Методы разработки космических аппаратов для обеспечения качества информации дистанционного зондирования Земли тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.01, кандидат технических наук Горбунов, Александр Викторович

• Горбунов, Александр Викторович
• кандидат технических наук
• 2002

Оглавление диссертации кандидат технических наук Горбунов, Александр Викторович

Введение

Глава 1. Функциональная зависимость между показателями качества информации ДЗЗ и параметрами космической платформы

1.1. Способы получения информации ДЗЗ, целевые задачи КА ДЗЗ

1.2. Периодичность наблюдения и целевое назначение КА

1.3. Параметры качества космической информации ДЗЗ

1.4. Связи между требованиями к космической информации ДЗЗ и характеристиками бортовой космической платформы

1.4.1. Периодичность наблюдения - Тип орбиты

1.4.2. Пространственное разрешение - Высота орбиты - Стабильность высоты орбиты - Коррекция орбиты

1.4.3. Пространственное разрешение - Стабилизация положения осей КА на орбите во время съемки - Определение углового положения осей КА

1.4.4. Пространственное разрешение - Конструкция КА

1.5. Требования к космической платформе со стороны ракеты-носителя

Глава 2. Космические аппараты ДЗЗ: анализ и классификация, особенности построения

2.1. Анализ и классификация КА ДЗЗ по совокупному критерию пространственного разрешения, полосы захвата и периодичности наблюдения земной поверхности

2.1.1. Космические аппараты ДЗЗ для глобального наблюдения ( класс «Г» )

2.1.2. Космические аппараты ДЗЗ для регионального наблюдения (класс «Р»)

2.1.3. Космические аппараты ДЗЗ для детального наблюдения ( класс «Л» )

2.2. Особенности построения КА ДЗЗ

2.2.1. Бортовой информационный комплекс и служебная платформа.

2.2.2. Комплекс географической привязки информации и его место в составе КА

Глава 3. Алгоритмы проектирования космического аппарата ДЗЗ на базе системного анализа соответствия ее характеристик требованиям бортового информационного комплекса

3.1. Алгоритмы проектирования космического аппарата ДЗЗ

3.2. Компоновка КА средствами САПР и решение на ее базе отдельных задач проектирования

3.2.1. Создание трехмерной модели КА и его космической платформы

3.2.2. Создание оптической схемы КА ( анализ полей обзора оптических приборов и зон радиовидимости АФУ )

3.2.3. Создание силовой схемы КА ( прочностной расчет )

Глава 4. Результаты реализации алгоритмов проектирования КА

4.1. Проектирование унифицированной космической платформы (УКП) класса «мини»для КА ДЗЗ

4.1.1. Анализ КА ДЗЗ на базе единой космической платформе

4.1.2. Концепция создания унифицированной космической платформы

4.1.3. Назначение, состав и особенности унифицированной космической платформы УМКП

4.1.4. Основные тактико-технические характеристики УМКП

4.1.5. Массово-энергетическая сводка УКП

4.1.6. Компоновочная схема УМКП

4.1.7. Функциональная схема УМКП

4.1.8. Основные ограничения при создании КА на базе УМКП

4.2. Космические аппараты, разработанные на базе УМКП

4.2.1. КА гидрометеорологического мониторинга Земли «Метеор-М»

4.2.2. КА детального природоресурсного мониторинга Земли «Ресурс-02Д»

4.2.3. КА обзорного природоресурсного мониторинга Земли «Ресурс-02С»

4.2.4. КА детального экоприродного мониторинга Земли «Сеперх»

4.3. Решение отдельных задач

4.3.1. Поверочная компоновка КА «Ресурс-01» №3 и КА «Электро»

4.3.2. Моделирование задач отделения микроспутников "FASAT-Bravo" и TMSAT от КА «Ресурс-01» №

4.3.3. Моделирование процесса работы корректирующей двигательной установки на КА «Элекгро»

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Методы разработки космических аппаратов для обеспечения качества информации дистанционного зондирования Земли»

В результате длительного развития и эксплуатации бортовых и наземных средств дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ ) из космоса в последние 10-15 лет происходит резкое расширение номенклатуры задач ДЗЗ, числа потребителей космической информации и круга стран - операторов, владеющих собственными космическими средствами. В этот круг кроме основоположников - СССР ( Россия), США, Франция, вошли Япония, Китай, Индия, объединенная Европа в лице Европейского Космического Агентства ( ESA ), Канада, Израиль. Многие быстро развивающиеся страны стремятся не только поставить у себя на территории станции приема информации ДЗЗ с космических аппаратов ( КА ) зарубежных стран, но и получить в свое распоряжение специализированные спутники, созданные по их заказам в более развитых космических державах или созданные ими самими на основе приобретенных зарубежных технологий.

Помимо глобальных наблюдений, имеющих огромное значение в области гидрометеорологических, гелиогеофизических наблюдений Земли и околоземного пространства, все большее распространение приобретают способы оперативного получения и использования информации о поверхности Земли регионально - локального масштаба. Это достигается за счет значительного повышения информативности бортовой аппаратуры, расширения сети пунктов приема космической информации на местах и использование режима непосредственной передачи от КА информации для решения задач мониторингового и экологического характера.

Таким образом космические средства получения информации ДЗЗ стали одним из важнейших инструментов оперативного и длительного изучения процессов, протекающих в атмосфере и на поверхности Земли. Заинтересованность в космической информации приобрела поистине всемирный характер.

Коллектив ВНИИЭлектромеханики вложил большой теоретический и практический вклад в создание, совершенствование и обеспечение эксплуатации нескольких поколений космических аппаратов для оперативного дистанционного зондирования Земли и атмосферы на базе спутниковых платформ с точными электромеханическими системами ориентации и стабилизации.

Фундаментальные основы теории и практической реализации космических платформ для КА ДЗЗ представлены в многочисленных научных трудах сотрудников ВНИИЭМ академиков А.Г.Иосифьяна, Н.Н.Шереметьевского, профессоров и ученых Ю.В.Трифонова, Д.М.Вейнберга, И.Е.Сахарова, Г.Л.Людина, О.М.Мирошника, И.А.Вевюрко, В.П.Ходненко, Б.А.Осадина и других . 6

Современное состояние развития космической техники дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ ) и атмосферы. Космические системы ДЗЗ детального разрешения.

