Оптико-электронные спутниковые системы мониторинга природной среды

Московский государственный технический университет
им. Н. Э. Баумана

Оптико-электронные спутниковые системы 
мониторинга природной среды

Москва
Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана
2014

Рекомендовано Научно-методическим советом МГТУ им. Н. Э. Баумана
в качестве учебного пособия

УДК 629.086(075.8)
ББК 39.66
 
О-62

Рецензенты: В. П. Будак, В. И. Алехнович

Оптико-электронные спутниковые системы мониторинга природной среды: учеб. пособие / М. Л. Белов, 
В. А. Городничев, В. Я. Колючкин, С. Б. Одиноков. – М.: 
Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2014. — 71, [5] с.

ISBN 978-5-7038-3749-8

Дано описание современных оптико-электронных систем 
дистанционного зондирования с искусственных спутников Земли: спутниковых метеорологических систем NOAA 
и MetOp; спутников серии EOS; спутников с аппаратурой высокого и сверхвысокого разрешения; российских спутников 
«Метеор-М», «Ресурс ДК-1», «Электро-Л» и «Канопус-В», 
а также современных спутниковых радиометров AVHRR, 
MODIS и ASTER.
Для студентов 5–6-го курсов, обучающихся по специальности «Лазерная техника и лазерные технологии».

ISBN 978-5-7038-3749-8 
© МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2014

О-62

УДК 629.086(075.8)
ББК 39.66

Введение

Наблюдение Земли из космоса началось в 1960-е годы с американских и советских метеорологических спутников серий Tiros, 
ESSA, Nimbus, ITOS, «Метеор».
Началом систематического обзора поверхности Земли из космоса можно считать запуск 1 апреля 1960 г. американского метеорологического спутника Tiros-1.
История запусков отечественных метеорологических спутников началась чуть более полувека назад, когда на третьем советском искусственном спутнике Земли (ИСЗ), запущенном 15 мая 1958 г., была 
установлена первая специальная научная аппаратура для исследования 
высоких слоев атмосферы Земли. Наряду с определением характеристик верхней атмосферы по торможению спутника и по диффузии паров натрия спутниковая аппаратура позволила осуществить непосредственное измерение давления и плотности на различных высотах.
Первый специализированный отечественный ИСЗ метеорологического назначения «Космос-122» был выведен на орбиту 
25 июня 1966 г. [И1]. Одной из задач спутника являлось испытание метео рологической аппаратуры, предназначенной для получения изображений облачности, снежного покрова и ледяных 
полей на освещенной и теневой сторонах Земли, а также для измерения потока уходящей радиации, отраженной и излученной 
системой «Земля — атмосфера» [И2].
В настоящее время оптико-электронные системы наблюдения 
Земли из космоса являются одним из быстроразвивающихся направлений мониторинга атмосферы, океанов и поверхности суши 
Земли.
В имеющейся на сегодняшний день научно-технической литературе сведения о современных оптико-электронных системах дистанционного зондирования с ИСЗ разрознены и не систематизированы. 
Настоящее учебное пособие направлено на устранение этого пробела.
В пособии описаны современные оптико-электронные системы 
дистанционного зондирования с ИСЗ: спутниковые метеорологические системы NOAA и MetOp; спутники серии EOS; спутники с аппаратурой высокого и сверхвысокого разрешения; российские спут

ники «Метеор-М», «Ресурс ДК-1», «Электро-Л» и «Канопус-В», 
а также современные спутниковые радиометры AVHRR, MODIS 
и ASTER.

