РКС 2022 1

РКС РОССИЙСКИЕ КОСМИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ Научно-технический журнал РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И  ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ Том 9. Выпуск 1. 2022

РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ 2022, т. 9, вып. 1 Содержание К 100-летию Леонида Ивановича Гусева 3 Тюлин А. Е., Круглов А. В. Системный анализ, управление космическими аппаратами, 9 обработка информации и системы телеметрии. Дистанционное зондирование Земли 30 42 Разрешающая способность и линейное разрешение для оценки качества и проектирования аэрокосмических систем дистанционного зондирования Земли Свиридов К. Н., Тюлин А. Е. Первые результаты работы аппаратуры МСУ-ГС/ВЭ на КА «Арктика-М» № 1 Гектин Ю. М., Смелянский М. Б., Сулиманов Н. А., Коляда В. С., Бадаев К. В., Зайцев А. А., Андреев Р. В. Подходы к регламентированию процесса развития средств информационно-телеметрического обеспечения отработки объектов ракетно-космической техники Воронцов В. Л., Давыдов И. А., Медведев Е. В. Космические навигационные системы и приборы. Радиолокация и радионавигация 55 Пространство аномалий сигналов ГЛОНАСС L1/L2OF и L1/L3OC согласно модели аномалий ИКАО Невзоров Р. А. Радиотехника и космическая связь 67 73 Вопросы формирования зондирующего сигнала орбитального радиовысотомера 79 Дмитриев Д. В., Полишкаров В. С. Приемо-передающий облучатель зеркальных антенн систем спутниковой связи Габриэльян Д. Д., Демченко В. И., Коровкин А. Е., Бойчук С. И., Полтавец Ю. И. Исследование ширины провалов в верхнем и нижнем полупространствах диаграммы направленности АФАР Курдюмов О. А., Сагач В. Е. Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, 85 микро- и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектах 97 Обеспечение радиационной стойкости бортовой аппаратуры командных радиолиний при длительных сроках активного существования космических аппаратов (Часть 1) Булгаков Н. Н., Зинченко В. Ф. Разработка математической модели микромеханического датчика инерциальной информации Грибова О. В., Меркурьев И. В., Сайпулаев М. Р., Чирков В. П.

РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ 2022, том 9, выпуск 1, c. 3–8 УДК 629.78:929 DOI 10.30894/issn2409-0239.2022.9.1.3.8 К 100-летию Леонида Ивановича Гусева А. Е. Тюлин, д. э. н., к. т. н., [email protected] АО «Российские космические системы», Москва, Российская Федерация А. В. Круглов, д. т. н., профессор, [email protected] АО «Российские космические системы», Москва, Российская Федерация Аннотация. В настоящей статье представлено краткое описание жизнедеятельности одного из наших легендарных современ- ников, который сидел за пультом аппарата, осуществляющего связь между двумя великими людьми, положившими начало эры космонавтики — С. П. Королевым и Ю. А. Гагариным — во время первого полета человека в космос. Именно Л. И. Гусев был «связным» между генеральным конструктором и первым космонавтом Земли во время этого эпохального события. Пред- приятия и организации, которыми руководил Л. И. Гусев, принимали самое активное участие во всех ключевых событиях отечественного космоса, начиная с запуска первого искусственного спутника Земли до разработки, создания и эксплуатации современных космических комплексов и систем по всем направлениям космической деятельности. Ключевые слова: комплекс телеметрических и траекторных измерений, запуск первого искусственного спутника Земли, Л. И. Гусев, РНИИ космического приборостроения To the 100th Anniversary of L. I. Gusev A. E. Tyulin, Dr. Sci. (Econ.), Cand. Sci. (Engineering), [email protected] Joint Stock Company “Russian Space Systems”, Moscow, Russian Federation A. V. Kruglov, Dr. Sci. (Engineering), Prof., [email protected] Joint Stock Company “Russian Space Systems”, Moscow, Russian Federation Abstract. This article presents a brief description of the life of one of our legendary contemporaries, who sat at the control panel of the device that communicated between two great people who initiated the era of cosmonautics, S. P. Korolyov and Yu. A. Gagarin, during the first manned flight into space. L. I. Gusev was the liaison between the General Designer and the first cosmonaut of the Earth during this epoch-making event. Today it is already obvious to everyone that without its complexes of radio engineering, telemetric and trajectory measurements, it would be impossible to explore outer space. Enterprises and organizations led by L. I. Gusev, took an active part in all key events in the Russian space industry — from the launch of the First artificial Earth satellite to the development, creation and operation of modern space complexes and systems in all areas of space activity. Keywords: complex of telemetric and trajectory measurements, launch of the First artificial Earth satellite, L. I. Gusev, Russian Institute of Space Device Engineering

4 А. Е. ТЮЛИН, А. В. КРУГЛОВ 3 апреля 2022 года исполняется 100 лет со дня В мае 1948 года Леонид Гусев пришел работать рождения выдающегося конструктора, создателя в НИИ-885 комплектовщиком радиоэлектронной ап- целого класса техники в ракетно-космической от- паратуры. В следующем году поступил на заочное расли, Героя Социалистического Труда, лауреата отделение радиофакультета Московского электро- Ленинской и двух Государственных премий Лео- технического института связи и перешел на работу нида Ивановича Гусева. в одну из лабораторий на должность инженера. А когда получил в 1955 году диплом инженера- Леонид Гусев родился в 1922 году в селе Вну- электрика, был назначен начальником лаборатории. ково Дмитровского района Подмосковья. В 1931 го- ду семья переехала в столицу. После окончания В 1956 году за участие в разработке прибо- школы Леонид Иванович работал токарем на пер- ров для системы радиоуправления первой межкон- вом в России Московском инструментальном за- тинентальной ракеты Р-7, которая через пять лет воде (МИЗ основан в 1919 г.), а в 1940 году был вывела в космос Юрия Гагарина, Леонид Иванович призван в Красную Армию. Гусев был награжден первой гражданской награ- дой — медалью «За трудовое отличие». Леонида Гусева, имевшего среднее образова- ние, направили служить в артиллерию, в рядах Для ракеты Р-7 (8К71), которая обеспечива- которой он прошел всю Великую Отечественную ла запуск первого искусственного спутника Зем- войну в составе Западного и Белорусского фрон- ли, НИИ-885 делал радио- и автономную системы тов. Осенью 1941 года за мужество и образцо- управления. Основной была автономная, то есть вое выполнение боевых задач связист-корректиров- работающая самостоятельно в автоматическом ре- щик Гусев первым в полку был награжден ме- жиме на основании данных от бортовых датчи- далью «За отвагу», чем он особо дорожил всю ков ракеты. Радиотелеметрическая и радиотехниче- жизнь. В 1942 году был дважды ранен. Всю войну ская системы ракеты обеспечивали передачу дан- Леонид Гусев прошел командиром взвода управ- ных на Землю. ления в артиллерийской части. Все время на пе- редовой, под огнем, в рядах пехоты. Дважды на- Спутник представлял собой круглый контей- гражден орденом Красной Звезды, орденом Отече- нер диаметром 56 см и общей массой 83,6 кг ственной войны II степени, медалями «За освобож- (рис. 1), который был заполнен сжатым азотом дение Варшавы» и «За взятие Берлина». Только и содержал несколько комплексов аппаратуры. Че- в январе 1947 года Л. И. Гусева демобилизовали тыре антенны развертывались автоматически и по- в звании старшего сержанта. За семь лет службы сылали на Землю сигналы двух передатчиков мас- он стал профессионалом-связистом, неплохо разби- сой 3,5 кг и мощностью 1 Вт. Для самого спутника рался в радиотехнике [1]. Трудовую деятельность НИИ-885 разрабатывал бортовую радиостанцию на гражданке он начал с должности начальника (прибор Д-200). радиоклуба в Осоавиахиме Ленинского райсовета г. Москвы. Рис. 1. Первый искусственный спутник Земли РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 9 вып. 1 2022

К 100-ЛЕТИЮ ЛЕОНИДА ИВАНОВИЧА ГУСЕВА 5 Передатчики радиостанции попеременно рабо- Только это держится в тайне. Необходимо создать тали на частотах 20 и 40 МГц и передавали инфор- связную аппаратуру, бортовую и наземную, чтобы мацию от датчиков температуры и давления внут- космонавт мог общаться с Землей. ри корпуса спутника. Химические источники пита- ния обеспечили бесперебойную работу аппаратуры Леонид Гусев вспоминает: «Королев — отец в течение двух недель. Спутник за 92 дня совер- родной, мы его слушались больше, чем отца с ма- шил 1400 оборотов вокруг Земли и сгорел, войдя терью. Суровый, но очень порядочный человек» [1]. в атмосферу. Главным технологическим результа- том стала надежная передача радиосигнала из кос- Ответственное задание было выполнено моса на Землю. Вполне заслуженно четверо работ- в срок. В июне 1961 года Леониду Иванович Гусеву ников института НИИ-885 были удостоены звания было присвоено звание Героя Социалистического Героя Социалистического Труда, а Леонида Ивано- Труда «. . .за создание выдающихся образцов ра- вича Гусева наградили орденом Ленина. кетной техники и обеспечение удачного полета советского человека в космос». Государственные В 1956 году Леонид Иванович был избран награды и премии получили десятки сотрудников секретарем парткома НИИ-885 и опытного завода НИИ-695. и переведен парторгом ЦК КПСС в аппарат МГК КПСС (в институте тогда насчитывалось 1200 чле- Успехи директора заметили наверху. Предсе- нов партии). С партийной работой Гусев справился. датель Госкомитета по радиоэлектронике Валерий Дмитриевич Калмыков в 1963 году предложил Гу- В июне 1959 года Леонид Иванович был на- севу стать его заместителем. От таких предложе- значен директором НИИ-695 Госкомитета по ра- ний отказываться было не принято. В 1964 году диоэлектронике, впоследствии ВНИИ связи. Пер- было образовано Министерство общего машино- востепенной задачей для предприятия было опреде- строения, министром которого был назначен Сер- лено участие в создании системы связи со спутни- гей Александрович Афанасьев, Леонид Иванович ком «Молния-1», который должен был обеспечить Гусев был назначен заместителем министра, где он дальнюю телефонно-телеграфную связь с района- отвечал за создание систем управления [1]. ми Крайнего Севера, Сибири и Дальнего Востока, а также обеспечить трансляцию телевизионных Но уже в 1965 году Леонид Иванович вер- программ Центрального телевидения на всей тер- нулся директором в НИИ-885, который в следую- ритории Советского Союза. Гусев занимался разра- щем году получил новое название — НИИ боткой ретранслятора для первого спутника связи приборостроения. Задачи института к то- по поручению Сергея Павловича Королева, спо- му времени были определены: исследования Луны, движником которого он был. Поставленная задача пилотируемые программы, исследования в дальнем была успешно решена. космосе, космическая связь, космические системы навигации и геодезии, развитие наземной инфра- Другой не менее важной задачей для структуры управления космическими аппаратами, НИИ-695 стало создание системы связи первого космические телевизионные системы, системы ди- пилотируемого космического корабля «Восток-1». станционного зондирования Земли. Необходимо было создать связную аппаратуру, бор- товую и наземную, для связи космонавта с Землей. Под его руководством предприятие принимало Сроки выполнения самые жесткие — год и три ме- участие в цикле исследований Луны. В 1966 году сяца на все исследования, разработку и изготовле- станция «Луна-9» осуществила мягкую посадку ние. А началась эта работа с телефонного звонка на поверхность Луны и впервые передала на Землю Королева в два часа ночи. Поймав на улице маши- панорамное изображение поверхности Луны высо- ну, Гусев помчался в Подлипки, нынешний г. Ко- кой четкости. В том же году программа фотографи- ролев. Разговор с Сергеем Павловичем состоялся рования поверхности Луны была повторена станци- в комнатке за кабинетом генерального. Под боль- ей «Луна-13». шим секретом Королев сообщил, что, как и амери- канцы, мы тоже готовим полет человека в космос. В рамках программы исследования Луны бы- ла разработана и создана движущаяся по поверх- ности лаборатория — «Луноход». Для управления «Луноходом» был создан специальный наземный РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 9 вып. 1 2022

6 А. Е. ТЮЛИН, А. В. КРУГЛОВ комплекс, размещенный вблизи Симферополя В 1975 году с КА «Венера-9» и «Венера-10» (НИП-10). были переданы на Землю не только данные о фи- зических параметрах планеты, но и первые изобра- Всего было запущено два лунохода — «Луно- жения поверхности Венеры вблизи места посадки ход-1» и «Луноход-2». «Луноход-1» проводил ис- СА (в черно-белом виде). следования Луны в течение 10 месяцев и прошел по поверхности Луны 10,5 км (11 лунных дней). В 1981 году на КА «Венера-13» и «Венера-14» «Луноход-2» проводил исследования Луны в те- скорость принимаемой с СА научной информации, чение четырех лунных дней и прошел расстояние также за счет использования режима ретрансляции 37 км [2]. сигналов СА через КА, находившийся на орбите спутника Венеры, была доведена до 64 кбит/с, что В 1979 году за участие в работах по созда- позволило передать на Землю цветные панорамы нию и запуску на Луну автоматической межпла- поверхности Венеры [4]. нетной станции «Луна-16», взявшей образцы лун- ного грунта и доставившей их на Землю, Леониду Под руководством Л. И. Гусева предприятие раз- Ивановичу Гусеву было присвоено звание лауреата вивалось гигантскими темпами: были созданы Ленинской премии. тематические отделения и специализированные отделы, централизованы конструкторские работы. В 1967 году впервые в атмосферу Венеры был В 1976 году в практику работы введены разрабо- доставлен спускаемый аппарат (СА) «Венера-4», танные в институте система автоматизированного который работал до высоты 20 км от поверхности управления (САУ) и система автоматизированно- и передавал информацию со скоростью 1 бит/с. го проектирования радиоаппаратуры (САПР), став- В 1970 г. была запущена космическая станция шие примером для отрасли [3]. «Венера-7». Основной задачей станции была мягкая посадка СА на поверхность Венеры, для чего ап- Для оптимального выполнения заказов было паратура СА необходимым образом дорабатывалась, восстановлено экспериментальное и реконструиро- чтобы выдержать температуру более 500 ◦C и давле- вано опытное производство. ние до 100 атмосфер [2]. СА станции «Венера-7» дал полный температурный разрез атмосферы Ве- В 1978 году на базе института и завода «Радио- неры и передал уникальную научную информацию: прибор» создается научно-производственное объе- температура у поверхности — 460 ◦C, давление — динение — НПО «Радиоприбор», обе структурные 90 атм, состав атмосферы — углекислый газ, состав единицы которого сохранили права юридического облаков — капли серной кислоты. лица. Для управления КА нового поколения, запус- В составе и на базе института в разное время каемыми тяжелым носителем «Протон» и имеющи- были созданы тематические (специализированные) ми гораздо больший объем научного оборудования, институты и предприятия в разных городах Совет- потребовалось создание новых бортовых и наземных ского Союза и Российской Федерации: радиотехнических комплексов. На базе комплекса, введенного в Уссурийске в 1971 году, был создан НИИ прецизионного приборостроения (г. Мо- Восточный центр дальней космической связи, ра- сква) — лазерная техника; ботающий в дециметровом и сантиметровом диапа- зонах на прием и в дециметровом — на передачу. НИИ космического приборостроения (г. Мо- В комплексе работала новейшая для того времени сква) — международное сотрудничество; приемная антенна с диаметром зеркала 32 м. НИИ «Орион» (г. Голицыно) — наземные си- Использование на борту венерианских станций стемы управления КА; режима ретрансляции научной информации с СА через бортовой радиокомплекс пролетного аппарата НИИ «Опыт» (г. Белгород) — вычислительные позволило увеличить скорость передачи на Землю системы; научной информации до 3 кбит/с при приеме теле- метрии и до 6 кбит/с — при приеме изображений. ТашНИИП (г. Ташкент) — системы опове- щения; организация «Сириус» (г. Китаб) — полевые испытания аппаратуры; организация «Антарес» (г. Троицк) — стендо- вые испытания аппаратуры; РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 9 вып. 1 2022

К 100-ЛЕТИЮ ЛЕОНИДА ИВАНОВИЧА ГУСЕВА 7 Костромской радиоприборный завод (г. Кос- В трудные послевоенные годы очень остро сто- трома); яла проблема обеспечения жильем сотрудников ин- ститута и создания приемлемых условий работы, Бакинский филиал НПО «Радиоприбор» соответствующих тем важнейшим задачам, кото- с опытным заводом (г. Баку). рые стояли перед предприятием. По инициативе Л. И. Гусева резко расширяет- В 1950-е годы, после избрания членом ЦК ся капитальное строительство. На территории ин- профсоюза отрасли, Леонид Иванович Гусев раз- ститута было построено около десятка новых зда- вернул жилищное строительство, на территории ний и помещений, в которых размещены важней- организации начали появляться новые социальные шие тематические отделения и центры по основным объекты. Эта работа проводилась и в последующие направлениям деятельности, в частности: годы. За это время было построено 37 домов, что позволило сотням семей улучшить свои жилищные – стендово-испытательный корпус № 24 условия. Были созданы садоводческие товарище- (1983 г.), где размещены Научный центр сертифика- ства «Гамалия», «Весна» и другие, где сотрудники ции элементов и оборудования и Центр испытания плодотворно проводили выходные дни. бортовых приборов, комплексов и систем; Также не забывал Леонид Иванович Гусев – корпус микроэлектроники № 29 (1988 г.), и про подрастающее поколение. Были построены в котором находятся отдельные цеха завода РКП и открыты два детских сада и детские оздорови- (бортовой НЧ аппаратуры и комплексов); тельные лагеря «Заря» и «Чайка». – лабораторный корпус № 30 (1972 г.), в ко- На территории предприятия было выстроено тором располагаются 3 цеха завода РКП (назем- многоэтажное здание комбината питания с боль- ной аппаратуры, кабельных изделий и цех борто- шими залами для обеспечения сотрудников инсти- вой ВЧ аппаратуры и комплексов); тута горячим питанием, полуфабрикатами и кули- нарными изделиями. Часть продукции для комби- – отделение создания функциональных допол- ната поставляло собственное подсобное хозяйство нений ГЛОНАСС и специальных навигационных в Белгородской области. систем; Для обслуживания сотрудников была созда- – отделение создания комплексов приема и об- на медико-санитарная часть, оснащенная современ- работки информации ДЗЗ и системы «КОСПАС– ным оборудованием и укомплектованная высоко- САРСАТ»; квалифицированными специалистами, которая дей- ствует и в настоящее время. – бытовой корпус № 9 (1973 г.), где располо- жены административные службы и медико-сани- В 1982 году Леонид Иванович Гусев был удо- тарная часть; стоен звания лауреата Государственной премии СССР за работу над аппаратурой дистанционного – комплекс № 15 (2006 г.), в котором разме- зондирования Земли. щается военная приемка. Особая роль принадлежит Л. И. Гусеву в раз- Следует отметить также создание таких тема- работке спутниковых навигационных систем. В ре- тических центров и отделений, как радиочастот- зультате проведенных под его руководством круп- ный центр Роскосмоса, научно-технический центр номасштабных теоретических, проектных, кон- системного мониторинга и оперативного управле- структорских и экспериментальных работ были ния, инновационный центр, научно-технический разработаны бортовые, наземные и корабельные центр координации программ, научно-технологиче- аппаратные средства космических навигационных ский центр космического мониторинга Земли, от- систем «Циклон», «Цикада», «Ураган» и, наконец, раслевой центр по изготовлению сверхбольших ин- глобальной навигационной спутниковой системы тегральных схем (дизайн-центр), а также технико- ГЛОНАСС. Созданы технические средства для исторический музей космонавтики, в котором со- необходимых траекторных измерений, расчета про- браны уникальные экспонаты. гнозируемых значений эфемерид, закладки этих На протяжении всей истории существования института администрация и профсоюзная органи- зация уделяли большое внимание социальным во- просам. РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 9 вып. 1 2022

