КОСМИЧЕСКИЕ АППАРАТЫ, СИСТЕМЫ И ПРОГРАММЫ ИЗК
ГИПЕРСПЕКТРАЛЬНАЯ СЪЕМОЧНАЯ АППАРАТУРА ДЛЯ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА "РЕСУРС-П" © 2014 г. С. А. Архипов1*, А. И. Бакланов2, В. М. Линько1
1 ОАО "Красногорский завод им. С.А. Зверева", Красногорск 2Филиал ФГУП "ГНПРКЦ "ЦСКБ-Прогресс" НПП "ОПТЭКС", Красногорск *Е-таП: arhipof@zenit-kmz.ru Поступила в редакцию 28.11.2013 г.
Гиперспектральная съемочная аппаратура, установленная на космическом аппарате "Ресурс-П", обеспечивает получение гиперспектральной информации дистанционного зондирования Земли с пространственным разрешением 30 м в 130 спектральных каналах, в полосе захвата 30 км. Дается описание основных технических характеристик аппаратуры. Раскрыты состав, конструкция, оптическая схема, особенности фотограмметрической и радиометрической калибровок аппаратуры, функции и структура наземного программно-методического обеспечения сопровождения съемочной аппаратуры в эксплуатации.
Ключевые слова: дистанционное зондирование Земли, гиперспектральный, съемочная аппаратура, ПЗС-матрица, пиксел, объектив, конструкция, радиометрический, фотограмметрический, калибровка
Б01: 10.7868/80205961414030014
ВВЕДЕНИЕ
Гиперспектральная съемочная аппаратура (ГСА) разработана, изготовлена, испытана и поставлена в ФГУП ГПНРКЦ "ЦСКБ-Прогресс" в 2012 г. В конце 2012 г. были завершены комплексные испытания ГСА, а 30 июня 2013 г. состоялся ее успешный запуск в составе космического аппарата (КА) "Ресурс-П". Головной разработчик и изготовитель ГСА — ОАО "Красногорский завод им. С.А. Зверева". В состав кооперации предприятий, создавших аппаратуру, вошли: ФГУП ГНПРКЦ "ЦСКБ-Прогресс", в части обоснования назначения и целевого использования ГСА, филиал ФГУП "ГНПРКЦ "ЦСКБ-Прогресс" НПП "ОПТЭКС", в части системы приема и преобразования информации, ЗАО "НПП "ЭЛАР", в части фотоприемного устройства.
ТАКТИКО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
Схемотехнические решения и архитектура КА "Ресурс-П", задачи его целевого применения, определяющие назначение, состав и строение ГСА, достаточно полно раскрыты в статье (Кирилин и др., 2010).
ГСА предназначена для:
— гиперспектральной съемки поверхности Земли в видимом и ближнем ИК-диапазонах спектра в режиме "push-broom";
— аналогово-цифрового преобразования гиперспектральной видеоинформации (ГВИ), ее упаковки и передачи в высокоскоростную радиолинию (ВРЛ) КА "Ресурс-П";
— предварительной обработки и хранения ГВИ после ее восстановления на наземном пункте приема информации;
— радиометрической обработки ГВИ;
— фотограмметрической обработки ГВИ.
ГСА — это калиброванный спектрорадиометр, обеспечивающий измерение спектральной плотности энергетической яркости (СПЭЯ) на верхней границе атмосферы (на входе в ГСА) с погрешностью не более 5%, а также фотограмметрическую привязку ГВИ с погрешностью не более 5 угл. с.
Основные тактико-технические характеристики ГСА впервые были раскрыты в докладе (Архипов и др., 2009) и представлены в табл. 1.
ОПИСАНИЕ АППАРАТУРЫ
В состав ГСА входят:
а) система оптико-механическая (СОМ), включающая:
— блок формирования изображения с объективом изображающим (ОИ) и блоком калибровки,
— спектрометр двухканальный с оптико-электронными приемниками изображения каналов ВД1 и ВД2 (ОЭП),
ГИПЕРСПЕКТРАЛЬНАЯ СЪЕМОЧНАЯ АППАРАТУРА 79
Таблица 1. Основные тактико-технические характеристики ГСА
Параметр Значение
Полоса захвата, км 30
Пространственное разрешение (размер проекции пиксела), м 30
Спектральный диапазон, нм
— канал ВД1 400-650
— канал ВД2 630-1000
Число спектральных каналов 130
Спектральное разрешение (интервал спектральной выборки, среднее значение), нм
— канал ВД1 4.5
— канал ВД2 6.5
Среднеквадратическая погрешность интервала спектральной выборки, нм 1.0-1.5
Отношение сигнал/шум на верхней границе динамического диапазона входного сигнала >200
Нелинейность градуировочных характеристик, % <1.0
Неравномерность сигнала при визировании равнояркой поверхности, % <2/0
Коэффициент передачи модуляции на частоте Найквиста 0.3-0.35
Погрешность привязки шкалы длин волн, нм <1.5
Погрешность привязки ГВИ к бортовой шкале времени, с 5 х 10-4
Разрядность квантования сигнала, бит 14
Динамический диапазон >3000
Среднеквадратическая погрешность измерения СПЭЯ на верхней границе <5.0
динамического диапазона входного сигнала, %
Информационный поток, Мбит/с 552
Среднеквадратическая погрешность аттестации параметров внутреннего 5.0
ориентирования, угл. с
Энергопотребление, Вт <250
Масса, кг <150
— элементы системы термоградиентной стабилизации;
б) система приема и преобразования гиперспектральной информации (СППИ-ГСА), включающая, наряду с ОЭП'ами:
— источник питания ОЭП,
— блок управления ГСА, в котором реализуются информационно-командный и телеметрический интерфейсы ГСА с системами КА и формируется циклограмма управления аппаратурой,
— блок управления СОМ, в котором размещены контроллеры управления СОМ-ГСА,
— специальное программное обеспечение,
— алгоритмы восстановления выходной информации;
в) бортовая кабельная сеть;
г) контрольно-проверочная аппаратура;
д) испытательное программное обеспечение;
е) наземное программно-методическое обеспечение.