1. Дистанционное зондирование 
Земли из космоса

Космическая деятельность играет важную роль в процессе глобализации и информатизации мирового сообщества, при решении 
многих социально-экономических проблем и научно-исследовательских задач, а также в обеспечении национальной безопасности.
Мониторинг окружающей среды, ведущийся с 1960-х годов, 
значительно углубляет научные знания о Земле и окружающем ее 
пространстве. Использование космической техники помогает оценивать и прогнозировать изменения состояния окружающей среды 
под воздействием природных и антропогенных факторов [Л1].
Дистанционное зондирование Земли (ДЗЗ) из космоса предоставляет уникальную возможность получать ценную информацию 
о земных объектах и явлениях в глобальном масштабе с высоким 
пространственным и временным разрешением. Космическая съемка 
поверхности Земли позволяет определять физические, химические, 
биологические, геометрические параметры объектов наблюдения 
в различных средах Земли, как правило, с использованием функциональной зависимости между измеряемыми с помощью космической 
техники величинами и искомыми параметрами. Спектральный диапазон бортовых измерительных приборов выбирают при их разработке в зависимости от отражательной или излучательной способности объектов наблюдения.
Дистанционное зондирование Земли позволяет наблюдать 
за состоянием атмосферы, поверхности океанов и суши планеты, 
оценивать и прогнозировать изменения ее состояния под воздействием природных и антропогенных факторов, а также обеспечивает государства, юридических и физических лиц полученной 

информацией. При мониторинге данные космической съемки используются в сочетании с другими источниками информации. Их 
обработка обычно осуществляется с помощью геоинформационных систем, которые являются интерактивными инструментами 
анализа данных мониторинга.

1.1. Основные тенденции в развитии
дистанционного зондирования Земли

Данные высокого пространственного разрешения, полученные с помощью современных космических аппаратов (КА), стали 
важным инструментом для решения многих практических задач 
государственного, регионального и местного управления, геопространственной основой для принятия управленческих решений различного уровня.
Можно выделить следующие основные тенденции в развитии 
ДЗЗ из космоса [И3]:
 
• резкое увеличение числа КА ДЗЗ на орбите;
 
• развитие национальных программ ДЗЗ;
 
• развитие систем получения, передачи, обработки и предоставления данных потребителям;
 
• широкое использование сетевых технологий и возможностей 
сети Интернет;
 
• улучшение основных характеристик аппаратуры ДЗЗ и качества данных (увеличение пространственного разрешения, 
расширение динамического диапазона, увеличение радиометрического разрешения, расширение возможностей КА 
по проведению стереосъемки, улучшение геометрических 
характеристик изображения, расширение мультиспектральных возможностей, улучшение точности исходных данных 
без опорных точек, увеличение ширины полосы съемки, совершенствование возможностей съемки больших площадей 
на одном маршруте и т. д.);
 
• появление КА ДЗЗ сверхвысокого разрешения нового поколения и т. д.

С учетом новых спутников к началу 2010 г. крупнейшими в мире 
орбитальными группировками спутников ДЗЗ (военных, гражданских и коммерческих, без учета метеоспутников) обладают США, 
Китай, Германия и Индия:
 
• США имеют не менее 20 спутников;
 
• Китай и Германия — не менее 11 спутников;
 
• Индия — 10 работоспособных КА.
В 2010 г. были осуществлены запуски 14 гражданских, коммерческих и военных спутников съемки Земли, в том числе:
 
• 7 спутников с оптико-электронной аппаратурой съемки и пространственным разрешением от менее 1 до 5…10 м (Китай, 
Индия, США, Россия, Алжир и Израиль);
 
• 4 спутника с радиолокаторами с синтезированной апертурой 
(РСА) (Германия, Италия, США и Китай);
 
• 3 метеорологических КА на геостационарную и низкую полярную орбиты (Китай, Корея и США).
По назначению запущенные в 2010 г. КА разделились следующим образом:
 
• видовая космичеcкая разведка — 7 (Китай — 3, США — 2, 
Россия и Израиль — по 1);
 
• двойного назначения — 2 (Индия, Италия);
 
• гражданские и коммерческие — 2 (Германия, Алжир);
 
• метеорологические — 3 (США, Корея, Китай).
Описание запущенных в 2010 г. КА ДЗЗ приведено в табл. 1.1 [И4].

