Дистанционное зондирование Земли при помощи кубсатов

Спутниковые снимки — основа дистанционного зондирования Земли: по ним оценивают состояние территорий и получают данные о тех районах, которые сложно регулярно обследовать другим способом.

Как спутник точно наводится на выбранный участок и получает кадры без смаза? Как большие массивы данных передаются с орбиты на Землю, а монохромные снимки превращаются в цветные? Специалисты Геоскана рассказали в статье на примере ИнноСата16 и Лобачевского — первых аппаратов на базе платформы «Геоскан 16U».

• Миссии ИнноСата16 и Лобачевского.
• Настройка системы ориентации и стабилизации.
• Улучшение качества снимков с фильтром Калмана.
• Точные снимки движущейся земли в режиме ВЗН.
• Режимы наведения при съемке.
• Съемка Луны и объектов на орбите.
• Высокоскоростная передача данных на Землю.
• Обработка данных мультиспектральной съемки.
• Следующие этапы работы.

Миссии ИнноСата16 и Лобачевского

ИнноСат16 был запущен летом 2025 года с космодрома Восточный. Он разработан Геосканом при участии Центра поддержки инжиниринга и инноваций. На орбите аппарат отрабатывает технологии дистанционного зондирования Земли на платформе 16U.

На борту спутника — панхроматическая камера производства АО «НПО «Лептон» с пространственным разрешением 2,5 м/пикс с орбиты 500 км (одному пикселю на снимке соответствует участок поверхности размером около 2,5 × 2,5 м). Камера регистрирует свет в широком диапазоне длин волн и формирует одно изображение. Такой снимок выглядит чёрно-белым и отличается высокой детализацией: на нём хорошо различимы дороги, здания, береговые линии и другие объекты местности.

МКА «Лобачевский» запустили в декабре 2025 года с космодрома Восточный. Геоскан разработал его для Нижегородского государственного университета в рамках проекта Space-π Фонда содействия инновациям. Его миссия состоит в съёмке земной поверхности для агроэкологических исследований.

На спутнике «Лобачевский» установлены мультиспектральная камера производства АО «НПО «Лептон», которая уже выполняет свои функции, и гиперспектральная камера разработки Самарского университета — она сейчас на этапе настройки.

Мультиспектральная камера обладает пространственным разрешением 4 м/пикс с орбиты 500 км. Она одновременно получает данные в четырёх спектральных каналах: синем, зеленом, красном и инфракрасном. Эта информация позволяет различать и анализировать свойства объектов — например состояние растительности, почвы или воды.

Настройка системы ориентации и стабилизации

Съёмка Земли со спутника напоминает фотографирование пейзажа из окна скорого поезда. Спутник движется по орбите со скоростью около 7,6 км/с, Земля под ним вращается, а участок съёмки остаётся в поле зрения ограниченное время.

Качество спутниковых снимков зависит не только от оптики и матрицы. Аппарат должен понимать, где он находится, куда направлена камера и как быстро он поворачивается. Если ориентация недостаточно точная или спутник управляет своим положением нестабильно, проекция участка поверхности смещается по матрице во время выдержки кадра — снимок получается смазанным.

Чтобы спутник мог точно наводиться на выбранный участок Земли, команда Геоскана настроила систему ориентации и стабилизации (СОиС). На платформе «Геоскан 16U» за СОиС отвечают три группы элементов: датчики измеряют положение и движение спутника, исполнительные элементы поворачивают аппарат, а алгоритмы собирают данные в единую картину и рассчитывают параметры для управления. Один из ключевых алгоритмов СОиС — фильтр Калмана, который по показаниям разных датчиков оценивает параметры ориентации и движения космического аппарата. Алгоритмы ориентации были разработаны совместно с Институтом прикладной математики им. М. В. Келдыша и внедрены специалистами Геоскана в бортовое ПО.

Основные элементы системы ориентации и стабилизации на платформе «Геоскан 16U» и их роль в управлении аппаратом:

Настройка системы ориентации и стабилизации проходила поэтапно: от базовой проверки датчиков и исполнительных элементов до съёмки на целевую аппаратуру. В ходе испытаний были выполнены:

• проверка привязки датчиков, маховиков, электромагнитных катушек и камер к связанной системе координат;
• проверка работы навигационного приемника и орбитального фильтра;
• тестирование алгоритма B-Dot;
• настройка фильтра Калмана для связи, работающего по солнечным датчикам, магнитометрам и волоконно-оптическому гироскопу;
• настройка фильтра Калмана для съёмки, работающего по звёздному датчику и волоконно-оптическому гироскопу;
• проверка работы технологических камер «Циклоп» разработки Геоскана и камер целевой нагрузки разработки АО «НПО «Лептон» на обоих спутниках.