8 А. Е. ТЮЛИН, А. В. КРУГЛОВ данных на борт навигационных КА, контроля це- Рис. 2. Л. И. Гусев и генеральный директор Российского лостности навигационно-временного поля. Разрабо- космического агентства Ю. Н. Коптев тана наземная и бортовая аппаратура единой си- стемы шкалы времени, телеметрического контроля, полное основание гордиться научно-техническими передачи командно-программной информации для и социальными достижениями нашей организации, корректировки орбит, обеспечения бортовых си- в которых неоценимая роль принадлежит нашему стем навигационных КА. За участие в создании легендарному директору, 36 лет возглавлявшему космической навигационной системы ГЛОНАСС организацию и проработавшему в ней в общей в 1996 году Л. И. Гусев стал лауреатом Государ- сложности более 60 лет. ственной премии Российской Федерации. Список литературы За большой вклад в развитие отечественной ракетно-космической техники в 1997 году ему было 1. Мясников В. А. Человек, создавший космическую присвоено почетное звание «Заслуженный деятель связь: Выдающемуся конструктору спутниковых си- науки и техники РФ» [3]. стем Леониду Гусеву исполнилось 90 лет // Незави- симая газета. 2012, 3 апреля. В 2001 году Леонид Иванович Гусев передал бразды правления Юрию Урличичу, став его пер- 2. Круглов А. В. Участие АО «Российские косми- вым заместителем. До самой кончины (11 марта ческие системы» в реализации отечественных кос- 2015 г.) он действенно помогал решать организа- мических программ исследования дальнего космо- ционно-технические вопросы. са / А. В. Круглов, Е. П. Молотов, В. М. Ватутин // Ракетно-космическое приборостроение и информаци- Леонид Иванович Гусев был выдающимся уче- онные системы. 2021. Т. 8, вып. 2. С. 4–10. ным и конструктором, доктором технических наук, профессором. С 1969 г. Леонид Иванович зани- 3. Вехи истории. 1946–2006. 60 лет ФГУП «Россий- мался преподавательской деятельностью, заведо- ский научно-исследовательский институт космичес- вал кафедрой Московского института радиотех- кого приборостроения». М.: ЭЛЬФ ИПР, 2006. 88 с. ники, электроники и автоматики (МИРЭА, ныне — Московский технологический университет). Он вос- 4. Чурухов П. Космический щит России: К 70-летию питал целую плеяду учеников, у многих из ко- АО «Российские космические системы» / П. Чуру- торых имеются уже свои ученики, способствовал хов // Высокая слава России. Информационный про- формированию и развитию научных школ органи- ект: К 55-летию первого в мире полета человека зации. Средняя численность сотрудников, имею- в космос. 2016. С. 23–28. щих ученую степень доктора наук составляла более 30 человек, а кандидатов наук — превыша- ла 150. Более 50 ученых и специалистов органи- зации в разные годы стали лауреатами Ленинской и Государственной премий СССР и РФ, а также премии Правительства РФ. Леонид Иванович Гусев пользовался большим авторитетом у руководства ракетно-космической отрасли и уважением коллектива института, реше- нию насущных проблем которого он посвятил свою долгую и плодотворную жизнь. Сегодня мы, бывшие соратники, ученики и продолжатели дела Леонида Ивановича, имеем РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 9 вып. 1 2022

РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ 2022, том 9, выпуск 1, c. 9–29 СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ, УПРАВЛЕНИЕ КОСМИЧЕСКИМИ АППАРАТАМИ, ОБРАБОТКА ИНФОРМАЦИИ И СИСТЕМЫ ТЕЛЕМЕТРИИ. ДИСТАНЦИОННОЕ ЗОНДИРОВАНИЕ ЗЕМЛИ УДК 528.8 DOI 10.30894/issn2409-0239.2022.9.1.9.29 Разрешающая способность и линейное разрешение для оценки качества и проектирования аэрокосмических систем дистанционного зондирования Земли К. H. Свиридов, д. т. н., профессор, [email protected] АО «Российские космические системы», Москва, Российская Федерация А. Е. Тюлин, д. э. н., к. т. н., профессор, [email protected] АО «Российские космические системы», Москва, Российская Федерация Аннотация. В статье исследованы понятия «разрешающая способность» и «пространственное разрешение» (линейное, предель- ное, дифракционное) аналоговых (фотографических) и цифровых (оптико-электронных) аэрокосмических систем (АКС) ДЗЗ. Получено, что зарубежный критерий оценки предельного геометрического разрешения АКС ДЗЗ на местности — критерий GSD — является некорректным для оценки линейного пространственного разрешения, а его использование при проектировании АКС ДЗЗ препятствует согласованию объектива и цифрового детектора по критерию Найквиста, что ведет к информацион- ным и финансовым потерям. Показано, что критерий GSD характеризует минимальный размер объекта, воспринимаемого АКС ДЗЗ на земной поверхности, а не минимальное расстояние между двумя раздельно наблюдаемыми (разрешаемыми) объектами, то есть понятие «предельное разрешение» ближе к понятию «резкость» изображения, а не к понятиям «разре- шающая способность» и «пространственное разрешение», и потому не может быть использован для оценки пространственного разрешения и проектирования АКС ДЗЗ. Получено, что для оценки качества и проектирования АКС ДЗЗ необходимо исполь- зовать отечественный критерий оценки инструментального линейного пространственного разрешения АКС ДЗЗ на местности — критерий РКС, который дает реальную оценку пространственного разрешения, позволяет согласовать проектируемую АКС ДЗЗ по критерию Найквиста с коэффициентом совершенства проектирования, равным единице (K = 1), и обеспечивает возможность достижения дифракционного предела линейного пространственного разрешения АКС ДЗЗ на местности. Во избежание дальней- шего ошибочного использования в РФ зарубежного критерия GSD предлагается стандартизовать отечественный критерий РКС российским ГОСТ и использовать его для оценки качества и проектирования АКС ДЗЗ. Ключевые слова: разрешающая способность, пространственное разрешение, предельное геометрическое разрешение — GSD, линейное пространственное разрешение — РКС, критерий Найквиста и несовершенное проектирование, совершенное проекти- рование АКС ДЗЗ Resolving Power and Linear Resolution for Quality Assessment and Design of Aerospace Earth Remote Sensing Systems K. N. Sviridov, Dr. Sci. (Engineering), Prof., [email protected] Joint Stock Company “Russian Space Systems”, Moscow, Russian Federation A. E. Tyulin, Dr. Sci. (Econ.), Cand. Sci. (Engineering), Prof., [email protected] Joint Stock Company “Russian Space Systems”, Moscow, Russian Federation Abstract. The article examines the concepts of resolving power and spatial resolution (linear, limiting, diffraction) in analog (photo- graphic) and digital (optoelectronic) aerospace ERS systems. It was found that the foreign criterion for assessing the limiting geometric resolution of the remote sensing system of remote sensing on the terrain, the GSD criterion, is inadequate for assessing the linear spa- tial resolution. Its use in the design of the remote sensing system impedes the matching of the lens and the digital detector according to the Nyquist criterion. This leads to information and financial losses. It is shown that the GSD criterion characterizes the minimum size of an object perceived by the remote sensing system on the earth’s surface, and not the minimum distance between two separately observed (resolvable) objects, that is, the concept of “limiting resolution” is closer to the concept of “sharpness” of the image, and not to the concepts of “resolution” and “spatial resolution”, and therefore cannot be used to assess the spatial resolution and design of the remote sensing system. It was found that to assess the quality and design of ERS systems, it is necessary to use the Russian criterion for assessing the instrumental linear spatial resolution of ERS systems on the terrain, the RSS criterion, which gives a real assessment of the spatial resolution, allows the projected ERS systems to be matched according to the Nyquist criterion with a design excellence factor equal to one (K = 1), and provides the ability to achieve the diffraction limit of the linear spatial resolution of the ERS systems on the terrain. In order to avoid further erroneous use of the foreign GSD criterion in the Russian Federation, it is proposed to standardize the domestic RSS criterion with the Russian GOST and use it to assess the quality and design of remote sensing systems. Keywords: resolving power, spatial resolution, limiting geometric resolution — GSD, linear spatial resolution — RSS, Nyquist criterion and imperfect design, perfect design of the remote sensing systems

10 К. H. СВИРИДОВ, А. Е. ТЮЛИН Введение Разрешающая способность Наиболее информативным и востребованным и пространственное разрешение потребителями продуктом ДЗЗ является оптиче- ское изображение зондируемого участка земной по- аналоговых АКС ДЗЗ верхности. Для оценки качества изображения су- ществует много различных критериев [1]. Вслед- Проведенные исследования [2] свидетельству- ствие множества современных концепций качества ют о том, что наиболее универсальным одночис- изображения имеет место значительное разнообра- ловым критерием, характеризующим как качество зие в их терминологии и обозначениях. Лишь тогда, изображения объекта, так и эффективность систе- когда предложены или уже существуют соответ- мы его наблюдения, является разрешающая спо- ствующие стандарты, возможно некоторое едино- собность. Впервые термин «разрешающая способ- образие. В остальных же случаях правилом явля- ность» был введен Рэлеем [5]. Физически под раз- ется не всегда обоснованное навязывание отдель- решающей способностью понимается свойство си- ными авторами своих точек зрения и привычек. Су- стемы формирования изображений воспроизводить щественное внимание в научно-технической лите- на изображении раздельно близкие мелкие дета- ратуре [2] уделяется оценочным характеристикам ли оригинала. При этом величина, обратная разре- качества изображения, выражаемым одним числом. шающей способности, называется линейным про- Существуют различные одно числовые критерии странственным разрешением, а размер минималь- оценки качества изображений, однако не многие ной детали в изображении, которая еще может из них пригодны для оценки эффективности на- быть разрешена, — предельным пространственным блюдательных систем. В аэрокосмических систе- разрешением. мах (АКС) ДЗЗ наибольшее распространение полу- чили два одночисловых показателя качества аэро- Строгое определение разрешающей способ- космических систем: «разрешающая способность» ности применительно к аэрофотосистемам дано и «пространственное разрешение». Это две разные в ГОСТе [6], а именно: «Разрешающая способ- одночисловые характеристики качества, имеющие ность — характеристика аэрофотоаппарата, опти- разный физический смысл и размерность. Одна- ко-фотографической системы, аэрофотоматериала, ко, в отечественной научно-технической литерату- определяемая максимальной пространственной ча- ре [3] и даже в ГОСТе [4] понятия «разрешаю- стотой периодической решетки, штрихи которой щая способность» и «пространственное разреше- визуально различимы в фотографическом изобра- ние» отождествляются, что является ошибкой, вно- жении, образованном данной системой при ис- сит путаницу в рассмотрение и послужило, в част- пользовании в качестве объекта стандартной ми- ности, одним из стимулов к написанию данной ры заданного контраста». Аналогичное определе- статьи. Внесем ясность в определения и размерно- ние разрешающей способности дано и в другом сти этих характеристик качества аналоговых (фо- российском ГОСТе [7]: «Разрешающая способ- тографических) и цифровых (оптико-электронных) ность — свойство фотографического материала раз- АКС ДЗЗ. Для обозначения разрешающей способ- дельно передавать детали объекта фотографирова- ности и пространственного разрешения будем ис- ния, характеризуемые наибольшей визуально раз- пользовать латинские буквы R∗ и R соответст- личаемой пространственной частотой в изображе- венно. Несмотря на то, что фотографические АКС нии миры». ДЗЗ в настоящее время практически полностью вытеснены оптико-электронными, рассмотрение по- Здесь [7] также стандартизованы термины нятий «разрешающая способность» и «простран- «пространственная частота» и «мира»: «Простран- ственное разрешение» начнем именно с фотогра- ственная частота — число периодов синусоидаль- фических систем, так как первоначально данные ного или иного периодического распределения ин- характеристики определялись именно для них. тенсивности излучения, приходящееся на единицу длины», а «мира — тест-объект, содержащий на- бор групп штрихов-решеток постоянного контра- ста с закономерно изменяющейся пространствен- ной частотой». РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 9 вып. 1 2022

РАЗРЕШАЮЩАЯ СПОСОБНОСТЬ И ЛИНЕЙНОЕ РАЗРЕШЕНИЕ ДЛЯ ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА 11 Рис. 1. Штриховые миры: а) мира Ашеулова, б) мира ГОИ Как следует из определений, разрешающая спо- в стандартизованном для видео и цифровой фо- собность имеет смысл максимальной пространствен- тотехники (см., например, ISO 12231, ISO 12233) ной частоты, измеряемой обычно в обратных милли- термине «пара линий» за «линию» считается так- метрах (мм−1), а обратная ей величина — простран- же и промежуток между штрихами, что физиче- ственное разрешение — имеет смысл минимального ски неверно, так как в этом случае пространствен- расстояния между раздельно наблюдаемыми (разре- ная частота оказывается обратной полупериоду ми- шаемыми) объектами, измеряемого в единицах дли- ры, но это уже не пространственная частота, опре- ны, например в миллиметрах (мм). Из определе- деляющая разрешающую способность, а, напри- ний также ясно, что разрешающая способность — мер, частота выборки (дискретизации) цифровых эмпирическая оценка, получаемая при визуальном АКС ДЗЗ, рассматриваемая ниже. наблюдении. Достоинством критерия «разрешаю- щая способность» [8] является то, что эта харак- Обозначения единиц измерения простран- теристика достаточно наглядна, имеет простой фи- ственной частоты довольно разнообразны [2], это зический смысл и автоматически включает в себя линии на миллиметр, пара линий на миллиметр, пороговые свойства зрительного анализатора. телевизионные линии на миллиметр и др. Во избе- жание путаницы между обычной практикой в опти- В аэрокосмической фотосъемке наиболее ча- ке, когда под линией понимают один период, и в те- сто используются штриховые прямоугольные миры, левидении, где период понимается как две линии, представленные на рис. 1. большинство современных исследователей исполь- зуют термин «цикл». Один «цикл» равен одной оп- Критерий «разрешающая способность» в до- тической линии, одной паре линий в других при- статочной степени согласуется с функциональным ложениях, двум телевизионным линиям и одному назначением АКС ДЗЗ, когда основным назначени- периоду — P . ем систем является обнаружение и распознавание компактных и малоконтрастных объектов, имею- Размерности разрешающей способности [9], щих малые размеры и малые детали. выраженной в парах линий на миллиметр (lp/mm), выраженной в линиях на миллиметр (lines/mm) В отечественной теории и фотографической по ISO и выраженной в линиях на миллиметр практике [9] штрихи миры всегда считаются раз- (мм−1) по отечественным стандартам при идентич- деленными промежутками контрастного фона, тол- ных критериях определения соотносятся, как щиной равной толщине штриха. То есть штрихи («линии») разделены периодом, характеризующим 1(цикл/мм) = 1(lp/mm) = 2(lines/mm) = (1) пространственную частоту. Однако за рубежом = 1(пара линий/мм) = 1(мм−1). РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 9 вып. 1 2022

12 К. H. СВИРИДОВ, А. Е. ТЮЛИН В общем случае под пространственной ча- ственной частотой, а потому не может характери- зовать способность АКС ДЗЗ раздельно наблюдать стотой f , определяющей разрешающую способ- (разрешать) близкие мелкие детали объекта. Пре- ность R∗, понимают величину, обратную мини- дельное разрешение определяет размер минималь- мальному разрешаемому периоду Pмин миры, со- ной детали объекта, воспринимаемой АКС ДЗЗ, держащей периодически повторяющиеся штрихи и характеризует способность АКС ДЗЗ воспроиз- водить «резкие границы» и мелкие детали объекта и промежутки между штрихами [2]. на его изображении. В соответствии с определением пространствен- Наряду с определенными выше предель- ным и линейным пространственными разрешения- ной частоты значение разрешающей способности ми АКС ДЗЗ, существует дифракционное линейное пространственное разрешение, обратное дифракци- можно определить по формуле онной разрешающей способностью. Для определе- ния дифракционной разрешающей способности иде- R∗ = f = 1/Pмин = 1/2lмин (мм−1), (2) ального объектива RD∗ используют [2] формулу где lмин — минимальный размер разрешаемого объекта (штриха), характеризующий предельное разрешение в изображении — Rl = lмин, а Pмин = RD∗ = 1/RD (мм−1), (4) = 2lмин — минимальный разрешаемый период ми- ры, обратный разрешающей способности и характе- ризующий линейное пространственное разрешение в изображении — RP . где RD — радиус диска Эри объектива, определяе- мый как RP = R = 1/R∗ = 2lмин (мм). (3) Интерпретация формулы (2) очевидна, она RD = 1,22λF/D (мм), (5) выражает максимальную пространственную часто- ту с периодом, равным удвоенному значению мини- где λ — средняя длина волны солнечного излуче- мальной ширины предельно разрешаемых объектов. ния подсвета, D — диаметр апертуры объектива, Этот период определяет линейное пространственное а F — фокусное расстояние объектива съемочной разрешение АКС ДЗЗ как ее удвоенное предель- системы. ное разрешение. В случаях определения предель- ного разрешения по изображению значение lмин Радиус диска Эри (5) характеризует дифрак- измеряют на нем в миллиметрах. В тех случаях, ционное пространственное разрешение объектива, когда значение lмин приведено к масштабу на зем- соответствующее разрешению двух точек по Рэ- ной поверхности, говорят о предельном разрешении лею. Критерий Рэлея гласит, что при провале на местности и измеряют его в метрах. в распределении интенсивности суммарного изоб- ражения двух близких точек в 20 % точки будут Обращаясь к определению разрешающей спо- восприниматься раздельно, то есть разрешаться. собности, данному в ГОСТе [6,7], и учитывая выра- Для этого необходимо, чтобы центральный мак- жение (2), можно говорить о том, что объекты (де- симум в изображении одной точки приходился на тали) на изображении будут разрешаемы (воспри- первый минимум другой (рис. 2). ниматься раздельно), пока их пространственная ча- стота не превысит разрешающую способность R∗, Дифракционное пространственное разрешение то есть можно утверждать, что совокупность ма- по Рэлею — минимальное расстояние RD между лых объектов (деталей) с относительно высоким двумя точками, при котором они разрешаются, уровнем яркости в изображении разрешится толь- то есть дифракционное пространственное разреше- ко при условии, что расстояние между ними будет ние — это максимальное линейное пространствен- больше или равно R = 1/R∗ = 2lмин — линейному ное разрешение, определяемое минимальной вели- пространственному разрешению, а не предельному чиной (5). пространственному разрешению — lмин, как часто ошибочно считают. Предельное разрешение не свя- Заметим, что дифракционная разрешающая зано с разрешающей способностью как простран- способность идеального объектива (4) фактически определяет его частоту отсечки fD = D/1,22λF (пар линий/мм). (6) РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 9 вып. 1 2022