 
Таблица 1.1
Запущенные в 2010 г. КА ДЗЗ

Космический
аппарат

Назначение
космического
аппарата

Страна
(оператор)
Носитель
(полигон)

GOES-15 (-P)
Метеосъемка
с геостационарной 
орбиты
США (NOAA)
Delta-4 
(Канаверал)

Космос-2462,
Кобальт-М
Видовая
фоторазведка
Россия (Министерство обороны)
Союз-У 
(Плесецк)

X-37B (OTV-1)
Секретный
космоплан
США (NRO, ВВС)
Atlas V501 
(Канаверал)

Космический
аппарат

Назначение
космического
аппарата

Страна
(оператор)
Носитель
(полигон)

TanDEM-X
Интерферометрическая съемка c РСА
Германия
(InfoTerra, DLR)
Днепр 
(Байконур)

OFEQ-9
Видовая разведка
Израиль (Министерство обороны)
Шавит-2 
(Пальмахим)

COMS-1 Chollian
Метеосъемка
с геостанционарной 
орбиты
Корея (KARI)
Ariane-5 (Куру)

Cartosat-2B
ДЗЗ метрового разрешения

Индия (ISRO, 
Министерство 
обороны)

PSLV-C15 
(Шрихарикота)

Alsat-2A
ДЗЗ высокого разрешения
Алжир (ASAL)
PSLV-C15 
(Шрихарикота)

Yaogan-10 
(YW-10)
Видовая разведка 
с РСА
Китай (Министерство обороны)
CZ-4C 
(Тайюань)

Tianhui-1 (TH-1)
Военная картография
Китай (Министерство обороны)
CZ-2D 
(Цзюцюань)

USA-215 (FIA 
radar-1)
Видовая разведка 
с РСА
США (NRO)
Atlas V501 
(Ванденберг)

По общему числу запусков спутников с аппаратурой съемки 
Земли результаты 2012 г. (24 КА) оказались рекордными за последние 12 лет.
В 2012 г. на орбиты вокруг Земли запущены 24 гражданских, 
коммерческих и военных КА для съемки Земли, принадлежащие 
13 странам и организациям. Бесспорным лидером по числу запущенных национальных КА ДЗЗ четвертый раз с 2007 г. становится Китай (8 спутников), с большим отрывом опередивший Россию 
(3 спутника), Францию (2 спутника), метеорологическую организацию Eumetsat (2 спутника) и еще 9 стран, запустивших по одному 
спутнику. За прошедшие годы лидерство Китая по годовым темпам 
запусков КА ДЗЗ оспаривали лишь США (2009) и Германия (2008). 

Окончание табл. 1.1

Впервые в число стран — операторов национальных средств ДЗЗ 
вошла Венесуэла, для которой Китай создал и запустил первый 
КА VRSS-1 «Франсиско де Миранда» [И5].
По назначению и решаемым задачам новые спутники ДЗЗ 
в 2012 г. распределены следующим образом [И5]:
 
• 17 гражданских спутников (в том числе научных и экспериментальных) и спутников двойного назначения Китая, России, Франции, Ирана, Индии, Японии, Кореи, Белоруссии, 
Германии, Венесуэлы;
 
• 4 военных спутника видовой разведки Китая, США, России 
и Турции;
 
• 3 метеорологических спутника Китая и европейской организации Eumetsat.
Интересно отметить, что из 24 запущенных спутников для съемки Земли 23 изготовлены на средства госбюджета или организаций, 
только один спутник — SPOT 6 — относится к коммерческим, созданным полностью на средства европейской аэрокосмической компании EADS Astrium.
Всего в конце 2012 г. 32 страны и организации являлись операторами примерно 170 КА с аппаратурой съемки Земли, включая 
метеоспутники. Однако к числу ведущих держав в области ДЗЗ 
можно отнести лишь 12–14 стран, которые являются операторами национальных систем съемки Земли численностью от более 
30 до 2–4 КА; среди них (в порядке убывания числа КА) США, 
Китай, Индия, Германия, Япония, Франция, Израиль, Россия, Италия, 
Великобритания, Канада, организации Eumetsat и Европейское космическое агентство ESA. В России после кризисных годов спутниковая группировка ДЗЗ создается практически заново [И5].

