году по
просьбе Международной морской организации (IMO) со штаб-квартирой в Лондоне с целью
организации спутниковой связи для подвижных объектов (морских судов и авиационной
техники). Организация включает 64 государства, содержит 20 крупных, размещенных по
всему миру фиксированных ЗС и позволяет одновременно обслуживать до 10 тыс. подвижных объектов.
Тенденции технологии
Последние достижения технологии в области спутниковой связи говорят о больших потенциальных возможностях ССС в расширении пропускной способности каналов передачи, разработке и внедрении новых служб связи. Будущее ССС за широкополосными широковещательными приложениями и спутниковыми системами подвижной связи.
В ряды крупных консорциумов и организаций, ориентированных на геосинхронные спутники, активно вливаются новые участники, предлагающие услуги сетей подвижных связи и использующие низкоорбитальные спутниковые системы (LEO - Low Earth Orbit). Системы
LEO, разрабатываемые рядом американских фирм, используют большое число легких спутников на орбитах ниже 2 тыс. км для организации услуг по передаче сообщений и речи,
определению местонахождения и срочных коммуникаций между мобильными терминалами.
В отличие от наземных сотовых сетей подвижной связи, в которых абонент последовательно
перемещается через смежные соты небольшого размера, в системе LEO подобная "сота"
ограничена лишь горизонтом земли. Низкая орбита спутников резко сокращает задержку по
сравнению с системами, ориентированными на геосинхронные орбиты спутников.
Одним из наиболее амбициозных проектов системы LEO является система Iridium, разрабатываемых компанией Motorola, которая включает 66 спутников, позволяющих обеспечить
двухстороннюю радиотелефонную речевую связь. В принципе, нет никаких технических
препятствий для полного развертывания системы Iridium, однако глобальный характер и
возможность функционирования вне национальных телефонных сетей предполагают предварительное изучение и установление необходимых регулирующих барьеров. Крупные инве-
Лекция №11. Космические снимки
стиции в проект Iridium сделаны рядом компаний, среди которых Motorola, Nippon Iridium,
Lockheed/Raytheon, Sprint и China Great Wall Industry.
В ряду других крупных проектов систем LEO отметим Globalstar, Odyssey, Ellipso и Aries.
В заключение отметим, что ССС постоянно и ревниво сравниваются с волоконнооптическими сетями связи. Внедрение этих сетей ускоряется в связи с быстрым технологическим развитием соответствующих областей волоконной оптики, что заставляет задаться
вопросом о судьбе ССС. Посоветуем любителям спутниковой связи оставаться оптимистами:
эволюционно/революционным преобразованиям подвержены, как следовало ожидать, и
ССС. Например, разработка и, главное, внедрение конкатенирующего (составного) кодирования резко уменьшают вероятность возникновения неисправленной побитовой ошибки, что,
в свою очередь, позволяет преодолеть главную проблему ССС - туман и дождь. Бррр!
Под оперативным мониторингом понимаются задачи дистанционного зондирования
Земли с разрешением больше 10 м на пиксель, т.е. тяготеющим более к тематическому де
шифрованию масштабов 1:100 000 и более мелких, нежели к детальным (масштабы крупнее
1:100 000) катографо-топографическим задачам.
Лидерами по реализации космосъемок являются Spot Image (Франция - серия спутников SPOT) и Space Imaging EOSAT (США - серия спутников LandSat), имеющая в том числе
и исключительные права по реализации данных с индийского спутника серии IRS. Российские спутники серии Ресурс-0 имеют 3 спутника (SPOT - 3, LandSat - 5).
На серии IRS стоит сканер WIFS, обеспечивающий спектральную съемку с разрешение 180 м, МСУ-СК с Ресурс-03 обеспечивает 150 м. Американский Resourse-21 объявил об
оснащении камерой с разрешением 10, 20 и 100 м.
Наземный сегмент лидирующих космических программ представляет собой до двух
десятков приемных комплексов, расположенных по всему миру, стоимостью до нескольких
миллионов долларов.
Сегодня наблюдается взрывной интерес к ДДЗ. Новые страны выступают с программами (Индия, Германия, Китай, Израиль).
если стоят традиционные камеры, то отснятые пленки сбрасывают на землю в контейнерах
если какие-нибудь электронные камеры (типа той, что у Грудина, но с лучшим разрешением), то с нее можно передать инфо по телекоммуникационному каналу
если стоят решетки или линейки фотоприемников, то данные передают по телеком. каналу
на землю