Космическая съемка

Я ЛЕКЦИЯ

ТЕМЫ: 5.1 Космическая съемка. Классификация съемок. 5.1

Космическая съемка, т.е. съемка с высоты более 150 км, вы­полняется со спутника, который в соответствии с законами не­бесной механики перемещается по строго установленной орбите. Поэтому возможности его маневрирования по сравнению с само­летом весьма ограничены. Любой спутник-съемщик всегда дол­жен рассматриваться с учетом параметров его орбиты. 4 октября 1957 г., в день запуска в СССР первого искусствен­ного спутника Земли (ИСЗ), было положено начало стремитель­но развивающейся ветви геодезии — космической, или спутнико­вой. Эта новая ветвь геодезии нацелена прежде всего на решение двух групп задач — передачи координат на большие расстояния и измерения гравитационного поля Земли. В соответствии с этими задачами методы их решения также обычно делят на две группы: связанные с использованием спутника как цели-точки с извест­ными координатами в определенные моменты времени наблюде­ний; основанные на исследовании траектории его полета, точно­го вида орбиты. Первую группу задач называют геометрической (космическая триангуляция, космическая линейная засечка), вто­рую — динамической (орбитальный метод). Естественно, абсо­лютной границы между задачами геометрического и динамичес­кого характера нет, так как они связаны едиными законами дви­жения ИСЗ. Невозмущенное движение ИСЗ происходит в общем случае по эллиптической орбите, для определения вида которой необходимы два параметра — величина большой полуоси а и сжа­тие е. Один из фокусов эллипса 3 - центр масс Земли; А - точка апогея, максимального удаления от Земли; П = точка перигея, ближайшая к Земле точка орбиты. Линия, соеди­няющая точки апогея и перигея, называется линией апсид. Движение спутника происходит в неизменной плоскости ор­биты, ориентация которой в пространстве определяется двумя угловыми величинами: i и Ψ (рис.). Угол i — наклон плоскости орбиты к плоскости экватора (если i= 0°, орбита экваториальная, если i = 90°, орбита полярная); угол Ψ — долгота восходящего узла. Линия ЗУ, по которой плоскость орбиты пересекает плоскость экватора, называется линией узлов. Углом ω (долгота перигея) определяется разворот или положение эллипса в плоскости орби­ты. Для знания конкретного положения спутника должно быть еще известно время t прохождения, например, точки П. Всего, следо­вательно, нужно знать шесть параметров — шесть «кеплеровых элементов» (а, е, i, Ψ, ω, t). Истинное движение спутника — возмущенное, не подчиняю­щееся строгим законам Кеплера. Измерение этих возмущений — путь к познанию реального гравитационного поля Земли. Именно орбитальные наблюдения позволили выявить асимметрию север­ного и южного земных полушарий: наземные гравиметрические измерения, хотя они и точнее спутниковых, в полярных районах практически не проводились. В зависимости от вида задач — геометрических или динамичес­ких — параметры орбит спутников существенно различаются. Для изучения гравитационного поля Земли необходимы «низкие и тяжелые» спутники с высотой перигея 500—800 км. При меньших высотах на движение ИСЗ будет оказывать заметное влияние ат­мосфера Земли, при больших высотах ощутимо влияние светово­го давления и лунно-солнечного притяжения. Эти спутники дол­жны, по возможности, иметь максимальное отношение массы к диаметру (форма ИСЗ, как правило, сферическая).

Рис. 63 Орбиты ИСЗ

Для решения геометрических задач более удобны орбиты с боль­шим наклонением (углом i), малым эксцентриситетом (е близко к 0) и достаточно большой высотой над земной поверхностью (от 3 до 30 тыс. км). Проекция на земную поверхность положения ИСЗ по отвесной линии называется подспутниковой точкой. Чем больше угол i, тем больше амплитуда синусоиды — трассы под­спутниковой точки (на карте мира относительно линии эквато­ра), тем лучше условия для наблюдения спутника в высоких щиротах. Чем меньше угол i, тем меньше амплитуда, тем ближе трас­са к экватору.

Среди спутников с экваториальной круговой орбитой (i = 0°, е - 0) особенно важен для геодезии тот, высота которого имеет некоторое определенное значение. Известно, что период обраще­ния ИСЗ может быть вычислен по формуле

Tмин. = 84,4 + H/25,

где Tмин - период обращения ИСЗ, мин; Н - высота ИСЗ над земной поверхностью, км.

При H = 33 900 км период обращения спутника равен 24 ч, таким образом, его трасса на карте Земли превращается в точку, он как бы зависает над определенным пунктом экватора. Такие ИСЗ называют геостационарными спутниками. По способу наблюдений спутники могут быть поделены на ак­тивные и пассивные. Спутник, наблюдаемый только в отражен­ном солнечном свете, называют пассивным. Если ИСЗ имеет ка­кие-либо излучающие или ретранслирующие устройства, его на­зывают активным. В 1960-е гг. в геодезических целях широко ис­пользовались пассивные легкие спутники — надувные баллоны диаметром до 40 м, их светимость доходила до 1т. В настоящее время наблюдается тенденция к увеличению применения актив­ных спутников. В связи с огромной скоростью движения ИСЗ (около 7 км/с) определение их пространственного положения выполняется приемами, несколько отличными от обычных геодезических изме­рений. Наибольшее распространение получили два способа — фотографический и радиотехнический.

Первый способ заключается в фотографировании ИСЗ на фоне звезд. Измерив на снимке положение спутника относительно звезд, координаты которых известны, можно получить направление на спутник. Второй способ применяется в активных спутниках, на борту которых находятся радиопередатчики сигналов высокоcтабильной частоты и высокоточного времени.