РАЗРЕШАЮЩАЯ СПОСОБНОСТЬ И ЛИНЕЙНОЕ РАЗРЕШЕНИЕ ДЛЯ ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА 13 Рис. 2. Пространственное разрешение по Рэлею Оценив разрешающую способность, опреде- ляют пространственное разрешение аналоговых Разрешающая способность зависит от контра- АКС ДЗЗ. При выполнении аэрофотосъемочных ста соседних элементов изображения, а также от работ и использовании материалов аэрофотосъем- порогового контраста приемника изображений [10]. ки важное значение имеют способности АКС ДЗЗ: Под пороговым контрастом приемника изображе- во-первых, воспроизводить близкие мелкие де- ний понимают минимальный контраст соседних де- тали ландшафта земной поверхности раздельно талей изображения, при котором они могут быть и, во-вторых, воспринимать эти мелкие детали на зарегистрированы раздельно. местности. Для априорной оценки инструментальной раз- Количественно эти способности оцениваются: решающей способности АКС ДЗЗ и апостериор- – во-первых, линейным пространственным ной оценки реальной разрешающей способности разрешением АКС ДЗЗ на местности L, связанным с учетом искажающих факторов, влияющих на ка- с разрешающей способностью в изображении R∗ чество аэрокосмических изображений, определяют соотношением идеальную и реальную частотно-контрастные ха- рактеристики (ЧКХ) съемочной системы и кри- L = (1/R∗)H/F (м), (7) вую порогового контраста (КПК) приемника изоб- ражения (фотоматериала). Пересечение этих кри- а с учетом (2) определяемым соотношением вых позволяет приблизительно оценить инструмен- тальную Rи∗ и реальную Rр∗ разрешающую способ- L = (2l)H/F (м), (8) ность аналоговой АКС ДЗЗ (рис. 3). и, во-вторых, предельным геометрическим разре- шением на местности — минимальным размером детали объекта на местности ü, которая может быть воспроизведена с помощью данной АКС ДЗЗ: ü = (1/2R∗)H/F = lH/F (м), (9) где H — высота аэрокосмической фотосъемки в на- дир (км), R∗ — разрешающая способность АКС ДЗЗ, определяемая (2) или аналогично (рис. 3) (мм−1), F — фокусное расстояние объектива АКС ДЗЗ (м), l — размер минимальной (предельно раз- решимой) детали объекта в изображении (мм), а 2l — линейное пространственное разрешение АКС ДЗЗ в изображении. Разрешающая способность и пространственное разрешение цифровых АКС ДЗЗ Рис. 3. Графическое определение разрешающей способ- В последние годы широкое применение диод- ности АКС ДЗЗ: Rи∗ – инструментальной по ЧКХи ных линеек и матриц в качестве приемников изоб- ражения в ДЗЗ привело к появлению новых терми- и Rр∗ — реальной по ЧКХр нов, таких как «пиксель» и «частота дискретиза- ции» [2]. Первый из них (элемент дискретизации) означает квадрат, сторона которого d равна рассто- янию между центрами соседних элементов диодной РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 9 вып. 1 2022

14 К. H. СВИРИДОВ, А. Е. ТЮЛИН линейки (матрицы). Второй термин базируется на и утверждается, что при дискретизации аналогово- теории информации, в частности на теореме выбор- го сигнала полезную неискаженную информацию ки (отсчетов), и означает частоту выборки (дискре- несут только пространственные частоты f , кото- тизации), определяемую как рые ниже частоты Найквиста (f < fN ). Поэтому в согласованной по Найквисту (совершенной) ОЭА f1/d = 1/d (lines/mm). (10) частота Найквиста цифрового детектора fN опти- мально должна совпадать с частотой отсечки объ- На рис. 4 представлена блок-схема оптико- ектива fD/λF = D/λF . В случае такого совпадения электронной аппаратуры (ОЭА) цифровой АКС имеем ДЗЗ. Здесь D и F — диаметр апертуры и фокусное расстояние объектива ОЭА соответственно, а d — fN = 1/2d = D/λF = fD/λF (пар линий/мм), размер пикселя (элемента дискретизации) матрицы (11) цифрового (ПЗС) детектора. откуда получаем λF/D = 2d (мм), (12) а это и есть условие согласования ОЭА по крите- рию Найквиста, упомянутое выше. В соответствии с методикой, изложенной в [10], оценочный расчет разрешающей способно- сти изображения Rи∗з, полученного цифровой АКС ДЗЗ, может быть выполнен с использованием сле- дующего выражения: 1/Rи∗з2 = 1/Rп∗р2 + 1/Rо∗б2, (13) Рис. 4. Оптико-электронная аппаратура (ОЭА) аэрокос- где Rп∗р — разрешающая способность цифрового мической системы дистанционного зондирования Земли приемника ОЭА, а Rо∗б — разрешающая способ- ность объектива ОЭА. (АКС ДЗЗ) Вычисление разрешающей способности прием- Совершенное проектирование ОЭА подразуме- вает определение величин D, F и d, обеспечи- ника изображения осуществляется по формуле вающих согласование объектива и цифрового де- тектора ОЭА по критерию Найквиста для дости- Rп∗р = 1/Π = 1/2d (пар линий/мм), (14) жения дифракционного предела инструментально- го линейного пространственного разрешения АКС где d — размер пикселя (элемента дискретизации) ДЗЗ на местности. цифрового детектора в миллиметрах, а Π = 2d — период дискретизации цифрового детектора. Информационный критерий Найквиста [2] устанавливает условие согласования объектива По аналогии с фотографическими АКС ДЗЗ и цифрового детектора ОЭА, а именно требу- ет, чтобы на дифракционный элемент разрешения здесь d — предельное разрешение в цифровом изоб- объектива в фокальной плоскости (радиус диска ражении, эквивалентное — l, а Π — линейное про- Эри) RλF/D = λF/D приходились как минимум странственное разрешение в цифровом изображе- два элемента разрешения (пикселя) 2d цифрового детектора. нии, эквивалентное P , при этом разрешающая спо- собность цифрового приемника Rп∗р связана с часто- При этом вводится понятие частоты Найкви- той дискретизации (10) соотношением ста fN = f1/d/2, равной половине частоты дис- кретизации (10) цифрового детектора f1/d = 1/d, Rп∗р = f1/d/2 = fN (пар линий/мм) (15) и совпадает с частотой Найквиста (11) цифрового приемника. РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 9 вып. 1 2022

РАЗРЕШАЮЩАЯ СПОСОБНОСТЬ И ЛИНЕЙНОЕ РАЗРЕШЕНИЕ ДЛЯ ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА 15 Размер пикселя d берется из паспортных дан- ДЗЗ (рис. 3), апостериорно можно определять гра- ных цифрового приемника или вычисляется исходя из линейного размера матрицы и количества пик- фически по пересечению ЧКХ АКС ДЗЗ и кри- селей по ее стороне. вой порогового контраста (КПК) цифрового прием- Разрешающая способность идеального объек- ника kпр(f ), определяемой аналитически формулой тива характеризует его дифракционное линейное Сэндвика [10] пространственное разрешение (5) и, как в фото- графических АКС ДЗЗ, аналогично (4), она опре- kпр(f ) = f /(2Rп∗р − f ), (20) деляется как где f — пространственная частота (пар линий/мм), Rо∗б = D/λF (пар линий/мм). (16) а Rп∗р — разрешающая способность цифрового при- емника (пар линий/мм), определенная при контра- Формула (16) с точностью до опущенного сте изображения, равном единице (k = 1). здесь коэффициента 1,22 определяет дифракцион- Апостериорно реальная разрешающая способ- ную разрешающую способность (частоту отсечки) ность Rp∗ цифровых АКС ДЗЗ может быть опре- делена не только графически, но и аналитически. идеального объектива. При аналитическом способе разрешающая способ- Часто интуитивно из соображений оптималь- ность определяется как пространственная частота ного соотношения цена–качество объектив кон- Rp∗ = fр, для которой справедливо соотношение струируют с разрешающей способностью Rо∗б, рав- ной разрешающей способности выбранного циф- kпр(fр) = I(fр) · kоб, (21) рового приемника Rп∗р. Тогда, приравнивая (14) и (16), получаем где I(f ) — частотно-контрастная характеристи- ка (ЧКХ) АКС ДЗЗ, kпр(fp) — пороговый кон- Rо∗б = D/λF = 1/2d = Rп∗р (пар линий/мм), (17) траст (20) цифрового приемника на пространствен- ной частоте fp, kоб — контраст объекта, I(fp)·kоб — откуда для дифракционного линейного простран- контраст оптического изображения на частоте fp. ственного разрешения имеем Определив реальную разрешающую способ- λF/D = 2d (мм), (18)≡(12) ность, оценивают реальное линейное простран- ственное разрешение цифровой АКС ДЗЗ на мест- ности по формуле, представленной в [8] и анало- гичной формуле (7) а это, как уже отмечалось, есть критерий Найкви- Lp = (1/fp) · H/F (м). (22) ста согласования объектива и цифрового детектора ОЭА по разрешению, когда на элемент разрешения Рассмотренные выше методы определения раз- (радиус диска Эри) объектива λF/D приходятся решающей способности аналоговых и цифровых два элемента разрешения (пикселя) цифрового де- АКС ДЗЗ по пересечениям ЧКХ и КПК являются тектора 2d. апостериорными и обычно используются для ва- лидации технических характеристик эксплуатируе- Критерий Найквиста — основа совершенного мых АКС ДЗЗ. При проектировании АКС ДЗЗ наи- проектирования ОЭА АКС ДЗЗ, о чем подробнее больший интерес представляют критерии априор- будет сказано ниже. ной оценки «разрешающей способности» и «про- странственного разрешения» создаваемых съемоч- На основании (13) и с учетом (17) получа- ных систем. Рассмотрим использование этих одно ем оценочную (априорную) разрешающую способ- числовых характеристик для априорной оценки ка- ность цифрового изображения чества АКС ДЗЗ и совершенного проектирования их ОЭА. Rи∗з = Rп∗р/21/2 (пар линий/мм). (19) Остановимся подробнее на анализе простран- Реальную разрешающую способность цифро- ственного разрешения цифровых АКС ДЗЗ как вых АКС ДЗЗ, как и в случае аналоговых АКС РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 9 вып. 1 2022

16 К. H. СВИРИДОВ, А. Е. ТЮЛИН интегральной характеристики оценки способности неправомерность его использования для оценки спо- АКС ДЗЗ раздельно воспроизводить (разрешать) собности АКС ДЗЗ раздельно воспринимать (разре- близкие детали на зондируемом участке земной шать) близкие объекты и их детали на зондируемом поверхности. Эта величина обычно декларируется участке земной поверхности. операторами АКС ДЗЗ в качестве одной из ос- новных технических характеристик их продукции. Прохождение сигналов через звенья оптико- Именно заявленное оператором пространственное электронной системы сопровождается их преобра- разрешение принимается во внимание пользова- зованием из аналоговой в цифровую (дискретную) телями при выборе данных ДЗЗ для решения форму. Под дискретизацией понимают представ- конкретных задач. По аналогии с аналоговыми ление непрерывного аналогового сигнала совокуп- АКС ДЗЗ разрешающая способность на местно- ностью отсчетов-выборок [13]. В соответствии сти цифровых АКС ДЗЗ должна характеризовать- с теоремой Котельникова [14] (Найквиста [15], ся максимальной пространственной частотой, на Шеннона [16]) любую непрерывную функцию которой могут быть расположены высококонтраст- с ограниченным спектром, занимающим полосу ные объекты, раздельно воспринимаемые (разреша- от 0 до fN , можно представить с помощью ее дис- емые) на местности. При этом величиной обратной кретных значений, взятых через равные интервалы разрешающей способности, в соответствии с (22), ΔX с частотой выборки f1/ΔX = 2fN , где f1/ΔX = является линейное пространственное разрешение = 1/ΔX. Реально любая непрерывная функция на местности, которое и характеризует качество на- представима рядом Котельникова с некоторой по- блюдательных АКС ДЗЗ. грешностью, обусловленной некоторыми фактора- ми, основным из которых является конечная дли- Предельное геометрическое тельность сигналов. Из-за конечной длительности разрешение АКС ДЗЗ реальных сигналов их частотные спектры беско- на местности — критерий GSD нечны, а теорема требует ограничения частотного спектра, например частотой fN , называемой часто- Реально [11] сегодня в качестве характеристи- той Найквиста. ки пространственного разрешения цифровых АКС ДЗЗ используется предельное разрешение, а имен- Рассмотрим теорему Котельникова, введенную но размер пикселя цифрового детектора в изобра- для временных сигналов, с точки зрения дискре- жении d и/или его проекция — предельное гео- тизации пространственного распределения интен- метрическое разрешение на местности, называемое сивности изображения, получаемого в цифровых GSD [12] и определяемое как АКС ДЗЗ. В этом случае размер проекции пик- селя d на местности (23) ΔX = RdH/F = dH/F RGSD = RdH/F = dH/F (м). (23) (GSD) можно считать интервалом дискретизации на местности. Тогда f1/ΔX = 1/ΔX — частота дис- Данная тенденция наиболее четко прослежи- кретизации на местности, а разрешающая способ- вается в информационном поле, охватывающем ность цифровых АКС ДЗЗ на Земле определяется космические оптические изображения ДЗЗ. В ТЗ частотой Найквиста fN = 1/2ΔX, обратной перио- на разработку и в спецификациях к космическим ду дискретизации 2ΔX, определяющему линейное оптическим системам ДЗЗ в качестве простран- пространственное разрешение АКС ДЗЗ на местно- ственного разрешения указывается размер проек- сти. При этом системой могут быть переданы про- ции пикселя на Землю, то есть предельное геомет- странственные частоты f , не превышающие макси- рическое разрешение — GSD. мальную пространственную частоту fN : Рассмотрим более подробно этот подход к опре- f fN = 1/2ΔX (пар линий/мм) (24) делению пространственного разрешения и покажем с минимальным периодом 2ΔX. Это означает, что расстояние между двумя точками на Земле для их раздельного восприятия РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 9 вып. 1 2022

РАЗРЕШАЮЩАЯ СПОСОБНОСТЬ И ЛИНЕЙНОЕ РАЗРЕШЕНИЕ ДЛЯ ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА 17 (разрешения) должно быть больше или рав- странственного разрешения АКС ДЗЗ на местности но 2ΔX, а не ΔX (GSD), и это важно! Этот ре- критерием GSD (23) «. . .используется для предна- зультат, упоминавшийся выше при рассмотрении меренного завышения декларируемых технических пространственного разрешения аналоговых АКС характеристик средств ДЗЗ по сравнению с их ре- ДЗЗ, свидетельствует о том, что предельное гео- альными показателями, чтобы повысить конкурен- метрическое разрешение GSD как проекция пик- тоспособность продуктов ДЗЗ на потребительском селя d на Землю, ΔX (23), зачастую ошибоч- рынке». но отождествляемое с пространственным разре- шением цифровых АКС ДЗЗ, нельзя восприни- Один пиксель d в цифровом изображении, мать в том смысле, что объекты или их детали, как и его проекция на зондируемую земную по- находящиеся друг от друга на расстоянии ΔX, верхность GSD, соответствуют половине периода будут восприниматься раздельно, то есть разре- штриховой миры аналогового изображения, то есть шаться, хотя возможны частные случаи с веро- GSD эквивалентен одной (светлой или темной) ли- ятностью 11 % [17], когда это может произойти нии штриховой миры и не может оценивать линей- за счет «попадания в пиксель». Сказанное ил- ное пространственное разрешение. За рубежом вве- люстрируется рис. 1 в [11], на котором дан при- дение в практику ДЗЗ критерия GSD было связа- мер неразрешимости структур при равенстве перио- но с упомянутыми выше зарубежными стандартами да структуры T и элемента дискретизации ΔX. По- разрешения, в соответствии с которыми за величи- казано, что при таком равенстве ΔX = T элементы ну пространственного разрешения в изображении, структуры неразрешимы, тогда как при ΔX = T /2 как и на местности, принимается одна линия (свет- (2ΔX = T ) легко убедиться, что все разрешается. лая или темная) штриховой миры, а не ее период, требуемый для оценки линейного пространствен- Критерий GSD (23) оценки предельного гео- ного разрешения российским ГОСТом [21]. метрического разрешения АКС ДЗЗ на местно- сти был принят в практике ДЗЗ с появлени- Предельное разрешение на местности GSD ем цифровых детекторов: сначала за рубежом, фактически характеризует минимальный размер где он был назван GSD (Ground Sample Dis- воспринимаемого АКС ДЗЗ объекта на зондируе- tance) [18], а впоследствии, без каких-либо обос- мой земной поверхности, а не минимальное рас- нований правомерности его использования, он был стояние между раздельно воспроизводимыми (раз- принят и в российской практике ДЗЗ [19]. Недо- решаемыми) объектами. Понятие «предельное раз- статком критерия GSD (23) является то, что он решение» ближе к понятию «резкость» изобра- дает ошибочную оценку пространственного разре- жения, а не к понятиям «разрешающая способ- шения. Эксперименты по оценке пространственно- ность» и «пространственное разрешение», и пото- го разрешения АКС ДЗЗ на местности в оптиче- му не может быть использован для оценки линей- ском и радиодиапазонах длин волн свидетельству- ного пространственного разрешения и проектиро- ют о том, что в действительности размер проекции вания АКС ДЗЗ. пикселя на Землю (GSD) всегда меньше реально- го линейного пространственного разрешения дан- Реальное линейное ных ДЗЗ на местности [11]. Однако, вопреки ре- пространственное разрешение зультатам многочисленных экспериментов, в каче- АКС ДЗЗ на местности — стве оценки величины пространственного разреше- критерий РКС ния цифровых систем ДЗЗ на местности исполь- зуют проекцию пикселя на зондируемую земную В соответствии с проведенным выше анали- поверхность GSD (23), то есть на практике име- зом очевидно, что реальное пространственное раз- ет место неоправданное отождествление понятий решение цифровых АКС ДЗЗ определяется линей- линейного пространственного разрешения и пре- ным пространственным разрешением в традицион- дельного геометрического разрешения. Существу- ном понимании этого термина как величина, об- ет мнение [11], что такой подход к оценке про- ратная разрешающей способности (здесь — частоте РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 9 вып. 1 2022

18 К. H. СВИРИДОВ, А. Е. ТЮЛИН Рис. 5. Оценка инструментального разрешения АКС ДЗЗ на местности: а) предельного — критерий GSD и б) линейного — критерий РКС Найквиста (24)), то есть оно определяется перио- то есть линейное пространственное разрешение на дом частоты Найквиста на местности как местности, определяемое критерием РКС, в 2 раза больше предельного геометрического простран- 2ΔX = R2dH/F = 2dH/F = RРКС (м). (25) ственного разрешения на местности, определяемо- го критерием GSD. Полученное выражение для оценки линейного пространственного разрешения АКС ДЗЗ на мест- На рис. 5 дана иллюстрация критериев оценки ности как проекции периода дискретизации цифро- предельного (GSD) и линейного (РКС) разрешения вого детектора 2d на зондируемую земную поверх- АКС ДЗЗ на местности. ность R2dH/F есть новый критерий оценки (крите- рий РКС), интуитивно предложенный в АО «Рос- Наряду с рассмотренными критериями оцен- сийские космические системы» [20]. Здесь он по- ки разрешения цифровых АКС ДЗЗ на местно- лучен на основании того, что период дискретиза- сти, существует дифракционный предел линейного ции (два пикселя) цифрового детектора, как и его пространственного разрешения, который определя- проекция на зондируемую земную поверхность для ет потенциальные возможности ОЭА по достиже- цифровых изображений ДЗЗ, эквивалентен перио- нию максимального пространственного разрешения ду штриховой миры, используемой при определе- АКС ДЗЗ на местности в соответствии с известной нии линейного разрешения на местности для ана- формулой [2], аналогичной (5) логовых изображений ДЗЗ в соответствии с дей- ствующим российским стандартом оценки разре- RλH/D = λH/D (м), (27) шения [21]. На основании сравнения (23) и (25) очевидно, что где H — высота съемки, D — диаметр апертуры объектива, а λ — средняя длина волны солнечного RРКС = RЛРМ = 2RГРМ = 2RGSD (м), (26) излучения подсвета. РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 9 вып. 1 2022

