Ugrás a tartalomhoz

Műholdakról távérzékelt adatok feldolgozása és hasznosítása

Mika János, Utasi Zoltán, Biró Csaba, Pénzesné Kónya Erika (2011)

EKF TTK

3.A távérzékelési rendszerek műszaki paramétereinek áttekintése

3.A távérzékelési rendszerek műszaki paramétereinek áttekintése

A műholdas távérzékelés rendszerek alapvetőn két részre oszthatók: a földi és a világűr szegmensre. A földi elemek jelentik a műholdak pályára állításához, követéséhez és adatfeldolgozáshoz szükséges berendezéseket (pl. indítóállomások, követőállomások), míg a világűrbe a műholdak kerülnek.

3.1Földi szegmensek

A földi kiszolgáló berendezések helyszínének kiválasztásában fő szempontja a műszaki alkalmasság. A cél a műholdakkal való összeköttetés minél nagyobb üzembiztonsága és lehetőség szerint a kapcsolat minél hosszabb időtartama. Kétféle időtartam különböztethető meg:

  1. Kapcsolat időtartama (contact time): azon időtartam, amíg a műhold és a földi szegmens képes kommunikálni egymással.

  2. Letöltési időtartam (download time): az adatok műholdról való letöltésének ideje.

A letöltési idő rövidebb, mint a kapcsolat ideje, mivel a keringési pályának csak egy rövidebb szakaszán lehetséges az adatok biztonságos letöltése. Ennek oka például, hogy a horizont közelében tartózkodó műhold jele több utat tesz meg a földfelszín közelében, így nagyobb az esélye a jel zavarásának is.

A műholdkövető állomásokat lehetőség szerint sűrűn lakott területektől távol helyezik el, ugyanis a kisebb emberi aktivitás miatt a jelzavarás valószínűsége is kisebb. Másrészt a poláris területek is alkalmasabbak: ennek oka, hogy egy pólus környéki pályán mozgó műhold (a többség ezek közé tartozik) keringési periódusonkénti pályái is közel kerülnek egymáshoz (pl. 90°-os inklinációnál mindig áthalad a póluson), s így abban az esetben, ha az egyik keringési periódus során az adatok letöltése meghiúsul, a következő során még mindig elég közel lesz a bázis-állomáshoz a sikeres művelet érdekében.

Az Európai Űrügynökség (ESA) fontosabb állomásai a Kanári-szigeteken (Las Palmas) és Norvégiában (Kiruna és Spitzbergák) vannak. (S nem utolsósorban az adott terület politikai helyzete is lényeges szempont lehet, hiszen a napjainkban sajnálatosan megerősödött terrorizmus célpontjai lehetnek – viszonylag kis rombolással óriási károkat lehet okozni.)

A műholdak pályára állítása bonyolult és rendkívül költséges művelet, erre mindössze néhány ország képes. A starthely kiválasztását a földrajzi adottságok határozzák meg leginkább (alacsonyabb földrajzi szélességről könnyebb – és így olcsóbb is – a fellövés, másrészt a terület politikai jellemzői is lényeges súllyal szerepelnek. Az ESA a Francia Guyana (Kourou) állomását használja főként.

3.2Műholdak paraméterei

A műholdak pályaadatai

A műholdak pályája a következő értékkel adható meg:

  1. A (földfelszíntől mért) magasság

  2. A keringési sík egyenlítővel bezárt szöge (inklináció)

  3. Az – előző kettővel szoros összefüggésben lévő – keringési idő

  4. Újralátogatási idő: egy adott pont feletti ismételt áthaladás

Pályamagasság

Minden érték a kívánt felbontás (későbbiekben ismertetésre kerülő) paramétereinek megfelelően kerül meghatározásra.

Pályamagasság alapján három csoportba oszthatók:

  1. Alacsony földkörüli pálya (LEO – Low Earth Orbit): 0-2000 km

  2. Közepes földkörüli pálya (MEO – Medium Earth Orbit): 2000-35768 km

  3. Magas földkörüli pálya (HEO – High Earth Orbit): 35768 km (geoszinkron pálya) fölött

A pálya a körtől az ellipszisig terjedhet.