Последние годы характеризуются повышением разрешающей способности и радиометрической точности информационной аппаратуры КА, специализацией КА по решаемым задачам путем использования более узких спектральных каналов.

Так Соединенные Штаты Америки приняли решительные меры по совершенствованию базового КА "Landsat" (№ 7) - повышению пространственного разрешения его мультиспектральной аппаратуры до 10-15 метров с одновременным повышением ее радиометрической точности при обеспечении оперативности доставки информации и резкого снижения стоимости этой информации на рынке данных ДЗЗ. Цены на нее, по сравнению с информацией от КА "Spot-5", снизились почти на два порядка и составляют теперь примерно 1 рубль за квадратный километр многоспектрального цифрового изображения с пространственным разрешением 15 м.

Одновременно в США стали разрабатываться и запускаться относительно малые ( до 1000 кг) космические аппараты с приборами ДЗЗ детального разрешения (до 1 -5 м). Ряд подобных малых КА ДЗЗ разрабатывается в России и в других странах - Англии (SSTL), Германии, Израиле и др. Некоторые из этих КА и характеристики их информационных приборов высокого разрешения приведены в таблице I

Однако, создание и последующая эксплуатация многочисленных КА сверх высокого (детального) разрешения с высокоинформативными потоками данных, принимать которые способны лишь крупные и дорогие наземные станции, позволит решать далеко не все практические задачи изучения природных ресурсов и, особенно эколого-природного мониторинга из космоса. По оценке Дж. П. Конзена [ 21 ] такие услуги, оказываемые КА ДЗЗ, составляли в 1995-2000г.г. около половины общего объема мировых заказов государственных и частных потребителей. 8

Следует также отметить, что необходимая для КА детального наблюдения централизованная организация приема и обработки больших потоков информации требует и централизации сбора заявок потребителей на получение информации с определенных районов и соответственно такого же распространения (доставки) этой информации заказчикам. Такая система неизбежно вызывает дополнительные задержки и потери при удовлетворении заявок. По этим причинам о действительной оперативности и полноте мониторинга для таких КА говорить трудно. Космические системы ДЗЗ среднего разрешения.

Задачи постоянного мониторинга в интересах экологии, обеспечения безопасности при крупных природных катастрофах, в интересах глубокого изучения окружающей среды для многочисленных направлений хозяйственной деятельности человека, требуют достаточно высокой оперативности и частого обновления региональной, а тем более, глобальной космической информации. Решение этой проблемы в мировой технике известно - это создание космической информационной аппаратуры среднего разрешения (150-500 м) в широких полосах захвата.

Опыт создания подобных космических систем в России на примере КА «Ре-сурс-01» №3 и №4 показал высокую значимость информации такого класса. Возможность получения и использования этой информации в оперативном режиме на региональном уровне, когда путь к космическим данным сокращен до минимума за счет непосредственной передачи снимаемой со спутника информации на размещенные в регионах станции приема, дал значительный толчок к развитию технологий обработки и анализа космической информации в рамках целевых программ регионов. Значительно выросла сеть малых приемных станций, рассчитанных на прием этой информации в России. Более того, значимость этой информации для потребителя была оценена в зарубежном сообществе. Международная станция приема информации в Кируне (Швеция) провела анализ рынка потребителей космической информации, подтвердила спрос на эту информацию и начала ее прием у себя на договорной основе с последующим распространением среди зарубежных потребителей и передачей всей полученной информации в международный архив космосним-ков в Фучино ( Италия ).

Очевидность необходимости широкополосной аппаратуры среднего разрешения для оперативного мониторинга больших территорий была понята многими 9 разработчиками КА наблюдения Земли и потребителями. Особенно характерна эта тенденция для стран, обладающих большими территориями, в том числе малозаселенными лесными, степными, тундровыми, горными и т.п. регионами, а также крупными районами разведки и добычи полезных ископаемых. Следствием этого явилась активная разработка новых КА в Индии, США и Китае. Характеристики этих аппаратов, выведенных на орбиту в 1997-99г.г. и успешно работающих даны в таблице II.

Особо следует остановиться на КА «Тегга» в котором прямо продолжена многолетняя традиция непрерывной работы в режиме "массового доступа" многоспектрального прибора AVHRR (КА NOAA) и МСУ-СК (КА «Ресурс-01). В КА «Тегга» в таком же режиме работают приборы с разрешением 215-240 и 480 м. Кстати, в России уже принимает эту информацию малая станция НТЦ СКАНЭКС и начинается распространение такой мониторинговой информации потребителям.

11

Основные тенденции развития космической техники на современном этапе. Постоянный рост рейтинга использования космической информации

ДЗЗ в решении прикладных задач.

В последнее время растет число ведомств народного хозяйства, как на уровне министерств, комитетов и агентств, так и на уровне регионов, заинтересованных в получении информации ДЗЗ из космоса. К ним относятся Министерство Природных ресурсов, Федеральная служба России по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды, Федеральная служба геодезии и картографии, Министерство энергетики, Госкомитет РФ по рыболовству, Министерство РФ по делам гражданской обороны, чрезвычайным ситуациям и последствий стихийных бедствий, Министерство сельского хозяйства РФ, Федеральная служба земельного кадастра, Российская академия наук, Министерство обороны и ряд других. Часто задачи, поставленные разными ведомствами, решаются на единой приборной базе за счет специализированной тематической обработки одной и той же информации, получаемой из космоса. Но уже сейчас проявляется повышенный интерес отдельных ведомств к созданию узкоспециализированных космических систем, направленных на решение конкретных тематических задач. Ярким примером является Росгидромет, развивающий собственную систему гидрометеорологического мониторинга Земли на базе низкоорбитальных ( КА «Метеор») и геостационарного ( КА «Электро» ) метеоспутников. Данные, получаемые посредством обработки космической информации, ложатся в основу последующего анализа и прогноза погодных условий.

Все большее внимание космической информации начинает уделять топливно-энергетический комплекс РФ в лице Газпрома. Оптимизация методов прогнозирования месторождений нефти и газа за счет привлечения тематической обработки космической информации позволит существенно снизить расходы на их разведку. Экологический контроль за районами добычи месторождений, мониторинг состояния трубопроводов и анализ состояния грунтов в районах их прокладки позволяют прогнозировать появление аварийных зон и предотвращать техногенные катострофы экологического характера, ущерб от которых может измеряться миллиардами долларов и может нанести непоправимый урон природе.

