ЛЕТНАЯ ОТРАБОТКА ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЙ АППАРАТУРЫ "ФОТОСПЕКТРАЛЬНАЯ СИСТЕМА" НА БОРТУ РОССИЙСКОГО СЕГМЕНТА МКС

Беляев Борис Илларионович; Беляев Михаил Юрьевич; Десинов Лев Васильевич; Роговец Анна Владимировна; Рязанцев Владимир Васильевич; Сармин Эрик Эдуардович; Сосенко Виктор Андреевич

УДК 629.786.2.054:528

ЛЕТНАЯ ОТРАБОТКА ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЙ АППАРАТУРЫ «ФОТОСПЕКТРАЛЬНАЯ СИСТЕМА» НА БОРТУ РОССИЙСКОГО СЕГМЕНТА МКС

1 ОАО «Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королёва» (РКК «Энергия») Ул. Ленина, 4А, г. Королёв, Московская область, Россия, 141070, e-mail: post@rsce.ru

2 Институт географии РАН (ИГ РАН) Старомонетный пер., 29, г. Москва, Россия, 119017, e-mail: remote_sensing@complat.ru

3 НИИ «Институт прикладных физических проблем им. А.Н. Севченко» БГУ (НИИ ПФП) Ул. Курчатова, 7, г. Минск, Республика Беларусь, 220045, e-mail: remsens@mail.ru

В рамках космического эксперимента «Ураган» на борт Российского сегмента Международной космической станции доставлена научная аппаратура «Фотоспектральная система». С целью отработки методов съемки и синхронного селективного спектроме-трирования участков земной поверхности данной научной аппаратурой была проведена серия синхронных трехуровневых экспериментов. В статье приведено описание аппаратуры «Фотоспектральная система» и некоторые результаты анализа данных, полученных с борта Российского сегмента Международной космической станции в ходе проведения летной отработки аппаратуры.

Ключевые слова: дистанционное зондирование Земли, спектроскопия.

FLIGHT TESTING OF RESEARCH EQUIPMENT "PHOTOSPECTRAL SYSTEM" ONBOARD THE RUSSIAN SEGMENT OF INTERNATIONAL SPACE STATION Belyaev B.I.3, Belyaev M.Y.1, Desinov L.V.2, Rogovets A.V.3, Ryazantsev V.V.1, Sarmin E.E.1, Sosenko V.A.3

1 S.P. Korolev Rocket and Space Public Corporation Energia (RSC Energia) 4A Lenin Street, Korolev, Moscow region, Russia, 141070, e-mail:post@rsce.ru

2 Institute of Geography RAS (IG RAS) 29 Staromonetny lane, Moscow, Russia, 119017, e-mail: remote_sensing@complat.ru

3 Research Institute of Applied Physical Problems named after A.N. Sevchenko (RI APP) 7 Kurchatov Street, Minsk, The Republic of Belarus, 220045, e-mail: remsens@mail.ru

Scientific equipment «Photospectral system» has been delivered to Russian's segment of International Space Station within the framework of space experiment «Uragan». In order to develop methods of earth surface imaging and selective spectrometry, this scientific equipment was used to conduct a series of synchronous three-tier experiments. The paper describes the photospectral system equipment and some of the results from the analysis of data received from the Russian's segment of International Space Station during flight testing of the equipment.

Key words: Earth remote sensing, spectroscopy.

БЕЛЯЕВ Б.И.

БЕЛЯЕВ М.Ю.

ДЕСИНОВ Л.В.

РОГОВЕЦ А.В.

РЯЗАНЦЕВ В.В.

САРМИН Э.Э.

СОСЕНКО В.А.