1.2. Средства мониторинга

Спутники ДЗЗ можно разделить на два класса [И6]:
 
• геостационарные высокоорбитальные спутники: METEOSAT 
(EUMETSAT), GOES (США), MTSAT (Япония), Fengyun-2 
(Китай), GOMS (Россия) и KALPANA (Индия). Геосинхрон

ные спутники обеспечивают глобальные охваты от единственного спутника [И7];
 
• полярные среднеорбитальные спутники: NOAA, QuikSCAT 
(США), «Метеор» (Россия) и Fengyun-1 (Китай).

Американская программа
дистанционного зондирования Земли

В настоящее время в разработке спутников ДЗЗ ведущую роль 
играют США. Находящаяся под эгидой NOAA (National Oceanic 
Atmospheric Administration — Национальное управление по океанам 
и атмосфере) спутниковая метеорологическая система на полярных 
орбитах NOAA (спутники запускаются с 1970 г.) и геостационарные спутники GOES (запускаются с 1975 г.), а также принадлежащая 
министерству обороны США спутниковая система DMSP (Defense 
Meteorological Satellite Project — Оборонный проект спутниковой 
метеорологии; спутники запускаются с 1966 г.) — в настоящее время 
единственные в мировой практике эксплуатационные системы мониторинга окружающей среды [Л1].
Космическое агентство NASA (National Aeronautics and Space 
Administration — Национальное управление по воздухоплаванию и исследованию космического пространства) сообщило об успешном запуске 5 марта 2010 г. нового геостационарного метеорологического спутника GOES-P (Geostationary Operational Environmental Satellite-P) [И8]. 
Спутник находится на орбите высотой 36 406 км. Работать в космосе аппарат должен не менее 10 лет. В метеорологическом управлении 
США говорят, что GOES-P будет применяться для метеопрогнозирования, наблюдения за ураганами, торнадо и другими атмосферными явлениями. Новый спутник является одним из ключевых в метеогруппировке NOAA.
Спутник GOES-P — третий и последний аппарат в группировке GOES. Состоящая из трех спутников группировка GOES 
расположена таким образом, что может вести постоянное наблюдение за континентальной поверхностью США, прилегающими 
участками Тихого и Атлантического океанов, а также за Южной 
и Центральной Америкой. Новый аппарат позволит спутниковой 

системе включить в обзор до 50 % земной поверхности. Этого достаточно для создания глобальных точных метеопрогнозов над территорией США, Евразии, Австралии и Африки. Оборудованные 
множеством датчиков спутники своевременно предоставляют синоптикам данные о «запускающих событиях» в атмосфере, в результате которых могут возникнуть различные стихийные бедствия — ураганы, торнадо и шквалы.
Военная система спутников DMSP ведет наблюдения параллельно NOAA. Данные со спутников DMSP направляются в центры обработки космических данных, откуда они уже в виде метеоданных 
распределяются по военным службам [И7].
Применение 
на американских 
спутниках 
метеоразведки 
DMSP микро волновых радиометров в качестве всепогодных измерителей геофизических параметров океана и атмосферы позволило с 1991 г. реализовывать круглосуточное всепогодное 
обеспечение стандартной информацией о гидрометеорологических параметрах стран — членов WMO (Всемирная метеорологическая организация).
Для национальной безопасности американское правительство в середине 1990-х годов приняло решение о создании Национальной спутниковой системы мониторинга окружающей среды с полярной орбиты NPOESS (National Polar-Orbiting Operational Environment Satellite 
System). Она создается путем объединения военной (DMSP) и гражданской (NOAA) спутниковых систем и включает эксплуатируемые 
в настоящее время КА DMSP и NOAA, а также разрабатываемые совместно с европейской метеорологической организацией EUMETSAT 
(Eurpean Organisation for the Explotation of Meteological Satellites) спутники MetOp.
Фактически три агентства (NOAA, министерство обороны 
США, NASA) будут вести спутники NPOESS и собирать требуемые данные. Разработаны новые технологии получения инфракрасного (ИК) и микроволнового изображения, зонды, что в целом 
позволит считать систему NPOESS системой наблюдения природной среды [И7].
Спутники NPOESS будут размещены на орбитах высотой 833 км 
в трех узлах плоскости орбиты с различным временем пересечения