РАЗРЕШАЮЩАЯ СПОСОБНОСТЬ И ЛИНЕЙНОЕ РАЗРЕШЕНИЕ ДЛЯ ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА 19 Заметим, что дифракционный предел простран- Ситуация, когда KO = 1, представляет гра- ственного разрешения (27) в ОЭА АКС ДЗЗ мо- ницу применимости критерия GSD для оценки жет быть достигнут только при согласовании объ- ектива и цифрового детектора по критерию Найк- предельного разрешения АКС ДЗЗ на местности, виста, упоминавшемуся выше (12) и рассматривае- когда dH/F = λH/D, так как ситуация, когда мому ниже. GSD становится меньше дифракционного предела Критерий Найквиста и коэффициент несовершенства (KO < 1), например в согласованной по Найквисту проектирования ОЭА АКС ДЗЗ ОЭА [22], противоречит физическому смыслу. Из сравнения (28) и (30) следует, что K = 2KO (раз) (31) Для оценки степени согласования объектива и ограничение, устанавливаемое критерием GSD и цифрового детектора проектируемой ОЭА по кри- на KO (KO 1), накладывает ограничение на ко- эффициент несовершенства K: терию Найквиста введено [22] понятие коэффици- K 2 (раз). (32) ента совершенства ОЭА — K как отношение ча- стоты отсечки объектива fD/λF = D/λF к часто- Полученное ограничение (32) на совершенство те Найквиста цифрового детектора fN = 1/2d или ОЭА АКС ДЗЗ, обусловленное использованием как отношение оценки инструментального линей- критерия GSD, подтверждается значениями коэф- фициентов несовершенства проектирования ОЭА ного пространственного разрешения АКС ДЗЗ на большими двух (K > 2) для всех существующих местности — критерия РКС RРКС = R2dH/F к ди- АКС ДЗЗ сверхвысокого разрешения [23], пред- фракционному пределу линейного пространствен- ставленных в таблице. ного разрешения АКС ДЗЗ на местности RλH/D: Отсюда видно, что, используя критерий GSD для оценки инструментального пространственного K = (D/λF )/(1/2d) = (2dH/F )/(λH/D) = (28) разрешения АКС ДЗЗ на местности при проекти- ровании ОЭА, нельзя получить коэффициент со- = 2dD/λF (раз), вершенства ОЭА равным единице (K = 1), то есть нельзя согласовать ОЭА по критерию Найквиста где K 1. и достичь дифракционного предела разрешения В дальнейшем при K > 1 будем называть АКС ДЗЗ на местности. Покажем это на конкрет- ном примере несовершенного проектирования АКС K коэффициентом несовершенства проектирования ДЗЗ на базе критерия предельного геометрическо- ОЭА, так как в согласованной по критерию Найк- го разрешения — критерия GSD. виста (совершенной) ОЭА коэффициент K равен единице (K = 1), при этом выполняется условие согласования (18) и RРКС = RλH/D (м), (29) Технология несовершенного проектирования ОЭА АКС ДЗЗ то есть достигается дифракционный предел инстру- на базе критерия GSD ментального линейного пространственного разреше- ния АКС ДЗЗ на местности. Проектируя ОЭА АКС ДЗЗ, на базе критерия GSD выполняют следующую последовательность Рассмотрим другой коэффициент качества операций [24]: ОЭА, обозначим его KO, введенный в [20*], как отношение критерия GSD (23) к дифракционному 1) техническим заданием задают паспортные пределу линейного пространственного разрешения данные для АКС ДЗЗ такие, например, как: требуе- АКС ДЗЗ на местности λH/D (27) мое геометрическое разрешение АКС ДЗЗ на мест- ности RGSD = RГРМ = 0,6 м, средняя высота KO = dH/F/λH/D = dD/λF (раз), (30) АКС ДЗЗ над зондируемой земной поверхностью где KO 1. РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 9 вып. 1 2022

20 К. H. СВИРИДОВ, А. Е. ТЮЛИН Т а б л и ц а. Коэффициент несовершенства проектируемой ОЭА АКС ДЗЗ — K при использовании критерия GSD (K > 2) Параметр № Наименование Диаметр Фокус Пиксель K = 2dD/λF Согласующий п/п КА ДЗЗ (λ = 0,55 мкм) фокус объектива D (м) объектива F (м) детектора d (мкм) Fc = F K (м) 1 IKONOS-2 0,7 10 12 3,0 30 2 QuikBird-2 0,6 8,8 12 2,95 25,96 3 OrbView-3 0,45 3,0 6 3,29 9,87 4 EROS-B 0,5 5,0 7 2,56 12,8 5 Cartosat-2 0,7 5,6 7 3,2 17,92 6 WorldView-1 0,6 8,8 8 2,32 20,42 7 GeoEye-1 1,1 13,3 8 2,4 31,92 8 WorldView-2 1,1 13,3 8 2,4 31,92 9 Pleiades-1 0,65 12,9 13 2,39 30,83 10 WorldView-3 1,1 13,3 6,7 2,01 26,73 11 Ресурс-ДК1 0,5 4,0 9 4,09 16,36 12 Ресурс-П 0,5 4,0 6 2,73 10,92 H = 600 км и средняя длина волны солнечного из- 6) на основании равенства (34) определяют лучения подсвета земной поверхности λ = 0,6 мкм; требуемый диаметр апертуры объектива ОЭА как 2) выбирают реально существующий цифро- D = λH/RГРМ (м), (35) вой детектор ОЭА с размером элемента разреше- ния (пикселя) d, равным, например, d = 4,6 мкм; а, подставляя в (35) λ = 0,6 мкм, H = 600 км, RГРМ = 0,6 м, получают 3) определяют исходные данные для проекти- рования ОЭА, такие как RГРМ, d, H и λ; D = 0,6 м; (36) 4) формируют оценку предельного инстру- 7) формируют коэффициент качества проекти- ментального разрешения АКС ДЗЗ на местности руемой ОЭА АКС ДЗЗ как RdH/F (GSD), равной требуемому геометрическому разрешению АКС ДЗЗ на местности RГРМ = 0,6 м: KO = RdH/F /RλH/D = dD/λF , (37)≡(30) RdH/F = RГРМ = 0,6 м; (33) где KO 1; 8) устанавливая требуемый коэффициент каче- 5) определяют дифракционное разрешение ства проектируемой ОЭА KO, равным единице, МКА ДЗЗ на местности RλH/D, равным требуе- мому геометрическому разрешению МКА ДЗЗ на KO = dD/λF = 1, (38) местности RГРМ: на основании формулы (38) определяют требуемое фокусное расстояние проектируемой ОЭА как RλH/D = RГРМ = 0,6 м; (34) F = dD/λ (м), (39) РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 9 вып. 1 2022

РАЗРЕШАЮЩАЯ СПОСОБНОСТЬ И ЛИНЕЙНОЕ РАЗРЕШЕНИЕ ДЛЯ ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА 21 а, подставляя в (39) значения величин d = 4,6 мкм, то есть при корректном (34*) проектировании по- D = 0,6 м, λ = 0,6 мкм, получают лучили бы D = DЭ = 0,3 м и не было бы неоправ- данных финансовых потерь [25] на создание теле- F = 4,6 м; (40) скопа с апертурой D = 0,6 м (36). 9) из условия (38) следует, что Проведенные исследования [25] показали, что традиционное несовершенное проектирование ОЭА λF/D = d (мкм), (41) на базе критерия GSD ведет к информационным (в K раз) и финансовым (в Kβ раз) потерям созда- то есть здесь на дифракционный элемент разреше- ния АКС ДЗЗ, где β — показатель степени масш- табного закона стоимости (2 β 3). ния объектива (радиус диска Эри) λF/D в изобра- жении приходится один элемент разрешения (пик- Технологии совершенного проектирования ОЭА АКС ДЗЗ сель) d цифрового детектора. на базе критерия РКС Соотношение (41) свидетельствует о том, что Для предотвращения информационных и фи- использование критерия GSD (RdH/F ) при проекти- нансовых потерь несовершенного проектирования ровании ОЭА не позволяет согласовать ОЭА АКС ОЭА АКС ДЗЗ на базе критерия GSD и их недопу- ДЗЗ по критерию Найквиста (18)≡(12). щения в будущем разработаны две новые техноло- гии совершенного проектирования ОЭА АКС ДЗЗ Нетрудно убедиться, что коэффициент несо- на базе критерия РКС. Одна технология [26, 27] предложена для совершенствования ранее несовер- вершенства проектирования ОЭА K, определяе- шенно спроектированной ОЭА при модернизации мый (28), в данном случае, для полученных D = АКС ДЗЗ, а вторая технология [28,29] предложена = 0,6 м и F = 4,6 м, равен двум (K = 2). Также для совершенного проектирования вновь создава- очевидно, что при проектировании ОЭА на базе емой ОЭА на этапе разработки и создания новой АКС ДЗЗ. геометрического разрешения RГРМ, линейное раз- решение RЛРМ спроектированной ОЭА в соответ- 1. Технология совершенствования ствии с (26) будет в 2 раза хуже RГРМ, то есть несовершенной ОЭА при модернизации ОЭА, спроектированная на базе критерия GSD АКС ДЗЗ (RГРМ = 0,6 м), будет иметь инструментальное ли- нейное пространственное разрешение АКС ДЗЗ на Для согласования ранее созданной несовер- местности RЛРМ = 1,2 м, а эффективный диаметр шенной ОЭА по критерию Найквиста на этапе мо- DЭ = D/K = 0,3 м. дернизации АКС ДЗЗ предложена и запатентова- на [26, 27] технология оценки и максимизации ин- Последовательность операций п. 1–9 несовер- струментального линейного пространственного раз- решения АКС ДЗЗ на местности, включающая сле- шенного проектирования ОЭА на базе критерия дующую последовательность операций: GSD [24] представлена на рис. 6. 1) задают паспортные данные несовершенно спроектированной ОЭА АКС ДЗЗ, такие как D, Здесь необходимо заметить, что формула (34) F , d, H, λ; отмечена красным цветом, так как она являет- 2) по паспортным данным ОЭА АКС ДЗЗ определяют период дискретизации цифрового де- ся некорректной. Нельзя приравнивать дифрак- тектора 2d и формируют его проекцию на зонди- руемую земную поверхность как R2dH/F = 2dH/F ционное (линейное) пространственное разрешение и геометрическое (предельное) разрешения напря- мую, а только с учетом соотношения (26), то есть правильно формулу (34) надо было бы записать так RλH/D = 2RГРМ = 1,2 , (34*) а формулу (35) необходимо было бы записать так: D = λH/2RГРМ (35*) и после подстановки в (35*) можно было бы полу- чить D = 0,3 м, (36*) РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 9 вып. 1 2022

22 К. H. СВИРИДОВ, А. Е. ТЮЛИН Рис. 6. Блок-схема технологий несовершенного проектирования ОЭА на базе критерия GSD и по полученной величине R2dH/F (критерий РКС) Найквиста разрешений объектива и цифрового де- оценивают инструментальное линейное простран- тектора ОЭА; ственное разрешение АКС ДЗЗ на местности; 5) затем для достижения дифракционного пре- дела линейного разрешения согласуют ОЭА АКС 3) далее определяют дифракционный пре- ДЗЗ по критерию Найквиста, для чего определя- ют величину согласующего элемента разрешения дел линейного пространственного разрешения ОЭА (дискретизации) цифрового детектора d как dC = АКС ДЗЗ на местности как RλH/D = λH/D; = d/M X ; 4) сравнивают его с полученной оценкой ин- 6) уменьшают величину элемента дискретиза- ции детектора в M X раз от величины d до ве- струментального линейного пространственного раз- личины dC, при этом инструментальное линейное разрешение АКС ДЗЗ на местности оценивается решения АКС ДЗЗ на местности R2dH/F , для чего формируют их отношение как R2dH/F /RλH/D = = M X и получают величину M X = K, характе- ризующую степень рассогласования по критерию РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 9 вып. 1 2022

РАЗРЕШАЮЩАЯ СПОСОБНОСТЬ И ЛИНЕЙНОЕ РАЗРЕШЕНИЕ ДЛЯ ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА 23 как R2dcH/F = 2dcH/F = 2dH/F M X и сов- величины FС, при этом инструментальное линей- падает с дифракционным пределом разрешения ное разрешение АКС ДЗЗ на местности оценива- R2dH/F /M X = RλH/D АКС ДЗЗ на местности; ется как R2dH/Fc = 2dH/FС = 2dH/F M X и сов- падает с дифракционным пределом разрешения 7) при отсутствии технической возможности R2dH/F /M X=RλH/D АКС ДЗЗ на местности. уменьшения величины элемента дискретизации де- Последовательность операций 1–8 технологии тектора до величины dC определяют величину со- совершенствования несовершенно спроектирован- гласующего фокусного расстояния объектива FC как FС = F · M X ; ной ОЭА [26, 27] представлена на рис. 7. 8) увеличивают фокусное расстояние объек- Эта технология может быть использована для тива в M X раз от величины F до согласующей совершенствования ранее несовершенно спроекти- Рис. 7. Блок-схема технологии совершенствования несовершенной ОЭА при модернизации АКС ДЗЗ РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 9 вып. 1 2022

24 К. H. СВИРИДОВ, А. Е. ТЮЛИН рованной (K 2) ОЭА при модернизации любых и после подстановки исходных данных λ = ранее созданных АКС ДЗЗ, представленных, на- = 0,6 мкм, H = 600 км и RЛРМ = 0,6 м получают пример, в таблице. D = 0,6 м; 2. Технология совершенного 9) исходя из равенства (42), определяют тре- проектирования ОЭА при создании буемое фокусное расстояние объектива ОЭА как новой АКС ДЗЗ Рассмотрим последовательность операций со- F = 2dH/RЛРМ {м} (45) вершенного проектирования ОЭА АКС ДЗЗ на базе и после подстановки в (45) исходных данных d = = 6 мкм, H = 600 км. RЛРМ = 0,6 м получают критерия РКС. Этот критерий дает достоверные F = 9,2 м; (46) результаты оценки инструментального линейного 10) для контроля результатов проектирования пространственного разрешения АКС ДЗЗ на мест- определяют коэффициент несовершенства проекти- руемой ОЭА как ности и обеспечивает совершенное проектирование K = R2dH/F /RλH/D = 2dD/λF ; (47) его ОЭА [28, 29]: 11) подставляя данные спроектированной ОЭА 1) задают паспортные данные для АКС ДЗЗ, АКС ДЗЗ (d = 4,6 мкм, D = 0,6 м, F = 9,2 м, λ = такие как: RЛРМ = 0,6 м, H = 600 км, λ = 0,6 мкм = 0,6 мкм) в формулу (47), получают коэффициент (заметим, что здесь задают линейное разрешение совершенства проектируемой ОЭА равным единице (K = 1), то есть на местности RЛРМ вместо геометрического разре- шения на местности RГРМ, задаваемого выше при K = 2dD/λF = 1, (48) несовершенном проектировании); откуда 2) выбирают цифровой детектор, например 2d = λF/D, (49) как и в случае несовершенного проектирования а с размером пространственного элемента разреше- ния (пикселем), равным d = 4,6 мкм; R2dH/F = RλH/D. (50) 3) определяют исходные данные для проекти- Полученное выражение (49) есть не что иное, как условие согласования ОЭА АКС ДЗЗ по крите- рования ОЭА АКС ДЗЗ: RЛРМ, d, H, и λ; рию Найквиста, когда на дифракционный элемент 4) формируют проекцию периода дискретиза- разрешения объектива (радиус диска Эри) λF/D в изображении приходятся два элемента разреше- ции цифрового детектора 2d на зондируемую зем- ния цифрового детектора 2d. ную поверхность R2dH/F ; Итак, получили, что проектируемая ОЭА яв- 5) приравнивают сформированную оценку ляется совершенной (K = 1) (48), согласована по критерию Найквиста (49) и обеспечивает дости- R2dH/F к требуемому линейному пространственно- жение дифракционного предела инструментально- му разрешению АКС ДЗЗ на местности: го линейного пространственного разрешения АКС ДЗЗ на местности (50), при этом для нее получено: R2dH/F = RЛРМ = 0,6 м; (42) 6) определяют дифракционное разрешение объектива ОЭА АКС ДЗЗ на местности RλH/D и 7) приравнивают его к требуемому линейному пространственному разрешению АКС ДЗЗ на мест- ности RλH/D = RЛРМ = 0,6 м; (43) 8) исходя из требуемого дифракционного раз- решения объектива ОЭА на местности (43), опре- деляют требуемый диаметр апертуры объектива D D = 0,6 м, F = 9,2 м, d = 4,6 мкм, R2dH/F = RλH/D = RЛРМ = 0,6 м. как (51) D = λH/RЛРМ (м) (44) РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 9 вып. 1 2022

РАЗРЕШАЮЩАЯ СПОСОБНОСТЬ И ЛИНЕЙНОЕ РАЗРЕШЕНИЕ ДЛЯ ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА 25 Рис. 8. Блок-схема технологии совершенного проектирования ОЭА на базе критерия РКС Последовательность операций 1–11 совершен- диаметр апертуры объектива D = 0,6 м и фокусное ного проектирования ОЭА АКС ДЗЗ представлена на рис. 8. расстояние проектируемой ОЭА F = FC = 9,2 м при K = 1, а FC = F . В рассмотренном здесь совершенном проекти- ровании на базе критерия РКС получили требуемый Заметим, что в общем случае (несовершен- ного) проектирования ОЭА имеем FC = F · K, РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 9 вып. 1 2022

26 К. H. СВИРИДОВ, А. Е. ТЮЛИН где FC — согласующее фокусное расстояние, F — Заключение фокусное расстояние объектива в несогласованной по Найквисту несовершенной ОЭА, а K = M X — Итак, в результате проведенных исследований требуемое для согласования увеличение фокусного и с учетом результатов работ авторов, представ- расстояния объектива, необходимое для совершен- ленных в цитируемой литературе, можно сделать ствования несовершенно спроектированной ОЭА следующие выводы. (см. таблицу) при модернизации АКС ДЗЗ. 1. Наиболее универсальным одночисловым кри- В работе [30] на базе критерия «эффектив- терием, характеризующим как качество изображе- ность–стоимость» дана оценка экономической эф- ния объекта, так и эффективность системы его фективности предложенных технологий [28, 29] со- наблюдения, является разрешающая способность. вершенного проектирования и компенсации атмо- При этом величина, обратная разрешающей способ- сферных искажений в АКС ДЗЗ. Сравнительная ности, называется линейным пространственным раз- оценка экономической эффективности ΔCП техно- решением, а размер минимальной детали в изобра- логий совершенного (K = 1) проектирования ОЭА жении, которая еще может быть разрешена, на- при создании АКС ДЗЗ и экономической эффек- зывается предельным разрешением. Разрешающая тивности ΔCФ технологий компенсации атмосфер- способность выражает максимальную простран- ных искажений при функционировании АКС ДЗЗ ственную частоту с периодом, равным удвоенному показала, что в задачах ДЗЗ при обеспечении от- значению минимальной ширины предельно разре- сутствия пространственного, временного и частот- шаемых объектов. Этот период определяет линей- ного усреднений атмосферных искажений [28, 29] ное пространственное разрешение АКС ДЗЗ как ΔCФ много меньше ΔCП и суммарная экономи- удвоенную величину предельного разрешения. ческая эффективность создания и функционирова- ния АКС ДЗЗ сверхвысокого разрешения ΔС фак- 2. Зарубежный критерий оценки предельного тически определяется только экономической эффек- геометрического разрешения АКС ДЗЗ на местно- тивностью проектирования ΔCП, что подчеркивает сти — критерий GSD — является некорректным важность совершенного проектирования ОЭА АКС для оценки линейного пространственного разре- ДЗЗ (K = 1) на базе предложенного критерия РКС. шения АКС ДЗЗ на местности, а его использо- вание при проектировании ОЭА препятствует со- Полученный результат малой экономической гласованию объектива и цифрового детектора ОЭА эффективности технологий компенсации атмосфер- по критерию Найквиста, устанавливая ограниче- ных искажений или, что то же, малых финансовых ние на коэффициент несовершенства проектируе- потерь из-за неиспользования этих технологий, мой ОЭА–K предельной величиной, равной двум по сравнению с финансовыми потерями из-за несо- (K 2), что делает невозможным достижение вершенного проектирования ОЭА, является чрез- дифракционного предела инструментального ли- вычайно важным, так как свидетельствует, что ат- нейного пространственного разрешения АКС ДЗЗ мосферными ограничениями разрешения, а имен- на местности. Сегодня все существующие АКС но случайными сдвигами коротко-экспозиционных ДЗЗ сверхвысокого разрешения, спроектированные изображений ДЗЗ при их ВЗН-детектировании, на базе критерия GSD, имеют коэффициент несо- можно пренебречь при наличии инструменталь- вершенства ОЭА, больший двух (K > 2), что сви- ных ограничений несовершенного проектирования детельствует об их несовершенстве. ОЭА, когда K 2. При осуществлении предло- женной нами технологии совершенного проектиро- 3. В несогласованной по критерию Найк- вания ОЭА, когда K = 1, то есть при устранении виста (несовершенной) ОЭА критерий GSD да- инструментальных ограничений разрешения АКС ет оценку предельного геометрического разреше- ДЗЗ, необходимо устранять и атмосферные огра- ния АКС ДЗЗ на местности RGSD = RГРМ = ничения разрешения, то есть компенсировать ат- = RdH/F , которая в 2 раза меньше инструменталь- мосферные искажения изображений ДЗЗ техноло- ного линейного пространственного разрешения АКС гиями, предложенными в [28, 29]. ДЗЗ на местности, определяемого RЛРМ = R2dH/F , а в согласованной по Найквисту ОЭА критерий GSD РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 9 вып. 1 2022