БЕЛЯЕВ Борис Илларионович — дфмн, профессор, заведующий отделом НИИ ПФП, e-mail: remsens@mail.ru

BELYAEV Boris Illarionovich — Doctor of Science (Physical and Mathematical), Professor, Head of Department at RI APP

БЕЛЯЕВ Михаил Юрьевич — дтн, профессор, заместитель руководителя НТЦ РКК «Энергия», e-mail: mikhail.belyaev@rsce.ru

BELYAEV Mikhail Yurievich — Doctor of Science (Engineering), Professor, Deputy Head of STC at RSC Energia

ДЕСИНОВ Лев Васильевич — кгн, заведующий лабораторией ИГ РАН, e-mail: remote_sensing@complat.ru

DESINOV Lev Vasilievich — Candidate of Science (Geography), Head of Laboratory at IG RAS

РОГОВЕЦ Анна Владимировна — кфмн, научный сотрудник НИИ ПФП, e-mail: a.rogovets@remsens.by ROGOVETS Anna Vladimirovna — Candidate of Science (Physical and Mathematical), Researcher at RI APP

РЯЗАНЦЕВ Владимир Васильевич — начальник сектора РКК «Энергия», e-mail: vladimir.ryazantsev@rsce.ru

RYAZANTSEV Vladimir Vasilievich — Head of Sector at RSC Energia

САРМИН Эрик Эдуардович — инженер РКК «Энергия», e-mail: erik.sarmin@rsce.ru SARMIN Eric Eduardovich — Еngineer at RSC Energia

СОСЕНКО Виктор Андреевич — ктн, заведующий лабораторией НИИ ПФП, e-mail: remsens@mail.ru

SOSENKO Viktor Andreevich — Candidate of Science (Engineering), Head of Laboratory at RI APP

Отработка методов дистанционного зондирования Земли и разработка новых видов научной аппаратуры (НА) — сложный и дорогостоящий процесс, поэтому до введения

НА в состав автоматического космического аппарата целесообразно отработать ее в более мягких условиях эксплуатации, которые созданы внутри гермоотсеков Российского сег-

мента Международной космической станции (РС МКС).

Существенные преимущества при этом дает наличие членов экипажа на борту орбитальной станции, в т. ч. возможность использовать интеллектуальный потенциал человека для нацеливания НА и реализации различных вариантов работы с ней. Отработка НА на борту МКС производится, в частности, в рамках эксперимента «Ураган» [1].

Мониторинг земной поверхности в космическом эксперименте «Ураган»

В 2000 г. на борту РС МКС начал проводиться эксперимент по отработке глобальной наземно-космической системы мониторинга и прогнозирования катастроф и экологических бедствий «Ураган» [2, 3].

Исследования земной поверхности проводятся на РС МКС в соответствии с программой наблюдений, рекомендациями и указаниями, полученными из Центра управления полетами (ЦУП). Для реализации сеанса эксперимента на борт РС МКС передается радиограмма, содержащая данные с указаниями расчетного времени прохождения станции над районом исследования, объектов исследования, методических рекомендаций по их обнаружению и съемке, а также наглядных материалов, облегчающих проведение сеанса. Для моделирования сеансов наблюдений экипаж на борту РС МКС и специалисты в ЦУП используют программу баллистико-навигационного отображения полетной ситуации «Сигма». В ходе выполнения сеанса космонавт проводит съемку исследуемого участка земной поверхности через иллюминатор.

Сеансы эксперимента «Ураган» проводятся не только по указаниям ЦУП, но и по инициативе самих космонавтов в свободное время, так как задача наблюдения Земли из космоса часто попадает в сферу их личного интереса.

Качественное улучшение результатов эксперимента возможно путем модернизации канала передачи информации и инструментов наблюдения.

С 2011 г. получаемая целевая информация может быть передана на Землю оперативно с помощью введенной в эксплуатацию на РС МКС радиотехнической системы передачи информации Х-диапазона или, как и ранее, в составе спускаемого аппарата транспортного пилотируемого корабля (ТПК) «Союз-ТМА» на возвращаемых жестких дисках. Эта информация позволяет решать задачи по разработке критериев классификации, дешифрирования признаков катастрофических явлений и, в ряде

случаев, разрабатывать математические модели прогноза их развития.

Для наблюдения и съемки земной поверхности в эксперименте «Ураган» используются цифровые фотоаппараты Nikon D3, Nikon D3X с длиннофокусными объективами (фокусное расстояние до 1 200 мм). С их помощью фиксируется цветное изображение объектов подстилающей поверхности в видимом диапазоне с пространственным разрешением до 2 м. Съемка объектов, как правило, производится космонавтами без использования специальных технических средств для фиксации фотоаппарата, что создает дополнительные сложности как для процесса формирования изображения, так и для его дальнейшей наземной обработки, например, для определения направления визирования.