Inklináció

Az inklináció értéke a műhold pályájának a Föld egyenlítői síkjával bezárt szöge, mely direkt irányban (az óramutató járásával ellentétesen) értendő. Ezen érték egyben meghatározza a vizsgált földfelszín kiterjedését is, mivel ez az Egyenlítőtől mindkét irányban az inklináció értékének megfelelő szélességi körökig terjed. Például 30°-os érték esetén nagyjából a térítők által határolt, trópusi öv vizsgálható.

0°-os inklináció esetén a műhold az Egyenlítő síkjában mozog. A keringési időt megfelelően megválasztva elérhető, hogy a Föld és a műhold szögsebessége azonos legyen, azaz mindig a földfelszín egy bizonyos pontja fölött helyezkedik el (a felszínről nézve az égbolt egy pontjában „áll”). Ez az ún. geoszinkron, vagy más néven geostacionárius pálya, mely 35900 km-es magasságban valósítható meg. Ezen pálya előnye, hogy egy adott területről állandó megfigyelést tesz lehetővé, így kiválóan alkalmas a gyors változások monitorozására. Ilyenek pl. meteorológiai műholdak, de más, földfelszíni folyamatok (pl. erdőtüzek) nyomon követésére is alkalmas. A hátránya viszont a korlátozott térbeli felbontóképesség: ennek oka egyrészt a földfelszíntől való nagy távolságból adódik, másrészt a nadírponttól távolodva (a Föld görbülete miatt) növekszik és torzul az egy szenzorra jutó terület nagysága és mérete.

Amennyiben az inklináció 0°-nál nagyobb, a műholdak a földfelszínhez képest egy szinusz-szerű görbével jellemezhető látszólagos utat tesznek meg, melynek során minden keringési periódusban más-más ponton metszik az Egyenlítőt (2.2 ábra és 2.1 animáció). A sodródásnak (drift) nevezett jelenség miatt a lefedett terület „elcsúszik”, az inklinációtól és a pályamagasságtól függően kelet vagy nyugat felé.

2.2 ábra: A műholdpálya földfelszíni vetülete

ERICC-constellation1.avi

2.1 animáció: Egy elméleti, retrográd keringésű műhold pályája

0°-90° közé eső pályasík esetén a műhold DNy-ÉK irányban halad. Kétszer metszi az egyenlítői síkot, ebből az északi féltekére történő átlépését felszálló csomónak, a déli féltekére történőt pedig leszálló csomónak nevezzük.

Megfelelő repülési pályát választva (általában 1000 km alatti magassággal és 80-100 perces keringési idővel kalkulálva) elérhető, hogy a műhold mindig azonos – helyi – időben tartózkodjon egy adott pont felett, ez az ún. napszinkron pálya. Ennek előnye, hogy a felvételek összehasonlíthatóak, hiszen – első megközelítésben – a fényviszonyok mindig azonosak. Hátránya viszont a hosszú újralátogatási idő. Alaposabban körüljárva a kérdést viszont elmondható, hogy az azonos időpontban történő újralátogatás sem biztosítja az azonos megvilágítási feltételeket, hiszen például a Nap deklinációjának éves járásából adódó delelésmagasság-változás is befolyásolja.

A 90° körüli inklináció a kvázipoláris (közel poláris) pályát jelenti.

90°-180° közötti inklináció esetén a műhold mintegy szemben halad a Föld forgási irányával, ezért nevezik másképpen retrográd pályának is.

Keringési idő

A pályamagasság és a műhold sebessége a Kepler-törvények értelmében fordítottan arányos, azaz alacsonyabban gyorsabban haladnak. Értéke a 24 óra (geoszinkron) és egy-két óra között lehet.

A műholdak szerkezete

Az 2.3 ábra és 2.2 animáció egy elméleti műhold fontosabb szerkezeti elemeinek áttekintő sémája, a burkolat eltávolítása után. Ahhoz, hogy a szenzorok megfelelően működjenek, több alrendszer összehangolt működésére van szükség, melyek megtervezésénél és kialakításánál alapvető szempont a gazdaságosság és célszerűség. Értve ez alatt azt, hogy a felhasználó igényeit összhangba kell hozni a műszaki és pénzügyi lehetőségekkel, biztosítani kell a berendezés minél hosszabb ideig tartó, zavartalan működését. A műholdak méretében és struktúrájában természetesen igen jelentős eltérések lehetnek, de alapvető alrendszereik a következőkben bemutatásra kerülő sémával leírhatók.

