Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Разработка и создание наземной системы приема и цифровой обработки изображений Земли, получаемых с орбитальных космических аппаратов

ВАК РФ 25.00.34, Аэрокосмические исследования земли, фотограмметрия

Содержание диссертации, доктора технических наук, Воронков, Владимир Николаевич

Список сокращений

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННЫЕ НАЗЕМНЫЕ СИСТЕМЫ ПРИЕ

МА И ЦИФРОВОЙ ОБРАБОТКИ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА

1.1. Сравнительный анализ зарубежных и российских 22 наземных систем

1.2. Обоснование требований к проектируемой системе - 38 Центру обработки космической информации

ГЛАВА 2. МАКРОПРОЕКТИРОВАНИЕ ЦЕНТРА ОБРАБОТ- 47 КИ КОСМИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ

2.1. Определение цели и задач Центра

2.2. Выбор архитектуры Центра

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМОВ И ТЕХНИЧЕСКИХ

СРЕДСТВ ПРИЕМА, ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЙ ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ И ФОРМИРОВАНИЯ КАДРОВЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ ЗЕМЛИ

3.1. Прием и распространение информации

3.2. Цели, задачи и макроструктура системы предварительной 62 обработки и формирования кадровых изображений Земли

3.3. Интерфейсы автоматизированного информационного 68 обмена

3.4. Технические средства и алгоритмическое обеспечение

ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА МОДЕЛИ, МЕТОДОВ И ТЕХНИЧЕС

КИХ СРЕДСТВ СИНТЕЗА, ГЕОМЕТРИЧЕСКОЙ КОРРЕКЦИИ И ХРАНЕНИЯ ЦИФРОВЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ ЗЕМЛИ

4.1. Математическое моделирование процесса формирования цифрового изображения Земли при съемке с борта КА

4.2. Создание методов и выбор аппаратного обеспечения геометрической коррекции кадровых изображений Земли

4.3. Хранение результатов исследования Земли из космоса

ГЛАВА 5. АНАЛИЗ ОПЫТА ЭКСПЛУАТАЦИИ И НАПРАВ- 210 ЛЕИИЯ ДАЛЬНЕЙШЕГО РАЗВИТИЯ ЦЕНТРА ОБРАБОТКИ КОСМИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ

5.1. Анализ опыта эксплуатации Центра на примере обработки 210 изображений Земли, полученных в процессе эксплуатации модуля «Природа» в составе ОС «Мир» в 1996-2000 гг.

5.2. Основные проектные параметры Центра обработки 235 космической информации о Земле для КА следующего поколения

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Разработка и создание наземной системы приема и цифровой обработки изображений Земли, получаемых с орбитальных космических аппаратов"

Запуск 4 октября 1957 года первого искусственного спутника Земли ознаменовал начало космической эпохи в истории человечества. Одновременно был дан старт совершенно новому направлению развития фундаментальных и прикладных наук - исследованиям и экспериментам в космосе. Вскоре были открыты радиационные пояса Земли, показана принципиальная возможность существования земных организмов в условиях микрогравитации и под воздействием факторов космического полета. Однако, наиболее приоритетным до конца 60-х годов оставались космические проекты, связанные с совершенствованием самой космической техники: увеличением объемов и весов космических аппаратов (КА), длительности их пребывания в космосе, повышением надежности выполнения основных полетных операций (выведение, стыковка, спуск с орбиты), улучшением условий пребывания человека на пилотируемом КА и облегчением адаптации после возвращения на Землю.

Тем не менее, по мере накопления опыта космических полетов также возрастало количество времени, выделяемое на изучение космического пространства, Солнца, а также Земли и других планет Солнечной системы. Постепенно происходило структурирование космических исследований, возникли самостоятельные научные направления и даже новые науки. Логическим завершением этого процесса стал полет первой орбитальной космической станции «Салют-1» в 1971 году. Впервые в мировой практике пилотируемый КА специально проектировался и затем использовался как носитель разнообразной аппаратуры, предназначенной для выполнения обширной и длительной программы научно-прикладных исследований. После полета станции «Салют-1» определились следующие направления космических исследований: медико-биологические, астрофизические, технологические, технические, исследования Земли.

Соответственно в отечественной космической программе определились функциональные классы КА:

• автоматические исследовательские КА («Метеор», «Ресурс», «Океан», «Гамма» и др.);

• транспортные и грузовые корабли («Союз», «Прогресс»);

• долговременные орбитальные станции («Салют», «Мир»).

По мере увеличения количества и длительностей полетов также все более развивались и совершенствовались наземные службы, призванные обеспечить:

• наземную подготовку и запуск КА;

• эксплуатацию КА в полете, управление КА в полете, сбор и обработку результатов исследований и экспериментов, выполняемых на борту КА.

К началу 70-х годов в наземных службах на смену ЭВМ второго поколения, простейшей контрольно-измерительной аппаратуре, радиотелеметрическим системам и голосовым каналам связи пришли достаточно сложные радиоэлектронные комплексы, развернутые как на предприятиях-изготовителях КА, так и на испытательных стендах космодрома. Сформировался наземный командно-измерительный комплекс (НКИК), в состав которого вошли ряд наземных и плавучих измерительных пунктов (ИП) и Центр управления полетом (ЦУП), размещенный на базе наиболее хорошо оснащенного ИПа вблизи г. Евпатория. Основой всех этих наземных систем стали универсальные ЭВМ типа М220 и серии ЕС (как правило, ЕС 1045). Началась реальная автоматизация процесса обработки и анализа поступающей с борта КА информации. Основной упор делался на быстрое и максимально достоверное получение данных о результатах выполнения наиболее ответственных, жизненно важных для полета КА операций: развертывание солнечных батарей и раскрытие антенн, контроль расходов топлива, измерение параметров относительного движения двух КА при сближении и стыковке и др. К 1975 г. в рамках программы «Союз-Аполлон» был построен и введен в эксплуатацию один из наиболее мощных в мире подмосковный Центр управления полетами (ЦУП-М) [1,2]. К полету долговременной орбитальной станции «Салют-4» в СССР был впервые подготовлен комплекс алгоритмов и программ для автоматизированного анализа работы основных бортовых систем транспортных кораблей «Союз» и станции «Салют-4» [3].