В ходе выполнения эксперимента выявилась необходимость принципиальной модернизации используемой бортовой аппаратуры, которая обеспечила бы повышение его информационной насыщенности и качества интерпретации полученных данных. С этой целью в 2010 г. на борт РС МКС была доставлена НА нового класса — «Фотоспектральная система» (ФСС). В состав ФСС, наряду со спектрометром высокого разрешения, входит аппаратура регистрации изображений исследуемой земной поверхности, а также средства оперативной обработки полученных данных. Сочетание фотоаппаратуры и высокоразрешающего спектрометра позволяет повысить информативность регистрируемых данных и проводить более точную классификацию, идентификацию и определение параметров подстилающей поверхности [4, 5].

Научная аппаратура «Фотоспектральная система». Выбор проектных параметров

Проектирование аппаратуры дистанционного зондирования Земли для использования экипажем на борту РС МКС — сложный процесс, призванный обеспечить реализацию всех технических и эргономических требований к НА. Ниже дана краткая характеристика НА ФСС.

ФСС предназначена для регистрации спектров отраженного излучения подстилающей поверхности в диапазоне длин волн 350...1 050 нм с разрешением не менее 3 нм синхронно с получением фотоизображений в видимом диапазоне электромагнитного спектра.

Конструктивно ФСС выполнена в виде малогабаритного (338*335*315 мм, масса 9,8 кг) моноблока (рис. 1).

Рис. 1. Общий вид аппаратуры «Фотоспектральная система»: МРИ — модуль регистрации изображений; МС — модуль спектрометра; МЭ — модуль электроники

Модуль регистрации изображений представляет собой полноформатную цифровую зеркальную фотокамеру Nikon D3 с вариообъ-ективом, имеющую следующие технические характеристики:

• размер матрицы, мм 36*24;

• количество

элементов матрицы 12,1-106;

• объектив Nikkor AF-VR 80-400

f/4,5-5,6D ED;

• светочувствительность ISO 200, 400,

800, 1 600, 3 200, 6 400;

• тип носителя информации Compact Flash;

• размер изображения, пикс 4 253*2 832.

Небольшое количество элементов матрицы

Nikon D3 (например, у фотокамеры Nikon D3X их 24,5-106) совместно с полноразмерным форматом матрицы (36*24 мм) обеспечивают относительно большой размер элемента изображения. С одной стороны, это снижает пространственное разрешение получаемых изображений, с другой — делает требования к отсутствию вибраций при съемке более мягкими, допуская установку выдержки в более широких пределах.

Выбор фотокамеры Nikon D3 в качестве модуля регистрации изображения обусловлен следующими обстоятельствами:

• ФСС в соответствии с требованиями технического задания не создавалась для получения снимков высокого пространственного разрешения;

• матрица Nikon D3 в эксплуатации показала себя лучше, чем матрица модели Nikon D3X (в отношении скорости деградации элементов матрицы в ходе орбитального полета).

Выбор фотоаппарата фирмы Nikon продиктован также требованиями технического задания на разработку НА, предусматривающими максимально простую интеграцию с существующими бортовыми и наземными системами. На борту РС МКС имеются зарядные устройства для аккумуляторных батарей Nikon EN-EL4a и несколько аналогичных

фотоаппаратов. Унификация моделей фотоаппаратуры позволяет сократить время на обучение и выработку у оператора навыков работы с новой техникой, а также использовать разработанное и введенное в эксплуатацию программное обеспечение (ПО) без дополнительных затрат ресурсов.

Методика проведения эксперимента предполагает наблюдение за объектами, которые сложно снять с использованием объектива с фиксированным фокусным расстоянием. Например, лесной пожар необходимо снять общим планом, затем, более подробно, группу очагов пожара, и, наконец, непосредственно очаг возгорания. Именно поэтому предпочтение в выборе объектива для фотокамеры Nikon D3 было отдано варио-, а не фиксфокальному объективу. Вариообъектив способен обеспечить быструю смену фокусного расстояния и выполнение поставленной задачи.

