engineering

Учебник Спутниковые системы и дистанционное зондирование Земли для начинающих

24 урока · 8 разделов · бесплатно, без регистрации

Начать с первого урока

Этот курс — про то, как устроены искусственные спутники Земли и как они «видят» планету. Мы разберём, почему спутник не падает, как выбирают высоту орбиты, сколько территории попадает в кадр, как радиосигнал добивает с орбиты до антенны, чем оптический сенсор отличается от радара и как из псевдодальностей навигатор вычисляет вашу позицию. Каждую формулу мы сразу же считаем на Python (только стандартная библиотека math), чтобы цифры были не абстракцией, а проверяемым результатом. Курс для тех, кто хочет понять физику и инженерию спутников — будущих инженеров, студентов и любознательных школьников старших классов.

Курс «Спутниковые системы и дистанционное зондирование Земли» состоит из 8 разделов и 24 уроков: Зачем спутники и какие бывают орбиты, Орбитальная механика спутника, Зона видимости и покрытия, Радиолиния: как сигнал добивает с орбиты, Полезная нагрузка ДЗЗ, Спутниковая навигация, Подсистемы космического аппарата и Применение ДЗЗ и группировки. Уроки идут по порядку — от основ к более сложным темам, в каждом есть объяснение с примерами, а в конце — вопросы для самопроверки. К урокам привязаны задачи с автоматической проверкой: прочитали тему — сразу закрепили её кодом.

Программа курса

  1. 1 Зачем спутники и какие бывают орбиты

    1. Зачем человечеству спутники

      Какие задачи решают спутники: связь, навигация, наблюдение Земли, наука — и почему орбита даёт уникальный обзор.

    2. НОО, СОО и ГСО: три семейства орбит

      Чем отличаются низкая, средняя и геостационарная орбиты, какие задачи решает каждая высота.

    3. Высота и период: третий закон Кеплера

      Формула периода орбиты T=2π√(a³/μ): как высота однозначно задаёт время оборота, расчёт на Python.

  2. 2 Орбитальная механика спутника

    1. Скорость на круговой орбите

      Формула первой космической скорости v=√(μ/a), расчёт скорости для НОО, СОО и ГСО на Python.

    2. Прецессия орбиты и сжатие Земли

      Почему плоскость орбиты поворачивается из-за несферичности Земли (эффект J2) и как это используют.

    3. Солнечно-синхронная орбита

      Как подбирают наклонение, чтобы плоскость орбиты поворачивалась на 360° в год — постоянное освещение в кадре.

  3. 3 Зона видимости и покрытия

    1. Угол места и геометрия видимости

      Что такое угол места, почему есть минимальный порог, как высота связана с центральным земным углом.

    2. Размер пятна и ширина полосы съёмки

      Как угол обзора сенсора и высота задают ширину полосы съёмки (swath), расчёт на Python.

    3. Время пролёта спутника над точкой

      Сколько минут спутник виден над наблюдателем: связь со средним движением и углом места, расчёт на Python.

  4. 4 Радиолиния: как сигнал добивает с орбиты

    1. Потери в свободном пространстве

      Формула потерь L=(4πd/λ)², почему сигнал слабеет как квадрат расстояния, расчёт в децибелах на Python.

    2. Бюджет радиолинии

      Как сложить усиления и потери в децибелах и получить мощность на входе приёмника — уравнение Фрииса.

    3. Шум и отношение сигнал/шум

      Тепловой шум N=kTB, отношение сигнал/шум SNR и запас линии — почему слабый сигнал всё равно принимается.

  5. 5 Полезная нагрузка ДЗЗ

    1. Оптические и радарные сенсоры

      Пассивная оптика против активного радара (SAR): чем снимают Землю днём, ночью и сквозь облака.

    2. Пространственное разрешение и GSD

      Что такое GSD, как высота, фокус и размер пикселя задают детальность снимка, расчёт на Python.

    3. Спектральное и временное разрешение

      Сколько спектральных каналов нужно и как часто спутник возвращается: три измерения разрешения ДЗЗ.

  6. 6 Спутниковая навигация

    1. Принцип трилатерации

      Почему для координат нужны минимум 4 спутника: трилатерация по времени и поправка часов приёмника.

    2. Расчёт по псевдодальностям

      Как из времени распространения сигнала получают дальность, простой расчёт псевдодальности на Python.

    3. Точность навигации: UERE и GDOP

      Почему точность зависит не только от ошибок измерений, но и от геометрии спутников: формула UERE×GDOP.

  7. 7 Подсистемы космического аппарата

    1. Энергопитание и солнечные панели

      Как считают мощность солнечных панелей спутника: солнечная постоянная, КПД, площадь — расчёт на Python.

    2. Терморегулирование аппарата

      Почему в космосе спутник одновременно перегревается и мёрзнет, как держат тепловой баланс излучением.

    3. Система ориентации и стабилизации

      Как спутник держит нужную ориентацию: маховики, гироскопы, звёздные датчики и закон сохранения момента.

  8. 8 Применение ДЗЗ и группировки

    1. Спектральные индексы и NDVI

      Что такое NDVI, почему здоровая растительность ярко отражает ближний ИК, расчёт индекса на Python.

    2. Мониторинг и обработка снимков

      Как сырые снимки превращают в карты: калибровка, привязка, композиты и обнаружение изменений во времени.

    3. Запуск и спутниковые группировки

      Как спутники выводят на орбиту, что такое группировки и созвездия, тренд на малые аппараты и кубсаты.