Созданные программные комплексы обработки и анализа телеметрической информации [2-5] успешно работали, обеспечивая полеты орбитальных станций «Салют-4», «Салют-6», «Салют-7» и многочисленных КА типа «Союз», «Прогресс». Важно подчеркнуть, что основной целью функционирования этих комплексов была оперативная, как правило, в реальном времени процесса проведения сеанса связи с КА через один из ИПов, обработка и визуализация (отображение на экранах мониторов в залах управления ЦУПа) состояний основных параметров функционирования бортовых систем КА. Операторы ЦУПа, ответственные за контроль работы тех или иных бортовых систем, следили за поведением параметров в сеансе связи, информируя руководство полетом о зафиксированных отклонениях, нештатных ситуациях и авариях в работе систем для своевременного принятия решения о воздействиях на КА. Этот человеко-машинный комплекс обработки и анализа информации представляет собой одно из основных звеньев сложной технической системы - системы реального времени управления КА.

Вследствие наличия жестких ограничений на допустимое время запаздывания при обработке поступающей с борта КА телеметрической информации (ТМИ) из всего потока обрабатывалась лишь заранее определенная, наиболее важная часть телеметрических параметров. При этом частота ввода этих параметров в обрабатывающую ЭВМ, как правило, была существенно ниже частоты измерений на борту КА и передачи на Землю этих параметров; кроме того, в целях снижения загрузки вычислительной системы, факт изменения параметра фиксировался в обработке только при его возрастании либо убывании на сравнительно большую величину. Очевидно, что в результате подобной обработки реальный физический процесс, протекающий на борту КА, отображался на средствах контроля в ЦУПе упрощенно. Тем не менее, такой подход был и остается вполне корректным и оправданным с точки зрения обеспечения информацией операторов ЦУПа для принятия принципиальных решений о дальнейшей программе полета КА в реальном времени сеанса связи.

Объем научной информации, регистрируемой на борту КА типа «Салют» был сравнительно невелик. Поэтому на станциях «Салют-1, 4, 5, 6, 7» использовалась единая бортовая система сбора информации, формировавшая из измерений нескольких сотен датчиков так называемый групповой сигнал. Этот информационный поток поступал на Землю по радиотракту, а затем по наземным либо спутниковым каналам доставлялся в ЦУП.

В ЦУП-М проводилась описанная выше обработка заранее определенной части телеметрических параметров, внесенных в так называемое задание на обработку по признаку возможности влияния на распознавание:

- угрозы жизни и безопасности экипажа КА;

- угрозы работоспособности отдельных бортовых систем либо КА в целом;

- отклонений в циклограмме выполнения программы полета.

В задания на обработку среди прочих вносились измерения датчиков, установленных на научной аппаратуре. Это были измерения, контролировавшие работоспособность научных приборов, - подача электропитания на научный прибор, открытие крышки объектива, температура чувствительного элемента и т.п. Они относились к одному из вышеперечисленных классов и использовались для выработки решений по оперативному управлению КА.

Часть телеметрической информации, заключавшая в себе собственно научную информацию, не обрабатывалась вычислительным комплексом, а просто накапливалась на магнитных носителях нестандартных (несовместимых с накопителями на магнитной ленте используемых в то время ЭВМ типа БЭСМ, ЕС, М220) магнитофонов, либо визуализировалась в виде бумажных графиков на специальной бумаге, расшифровка которых в силу многих причин представляла собой тяжелую, малоэффективную ручную работу. Невозможность «вручную» обработать весь объем данных привела во второй половине 70-х годов к тому, что значительная часть измерений научной аппаратуры оставалась вообще необработанной. Это стало особенно заметно в процессе полета станций «Салют-6, 7», на которых выполнялись длительные, весьма насыщенные исследованиями и экспериментами программы полета.

На этом фоне, а также под влиянием возрастания требований к научной и практической целесообразности космических проектов, сформировалось новое научно-техническое направление - наземное обеспечение проведения исследований и экспериментов на орбитальных КА [6].

В частности, начался процесс создания систем информационного обеспечения, основанных на аппаратно-программных комплексах для приема, обработки, хранения и распределения результатов работы исследовательской аппаратуры. Фактически началось формирование двух взаимосвязанных, но существенно отличающихся технологических процессов переработки космической информации: - для целей управления КА;

-для анализа и интерпретации результатов выполнения программы научно-прикладных исследований (НПИ) на орбитальных КА.

Несмотря на общий источник информации - КА - эти технологии оказались весьма различными по методологии реализации. Объясняется это противоречивостью предъявляемых к ним требований:

-управление полетом - предельно быстро, максимально достоверно, допуская потери информации, обработать, эргономически правильно визуализировать на мониторах операторов ЦУПа результаты обработки для принятия решения; -получение результатов выполнения НПИ - принять, обработать, не допуская использование каких-либо методов, приводящих к потерям информации, придать физический смысл, дополнить данными для интерпретации, сохранить в базе данных, обеспечив к ней доступ потребителей, всю принятую в обработку информацию. При этом помимо ТМИ, во втором случае принимаются в обработку также данные с различных автономных магнитных регистраторов, бортовых видеомагнитофонов и других запоминающих устройств, доставляемых транспортными КА на Землю.