Изменяемое фокусное расстояние объектива модуля регистрации изображений позволяет получать с высоты орбиты МКС фотоснимки участков земной поверхности размерами от 35*25,5 км до 175*127,5 км. Фотоизображения сами по себе могут служить для экспертной оценки состояния объектов съемки, но основное их назначение — обеспечение географической привязки результатов измерений спектра.

Модуль спектрометра (МС) включает в свой состав спектрометр, имеющий следующие характеристики:

спектральный диапазон, нм спектральное разрешение, нм приемник излучения число рабочих элементов приемника диапазон интегрирования спектра, мс электропитание

350...1 050;

3;

ПЗС-линейка;

3 648;

10.5 000; от USB

интерфейса 0,5

211*174*110 4.

энергопотребление, Вт габариты, мм масса не более, кг В состав МС, помимо спектрометра, входит проекционный объектив, который обладает узкими полями зрения: 1,355*0,006°, что обеспечивает интегральные измерения спектра участка земной поверхности размерами 9*0,04 км (с высоты 400 км). Быстродействие спектрометра значительно превосходит быстродействие фотокамеры Nikon D3, что позволяет получать три измерения спектра в пределах одного кадра. За счет движения МКС по орбите и отклонения оси визирования НА ФСС в процессе съемки

измерения спектра смещены относительно друг друга.

Результаты измерения спектра представляют собой кривые, каждая из которых состоит из 3 648 точек. Форма представления результатов измерения приведена на рис. 2.

Рис. 2. Результат измерения спектра поверхности озера Байкал (51°41' с.ш., 103°48' в.д.), выполненного 18 июля 2010 г. научной аппаратурой ФСС

Как видно из рис. 2, результаты измерений не калиброваны и представлены в относительных единицах аналого-цифрового преобразователя (АЦП). Одной из задач наземной обработки является пересчет этих величин в абсолютные значения спектральной плотности энергетической яркости с помощью калибровочных таблиц [4].

Согласованную работу фотоаппарата и спектрометра обеспечивает модуль электроники, разработанный на базе производительного планшетного компьютера Sony, технические характеристики которого приведены ниже:

• процессор Intel Core Solo U1500

Ultra Low Voltage 1,33 GHz

• память DDR2 1GB PC-3200

• видеокарта Intel GMA 950

• видеопамять, Мб 224

• Flash-память, Гб 32

• монитор Wide SVGA LCD

Touch Screen, 4,5"

• разрешение

экрана, пикс 1 024*600

• сеть Wireless 802.11 a/b/g

Bluetooth

• порт USB 2.0*1

• тип аккумулятора Lithium-ion

• вход карт памяти 1 Compact Flash

• габариты, мм 150*95*38.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Модуль электроники (МЭ) оснащен рези-

стивным сенсорным экраном, что делает возможным работу на нем с помощью стилусов и карандашей. Небольшие габариты и высокое разрешение экрана предъявляют особые требования к используемому на МЭ программному обеспечению. Размеры и положение управляющих элементов ПО подобраны оптимальным

образом, исходя из необходимости обеспечить оператору возможность работы с экраном свободной рукой.

Планшетный компьютер работает под управлением операционной системы Windows Vista с установленными сервисными обновлениями. После запуска операционной системы оболочка ПО ФСС стартует автоматически, т.е. оператор работает только с уникальным ПО, хотя все функции операционной системы сохранены и доступны в полном объеме.

Единственный USB-порт МЭ занят для нужд связи с микроконтроллером МС и внутренним считывателем карты памяти.

Функционально планшетный компьютер отвечает за выдачу команд микроконтроллеру спектрометра, фотоаппарату, прием данных с фотоаппарата и спектрометра, их первичную обработку, визуализацию, хранение и передачу.

В момент осуществления съемки аппаратура ФСС может управляться космонавтами вручную или закрепляется у иллюминатора № 9 служебного модуля. Этот иллюминатор имеет световой диаметр 426 мм и обеспечивает наилучшее спектральное пропускание, так как изготовлен из кварцевого стекла и на нем не нанесены какие-либо интерференционные покрытия.