Ключевым этапом стала настройка фильтра Калмана для съёмки — именно она вывела систему ориентации на точность, необходимую для ДЗЗ.

Улучшение качества снимков с фильтром Калмана

Фильтр Калмана для съёмки сопоставляет данные звёздного датчика и волоконно-оптического гироскопа, учитывает погрешность измерений и снижает влияние шумовых отклонений. На этой основе алгоритм строит более точную и плавную оценку ориентации.

После настройки фильтра погрешность определения ориентации стала меньше 0,01°, а погрешность поддержания заданной ориентации — меньше 0,005°/с. Первое отвечает за то, насколько точно камера смотрит на выбранный участок Земли. На высоте около 500 км угол 0,01° соответствует примерно 90 м на поверхности — то есть спутник может наводиться на нужную территорию с точностью, сопоставимой с размерами городского квартала. Второе отвечает за плавность удержания: чем меньше угловая скорость во время выдержки, тем меньше изображение смещается по матрице и тем ниже риск смаза.

Корректность работы фильтра проверяли по полетным записям. Во время тестов системы ориентации спутник записывал телеметрию подсистем, в том числе углы ориентации и угловые скорости. Полученные данные передавали на Землю по каналу X-диапазона для последующего анализа.

На графике слева показаны углы ориентации аппарата: курс, тангаж и крен. Синие точки — отдельные измерения звёздного датчика, оранжевая линия — оценка фильтра Калмана. Видно, что измерения звёздного датчика разбросаны, а фильтр строит по ним более плавную оценку ориентации. График справа показывает угловые скорости по тем же трем осям. Целевым значением для съемки была угловая скорость менее 0,005°/с: при таком уровне изображение меньше смещается по матрице во время выдержки.

На участке между 1600-й и 1700-й секундой коррекцию по звёздному датчику временно отключили, и фильтр вёл ориентацию по данным волоконно-оптического гироскопа. На коротком участке съёмки это помогает повысить плавность стабилизации: гироскоп непрерывно отслеживает поворот аппарата, а система не вносит лишние поправки из-за шумящих измерений звёздного датчика. После повторного включения коррекции примерно на 1720-й секунде на графике виден кратковременный скачок: фильтр заново подстраивает оценку ориентации по данным звёздного датчика.

Эффект настройки стал заметен на снимках. На ранних кадрах с ИнноСата16 изображение было смазанным: при выдержке 3 мс проекция снимаемого участка земной поверхности смещалась по матрице примерно на 5 пикс. После настройки фильтра Калмана снимки стали четче.

Точные снимки движущейся земли в режиме ВЗН

Даже при точной ориентации съёмка с орбиты остаётся сложной задачей: спутник движется вокруг Земли, сама Земля вращается, а изображение поверхности во время съёмки смещается по матрице камеры.

При средней выдержке 5 мс и скорости движения спутника относительно точки съемки около 7,1 км/с за время экспозиции область съёмки смещается примерно на 35 м. Для камеры, у которой одному пикселю соответствует около 4,1 м на поверхности, это около 8 пикс — без компенсации снимок получится смазанным.

Избежать смаза позволяет режим временной задержки и накопления (ВЗН). Во время экспозиции накопленный сигнал сдвигается по линиям матрицы вслед за движением изображения. Режим ВЗН предъявляет дополнительные требования к движению и ориентации спутника: скорость сдвига должна совпадать со скоростью движения проекции поверхности по матрице, а направление — строго соответствовать линиям сдвига.

Режимы наведения при съемке

После настройки системы ориентации аппарат переходит к разным режимам съемки. В зависимости от задачи он может смотреть в надир, переориентироваться между объектами или сопровождать другой объект на орбите.

На ИнноСате16 и Лобачевском мы отрабатывали несколько таких режимов. При съемке в надир камера была направлена на участок поверхности непосредственно под спутником, а съемка шла вдоль подспутниковой траектории. В режиме слежения за точкой аппарат постоянно поворачивался так, чтобы выбранный объект оставался в центре кадра во время пролета. На Лобачевском также проверили переориентацию между объектами: примерно за минуту после маневра спутник возвращался к целевым характеристикам стабилизации и продолжал съемку.

Отдельный сценарий — наведение на наблюдаемый объект (например КА) по TLE (two-line element — с англ. двухстрочный набор элементов). Это набор орбитальных параметров, по которым можно рассчитать положение объекта на орбите. Этот режим мы использовали позже в эксперименте со съёмкой ступени ракеты-носителя.