В 80-х годах пребывание экипажей на космических станциях «Салют-7» и «Мир» стало постоянным. Это принципиально повлияло на циклограмму проведения работ по получению результатов выполнения программы НПИ: если ранее можно было накапливать информацию во время работы экспедиций на борту КА, откладывая основные работы по обработке данных на «беспилотный участок», то теперь все работы предстояло проводить в режиме квазиреального времени, т.е. завершая полный цикл обработки всего принятого объема информации за конкретный отрезок времени (как правило, это от 1 недели до 2 месяцев), не допуская нарастающего накопления необработанных данных. История полетов в космос [7] наглядно иллюстрирует описанную тенденцию превращения космических экспедиций из редких, коротких единичных явлений в постоянное пребывание в космосе экипажа из 2-5 космонавтов. Логическим следствием стало окончательное оформление, как в СССР, так и за рубежом, самостоятельных, оснащенных производительными ЭВМ и разнообразными каналами связи Центров обработки информации (ЦОИ). В РКК «Энергия» ЦОИ был юридически создан в 1988 г. В период с 1988 г. по 1996 г. в ЦОИ проводилась обработка результатов работы научной аппаратуры (НА), установленной на базовом блоке и научных модулях ОС «Мир». Был создан и успешно эксплуатировался аппаратно-программный комплекс на базе сети ЭВМ типа ПК. Скорость поступления ТМИ с борта ОС «Мир» составляла 256 Кбит/с, что при 5-6 сеансах связи в сутки (в среднем) соответствовало примерно 500 Мбит суточного объема перерабатываемой информации.

В апреле 1996 г. был осуществлен запуск и стыковка с ОС «Мир» предназначенного для исследований поверхности и атмосферы Земли модуля «Природа». Данный модуль, оснащенный комплексом аппаратуры для дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) в СВЧ, ИК, УФ и видимом диапазонах длин волн, был оборудован специальной системой сбора, регистрации, и передачи на Землю данных ДЗЗ со скоростью до 64 Мбит/с [8], [9], [10].

Одним из наиболее информативных и значимых среди комплекса научной аппаратуры модуля «Природа» был модульный оптико-электронный мультиспектральный стерео сканер МОМС-2П, разработанный и созданный в Германии. Соглашение о его доработке, установке и использовании на модуле «Природа», заключенное между Германским космическим агентством (DARA), Российским космическим агентством (РКА) и РКК «Энергия» 19 сентября 1993 г., предусматривало, что ЦОИ РКК «Энергия» спроектирует, создаст и введет в эксплуатацию на территории Германии в г. Нойштрелиц Центр приема, обработки, хранения и распределения данных, поступающих с модуля «Природа» (в первую очередь - изображений Земли с аппаратуры МОМС-2П) [11].

Таким образом, при подготовке к обеспечению выполнения программы НПИ на модуле «Природа» возникла принципиально новая проблема: разработка, создание и эксплуатация наземной системы, состоящей из двух (один в РКК «Энергия», другой - в г. Нойштрелиц, Германия) информационно связанных ЦОИ, способных обеспечивать в режиме квазиреального времени прием, обработку, хранение и передачу потребителям данных, поступающих с борта модуля «Природа» со скоростью до 64 МБит/с в объеме до 4 сеансов в сутки, что эквивалентно ~20 ГБайт информации.

Важно отметить, что помимо высоких требований по скоростям и объемам перерабатываемой информации, данный наземный сегмент должен быть спроектирован с учетом:

- обеспечения возможности быстрой настройки программного обеспечения для обработки различных комбинаций данных, поступающих с установленной на КА аппаратуры ДЗЗ;

- полной совместимости структур выходных данных обоих ЦОИ, образующихся после основных этапов обработки;

- согласованности форматов обработанных изображений Земли с используемыми в Германских (ISIS и др.) и Российских компьютерных базах данных;

- универсальности аппаратно-программных комплексов обоих ЦОИ, позволяющей с минимальными доработками обеспечить прием и обработку цифровых изображений Земли с вновь появляющихся КА ДЗЗ.

Поэтому исследование и выбор архитектуры наземной системы приема и цифровой обработки изображений Земли, получаемых с орбитальных КА, разработка методов, математических моделей и технических средств для создания и трансформации этих изображений Земли представляет собой современную актуальную проблему, постановка и рассмотрение которой способствуют повышению эффективности исследования Земли из космоса.

По некоторым аспектам данной проблемы известными российскими и зарубежными учеными (Н.А.Арманд, Г.Б.Гонин, И.Г.Журкин, В.К.Злобин, А.С.Селиванов, У.Пратт и др.) выполнены фундаментальные исследования и получены важные практические результаты. Логическим развитием этих работ является представленное в диссертации комплексное исследование проблемы разработки, создания и эксплуатации подобных систем.

Основная цель работы. Целью настоящей работы является разработка технических и технологических решений, внедрение которых вносит значительный вклад в исследование проблемы повышения эффективности исследования Земли из космоса, достигаемого путем решения следующих основных задач:

• разработка структуры распределенной автоматизированной системы приема, цифровой обработки и хранения изображений Земли, получаемых с орбитальных КА,

• создание методик обработки высокоскоростных потоков телеметрической информации от НА, поступающих на Землю по радиотракту с борта КА,

• математическое моделирование процессов формирования изображений Земли, регистрируемых установленной на КА мультиспектральной цифровой сканирующей аппаратурой,

• разработка методики синтеза и геометрической коррекции сканерных изображений Земли,

• проектирование распределенной базы данных для хранения обработанных цифровых изображений Земли,

• выбор параметров технических средств для приема, обработки и хранения результатов исследований Земли с модуля "Природа" ОС "Мир",

• исследование эксплуатационных параметров разработанной системы (производительность, надежность и др.) на примере опыта работ с ОС "Мир" (модуль "Природа") с 1995 г. по 2000 г.,

• разработка структуры и выбор основных параметров наземной системы для приема и обработки цифровых изображений для КА следующего поколения.

