6.4. Параметри орбіт штучних супутників Землі

Результати космічних зйомок залежать від великої кількості факторів, найважливішими з яких є параметри орбіти супутника й характеристики цільової апаратури ДЗЗ.

ШСЗ виводяться на кругові або на еліптичні орбіти. Для моніторингу земної поверхні надають перевагу круговим орбітам, оскільки це дозволяє вести зйомки з однієї й тієї ж висоти. Це значно спрощує геометричну корекцію отриманих зображень.

Висота орбіти, що представляє собою відстань від супутника до поверхні Землі, суттєво впливає на результати ДЗЗ. Від неї залежать такі характеристики зображення, як смуга огляду й просторова розподільна здатність. Чим вище супутник перебуває над поверхнею Землі, тим більша потенційна смуга огляду й тем нижче ПРЗ.

Висота еліптичної орбіти змінюється від rmin, для перигею (мінімально віддалена від центру Землі точка на орбіті) до rmах в апогеї (максимально віддалена від центру Землі точка на орбіті). Апогей і перигей лежать на фокальній осі орбіти на відстані, що дорівнює великій осі еліпса. Чим менше різниця між rmin і rmах, тем ближче орбіта до кругової. Відзначимо, що орбіти реальних ШСЗ ніколи нс бувають строго круговими, але при малій різниці rmах і rmin їх можна вважати майже круговими.

Для оцінки періодичності покриття супутником певної території важливе значення має період обернення Т космічного апарата навколо Землі, тобто відрізок часу, за який супутник робить один повний оборот, а також довготний зсув траси за цей період, що обчислюється за формулою:

, (6.2)

де c - кутовашвидкість обертання Землі, що дорівнює7,292 х 10⁵с^-1.

Довготний зсув траси постійний для кожного витка. Таким чином, знаючи координати проекції траси на земну поверхню для одного витка, можна легко продовжити її для наступних витків шляхом послідовного переміщення всіх точок на величину, кратну Δλ.

Для супутників, що перебувають на круговій орбіті з висотою 35800 км, період обертання буде рівний 24 год. Якщо при цьому i = 0, то супутник, обертаючись у східному напрямку, буде увесь час залишатися над однією й тією ж точкою на екваторі. Такі орбіти називаються геостаціонарними. Геостаціонарні супутники звичайно використовуються в системах космічного зв'язку й метеорології. Поле зору таких супутників обмежено 50° північної широти і 50° південної широти.

Часто при розв'язанні прикладних завдань потрібно зіставляти відомості, що отримані в ході багаторічних спостережень тих самих районів. У цих випадках використовуються сонячно-синхронні орбіти, що забезпечують дотримання однакових умов освітленості при проведенні зйомок. Рух супутника по такій орбіті синхронізується з обертанням Землі навколо своєї осі, а прецесія (поворот площини орбіти навколо полярної осі) - з обертанням Землі навколо Сонця. У результаті кут між площиною орбіти й напрямком на Сонце залишається приблизно постійним. Розрізняють ранкові, полуденні й сутінкові сонячно-синхронні орбіти.

6.5. Активні й пасивні методи зйомки

У цей час розроблене багато різних приладів ДЗЗ. Головна перевага сучасних систем ДЗЗ полягає в тому, що ЕМ випромінювання, що реєструється, відразу перетвориться в цифровий вид. Такі зображення доступні для комп'ютерної обробки, їх простіше розмножувати й архівувати. Цифрові системи ДЗЗ дозволяють передавати дані в режимі реального часу, що суттєво підвищує оперативність збору даних.

Одна з головних ознак класифікації систем ДЗЗ полягає в розділенні їх на пасивні системи(скануючі, оптикоелектронні), що реєструють природне випромінювання, іактивні(радіолокаційні, лазерні), що самі генерують випромінювання, і потім аналізують його відбиту частину. Лазерні установки (лідари) в основному використовуються для зондування атмосфери й океану.

Серед пасивних можна виділити системи, що реєструють відбиту сонячну радіацію, і системи, що реєструють теплове випромінювання від об'єктів, температура яких не дорівнює абсолютному нулю. Активні системи можуть використовувати будь-який тип випромінювання, однак на практиці будь-яка активна система повинна функціонувати в одному зі спектральних вікон прозорості атмосфери.

Скануючі оптико-електронні системиз'явились в середині 70-х років і до кінця 80-х майже повністю витиснули традиційні фотографічні й телевізійні системи. Сьогодні вони є основними постачальниками даних ДЗЗ при розв'язку завдань природно-ресурсного й екологічного моніторингу.