12

Уже длительное время пользуются космической информацией в МЧС РФ. Разработаны и имеют практическое использование методики анализа снежного покрова и прогнозирования наводнений, методики мониторинга лесных пожаров, прогнозирования направления их распространения и выработки оптимизированных мер по их тушению. В последнее время мир потрясли несколько сильнейших землетрясений, которые унесли тысячи жизней. Важнейшей задачей сегодня является предсказание этих природных катаклизмов за несколько дней. Мониторинг земной поверхности и околоземного пространства с целью выявление предвестников землетрясений - задача, которая сейчас поставлена перед создателями космических систем ДЗЗ.

Выявляется тенденция роста роли информации ДЗЗ в различных отраслях хозяйства, что неизбежно порождает рост разнообразия требований к информации и, как следствие, разнообразия научных приборов. Наступило время осмысления этих требований на новом этапе развития техники и необходимости проведения комплексного анализа и систематизации поставленных разными ведомствами задач. Минимизация массогабаритных и энергетических параметров космической аппаратуры.

За последнее дясятилетие мировая наука и техника пережили бурный всплеск в различных отраслях, что позволило разработчикам космической техники значительно снизить массогабаритные и улучшить энергетические характеристики:

- электронной аппаратуры различного назначения за счет миниатюризации элементной базы при одновременном росте производительности, выходной мощности, скоростей информационного обмена, объемов оперативной и долговременной памяти и т.д.

- приборов ДЗЗ за счет применения новых высокочувствительных, многоэлементных приемников излучения.

- аккумуляторных и солнечных батарей за счет применения новых материалов и технологий.

13

- элементов конструкции за счет использования новых материалов, в т.ч. композиционных материалов, высокоэнергетических магнитов, легких сплавов и т.д.

- космических аппаратов в целом за счет применения негерметичной конструкции корпуса спутника и решения вопросов терморежима работы всех его систем в условиях вакуума.

Это позволило перейти к созданию малых космических аппаратов класса микро (до 100 кг) и класса мини (до 1000 кг).

В классе «микро» были созданы и успешно работали на орбите такие космические аппараты ДЗЗ как "TMSat" и "FASAT-Bravo" ( фирма SSTL - Англия ), "Safir" ( фирма "ОНВ system" - Германия ), "TechSAT" ( технический университет Израиля "Technion") и другие весом по 60-70 кг

В классе «мини» прекрасно зарекомендовал себя КА "Ikonos" ( США ) весом порядка 700 кг, позволяющий проводить съемку поверхности Земли с разрешением порядка 1 м в полосе 12 км.

В России только намечается переход к КА ДЗЗ класса «мини», лежащим в размерности 700-900 кг. В результате ряда конкурсов, проведенных Росавикосмосом, появились проекты создания новых типов КА природноресурсного и картографического назначения «Ресурс-О-мини», метеорологического назначения «Метеор - М», мониторинга предвестников землетрясений «Вулкан» и др. Ведутся интенсивные разработки локационного аппарата «Кондор», оптико - электронного аппарата «Монитор».

Таким образом космическая техника стоит на пороге качественного перехода к специализированным по решаемым задачам космическим аппаратам класса «микро» ( вес до 100 кг ) и класса «мини» ( вес до 1000 кг ). Анализ этой тенденции и возможности ее реализации для решения широкого круга задач ДЗЗ является важнейшей задачей на настоящий момент. Необходимость и способы минимизации стоимости КА.

Современная ситуация снижения объемов финансирования работ в области космоса накладывает значительные ограничения на разработку новой техники космического применения. В этих условиях возникает настоятельная необходимость поиска

14 решений, позволяющих максимально снизить расходы на космическую технику. Значительную роль для решения этой проблемы начинает играть унификация космических средств, уменьшение количества КА за счет комплексирования решаемых на них задач, создание унифицированной космической платформы, позволяющее значительно уменьшить расходы на разработку, испытания, а в дальнейшем и управление КА.

Наиболее важным из перечисленных выше средств снижения затрат на создание космической техники является создание унифицированной космической платформы ( УКП ). Существует положительный опыт решения этой проблемы как в России, так и за рубежом. Опыт разработки следующих друг за другом космических систем Spot ( №1 ERS ( №1 2 ) -» Envisat в Европе был основан на использовании унифицированной космической платформы. Подобное решение было использовано во ВНИИЭМ при создании целой плеяды космических аппаратов: «Метеор-1» «Метеор-Природа» «Астрофизика» на базе УКП-1, «Метеор-2» -» «Метеор-3» -» «Болгария-300» -» «Ресурс-01» на базе УКП-2. Приобретенный опыт доказывает возможность создания унифицированной космической платформы и на ее базе широкого спектра по целевому назначению космических аппаратов. Но все эти платформы предназначены для создания на их базе больших КА весом 2,5 тонны и более. В условиях миниатюризации техники возникает необходимость рассмотреть возможность создания УКП для КА класса «мини» и класса «микро».

С другой стороны, в России, после распада СССР, сложилась крайне тяжелая ситуация с ракетоносителями (РН), способными выводить большие космические аппараты на солнечно-синхронную орбиту (ССО). Наиболее перспективной ракетой последние годы считался РН «Зенит» разработки КБЮ (Украина). Но его недостаточная надежность и высокая стоимость, проблемы с «импортным» заказом поставили под угрозу программы создания космических систем ДЗЗ, требующих ССО.

В то же время существует большая номенклатура конверсионных ракет ( «Рокот», «Стрела», «Космос», «Днепр» ), снимаемых с боевого дежурства и требующих минимальной доработки для обеспечения вывода на ССО малых космических аппаратов. Существенно расширяется номенклатура способов выведения КА на орбиту, в том числе нетрадиционных стартовых устройств - самолетные пуски, пуски с подводных лодок, развитие услуг попутных запусков малых КА и т.д.