РАЗРЕШАЮЩАЯ СПОСОБНОСТЬ И ЛИНЕЙНОЕ РАЗРЕШЕНИЕ ДЛЯ ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА 27 дает оценку предельного геометрического разреше- разрешением (пикселем) цифрового детектора либо ния АКС ДЗЗ на местности RdH/FC (где FC = F ×· путем увеличения фокусного расстояния объекти- × K — согласующее фокусное расстояние), кото- ва в M X раз от F до FC = F · M X , либо путем рая оказывается в 2 раза меньше дифракционного уменьшения в M X раз элемента разрешения (пик- линейного пространственного разрешения КА ДЗЗ селя) цифрового детектора от d до dC = d/M X, где на местности, определяемого RλH/D = λH/D, что MX = K. противоречит физическому смыслу и подтвержда- ет ошибочность использования критерия GSD для 7. На базе критерия РКС предложена техноло- оценки пространственного разрешения АКС ДЗЗ гия совершенного проектирования ОЭА при созда- на местности. нии новых АКС ДЗЗ, которая позволяет согласо- вать проектируемую ОЭА по критерию Найквиста 4. Отсутствие согласования ОЭА АКС ДЗЗ (λF/D = 2d) с коэффициентом совершенства про- по критерию Найквиста ограничивает инструмен- ектируемой ОЭА, равным единице (K = 1), и обес- тальное линейное пространственное разрешение печивает возможность достижения дифракционно- АКС ДЗЗ на местности величиной RλH/DЭ = го предела линейного пространственного разреше- = λH/DЭ, где DЭ — эффективный диаметр апер- ния АКС ДЗЗ на местности (RЛРМ = 2dH/F = туры объектива диаметра D, определяемый как = λH/D). DЭ = D/K. Обусловленное этим рассогласованием физическое диафрагмирование апертуры объекти- 8. Предельное геометрическое разрешение ва диаметра D эффективным диаметром DЭ ухуд- GSD как проекция пикселя d на Землю, ошибоч- шает инструментальное линейное пространствен- но отождествляемое с пространственным разреше- ное разрешение АКС ДЗЗ на местности в K раз, нием цифровых АКС ДЗЗ, нельзя понимать в том приводя к информационным потерям дистанцион- смысле, что объекты или их детали, находящиеся ного зондирования, и также приводит к финансо- друг от друга на расстоянии GSD, будут восприни- вым потерям создания ОЭА АКС ДЗЗ в Kβ раз, маться раздельно, то есть разрешаться. Расстояние где 2 β 3. Все это свидетельствует о том, что между двумя точками на Земле для их раздельного необоснованное и неоправданное использование восприятия (разрешения) должно быть больше или критерия GSD при проектировании ОЭА снижает равно 2GSD = РКС, а не GSD, как часто ошибоч- информационные возможности АКС ДЗЗ и ведет но считают. Критерий GSD соответствует половине к существенным финансовым потерям их создания. периода штриховой миры аналогового изображе- ния, то есть GSD, введенный в практику ДЗЗ в со- 5. Для априорной оценки реально достижи- ответствии с зарубежными стандартами разреше- мого пространственного разрешения на местности ния, эквивалентен одной (светлой или темной) ли- проектируемой АКС ДЗЗ необходимо использо- нии штриховой миры и не может оценивать линей- вать отечественный критерий оценки инструмен- ное пространственное разрешение, требуемое для тального линейного пространственного разрешения оценки разрешения российским ГОСТом. Предель- АКС ДЗЗ на местности — критерий РКС (RРКС = ное пространственное разрешение не связано с раз- = 2dH/F ), предложенный в АО «Российские кос- решающей способностью как пространственной ча- мические системы» и основанный на формировании стотой, а потому не может характеризовать спо- и оценке проекции двух пикселей (периода дис- собность АКС ДЗЗ раздельно воспринимать (раз- кретизации) цифрового детектора на зондируемую решать) близкие мелкие детали объекта. Предель- земную поверхность. ное разрешение на местности GSD характеризует минимальный размер разрешаемого АКС ДЗЗ объ- 6. Для обеспечения возможности достиже- екта на земной поверхности, а не минимальное рас- ния дифракционного инструментального линейно- стояние между раздельно воспроизводимыми (раз- го разрешения на местности RλH/D существующих решаемыми) объектами. Фактически в ДЗЗ поня- несовершенно спроектированных АКС ДЗЗ предло- тие «предельное разрешение» ближе к понятию жено при их модернизации на базе критерия РКС «резкость» изображения [3, 31], а не к понятиям согласовывать по критерию Найквиста дифракци- «разрешающая способность» и «пространственное онное разрешение объектива с пространственным РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 9 вып. 1 2022

28 К. H. СВИРИДОВ, А. Е. ТЮЛИН разрешение» и потому не может быть использовано http://www.geomatika.kiev.ua/training/Data Capturе/ для оценки пространственного разрешения и про- Remote Sensing/chapter 103.html ектирования АКС ДЗЗ. Заметим, что в наземной 9. Характеристика качества изображения на сайте астрономии [32] понятие «резкость» изображения НТЦ Красногорский завод им. С. А. Зверева. давно и успешно используется в адаптивных техно- http://www.zenitcamera.com/qa/qa-resolution.html логиях пред детекторной и последетекторной ком- 10. Алтынов А. Е., Севастьянова M. H., Серебря- пенсации атмосферных искажений для повышения ков С. А. Расчет пространственного разрешения резкости изображений космических объектов. съемочной системы. Учеб. пособ. M.: МИИГАиК, 9. Во избежание дальнейшего ошибочного 2019. 205 с. использования в РФ [20*] зарубежного крите- 11. Замшин В. В. Методы определения линейной раз- рия оценки предельного геометрического разреше- решающей способности оптических и радиолока- ния — критерия GSD — в АО «Российские кос- ционных аэрокосмических изображений // Изве- мические системы» предложен [20] и запатенто- стия вузов. Геодезия и аэрофотосъемка. 2014. № 1. ван [26] российский критерий оценки инструмен- С. 43–51. тального линейного пространственного разреше- 12. Лавров В. В. Космические съемочные системы ния — критерий РКС, который должен быть стан- сверхвысокого разрешения // Геоинформационный дартизован российским ГОСТом и использован для портал ГИС-Ассоциации. 2010. № 2. С. 19–24. оценки качества и проектирования АКС ДЗЗ. 13. Гудмен Дж. Введение в фурье-оптику. M.: Мир, 1970. 386 с. Список литературы 14. Котельников В. А. О пропускной способности эфи- ра и проволоки в электросвязи — Всесоюзный энер- 1. Image Quality. Ed. P. S. Cheatham // Proc. of the гетический комитет // Материалы к I Всесоюзному SPIE. 1981. Vol. 310. 350 p. съезду по вопросам технической реконструкции де- ла связи и развития слаботочной промышленности, 2. Уэзерелл У. Оценка качества изображения / Проек- 1933. Репринт статьи в журнале УФН. 2006. T. 176, тирование оптических систем. Под ред. Р. Шеннона, № 7. С. 762–770. Дж. Вайанта. M.: Мир, 1983. С. 178–332. 15. Nyquist H. Certain topics in telegraph transmis- 3. Занин К. А. Методы проектирования оптико-элек- sion theory // Trans. AIEE. April, 1928. Vol. 47. тронных комплексов космических аппаратов / Про- P. 617–644. ектирование автоматических космических аппа- 16. Shannon C.E. Communication in the presence ратов. Под ред. В. В. Ефанова, К. M. Пичхадзе. of noise // Proc. Institute of Radio Engineers. 1948. M.: НПО им. С. А. Лавочкина, 2013. T. 1. 261 с. Vol. 37, № 1. P. 10–21. 4. ГОСТ 2653-80. Фотографическая сенситометрия. 17. Молчанов А. С. Исследование характеристик линей- Термины, определения и буквенные обозначения ве- ного разрешения и разрешающей способности циф- личин. Введен 01.01.1982 г. M.: Изд-во стандартов, ровых аэрофотосистем с использованием теоремы 1980. 40 с. Котельникова–Найквиста–Шеннона // Инженерные 5. Lord Rayleigh / (Strutt J.W.) // Phil. Mag. 1896. решения. 2019. № 2 (3). С. 1–7. V. XLII. P. 167. 18. Ground sample distance — Wikipedia. 6. ГОСТ 23935-79. Аэрофотоаппаратура и аэрофо- https://www.yandex.ru/en.wikipedia.org/wiki/ тографирование. Термины и определения. Введен ground_sample_distance 01.01.1981 г. M.: Изд-во стандартов, 1979. 20 с. 19. Хмелевской С. И. Тенденции в развитии цифровых аэросъемочных систем. Критерии сравнения и оцен- 7. ГОСТ 2819–84. Материалы фотографические. Ме- ки // Геопрофи. 2011. № 1. С. 11–16. тод определения разрешающей способности. Введен 20. Свиридов К. H. О предельном инструменталь- ном разрешении космического аппарата «Ресурс-П» 01-01-85. M.: Изд-во стандартов, 1984. 6 с. 8. Кононов В. Основы методики расчета разрешающей (№ 1, 2, 3) // Ракетно-космическое приборострое- способности и точности определения координат аэро- ние и информационные системы. 2017. T. 4, вып. 2. фототопографических систем. С. 20–28. РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 9 вып. 1 2022

РАЗРЕШАЮЩАЯ СПОСОБНОСТЬ И ЛИНЕЙНОЕ РАЗРЕШЕНИЕ ДЛЯ ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА 29 20.* Замечания АО «РКЦ «Прогресс» к статье «О пре- на местности / А. Е. Тюлин, К. H. Свиридов; заяви- дельном инструментальном разрешении космичес- тель и правообладатель АО «Российские космиче- кого аппарата «Ресурс-П» (№ 1, 2, 3)» автора ские системы»; № 2017144878; заявлено 20.12.2017; К. H. Свиридова (журнал «Ракетно-космическое при- опубликовано 09.10.2018. Бюлл. № 28. 23 с. боростроение и информационные системы», 2017, 27. Свиридов К. H., Тюлин А. Е. Новая технология том 4, выпуск 2, с. 20–28 // Ракетно-космическое оценки и максимизации предельного инструмен- приборостроение и информационные системы. 2018. тального разрешения космических аппаратов ди- T. 5, вып. 1. С. 48–51. станционного зондирования Земли // Информация и космос. 2019. № 2. С. 118–124. 21. ГОСТ 15114–78. Системы телескопические для оп- тических приборов. Визуальный метод определения предела разрешения. Введен 30-01-78. M.: Изд-во 28. Патент № 2730886 Российской Федерации, МПК стандартов, 1978. 6 с. G02B7/02. Способ достижения дифракционного 22. Свиридов К. H., Тюлин А. Е. О критериях оцен- предела разрешения изображений дистанционного ки предельного инструментального разрешения кос- зондирования Земли для малых космических аппа- мического аппарата дистанционного зондирования ратов / К. H. Свиридов, А. Е. Тюлин, Ю. M. Гектин; Земли на местности // Информация и космос. 2018. заявитель и правообладатель АО «Российские кос- № 3. С. 143–146. мические системы»; заявлено 04.10.2019; опублико- 23. Свиридов К. H., Тюлин А. Е., Волков С. А. Реаль- вано 26.08.2020. Бюлл. № 24. 35 с. ное инструментальное разрешение на местности за- 29. Свиридов К. H., Тюлин А. Е., Гектин Ю. M. Тех- рубежных космических аппаратов дистанционного нологии достижения дифракционного разрешения зондирования Земли сверхвысокого разрешения // изображений дистанционного зондирования Земли Информация и космос. 2019. № 1. С. 150–159. для малых космических аппаратов // Информация 24. Свиридов К. H. Тюлин А. Е. О проектировании оп- и космос. 2021. № 1. С. 160–177. тико-электронной аппаратуры космических аппара- 30. Тюлин А. Е. Экономическая эффективность новых тов дистанционного зондирования Земли // Инфор- технологий создания и функционирования малых мация и космос. 2018. № 4. С. 136–145. космических аппаратов дистанционного зондирова- 25. Тюлин А. Е., Свиридов К. H. Информационные ния Земли сверхвысокого разрешения // Информа- и финансовые потери несовершенного проектиро- ция и космос. 2021. № 2. С. 156–164. вания оптико-электронной аппаратуры (ОЭА) кос- мических аппаратов дистанционного зондирования 31. Молчанов А. С. Оценка качества аэрофотосистем методом математического моделирования с исполь- Земли (КА ДЗЗ) // Информация и космос. 2020. зованием критерия Шаде // Известия вузов. Геоде- № 1. С. 152–160. зия и аэрофотосъемка. 2017. № 1. С. 28–33. 26. Патент № 2669262 Российской Федерации, МПК: G03 B37/00. Способ оценки и максимизации пре- 32. Свиридов К. H. Технологии достижения высокого дельного инструментального разрешения космиче- углового разрешения оптических систем атмосфер- ского аппарата дистанционного зондирования Земли ного видения. M.: Знание, 2005. 452 с. РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 9 вып. 1 2022

РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ 2022, том 9, выпуск 1, c. 30–41 СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ, УПРАВЛЕНИЕ КОСМИЧЕСКИМИ АППАРАТАМИ, ОБРАБОТКА ИНФОРМАЦИИ И СИСТЕМЫ ТЕЛЕМЕТРИИ. ДИСТАНЦИОННОЕ ЗОНДИРОВАНИЕ ЗЕМЛИ УДК 528.835.042.3 DOI 10.30894/issn2409-0239.2022.9.1.30.41 Первые результаты работы аппаратуры МСУ-ГС/ВЭ на КА «Арктика-М» № 1 Ю. М. Гектин, к. т. н., доцент, [email protected] АО «Российские космические системы», Москва, Российская Федерация М. Б. Смелянский, [email protected] АО «Российские космические системы», Москва, Российская Федерация Н. А. Сулиманов, [email protected] АО «Российские космические системы», Москва, Российская Федерация В. С. Коляда, [email protected] АО «Российские космические системы», Москва, Российская Федерация К. В. Бадаев, [email protected] АО «Российские космические системы», Москва, Российская Федерация А. А. Зайцев, [email protected] АО «Российские космические системы», Москва, Российская Федерация Р. В. Андреев, [email protected] АО «Российские космические системы», Москва, Российская Федерация Аннотация. В феврале 2021 года был осуществлен успешный запуск космического аппарата гидрометеорологического назна- чения «Арктика-М» № 1. Космические аппараты серии «Арктика-М» используются на высокоэллиптической орбите «Молния», что позволяет осуществлять регулярную съемку полярных областей Земли, недоступных для наблюдения с геостационарной орбиты. При помощи информации с данных аппаратов решаются задачи оперативной метеорологии, гидрологии, мониторинга климата и окружающей среды в арктическом регионе. Размещаемая на них аппаратура МСУ-ГС/ВЭ предназначена для полу- чения изображений Земли в видимом и инфракрасном диапазонах электромагнитного спектра с периодичностью до 15 минут. Аппаратура МСУ-ГС/ВЭ является модернизированным для использования при съемке с высокоэллиптической орбиты анало- гом аппаратуры МСУ-ГС, разработанной для геостационарных космических аппаратов. В статье приводятся первые результаты эксплуатации аппаратуры МСУ-ГС/ВЭ. Описаны усовершенствования аппаратуры МСУ-ГС, позволяющие использовать ее на космических аппаратах «Арктика-М». Также рассмотрено дальнейшее развитие аппаратуры МСУ-ГС и МСУ-ГС/ВЭ. Ключевые слова: дистанционное зондирование Земли, высокоэллиптическая орбита «Молния», спутниковая аппаратура, модернизация аппаратуры, инфракрасный диапазон спектра, радиометрическая точность измерений

РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ 2022, том 9, выпуск 1, c. 30–41 СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ, УПРАВЛЕНИЕ КОСМИЧЕСКИМИ АППАРАТАМИ, ОБРАБОТКА ИНФОРМАЦИИ И СИСТЕМЫ ТЕЛЕМЕТРИИ. ДИСТАНЦИОННОЕ ЗОНДИРОВАНИЕ ЗЕМЛИ First Results of the MSU-GS/VE Operation on the Arktika-M No. 1 Spacecraft Yu. M. Gektin, Cand. Sci. (Engineering), assoc. prof., [email protected] Joint Stock Company “Russian Space Systems”, Moscow, Russian Federation M. B. Smelyanskiy, [email protected] Joint Stock Company “Russian Space Systems”, Moscow, Russian Federation N. A. Sulimanov, [email protected] Joint Stock Company “Russian Space Systems”, Moscow, Russian Federation V. S. Kolyada, [email protected] Joint Stock Company “Russian Space Systems”, Moscow, Russian Federation K. V. Badayev, [email protected] Joint Stock Company “Russian Space Systems”, Moscow, Russian Federation A. A. Zaytsev, [email protected] Joint Stock Company “Russian Space Systems”, Moscow, Russian Federation R. V. Andreev, [email protected] Joint Stock Company “Russian Space Systems”, Moscow, Russian Federation Abstract. The hydrometeorological spacecraft Arktika-M No. 1 was successfully launched in February 2021. The Arktika-M series spacecraft are used in the highly elliptical orbit Molniya, which allows regular imaging of the Earth’s polar regions that are inaccessible for observation from the geostationary orbit. Information from these satellites is applied to solve problems of operational meteorology, hydrology, climate, and environmental monitoring in the Arctic region. The MSU-GS/VE equipment deployed on these spacecraft is slated for receiving images of the Earth in the visible and infrared ranges of the electromagnetic spectrum with the periodicity of up to 15 minutes. The MSU-GS/VE equipment is the analogue of the MSU-GS equipment developed for geostationary spacecraft and upgraded for use in imaging from a highly elliptical orbit. The paper presents the first results of the MSU-GS/VE equipment operation. Modernization of the MSU-GS equipment, which allows using it on the Arktika-M series spacecraft, is described. Further development of the MSU-GS and MSU-GS/VE equipment is also discussed. Keywords: Earth remote sensing, highly elliptical orbit Molniya, satellite equipment, modernization of equipment, infrared spectrum range, radiometric accuracy of measurements

