Статистическая оценка качества снимков КА «Ресурс - ДК1», приведенных к зачётным условиям съёмки Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 629.78

СТАТИСТИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА КАЧЕСТВА СНИМКОВ КА РЕСУРС - ДК1», ПРИВЕДЕННЫХ К ЗАЧЁТНЫМ УСЛОВИЯМ СЪЁМКИ

© 2010 Р.Н. ^тетов, А.Ю. Богатов, И.Н. Лосев, В.Ф. Петрищев ФГУП «гтркц «ЦСКБ-ОТОГРЕСС», г. Самара

Проведена статистическая обработка результатов инструментальной оценки линейного разрешения на местности снимков, порченных в процессе штатной эксплуатации КА «Ресурс - ДК1», путём приведения их к зачётным условиям съёмки. На обширном статистическом материале (более 900 измерений) подтверждается вывод о выполнении требований тактико-технического задания к КА в части требований к линейному разрешению на местности в панхроматическом диапазоне спектра. В качестве аппроксимирующего выражения линейного разрешения на местности выбрана экспоненциальная функция. Выявлены заметные перемещения плоскости наилучшего изображения телескопа «Геотон-Л1» в процессе штатной эксплуатации КА.

Линейное разрешение на местности, объектив телескопа, нейтральный светофильтр, фокусировка, оптико-электронный преобразователь, п^бор с зарядовой связью, панхроматический диапазон, матрица, число строк накопления

15 июня 2010 года исполнилось четыре года работы на орбите КА «Ресурс - ДК1», созданного в Самарском ГНП РКЦ «ЦСКБ-Прогресс». Этот аппарат по основным своим параметрам, таким как производительность, ширина полосы захвата, линейное разрешение на местности, оперативность получения и доставки информации наземному потребителю, пропускная способность радиолинии, время существования и др., стоит в одном ряду с лучшими зарубежными аналогами (Ikonos, Quick Bird (США), Eros (Израиль) и др.). За время активной работы КА на орбите снято более 64 млн. кв. км поверхности Земли, получено более 14 терабайт информации с научной аппаратуры «АРИНА» и «^^ЕЕЛА», которая в настоящее время продолжает обрабатываться.

Учитывая наличие на борту КА запасов рабочего тела, принято решение о продлении срока активного существования КА на орбите.

Настоящая статья подводит научный итог работы КА «Ресурс - ДК1» на орбите и посвящена статистическому анализу величины линейного разрешения на местности (ДОМ), обеспечиваемой оптико-электронной аппаратурой

дистанционного зондирования Земли -космическим телескопом «Геотон - Л1» разработки ОАО НТЦ «Красногорский завод» ф^оводитель Крамаренко В Н.) и системой приёма и преобразования информации «Сжгур - 1» разработки НПП «ОПТЭКС» (руководитель Бакланов АЛ.), а также обеспечивающими системами КА (^равленм движением, навигации и

др.).

Сразу после запуска КА «Ресурс -ДК1», получения и опубликования первых снимков в средствах массовой информации началась оживлённая дискуссия по вопросу выполнения космическим аппаратом требований тактико-технического задания

Федерального Космического Агентства на разработку и создание КА в части линейного разрешения на местности [1]. Эти требования состояли в следующем: КА с вероятностью 0,7 должен обеспечить получение снимков поверхности Земли в панхроматическом диапазоне спектра 0,58 - 0,80 мкм с линейным разрешением на местности 1,0 м в следующих нормированных условиях:

- съёма «в надир» с высоты 350 км;

- высота Солнца над местным горизонтом снимаемого объекта - 30°;

- кончает наемных объектов - 0,2 (с учётом потери контраста в атмосфере до

30%);

- минимальный коэффициент отражения ландшафта - 0,07.

В процессе лётно-конструкторских испытаний КА и в дальнейшем в ходе его штатной эксплуатации оценивание величины JIPM по полученным снимкам производилось инструментальным

методом с использованием

методического и программного обеспечения разработки ВНЦ «ГОИ им. С.И.Вавилова» (разработчик Батраков А.С.), разработанного по техническому заданию ГНП РКЦ «ЦСКБ-Прогресс». Даваемая этим методом на основе анализа распределения сигнала в изображениях скачков яркости (резких краёв) оценка величины JIPM подтвердила на этапе лётно-конструкторских испытаний КА факт выполнения требований ТТЗ

приближённо: по условиям, достаточно близким к нормированным, в том числе с использованием приведения полученной величины разрешения к высоте 350км.

