Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics) Číslo 16 – vyšlo 19. dubna, ročník 2 (2004) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

16/2004

IKONOS – první komerční družice se submetrovým rozlišením

Jiří Hofman

Je tomu již více jak čtyři a půl roku, kdy se na druhý pokus podařilo umístit na oběžnou dráhu kolem Země družici IKONOS. Tento soukromý satelit od té doby poskytuje obrázky povrchu Země v rozlišení, kterého předtím dosahovaly pouze vojenské špionážní družice. Světu se tak za poměrně malý peníz otevřely nové možnosti mapování krajiny a sledování změn zemského povrchu.

IKONOS - řecky „obrázek“, komerční družice vypuštěná v roce 1999 poskytující obrázky zemského povrchu v submetrovém rozlišení. Submetrové rozlišení - rozlišení pod 1 m na pixel. Zenit (nadhlavník) - bod svisle nad námi. Nadir (podnožník) - opak zenitu, bod přímo pod námi. Astigmatismus - optická vada, při které se dva mimoosé paprsky zobrazí do dvou různých ohnisek kolmo na osu. Astigmatické zrcadlo je konstruováno tak, že tuto vadu nemá.

Trocha historie

Před vypuštěním družice IKONOS se komerčně dostupné snímky zemského povrchu pohybovaly v rozlišení desítek, či spíše stovek metrů na pixel. Vzrůstající poptávka po lepších a levnějších snímcích inspirovala coloradskou firmu Space Imaging k projektu družice, která by takové snímky dokázala levně pořídit a dopravit na Zemi.

První pokus o vypuštění družice IKONOS 27. dubna 1999 se nezdařil. Raketa Athena 2 firmy Lockheed Martin úspěšně vynesla ze základny vzdušných sil Vandenberg v Kalifornii svůj náklad téměř až na plánovánou oběžnou dráhu. Pravděpodobně kvůli závadě na elektrickém systému selhalo otevření 600 kg krytu, který chránil samotný IKONOS při průletu atmosférou. Poté se celý čtvrtý stupeň rakety i s družicí zřítil do jižního Pacifiku.

Družice byla při startu pojištěná, a tak se začala firma Space Imaging okamžitě připravovat na start dvojčete. Družice IKONOS 2 byla v té době již prakticky připravena pro případ právě takového selhání. 24. září téhož roku se po obdobném startu podařilo družici IKONOS 2, vážící 726 kg, dopravit na požadovanou oběžnou dráhu.

Parametry a vybavení

IKONOS dosahuje v nadiru (v bodě přímo pod družicí) i z výšky 680 km neuvěřitelného submetrového rozlišení. Díky relativně vysoké oběžné dráze mají snímky toto rozlišení až do vzdálenosti 350 km od nadiru (cca 26°). Přesněji řečeno, v nadiru mohou mít obrázky rozlišení až 0,82 m při černobílém a 3,2 m při multispektrálním snímání. Se vzdáleností od nadiru se rozlišení snižuje. Každé místo na Zemi tak může IKONOS znovu navštívit a v metrovém rozlišení vyfotografovat jednou za dva a půl dne. Když nám bude stačit jen rozlišení 2 m na pixel, pak zvládne totéž za necelý den (oboje platí pro 50° zeměpisné šířky).

Celá kamera se skládá ze tří částí: lehkého dalekohledu, senzorové matice umístěné v ohnisku a kompresoru dat. Všechny díly pocházejí z laboratoří firmy Kodak.

Dalekohled je astigmatický, třízrcadlový systém. Zrcadel je v něm vlastně pět, ale jen tři z nich jsou zakřivená. Celý dalekohled je dlouhý 1 524 mm, široký 787 mm a váží 109 kg. Přesto jeho ohnisková vzdálenost činí 10 m. Hlavní zrcadlo má v průměru 70 cm a je složeno z deseticentimetrových šestiúhelníkových segmentů. Váží pouhých 13,4 kg. Vyleštěno bylo pomocí skvělé technologie Ion Figuring. Kdyby se zrcadlo zvětšilo tak, že by mělo 100 km v průměru, tak by nejvyšší hrbolky na něm byly vysoké 1,2 mm. Rozřezáno na segmenty bylo neméně unikátní technologií Waterjet. Přesnost usazení zrcadel by se dala přirovnat úhlu, pod kterým vidíme lidský vlas ze vzdálenosti šesti metrů.