32 Ю. М. ГЕКТИН, М. Б. СМЕЛЯНСКИЙ, Н. А. СУЛИМАНОВ И ДР. КА «Арктика-М» № 1 минимум два высокоорбитальных КА [1]. На ос- нове опыта испытаний и эксплуатации КА «Арк- 28 февраля 2021 года на околоземную орбиту тика-М» № 1 будут сделаны выводы о необходи- был успешно выведен гидрометеорологический КА мом совершенствовании и модернизации будущих «Арктика-М» № 1 (рис. 1). КА находится на высо- КА серии, которые в дальнейшем войдут в вы- коэллиптической орбите с высотой апогея 37 400– сокоорбитальную группировку гидрометеорологи- 39 800 км, высотой перигея 600–3000 км, наклоне- ческих спутников дистанционного зондирования нием 63,4◦ и аргументом перицентра 270◦. Данная Земли (ДЗЗ). орбита позволяет осуществлять наблюдение поляр- ных регионов Земли при условиях, близких к воз- Высокоэллиптическая орбита можностям наблюдения с геостационарной орбиты. «Молния» На КА «Арктика-М» установлена аппарату- На сегодняшний день для КА ДЗЗ использу- ра МСУ-ГС/ВЭ, аналогичная аппаратуре МСУ-ГС, ются в основном два типа орбит — низкие припо- используемой на геостационарных гидрометеоро- лярные (высотой от 100 до 1500 км) и геостацио- логических космических аппаратах «Электро-Л». нарная (высотой около 36 000 км). Они обладают Возможности аппаратуры позволяют осуществлять рядом преимуществ и недостатков. Низкие припо- одновременную съемку всего наблюдаемого диска лярные орбиты позволяют осуществлять наблюде- Земли в десяти каналах видимого и инфракрасного ние всей территории Земли с периодичностью от диапазонов спектра с периодичностью до 15 минут. нескольких недель до 12 часов. С геостационар- Информация, получаемая от аппаратуры, исполь- ной орбиты Землю можно наблюдать с любой тех- зуется для решения задач оперативной гидроме- нически доступной периодичностью, но при этом теорологии, мониторинга климата и окружающей область наблюдения ограничена видимым диском среды, обнаружения и мониторинга опасных при- Земли. Кроме того, при съемке Земли с геостацио- родных и техногенных процессов. нарной орбиты для наблюдения недоступны поляр- ные регионы (рис. 2) [2, 3]. Для непрерывного наблюдения за полярны- ми регионами Земли в состав гидрометеорологи- ческого комплекса «Арктика-М» должны входить Рис. 1. КА серии «Арктика-М» РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 9 вып. 1 2022

ПЕРВЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ АППАРАТУРЫ МСУ-ГС/ВЭ НА КА «АРКТИКА-М» № 1 33 Рис. 2. Зоны качественного мониторинга Земли для геостационарной (ГСО) и высокоэллиптической (ВЭО) орбит Таким образом, ряд важных тематических за- с геостационарной орбиты не менее половины вре- дач, требующих высокой, порядка нескольких ми- мени витка. нут, периодичности наблюдений, может на данный момент времени решаться только для экваториаль- Используя два КА на одной и той же высокоэл- ных и средних широт. Для постоянного мониторин- липтической орбите, разведенные по времени на 6 ч га полярных регионов Земли необходимо использо- друг относительно друга, можно обеспечить непре- вать другой тип орбит. Такую возможность могут рывное наблюдение полярных регионов Земли при обеспечить высокие эллиптические орбиты. условиях, близких к геостационарным (рис. 4). Данный тип орбит обладает большим эксцен- Отметим, что орбита «Молния» имеет стро- триситетом. Высота апогея орбиты «Молния» срав- го определенное наклонение 63,4◦. Такое накло- нима с высотой геостационарной орбиты (около нение обусловлено изменением аргумента пери- 40 000 км), а высота перигея при этом от 600 центра эллиптических околоземных орбит ввиду до 3000 км. При движении по орбите КА быстро несферичности гравитационного потенциала Зем- пролетает участок с малыми высотами и доволь- ли. При большем или меньшем наклонении аргу- но надолго «зависает» над поверхностью Земли на мент перицентра будет изменяться на длительном участке с большими высотами. Половину време- интервале времени, а сам перицентр будет сме- ни витка на такой орбите КА находится на высоте щаться к экватору. При наклонении 63,4◦ аргумент не менее 32 000 км. При этом координаты подспут- перицентра будет оставаться стабильным, а пери- никовой точки за это время изменяются незначи- центр будет осуществлять прецессионное вращение тельно (рис. 3). То есть условия съемки Земли с та- вокруг земной оси. кой орбиты будут приближены к условиям съемки Из-за наклонения орбиты географические коор- динаты подспутниковой точки на рабочем участке РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 9 вып. 1 2022

34 Ю. М. ГЕКТИН, М. Б. СМЕЛЯНСКИЙ, Н. А. СУЛИМАНОВ И ДР. Рис. 3. Подспутниковый трек для высокоэллиптической орбиты типа «Молния». Период обращения составляет около 12 ч. Синим цветом обозначены рабочие участки орбиты (± 3 ч от точки апогея) Рис. 4. Обеспечение непрерывного наблюдения полярных областей Земли при помощи двух КА ДЗЗ, находящихся на высокоэллиптической орбите будут существенно разными для четных и нечет- орбите с 6-часовым разведением по времени, будут ных витков и расположены симметрично относи- отличаться друг от друга на 90 градусов по широте. тельно северного полюса Земли (рис. 3). Кроме того, географические координаты подспутниковых В целях обеспечения полного соответствия точек для двух КА, размещенных на одной и той же условий наблюдения для двух КА на высоко- эллиптической орбите, разведенных по времени РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 9 вып. 1 2022

ПЕРВЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ АППАРАТУРЫ МСУ-ГС/ВЭ НА КА «АРКТИКА-М» № 1 35 на 6 ч, необходимо, чтобы восходящие узлы орбит ными регионами Земли, которую невозможно в пол- КА отличались на 90 градусов. ной мере обеспечить низкоорбитальными КА. Воз- росший за последнее время интерес к арктическо- При этом каждые 12 ч условная точка наблю- му региону снова сделал актуальным использование дения все равно будет изменяться. Для круглосу- высокоэллиптических орбит не только для спутни- точного наблюдения полярных регионов Земли «из ков связи, но и для КА ДЗЗ. одной и той же точки» необходимо уже 4 высоко- орбитальных КА, восходящие узлы орбит которых Аппаратура МСУ-ГС/ВЭ отличаются на 90 градусов. для КА серии «Арктика-М» Данный тип орбиты получил название по серии Основной целевой аппаратурой КА «Аркти- советских КА «Молния», основной задачей которых ка-М» № 1 являются приборы МСУ-ГС [4–6], мо- было обеспечение непрерывной радиосвязи на всей дернизированные для работы на высокоэллиптиче- территории СССР. Помимо основной целевой аппа- ской орбите. Аппаратура позволяет получать изоб- ратуры, обеспечивающей радиосвязь, КА «Молния» ражения всего видимого диска Земли в десяти ка- также были оснащены экспериментальными каме- налах видимого и инфракрасного диапазонов спек- рами, позволяющими осуществлять телевизионную тра. Наличие инфракрасных каналов оказывается съемку поверхности Земли. Первые изображения крайне важным, так как значительную часть вре- Земли с высокоэллиптической орбиты были получе- мени наблюдаемый регион не освещен Солнцем ны еще в 1966 году при помощи КА «Молния-1», (в периоды полярной ночи). Основные характери- а годом позже были сделаны первые цветные теле- стики МСУ-ГС представлены в таблице. визионные изображения Земли (рис. 5). В связи с тем, что орбита КА «Арктика-М» Впоследствии задачи по наблюдению Земли не круговая, а высокоэллиптическая, часть ее про- стали решаться преимущественно при помощи низ- ходит через зону радиационных поясов. Несмот- коорбитальных и геостационарных КА. Аппараты ря на то, что целевая аппаратура во время про- на высокоэллиптических орбитах в наше время ис- хождения КА радиационных поясов выключена, пользуются в основном для радиосвязи. Однако для решения современных задач ДЗЗ необходима все большая оперативность наблюдений за поляр- Рис. 5. Слева — первое телевизионное изображение Земли с высокоэллиптической орбиты (КА «Молиния-1», 1966 г.) Справа — первое цветное телевизионное изображение Земли с высокоэллиптической орбиты (КА «Молиния-1», 1967 г.) РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 9 вып. 1 2022

36 Ю. М. ГЕКТИН, М. Б. СМЕЛЯНСКИЙ, Н. А. СУЛИМАНОВ И ДР. Т а б л и ц а. Характеристики МСУ-ГС использованы сборные титановые шайбы общей толщиной около 1 мм. Это позволило уменьшить Характеристики МСУ-ГС-ВД МСУ-ГС-ИК площадь непосредственного контакта между кор- МСУ-ГС пусами более чем в 100 раз. Для дополнительного охлаждения корпус РХ был оснащен собственным Спектральный диапазон 0,5–0,9 мкм 3,5–12,5 мкм радиатором. Внешний вид новой системы ради- ационного охлаждения фотоприемников МСУ-ГС Количество каналов 3 7 представлен на рис. 6. Размер элемента изобра- 1 × 1 км 4 × 4 км жения (в надире) Угловое поле зрения 19◦ × 26,1◦ 20◦ × 20◦ Интервал времени между 30 мин (15 мин в режиме сеансами съемки учащенной съемки) Время формирования 3 мин 1,5 мин 1 изображения диска Земли Количество изображений 1 4 диска Земли за 1 сеанс Масса 155 кг Рис. 6. Конструкция модернизированного РХ прибора Срок эксплуатации 10 лет МСУ-ГС. 1 — фотоприемники, 2 — вторая ступень РХ, 3 — первая ступень РХ, 4 — нити подвеса второй сту- накопленные дозы радиации оказываются значи- пени РХ, 5 — стойки крепления нитей подвеса, 6 — ра- тельно выше, чем для аппаратуры на низких и гео- стационарной орбитах. В целях уменьшения воз- диатор корпуса РХ действия радиации прибор МСУ-ГС был снабжен дополнительной защитой в виде стальных листов, Данные модернизации были испытаны на экранирующих электронные блоки. приборах МСУ-ГС, установленных на КА «Эле- ктро-Л», и позволили охладить фотоприемные Еще одной доработкой МСУ-ГС стала мо- устройства ИК-диапазона до 77–80 K. Это позво- дернизация радиационного холодильника (РХ), лило полностью решить проблему с дополнитель- используемого для охлаждения фотоприемных ными теплопритоками на РХ в условиях высокоэл- устройств ИК-диапазона до криогенных рабочих липтической орбиты. температур. Необходимым условием работы РХ яв- ляется отсутствие прямого потока излучения на его Первые результаты работы рабочие поверхности от Солнца, Земли и элемен- аппаратуры МСУ-ГС/ВЭ тов КА. Из-за низких по высоте участков орбиты вблизи перицентра это условие обеспечить сложно, 22 марта 2021 года были получены первые а для некоторых сезонных периодов практически снимки Земли, сделанные при помощи аппаратуры невозможно. В периоды времени, когда точка вос- МСУ-ГС/ВЭ (рис. 8). ходящего или нисходящего узла орбиты оказывает- ся вблизи линии Земля–Солнце, попадание излуче- Съемка проводилась в коротковолновом диапа- ния Земли на рабочую поверхность РХ возможно зоне. 24 марта была проведена съемка всеми спек- лишь частично уменьшить. В целях компенсации тральными каналами МСУ-ГС/ВЭ (рис. 7). возникающего избыточного теплового притока ста- ло необходимым уменьшение теплового притока от Качество полученной информации полностью корпуса прибора к корпусу РХ. соответствует заявленным характеристикам. Для уменьшения теплопритока от корпуса Одной из основных трудностей обработки МСУ-ГС к корпусу РХ в местах крепления были информации от аппаратуры ДЗЗ, установленной на высокоорбитальных КА, является геометриче- ская обработка изображений. Для корректного РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 9 вып. 1 2022

ПЕРВЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ АППАРАТУРЫ МСУ-ГС/ВЭ НА КА «АРКТИКА-М» № 1 37 Рис. 7. Информативность одного сеанса съемки аппаратурой МСУ-ГС/ВЭ Рис. 8. Первое изображение Земли, полученное КА по орбите и вращение Земли. Ошибка географи- «Арктика-М» № 1 ческой привязки и совмещения изображений ви- димых и инфракрасных каналов первых обрабо- совмещения изображений различных каналов танных данных составила не более 12 км. Даль- и определения географических координат пикселей нейшее совершенствование алгоритмов геометри- изображения необходимо учитывать движение КА ческой обработки информации позволило умень- шить величину ошибки географической привязки и совмещения до 1 пикселя как для изображе- ний видимых каналов, так и для изображений ИК- каналов, что полностью удовлетворяет предъявля- емым с точки зрения тематической обработки тре- бованиям. Модернизация РХ позволила достичь рекордно низких для аппаратуры МСУ-ГС температур фо- топриемных устройств ИК-диапазона. На данный момент температура фотоприемных устройств на- ходится в диапазоне от 76 K в начале рабочего участка до 79 К в конце рабочего участка орбиты, что обеспечивает их стабильную работу и высокую чувствительность. В настоящее время продолжа- ются работы по улучшению процедур радиометри- ческой обработки информации, так как необходим тщательный анализ и учет всех факторов, влия- ющих на работу прибора МСУ-ГС в новых усло- виях. В частности, на изображениях, получаемых РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 9 вып. 1 2022

38 Ю. М. ГЕКТИН, М. Б. СМЕЛЯНСКИЙ, Н. А. СУЛИМАНОВ И ДР. в ИК-каналах, присутствуют искажения в виде по- дение полярных регионов недоступно, а для низко- лос, для устранения которых разрабатываются спе- орбитальных КА различия в условиях съемки де- циальные алгоритмы. Но уже сейчас можно с уве- лают задачу сложно решаемой. Кроме того, низко- ренностью утверждать, что требуемые показатели орбитальные КА не могут обеспечить требуемую радиометрической точности измерений 0,1–0,2 K оперативность наблюдений в 15–30 минут. будут достигнуты. Карта ветров для арктического региона, по- Эксперимент по проведению съемки КА «Арк- строенная ФГБУ «НИЦ “Планета”» по данным тика-М» № 1 в учащенном режиме (с 15-минутным с КА «Арктика-М» № 1, приведена на рис. 10. временным интервалом) подтвердил возможность Предварительная оценка позволяет говорить, что использования данного режима съемки на посто- по своему качеству она не уступает аналогич- янной основе. Существовала вероятность того, что ным картам для экваториальных и средних широт, рабочая температура фотоприемников ИК-диапа- построенных по данным с геостационарных КА, зона выйдет за допустимые пределы ввиду более однако нуждается в валидации. Данный тематиче- частого включения аппаратуры и, как результат, ский продукт генерируется на основе данных от ин- повышенного теплопритока на РХ. Однако в хо- фракрасных каналов аппаратуры МСУ-ГС/ВЭ. Это де 10-дневной работы в учащенном режиме тем- значит, что наблюдение за движением облачности пературы фотоприемников не превысили 80 K. Ис- доступно в течении всего года, в том числе в пери- пользование учащенного режима съемки на всем од полярной ночи. рабочем участке орбиты позволит повысить опе- ративность работы всего комплекса «Арктика-М» Высокая оперативность наблюдений позволяет до 15 минут. выявлять и отслеживать быстроразвивающиеся ат- мосферные явления, такие как полярные мезомас- Тематические задачи, штабные вихри. На рис. 11 приведены последова- решаемые при помощи тельные снимки с КА «Арктика-М» № 1 с интер- аппаратуры МСУ-ГС/ВЭ валом в 2 ч, демонстрирующие зарождение, раз- витие и исчезновение такого вихря (исследование Гидрометеорологический комплекс «Аркти- проведено специалистами ФГБУ «НИЦ “Плане- ка-М» предназначен для решения широкого спек- та”»). Данные атмосферные явления очень ча- тра задач гидрометеорологии, экологии и инфор- сто сопровождаются шквальным ветром и гра- мационного обеспечения хозяйственной деятельно- дом, что может нести серьезную угрозу жизни сти арктического региона: мониторинг процессов людей и объектам народного хозяйства. Изуче- и погодных явлений в региональном и глобаль- ние и прогнозирование подобных явлений явля- ном масштабах, мониторинг крупных природных ется важной задачей при освоении арктического и техногенных катастроф, гидрометеорологическое региона. обеспечение судоходства по трассе Северного мор- ского пути и кросс-полярных авиационных марш- Одной из важных задач ДЗЗ является мо- рутов. ниторинг опасных природных и техногенных про- цессов, таких как пожары. Наличие у аппаратуры Информация от аппаратуры МСУ-ГС/ВЭ позво- МСУ-ГС/ВЭ канала ближнего ИК-диапазона (3,5– лит дополнить и уточнить существующие климати- 4,1 мкм) позволяет осуществлять мониторинг вы- ческие модели, для которых необходимы данные по сокотемпературных объектов на поверхности Зем- скоростям и направлению ветра в глобальном мас- ли (рис. 12). штабе. Определение скорости и направления ветра в арктическом регионе с требуемой точностью Несмотря на относительно низкое простран- невозможно без использования высокоорбитальных ственное разрешение данного канала (размер про- КА ДЗЗ (рис. 9). Для геостационарных КА наблю- екции пикселя 4 × 4 км в надире), за счет вы- сокой чувствительности возможно обнаружение и наблюдение за такими объектами, как жер- ла активных вулканов и площади открытого огня от 5000 м2. РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 9 вып. 1 2022

ПЕРВЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ АППАРАТУРЫ МСУ-ГС/ВЭ НА КА «АРКТИКА-М» № 1 39 Рис. 9. Определение скорости и направления ветра по информации ДЗЗ при съемке с различных орбит. Зеленой стрелкой показано действительное перемещение облака относительно земной поверхности. Синей стрелкой показа- но наблюдаемое перемещение облака при различных условиях съемки: а) съемка с низкой орбиты одним и тем же КА на последовательных витках. Наблюдаемое перемещение облачности зависит от направления движения облаков и угла съемки и может сильно отличаться от реального движения облаков; б) съемка с геостационарной орбиты. За счет неизменности условий съемки перемещение облачности определяется практически без искажений; в) съем- ка с высокоэллиптической орбиты. Условия наблюдения изменяются незначительно. За счет большой высоты съемки изменение угла наблюдения практически не оказывает влияния на точность определения перемещений облаков Дальнейшее развитие системы менно функционирующих высокоорбитальных КА. «Арктика-М» и аппаратуры Это позволит обеспечить не только непрерывность МСУ-ГС/ВЭ наблюдений, но и сделает возможным круглосу- точные наблюдения при двух различных ракур- Как уже отмечалось ранее, для круглосуточ- сах съемки. Кроме того, наличие дополнительных ного непрерывного наблюдения полярных регио- КА повысит надежность всего комплекса «Арк- нов Земли необходимо минимум два КА. Запуск тика-М». КА «Арктика-М» № 2 запланирован на 2023 год. Наличие двух КА «Арктика-М» создаст полно- Модернизация аппаратуры МСУ-ГС и борто- ценную высокоорбитальную космическую группи- вых систем будущих КА «Арктика-М» могут по- ровку, позволяющую осуществлять непрерывный высить оперативность съемки до 5–10 мин без су- мониторинг арктического региона. щественного увеличения как массы целевой аппа- ратуры, так и массы всего КА. Достижение такой Для улучшения качества мониторинга необ- оперативности съемки позволит осуществлять мо- ходимо расширение группировки до 4-х одновре- ниторинг полярных регионов Земли на качественно новом уровне. РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 9 вып. 1 2022

40 Ю. М. ГЕКТИН, М. Б. СМЕЛЯНСКИЙ, Н. А. СУЛИМАНОВ И ДР. Рис. 10. Вверху — карта ветров для полярных областей Земли, построенная на основе данных с КА «Аркти- ка-М» № 1. Внизу — карта ветров, построенная по данным геостационарных КА «Электро-Л» № 2, «Электро-Л» № 3 и HIMAWARI-8 РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 9 вып. 1 2022

ПЕРВЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ АППАРАТУРЫ МСУ-ГС/ВЭ НА КА «АРКТИКА-М» № 1 41 Рис. 11. Эволюция цепочки полярных мезомасштабных вихрей Список литературы Рис. 12. Мониторинг высокотемпературных объектов 1. Асмус В. В. и др. Развитие космического комплек- при помощи канала среднего ИК-диапазона аппаратуры са гидрометеорологического обеспечения на базе МСУ-ГС/ВЭ. На снимке канала 3,5–4,1 мкм четко вид- геостационарных спутников серии «Электро-Л» // но жерло вулкана Фаградальсфьядль в Исландии (внизу Вестник ФГУП НПО им. С. А. Лавочкина. 2012. снимка) и пожары в сибирском регионе (вверху снимка) № 1 (12). С. 3–14. Заключение 2. Asmus V. V., Dyadushenko V. N., Nosenko Y. I., Pol- ishuk G. M., Selin V. A. A highly elliptical orbit space «Артика-М» является первым в мире гидро- system for hydrometeorological monitoring of the Arc- метеорологическим комплексом, позволяющим осу- tic region // WMO Bull. 2007. 56 (4). P. 293–296. ществлять непрерывный оперативный мониторинг полярных регионов Земли. Результаты летных испы- 3. Пат. 2360848 Российской Федерации, B64G 1/10, таний КА «Арктика-М» № 1 показали принципи- H04B 7/185, G01S 13/06. Многоцелевая космиче- альную возможность использовать целевую аппара- ская система / Ю. И. Носенко, В. А. Селин, В. В. Ас- туру, предназначенную для работы в условия геоста- мус, Г. М. Полищук, В. Н. Дядюченко [и др.]. ционарной орбиты, в условия высокоэллиптической Заявл. 20.01.2008, опубл. 10.07.2009. орбиты. Запуск второго КА «Арктика-М», заплани- рованный на 2023 год, создаст полноценную высоко- 4. Пат. 2589770 Российской Федерации, G02B 26/10. орбитальную группировку спутников ДЗЗ. Многозональное сканирующее устройство для дистанционного получения изображений полно- го диска Земли с геостационарной орбиты / Ю. М. Гектин, М. Б. Смелянский, А. В. Рыжаков. Заявл. 15.05.2015, опубл. 10.07.2016. Бюлл. № 19. 5. Андреев Р. В., Акимов Н. П., Бадаев К. В., Гек- тин Ю. М., Зайцев А. А., Рыжаков А. В., Смелян- ский М. Б., Сулиманов Н. А., Фролов А. Г. Мно- гозональное сканирующее устройство для геоста- ционарного метеоспутника «Электро-Л» // Ракет- но-космическое приборостроение и информацион- ные системы. 2015. Т. 2, вып. 3. С. 33–44. 6. Москатиньев И. В., Балиев А. В., Павлова Т. В., Гектин Ю. М., Акимов Н. П., Смелянский М. Б., Су- лиманов Н. А., Бадаев К. В., Рыжаков А. В., Фро- лов А. Г., Андреев Р. В., Зайцев А. А. Основные ре- зультаты эксплуатации аппаратуры МСУ-ГС на КА «Электро-Л» № 2 // Вестник НПО им. С. А. Лавоч- кина. 2017. № 2. С. 108–114. ISSN 2075-6941. РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 9 вып. 1 2022

РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ 2022, том 9, выпуск 1, c. 42–54 СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ, УПРАВЛЕНИЕ КОСМИЧЕСКИМИ АППАРАТАМИ, ОБРАБОТКА ИНФОРМАЦИИ И СИСТЕМЫ ТЕЛЕМЕТРИИ. ДИСТАНЦИОННОЕ ЗОНДИРОВАНИЕ ЗЕМЛИ УДК 621.396 DOI 10.30894/issn2409-0239.2022.9.1.42.54 Подходы к регламентированию процесса развития средств информационно-телеметрического обеспечения отработки объектов ракетно-космической техники В. Л. Воронцов, к. т. н., [email protected] АО «Российские космические системы», Москва, Российская Федерация И. А. Давыдов, к. т. н., [email protected] АО «НПО измерительной техники», г. Королев, Московская область, Российская Федерация Е. В. Медведев, [email protected] АО «Российские космические системы», Москва, Российская Федерация Аннотация. Показано, что необходимым условием результативного управления процессом развития средств информационно- телеметрического обеспечения отработки различных объектов ракетно-космической техники (средств ИТО) является его рег- ламентирование. Сущности регламентирования неочевидны вследствие многообразия объектов, средств ИТО, задач ИТО, усло- вий решения этих задач, поэтому для его осуществления целесообразно структурирование средств ИТО, т. е. группирование от- дельных средств по системам информационно-телеметрического обеспечения отработки определенных объектов (СИТО). Пред- ложенный подход к структурированию средств ИТО позволяет определить направления развития отдельных элементов (отдель- ных средств ИТО) в составе СИТО, причем исходя из множества анализируемых альтернативных стратегий усовершенствования и применения этих СИТО, оценивая эти стратегии с использованием разработанного комплекса универсальных общих (обобщен- ных) показателей, базирующихся на теории оценивания эффективности проведения операций с использованием технических си- стем. Для отдельной СИТО актуальны ее официальная концепция развития (с указанием перспективных направлений развития) и базирующаяся на ее положениях система стандартов телеметрии. Наиболее благоприятные условия для решения задачи регла- ментирования связаны с системой информационно-телеметрического обеспечения отработки средств выведения (СИТОСВ). Ключевые слова: информационно-телеметрическое обеспечение, программно-технические средства, система, структурирова- ние, телеметрируемый объект, телеметрическая информация, телеметрический комплекс космодрома Approaches to Regulating the Evolution of Information and Telemetric Support for the Development of Objects of Rocket and Space Technology V.L. Vorontsov, Cand. Sci. (Engineering), [email protected] Joint Stock Company “Russian Space Systems”, Moscow, Russian Federation I. A. Davydov, Cand. Sci. (Engineering), [email protected] Joint Stock Company “Scientific, Research & Production Corporation of Measuring Equipment”, Korolev, Moscow Region, Russian Federation E. V. Medvedev, [email protected] Joint Stock Company “Russian Space Systems”, Moscow, Russian Federation Abstract. It is shown that a necessary condition for effective management of the process of evolution of information and telemetric support (ITS) for the development of various objects of rocket and space technology is its regulation. The essence of regulation is not obvious due to the variety of objects, ITS tools, ITS tasks, conditions for solving these problems. Therefore, for its implementation, it is advisable to structure ITS means, i.e. grouping of individual means according to systems of information-telemetric support for the development of certain objects (SITS). The proposed approach to the structuring of ITS tools makes it possible to determine the directions of development of individual elements (individual ITS tools) as part of the ITS, moreover, proceeding from the set of analyzed alternative strategies for the improvement and application of these ITS, evaluating these strategies using the developed complex of universal (generalized) indicators based on the theory of evaluating the efficiency of operations using technical systems. For a separate SITS, its official development concept (indicating promising development directions) and the telemetry standards system based on its provisions are relevant. The most favorable conditions for solving the regulation problem are associated with the system of information-telemetric support for the development of launch vehicles (SITSLV). Keywords: information and telemetry support, software and hardware, system, structuring, telemetry object, telemetry information, telemetry complex of cosmodrome

ПОДХОДЫ К РЕГЛАМЕНТИРОВАНИЮ ПРОЦЕССА РАЗВИТИЯ СРЕДСТВ 43 Отдельные средства информационно-телемет- В этой связи необходим системный подход рического обеспечения (ИТО) отработки различ- к структурированию средств ИТО в зависимости ных объектов ракетно-космической техники (РКТ) от телеметрируемых объектов [4], от специфи- (далее — средства ИТО) группируют для реше- ки решаемых задач ИТО, от условий решения этих ния определенного набора взаимосвязанных задач задач. То есть актуально группирование отдельных ИТО. Каждая такая группа является по сути си- средств ИТО по определенным системам ИТО от- стемой ИТО (СИТО). работки разных телеметрируемых объектов ракет- но-космической техники. По аналогии с системой информационно-теле- метрического обеспечения отработки средств выве- Один из примеров такого группирования (част- дения (СИТОСВ) [1,2] отдельная СИТО — это рас- ный случай) — система информационно-телемет- полагаемые материально-технические, стоимост- рического обеспечения отработки средств выведе- ные, временны´е, людские и другие ресурсы, ко- ния (СИТОСВ) [1]. Она предназначена для решения торыми может воспользоваться оперирующая сто- следующих задач ИТО (рис. 1): рона (в том числе исследователь операции) для достижения цели операции, относящейся к реше- – формирование телеметрической информации нию задач информационно-телеметрического обес- (ТМИ) [4] в бортовой радиотелеметрической систе- печения отработки определенных объектов ра- ме (БРТС) [4]; кетно-космической техники (см. «Активные сред- ства» в гл. 4 [3]). К средствам ИТО относят- – приемо-регистрация ТМИ; ся соответствующие программно-технические сред- – сбор ТМИ в интересах формирования обоб- ства (ПТС), сигналы и данные, методы/алгоритмы щенного массива данных телеизмерений; действий над сигналами/данными и т. д. Пола- – формирование обобщенного массива данных гаем, что результаты обработки телеметрической телеизмерений. информации (ТМИ) системой ИТО используют Актуальность этих задач обусловлена тем, что для усовершенствования РКТ, т. е. осуществля- с ними связаны значительные потери ТМИ из-за ется отработка РКТ. При этом рассматривае- действия неопределенных факторов разной приро- мые объекты РКТ являются телеметрируемыми ды [1]. Если эти выделенные задачи ИТО отнес- объектами [4]. ти к системе (СИТОСВ [1]), то вход этой систе- мы — первичные сигналы (т. е. выходы датчиков), Как правило, наблюдаются большие отли- а ее выход — обобщенные данные телеизмерений чия наборов требований, предъявляемых к разным (см. рис. 1). Обобщенные данные — это данные, СИТО. При этом (см. ниже) требования к СИТО полученные методами разнесенного приема. могут изменяться даже после испытания, после Цель настоящей работы — основы научно-ме- пуска (в зависимости от их исхода). Актуальность тодического обеспечения регламентирования про- структурирования средств ИТО обусловлена влия- цесса развития средств информационно-телеметри- нием следующих факторов: ческого обеспечения отработки объектов ракетно- космической техники путем деления (структури- – многообразие средств ИТО, задач ИТО, рования) этих средств по их предназначению на условий решения этих задач делает неочевидными отдельные системы и формулирования требований требования к отдельным средствам ИТО; (определения направлений развития) для каждой из них. – однотипные отдельные средства ИТО могут Предлагаемое регламентирование процесса быть использованы при решении разнообразных за- развития средств ИТО осуществляется решением дач ИТО, что осложняет формулирование выше- следующих задач: упомянутых требований; – деление рассматриваемых средств ИТО на отдельные СИТО (структурирование средств – важны не свойства (характеристики) от- ИТО); дельных средств ИТО, а их влияние на результаты – обоснование выбора общих (обобщенных) решения текущих задач ИТО; до сих пор отсут- показателей эффективности стратегий усовершен- ствует необходимый научно-методический аппарат для оценивания этого влияния. РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 9 вып. 1 2022

44 В. Л. ВОРОНЦОВ, И. А. ДАВЫДОВ, Е. В. МЕДВЕДЕВ Рис. 1. Задачи информационно-телеметрического обеспечения отработки средств выведения ствования и применения по назначению отдельной В качестве телеметрируемых объектов мо- СИТО; гут быть представлены отдельные части РКН и/или МБР, например двигательные установки – построение стратегий усовершенствования (ДУ) в контексте их стендовых испытаний [6], и применения СИТО для последующего их оцени- а применяемые при этом средства ИТО могут вания (с требуемой степенью детализации описа- рассматриваться как соответствующая отдельная ния стратегий); СИТОДУ. – выбор на основе принятых показателей эф- Актуальны (с точки зрения настоящей работы) фективности рациональных стратегий (обоснова- в качестве телеметрируемых объектов объекты ние направлений развития отдельных СИТО). РКТ, не входящие в состав РКН/МБР, но связан- ные с ними. Например, стартовые комплексы (СК), Общие подходы к структурированию средств шахтно-пусковые установки (ШПУ), элементы са- ИТО (деления их на отдельные СИТО) таковы. момй СИТОСВ [1] («телеметрия телеметрии» [7]). В случае СИТОСВ, в частности, телеметрируется С точки зрения решаемой задачи телемет- состояние датчиков и элементов БРТС (контроль рируемыми объектами [4] являются прежде всего обрыва или короткого замыкания датчика, коэф- ракеты космического назначения (РКН) и межкон- фициент бегущей волны и т. д.), состояние ПТС тинентальные баллистические ракеты (МБР). Ак- телеметрического комплекса космодрома (ТК) (на- туальность совмещения задач ИТО отработки РКН пример, уровень сигнала АРУ приемника приемно- и МБР связана, в частности, с существующей в на- регистрирующей станции (ПРС), соотношение сиг- стоящее время практикой использования снимае- нал/шум и т. д.). мых с боевого дежурства МБР для запуска малых КА различного назначения, что позволяет не только Специфику задач ИТО (специфику требований компенсировать затраты на их утилизацию, но и по- к конкретным СИТО) следует увязывать с фазами лучить значительные экономические выгоды [5]. отработки РКН/МБР, а именно: Обычный состав РКН — ступени ракеты-но- – стендовые испытания РКН/МБР и их эле- сителя (РН), разгонный блок (РБ) и космический ментов; аппарат (КА), а МБР — маршевые ступени, сту- пень разведения и боевые блоки. РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 9 вып. 1 2022

ПОДХОДЫ К РЕГЛАМЕНТИРОВАНИЮ ПРОЦЕССА РАЗВИТИЯ СРЕДСТВ 45 – подготовка РКН к пуску на технической по- увеличении затрат материальных ресурсов. Один зиции (в монтажно-испытательном корпусе (МИК)) из примеров — СИТОСВ [1], применяемая как для и после размещения на стартовом комплексе (СК); отработки РКН, так и (обычная для космодромов практика совмещения) для отработки МБР. – летный эксперимент (по программе летного испытания (ЛИ) или штатной эксплуатации (ШЭ)). Для отдельного типа СИТО (например, СИТОСВ [2]) актуальны ее официальная концеп- При этом облик отдельной СИТО должен ция развития (с указанием перспективных направ- определяться из имеющихся возможностей постро- лений развития) и базирующаяся на ее положениях ения этой СИТО и из возможностей повышения система стандартов телеметрии, отражающие необ- качества ИТО использованием данных результатов ходимые требования к СИТО. обработки ТМИ разных СИТО. Так, альтернати- вой традиционному оборудованию для проведения Разработанный [1] комплекс показателей стендовых испытаний (в части информационно-из- СИТОСВ базируется на теории оценивания эффек- мерительных средств для получения информации тивности проведения операций с использованием о параметрах и характеристиках систем испыта- технических систем [10], важным достоинством тельного стенда и объекта испытания [6]) могут которой является ее практическая направленность. стать ПТС типа АСУ ТП, SCADA-системы (Su- pervisory Control and Data Acquisition — систе- Его суть состоит в следующем. ма сбора данных и оперативного диспетчерского Для оценивания результата операции Y , вы- управления [8]). SCADA-системы — это комплек- полненной в соответствии со стратегией u, исполь- сы ПТС, построенные с учетом требований меж- зуют [10] три группы параметров, характеризую- дународного стандарта OPC (OLE for Process Con- щих полезный эффект q, материальные затраты C trol, Object Linking and Embedding — стандартный и оперативность T : интерфейс связывания и внедрения объектов для систем сбора данных и управления) [8]. Результа- Y (u) = Y (q(u), C(u), T (u)). (1) ты стендовых испытаний (например, ДУ РН) могут быть использованы при разработке программы те- Соответственно [10] результат усовершенство- леметрических измерений (ПТИ) [4] для ЛИ РКН с целью существенного сокращения количества те- вания СИТО зависит от выбранной стратегии uус леметрируемых параметров (ТМП) ДУ во время усовершенствования и заключается в полезном эф- летного эксперимента без ущерба качеству отра- ботки РКН [9]. фекте от усовершенствования (им является улучше- При формулировании требований к СИТОСВ [1] ние ΔYприм результата от применения усовершен- нужно также учесть следующее: ствованной СИТО), в материальных затратах Cус на усовершенствование и в оперативности Tус про- – цели и задачи пуска (программа ЛИ или цесса усовершенствования (при решении практи- ШЭ); ческих задач Cус и Tус могут являться затрата- – исход пуска (штатно, наличие нештатных ми и сроками выполнения НИОКР в соответствии ситуаций, полетная авария на борту). с Техническим заданием, или стратегией uус) [1]: Отдельная СИТО, ориентированная на выпол- нение определенного набора взаимосвязанных за- Yус(uус) = ΔYприм(uус), Cус(uус), Tус(uус) , (2) дач, может включать в себя более мелкие или быть uус ∈ Uус. в составе более крупной СИТО, а отдельные эле- менты могут быть в составе нескольких СИТО. Формульное выражение (2) преобразуется в Такой подход к структурированию средств ИТО (с обоснованным включением нужных отдельных Wэф_Y _ус = Wэф_ΔY _прим, Wэф_C_ус, Wэф_T _ус , (3) средств или элементов в состав соответствующих СИТО) позволяет существенно расширить функ- где Wэф_Y _ус — общий показатель эффективности циональные возможности СИТО при приемлемом усовершенствования СИТО, Wэф_ΔY _прим, Wэф_C_ус, Wэф_T _ус — частные по- казатели, соответствующие ΔYприм, Cус и Tус, при- чем Wэф_ΔY _прим = (4) = ΔWэф_W _ан_Σ, ΔWэф_C_прим, ΔWэф_T _прим , РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 9 вып. 1 2022