В настоящей статье проведён статистический анализ результатов измерения JIPM, полученных инструментальным методом в ходе штатной эксплуатации КА по полугодиям 2007г., 2008г. и 2009г. (массивы данных «2007-1» объёмом 301, «2007-2» объёмом 212, «2008-1» объёмом 155, «2008-2» объёмом 112 и «2009-1» объёмом 139 измерений величины JIPM). Все данные предоставлены Научным Центром Оперативного Мониторинга Земли (р^оводитель Н.Н.Новикова).

Каждое измерение L величины ЛРМ сопровождаетя следующей информацией: высотой орбиты H в момент съёмки, углом отклонения КА по каналу крена у, высотой Солнца ho над местным горизонтом снимаемого участка, коэффициентом отражения снимаемого участка р, кодом арретира

дискретного К ард, числом строк накопления N матриц фотоприборов с

зарядовой связью (ФПЗС) и признаком S включения нейтрального светофильтра.

Параметр р характеризует степень диффузного отражения снимаемым участком поверхности Земли солнечных лучей. Значение параметра р в пределах заданного снимаемого участка изменяется в диапазоне от р min до

Р max. При планировании режима съёмки КА «Ресурс - ДК1» используется параметр р max для предотвращения достижения порогового значения насыщения аналоговыми сигналами с выходных регистров матриц ФПЗС.

Параметр ^ард определяет

величину необходимого изменения на орбите фокусного расстояния объектива аппарата «Геотон - JI1» за счёт перемещения фокального узла с установленными на нём оптико -электронными преобразователями вдоль оптической оси объектива для совмещения плоскости чувствительности матриц ФПЗС с плоскостью наилучшего изображения ^ШИ) объектива. Отметим, что космический телескоп «Геотон - JI1» обеспечивает возможность задания Кдрд в диапазоне от - 63 до +63 единиц.

Единице кода соответствует

перемещение на 23,8мкм.

Логика работы матриц ФПЗС допускает дискретное задание числа строк накопления N матриц ФПЗС: 128, 64, 32, 16 и 8. Выбор числа строк накопления производится при планировании съёмки в зависимости от величины оптического сигнала также с целью предотвращения достижения порога насыщения.

При необходимости оптический сигнал ослабляется в 1,7 раза введением нейтрального светофильтра, при этом признак включения нейтрального светофильтра S принимается равным 0.

Обработка проведена отдельно по каждому из массивов данных.

Для проведения статистической обработки полученной информации необходимо иметь функциональную

зависимость величины линеиного разрешения на местности L от параметров, определяющих условия наблюдения и режим работы оптико -электронной аппаратуры. Построение такой зависимости с использованием, как правило, достаточно сложных численных методов и соответствующих

программных средств составляет содержание методик априорного оценивания достигаемой величины JIPM L, разрабатываемых на этапе проектирования оптико- электронной аппаратуры, воспользоваться которыми в данном случае не представляется возможным.

Для проведения статистической обработки полученной информации величина JIPM L аппроксимируется экспоненциальной функцией:

L=L »в (qi'H'«"Y+q'^w q^o' qtu* «6qS

(1)

Здесь LT=1,0 м - теоретическое значение величины JIPM ICA «Ресурс - ДК1» в нормированных условиях съёмки.

Влияние условий наблюдения и режима работы оптико - электронной аппаратуры в (1) определяется семью неизвестными пока коэффициентами

q^ Q2,-,q7.

Выбор аппроксимирующего

выражения в форме экспоненты обусловлен соответствующим

экспоненциальным изменением

разрешения при изменении большинства параметров, определяющих условия наблюдения и режим работа аппаратуры, за исключением высоты орбиты, от которой дальность зависит линейно, и угла крена. От угла крена зависимость разрешения достаточно сложная и неаналитическая. Она определяется логикой суммирования величин JIPM по резким краям разных направлений в поле видеокадра, применяемой в

инструментальном методе оценивания JIPM. Однако, учитывая малый фактический диапазон изменения этих параметров у КА «Ресурс - ДК1», можно

полагать, что их влияние подчиняется той же закономерности с допустимой погрешностью.

Обозначим через Я вектор неизвестных коэффициентов

При использовании

аппроксимирующего выражения (1) задача статистической обработки информации сводится к определению оптимального значения 7-мерного вектора Я по всей генеральной совокупности п инструментальных измерений Ь.