2.3 ábra: Egy műhold főbb szerkezeti elemei

(1. vázszerkezet, 2. magasság- és pályakontroll, 3. energiaellátás, 4. hőszabályozás, 5. szenzorok és adatkezelés, 6. meghajtás)

Mein Film.wmv

2.2 animáció: Egy műhold főbb szerkezeti elemei

Vázszerkezet

A vázszerkezetnek alapvető feladata a további alrendszerek stabil rögzítése. Elvárás a nagyfokú stabilitás (hiszen a fellövés során ható jelentős erőknek is ellen kell állnia), másrészről a kis súly. Ezt a feladatot különleges ötvözetek használatával oldják meg. Léteznek előre gyártott platformok, melyek jelentős költségcsökkentést eredményeznek, de sokszor nem kerülhető meg az egyedi szerkezet alkalmazása. A váz alakjának lehetőség szerint olyannak kell lennie, hogy a hordozóeszköz rakterét minél gazdaságosabban használja ki. Az 1.3 ábrán bemutatott, trapéz keresztmetszetű alak például lehetővé teszi egyszerre több (jelen esetben 8 darab) műhold pályára állítását.

A vázszerkezet burkolatának kettős elvárásnak kell megfelelnie: egyrészt kellőn könnyű legyes, ugyanakkor stabil, ellenálló is. Biztosítania kell a belső részek védelmét, például a sugárzás, mikrometeoritok és hőmérsékleti szélsőségek tekintetében.

Magasság- és pályakontroll

A szakterminológiában az angol kifejezéssel AOCS-nak (Altitude and Orbit Control System) rövidített magasság- és pályakontroll berendezések gondoskodnak a műhold pályára állítása után annak megfelelő helyzetéről, mely jelenti egyrészt a keringési paramétereket, másrészt a felszínhez viszonyított megfelelő pozíciót.

A régebbi műholdak jórészt még nem, vagy csak igen korlátozottan rendelkeztek a pályamódosításhoz szükséges meghajtási rendszerrel. Így a pályára állítás pontossága kulcsfontosságú volt, mivel a későbbiekben már nem volt lehetőség a korrigálásra. Újabban már rendelkeznek – igaz, korlátozottan – hajtóművel, melynek üzemanyaga általában az igen veszélyes hidrazin.

A keringési pályán arról is gondoskodni kell, hogy a szenzorok a megfelelő irányba (a nadírpontba) nézzenek. Kétféle stabilizálással oldható meg ezen feladat. A – főképpen régebben alkalmazott – megoldás az egy tengely mentén történő stabilizálás. Ehhez a műholdat hossztengelye körül forgásba hozták. A módszer előnye, hogy külön – aktív – beavatkozást (pl. meghajtást) a későbbiekben már nem igényel. Hátránya, hogy a felvételezés korlátozott, hiszen a forgás során csak a Föld felé néző pozícióban lehetséges.

A modern rendszereket már három tengely mentén stabilizálják, a megfelelő pozíciót folyamatos korrekciókkal (pl. fúvókákkal) biztosítják. Előnye a folyamatos felvételezés lehetősége, hátránya az üzemanyag-igénye. Mindezek ellenére is felléphet az ún. billegés, azaz a műhold a nadírponthoz képest elmozdul, de ez egy bizonyos értéket azonban nem haladhat meg.

Energiaellátás (EPS – Energy Propulsion System)

A szakterminológiában az angol kifejezéssel EPS-nek rövidített energiaellátási rendszer biztosítja a műhold működését. Két fő összetevője az energiatermelés és az energiatárolás.

