Романов А.А., Матвеев С.В., Родин А.А

ВНИРО.

 

 

В настоящее время данные дистанционного зондирования поверхности Земли с искусственных спутников (ИСЗ) находят все более широкое применение. Это объясняется в первую очередь тем, что количество спутников, выводимых на орбиту разными странами непрерывно увеличивается.

Кроме того, в ближайшем будущем предполагаются к запуску новые спутники как природноресурсные (Radarsat - Канада), так и малые коммерческие (SeaStar - США).

Главная ценность спутниковых гидрометеорологических наблюдений состоит в возможности высокооперативного получения глобальных данных, а также данных по труднодоступным районам, расположенным в любом месте Земли и поверхности океана.

Наиболее эффективное использование в бывшем СССР получила информация, принимаемая от метеорологических спутников семейства "Метеор" и NOAA, в то же время информация от остальных систем в интересах народного хозяйства использовалась от случая к случаю и редко на регулярной основе. Это было связано с тем, что прием информации осуществлялся на комплексах технических средств, сосредоточенных в региональных центрах приема данных и принадлежащих отдельным ведомствам.

В свою очередь, подобный подход приводил к тому, что при этом терялось основное достоинство космической информации - оперативный просмотр больших территорий, так как при совершенно неразвитой инфраструктуре передачи данных основное время уходило на доставку информации конечному пользователю. Кроме того, обработка информации в таких центрах была ориентирована на большие специализированные комплексы технических средств, что принципиально затрудняло доступ конечных пользователей к информации на ранних этапах обработки.

Методические проблемы, связанные с обработкой данных, принимаемых с ИСЗ NOAA изложены в ряде работ, например в [1,2,3].

Большое количество информации, поступающее от военных спутников, до настоящего времени недоступно в оперативном режиме для большинства пользователей, в то время как качество информации, передаваемое такими спутниками, часто значительно лучше, чем у информации с народнохозяйственных ИСЗ.

Одной из ключевых проблем, сдерживающих внедрение современных методов космического мониторинга, является отсутствие простых и надежных средств приема, обработки и усвоения информации, передаваемой из космоса.

Появление персональных компьютеров нового поколения позволило по новому подойти к решению задачи создания автономных комплексов приема и оперативной обработки космической информации.

Целью настоящей работы является разработка комплекса аппаратно - программного обеспечения для автоматизированного цикла сбора, обработки и использования спутниковых данных, получаемых от ИСЗ метеорологического и природноресурсного назначения, включая создание технических средств наземного и судового базирования, пакетов прикладных программ и инфраструктуры доведения информации до конечного пользователя.

Комплекс позволяет принимать и обрабатывать в автоматизированном режиме сигналы от любых метеорологических спутников, передающих информацию формата АРТ (Automatic Picture Transmission) в УКВ диапазоне 136-138 МГц. Такими спутниками являются отечественные ИСЗ КОСМОС-МЕТЕОР, а также ИСЗ США серии NOAA. При установке в комплекс дополнительного преобразователя частот и параболической антенны появляется возможность приема информации от геостационарных спутников серий METEOSAT, GOES. В зависимости от решаемой задачи возможен также ввод информации с факсимильных приемников (карты погоды), контактных датчиков и сигналов навигационной системы GPS.

Аппаратная часть разработана и выполнена на высоком технологическом уровне, с учетом современных достижений в области радиоприема и адаптивной обработки видеосигналов. Возможности комплекса реализуются с помощью специально разработанного дружественного программного обеспечения, включающего полный технологический цикл приема и обработки спутниковой информации, вплоть до построения карт изотерм выбранных районов.

Программное обеспечение (ПО), предназначенное для обработки космической информации можно разделить на две группы: ПО общего назначения и ПО тематической обработки. Подобное разделение обусловлено тем, что программы общего назначения используются в технологии обработки независимо от типа получаемых данных и способа их использования, в то время как программы тематической обработки сильно ориентированы на тип используемых данных, а также методику их обработки и дальнейшего использования. Так, к ПО общего назначения относятся комплексы программ, связанные с расчетом времени начала сеанса связи со спутником, программы ввода информации в ПЭВМ, программы редактирования изображений, а также программы радиометрической коррекции.