Съемка Луны и объектов на орбите

Кроме съемки Земли команда Геоскана отработала и более сложные сценарии наведения на другие цели: Луну, другой космический аппарат и объект космического мусора.

Снимки Луны сделали во время отработки системы ориентации на ИнноСате16. Специалисты проверили точность наведения, удержание объекта в кадре и работу панхроматической камеры. На полученных изображениях различимы рельеф лунной поверхности и отдельные кратеры.

В июне вместе с факультетом космических исследований МГУ провели эксперименты по съемке объектов на орбите. Проверяли, может ли спутник заранее рассчитать сближение с другим объектом, навестись на него и получить кадры пролета.

Для таких съемок специалисты ФКИ МГУ рассчитали временные промежутки сближения с подходящими условиями освещенности и подготовили целеуказания, которые обновлялись по актуальной баллистической информации. В ходе экспериментов Лобачевский отработал наведение на японскую ступень ракеты-носителя, которая осталась на орбите после запуска спутника GOSAT-2 в 2018 году, а ИнноСат16 получил кадры российского научного аппарата «Коронас-Фотон», который вышел из эксплуатации в 2010 году. В обоих случаях съемка велась с расстояния около 60 км.

Движение ступени ракеты-носителя на снимках со спутника «Лобачевский»

Движение аппарата «Коронас-Фотон» на снимках со спутника «ИнноСат16»

Высокоскоростная передача данных на Землю

После съёмки на борту спутников 16U остаются большие массивы данных с необработанными снимками, записями ориентации и других параметров. Для передачи таких объёмов информации на ИнноСате16 и Лобачевском мы проверили работу высокоскоростной радиолинии X-диапазона. В неё входят бортовой передатчик собственной разработки Геоскана и наземная станция приёма с поворотной параболической антенной. Когда спутник проходит над станцией, антенна поворачивается вслед за ним, а спутник передаёт накопленные данные.

Передатчик работает в радиолюбительском X-диапазоне на частоте 10,5 ГГц и использует распространённый стандарт DVB-S2. Его пропускная способность — 250 Мбит/с. Так как мощность передатчика всего 1 Вт, важно сосредоточить сигнал в направлении наземной станции. Для этого антенная решётка 8 × 8 с усилением 20 дБи формирует направленный радиолуч и помогает передать большой объём данных за короткий сеанс связи.

Во время испытаний мы подтвердили приём данных со скоростью 155 Мбит/с. На платформах 16U также используется двусторонний командно-телеметрический УВЧ-канал со скоростью до 9600 бит/с — для управления спутником, получения телеметрии и передачи низкоскоростных данных. Скорость X-диапазона более чем в 16 000 раз выше, поэтому по нему можно передавать не только служебную информацию, но и тяжёлые снимки и массивы данных.

Обработка данных мультиспектральной съемки

По X-каналу на Землю в числе остальных данных поступают исходные данные мультиспектральной камеры — монохромные полосы. Как превратить их в цветные фотографии?

В мультиспектральной камере Лобачевского одна матрица, но поверх нее наклеены четыре узкие полоски светофильтров, пропускающих красный, зеленый, синий и инфракрасный свет. По мере движения спутника изображение одного и того же участка земной поверхности последовательно попадает на участки матрицы под разными фильтрами, поэтому данные для цветного изображения собираются из серии кадров.

Исходные кадры сначала нарезают по границам четырех светофильтров. Затем фрагменты каждого спектрального диапазона совмещают — по ориентирам на местности или географическим координатам. Так получают отдельные монохромные изображения в красном, зеленом, синем и ближнем инфракрасном диапазонах. Для формирования цветных фотографий с Лобачевского мы объединяли первые три канала.

Следующие этапы работы

Первые снимки с ИнноСата16 и Лобачевского подтвердили работу платформы, системы ориентации, камер и радиолинии X-диапазона.

Одна из главных задач сейчас — фокусировка камер ДЗЗ. В космосе на нее влияет тепловой режим аппарата: оптический и цифровой блоки нагреваются и остывают по-разному, поэтому фокус приходится подбирать уже в реальном полете, сопоставляя параметры камеры, температуру и полученные снимки. Параллельно команда продолжает подбирать параметры съемки: выдержку, число шагов ВЗН, режимы ориентации и условия, при которых камера дает наиболее информативный результат.

В планах — разработка единого программного комплекса, который объединит управление спутниками, планирование съемки, прием, обработку, хранение и предоставление данных. Также команда Геоскана планирует расширять сеть станций приема данных.

Источник.