15

Таким образом возникает необходимость проанализировать и обосновать возможность создания универсальной малогабаритной космической платформы, построенной по модульному принципу и позволяющей устанавливать на нее различные по назначению информационные комплексы ДЗЗ, а также оптимизировать ряд малых КА, создаваемых на базе унифицированной космической платформы и рассчитанных на запуск конверсионными ракетами малой и средней мощности. Быстрое развитие новых средств и методов проектирования КА.

Настоящее время характеризуется быстрым развитием и распространением в различных отраслях науки и техники CALS - технологий, которые обеспечивают автоматизацию процессов не только проектирования техники, но и автоматизацию и взаимосвязь всех этапов ее создания.

Современный уровень развития науки и технологий в области создания быстродействующих вычислительных средств позволил перейти от ручных методов проведения расчетов и проектирования космических аппаратов к автоматизированным. Это обеспечило качественно новый уровень проектирования космической техники, обеспечить высокую эффективность проводимых расчетов и, в конечном итоге, повысить надежность создаваемой техники. Разработаны методики проведения тепловых и прочностных расчетов, которые опираются на программные продукты ( "Cos-mosWorks", "Ansys" ) ведущих мировых разработчиков программного обеспечения. Освоены программы автоматизированного проектирования отдельных деталей и узлов (" Solidworks " AutoCAD " ProEngineer").

Становится все более важным создание алгоритма автоматизированного проектирования космических аппаратов в целом и построения космической служебной платформы в частности.

Внедрение этих технологий при создании широкой палитры КА на базе единой унифицированной космической платформы позволит повысить надежность создаваемой техники, минимизировать сроки адаптирования информационных комплексов на служебной платформе и, следовательно, сократить сроки проектирования КА и минимизировать его стоимость.

16

Основные цели и задачи настоящей работы.

Итак, основной тенденцией на современном этапе развития космической техники ДЗЗ является минимизация массогабаритных и энергетических параметров как аппаратуры КА, так и КА в целом, а также стоимости запуска КА.

Из космических орбитальных аппаратов прикладного назначения наибольшее разнообразие задач решается в области дистанционного зондирования Земли и атмосферы. НПП ВНИИЭМ, создавший первые в Советском Союзе КА метеорологического назначения, с 1960 года ведет разработки, создание и эксплуатацию КА ДЗЗ для гидрометеорологии, исследования природных ресурсов и экологического мониторинга.

Автор настоящей работы около двадцати лет непосредственно участвует в работах института по этому направлению. На основе обобщения и анализа опыта, полученного при создании КА «Электро» и «Ресурс-01» и участии в разработках технических предложений по созданию перспективных КА нового поколения, формулируются следующие задачи диссертации :

1. Анализ современного состояния космических средств ДЗЗ, космических аппаратов в целом и их информационных комплексов; результатов эксплуатации космических систем ДЗЗ и методов получения информации; требований к перспективным космическим аппаратам ДЗЗ.

2. Анализ возможности и целесообразности комплексирования информационных приборов для одновременного использования информации в интересах различных потребителей; выявление связей и зависимостей между параметрами качества целевой информации и характеристиками космической платформы; обобщение требований, предъявляемых к служебным системам и конструкции КА ДЗЗ со стороны бортовых информационных комплексов.

3. Синтез на основе выявленных аналитических зависимостей и конструктивных связей методологии проектирования унифицированной космической платформы (УКП) для нескольких классов космических аппаратов, удовлетворяющих современным критериям информационного и стоимостного факторов.

4. Разработка концепции унифицированной космической платформы и анализ возможности создания на ее базе КА различного класса.

17

5. Разработка алгоритмов проектирования КА ДЗЗ с использованием современных автоматизированных аппаратно-программных средств, позволяющих быстро и с высокой степенью надежности создавать новые компоновки КА исходя из требований бортового информационного комплекса.

18

Заключение диссертации по теме «Системный анализ, управление и обработка информации (по отраслям)», Горбунов, Александр Викторович

Результаты работы подтвердили правильность заложенных конструкторских решений в части полей обзора оптических приборов в компоновке КА «Ресурс-01» №3 и выявили два случая затенения поля обзора ( прибора БТВК и прибора СК ) элементами конструкции. Анализ трехмерной модели и режимов работы КА позволили в случае прибора БТВК за счет перекомпоновки очистить поле зрения от попадания элементов конструкции, в случае прибора СК допустить 20% затенение поля зрения, не влияющее на надежность работы прибора.

Принятые решения были подтверждены в ходе летно-космических испытаний КА «Ресурс-01 »№3 и КА «Электро», запущенных в 1994 г.

Схемы трехмерных моделей КА «Ресурс-01 »№3 и КА «Электро» представлены на рис.4.7 и рис.4.8 соответственно.

Рис. 4.8. Космический аппарат «Электро». Трехмерная модель. о

131

4.3.2. Моделирование задач отделения микроспутников "FASAT-Bravo" и TMSAT от КА "Ресурс-01" №4.

Компоновка КА "Ресурс-01" №4 и контроль полей обзора оптических приборов и диаграмм направленности радиотехнических средств проводились по уже отработанным методикам на КА «Ресурс-01» №3 и «Электро».

В отличие от предыдущих космических аппаратов КА «Ресурс-01» №4 имел более развитый информационный комплекс и нес на себе в качестве отделяемой полезной нагрузки 5 микроспутников. В случае 3 микроспутников вопрос о схеме отделения от материнского КА не вызывал сомнения. Их расположение на материнском КА было спроектировано таким образом, что зоны отделения микроспутников были освобождены от элементов конструкции и не вызывали необходимости дополнительного анализа.

Особенности конструкции микроспутников "FASAT-Bravo" и TMSAT, их размещения на материнском КА, а также применение зарубежной системы отделения потребовали проведения дополнительного анализа компоновки.

В ходе работы были проведены дополнительные испытания системы отделения микроспутников с целью уточнения угловых скоростей закручивания микроспутника относительно 3-х осей и ориентацию вектора отделения относительно системы координат, привязанной к посадочным местам системы отделения.

Эти данные легли в основу моделирования динамики отделения микроспутника от материнского КА. В основу моделирования легла трехмерная модель КА «Ресурс-01» №4. Моделирование динамики отделения дали положительный результат, что было в дальнейшем подтверждено фактическим отделением микроспутников от материнского КА в 1998 г.

Трехмерная модель КА «Ресурс-01» №4 представлена на рис. 4.9.