Структура сигнала, передаваемого с борта ИСЗ NOAA в аналоговом и цифровом каналах, подробно описана в работе [4].

В состав комплекса входят программы технологического цикла обшей и тематической обработки принимаемой спутниковой информации (спутники серии NOAA), а также сервисные и контрольные программы для тестирования работоспособности комплекса. Среди программ технологического цикла общей и тематической обработки информации основными являются:

- расчет сеансов связи с ИСЗ NOAA по данным APT PREDICT;

- ввод космической информации в ПЭВМ IBM PC/AT;

- проверка качества принятого сигнала;

- расчет радиационной температуры;

- фильтрация облачности и расчет термодинамической температуры;

- географическая привязка и наложение спутниковых изображений с различных витков;

- построение карт изолиний ТПО в проекции Меркатора.

Сервисные и контрольные программы комплекса позволяют осуществить следующие процедуры:

- фильтрацию помех в принятом сигнале;

- контроль значений телеметрии;

- визуализацию изображений в условных цветах (до 256 оттенков изображения из палитры 4096) и градациях серого;

- уменьшение и увеличение выбранных участков спутникового изображения с возможностью запоминания на внешний магнитный носитель;

- получение сечений отображаемых изображений с графическим представлением уровней квантования;

- получение гистограмм распределения сигналов;

- распечатку на принтере полутоновых изображений и т.д.

На рисунках 1-3 представлены примеры работы отдельных составляющих разработанного программного обеспечения (рис.1-проверка качества принятого сигнала, рис.2-географическая привязка и наложение спутниковых изображений с различных витков, рис.3-построение карт изолиний в проекции Меркатора).

Методические вопросы и алгоритмы перечисленных этапов технологического цикла подробно рассмотрены в работах [6,7,8,9].

Широкий выбор графических средств отображения информации в процессе обработки, наличие полностью автоматизированного и интерактивного диалогового режимов работы облегчают процессы освоения и практического использования комплекса. Внешний вид комплекса приведен на рис.4.

Конструктивно автоматизированное устройство приема выполнено на стандартной плате прототипа ПЭВМ IBM РС/AT и устанавливается непосредственно внутри ПЭВМ в один из свободных разъемов на материнской плате. На краю платы, выходящем на заднюю панель ПЭВМ, установлены коаксиальный разъем для подключения радиочастотного кабеля от антенного поста и низкочастотный разъем для оцифровки и ввода в ПЭВМ низкочастотных сигналов. Для защиты от помех и наводок от внутренних сигналов ПЭВМ приемная часть устройства закрыта металлическим экраном. Питание устройства осуществляется от шин электропитания ПЭВМ через разъем, в который устанавливается устройство. Кроме этого в состав комплекса поставляются антенное устройство, предварительный усилитель, кабельные соединители.

Высокочастотная антенна обеспечивает ненаправленный прием радиосигналов от полярно-орбитальных метеорологических спутников без сопровождения спутника по траектории его полета. Антенна построена на основе двух ортогональных диполей с оптимально расположенным рефлектором для приема электромагнитных волн с правой круговой поляризацией в диапазоне частот 136 - 138 МГц. Коэффициент усиления не менее 4 дБ. Ширина диаграммы направленности (на уровне половины мощности) - плюс минус 45 градусов.

Низкошумящий предварительный усилитель 136-138 МГц обеспечивает достаточный коэффициент усиления для компенсации ослабления сигнала от антенны в соединительном кабеле и разъемах, подавление помех вне частотного диапазона, а также препятствует появлению в основном приемнике интермодуляционных искажений. Как правило, дополнительный предусилитель используется при длине соединительных кабелей более 20 м. Предусилитель получает питание через сигнальный кабель от основного приемника и встроен в корпус антенного устройства.

