VÚGTK 6 722

[Small satellites for global coverage : Potential and limits]

Rainer Sandau, Klaus Briess, Marco D´Errico. - ISPRS J.Photogram.Rem.Sens. - ISSN 0924-2716 - Roč.64, č.6 (2010), s.492-504 : 3 tab., 17 obr. - Lit. 53.

Abstrakt: Nástup rozsáhlých studií o globálních změnách na Zemi a v okolo zemském pro-storu vyvolává stále širší a podrobnější požadavky na globální prostorové informace. Tyto poža-davky jsou zaměřeny a na efektivní, flexibilní a levné mise, což vyvolává potřebu nových kon-strukčních řešení nosných družicových těles, jejich hmotnosti a technologické snímací výbavy. Řešení je ve volbě, vývoji a implementacích pokročilých technologií, zavádění operativních „in-teligentních“ družic s technickou výbavou na snímání dat, umožňujících přístupy do nových apli-kačních oblastí. Odezvou nástupu tohoto trendu, rostoucího počtu malých družic a jejich aplikací je přibývající počet lokalit jejich vypouštění, malé množství řídících stanic a jejich sítí, levné me-tody šíření a distribuce dat a snížení nákladů na jejich zpracování. Tyto a ekonomické důvody jsou příčinou k rozvíjení příležitostí pro organizování misí, rozšíření jejich variability a jejich vědecko-technických základů, nové možností pro malé společnosti, univerzity a pod.

Článek prezentuje hlavní aktuální trendy v rozvíjení misí malých družic v oblastech dálko-vého průzkumu Země (DPZ) a je zaměřený na prezentaci potenciálu, spektra působnosti a sou-časných řešení úloh systémy malých družic, především ve snímání dynamicky fenomenálních jevů. Konstatuje se, že systémy malých družic jsou velkým přínosem pro monitoring globálních, regionálních a lokálních jevů a v závislosti na technickém a technologickém rozvoji budou hlav-ním zdrojem specializovaných informací DPZ.

1. Úvod

Výsledky observací DPZ jsou důležitým zdrojem údajů pro průběžné sledování a studium globál-ních změn, pro hodnocení současných a budoucích životních podmínek. Organizace této činnosti vyžaduje rozsáhlou mezinárodní vědecko-technickou a ekonomickou spolupráci, zvláště pak v získávání dat, v jejich stálém dokumentování, analýzách a vyhodnocování. Mezinárodní skupina GEO (Group on Earth Observations, jejími členy je 74 států a státy EU) a dalších 51 zúčastně-ných organizací, které vypracovaly GEOSS - Global Earth Observation System of Systems. Ev-ropský EUSC (European Union´s Space Council) v návaznosti pak připravil program GMES - Global Monitoring for Environment and Security, který připravuje podklady pro jednání přísluš-ných komisí EU.

Z globálního hlediska současné civilizace je naléhavým úkolem vytvoření a zavedení flexibilního systému DPZ, efektního, operativního a levného pro sledování relevantních globálních geofyzi-kálních jevů. Je zdůrazňován význam globálního pojetí úlohy systémů malých družic, předností spočívajících v jejich malé hmotnosti a objemu oproti dosud obvyklým tělesům družicových sys-témů a také jejich fyzikální přednosti jejich výbavy – solární panely, antény. Specifické přednosti, průběžně zdokonalované, poskytující vysoké rozlišení díky optickým snímačům a radarovým anténám, aktivním a pasivním snímacím systémům. Poukazy na globálně rostoucí populaci, neu-stále ubývající zdroje obživy, snižování úrovně životního prostředí vyžadující efektivní prostorový informační systém, který poskytuje kvalitní aktuální informace.

2. Poslání (mise) malých družic - fakta a trendy

Malé a levné mise malých družic (MMD) jsou důležitým flexibilním prostředkem rychlých reakcí na globální události oproti dosud zavedeným globálním družicovým systémům DPZ. Malé družice a jejich systémy otvírají nové vědecké i aplikační možnosti, včetně nových operativních, pružných veřejných a komerčních služeb, snížení počtu pozemních stanic a spojení, levnější management.