В качестве метода статистической обработки информации выбран метод наименьших квадратов. При этом в качестве критерия оптимальности выбран минимум среднего квадрата отклонения инструментального измерения Ь от его ожидаемого в соответствии с (1) значения при тех же условиях съёмки. Для реализации метода необходимо получить систему так называемых нормальных уравнений, из которых находится оптимальное значение оптимального вектора Я . Для их получения разложим Ь в (1), имеющей вид Ь(Я), в ряд Тейлора в малой окрестности • Я некоторого опорного значения с

удержанием лишь первого линейного члена:

_ _ -Ь _

•я

Здесь вектор-строка частных производных от Ь по элементам вектора Я вычисляется при значении Я =^0 .

В качестве опорного решения

выберем нулевое, а именно: = 0, в котором все элементы вектора равны нулю. Тогда из равенства следует • Я = Я, из равенства (1) следует

L(q0=0)=LT=1, дифференцирования,

и

после подстановки

Ь( Ч о )=1 и взаимной перестановки левой и правой частей выражение (2) для произвольного 1-ого обработанного снимка приобретает вид нормального уравнения:

*Н; у; КАРД ; К; ртах ; N; £ • • Ц =1-Ь;(я), 1<1<п, (3)

которое может быть записано для любого 1, изменяющегося от 1 до п. При этом п может принимать значения 301, 212, 155, 112, 139 в зависимости от используемого массива данных.

Если записать нормальное уравнение (3) п раз для 1 от 1 до п одно под другим построчно в виде системы нормальных уравнений и далее ввести обозначения:

Н1; Г1; КАРД1; ка\; Ртах1; '

Н2; /2; КАРД2; Къ Ртах2; N2; ^2 •,

Ж'

Нп; Уп; КАРДп; Кп; Ртах п; N;

1 • Ь1 •

1 • Ь

2 • ,

Чор! • (WT • W)*

Ь,

(4)

где показатель (-1) обозначает операцию обращения произведения матриц, стоящих в круглых скобках, Т- операцию транспонирования матрицы.

Результаты вычислений правой части этого выражения применительно к обрабатываемым массивам данных дали значения элементов оптимального вектора Чор! (с точностью до пятого

десятичного разряда после запятой), которые приведены в таблице 1.

Подстановка этих значений в выражение (1) для нормированных условий съёмки и рекомендуемых параметров режима работы оптико -электронной аппаратуры в этих условиях:

Н=350км; И о =30 град;

'=0;

КдРД = К^Д ЗАД.

• тах =0,105; N=^8; в=1

1 * Ьп •

даёт искомую величину математического ожидания линейного разрешения на местности М[Ь], приведенную в таблице 1.

При этом принятое в расчёте значение • тах =0,105 обусловлено заданием в ТТЗ величин • т;п =0,07 и контраста =0,2, определяемого выражением:

то эту систему нормальных уравнении можно записать в матричном виде:

к! =

• * • .

тах тт

• • •

тах тт

W«Ч • • Ь.

(3)

Элементы матрицы W и вектора • Ь выбираются из массивов полученных экспериментальных данных.

В соответствии с формализмом метода наименьших квадратов оптимальное значение Чор! искомого

вектора Ч, для которого справедливо (3), определяется из выражения:

Из рассмотрения таблицы 1 следует, что элементы оптимального вектора по абсолютной величине

действительно малы, что подтверждает допустимость представления Ь в форме ряда Тейлора (2), ограниченного лишь линейным членом, относительно

нулевого опорного значения ч (

= 0.

Отрицательные знаки у элементов и ч2 оптимального вектора

• •

указывают на то, что с ростом высоты орбиты и угла крена КА при съёмке величина линейного разрешения ухудшается (Ь возрастает).

Для получения статистических характеристик распределения

измеренных величин Ь; также представляет интерес величина среднеквадратического отклонения

(СКО) от его ожидаемого значения.

Величина СКО • может быть получена с использованием известной формулы для дисперсии Э[2]:

2 I-

1 п Л 2 В

в. —-. (ь, - ь,) ,<г• -,

П -1 пг-1 \П

где L¡ - i-e измеренное значение

величины ЛРМ; L - ожидаемое значение ЛРМ, соответствующее i-y измеренному значению, которое может быть получено из соотношения (1) после подстановки в него заданных параметров получения i -го снимка и параметров оптимального вектора qopt.

Проведём анализ полученных результатов, приведенных в таблице 1. При этом необходимо учесть, это в 2007 году, и особенно интенсивно в его первом полугодии, проводилась принудительная дефокусировка

объектива телескопа «Геотон - JI1» с целью выполнения требования директивных государственных органов РФ: при проведении съёмок территории России обеспечивать разрешение не лучше 2м. В дальнейшем это ограничение перешло из сферы получения снимка в сферу его трансформирования перед поставкой потребителю для некоторых

ограниченных районов РФ.