Рис. 4.9. Космический аппарат «Ресурс-01» № 4. Трехмерная модель

134

Заключение.

Таким образом, на основе теоретических исследований, обобщения результатов экспериментально - эксплуатационных работ и конструкторского опыта в настоящей диссертации решена комплексная научная проблема в области создания космической техники дистанционного зондирования Земли, а именно, разработана научно-обоснованная методология создания эффективной при эксплуатации многоцелевой унифицированной космической платформы с заданными свойствами, обеспечивающими при установке соответствующей информационно-измерительной аппаратуры дистанционного зондирования Земли оперативное получение комплексной информации о параметрах Земли, атмосферы и околоземного пространства, позволяющими решать широкий крут задач геофизического обеспечения.

Автор настоящей работы около двадцати лет непосредственно участвует в работах института по этому направлению. На основе опыта полученного при создании КА «Электро» и «Ресурс-01», автором в настоящей диссертации разработаны и выносятся на защиту следующие новые научно-технические положения:

1. Исследован комплекс требований, предъявляемых к параметрам информации ДЗЗ, что позволило провести их систематизацию по совокупности параметров: спектральный диапазон излучения, пространственное разрешение и полоса захвата; оптимизировать выбор пространственного разрешения информационных приборов для различных областей спектра волн и перейти к анализу связей между параметрами информации и характеристиками бортовой космической платформы.

2. Выявлены и исследованы аналитические и логические связи между требованиями, предъявляемыми к качеству информации ДЗЗ, и параметрами космической платформы, а также ограничения, накладываемые средствами выведения КА на орбиту, что позволило разработать концепцию унифицированной малой космической платформы и определить основные требования, предъявляемые к ней.

3. Предложена классификация КА ДЗЗ по совокупности параметров информации: пространственного разрешения, обзорности и периодичности наблюдения, позволившая проанализировать информационные комплексы зарубежных и отечественных КА ДЗЗ различного класса и выявить тенден

135 цию к созданию многоцелевых бортовых информационных комплексов.

4. Обоснована возможность и целесообразность использования единой унифицированной космической платформы для размещения различных информационных комплексов, удовлетворяющих требованиям потребителей данных ДЗЗ во многих отраслях народного хозяйства. Рассмотрено несколько вариантов габаритно-массовых показателей КА ДЗЗ в совокупности с баллистическими и конструктивными возможностями ракет-носителей и выбран оптимальный по критерию стоимость/эффективность вариант космического аппарата с массой в пределах 750-850 кг.

Указанный выбор подтвержден победой эскизного проекта по теме «Ресурс-Метеор» в части гидрометеорологических КА в конкурсе, проводимом Рос-авикосмосом, принятыми заказчиком техническими предложениями на КА природоресурсного и экологического мониторинга «Аргонавт-ЭКО», техническими предложениями по теме «Косприм» в интересах разведки нефтегазоносных месторождений и контроля экологической ситуации в районах добычи полезных ископаемых.

5. Разработаны алгоритмы проектирования КА ДЗЗ, определяющие логические и математические связи при проектировании отдельных составляющих КА и КА в целом, что позволило минимизировать возможность появления ошибки при передаче информации, а также уменьшить время проектирования.

Алгоритмы проектирования КА в части компоновки КА, контроля полей обзора оптических приборов и зон радиовидимости антенных систем, прочностного расчета на базе автоматизированного интерактивного проектирования, допускающего оперативно изменять состав служебной платформы КА, обеспечили при проектировании КА полную совместимость разнообразных автономных оптических приборов наблюдения и датчиков ориентации в части полей обзора с элементами конструкции, анализ диаграмм направленности многочисленных приемо-передающих антенн и полей излучения тепловых радиаторов негерметичных приборов. Алгоритмы проверены и подтвердили свою эффективность при создании и летных испытаниях КА «Ресурс-01» №4 и КА «Электро», а также при разработке перспективных малых КА «Метеор-М», «Аргонавт-ЭКО», «Ресурс-02».

136

Внедрение указанных положений методологии при создании современных КА. ДЗЗ позволит наряду с уменьшением массогабаритных характеристик КА сохранить точностные и информативные показатели целевой информации, создавать КА различного целевого назначения на базе унифицированной космической платформы при минимизации объемов ее доработки. Использование разработанной унифицированной космических платформ нового поколения даст возможность в 2 - 3 раза снизить затраты на создание космических аппаратов класса «малые», и в 4 раза - с учетом стоимости запуска.

137

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Горбунов, Александр Викторович, 2002 год

1. Авдуевский B.C., Успенский Г.Р. Народно-хозяйственные и научные космические комплексы. - М.: Машиностроение, 1985.

2. Авербух В.Я., Вейнберг Д.М., Лещинский Э.А. Разработка системы ориентации солнечных батарей униицированной космической платформы // Труды НПП ВНИИЭМ. -2001. Т. 100. - С. 97-103.

3. Автоматизированные системы испытаний ИСЗ / Шереметьевский Н.Н., Иосифьян А.Г., Трифонов Ю.В. и др. //Тр. ВНИИЭМ. 1973. - Т. 1.

4. Баррет Э., Куртис Л. Введение в космическое землеведение. — М.:«Прогресс», 1979.

5. Волков A.M., Злобин В.К., Селиванов А.С, Состояние и перспективы получения, обработки и распространения оперативных данных ДЗЗ II Космонавтика, радиоэлектроника, геоинформатика: Тез. докл. 2-ой междунар. науч.-техн. конф. Рязань, 1998 г.

6. Выбор параметров аппаратуры оперативного определения ориентации КА по изображениям звезд / Зиман Я.Л., Аванесов Г.А., Балебанов В.М. и др. // Оптико-электронные приборы в космических экспериментах : Сб. М. Наука, 1983 г.

7. Гарбук С.В., Гершензон В.Е. Космические системы дистанционного зондирования Земли". М.: Изд-во А и Б, 1997 г.

8. Гарелик И.С., Грин A.M., Цветков Д.Г. Аэрокосмические полигоны, задачи исследований и состав наземных наблюдений // Космические исследования земных ресурсов. Методы и средства измерений и обработки информации. -М.: Наука, 1976.