Poslední dvě dekády byly zaměřeny na sledování specifických fyzikálních fenomenálních jevů; malým státům bylo umožněno podílet se na plánování akcí, vědecko-technickém zpracování dat a jejich publikování. Typické je při konstruování výbavy pro MMS využívat nové technologie, minituarizaci techniky, vývíjení mikrotechnologií pro snímače s velmi přesným vymezením na snímání vybraných jevů nebo jejich fází. Poukaz na vývoj MEMS (Micro-ElectroMechanical Systems) s mikroelektronikou na zpracování dat, přizpůsobování signálu, spotřebu energie a její získávání, koncepci ASIM (Application-Specific Integrated Micro-instruments); koncepce nano- a picotechnologií s využíváním solární energie, antén a prostorových sensorových web (odvolání na tematické kongresy v Berlíně, Loganu, na dokumenty agentur ESA, CNES, UNISPACE III., IAA - Inst. Academy of Astronautics, na každoroční mezinárodní astronautické kongresy) a také na Small Satellite Workshops komise ISPRS.

V tab.1 je uvedeno porovnání systémů malých a velkých družic jako motivace pro využí-vání MMD:

Tab.1 Některé charakteristiky malých a „velkých“ družic, jejich porovnání

Jsou to tyto hlavní důvody:
- MMS má mnohem více příležitostí pro svá nasazení k prospěchu vědy a jejích aplikací
- možnosti mnohem větší škály variací a diversifikace uživatelských požadavků
- mnohem větší a rychlejší expandování vědecko-technické báze
- větší možnosti zapojování lokálního a malého průmyslu.

Současné trendy charakterizuje:
- pokročilá miniaturizace elektroniky včetně její kapacity
- obchodní a vojenský zájem o modifikační možnosti pro vysílání (starty) družic MMS
- možnosti „nezávislosti“ MMS, jejich využití v DPZ v různých i malých státech, jejich vý-znam pro obranu
- nižší náročnost na jejich instalaci, větší bezpečnost a menší požadavky na obsluhu
- snížení požadavků na síť základních stanic a efektivnější metody distribuce dat.

3. Požadavky na rozlišení snímaného obrazu

Parametry rozlišení DPZ jsou:
- prostorové
- spektrální
- časové.

Pro technologie DPZ to jsou dále objektový zájem, objem a rozsah snímání, spotřeba energie. Požadavky jsou často velmi specifické; např. na spektrální požadavky je vázáno GSC (Ground Sampling Distance) pro různé aplikační oblasti (obr.1, 2)

Obr.1 Uživatelské požadavky na služby dálkového průzkumu Země (DPZ) - GSD (Ground Sampling Distance) versus spektrální rozlišení

Obr.2 Požadavky uživatelů na DPZ - GSD versus časové periody snímání

Pro MMD v úloze DPZ je tedy obvyklé a nezbytné velmi přesné vymezení požadavků a jejich aplikačních oblasti, volba metodiky řešení speciálních úloh. Na tomto základě pak probíhá výběr, instalování přístrojového systému a technologií tak, aby je bylo možno umístit i na malou plat-formu MMD.

4. Potenciál a omezení

Na základě vyhodnocení požadavků na parametry optického rozlišení je třeba ještě rozhodnout:
- jaká budou omezení
- jaké jsou předpoklady stability snímaného obrazu.

Rozbor podmínek prostorového rozlišení; je uveden příklad úspěšné volby kamery PIC-2 pro družici EROS-B (hmotnost 350kg) s požadavkem na GSD 0,70m - vypuštěna byla 25.4.2006 prostřednictvím ruské rakety START-1 do výšky 500km s dráhou SSO (Sun Synchronous Orbit).

Pro spektrální rozlišení je opět uveden příklad - volba hyperspektrálního snímače CHRIS pro družici ESA „PROBA“ (parametry, hmotnost 100kg, GSD o 18m, spektrální rozsah 400-1000nm); dráha opět SSO, výsledky; snímání požáru lesů v Německu MMS BIRD, další případy - TES (Indie).

Časově vymezené, temporální řešení je typické pro MMD - použití vždy tehdy, když jsou velké systémy drahé a nepraktické, např. aplikace tzv. DMC (Disaster Monitoring Constellation) je příkladem použití systému MMD.