Дефокусировка объектива

обеспечивалась заданием программного значения параметра К АРд. При этом

диапазон изменения задаваемого параметра К АРд в течение 2007 года

находился в пределах от -10 до 8.

Это обстоятельство отразилось на величинах СКО инструментальной величины разрешения (в первом полугодии СКО равно 0,18253м, во втором 0,07897м) от её ожидаемого значения.

Из таблицы 1 следует, что близким к оптимальному значением параметра К АРд телескопа «Геотон - Л1» в течение

первого полугодия 2007 года оставалась величина, равная 8, которая была определена инструментальным путём на этапе лётно-конструкторских испытаний КА в июне 2006г. При этом значении параметра К АРд математическое

ожидание величины линейного разрешения на местности составляет 1,09832м в первом полугодии 2007г. и 1,25184м- во втором.

Из таблицы 1 следует, что при задании в первом полугодии 2007г. кода АРД, равного 10, величина ЛРМ составляет 0,95706м и при задании во втором полугодии кода АРД, равного 11, величина ЛРМ составляет 0,95733м. С учётом величины (при вероятности 0,7) эти значения неоспоримо подтверждают факт выполнения космическим аппаратом «Ресурс-ДК1» требования технического задания в части линейного разрешения на местности.

В отличие от 2007 года, в течение которого плоскость наилучшего изображения телескопа оставалась практически неподвижной, в 2008 году возникли заметные перемещения этой плоскости, отразившиеся на результатах инструментальных измерений

разрешения.

Выявление причины и характера этого перемещения не является предметом настоящей статьи, однако, можно отметить, что одной из наиболее

Таблица. Результаты статистической обработки инструментальных измерений линейного разрешения на местности

№№ п/п Индекс массива Кол. измер Зад. код Оптимальные значения элементов вектора Ц Мат. ожид. ско, ст

данных ений п АРД Ч\ 1/км 1/град. Чъ Ч 4 1/град. Чб Чп М[Ь], м м

1 2 3 4 5 6 1 8 9 10 11 12 13

1 2007-1 301 10 -0,00387 -0,01192 0,06883 0,00496 0,43573 0,00391 0,01686 0,95706 0,18253

2 2007-2 212 11 -0,00331 -0,01292 0,08941 0,00420 0,08234 0,00038 0,03701 0,95733 0,07897

3 2008-1 155 53 -0,00270 -0,01396 0,00861 0,00592 0,25621 0,00229 -0,00488 0,99704 0,04922

4 2008-2 112 24 -0,00336 -0.00804 0,01471 0,01007 0,07563 0,00361 0,06483 0,98599 0,03506

5 2009-1 139 44 -0,00212 -0,00383 0,01153 0,00068 0,13650 0,00053 -0,01152 0,98584 0,04071

вероятных причин перемещения является изменение температурного режима телескопа.

Из таблицы 1 следует, что среднее за первое полугодие 2008 года вынужденное смещение положения ПНИ от исходного положения (К^рд=11) составило -42 кода

АРД (в направлении приближения к объективу), так что для получения качественного снимка необходимо было вернуть ПНИ в исходное положение, задав перемещение из положения К^рд=11 в

положение К¿рд = 53.

Аналогичный факт имел место и во втором полугодии 2008 года, за исключением изменения знака

вынужденного смещения положения ПНИ, а именно: из предыдущего исходного положения (К^рд=53) ПНИ совершила

вынужденное перемещение в среднем на +29 кодов АРД (в сторону удаления от объектива), так что для получения качественного снимка необходимо было вернуть её в исходное положение, задав перемещение из положения К^рд=53 в

положение К ^рд =24.

Наконец, в первом полугодии 2009г. ПНИ в среднем переместилась ещё на -20 кодов АРД (в сторону приближения к объективу). Для компенсации этого вынужденного перемещения необходимо было задавать при планировании съёмок код АРД, примерно равный +44. При задании кода АРД, отличного от указанного, могли возникнуть случаи ухудшения качества снимков.

Необходимо подчеркнуть, что приведённые значения вынужденных перемещений ПНИ являются

приближёнными, поскольку они определены «в среднем» за каждое полугодие. Сузить временной интервал с целью выявления динамики перемещений ПНИ не представляется возможным в связи с неизбежным уменьшением в этом случае объёма обрабатываемых данных, необходимых для качественного

оценивания достаточно большого числа параметров (7 элементов вектора q0pt).