9. Ю.Горбунов А.В, Крутикова Л.П, Карбасников Б.В. Система автоматизированного проектирования ( САПР ) в разработке космических аппаратов II Тр. ВНИИЭМ. 1998. - Т. 98. - С. 123-131.

10. Горбунов А.В, Карбасников Б.В., Козлова Ж.Э. Создание объемной компоновки КА "Электро" №1 и анализ полей обзора приборов средствами САПР // Тр. ВНИИЭМ. 1998. Т. 98. - С. 132-140.

11. Горбунов А.В. Космический Аппарат "Ресурс-01" №4 // Электротехника. -1999. № 6. - С. 3-5.

12. Горбунов А.В., Крутикова Л.П., Жаринов В.А. Создание автоматизированного проектирования в области технологической подготовки производства в НПП ВНИИЭМ // Электротехника. 1999. - № 6. - С. 39-42.

13. Использование данных КА "Ресурс-01 " для изучения природных ресурсов Земли и мониторинга окружающей среды / Асмус В В., Головчин В.Р., Милехин О.Е. и др. // Труды ВНИИЭМ. -1999. Т. 99. - С. 113-126.

14. Использование данных AVHRR с ИСЗ NOAA для обнаружения лесных пожаров / Жеребцов Г.А. и др. // Исследование Земли из космоса. 1995. -№ 5. - С. 74-77.

15. Итоги эксплуатации и перспективы развития МКС / Шереметьевский Н.Н., Иосифьян А.Г., Геворкян М.Т., Трифонов Ю.В. // Тр. ВНИИЭМ. 1973. -Т. 1.

16. Кондратьев К.Я., Григорьев А.А., Покровский О.М. Информационное содержание данных космической дистанционной индикации параметров окружающей среды и природных ресурсов. Л.: Изд. ЛГУ, 1975. - 146 с.

17. Кондратьев К.Я., Бузников А.А., Покровский О.М. Глобальная экология: дистанционное зондирование // Итоги науки и техники. Сер. Атмосфера, океан, космос программа «Разрезы». - 1992. - Вып. 14. - С. 1-312.

18. Конзен Дж.П. ДЗЗ спустя 25 лет. Рынок в следующем столетии. NIERSC, 1999 г.

19. Концепция построения космической программы России / Уткин В.Ф., Анфимов Н.А., Лукъященко В.М. и др. // Проблемы авиационной и космической техники. 1995. - № 8. - С. 6-8.

20. Космические исследования Земли как экологической системы и воздействия человека на эту систему (программа «Экое») / Арманд Н А. и др.; ИКИ РАН. -М., 1993.

21. Коптев Ю.Н. Дистанционное зондирование Земли // Радиотехника. 1995. -№ 10.-С. 83-90.

22. Космические аппараты серии Metop // Ракетно-космическая техника. -1996. № 15.-С. 10.

23. Космическое землеведение / Под ред. В.А. Садовничего. М.: МГУ, 1992.139269 с.

24. Кравцова В.И. Аэрокосмические исследования динамики береговой зоны Дагестанского побережья Каспия при подъеме его уровня // Исследование Земли из космоса. 1993. - № 5. - С. 96.

25. Кронберг П. Дистанционное изучение Земли. Основы и методы дистанционных исследований в геологии. М.: Мир, 1988.

26. Моисеенко А.Е. Современное состояние и перспективы использования средств дистанционного зондирования Земли из космоса в целях изучения природных ресурсов и экологии : Обзор. М.: 1994. - 103 с.

27. Ограничения на съемку с коммерческих спутников // Ракетно-космическая техника. -1996. № 16. - С. 6-7.

28. Оптико-физические средства дистанционного зондирования / С.-Пб. Гос. Электротехн. Ун-т им. В.И.Ульянова (Ленина); Под ред. А.А. Бузникова и др. С.-Пб., 1995. - 80 с.

29. Основные направления развития и использования оперативных космических систем наблюдения для гидрометеорологического обеспечения и мониторинга окружающей среды / Седунов Ю.С. и др. // Метеорология и гидрология. 1995. - № 4. - С. 7-21.

30. Показатели качества изображений системы «Спот» // Ракетно-космическая техника. -1991. № 14-15. - С. 13-17.

31. Применение многозональной аэрокосмической съемки в исследованиях береговой зоны / Книжников Ю.Ф. и др. // Береговая зона моря : Сб. ст. / АН СССР. Комиссия по проблемам Мирового океана. — М.: Наука, 1981.

32. Проект государственной космической программы России на 1993—2000гг. / Анфимов Н.А., Лукьященко В.И., Моисеев Н.Ф. и др. // Космонавтика иракетостроение. 1993. - №1. - С. 14-27.

33. Ромашов А.А. Основные вопросы комплексирования материалов аэрокосмических съемок и геолого-геофизических исследований при нефтегазопо-исковых работах. Дистанционные исследования при поиске полезных ископаемых. М.: Наука, 1986. - 560 с.140

34. Савиных В.П., Соломатин В.А. Оптико-электронные системы дистанционного зондирования Земли. М.: Недра, 1995. - 240 с.

35. Система управления положением спутника «Метеор» / Шереметьевский Н.Н., Андронов И.М., Вейнберг Д.М., Морозов А.И. // Труды V междунар. симпозиума ИФАК. Италия. Генуя. Генуя, 1974.

36. Система ADEOS // Ракетно-космическая техника. 1996. - № 15. - С. 3.

37. Система METEOSAT // Ракетно-космическая техника. 1996. - № 10. - С. 5.

38. Трифонов Ю.В. Многоцелевые космические платформы оперативного геофизического наблюдения. (Методология создания платформ с заданными свойствами) : Дис. на соискание уч. ст. докт. техн. наук. М.: ВНИИЭМ, 1984 г.

39. Трифонов Ю.В. Состояние и перспективы создания НПП ВНИИЭМ космических аппаратов оперативного наблюдения и дистанционного зондирования Земли и атмосферы // Тр. НПП ВНИИЭМ. 2001. - Т. 100. - С. 7-17.

40. Управление космическими аппаратами зондирования Земли из космоса / Козлов Д.И., Аншаков Г.П., Мостовой Я.А., Соллогуб А.В. М.: Машиностроение, 1998г.

41. Физико-технические основы создания и применения космических аппаратов/Дементьев Г.П. и др. -М.: Машиностроение, 1987.