Charakteristiky možností radarového altimetru (využívaného především pro studie moří a ledovců), hmotnost do 400kg, spotřeba energie v rozsahu 70-170W což vyhovuje pro MMD; další aplikační příklady - SEASAT, ERS-1, 2, ENVISAT, Jason-1,2, Cryosat doplněné pasivními mikrovlnnými radiometry. Rozbor možnosti SAR (Synthetic Aperture Radars) a příslušné techni-ky (uváděny ScanSAR, stripmap, spotlight atd.).

Omezení je dáno posláním MMD - zaměření na specifické fyzikální jevy, které je třeba zkoumat nebo monitorovat; proto je třeba brát do úvahy:
- omezení doby oběhů a životnosti použitých pokročilých technologií
- malý prostor pro umístění přístrojů náročných na energii
- nižší stabilitu platforem pro použití velkých mikrovlnných antén nebo delších monolitic-kých teleskopů
- omezené možnosti přístrojových a technologických kombinací (opět málo prostoru, ener-getická omezení).

5. Příklady ze současnosti a budoucí rozvoj

Z těchto důvodů je třeba použití MMD považovat za doplněk konvenčních observačních misí, DPZ tělesa Země. Jako příklad jsou uváděny charakteristiky mikrosystému družice BIRD (Bi-spectral InfraRed Detection, obr.3) na jeho synchronní oběžné dráze, používaného pro detekování parametrů a kvantitativních charakteristik požárů porostů na zemském povrchu (teploty, hodnoty v kW/m; popsány případy jeho použití v Indii, Austrálii).

Tab2 Kvalitativní charakteristiky hlavního sensoru družice BIRD (výška dráhy - 572km)

Obr.3 Mikrodružice BIRD; technická hmotnost tělesa je 94kg, produktivních přístrojů 30,2kg

Obr.4 Mikrodružice DLR-TUBSAT rozměr 32cm x 32cm, hmotnost 44,8kg

Interaktivní sledování správné funkce systému je používáno v případech, kdy cíle a objekt snímání nebyly pro další postup dostatečně přesně vymezeny nebo byla funkce snímání narušena či probíhala pouze krátce. Samozřejmou podmínkou je spolehlivá interakce jednotlivých složek systému. Jako příklad je uváděn mikrosatelit DLR-TUBSAT Institutu Technické univerzity v Berlíně a Střediska DLR (angl. German Aerospace Centre), uvedení na oběžnou dráhu, tes-tování instalovaných přístrojů (kamery, určování polohy a výšky, jejich kontrola; funkce software pro interakce s pozemní stanicí atd.).

Byly získány tyto informace:
- předpokladem je použití nízkonákladové platformy přizpůsobené specifikám mise a její krátké trvání
- s předstihem zvýšit možnosti její vzájemné mobility při monitoringu, snížení hmotnosti.

MMD musí být spolehlivou interoperabilitou zabezpečeny vzhledem o charakteru sledovaných jevů, jako jsou povětrnostní jevy, např. hurikány, polární záře, nebezpečné požáry, erupce sopek, povodně, zemětřesení, námořní, letecké nebo pozemské dopravní nehody nebo jiné katastrofy.

Tab.3 Parametry systému mikrodružice DLR TUBSAT

Následuje prezentace technicko-technologických parametrů a výsledků testování mikrodružice DLR-TURBSAT, která zabezpečuje interaktivní snímání Země a požadované informace s daty. Jsou připojeny barevné snímky hořícího lesa s typickými charakteristikami ohňové fronty (teplota, plocha požáru, délka přední fronty v km, energie v MW a frontální intenzita v kW/m). Na obr.4 je mikrodružice DLR-TURBSAT, v tab.3 jsou její parametry a na obr.5 pak princip kontroly její polohy a orientace v průběhu pohybu na oběžné dráze v prostoru, který je založen na inerciální navigaci a interaktivní kontrole prostřednictvím signálních bodů (Target). Výsledek testování byl úspěšný, mikrodružice DLR-TURBSAT se stala součástí globálních misí (Německa, Indie a Indonézie). Pokračoval však tlak na redukce nákladů a získávané zkušenosti se staly základem pro plánování monolitických mikrosystémů, opět na bázi mikrodružic.