Подводя итоги проведённому анализу, можно сделать следующие выводы.

1. Требования тактико-технического задания Федерального Космического Агентства на разработку и создание КА «Ресурс-ДК1» в части линейного разрешения на местности в панхроматическом диапазоне спектра выполнены.

2. В результате анализа полученной информации выявлены вынужденные средние перемещения плоскости наилучшего изображения телескопа «Геотон - Л1» в течение 2008г. и первого полугодия 2009г., причём в первом полугодии 2008г. в среднем на -42 кода АРД, во втором-на +29 кодов и в первом полугодии 2009г.- ещё на -20 кодов.

При этом качество снимков в целом соответствовало предъявленным

требованиям.

3. Разработанный в настоящей статье алгоритм статистической обработки результатов инструментальной оценки линейного разрешения на местности может быть использован для контроля положения плоскости наилучшего изображения телескопа «Геотон-Л1» и планирования кодов АРД в процессе штатной эксплуатации КА «Ресурс-ДК1».

Библиографический список

1. Тактико-техническое задание на разработку и создание оперативного космического комплекса детального оптико-электронного наблюдения земной поверхности «Ресурс-ДК». 1998. - 27 С.

2. Вентцель, Е.С.Теория вероятностей. [Текст] / Е С.Вентцель // -М.: Физматгиз.1969. - 576 С.

References

1. Performance characteristics for "Resurs-DK" space system engineering and production for detailed optoelectronic Earth observation. 1998 - p.27.

2. "Probability theory". [text] / E.S. Venttsel //M.: Phismatgiz. 1969/- p.576.

STATISTICAL ESTIMATION OF RESURS-DK1 SC IMAGE QUALITY MODIFIED TO ACCEPTABLE SURVEY CONDITIONS

© 2010 R.N. Akhmetov, A.Y. Bogatov, I.N. Losev, V.F. Petrishchev FSUI SRPSRC "TsSKB-Progress",Samara

Instrumental assessment results of linear ground resolution of images, acquired during normal operation of RESURS-DK1 SC were statistically handled by modifying them to acceptable survey conditions. Conclusion about fulfilling the SC performance task requirements, particularly requirements to linear ground resolution within panchromatic spectrum range, was proved on the basis of voluminous statistical data (more than 900 scannings). Exponential function was chosen as approximating expression of linear ground resolution. Appreciable best image plane travels were detected during normal SC operation.

Linear ground resolution, telescope lens, gray filter, focusing, optronic converter, charge-coupled device, panchromatic range, matrix, fineness of scanning

Информация об авторах

Ахметов Равиль Нургалиевич. Генеральный конструктор ФГУП ГНПРКЦ «ЦСКБ-Прогресс», кандидат технических наук. e-mail: [email protected]. Область научных интересов - проектирование изделий ракетно-космической техники.

Богатов Алексей Юрьевич. инженер-конс^эуктор, ФГУП «ГШ1РКЦ «ЦСКБ-Прогресс», e-mail: [email protected]. Область научных интересов - получение и обработка информации.

Лосев Игорь Николаевич. заместитель начальника отдела ФГУП «ГНПРКЦ «ЦСКБ-Прогресс», e-mail: [email protected]. Область научных интересов - проектирование оптико-элек^онной аппаратуры дистанционного зондирования Земли.

Петрищев Владимир Фёдорович. начальник сектора. ФГУП «ГЫ1РКЦ «ЦСКБ-Прогресс», доктор технических наук. e-mail: [email protected]. Область научных интересов -получение и обработка информации.

Akhmetov Ravil Nurgalievich. General designer. Samara Space Rocket Centre "TsSKB-Progress". Candidate of Engineering. e-mail: [email protected]. Field of scientific interest - space vehicles engineering.

Bogatov Alexey Yurevich, Design engineer. Samara Space Rocket Centre "TsSKB-Progress". e-mail: [email protected]. Field of scientific interest - data acquisition and processing.

Losev Igor Nikolaevich, Deputy Head of division. Samara Space Rocket Centre "TsSKB-Progress". e-mail: [email protected]. Field of scientific interest - Earth remote sensing optical equipment design.

Petrishchev Vladimir Fyodorovich, Team leader Samara Space Rocket Centre "TsSKB-Progress". Doctor of Engineering. e-mail: [email protected]. Field of scientific interest -data acquisition and processing.