Dalekohled na palubě družice IKONOS

Oko družice, tedy speciální senzor, je velké 25×23×23 cm a je schopné najednou zachytit alespoň v jednometrovém rozlišení území o rozloze 11×11 km. To znamená, že senzory musí mít velmi malou rozteč, 48 μm v případě multispektrálních ("barevných“) senzorů a dokonce 12 μm v případě panchromatického ("černobílého“) senzoru. Senzory jsou potaženy speciálním filtrem, který se nanášel ve tři sta krocích, kdy přesnost každé vrstvy nanesené v daném kroku byla řádově v Ångstromech  (10⁻¹⁰ m). Celý filtr má tloušťku zhruba 20 μm a propouští podle potřeby světlo ve čtyřech pásmech: modrém, zeleném, červeném a blízkém infračerveném. Pátá složka filtru řídí propouštění jen některých vlnových délek modrého a infračerveného světla. Senzory jsou jedenáctibitové.

Pásmo	od [nm]	do [nm]
Panchromatické	450	900
Modré	450	520
Zelené	510	600
Červené	630	700
Blízké IČ	760	850

Poměrná spektrální citlivost pro všech pět pásem

Senzory produkují gigabit dat za sekundu. Takové množství dat by se přenášelo použitou linkou 320 Mbps na Zemi příliš dlouho, ani 64 Gb vyrovnávací paměti na palubě satelitu nepomůže. Takže se ihned provádí téměř bezeztrátová komprese, aby se dosáhlo podílu 2,6 bitu na pixel. Komprese běží paralelně ve 36 kanálech, celkem rychlostí 115 milionů pixelů za sekundu. Díky tomu firma Space Imaging vydělává čtyřikrát tolik.

Celkem elektronika produkuje nepřetržitě zhruba 100 W tepla. Na jednu stranu je potřeba mít všechny části o stejné teplotě, na druhou stranu musí být tato teplota  nízká, aby se zabránilo elektronickému šumu. Na několika místech jsou tak přidány termostaticky spínané ohřívače, zatímco jiná místa je potřeba chladit. Celá družice je napájena elektřinou ze tří slunečních panelů.

Povrch Země je při stereoskopickém mapování zaměřován a fotografován s přesností až 1,5 m, a to jak ve směru horizontálním, tak ve směru vertikálním. Tuto přesnost zajišťují tři přijímače signálu GPS a tři digitální sledovače hvězd spolu s gyroskopy.

Následovníci družice IKONOS

Samozřejmě úspěch firmy Space Imaging jen popohnal snahu dalších společností vyslat na oběžnou dráhu podobný nebo raději ještě lepší satelit. 18. září 2001 se také na druhý pokus vznesla družice Quickbird firmy Digital Globe, které bylo na poslední chvíli zvýšeno rozlišení z jednoho metru na 61 cm v případě panchromatického a ze 4 m na  2,5 m v případě multispektrálního snímání. Fotografuje navíc najednou i větší území než IKONOS, 16,5×16,5 km. Z dalších jmenujme alespoň Envisat-1 Evropské kosmické agentury (až 61 cm) nebo mezinárodní EROS-A1 (až 1,5 m). A na svůj start se chystá mnoho jiných, včetně dvou přímých následníků družice IKONOS, kteří mají v roce 2006 dosahovat až půlmetrového rozlišení.

Animace a fotografie

 

Nalevo: Praha, přibližně 16 m/pixel.
Napravo: Následky tornáda v Oklahomě 8. 5. 2003, 1 m/pixel.

 

Nalevo: Aricebo v Portoriku, 1 m/pixel. Napravo: Bora Bora, 4 m/pixel

   

Nalevo: Přehrada Itaipu, 1 m/pixel. Napravo: Mars 26. srpna 2003, 67 km/pixel.
IKONOS může snímat okolní vesmír, ale dělá to výjimečně, většinou pro kalibraci.

Ukázka práce družice IKONOS (avi, 0.5 MB)

Vypuštění družice IKONOS (avi, 3 MB)

Odkazy