Научная новизна работы. Научная новизна основывается на разработке и внедрении современных методов математического моделирования, автоматизированной обработки, хранения и распределения цифровых данных и состоит в следующем:

• создана методика ввода в реальном масштабе времени в память ЭВМ скоростного потока информации, поступающего с борта КА, что позволяет совместить этапы регистрации информации в процессе сеанса связи и её ввода на ЭВМ-совместимые носители, исключив необходимость промежуточной записи на магнитные ленты (MJI) высокой плотности, соответственно, устраняя искажения данных, возникающие при записи и чтении MJ1;

• разработана методика восстановления сбойной информации, существенно повышающая относительный объём корректно восстановленной информации, зарегистрированной в процессе съемки Земли с борта КА;

• разработана высокоточная математическая модель, описывающая относительное движение мгновенного поля зрения сканера и системы координат, связанной с поверхностью Земли;

• разработана архитектура распределённой базы данных для хранения обработанных изображений Земли, фрагменты которой информационно взаимодействуют по выделенному спутниковому каналу связи.

Применение перечисленных новых технических решений и технологий позволило разработать и создать наземную систему переработки результатов исследования Земли из космоса нового поколения, в которой все этапы обработки, синтеза, коррекции и хранения изображений Земли автоматизированы, что обеспечивает качественный рост производительности системы, повышение точности и достоверности обработки, доступности результатов потребителям.

Практическое значение работы. Представленные в работе инфраструктура наземной системы, а также аппаратно-программные комплексы входящих в ее состав систем, легли в основу международной наземной системы**, состоящей из ЦОИ РКК "Энергия" и ЦОИ DLR (Германский институт аэрокосмических исследований) [11].

В данной системе практически исключены аппаратные решения задач переработки информации. За счёт максимального использования программных вариантов удалось существенно повысить надёжность системы, снизить процент потерь регистрируемых данных, упростить обслуживание и настройку на конкретный вариант сеанса сброса информации, резко уменьшить стоимость изготовления и вес оборудования.

Созданная наземная система базируется на универсальных вычислительных средствах (SUN, IBM и т.п.), не требует специальных затрат на уникальные разработки и несерийное производство, легко адаптируема к взаимодействию с другими российскими и зарубежными космическими и наземными информационными системами.

Практическое использование результатов работы началось с ноября 1995 г. в процессе наземных испытаний модуля "Природа" в РКК "Энергия" и затем на космодроме "Байконур". С апреля 1996 г. ЦОИ РКК "Энергия" и ЦОИ DLR находятся в штатной эксплуатации. За период 1996-2000 гг. принято, обработано, проанализировано и загружено в базу данных около 2

В проектной документации и публикациях данная система именуется "наземный сегмент".

Тбайт информации, полученной в результате работы аппаратуры ДЗЗ на модуле "Природа".

Впервые в практике эксплуатации КА предназначенных для исследования Земли на примере сканера МОМС-2П получены и проанализированы результаты 4-х лет функционирования подобной аппаратуры на низкоорбитальных К А. В результате собраны данные о ресурсе электронных и оптических элементов аппаратуры, обработано и сохранено в базе данных более пяти тысяч панхроматических и мультиспектральных изображений Земли.

Полученные в работе результаты используются в ведущих российских и зарубежных организациях, работающих в области аэрокосмических исследований Земли:

• Институт радиотехники и электроники РАН (г. Москва),

• Ракетно-космическая корпорация "Энергия" (г. Королёв, Московская область),

• Главный научно-исследовательский вычислительный Центр Министерства природных ресурсов РФ (г, Москва),

• Российский государственный научно-исследовательский институт Центр подготовки космонавтов имени Ю.А. Гагарина (Московская область),

• Российский научно-исследовательский институт космического приборостроения (г. Москва),

• Германский Центр дистанционного зондирования (DLR-DFD, г. Мюнхен, Германия).

Хранящиеся в базе данных РКК "Энергия" обработанные по изложенным в работе методикам изображения Земли были переданы для дальнейшего анализа, интерпретации и практического использования в ряд российских и зарубежных организаций, в том числе:

• Институт радиотехники и электроники РАН (г. Москва),

• Донэкоцентр (г. Ростов на Дону),

• Научно-исследовательский Центр "Комплексный мониторинг" (г. Элиста, Калмыкия),

• ИКИ АН Казахстана (г. Астана, Казахстан).

Предложенная в работе распределённая международная система принята в качестве базовой для разрабатываемой в настоящее время РКК "Энергия" перспективной наземной информационной системы обеспечения испытаний и эксплуатации КА ДЗЗ высокого разрешения.

Положения, выносимые на защиту. В результате разработки, создания и анализа опыта эксплуатации основных элементов данной системы получены следующие основные результаты, выносимые на защиту: 1. Разработаны математические модели, методики, алгоритмы и аппаратная реализация входящих в состав системы приема, цифровой обработки, хранения и распределения изображений Земли подсистем предварительной обработки телеметрической информации, синтеза и коррекции изображений, хранения и распространения обработанных цифровых изображений, в том числе:

• универсальная, легко адаптируемая к конкретному режиму работы бортовой системы сбора данных математическая модель информационного потока, формируемого базовой для всех российских КА ДЗЗ (модуль "Природа", КА "Ресурс", "Океан" и др.), высокоскоростной информационно-измерительной системой типа БИСУ-ПМ,

• методика ввода в реальном времени в ЭВМ высокоскоростного потока телеметрической информации с борта КА, что позволяет полностью устранить искажения результатов натурных испытаний, возникающие при использовании промежуточных носителей информации,

• методика и алгоритмы восстановления искажений структуры поступающего с бортовой информационно-измерительной системы потока данных о работе НА, существенно увеличивающие относительный объём корректно восстановленной обработанной информации,

• модель искажений, возникающих в регистрируемых сканирующей аппаратурой изображениях Земли за счёт ошибок определения и нестабильности ориентации КА, аппаратурных погрешностей и др.,

• методика анализа и коррекции изображений Земли, получаемых аппаратурой сканирования поверхности Земли, базирующаяся на уравнениях связи координат исходного и преобразованного двумерных массивов, на данных высокоточных бортовых измерений положения центра масс КА и измерений его ориентации в процессе работы сканера,

• архитектура распределённой базы данных результатов НПИ, фрагменты которой информационно взаимодействуют по выделенному спутниковому каналу связи.