42. Шереметьевский Н.Н., Иосифьян А.Г., Трифонов Ю.В. Советские космические аппараты для дистанционного зондирования типа «Метеор» // Электротехника. 1982. - № 6. - С. 29-34.

43. Kramer H.J. Observation of the Earth and its Environment. Berlin: Springer, 2002. - 1510 p.

44. Reber C.A. The upper Atmosphere Research Satellite ( UARS ) // Geophis. Res. Letters, 1993. Vol. 20, No. 12. - P. 1215-1218.

45. Status of WMO Satellite data requirements // Report of the GGMS Annapolis. USA. 11-15 Apr. 1994.

46. Trifonov Yu., Gorbunov A. Prospects for the "Electro" Space System Development // Space Bulletin. 1995. - Vol. 2, No. 3. - P. 14-15.

47. Using meteorological information and products / WMO. Geneva Budgen. Edt. Arvil Price, 1990.1 2 3 4 5 6 7

48. Анализ и прогноз условий загрязнения атмосферы, в том числе состояния озонового слоя. 15000 25000-50000 1000 0.2-0.5 К 0.2 К 2-16 мкм (ИКФС) 0.25-1.0 мкм (не менее 20 кан.) 1-5 мм (субмм) 2500 1500-3000 лимб Земли 12-24 час

49. Анализ и прогноз ге-лиогеофизической обстановки в ОКП. Потоки и Сост. вект. Магн. поля Протонов электронов г-излучен. 0.1- кэВ-600 МэВ 0.1- кэВ-3.2 МэВ 0.1- МэВ-1 МэВ от -105 нТ до +105 нТ 0.5-1 час2 Экология

50. Контроль радиацион-но-экологической обстановки на объектах ядерной энергетики (по изменению состояния ландшафтных и температурных полей). 2-3 10-30 0.1-0.5% 256 уровней 0.5-0.6 мкм 0.6-0.7 мкм 0.8-1.1 мкм 0.5-1.1 мкм 50 600 20 600 3 мес

51. Контроль состояния окружающей среды в местах уничтожения химического оружия. 2 10 0.1-0.5% 256 уровней 0.5-0.6 мкм 0.6-0.7 мкм 0.8-1.1 мкм 0.5-1.1 мкм 50 600 20 600 0.5 мес

52. Контроль источников выбросов в атмосферу (дымовых, тепловых, газовых). 2-10 30-50 15000 0.1-0.5% 0.1-0.5 К 256 уровней 0.5-1.1 мкм (4-5 кан.) 10.5-12.5 мкм 0.5-2.5 мкм 50 600 20 600 0.5-1 сут

53. Контроль выбросов в водную среду (тепловых, взвесей, нефтепродуктов). 2-10 0.1-0.5% 0.1-0.5 К 0.6-0.7 мкм 0.8-1.1 мкм 3-5 мкм 8-10.5 мкм 11-12.5 мкм 50 600 0.5-1 сут10 256 уровней 0.1-0.5 дБ 0.5-1.1 мкм 3-6 см (РСА) 20 600

54. Контроль загрязнения почв (свалки, протечки нефтепродуктов и др.). 2-10 0.1-0.5% 0.1-0.5 К 0.6-0.7 мкм 0.8-1.1 мкм 3-5 мкм 8-10.5 мкм 11-12.5 мкм 50 600 0.5-1 сут10 256 уровней 0.1-0.5 дБ 0.5-1.1 мкм 3-6 см ( РСА ) 20 6001 2 3 4 5 6 7

55. Мониторинг долгосрочных изменений (деградации) природной среды (опустынивание, заболачивание, и т.д. 10-100 0.1-0.5% 0.5-0.6 мкм 0.6-0.7 мкм 0.7-0.8 мкм 0.8-1.1 мкм 1.5-1.7 мкм 50 600 2 года

56. Выдача исходных данных для моделирования экологической ситуации федеральный уровень 20-100 0.1-0.5% 0.1-0.5 К 0.6-0.7 мкм 0.8-1.1 мкм 10.5-12.5 мкм 200 600 0.5-1 сутрегиональный уровень 2-10 —'— 50 600 0.5-1 сут

57. Контроль чрезвычайных ситуаций

58. Мониторинг лесопо-жарной обстановки. 100-1000 0.1-0.5% 0.1-0.5 К 0.5-0.6 мкм 0.6-0.7 мкм 2.1-2.4 мкм 3.5-4.1 мкм 10.3-11.3 мкм 11.4-12.4 мкм 600-3000 3000 Май-сентябрь, 1 сут

59. Определение факта возникновения ЧС (лесные пожары). Май-сентябрь, 1-6 час

60. Оценка ущерба от лесных пожаров (выявление гарей). 20-30 0.1-0.5% 0.5-0.6 мкм 0.6-0.7 мкм 2.1-2.4 мкм 3.5-4.1 мкм 100-200 600-1000 Май-сентябрь, 3 сут

61. Мониторинг паводковой обстановки. 5-100 0.1-0.5% 0.1-0.5 дБ 0.6-0.7 мкм 0.8-1.1 мкм 3-6 см (РСА) 100-200 600 30-100 60-200 Март-июнь, 1 сут

62. Контроль загрязнения атмосферы городов. 5 10-20 нм 1-2 нм 0.4-0.5 мкм 0.6-0.7 мкм 0.8-0.9 мкм 2-2.5 мкм 50 60 7-10 сут

63. Контроль загрязнения территорий нефтепродуктами. 3-5 0.1-0.5% 0.1-0.5 К 0.1-0.5 дБ 0.6-0.7 мкм 0.8-1.1 мкм 3-5 мкм 11-12.5 мкм 3-6 см 50 600 20-30 1-10 сут

64. Мониторинг с/х территорий, в т.ч. засух. 20 0.1-0.5% 0.4-0.5 мкм 0.5-0.6 мкм 0.6-0.7 мкм 0.8-1.1 мкм 1.6-1.7 мкм 200 1000 7-10 сут

65. Слежение за предвестниками землетрясений. 5-30 0.1-0.5% 0.1-0.5 К 0.4-1.1 мкм (4 канала) 1.6-1.7 мкм 10.3-11.3 мкм 11.4-12.4 мкм 50 600 1сут