В качестве приемного устройства с устройством сопряжения используется специально разработанный приемник диапазона 135,8 - 136,1 Мгц для приема узкополосных ЧМ сигналов. Высокостабильный усилительно - преобразовательный тракт и цифровой синтезатор частоты гетеродина обеспечивают програмно-управляемую перестройку рабочей частоты приемного устройства по диапазону с шагом 10 КГц. Реализован режим автоматической частотной настройки и прием радиосигналов для выбранного фиксированного канала передачи спутниковой информации. Чувствительность устройства не менее 2 мкВ. В приемнике предусмотрен низкочастотный выход со значением выходного напряжения на частоте 2400 Гц равным 1.0 В. Неравномерность частотной характеристики в полосе частот 300-3400 Гц не более 6 дБ. Приемник обеспечивает подачу напряжения питания для внешнего антенного предусилителя. Для преобразования информации, получаемой от спутников в режиме АРТ, и ввода ее в ОЗУ IВМ РС/АТ через внутреннюю магистраль компьютера используется оригинальное устройство сопряжения, которое осуществляет выделение огибающей амплитудно-модулированного сигнала, формирование сигналов управления аналого-цифровым преобразователем, преобразование в цифровую форму сигнала огибающей, согласование своих входных и выходных сигналов с внутренней магистралью ЭВМ, ввод информации в ОЗУ ЭВМ в реальном масштабе времени. Число уровней квантования АЦП равно 256. Время преобразования не более 1 мкс.

Для обеспечения работоспособности всего комплекса используется внутренний источник питания ПЭВМ.

В работе комплекса используются ПЭВМ с центральным процессором типа 80386/486, которая должна иметь следующие характеристики:

- частота работы основного процессора не менее 12 МГц;

- объем оперативной памяти не менее 1 Мб;

- наличие носителей информации на магнитных дисках;

- наличие монитора и графической платы стандарта VGA;

- наличие матричного черно-белого принтера;

- операционная система РС DOS, версия не ниже 3.30.

 

Выводы.

Разработанная автоматизированная станция приема и обработки спутниковой информации не уступает, а по ряду показателей (наличие тематической обработки) превосходит лучшие отечественные и зарубежные образцы аналогичного назначения.

Принимаемая с помощью разработанной станции спутниковая информация может быть полезной при решении важных народнохозяйственных задач:

- оперативный контроль метеорологической обстановки;

- проведение комплексных океанографических исследований;

- оценка биопродуктивности промысловых районов;

- оперативный экологический мониторинг;

- обнаружение лесных пожаров;

- геологические исследования.

Опыт эксплуатации предложенной автоматизированной станции приема и обработки спутниковой информации показал, что на современном уровне развития возможно создание широкой гаммы оборудования АППИ, в том числе создание облегченных вариантов, эксплуатируемых в полевых условиях, на судах рыболовного флота, вплоть до рыболовных сейнеров, а также на бортах воздушных судов.

Разработанная автоматизированная станция легко настраивается и адаптируется для работы с потоками информации с вновь разрабатываемых спутниковых источников мониторинговой информации.

 

Список литературы:

1. Временные методические рекомендации по приему, обработке и использованию спутниковой ИК информации по температуре поверхности морей и океанов. - Л.: ГОИН, 1985. - 120 с.

2. Иванов М.Ф., Гербек Э.Э., Казанский А.В. Программно-технический комплекс построения карт температуры поверхности океана с использованием спутниковых данных // Исследование океана из космоса: Труды объединенных научных чтений по космонавтике. М.: ИЕЕ АН СССР, 1983. - с.185-189.

3. Методические рекомендации для автоматизированного построения карт ТПО по данным ИСЗ NOAA в условиях НИС типа "Атлантик-833"/ под ред. A.А.Романова М.: ВНИРО, 1990. - 76 с.

4. NOAA Technical Memorandum NESS-107: Data Extraction and calibration of TIROS-N/NOAA Radiometers. - Washington D., 1979, 80 p.

5. Косицын В.П., Романов А.А., Чумаков А.Л., Юдовский А.Б. Алгоритм вода космической информации в - М.: МФТИ, 1989. - с.43-46.

6. Романов А.А., Автоматизированный ввод космической информации в ВМ // Компьютерная оптика. - 1990. Вып.7. - с.35-43.

7. Kathryn A.Kelly. Separating Clouds from Ocean in Infrared Images / Remote Sensing of Environment. - 1985. v.17,n.1. - p.67.

8. Методические указания по комплексному использованию спутниковой информации для изучения морей. - Л.: Гидрометеоиздат, 1987.

9. Бычкова И.А., Викторов С.В., Виноградов В.В. Дистанционное определение температуры моря. Л.: Гидрометеоиздат, 1989. - 222 с.

 

Рисунок 1.

 

Рисунок 2.

Рисунок 3.