2. Разработанные модели, методики и алгоритмы использованы при создании и отработке наземной автоматизированной системы информационного сопровождения эксплуатации НА ОС "Мир" (модуль "Природа"). За период эксплуатации системы, состоящей из ЦОИ России и ЦОИ Германии, в 1995 - 2000 гг. получены следующие практические результаты:

• проведены наземные испытания бортовой информационно-измерительной системы БИСУ-ПМ и сканера МОМС-2П в составе модуля "Природа" на стенде в РКК "Энергия" и на технической позиции космодрома Байконур. Испытания в РКК "Энергия" подтвердили проектные параметры тракта "НА - БИСУ-ПМ -СПОНИ", а тесты на технической позиции обеспечили диагностирование и устранение неисправности (нарушение структуры информации) в информационной цепи "НА - БИСУ-ПМ";

• обеспечена обработка результатов работы НА модуля "Природа", принято с борта ОС "Мир", обработано и сохранено в базе данных более 2 Тбайт данных;

• синтезировано, откорректировано и размещено в сети Интернет более 5 тысяч панхроматических и мультиспектральных изображений Земли с разрешением на местности до 6.5 м;

• проведён анализ проектных и эксплуатационных параметров аппаратуры МОМС-2П. В шести из семи каналов сканера подтверждено соответствие проектных параметров измерениям в процессе полёта при многократном превышении паспортного ресурса работы аппаратуры;

• проведены измерения и анализ быстродействия, надёжности и качества выходной информации аппаратно-программных комплексов ЦОИ России (РКК "Энергия") и ЦОИ Германии (Немецкий институт аэрокосмических исследований). Подтверждено соответствие этих параметров проектным оценкам.

3. На основе опыта эксплуатации ЦОИ России и Германии разработана структура, основные проектные параметры и аппаратно-программные решения для наземной автоматизированной системы следующего поколения, обеспечивающей наземные, лётные испытания и эксплуатацию перспективного КА ДЗЗ.

Достоверность результатов полученных в работе полностью подтверждена: в диссертации проведено специальное сравнительное исследование расчетных параметров моделей, методик и аппаратно-программных комплексов с фактическими, полученными в процессе опытной эксплуатации реальной системы приема и цифровой обработки изображений Земли, поступавших с модуля "Природа" в 1996-1999 гг.

Апробация работы. Результаты работ, вошедших в диссертацию, неоднократно обсуждались на различных российских и международных конференциях. В частности они докладывались на:

• XXIV - XXXV Научных чтениях, посвященных разработке научного наследия и развитию идей К.Э.Циолковского в г.Калуге (1989-2000 гг.);

• Предварительной (1994 г.) и окончательной (1995 г.) защитах эскизного проекта наземного сегмента DLR (Германия);

• Международном симпозиуме "Результаты и перспективы использования аппаратуры МОМС" в г. Бонне, Германия, в 1995 г.;

• 48-ом конгрессе МАФ, в г. Турине, Италия, в 1997г.;

• Международной конференции по ДЗЗ в г. Дамаске, Сирия, в 1999 г.

Общее количество научных работ автора диссертации составляет 126. По теме диссертации опубликовано 30 работ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, включающего 109 наименований, и трёх приложений. Объём диссертации - 252 страницы, включая 59 рисунков и 40 таблиц.

Заключение Диссертация по теме "Аэрокосмические исследования земли, фотограмметрия", Воронков, Владимир Николаевич

Основные результаты работы состоят в следующем:

1. Разработана структура автоматизированной распределенной системы приема, цифровой обработки, хранения и распределения изображений Земли, получаемых с орбитальных КА.

2. Разработана математическая модель высокоскоростного информационного потока, формируемого базовой для российских КА ДЗЗ системой сбора информации типа БИСУ-ПМ.

3. Создан комплекс моделирования геометрических искажений изображений Земли, возникающих при работе установленной на КА аппаратуры сканирования поверхности Земли.

4. Разработаны методики:

• ввода в реальном времени в ЭВМ высокоскоростного потока информации, поступающего с борта КА;

• восстановления искажений структуры потока информации, поступающего с борта КА;

• синтеза и коррекции изображений поверхности Земли, регистрируемых установленной на борту КА сканирующей аппаратурой.

5. Разработаны критерии количественной оценки процесса обработки информации, поступающей с установленной на КА сканирующей аппаратурой.

6. Разработана архитектура базы данных результатов исследований Земли из космоса.

7. Разработанные модели, методики, алгоритмы и критерии использованы при проектировании, создании и эксплуатации распределенной наземной системы, состоящей из ЦОИ России и ЦОИ Германии. Работа данной системы с 1995 г. по 2000 г. обеспечила:

• Информационное сопровождение испытаний и опытной эксплуатации НА модуля "Природа" в составе ОС "Мир", включая наземные испытания в РКК "Энергия" и на космодроме Байконур, а также эксплуатацию НА модуля "Природа", в ходе которой принято, обработано и загружено в базу данных более 2 Тбайт информации;

• Синтез, коррекцию и размещение в сети Интернет более 5 тысяч панхроматических и мультиспектральных изображений Земли с разрешением на местности до 6.5 м.

