Способ проведения съемок земной поверхности из космоса

 

Изобретение относится к космической технике, а именно к методам съемок земной поверхности из космоса. Способ включает проведение съемок земной поверхности из космоса посредством установленной на космическом аппарате (КА) оптико-электронной камеры. КА выводят на орбиту с драконическим периодом Т_др, удовлетворяющим условию

где N есть целое число витков в сутках, K₁ - целое число, меньшее и взаимно простое с m₁, ω₃ - угловая скорость вращения Земли, - угловая скорость прецессии долготы восходящего узла орбиты, причем K₁ выбирают таким, что дробь ближайшая к , где К₂ - целое число, меньшее и взаимно простое с m₂, а K₂ и N выбирают такими, что высота орбиты находится в требуемом сферическом слое. Технический результат состоит в улучшении характеристик наблюдения земной поверхности космическими аппаратами дистанционного зондирования Земли.

Предлагаемый “Способ проведения съемок земной поверхности из космоса” относится к космической технике, конкретно к методам съемок земной поверхности из космоса усыновленной на автоматическом космическом аппарате (КА) оптико-электронной камерой (ОЭК) в режиме сканирования “push - broom” в видимом диапазоне электромагнитного излучения. Полоса съемки ОЭК зависит от требуемого пространственного разрешения, и размер ее в направлении, перпендикулярном направлению полета КА, существенно меньше, чем межвитковое смещение трассы полета по долготе. При пространственном разрешении ~ 10 м полоса съемки составляет 70-100 км, в то время как межвитковое смещение трассы полета на экваторе равно 2700-3000 км для высот полета Н=500-1000 км.

Существует способ проведения съемок (см. п.8.3. в книге Основы теории полета космических аппаратов под редакцией Г.С. Нариманова и М.К. Тихонравова, М.: Машиностроение, 1972 г., стр. 253-255), в котором КА выводят на орбиту, близкую к квазисинхронной и отличную от нее на величину, обеспечивающую ежедневный сдвиг полосы съемки на расстояние, равное ее ширине. Изменение высоты (периода) орбиты может производиться в сторону увеличения или уменьшения квазисинхронного значения. Период обзора всей земной поверхности определяется отношением смещения трассы орбиты за виток к ширине полосы съемки (по долготе).

В Инженерном справочнике по космической технике под редакцией А.В. Солодова, М.: Воениздат, 1977 г. на стр. 379 приведены характеристики орбиты ИСЗ проекта ERTS США для составления карт различного назначения. ИСЗ обращается на солнечно-синхронной орбите с высотой 912,5 км. Суточное смещение трассы этой орбиты составляет 0,61° при витковом сдвиге, равном 25,76°, т.е. периодичность обзора земной поверхности равна 43 суткам. Орбита этого ИСЗ тоже близка к квазисинхронной: 14-витковая квазисинхронная солнечно-синхронная орбита соответствует высоте полета 901 км.

Известен способ, когда для повышения оперативности съемок любого пункта земной поверхности (уменьшения периода обзора) оптическую ось ОЭК отклоняют от вертикали в плоскости, перпендикулярной плоскости орбиты (см. стр.362 приведенного выше Инженерного справочника...), тем самым увеличивают полосу обзора (под полосой обзора понимается область земной поверхности, достижимая для съемки). Однако повышение оперативности съемок в этом случае достигается при ухудшении пространственного разрешения съемки, т.к. при суточном смещении трассы, равном полосе обзора, которая больше полосы съемки, некоторые области земной поверхности недоступны для проведения съемки в надир, при которой обеспечиваются наилучшие характеристики по пространственному разрешению. Применение же орбиты, близкой к квазисинхронной, с суточным смещением трассы, равным полосе съемки, приводит к тому, что оперативность наблюдения земной поверхности улучшается незначительно, т.к. полоса обзора с отклонением оптической оси ОЭК по углу крена будет иметь малое суточное смещение - на величину полосы съемки. Таким образом, для известных способов улучшение оперативности обзора земной поверхности приводит к ухудшению качественных характеристик, а именно степени пространственного разрешения.

Данное противоречие предлагается устранить следующим образом. Для начала определим следующие понятия:

- период вращения Земли относительно восходящего узла орбиты,

где ω₃ - угловая скорость вращения Земли,

- угловая скорость прецессии долготы восходящего узла орбиты.

Отношение есть звездный период вращения Земли Т_зв, и, так как много меньше ω₃, Т_отн близко к Т_зв. Например, для полярных орбит с наклонением i=90° Т_отн=Т_зв; для солнечно-синхронных орбит, для которых равна скорости изменения прямого восхождения среднего Солнца, Т_отн=Т_с, где Т_с - продолжительность солнечных суток.

Далее, любая орбита имеет постоянную характеристику - кратность К_р, которая определяется уравнением

где Т_др - драконический период обращения КА на орбите.

Для низких орбит с высотой 400-1500 км кратность К_р находится в пределах 15,5,-12,5, причем большее значение К_р соответствует меньшей величине высоты орбиты. Квазисинхронным орбитам соответствуют значения К_р, равные целым числам, т.е. для таких орбит приблизительно через сутки, а точнее через период времени Т_отн, трасса движения КА повторяется (число витков, после которых начинается повторение трассы, равно К_р). Как известно, трассу полета КА в координатах широта - долгота для (i+1)-го витка орбиты можно получить смещением в западном направлении по долготе трассы i-го витка на величину , и, следовательно, метрическое смещение трассы максимально на экваторе. Если кратность К_р не целое число, то суточное смещение трассы полета по долготе в западном направлении равно где {...} - дробная часть числа.