66. Наблюдение зон сейсмической опасности и геологического риска. Стереосъемка. 2-10 —:— 0.5-0.8 мкм 0.5-0.6 мкм 0.6-0.7 мкм 0.7-0.8 мкм 0.8-0.9 мкм 3-25 см (РСА) 100 600 1 раз в 3-5 лет

67. Создание топографических карт труднодоступных и высокогорных районов. Стереосъемка. 5-20 10-30 —:— 0.5-0.8 мкм 0.5-0.6 мкм 0.6-0.7 мкм 0.8-0.9 мкм 3-25 см (РСА) 100 600 1 раз в 3-5 лет

68. Информационное обеспечение ГИС различного назначения: союзного регионального уровня 10-50 5-10 0.5-0.8 мкм 0.5-1.1 мкм (3-4 канала) 10-12 мкм 1-20 см (РСА) —:— < 1 раз в 3-5 лет

69. Картографирование использования земель. 0.5-2 5-10 0.1-1 3.5% 0.5-0.8 мкм 0.5-0.6 мкм 0.6-0.7 мкм 0.8-1.1 мкм 100 600 50 600 5 лет

70. Мониторинг и картографирование негативных процессов деградации земель (вторичное засоление, подтопление, заболачивание и пр.). 5-10 0.1- D.5% 0.4-0.5 мкм 0.5-0.6 мкм 0.6-0.7 мкм 0.8-1.1 мкм 50 600 10 лет

71. Оценка развития эрозионных процессов. 1-2 0.1-0.5% 0.6-0.7 мкм 30-50 600 10 лет

72. Инвентаризация посевов сельскохозяйственных культур и мониторинг их состояния. 10 256 уровн. 0.1-0.5 К 0.1-0.2 К 0.5-1 дБ Гиперспектр. 0.4-2.5 мкм 10.4-12.6 мкм 3-20 см ( РСА ) 60-100 600 1 мес1451 2 3 4 5 6 7

73. Создание и обновление кадастров с/х земель. 0.5-10 —:— . 3-5 лет6 Геология

74. Решение геологических, геоэкологических задач: Масштаб 1:50 ООО Масштаб 1:200 ООО Масштаб 1:1 ООО ООО. 2-10 10-30 30-80 1-5% 0.1-0.2 К 0.5-1 дБ 0.5-0.6 мкм 0.6-0.7 мкм 0.8-1.1 мкм 10-12 мкм 1-20 см (РСА) 50/600 100/600 200/600 0.5-5 лет

75. Мониторинг экзогенных геологических процессов. 0.5-10.0 256 уровней 0.5-1 дБ Гиперспектр, в диап.0.5-0.9 мкм; 3-20 см 50 600 0.25-1 год

76. Контроль за антропогенной деятельностью на загрязненных радионуклидами территориях и в примыкающих к ним зонах. 1-2 (5-10) 0.5% 0.5-0.6 мкм 0.6-0.7 мкм 0.8-1.1 мкм 50-100 600 Весна-лето-осень 1 раз

77. Мониторинг температуры поверхности (ТПО) океана в промысловых акваториях. 1000 0.1 0.1-( -0.5% 12 К 0.6-0.7 мкм 0.7-1.1 мкм I.6-1.65 мкм 3.6-3.9 мкм 10.3-11.3 мкм II.4-12.4 мкм 25003000 8-12 час1 2 3 4 5 6 7

78. Определение характеристик и динамики ледового покрова промысловых акваторий. 30-50 7000 1 ДБ 1 ДБ 2-6 см (РЯС) 3 см (РВ) 100-200 Сезон лова рыбы 1 сут

79. Определение характеристик волнения морской поверхности, характеристик циркуляции и ее динамики. 25-30 1 ДБ 6 см (РСА) 100 Сезон лова рыбы 1 сут

80. Разведка полезных ископаемых

81. Выявление площадей, перспективных на поиск нефти и газа. 5-20 1-5% 0.1-0.2 К 0.5-1 дБ 0.5-0.6 мкм 0.6-0.7 мкм 0.8-1.1 мкм 10-12 мкм 1-20 см (РСА) 100 600 .5-1 год 1 мес

82. Выявление площадей, перспективных на поиск твердых полезных ископаемых. 5-1000 (В) 20 (ИК, СВЧ) . —!— .

83. Составление космо-фотокарт в обеспечение геологоразведочных работ различного профиля. 2-5 1-5% 0.5-0.6 мкм 0.6-0.7 мкм 0.8-1.1 мкм 50-100 600

84. Контроль экологической обстановки в районах добычи полезных ископаемых. 3-10 —!— —!—

85. Землеустройство,строительство, транспорт

86. Получение исходных данных для проведения землеустроительных работ. 1-5 . —!— 50 600 1 -3 год

87. Определение границ влияния агломерирующих центров. —i— 1-5% 0.1-0.2 К 0.5-1.1 мкм (3 кан.) 10-13 мкм (2 кан.) . 1-2 год

88. Выбор участков для проектирования и строительства крупных инженерных сооружений. 2-5 . . .

89. Оценка состояния трубопроводов, выбор трасс для проектирования и строительства новых трубопроводов. 1-5 . 0.25-1 год

90. Изучение транспортных зон. . 1 год

91. Оценка состояния и пропускной способности дорог, выбор трасс для строительства новых. .1 2 3 4 5 6 7

92. Фундаментальные исследования Земли как экологической системы

93. Исследование взаимосвязей между физическими, химическими и биологическими земными процессами и влияния на них солнечной активности. . —!— —:— .

94. Выявление закономерностей в глобальных изменениях природы Земли. . —'.— —!—

95. Исследование энерго-и массообмена между различными средами Земли. —:— —! — . ' —

96. Исследование долго-периодичной изменчивости крупномасштабной циркуляции океана. 10000-30000 (СВЧ) 20-50 (РСА) 0.5-2 дБ 1-200 ГГц 50-1500 200-1500 .

97. Исследование вариаций геомагнитного поля и магнитосферной плазмы. Электроны Протоны Рентг. изл. Магн. поле Электрич. поле 0.05кэВ-3 МэВ 0.05 МэВ-200 МэВ 2 кэВ-30 кэВ до 50 кГц 0.1ГЦ-300 кГц