Общий вид СОМ ГСА представлен на рис. 1.
Оптическая система ГСА изображена на рис. 2 и содержит:
— объектив изображающий (ОИ, поз. 1),
— призменное устройство узла фокального (поз. 2, 3, 7, 11),
— двухканальный спектрометр, каждый из каналов которого содержит объектив коллимирую-щий/фокусирующий (ОКФ, поз. 4, 8), дисперсионное устройство (поз. 5, 9) и автоколлимационное зеркало (поз. 6, 10).
Объектив изображающий формирует движущееся изображение подстилающей поверхности на входных щелях (поз. 2) каналов ВД1 и ВД2 спектрометра, установленных в фокальной плоскости ОИ. Каналы спектрометра выполнены по схеме оборачивающей системы с параллельным ходом лучей между объективами и телецентрическим ходом лучей в пространстве изображений. Предметом для оборачивающей системы являются входные щели каналов. Зрачки оптических систем каналов спектрометра и ОИ согласованы.
Рис. 1. Общий вид СОМ ГСА.
Каждый ОКФ коллимирует пучок лучей от изображения, ограниченного входной щелью спектрометра. На дисперсионных устройствах, установленных в параллельном пучке лучей, это изображение раскладывается в спектр, который, после отражения от автоколлимационного зеркала, снова попадает в ОКФ и проецируется на кадровый приемник изображения. При этом в направлении строки приемника изображается пространство, в направлении столбца - спектр изображения подстилающей поверхности, ограниченного щелью.
Основные параметры объективов приведены в табл. 2.
СППИ ГСА (Бакланов и др., 2013) выполняет следующие функции:
— регистрация ГВИ и передача ее в ВРЛ,
— информационно-командный и телеметрический интерфейс с системами КА,
— формирование циклограммы управления работой составных частей ГСА в заданных режимах функционирования,
— диагностика неисправности в основных комплектах автоматическое переключение на резервные комплекты блоков СППИ ГСА и устройств ГСА.
В оптико-электронных приемниках изображения СППИ ГСА используются матричное фото-
Таблица 2. Конструктивные параметры объективов ГСА
Параметр Объектив
ОИ (поз. 1) ОКФ-ВД1 (поз. 4) ОКФ-ВД2 (поз. 5)
Спектральный диапазон, мкм 0.4-1.0 0.40-0.65 0.63-1.0
Фокусное расстояние, мм 285 270 270
Относительное отверстие 1 : 3.2 1 : 3.2 1 : 3.2
Линейное поле изображения, мм 19.0 30.6 30.6
Дисторсия, % <0.15 <0.1 <0.05
Светочувствительная поверхность ОЭП-ВД1
Светочувствительная поверхность ОЭП-ВД2
[7------¡vi
! С^З
Апертурная диафрагма-.
------1------1
Рис. 2. Оптическая схема ГСА.
Выход АR
Секция хранения А
Строка ___ бинирования А
Секция накопления
Строка _ бинирования В
Секция хранения В
Шг-
X 24
24
512
Выходной регистр А
Выход АL
1111111111 Т1П щ 11111 щ щ щ 11111 г г г г т г г г г г г г г г г г г г г г т г г г г г г» 512
Бленда
Выход BR
Темновые элементы
Выходной регистр В
Выход BL
Рис. 3. Структура фотозоны ФПЗС ОЭП ГСА.
1
приемное устройство на основе фоточувствительных приборов с зарядовой связью (ФПЗС). Конструкция и параметры ФПЗС раскрыты в докладе (Вишневский и др., 2013).
Структура фотозоны ФПЗС показана на рис. 3. Формат фотозоны ФПЗС:
— размер фоточувствительных элементов (18 х 18) мкм,
— число элементов в столбце (в направлении движения КА) — 216 элементов,
— число элементов в строке (в направлении захвата ГСА) — 1024 элемента,
- максимальная кадровая частота - 253.3 Гц.
В СППИ-ГСА предусмотрена возможность снижения кадровой частоты в 1, 2, 4, 8 раз, что приводит к соответствующему изменению пространственного разрешения в направлении полета КА.
Фотозона "расщеплена" на две фоточувствительные секции накопления по 108 строк каждая, две идентичные секции хранения формата 112 х 1024, расположенные сверху и снизу от секций накопления и принимающие заряд из соответствующих секций, и четыре идентичных двухфазных считывающих регистра (AR, AL, BR, ВЦ). Секции хранения и несколько первых строк каждой секции накопления закрыты от света блендой (открыты по 89 из 108 строк каждой половинки фотозоны). В пределах этих зон реализована возможность независимого аналогового бинирова-ния строк, что позволяет оптимизировать спектральное разрешение в каналах. Коэффициенты бинирования строк могут быть различны для разных спектральных каналов и определяются тактовой диаграммой. В ФПЗС также реализована возможность бинирования столбцов, что позволяет изменять пространственное разрешение в направлении захвата в 2 и 4 раза.
Кроме основного режима работы - "Съемка", в ГСА реализованы ряд дополнительных служебных режимов, предназначенных для настройки и контроля состояния ГСА:
- режим контроля темновых сигналов информационного тракта;
- режим контроля стабильности чувствительности информационного тракта ГСА в условиях эксплуатации;
- тестовые режимы для проверки правильности представления ГВИ на наземных средствах;
- режимы настройки терморегулирования;
- режим коррекции программного обеспечения.
За одно включение ГС
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.