Az energiatermelés a Nap energiáját felhasználó, a fényt egyenáramú elektromossággá alakító napelemekkel történik. Ezek mérete és elrendezése a berendezések összenergiaigényétől függ. Nyilvánvaló, hogy ezek összfelülete arányos a megtermelt energia mennyiségével, de nem ez az egyedüli szempont: sokat számít az elrendezésük is. A napelemek elhelyezésének legegyszerűbb módja a műhold felületének beborítása, viszont ez csak korlátozott méretű területet jelent. Nagyobb energiaigény esetén szükség van kiálló, a vázhoz rögzített panelekre („szárnyakra”), melyeket viszont a fellövés során összehajtogatott állapotban vannak, s űrbéli kihajtogatásuk sokszor okozott már gondot. Nem elegendő azonban csupán a napelemek megfelelő összfelülete, gondoskodni kell annak megfelelő helyzetéről is. Könnyen belátható ugyanis, hogy a nadírba tájolt műhold a Naphoz képest folyamatosan változtatja pozícióját, így a napelemeket egyre kisebb szögben – e végül egyáltalán nem – éri a napsugárzás, mely jelentős ingadozásokat okozna az energiaellátásban. Alapvetően kétféle módon oldható meg a probléma. A vázhoz csatlakoztatott panelek – kis elektromotorok segítségével – a megfelelő irányba állíthatók. A vázat borító napelemek esetén erre nincs lehetőség: az egyedüli megoldás a kapacitás túlméretezése, azaz egyszerűen fogalmazva: amennyiben az egész felületet beborítják, az energiatermelés biztosított, hiszen valamelyik irányból csak megvilágítja a Nap.

Mindezek mellett a műhold pályájának felén a Föld árnyékában nem képes energiatermelésre. Ezért is alapvető fontosságú a megfelelő kapacitású energiatárolás. Ezen akkumulátoroknak óriási igénybevételt kell kibírniuk: például egy 120 perces keringési alatt 60 percig töltődnek, majd ugyanennyi idő alatt teljesen lemerülnek; mindezt naponta 12-szer. Az átlagos, több éves elvárt működési időt tekintve könnyen belátható, hogy hétköznapi akkumulátorainknál mennyivel nagyobb igénybevételnek kell megfelelniük.

Hőszabályozás (TCS – Thermal Control System)

A hőszabályozás feladata a megfelelő üzemi hőmérséklet kialakítása. Az eltérő berendezések nagyon különböző hőmérsékleti optimumon működőképesek, s a világűr hidege, valamint a napos oldal felmelegedése is komoly kihívások elé teszi ezen rendszereket.

A hőszabályozás jelentheti a berendezések hűtését vagy fűtését, melyek aktív vagy passzív rendszerekkel valósíthatók meg. A legegyszerűbb passzív rendszerek az ún. radiátorok, melyek lényege, hogy a műhold burkolata alatt hőcserélő rendszer működik: a napsütéses oldalon felmelegedő folyadékot átvezetik az árnyékos oldalra. Előnye az egyszerűsége és minimális többletenergia-igénye, hátránya a korlátozott hőmérsékleti tartomány. Az aktív rendszerek fűtő- vagy hűtőberendezései már lényegesen szélesebb intervallumú temperálást tesznek lehetővé, viszont nagyon energiaigényesek.

Szenzorok és adatkezelés (DH + TT&C – Data Handling and Telemetry Tracking and Control)

A telemetria feladata a műhold és a földi állomások közötti kapcsolattartás. Ennek során történik meg egyrészt a repüléshez szükséges adatok továbbítása, másrészt az adatok letöltése. A két feladat más-más prioritásokat igényel: a navigáció adatmennyisége kisebb, viszont kulcsfontosságú a kapcsolat biztonsága, míg ezzel szemben a távérzékelt adatok letöltése nagyobb volumenű, időszakos feladat. Egyszerűen szólva kisebb probléma a mérési adatok egy részének, mint magának a műholdnak az elvesztése. Ennek megfelelően a kommunikáció is különböző rádióhullám-tartományokban zajlik (előbbi az X, utóbbi az S csatornán).

A mérések során rövid idő alatt óriási adatmennyiség keletkezik, ezért ezek gyors, jelentős kapacitást igénylő tárolására nagy hangsúlyt fektetnek. A fedélzeti berendezések korlátozott mérete, a rendelkezésre álló energia szűkössége látszólag szemben áll a minél biztonságosabb adattárolás elvárásával: ugyanis előfordul, hogy a műhold és a bázisállomás között az áthaladás idején nem jön létre kapcsolat, s így a következő keringési periódusig meg kell őrizni az adatokat, miközben természetesen újabbak is keletkeznek. Kompromisszumos megoldásként általában 2-3 keringés időtartamára tárolódnak el az adatok, majd felülíródnak az újabbakkal.