Для закрепления аппаратуры у иллюминатора № 9 используется установочный кронштейн, обеспечивающий заданную пространственную ориентацию ФСС, фиксацию углов съемки относительно нормали к иллюминатору (рис. 3). Кронштейн снабжен датчиками углов поворота для регистрации изменения оптической оси ФСС по углам тангажа и рысканья.

Рис. 3. Космонавт Ф.Н. Юрчихин работает с научной аппаратурой «Фотоспектральная система», закрепленной у иллюминатора № 9 служебного модуля РС МКС

ПО ФСС позволяет осуществлять два основных вида съемки: кадровую и серийную. По условиям проведения космического эксперимента ФСС должна быть закреплена

у иллюминатора № 9 таким образом, чтобы длинная сторона кадра совпадала с направлением полета МКС.

При серийной съемке формируются сжатые изображения формата .jpeg. Учитывая относительно малый размер получаемых изображений и высокую скорость передачи интерфейса USB, при серийной съемке может быть достигнуто достаточное для сшивки мозаики перекрытие кадров.

При кадровой съемке регистрируется один кадр изображения в формате .nef и три измерения спектра. Формат .nef содержит дискретные значения напряжения элементов матрицы. Использование формата .nef увеличивает число возможных вариантов обработки фотоизображения, но файлы такого формата имеют в среднем в два раза больший размер, чем .jpeg (изображение, сжатое с потерями). Из-за того, что размер файла .nef сравним по величине с пропускной способностью канала использование формата .nef для обеспечения перекрытия кадров нецелесообразно.

Первые результаты использования НА ФСС в космическом эксперименте «Ураган»

Для отработки НА ФСС в космическом эксперименте (КЭ) «Ураган» на борту РС МКС в июле 2010 г. был запланирован ряд синхронных многоуровневых экспериментов на территории России и Республики Беларусь.

При планировании учитывались условия освещенности и наличие необходимой инфраструктуры в местах проведения подспутниковых измерений. В качестве одного из объектов исследования было выбрано обвалованное водохранилище под г. Гомель (14 июля 2010 г.; 52° с.ш., 30° в.д.) Республики Беларусь (рис. 4).

Рис. 4. Снимок обвалованного водохранилища под г. Гомель (52° с.ш., 30° в.д.) Республики Беларусь, полученный с борта РС МКС в рамках космического эксперимента «Ураган»

Авиационный уровень измерений был проведен с борта самолета Ан-2. С помощью наземного образца НА ФСС была произведена серия измерений объекта исследования, а также прилегающей территории. Полученные результаты позволяют судить о высоком качестве разработанной аппаратуры [6].

В полной мере синхронные космические измерения не были проведены из-за неблагоприятных погодных условий (значительная облачность). Вследствие этого и ввиду отсутствия полигонов с благоприятными климатическими условиями в принятую схему планирования были внесены изменения, предполагающие анализ краткосрочного прогноза погоды в местах проведения подспутниковых измерений.

Обновленная методика планирования была отработана при двухуровневой съемке акватории озера Байкал. Наводные измерения проводились специалистами ОАО РКК «Энергия» совместно с Институтом географии РАН с борта баржи в окрестностях полуострова Святой Нос (17-18 июля 2010 г.; 53°42' с.ш., 108°47' в.д.) и острова Ольхон (31 июля 2010 г.; 53°8' с.ш., 107°22' в.д.). Полученные результаты использовались при отработке методики атмосферной коррекции измерений НА ФСС [6].

Полученные с борта РС МКС измерения спектров разнесены во времени на две недели, что позволяет путем их сравнения сделать вывод о стабильности получаемых измерений НА ФСС (рис. 5, 6).

б)

Рис. 5. Проекции поля зрения спектрометра научной аппаратуры «Фотоспектральная система» в сеансах измерений южного побережья озера Байкал (51°41' с.ш., 103°48' в.д.): а — 18июля2010г.;б — 31 июля2010г.