Техническими измерительными средствами для первого спосо­ба служат фотографические камеры, позволяющие получать «ко­дированные» изображения спутника и «опорных» звезд (рис. 5.19). Кодирование заключается в привязке точечных или штриховых изображений ИСЗ к меткам времени.

Рис. 64. Космическая триангуляция звезд неподвижной камерой

Заметное повышение точности при спутниковых определениях координат достигается одновременным применением двух при-емоиндикаторов - базового, или станционного, находящегося постоянно в одном пункте с известными координатами, и под­витого перемещающегося по определяемым точкам. Информация записанная на обоих приемоиндикаторах, затем обрабаты­вается на компьютере с помощью специальной программы что обеспечивает сантиметровую и даже миллиметровую точность оп­ределения координат.

Несомненно, что в самом ближайшем будущем эти приборы позволят не только решать задачи определения координат ка­ких-либо объектов, но и при некотором дальнейшем повышении точности измерений ответить на такие глобальные научные воп­росы, как дрейф континентов и пульс Земли.

Рис.65 Спутниковый приемоиндикатор

Орбиты спутников.С точки зрения космических съемок земной поверхности важны следующие параметры орбит: форма, накло­нение, высота, положение ее плоскости по отношению к Солнцу.

Форма орбиты определяет постоянство высоты съемки на раз­ных участках

орбиты. Предпочтительны круговые орбиты

рых высоты перигея и апогея одинаковы и, следовательно, оди­накова высота съемки земной поверхности, а для одной и той же аппаратуры — одинаковы охват, масштаб и разрешение снимков.

Наклонение определяется углом / между плоскостью орбиты и плоскостью экватора. По наклонению разделяют орбиты эквато­риальные (/=0°), полярные (/' = 90°) и наклонные. В число наклонных орбит входят прямые (0 < / < 90°) и обратные (90° < / < 180°). Наклонение орбиты определяет широтный сферический пояс, ох­ватываемый съемкой (рис. 2.32). Крупногабаритные тяжелые пи­лотируемые корабли и орбитальные станции функционируют на прямых орбитах (обычно с наклонением 30 и 52°), сравнительно небольшие метеорологические и ресурсные спутники запускают на полярные орбиты.

Высота орбиты. Спутники работают на различных высотах. При низких орбитах существенно сказывается сопротивление атмос­феры, при высоте менее 100 км прогрессивно возрастающее тор­можение столь велико, что спутник не может совершить даже од­ного витка и, сгорая, падает вниз. По мере увеличения высоты увеличивается время активного существования спутников, охват съемкой, но при этом обычно уменьшается разрешение снимков. Выделяют три группы наиболее часто используемых для съемки Земли орбит — с высотами 150 — 500, 500 — 2000 и 36 000 км. Пер­вая группа включает орбиты пилотируемых кораблей, орбиталь­ных станций, а также спутников фотосъемки с относительно ко­ротким временем функционирования. Во вторую группу входят орбиты ресурсных и метеорологических спутников с электронной аппаратурой. Для первых характерны высоты около 600 и 900 км, для вторых — 900 — 1400 км. Третья группа — это орбиты геоста­ционарных спутников; угловая скорость движения спутника на высоте 36 000 км равна угловой скорости вращения Земли, и по­этому спутник движется синхронно с подспутниковой точкой зем­ной поверхности. Геостационарный спутник на экваториальной орбите, как бы зависая над определенным районом Земли, обес­печивает его постоянное наблюдение.

От периода обращения — времени оборота спутника вокруг Зем­ли — зависит число витков в сутки и соответственно межвитко-вое расстояние. Для околоземной круговой орбиты период обра­щения спутника Т_об (мин) зависит от ее высоты Н (км) и числен­но равен

T_об = 84,4+H/50

Число витков, опоясывающих Землю, за сутки составитN = 24x60/Т_об

а угловое межвитковое расстояние будет

N^{0 =} 360°/N

Например, спутник на высоте 280 км совершает вокруг Земли один оборот за 90 мин и делает 16 витков за сутки при межвитковом расстоянии 22° 5', что на экваторе соответствует 2500 км.

Солнечно-синхронные орбиты — орбиты, при съемке с кото­рых солнечная освещенность земной поверхности (высота Солн­ца) остается практически неизменной достаточно продолжитель­ное время (почти в течение сезона). Это достигается следующим путем. Поскольку плоскость любой орбиты под влиянием несфе­ричности Земли немного разворачивается (прецессирует), то ока­зывается возможным, подбирая определенное соотношение на­клонения и высоты орбиты, добиться, чтобы величина прецес­сии была равной суточному повороту Земли вокруг Солнца, т. е. около Г в сутки. Среди околоземных орбит удается создать лишь несколько солнечно-синхронных, наклонение которых всегда об­ратное. Например, при высоте орбиты 1000 км наклонение долж­но быть 99°.

Орбитальные съемки поверхности Земли.По сравнению с само­летом спутник движется значительно быстрее, что требует корот­ких выдержек при съемке. Однако летящий спутник не испытыва­ет вибраций и резких колебаний, поэтому космические снимки удается получать с более высокой разрешающей способностью, чем аэроснимки.

При планировании космической съемки в соответствии с ее назначением выбирают оптимальную высоту полета спутника, наклонение орбиты и время старта. Существенное значение имеет и географическое положение космодрома, с которого произво­дится запуск спутника. В настоящее время космодромами распола­гают многие страны (табл. 2.3).