В оптико-електронних системах випромінювання попадає на відповідні датчики, які генерують електричний сигнал, що залежить від інтенсивності випромінювання. У якості одноелементних датчиків оптико-електронних систем виступають фотодіоди. Щоб одержати зображення, необхідно з'єднати велику кількість одноелементних датчиків або сканувати ціль одним датчиком. Перший варіант можна реалізувати на основі фотодіодів. Обладнання такого типу називається приладом із зарядовим зв'язком (ПЗЗ).Конструктивно ПЗЗ являє собою матрицю з ідентичних фотодіодних елементів. ПЗЗ можуть бути лінійними й планарними.

Одноелементний датчик при формуванні зображення обертається для сканування рядка (рис. 6.4, а). Для одержання зображення з використанням лінійного ПЗЗ лінійка, орієнтована поперек напрямку руху супутника, переміщається разом з ним, послідовно зчитуючи сигнал, пропорційний освітленості різних ділянок поверхні й хмар (рис. 6.4, б).

Планарний ПЗЗ формує плоске зображення (рис. 6.4, в). Необхідно забезпечити достатній час, щоб певна кількість фотонів потрапила на датчик. Якщо датчик перебуває в русі відносно цілі, то застосовується покрокове формування зображення, щоб запобігти розмиванню.

Рисунок 6.4. Схеми формування зображення: а- одноелементним датчиком, б -лінійним ПЗЗ, в - планарним ПЗЗ

Радіолокаційні системи на відміну від пасивних систем ведуть активне зондування Землі. Вони посилають до земної поверхні в перпендикулярному до польоту супутника напрямку вузькоспрямовані високочастотні імпульсні пучки ЕМ хвиль. Відбиті від земної поверхні пучки (радіолуна) знову приймаються антеною радара, перетворюються у відеосигнал і записуються в цифровій формі на носій інформації. Інтенсивність і характер радіолуни залежить від структури поверхні й речовинного складу природних об'єктів. Особливості радіолуни передаються на радіолокаційних знімках градаціями тонів і текстурою зображення. Довжина хвилі, що використовується в РЛС, визначає разом з іншими параметрами ( кут візування, структура поверхні, її діелектричні властивості та ін.) проникаючу здатність випромінювання, яка тим вища, чим більша довжина хвилі. Дані, отримані в радіодіапазоні, найбільш перспективні для одержання відомостей про ґрунт і геологічні структури, при вивченні водойм, льодів на суші й воді, в океанології.

До засобів радіолокаційного зондування відносять також висотомірий скаттерометри (вимірювачі характеристик розсіювання). Радіолокаційні висотоміри застосовують для виміру висотного профілю поверхні з точністю 2-8 см, а також для одержання інформації про форму морської поверхні, гравітаційних аномалій, висоту хвиль, швидкість вітру, рівні приливів, швидкості поверхневих течій і т.д.

Принцип дії скаттерометрів заснований на залежності ефективної площі розсіювання морської поверхні і її анізотропії від швидкості й напрямку вітру. Основним їхнім призначенням є визначення синоптичного поля вітру, що не вимагає високої просторової роздільної здатності.

До переваг радіолокаційних систем належить:

- Результати радарної зйомки не залежать від погоди й природної освітленості, тому вони незамінні там, де хмарний покрив постійно або тривалий час перешкоджає зйомкам іншими методами.

- Можливість одержання зображення земної поверхні, схованої рослинністю.

- Можливість визначення діелектричних властивостей поверхневого шару.

Для ДЗЗ найчастіше використовуються радари бічного огляду з реальною апертурою антени (SLR) і радари із синтезованою апертурою (SAR). SLR-системи в основному використовують на авіаційних платформах, тому що азимутальна розрізнююча здатність залежить від висоти, на якій працює така система, отож, розрізнююча супутникових SLR низька.

Для поліпшення азимутальної розрізнюючої здатності потрібно застосовувати антену більшої довжини. Замість фізичного подовження антени SAR- системи використовують рух платформи. Протягом деякого інтервалу часу Т антена проходить відстань vt, де v-швидкість платформи. Якщо за цей час антеною був прийнятий сигнал, то це рівноцінно прийманню сигналу антеною довжиною vt. Ця ідея й називається синтезованою апертурою. Таким чином, більш висока азимутальна розрізнююча здатність досягається за рахунок когерентної обробки відбитих сигналів, прийнятих протягом певного терміну за рахунок руху супутника. Усі сучасні космічні РЛС - це SAR-системи.

Стримуючими факторами розвитку РЛС були габарити, складність і висока їх вартість. З 90-х років минулого століття спостерігається підвищення інтересу до розробки й використання радіолокаційних методів. До найбільш відомих космічних систем, оснащених радіолокаційною апаратурою ДЗЗ, належать ERS, Envisat (Європа), Alos (Японія), Radarcat (Канада) і ін.