8. Определены эксплуатационные параметры входящих в состав системы ЦОИ России и ЦОИ Германии.

9. Разработана структура и основные проектные параметры наземной автоматизированной системы информационного обеспечения испытаний и эксплуатации перспективного КЦН орбитального КА, предназначенного для исследований Земли.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Библиография Диссертация по наукам о земле, доктора технических наук, Воронков, Владимир Николаевич, Москва

1. Коптев Ю.Н. Головному институту ракетно-космической отрасли -пятьдесят лет // Космонавтика и ракетостроение, вып.6, 1996. С.17-22.

2. Мозжорин Ю.А. "Так это было ." М.: Изд-во ЗАО "Международная программа образования", 2000.

3. Воронков В.Н., Лыков В.Н., Тян Т.Н. Алгоритмы автоматизированного оперативного анализа телеметрической информации системы ориентации и управления движением изд. 27К№5. РКК «Энергия», 1976. Инв. № П13019-114.

4. Беляев М.Ю., Воронков В.Н., Тян Т.Н. Методики, алгоритмы и результаты определения ориентации объекта 17К №123. РКК «Энергия», 1974. Инв. № Э7384-074.

5. Беляев М.Ю., Воронков В.Н., Тян Т.Н. и др. Определение углового положения орбитальной станции «Салют-4» в полете. РКК «Энергия», 1975. Инв. №Э8204-114.

6. Беляев М.Ю. Научные эксперименты на космических кораблях и орбитальных станциях. М.: 1984.

7. Ракетно-космическая корпорация «Энергия» им. С.П.Королева 1946-1996 гг. М.: 1996.

8. Арманд Н.А., Воронков В.Н., Никитский В.П. и др. Перспективы исследований в области дистанционного зондирования Земли и экологического мониторинга // Радиотехника и электроника, 1998, т.43, №9. С.1061-1069.

9. Комплекс дистанционного зондирования Земли «Природа». Рекламный проспект.М.: 1991.

10. Ю.Лантратов К. Модуль «Природа» // Новости космонавтики, 1996, №9. С. 16-26.

11. Technical objective to project MOMC-2P. Ground segment // Appendices (Bl, Addition to Bl, B2) to Agreement between RKA and DARA for the project «MOMS-2P» of 17.09.1993.

12. Гарбук С.В., Гершензон В.Е. Космические системы дистанционного зондирования Земли. М.: 1997.

13. Landsat system status report September 1994. Lanham, Md., Earth Observation Satellite Company. P.l-l 1.

14. Сорокин И.В. Космические системы дистанционного зондирования Земли. РКК «Энергия» им С .П. Королева, 1994.

15. Воронков В.Н. Авторское свидетельство СССР на спецтему. А.с. № 179075 с приоритетом от 1.12.1980.

16. Воронков В.Н. Авторское свидетельство СССР на спецтему. А.с. № 192017 с приоритетом от 1Л 2.1980.

17. Воронков В.Н. Авторское свидетельство СССР на спецтему. А.с. № 204556 с приоритетом от 27.10.1982.

18. Воронков В.Н. Авторское свидетельство СССР на спецтему. А.с. № 207715 с приоритетом от 15.06.1983.

19. Воронков В.Н. Авторское свидетельство СССР на спецтему. А.с. № 222787 с приоритетом от 15.03.1984.

20. Судаченко A.JL, Воронков В.Н. Авторское свидетельство СССР на спецтему. А.с. № 241822 с приоритетом от 22.02.1985.

21. Воронков В.Н. Использование малых нецентральных реактивных сил для управления движением космического аппарата // Ракетно-космическая техника. Серия XII, 1978, вып.7. С.39-42.

22. Воронков В.Н., Совмещение режимов ориентации и коррекции при управлении движением космического аппарата // Труды XIII Чтений К.Э.Циолковского. Секция «Механика космического полета». М.: 1979. С.24-30.

23. Беляев М.Ю., Воронков В.Н. Оптимальное управление движением КА при проведении программы научных экспериментов // Труды XV Чтений К.Э.Циолковского. Секция «Проблемы ракетно-космической техники». М.: 1980. С.24-30.

24. Воронков В.Н. Авторское свидетельство СССР на спецтему. А.с. № 225924 с приоритетом от 25.05.1983.

25. Воронков В.Н. Авторское свидетельство СССР на спецтему. А.с. № 225887 с приоритетом от 07.02.1983.

26. Воронков В.Н., Тян Т.Н. Некоторые вопросы автоматизации анализа динамических операций // Ракетно-космическая техника. Серия IX, 1978, выпуск 1. С.20-22.

27. Воронков В.Н., Муратов A.M., Тян Т.Н., Яблонько Ю.П. Определение расходов топлива двигателей ориентации КА по данным телеизмерений // Труды XVII Чтений К.ЭДДиолковского. Секция «Проблемы ракетно-космической техники». М.: 1983. С.24-30.

28. Воронков В.Н., Иконникова Н.В. Специальное математическое обеспечение для автоматизированной обработки информации системы МИР-ЗА1. РКК «Энергия», 1984. Инв. № 08/5812.

29. Воронков В.Н., Иконникова Н.В. Исходные данные для разработки математического обеспечения обработки научной информации, поступающей с научного модуля 11Ф72 № 165. РКК «Энергия», 1984. Инв. № 02/1246.

30. Воронков В.Н. Технические требования на устройство подготовки ввода измерительной информации в ЭВМ. РКК «Энергия», 1983. Инв. № 83/14.

31. Воронков В.Н., Жабыко Ю.М., Солодихин Г.М. и др. Авторское свидетельство СССР на спецтему. Ах. № 279722 с приоритетом от 25.05.1987.