400 500 600 700 800 900 1000 Длина волны,нм

а)

400 500 600 700 800 900 1000

Длина волны, нм

б)

Рис. 6. Спектры отраженного излучения, зарегистрированные научной аппаратурой «Фотоспектральная система» в сеансах измерений южного побережья озера Байкал (51°41' с.ш., 103°48' в.д.): а — 18 июля 2010 г.; б — 31 июля 2010 г; 1 — проекция первого измерения спектра внутри кадра; 2 — проекция второго измерения спектра внутри кадра; 3 — проекция третьего измерения спектра внутри кадра

На основе рис. 5, 6 можно провести следующий анализ:

• спектральные кривые, полученные в ходе сеанса 18 июля 2010 г., идентичны. Положение основных полос поглощения, а также зарегистрированные значения спектральной плотности энергетической яркости (СПЭЯ) практически совпадают. По измеренным спектральным кривым можно сделать вывод о том, что все три проекции поля зрения спектрометра НА ФСС попали на один и тот же тип подстилающей поверхности, что подтверждается фотоизображением на рис. 5;

• спектральные кривые, полученные в сеансе 31 июля 2010 г., отличаются друг от друга. В частности, амплитуда СПЭЯ первого измерения на участке 700...950 нм значительно превышает амплитуды СПЭЯ второго и третьего измерений. Такое поведение спектральной кривой описано в работе [7] и характерно для зеленой растительности. Этот вывод подтверждается рис. 5, на котором можно увидеть, что проекция поля зрения спектрометра НА ФСС во время первого измерения частично находится на зеленом участке береговой линии озера Байкал.

Заключение

Таким образом, на основании изложенного можно сделать вывод о работоспособности летного образца НА ФСС на борту РС МКС. Опыт планирования синхронных многоуровневых измерений был использован для внесения изменений в методику проведения КЭ «Ураган».

В настоящее время зарегистрированные НА ФСС данные продолжают поступать в формируемую базу спектральных характеристик различных видов подстилающей поверхности. Такая база имеет ключевое значение в определении эффективности НА ФСС, повышении качества обработки измерений спектра, а также позволит осуществлять поверку новых образцов

спектральной аппаратуры и отрабатывать методики спектральной съемки с борта РС МКС.

Список литературы

1. Легостаев В.П., Марков А.В., Сорокин И.В. Целевое использование Российского сегмента МКС: значимые научные результаты и перспективы // Космическая техника и технологии. 2013. № 2. С. 3-18.

2. Беляев М.Ю., Волков О.Н., Десинов Л.В., Масленников Л.В. Изучение катастрофических явлений с борта орбитальной станции «Мир» и МКС в эксперименте «Ураган» // Труды XXXV Чтений К.Э. Циолковского. Секция «Проблемы ракетной и космической техники». Казань, 2001. С. 117-129.

3. Beliaev M.Y., Dessinov L.V. Study of the Environment from the ISS in the URAGAN Program // 23rd International Symposium on Space Technology and science. Abstracts. Matsue, Japan. May 26 -June 2, 2002. P. 74.

4. Беляев Б.И., Катковский Л.В. Оптическое дистанционное зондирование // Минск: БГУ, 2006.

5. Беляев М.Ю., Рязанцев В.В., Сармин Э.Э., Десинов Л.В., Малышев В.Б., Беляев Б.И., Сосенко В.А. Использование научной аппаратуры «Фотоспектральная система» в эксперименте «Ураган»// Труды XLIV Чтений К.Э. Циолковского. Секция «Проблемы ракетной и космической техники». Калуга, 2009. С. 51-59.

6. Беляев М.Ю., Беляев Б.И., Катковский Л.В., Крот Ю.А., Роговец А.В., Сармин Э.Э., Хвалей С.В. Некоторые результаты летных испытаний фотоспектральной системы ФСС // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. М.: ИКИ РАН, 2011. Т. 8. № 2. С. 264-272.

7. Кринов Е.Л. Спектральная отражательная способность природных образований // М.-Л.: АН СССР, 1947.

Статья поступила в редакцию 30.07.2013 г.

FLIGHT TESTING OF RESEARCH EQUIPMENT "PHOTOSPECTRAL SYSTEM" ONBOARD ISS RS

Текст научной работы на тему «ЛЕТНАЯ ОТРАБОТКА ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЙ АППАРАТУРЫ "ФОТОСПЕКТРАЛЬНАЯ СИСТЕМА" НА БОРТУ РОССИЙСКОГО СЕГМЕНТА МКС»