Для того, чтобы трасса полета через m суток совпала, необходимо, чтобы выполнялось условие

где К - любое целое число, меньшее и взаимно простое с m.

Всего на единичном, ограниченном целыми значениями величин, отрезке К_р имеется ϕ(m) орбит с m-суточной периодичностью повтора трассы полета, где ϕ(m) - арифметическая мультипликативная функция Эйлера (см., например, К. Чандрасекхаран. Введение в аналитическую теорию чисел, M.: Мир, 1974 г.). Функция ϕ(m) определяется по формуле

где произведение П ведется по простым числам р, являющимся делителем m.

Для известной величины перекрываемого интервала долгот ΔL_п период m совпадения трассы полета не меньше

где [...] - целая часть числа.

В нашем случае необходимо иметь два значения периода совпадения трассы полета:

где ΔL_пн - интервал долгот, перекрываемый полосой съемки, ΔL_пб - интервал долгот, перекрываемый полосой обзора с отклонением оптической оси ОЭК по крену, причем m₁ значительно больше m₂. Например, при ширине полосы съемки 70 км и при отклонении оптической оси по углу крена на ±40° отношение m₁ к m₂ для высот орбит от 500 км до 1500 км находится в пределах 14-45.

Для устранения приведенного выше противоречия КА выводят на орбиту, дробная часть кратности которой равна причем m₁ определяется по (1), a K₁ выбирают меньшим и взаимно простым с m₁ и таким, что дробь наиболее близка к дроби где m₂ определяется по (2), а целую часть кратности К_р и К₂ выбирают из условия расположения орбиты КА в требуемом сферическом слое.

В этом случае заведомо с периодом m₁ суток обеспечивается проведение съемок в надир любого пункта земной поверхности в диапазоне широт от нуля до широты, равной наклонению орбиты i.

Одновременно, т. к. дробь близка к дроби с периодом не более m₂ суток будет обеспечено проведение наблюдений любого пункта земной поверхности с отклонением оптической оси ОЭК по крену.

Для примера проведем выбор круговой орбиты КА, находящегося на полярной орбите i=90° на высоте не менее 650 км, с полосой съемки, равной 70 км, и с отклонением оптической оси ОЭК по крену на угол до ±40°.

Для i=90° Т_отн=Т_зв=86164,09 с. Драконический период круговых орбит определяется по формуле

где r - радиус круговой орбиты,

=348600,44 км³/с² - гравитационный параметр Земли,

=2,634·10¹⁰ км⁵/с² - параметр, учитывающий сжатие Земли.

В нашем случае (i=90°) кратность К_p определяется выражением

При r=6371+650=7021 км кратность К_р=14,727.

Оценим величины m₁ и m₂.

Межвитковое смещение для Н=650 км составляет ΔL_в=ω₃·Т_др=24,44°.

Угол зрения А объектива ОЭК для Н=650 км составляет

Геоцентрический угол полосы обзора δ_б с углом крена до ±40° определяется по формуле

Для H=650 км δ_б=11,49°.

Геоцентрический угол полосы съемки равен

Следовательно, т.к. выбор орбиты необходимо проводить в близкой окрестности кратности с 3-суточным повторением трассы.

Драконический период орбиты с К_р=14,(6) равен Т_др=Т_зв/К_р=5874,824 с. Межвитковое смещение этой орбиты ΔL_в=ω₃·Т_др=24,55°. Следовательно, периодичность m₁=[ΔL_в/δ_н]+1=39 суток.

Кратность искомой орбиты равна

Драконический период равен Т_др=5885,113 с, которому соответствует высота орбиты Н=677,37 км. Межвитковое смещение трассы ΔL_в=24,588°. Отношение ΔL_в/δ_н=39,03 получилось больше принятой величины m₁=39 суток, т. к. выбор ближайшей дроби привел к повышению высоты орбиты, а следовательно, и к увеличению межвиткового смещения трассы.

Примем m₁=40 суток: Т_др=Т_зв/К_р=5871,488 с, Н=666,49 км,

Следовательно, орбита с Н=666,49 км и наклонением i=90° обеспечивает съемку любого пункта земной поверхности полосой съемки, равной 70 км:

- с периодичностью не более 40 суток при наблюдениях в надир;

- с периодичностью не более 3 суток при наблюдениях с отклонением оптической оси ОЭК по крену на углы в пределах ±40°.

Формула изобретения

Способ проведения съемок земной поверхности из космоса посредством установленной на космическом аппарате (КА) оптико-электронной камеры с проведением сеансов наблюдения в надир с периодом m₁ суток наблюдения любого пункта земной поверхности, не меньшим отношения межвиткового сдвига трассы полета к полосе съемки по долготе, и сеансов наблюдения с отклонением оптической оси камеры по углу крена с периодом ₂ суток наблюдения любого пункта земной поверхности, не меньшим отношения межвиткового сдвига к полосе обзора по долготе с отклонением оптической оси камеры по углу крена, отличающийся тем, что КА выводят на орбиту с драконическим периодом Т_др, удовлетворяющим условию

где N есть целое число витков в сутках;

K₁ - целое число, меньшее и взаимно простое с m₁;

ω₃ - угловая скорость вращения Земли;

- угловая скорость прецессии долготы восходящего узла орбиты, причем K₁ выбирают таким, что дробь - ближайшая к , где K₂ - целое число, меньшее и взаимно простое с m₂, а К₂ и N выбирают такими, что высота орбиты находится в требуемом сферическом слое.