32. Воронков В.Н., Утков В.А. Специальное математическое обеспечение обработки телеметрической информации. РКК «Энергия», 1984. Инв. № 8/2971.

33. Баклашов Н.И., Белюнов А.Н., Солодихин Г.М. и др. Натурный эксперимент: информационное обеспечение экспериментальных исследований. М.: 1982.

34. Солодихин Г.М., Варшавский В.П., Воронков В.Н. и др. Автоматизированная система обработки космической информации // Труды XXIV Чтений К.Э.Циолковского. Секция «Проблемы ракетно-космической техники». М.: 1990. С. 130-136.

35. Бадаев В.В., Воронков В.Н., Гаврилова Е.А. и др. Специальное математическое обеспечение для обработки и сжатия информации, регистрируемой с помощью аппаратуры МКС-М // Исследование Земли из космоса, 1989, №2. С.24-30.

36. Виллманн Ч.Й., Воронков В.Н., Ээрме К.А. и др. Исследование атмосферы с борта орбитального комплекса "Салют-7" // Дистанционное зондирование атмосферы Земли с борта орбитального комплекса "Салют-7м. Тарту, 1989. С.13-21.

37. Буянова Е.К., Воронков В.Н., Диденко В.И. и др. Информационное обеспечение научных экспериментов астрофизической обсерватории «Гамма» // Труды XXVI Чтений К.Э.Циолковского. Секция «Проблемы ракетно-космической техники». М.: 1992. С. 13-19.

38. Тугаенко В.Ю., Буянова Е.К., Воронков В.Н. и др. Система оперативной обработки и хранения данных астрофизической обсерватории «Гамма» // Труды XXVIII Чтений К.Э.Циолковского. Секция «Проблемы ракетно-космической техники». М.: 1994. С.36-41

39. Получение и использование спутниковых данных о природных ресурсах Земли и окружающей среде. Труды НИЦ ИПР, вып. 45. Санкт-Петербург, 1999.

40. Ampex DCRSi serial communications interface protocol. Software release 5.0.

41. DCRSi-107 Product specification. Recorder/reproducer system, digital, cartridge. Laboratory model. 22/2/1993.

42. Motorola, GSTG, Viceroy GPS Receiver, Software Interface Document 18.Feb.94 / DWG No.99-P30205Y.

43. Стрыгин В.В., Щарев Л.С. Основы вычислительной, микропроцессорной техники и программирования. М.: 1989.

44. Прангишвили И.В. Микропроцессоры и локальные сети микроЭВМ в распределенных системах управления. М.: 1985.

45. Димитров А.А., Каган Б.М., Крейнин А.Я. Вероятностные аналитические модели каналов ввода-вывода вычислительных систем // Автоматика и вычислительная техника, 1981, №2. С.58-67.

46. Мячев А.А. Организация ввода-вывода. М.: 1983.

47. Каляев А.В. Многопроцессорные системы с программируемой архитектурой. М.: 1984.

48. Каган Б.М. Электронные вычислительные машины и системы. М.: 1985.

49. Каган Б.М., Мкртумян И.Б. Основы эксплуатации ЭВМ. М.: 1988.

50. Protocol and Appendices to protocol of the PDR Meeting "MOMS-2P Ground Segment". Neustrelitz, 12-13.07.1994.

51. Protocol and Appendices to protocol of the meeting of specialists of RKK Energia and DFD Neustrelitz. Neustrelitz, March 13 to 21, 1995.

52. Четвериков В.Н. Кодирование и преобразование информации. М.: 1975.

53. Ellzey R.S. Data Structures for Computer Information Systems. Palo Alto, Calif., 1982.

54. Formatsynchronizer S/S specification-MOMS-02.DS.8110.0. MBB, 1991.

55. Кейслер С. Проектирование операционных систем для малых ЭВМ. М.: 1986.

56. H.Kaufmann. Design of Spectral and Panchromatic Bands for the German MOMS-02 Sensor // Geo-Informations-Systeme. Heft 2/1995. Vol.6, No.l. P.4-11.

57. Шоу А. Логическое проектирование операционных систем. М.: 1982.

58. Kernighan B.W., Masinter L. The UNIX Programming Environment. IEEE Computer, 1981, N4. P.78-91.

59. Walker B.J., Klemmerer R.A., Popek G.J. Specification and Verification of the UCLA UNIX Security Kernel. CACM, 1980, N2. P.37-49.

60. Дансмур M., Дейвис Г. Операционная система UNIX и программирование на языке СИ. М.: 1989.

61. Users requirements to MOMS-2P products. Protocol of the meeting of German and Russian experts on the project MOMS-2P. Ob erp fa ffen ho fen, 10-11.02.1994.

62. MOMS-2P Data Handling. Appendix to Protocol of the meeting of German and Russian experts on the project MOMS-2P. Oberpfaffenhofen, 2-3.05.1994.

63. MOMS-2P Interface Control Document for Regular Operations Phase. DLR-DFD/FN, 1994.

64. Мамиконов А.Г., Кульба B.B., Шелков А.Б. Достоверность, защита и резервирование информации в АСУ. М.: 1986.

65. Мамиконов А.Г., Кульба В.В., Косяченко С.А. и др. Оптимизация структур данных в АСУ. М.: 1989.

66. Показатели качества изображений системы "Спот" // Ракетно-космическая техника. 1996, №14-15. C.13-I7.

67. Климов Г.П. Теория вероятностей и математическая статистика. М.: 1983.

68. V.Voroncov, V.Samoylov, I.Lvov et al. The MOMS-2P/PRIRODA Ground Segment (PDR). Major components and data management. RSC "Energia", 1994.

69. Гонин Г.Б. Космические съемки Земли. Л.: 1989.