A szenzorok kalibrálása a mérések megkezdése előtt, illetve – ellenőrző jelleggel – a későbbiekben is szükséges. Referenciaként használatos a világűr vagy a műhold belsejében egy sötét terület, a Nap és a horizont.

Ellenőrző kérdések

Önellenőrző kérdések:

Milyen pásztázó rendszereket ismer?

Melyek a felbontás paraméterei?

Melyek a műholdak fontosabb szerkezeti elemei?

Teszt:

Melyik fogalom jelenti több csatorna detektálását?

a, Pánkromatikus

b, Multispektrális

Magasabb pályán haladó műhold esetén hogyan változik a térbeli felbontás?

a, Csökken

b, Nő

Általában miből nyerik az energiát a műholdak működésükhöz?

a, Hidrazin elégetéséből

b, Napelem

III.A műholdas távérzékelési fizikai alapjai

A távérzékelés azt a tudományt értjük, melynek keretében egy tárgyról vagy jelen esetben a Föld felszínéről úgy gyűjtünk adatokat (ismereteket), hogy közvetlenül nem létesítünk vele fizikai kapcsolatot. A légi fényképezés néhány száz méter vagy pár km magasságból történik, a műholdas távérzékelés azonban több száz vagy több ezer km magasságból rögzíti a felszínről visszavert vagy felszín által kibocsátott elektromágneses sugárzást. (Az előbbi esetben aktív, az utóbbi esetben passzív távérzékelésről beszélünk. E megkülönböztetés semmilyen értékelést nem hordoz, csupán azt jelenti, hogy a műszer (hordozó eszköze) maga kibocsátott-e valamilyen sugárzást, vagy az objektum felől érkező jeleket dolgozzuk fel.

A távérzékelés előfeltétele, hogy kölcsönhatás jöjjön létre az információt közvetítő elektromágneses sugárzás és a megfigyelt objektum felülete között. A képalkotó berendezések (szenzorok) alkalmazása kapcsán bemutatjuk azt a hét elemet, amely szerepet játszik az adatok létrejöttében és rögzítésében. (Csathó É., 2003). Ezen elemek a következők:

  1. Az elektromágneses sugárzás forrása – a távérzékelés első előfeltétele. A sugárzás forrása világítja meg a vizsgálni kívánt tárgyat (felszínrészt).

  2. Sugárzás és az atmoszféra – amint a sugárzás a forrástól eljut a vizsgált tárgyig ill. onnan visszaverődik a képalkotó berendezésbe, kétszer megy keresztül a légkörön.

  3. Kölcsönhatás a vizsgált tárggyal – miután a sugárzás eléri a vizsgált tárgyat, azzal kölcsönhatásba kerül. A kölcsönhatás jellege a tárgy és a sugárzás jellemzőitől függ.

  4. A képalkotó berendezés (szenzor) rögzíti a rá jutó energiát. Miután az elektromágneses sugárzás által közvetített energia a tárgyon szóródik, visszaverődik (részben elnyelődik), vagy a tárgy maga is bocsát ki saját sugárzást, olyan berendezésre (szenzorra) van szükségünk, amely összegyűjti és rögzíti a beérkező elektromágneses sugárzást.

  5. Adattovábbítás, adatvétel és adatfeldolgozás – a szenzorok által rögzített energiát földi állomásra továbbítják, ahol különböző digitális képi feldolgozásnak vetik alá, mielőtt azok eljutnának a felhasználókhoz.

  6. Az adatok értékelése – vizuálisan vagy különböző feldolgozó számítógépi programok segítségével az adatokat kiértékeljük.

  7. Az adatok alkalmazása – a távérzékelési folyamat végső eleme, amikor a rögzített adatokból kivont információk segítségével következtetéseket állapítunk meg a vizsgált felszínrészre vagy jelenségre vonatkozóan.

E fejezetben az első négy ponttal foglalkozunk. A további pontok a következő alfejezetekben kerülnek bemutatásra.