Vznikly dvě koncepce pro jejich projektování:
- kategorie konstelací MMD dvou nebo více UDZ na stejné dráze
- nezávislé, samostatně funkční mikrodružice.

Obr. 5 Princip kontroly snímání; průběh dráhy družice je řízen prostředkyinerciální navigace (stabilita základní orientace je vztažena na hvězdy (úsek dráhy T0 - T1) vloženými interaktivními polohovými stanicemi (úsek T1 - T2).

Problematika konstelací je podrobně popsána s uvedením předností a nevýhod, jejich vývoje, implementacemi kontrolního monitoringu správnosti letových a snímacích funkcí, aplikací navi-gace prostřednictvím GPS, GLONASS a v budoucnu Galileo. Popis snímacího senzoru SAR (Synthetic Aperture Radars), optického senzoru CCDs a jejich technické provozní požadavky; připojeny další informace a zkušenosti z oblasti družicových technologií, uskutečněných misí a získaných zkušeností.

Dále jsou uvedeny další mise s využitím MMD - komerční multispektrální observační mise RapidEye (Německo, vypuštění - Bajkonur) s 5 mikrodružicemi, zaměřená na snímání informací o úrovních zpracování půdy, ploch aktivních zemědělských území, farmářství a DPZ těchto ploch pro vytváření topografických map 1:25 000, ortofotografií a tvorby DMR včetně vizualizace pří-rodních katastrof.

Obr.6 Prostorová konstelace pěti mikrodružic RapidEye

Obr 7. Družice Swarm (poskyto ESA)

Následuje výčet služeb, které ttento systém poskytuje s hmotností mikrodružice 150kg, rozměry 1mx1m, výška 630km, oběh Země za 24hod.; systém v průběhu 5 dní nasnímá všechny zeměděl-ské plochy Evropy a Ameriky.

Informace o misi ESA „Swarm“ (Earth Explorer Programme v rámci Living Planet Programme) zaměřené na geodetické údaje, geomagnetické pole Země, gradienty pole a jejich variace povr-chové i vnitřní, jejich elektrodynamické důsledky v okolním geoprostoru. Použití špičkových snímacích přístrojů VFM (Vector Field Magnetometer), ASM (Absolute Scalar Magnetometer), EFI (Electrical Field Instrument), ACC (Accelerometer) a jejich charakteristiky.

Mise GRACE je součástí výzkumného programu NASA orientovaného na detekci a určo-vání časových a polohových variací tíhového pole Země, změn distribucí zemských hmot; tvoří jej dvě mikrodružice, mající výšky od 220km do 500km (polární); polohově zabezpečeno systémy GPS a INS. Výsledky snímání byly prezentovány jako globální model variací tíhového pole Země s periodou 30 dní, prezentovány související změny pevninských, ledovcových a oceánických hmot; vytvořen také model dynamiky atmosféry Země.

Obr.8 Koncepce mise GRACE

V závěru je uveden výčet dalších, tematicky souvisejích informací o misích a jejich technické vybavenosti, např. SAR (Synthetic Aperture Radar), snižování hmotnosti družic, jako mise TechSAT21 tvořené 5 mikrodružicemi s hmotnostmi cca 100kg a program dalších miniaturizací družic s příslušnou technikou.

6. Závěry

Shrnuje realizované a plánované inovace v oblastech aplikací systémů mikrodružic, předpokládané nové mise a použití nových technologických přístupů a inovací, včetně snižování finančních nákladů. Vhodné konstelace MMD umožní aplikace technologií DPZ pro plné pokrytí okolo zemského prostoru snímáním sledovaných jevů a údajů, jejich pohotové vědecko-technické zpra-cování a publicitu. Systémy MMD se osvědčují a proto se stávají pro oblasti zkoumání okol zem-ského prostředí velmi perspektivní, přestože jsou jejich hmotnost a rozměry omezeny. Reakcí jsou však nové, miniaturní technologie a technika, jejich úzce specifikované složky s vysokou rozlišovací schopností optiky a radarových antén. Perspektiva dalšího vývoje oblastí DPZ spočívá ve vhodných kombinacích klasických UDZ a mikrodružicové techniky a technologií MMD.

Článek je doplněn rozsáhlým seznamem literatury (53 odkazů) s aktuálními tematickými odkazy.