70. Ford G. Analysis and Quantification of Errors in the Geometric Correction of Satellite Images // Photogram. Eng. and Remote Sensing, 1985. Vol.51. Noll. P.65 -74.

71. Hord, R. Michael. Digital Image Processing of Remotely Sensed Data. New York: Academic Press. 1982.

72. Монахов М.И., Воронков B.H., Тян Т.Н. Геометрическая коррекция и синтез изображений "МОМС-2П" // Труды XXXIII Чтений К.Э.Циолковского. Секция «Проблемы ракетной и космической техники». М., 1999. С.29-33.

73. Алберг Дж., Нильсон В. Теория сплайнов и ее приложения. М.: 1972.

74. Calibration Report (post mission) MOMS-02. Rp. 2110.1. DASA, 17.05.1994.

75. Elachi, Charles. Spacebome Radar Remote Sensing: Applications and Techniques. New York: IEEE Press, 1987.

76. Внучкова Т.А., Усиков Д.А. Алгоритм произвольной геометрической деформации и аппроксимации функций многих переменных // Математические методы исследования природных ресурсов Земли из космоса. М.: 1984. С.29-31.

77. Dawson В.М. Changing perception of reality // BYTE. December, 1989. P.293-333.

78. Аксенов.Е.П. Теория движения искусственных спутников Земли. М: 1977.

79. Rudolf Richter. A Spatialy-Adaptive Fast Atmosferic Correction Algorithm ATCOR2 // User Manual DLR-IB 552-04/94. Wessling, 1994.

80. Тюфлин Ю.С. Космическая фотограмметрия. M.: 1986.

81. Бажинов И.К., Гаврилов В.П., Ястребов В.Д. и др. Навигационное обеспечение полета орбитального комплекса «Салют-6» «Союз» -«Прогресс». М.: 1985.

82. Ишлинский А.Ю. Ориентация, гироскопы и инерциальная навигация. М.: 1976.

83. Protocol and Appendices to protocol of the PDR Meeting «MOMS-2P Ground Segment». Neustrelitz, 12-13.07.1994.

84. Морозов В.П. Курс сфероидической геодезии. М.: 1979.92,Обработка, интерпретация и передача по каналам связи космическихизображений Земли по данным съемок с ОС МИР. Под ред. И.Г. Журкина. МГУГиК, 1997.

85. Лупян Е.А., Мазуров А.А. Быстрый алгоритм произвольных геометрических преобразований изображений // Исследование Земли из космоса, 1992, №5. С.38^13.

86. Буянова Е.К., Воронков В.Н., Самойлов В.В., Тян Т.Н. Концепция управления данными научного модуля «Природа» // Труды XXIX Чтений К.Э.Циолковского. Секция «Проблемы ракетно-космической техники». М.: 1996. С.12-17.

87. Буянова Е.К., Воронков В.Н., Самойлов В.В., Тян Т.Н. Система обработки научной информации «МОМС-2П» // Труды XXX Чтений К.Э.Циолковского. Секция «Проблемы ракетно-космической техники». М.: 1998. С.44-48.

88. Воронков В.Н. Принципы построения и архитектура наземного сегмента «МОМС-ПРИРОДА» // Тезисы докладов Международного симпозиума «Результаты и перспективы использования аппаратуры МОМС». Кельн, 1995.

89. M.Berger, H.Kaufmann. MOMS-02-D2/STS-55 Mission validation of Spectral and Panchromatic Modules // Geo-Informations-Systeme. Heft 2/1995. Vol.6, No.l. P.4-11.

90. Zimmermann G. Mission Priroda. German Proposals to Scientific Program. Berlin, 1992.

91. Воронков B.H., Монахов М.И., Самойлов В.В., Тян Т.Н. Результаты дистанционного зондирования Земли в рамках проекта "МОМС/ПРИРОДА" // Труды XXXIV Чтений К.Э. Циолковского. Секция «Проблемы ракетно-космической техники». Казань, 2001. С.66-70.

92. V.Voroncov, V.Samoylov, I.Lvov et al. The MOMS-2P/PRIRODA Ground Segment (CDR). Major components and data management. RSC "Energia", 1995.

93. Воронков В.Н. Центр обработки информации, поступающей с орбитальных космических аппаратов // Компьюлог, 1998, № 2(26). С.23-28.

94. H.-D.Bettac, K.-D.Missling, T.Tyan, V.Voroncov. The ground segment of the MOMS-2P/PRIRODA mission. The Experiences of Development, Implementation and Exploitation // Тезисы докладов 48-го конгресса МАФ. Италия, Турин, 1997. Доклад IAF-97-B.3.10. С.ЗЗ.

95. Руководство по картографическим и картоиздательским работам. Часть I. М.: 1978.

96. Космический комплекс «Ресурс-01». М.: 2000.

97. Sims М. L. «GPS Geodetic Receiver System». Ibid., 1982. P.l 103 1122.

98. Remondi B.W. Using the Global Positioning System (GPS) phases observable for relative geodesy: modeling, processing, and results (Th. D. Dissertation). The University of Texas at Austin, 1984.

99. Евдокимов В.П. и др. Модернизация наземных средств и технологий приема, обработки, архивации и распространения космической информации // Труды ГосНИЦИПР. М.: 1999. Вып.45. С. 151-162.

100. Монахов М.И., Воронков В.Н., Тян Т.Н. Оценка точности геометрически откорректированных изображений МОМС-2П // Труды XXXIV Чтений К.Э. Циолковского. Секция «Проблемы ракетно-космической техники». Казань, 2001. С. 135-139.

101. Блохин А.Б., Воронков В.Н., Тян Т.Н. Оценка априорной ошибки при построении карты высот по данным МОМС-2П // Тезисы докладов XXXVI Чтений К.Э.Циолковского. Калуга, 2001. С.34-35.1.l