46 В. Л. ВОРОНЦОВ, И. А. ДАВЫДОВ, Е. В. МЕДВЕДЕВ где ΔWэф_W _ан_Σ — показатель улучшения каче- существенно хуже (E = −1), примерно такая же ства данных для решения задач анализа, (E = 0). Связь балльных оценок E и показателей ΔWэф_W _ан_Σ для СИТОСВ продемонстрирована че- ΔWэф_C_прим, ΔWэф_T _прим — показатели со- рез соответствующие критерии, модели и методи- кращения материальных затрат при решении задач ки [1]. Необходимым условием ΔWэф_W _ан_Σ = 1 является E = 1; ΔWэф_W _ан_Σ = −1 при E = −1 ИТО и повышения оперативности решения задач (соответственно Wэф_Y _ус = −1, см. выше). ИТО (при осуществлении стратегий Uприм приме- Предложенный подход к выбору (к разработ- нения СИТО) соответственно. ке) общих показателей СИТОСВ [1] весьма уни- Подставив (4) в (3), получим версален, его целесообразно распространить и на другие типы СИТО. Действительно, любая из них Wэф_Y _ус = ΔWэф_W _ан_Σ, ΔWэф_C_прим, (5) обеспечивает выдачу данных результатов обработ- ΔWэф_T _прим, Wэф_C_ус, Wэф_T _ус . ки ТМИ телеметрируемого объекта для после- Установлены [1] следующие правила вычисле- дующего анализа и принятия решений, связанных ния общего показателя Wэф_Y _ус (5), базирующиеся на балльных оценках: с отработкой соответствующих объектов РКТ. – если хотя бы один из показателей Wэф_Y _ус Как и в случае СИТОСВ [1], необходимым равен «−1», то Wэф_Y _ус = −1, или условием (признаком) рациональной стратегии усо- – если ΔWэф_W _ан_Σ = ΔWэф_C_прим = вершенствования Uус (применения Uприм) СИТО = ΔWэф_T _прим = 0, то Wэф_Y _ус = −1; является существенное уменьшение потерь ТМИ – если иначе, то WU_ус = 1. (существенное увеличение дополнительной ТМИ). Стратегии множества Uус в случае Wэф_Y _ус = = −1 отбраковываются, а Wэф_Y _ус = 1 является Для оценивания потерь ТМИ (получения допол- необходимым условием их принадлежности к мно- нительной ТМИ) могут быть разработаны соот- жеству Uус_рац рациональных стратегий. ветствующие методики, также оценивание может Наиболее важным компонентом при вычисле- осуществляться экспертным путем. Например, для нии показателя ΔWэф_W _ан_Σ (5) являются харак- теристики потерь информации или получения до- СИТОСВ разработана модель источника помех в каналах разнесения, установлены критерии оце- полнительной информации в результате осуществ- нок, введены балльные оценки достоверности дан- ления стратегий усовершенствования Uус и приме- ных телеизмерений [1]. При этом (как и в слу- нения Uприм СИТОСВ. чае СИТОСВ [1]) важен выбор свойств (характе- В частности, вычисление показателей ристик) сигналов/данных и методов действий над ΔWэф_W _ан_Σ для СИТОСВ [1] осуществляют, ними, влияющий на общие (обобщенные) показа- используя последовательно следующие характери- тели СИТО. стики: При оценивании сопоставляют базовую (базо- – Ni(s), Nj(s) — количество ошибок в типо- вом обобщенном блоке данных, получаемых приме- вые) СИТО и испытуемую. В качестве базовой мо- нением испытуемого алгоритма Ai и базового алго- жет рассматриваться существующая СИТО, а так- ритма Аj (Аj заменяют алгоритмом Ai при усовер- шенствовании СИТОСВ); s — состояние помеховой же варианты модификации СИТО. обстановки; Предложенный (см. выше) подход к выбору – γ(s) — сравнительная характеристика коли- (к разработке) общих показателей СИТО (анало- чества ошибок в обобщенном блоке данных; гично СИТОСВ [1]) позволяет получить следующие преимущества: – E(s) — балльные оценки. – оценить влияние отдельных (усовершен- Смысл балльных оценок E (E = {−1, 0, 1}) ствованных) ПТС на общие показатели СИТО состоит в следующем: достоверность, обеспечивае- (оценить целесообразность осуществления анали- мая испытуемым алгоритмом, существенно лучше зируемой стратегии uус); – сформулировать требования к однотипным обеспечиваемой базовыми алгоритмами (E = 1), ПТС в составе разных СИТО (улучшить каче- ство решения задач стандартизации и унификации, РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 9 вып. 1 2022

ПОДХОДЫ К РЕГЛАМЕНТИРОВАНИЮ ПРОЦЕССА РАЗВИТИЯ СРЕДСТВ 47 расширив области применения рассматриваемых функциональных возможностей отдельных СИТО средств ИТО); (прежде всего СИТОСВ [1]) регламентированием – согласовать требования к взаимосвязанным их развития (аналогично регламентированию про- СИТО (использовать возможности взаимовлияния СИТО для улучшения качества каждой СИТО цесса развития СИТОСВ [2]), а в итоге — улучше- в отдельности, использовать возможности комплек- ния обобщенных (общих) показателей СИТО (5). сирования СИТО). Вышеупомянутое регламентирование заключается Предложенный [1, 11] подход к построению в целенаправленном использовании знаний, полу- стратегий усовершенствования Uус и применения Uприм СИТОСВ [1] актуален также для СИТО от- ченных от СИТОi для последующего улучшения работки других объектов ракетно-космической тех- качества СИТОj, и знаний, связанных с СИТОj, — ники. для улучшения качества СИТОi. Чтобы результа- тивно использовать эти знания, необходимы со- Разработанный [11] проблемно-ориентирован- ответствующие инструменты доступа к ним (базы ный метод установления ограничений (требований) к комплексированию отдельных средств ИТО ба- данных или массивы данных, ПТС обмена данны- зируется на системном анализе с использовани- ем проблемно-ориентированных методов морфоло- ми и т. д.) специалистов, решающих задачи усовер- гического анализа и позволяет целенаправленно конкретизировать сущности ПТС, методов (преж- шенствования СИТОi и СИТОj. де всего методов действий над ТМИ), структур 1. СИТОСВ и СИТОКА. ТМИ и других элементов (аспектов) стратегий Следует обратить внимание на разнообразие усовершенствования и применения СИТОСВ [1]. При этом реализованы возможности получения ко- сущностей элементов РКН и МБР, рассматривае- нечного (и относительно малочисленного) множе- ства наборов требований (ограничений) к страте- мых как телеметрируемые объекты [4], порожда- гиям применения СИТОСВ [1], имеющим необхо- димые признаки рациональных стратегий, что су- ющее соответствующую специфику решения задач щественно сужает границы поиска рациональных стратегий усовершенствования СИТОСВ без ущер- ИТО. При этом (осложняющий решение задач ИТО ба его качеству. Такой подход целесообразно рас- фактор) РН, РБ и КА входят в состав РКН, а КА не пространить и на другие СИТО, описав с необходи- мой детализацией сущности стратегий Uус и Uприм относится к средствам выведения и, следовательно, этих СИТО, обратив особое внимание на обос- нование выбора свойств (характеристик) сигна- не является (если подходить строго) телеметри- лов/данных СИТО и методов действий над ними, в результате которого существенно уменьшаются руемым объектом для СИТОСВ [1]. В то же вре- потери ТМИ или обеспечивается получение допол- мя практикуется подключение некоторых датчиков нительной (с точки зрения задач анализа) ТМИ последней ступени РН к БРТС КА. Приходится ре- и, соответственно, улучшаются общие (обобщен- ные) показатели (5). шать задачи ИТО (приемо-регистрация, сбор ТМИ Как и для СИТОСВ [1], для других типов и т. д.) с применением ПТС ТК, осуществляя дей- СИТО актуальны официальная концепция разви- тия (с указанием перспективных направлений раз- ствия над ТМИ, поступающей с КА. Также за- вития) и соответствующая ей система стандартов телеметрии. дача более полного интегрирования средств ИКК Рассмотрены особенности взаимовлияния си- и НАКУ КА с целью экономии ресурсов остается стем ИТО с целью более полного использования актуальной (ИКК — измерительный комплекс кос- модрома, НАКУ КА — наземный автоматизирован- ный комплекс управления космическими аппарата- ми). При этом в состав ПТС СИТОКА обязатель- но входят БРТС КА и ПТС НАКУ КА, связанные с ТМИ. Основные особенности условий, осложняющих развитие СИТОКА, состоят в следующем: – многотипность КА (КА существенно отли- чаются по целевому назначению, по массе и габа- ритам, по орбитам и т. д.); – непрерывный и трудоемкий процесс управ- ления многоспутниковыми орбитальными группи- ровками КА (например, для управления относи- тельно малочисленной группировкой в количестве РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 9 вып. 1 2022

48 В. Л. ВОРОНЦОВ, И. А. ДАВЫДОВ, Е. В. МЕДВЕДЕВ ∼150 отечественных КА, НАКУ КА выполняет экономика [14]. Отсюда актуальность отражения до 2 тысяч сеансов в сутки [12]); технической идеологии создания орбитальных – каждый ЦУП КА имеет свою специфику ре- шения задач (в том числе задач ИТО); группировок в виде кластеров КА в стратегиях – рост численности КА, находящихся на ор- построения перспективных СИТОКА. бите (в частности, в рамках проекта Starlink ком- Как и в случае с СИТОСВ [2], при построении пания SpaceX планирует запустить почти ∼ 12 ты- сяч спутников на околоземную орбиту к середине СИТОКА важен адекватный выбор свойств (харак- 2020-х гг., в настоящее время на орбите находит- теристик) сигналов/данных и, соответственно, мето- ся более 1600 КА; в рамках программы «Сфера» до 2030 г. планируется иметь группировку числен- дов действий над ними, улучшающий общие (обоб- ностью более 600 КА); щенные) показатели эффективности СИТОКА (5). – построение орбитальных группировок в виде Существующие условия и тенденции, влияю- кластеров КА (под кластером понимается совокуп- ность КА различного целевого назначения, приме- щие на процесс развития СИТОКА (см. выше), няемых для выполнения общей задачи, управляе- обостряют проблему необходимости применения мых как единый космический объект и восприни- маемых потребителем как единое целое [13]). многочисленных структур ТМИ. Показан [15] вы- В настоящее время имеют место тенденции, ход из этой ситуации, заключающийся в установ- усугубляющие показанные выше условия развития СИТОКА. Особенно ярко они проявляются в про- лении четких (недвусмысленных) правил формиро- цессе развития орбитальных группировок в виде вания структур ТМИ с использованием в их со- кластеров КА. Обращено внимание [13] на эф- фект эмерджентности (на системный эффект), при- ставе справочных данных, содержащих сведения водящий к повышению эффективности группиров- ки КА. При этом существенно усложняются зада- о структуре ТМИ. При этом относительно неболь- чи ИТО (соответственно изменяются требования к СИТОКА), а именно: необходим не только кон- шой объем справочных данных позволяет отвле- троль состояния и функционирования каждого КА, но и контроль состояния линий связи, оценка со- кать вполне приемлемые ресурсы для обеспече- стояния кластера в целом, оценка выполнения це- ния необходимой оперативности их формирования, левой задачи [13]. а также для осуществления с их использовани- Мировая тенденция развития орбитальных группировок в виде кластеров КА охватывает ем контроля и управления наземными средствами. и отечественное спутникостроение. Осуществление проекта создания космической инфраструктуры Разработанные по единым (и рациональным) пра- «Сфера», включающей ряд отдельных космических систем ДЗЗ, связи и навигации, позволит получить вилам структуры ТМИ могут быть одновременно качественно новые для отечественной космической отрасли продукты и услуги, если удастся построить и более многочисленными, и успешно адаптирую- не набор разрозненных средств, обеспечивающих щимися к выполняемым задачам ИТО. Такие пра- получение частных результатов и развитие из- вестных сервисов, а единую систему, обладающую вила применяют, в частности, при осуществлении свойством целостности (свойством эмерджентно- сти) [14]. Специалисты считают, что от реализации технологии пакетной телеметрии CCSDS [16]. проекта «Сфера» во многом зависит, по какому пути пойдет не только российская космонавтика, но и вся Определение возможностей использования из- вестных и успешно применяемых в определен- ных областях технологий (типа вышеупомяну- той технологии пакетной телеметрии CCSDS [16]) для установления свойств (характеристик) сигна- лов/данных, содержащих ТМИ, и методов дейст- вий над ними нужно осуществлять с учетом струк- турирования множества СИТОКА (скорее всего, по- надобится деление всего рассматриваемого множе- ства систем на отдельные системы СИТОКА, сущ- ности этого деления неочевидны). При этом задача взаимодополнения СИТОСВ и СИТОКА (задача бо- лее полного интегрирования средств ИКК и НАКУ КА) является актуальной, но осложняющей про- цесс развития СИТОКА и СИТОСВ. 2. СИТОСВ и СИТОСИОРКТ (СИТОСИОРКТ — системы ИТО стендовых испытаний объектов РКТ). РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 9 вып. 1 2022

ПОДХОДЫ К РЕГЛАМЕНТИРОВАНИЮ ПРОЦЕССА РАЗВИТИЯ СРЕДСТВ 49 Под СИТОСИОРКТ понимается стендовая ин- взаимовлияния СИТОСВ и СИТОСИОРКТ заключа- формационно-измерительная система для получе- ются в следующем: ния информации о параметрах и характеристиках – сведения (знания), полученные с исполь- зованием СИТОСИОРКТ, актуальны для оптимиза- систем испытательного стенда и объекта испыта- ции состава ТМП, уточнения диапазонов изме- рений ТМП, для обоснования выбора датчико- ния [6], причем системы стенда могут быть рассмот- преобразующей аппаратуры (ДПА) при разработ- ке ПТИ [4] для летного эксперимента РКН/МБР рены как специфические объекты испытания; в тер- с целью сокращения численности ТМП (и, соответ- ственно, уменьшения суммарной скорости передачи минах настоящей работы системы испытательного данных телеизмерений по каналам «борт–Земля») без ущерба качеству отработки средств выведе- стенда и объект испытания — телеметрируемые ния [9]; таким образом создаются хорошие возмож- ности для улучшения показателей СИТОСВ (5) [1]; объекты [4]. СИТОСИОРКТ может входить в состав системы управления, регулирования процессом ис- – сведения (знания), полученные с использо- ванием СИТОСВ [1] по результатам летного экс- пытания и диагностики параметров стенда и испы- перимента, целесообразно использовать для уточ- нения параметров системы нагружения при осу- туемого объекта, реализованной в виде АСУ ТП [6]. ществлении стендовых испытаний (т. е. для улуч- шения показателей анализируемой СИТОСИОРКТ_i, Ввиду многообразия стендовых испытаний аналогичных ΔWэф_W _ан_Σ (5), связанных с полу- чением дополнительной информации о результатах РКН/МБР и их элементов, перманентности обнов- стендовых испытаний). ления их сущностей (вследствие разработки но- 3. СИТОСВ и СИТОМИК. При подготовке РКН к пуску в ходе испы- вых элементов РКН/МБР, усовершенствования ме- таний на технической позиции в МИКе и после установки на СК проверяется правильность функ- тодик испытаний, достижений в области матема- ционирования ее бортовых систем, в том числе бортовой системы измерений. СИТОМИК — СИТО тического моделирования) необходимо прежде все- контроля готовности ДПА, бортовой системы из- мерений (прежде всего БРТС [4] и ее элемен- го решить задачу обоснования выбора отдельных тов) к применению при летном эксперименте. ПТС элементов СИТО (типа СИТОДУ [6], СИТОДУ ⊂ СИТОМИК размещены в МИКе. Данные, получен- ⊂ СИТОСИОРКТ) для последующей разработки ные в результате их применения (выходные дан- официальной концепции ее развития (с указани- ные ПТС СИТОМИК, рис. 2), предназначены для определения исправных (неисправных) элементов ем перспективных направлений развития) и соот- ДПА и БРТС и принятия решений по исключению ветствующей ей системы стандартов телеметрии. Рис. 2. Упрощенная схема ПТС СИТОМИК Следует заметить, что вследствие вышеуказанных причин, относящихся к СИТОСИОРКТ, целесообраз- ность и возможность построения единой СИТОДУ также весьма проблематичны. В этой связи´ предложен подход к обоснова- нию выбора отдельной СИТОСИОРКТ_i (i = 1, 2, . . .), заключающийся в создании научно-методического обеспечения процесса развития отдельных (суще- ствующих и перспективных) СИТОСИОРКТ_i (i = = 1, 2, . . .), в частности СИТОДУ_j (j = 1, 2, . . .) [6], с последующим анализом этого научно-методи- ческого обеспечения и по результатам анализа определения стратегий развития СИТОСИОРКТ_i, уточняющих требования к их облику (например, требований, касающихся объединения каких-либо СИТОСИОРКТ_i, i = 1, 2, . . ., построения системы взаимосвязанных стендов [6]). Научно-методиче- ское обеспечение процесса развития СИТОСИОРКТ_i является основой для разработки официальной концепции развития СИТОСИОРКТ_i и соответству- ющей ей системы стандартов телеметрии. В существующих условиях (на сегодняш- нем этапе) основные возможности использования РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 9 вып. 1 2022

50 В. Л. ВОРОНЦОВ, И. А. ДАВЫДОВ, Е. В. МЕДВЕДЕВ потерь ТМИ в процессе летного эксперимента – принадлежность СИТОМИК и СИТОСВ раз- (см. ΔWэф_W _ан_Σ (5)) из-за их отказов или ано- ным предприятиям существенно усложнит органи- мального функционирования. зацию управления технологическими процессами, В состав типичного ПТС СИТОМИК (см. рис. 2) [17] входят ПРС, устройство связи осуществляемых с их применением; с испытуемым объектом (УСО) и автоматизирован- – технологии применения СИТОМИК и СИТОСВ существенно отличаются; потребуются дополни- ная система контроля системы измерений ракеты- тельные знания и навыки обслуживающего персо- носителя (АСК СИ РН). ПРС предназначены для нала СИТОМИК (это усложнит его задачи, создаст приемо-регистрации ТМИ, поступающей от бор- предпосылки к ошибочным действиям). товой информационно-телеметрической системы При решении задач ИТО после установки РКН (БИТС) [4] или от БРТС при размещении испы- на СК система СИТОМИК применяется для контро- туемой РН (испытуемого объекта) в МИКе и от ля готовности ДПА, БРТС, а СИТОСВ — для про- верки готовности ПТС ТК к работе по пуску. БРТС — при размещении на СК. УСО формирует По необходимости применяют технологии кон- в заданные моменты времени команды управления, троля функционирования бортовых систем (в том инициируемые АСК СИ РН, имитирующие коман- числе бортовой системы измерений) в полетное ды бортового программно-временного устройства, обеспечивающие установление режимов работы время специалистами, отвечающими за подготов- бортовой системы измерений (включая БРТС), ку этих систем на технической позиции (в МИКе), соответствующих программе испытаний. В АСК с использованием возможностей ТК. В этом слу- СИ РН осуществляется также обработка ТМИ, чае СИТОМИК заменяют (дополняют) средствами СИТОСВ. Вышеупомянутые специалисты получают поступающей с выходов ПРС. в виде формуляров данные результатов обработки По сути, СИТОМИК (см. рис. 2) является ти- ТМИ в ВЦ космодрома, передаваемые по каналам пичной АСУ ТП. Соответственно применение эле- связи. ментов современных АСУ ТП (типа интерфей- Обеспечен доступ специалистов-анализато- са OPC, SCADA-систем [8]) при построении си- ров [1], решающих задачи анализа функционирова- стем СИТОМИК позволит типизировать СИТОМИК и их элементы, а применение унифицированных ния бортовых систем РН в полетное время, к ТМИ, структур ТМИ (прежде всего формируемых БРТС зарегистрированной ПРС из состава СИТОМИК, и к данным результатов обработки ТМИ, получен- и ПРС) для разнотипных РКН существенно рас- ных от системы АСК СИ РН, при подготовке РН ширит возможности уменьшения разнотипности к пуску в МИКе и на СК. Таким образом, в частно- СИТОМИК. С точки зрения выгод от использования взаи- сти, в случае полетной аварии РКН расширяются мовлияния СИТОСВ и СИТОМИК проанализирова- возможности понимания ее предыстории. но [18] включение дополнительных ПРС (из соста- Из представленного выше краткого анализа ва ПТС СИТОМИК) в состав ТК на время летного эксперимента. Оно нецелесообразно по следующим следует, что с точки зрения уменьшения разнотип- причинам [18]: ности СИТОМИК и расширения возможностей ис- пользования взаимовлияния СИТОСВ и СИТОМИК – имеет место большая вероятность накладок актуально применение унифицированных струк- из-за совпадения по времени задач ИТО, решаемых тур ТМИ (прежде всего формируемых БРТС СИТОМИК и СИТОСВ; и ПРС) для разнотипных РКН. Также при постро- – СИТОМИК и СИТОСВ экономически целе- ении СИТОМИК актуальны элементы современных сообразно комплектовать программно-техническими АСУ ТП. средствами с учетом специфики решаемых задач 4. СИТОСВ и СИТОМКСР. Средства многофункциональной космической (как это и делается в настоящее время), в частно- системы ретрансляции (МКСР) типа TDRSS или сти в составе СИТОМИК используют менее дорогие, но и менее эффективные антенные системы, не при- «Луч» (отечественный аналог) могут быть вклю- меняют устройства автовыбора в ПРС — и т. д.; чены в состав СИТОСВ в качестве ее внешних РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 9 вып. 1 2022