КОСМИЧЕСКИЕ АППАРАТЫ, СИСТЕМЫ И ПРОГРАММЫ ИЗК
МНОГОСПЕКТРАЛЬНАЯ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННАЯ АППАРАТУРА "ГЕОТОН" КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА "РЕСУРС-П" © 2014 г. С. А. Архипов1*, А. И. Бакланов2, В. В. Герасименко1
1ОАО "Красногорский завод им. С.А. Зверева", Красногорск Филиал ФГУП "ГНПРКЦ "ЦСКБ-Прогресс"НПП "ОПТЭКС", Красногорск *Е-таП: arhipof@zenit-kmz.ru Поступила в редакцию 27.07.2013 г.
Многоспектральная оптико-электронная аппаратура "Геотон" установлена на космическом аппарате "Ресурс-П". "Геотон" обеспечивает получение информации дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) с пространственным разрешением 2.4 м в семи узких спектральных каналах с пространственным разрешением 0.8 м в панхроматическом канале, а также в полосе захвата до 38.5 км. В работе дается описание основных технических характеристик аппаратуры, раскрыты состав, конструкция, оптическая схема, особенности фотограмметрической и радиометрической калибровок аппаратуры.
Ключевые слова: дистанционное зондирование Земли, многоспектральная оптико-электронная аппаратура, ПЗС-матрица, пиксел, объектив, конструкция, радиометрическая и фотограмметрическая калибровки
Б01: 10.7868/80205961414020018
ВВЕДЕНИЕ
Многоспектральная съемочная оптико-электронная аппаратура (СА) "Геотон" разработана, изготовлена, испытана и поставлена в ФГУП ГПНРКЦ "ЦСКБ-Прогресс" в 2012 г. В конце 2012 г. были завешены комплексные испытания СА "Геотон", а 30 июня 2013 г. состоялся ее успешный запуск в составе космического аппарата (КА) "Ре-сурс-П". Головной разработчик и изготовитель СА "Геотон" — ОАО "Красногорский завод им. С.А. Зверева". В состав кооперации предприятий, создавших аппаратуру, вошли: ФГУП ГНПРКЦ "ЦСКБ-Прогресс" — в части идеологии построения и применения СА "Геотон", разработки и изготовления корпусной части; филиал ФГУП "ГНПРКЦ "ЦСКБ-Прогресс" НПП "ОПТЭКС" -в части системы приема и преобразования информации и системы управления; ОАО ГОИ им. С.И. Вавилова — в части оптимизации объектива; ОАО ЛЗОС — в части изготовления объектива. СА "Геотон" представляет собой модернизацию съемочной оптико-электронной аппаратуры, которая успешно эксплуатируется в составе КА "Ресурс-ДК" с 2006 г.
ТАКТИКО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
Схемотехнические решения и архитектура КА "Ресурс-П", задачи его целевого применения, определяющие назначение, состав и строение СА "Геотон", достаточно полно раскрыты в статье (Кирилин, Ахметов и др., 2010).
СА "Геотон" предназначена для:
— получения изображений поверхности Земли в панхроматическом (ПХ) и семи мультиспек-тральных (МС) каналах и их преобразования в цифровой информационный сигнал;
— предварительной обработки и упаковки видеоинформации (целевой информации) и передачи ее в радиолинию.
Чувствительность аппаратуры в ПХ- и МС-ка-налах аттестована при наземных испытаниях, что обеспечивает получение данных об эффективной энергетической яркости объектов на входном зрачке аппаратуры с погрешностью не более 10%.
Элементы внутреннего ориентирования в ПХ- и МС-каналах аттестованы при наземных испытаниях аппаратуры с погрешностью не более 6 угл. с, что обеспечивает фотограмметрическую коррекцию снимков.
Таблица 1. Основные тактико-технические характеристики СА "Геотон"
Наименование Значение
Полоса захвата (при съемке с высоты 475 км), км 38.5
Пространственное разрешение, м ПХ-канал МС-каналы <0.8 <2.4
Количество нормированных спектральных каналов ПХ МС 1 7
Длительность маршрута съемки, с от 2 до 300
Отношение сигнал/шум (при значении сигнала близкому к сигналу насыщения) не менее 200
Разрядность представления информации, бит/пиксел 10
Масса, кг 880
Габаритные размеры аппаратуры, м длина максимальный диаметр 4.9 2.2
Основные тактико-технические характеристики аппаратуры "Геотон" представлены в табл. 1.
ОПИСАНИЕ АППАРАТУРЫ
В состав СА "Геотон" входят:
— система приема и преобразования информации (СППИ);
— оптико-механический блок, состоящий из объектива и корпусной части с приборной рамой и иллюминатором;
— блок формирования изображения, состоящий из исполнительного механизма подфокуси-ровки, блока светофильтров, блока калибровки;
— блок системы управления;
— межблочные кабели связи.
Конструктивно аппаратура выполнена в моноблочном исполнении. На рис. 1 представлен общий вид СА "Геотон". Корпусная часть оптико-механического блока является связующим звеном для остальных узлов и одновременно — конструктивной частью КА "Ресурс-П". В оболочке корпусной части размещен контур жидкостного термостатирования, замкнутый на систему терморегулирования КА.
Оптическая схема СА "Геотон" построена на базе линзового телеобъектива-апохромата (фокусное расстояние 4000 мм, относительное отверстие 1 : 8, угол поля зрения 5°30', масса 320 кг). В состав оптической схемы также входят стекло защитное, сменные светофильтры и компенсационные пластины.
Стекло защитное обеспечивает герметичность корпусной части, в которой размещены регистри-
рующие изображение оптико-электронные преобразователи (ОЭП) и электронные блоки СППИ.
Перед входным отверстием СА установлена бленда, предназначенная для защиты ОЭП'ов от засветки прямыми солнечными лучами в условиях эксплуатации.
Блок системы управления обеспечивает прием, обработку и преобразование входной информации, поступающей от бортового комплекса управления (БКУ) КА "Ресурс-П", управление приводами блока формирования изображения, блоком калибровки, развертывание соответствующей циклограммы работы в соответствии с полетным заданием, контроль работоспособности СА, формирование информации оперативного контроля, телеметрического контроля и выдачу ее в БКУ.
СППИ предназначены для преобразования оптического изображения в цифровой сигнал, его предварительной обработки, сжатия и выдачи в радиолинию. Управление и контроль работоспособности СППИ производится от БКУ.
В СА "Геотон" установлены три оптико-электронных преобразователя — ОЭП-ПХ, ОЭП-МС1, ОЭП-МС2, в которых в качестве приемника изображения используются ПЗС-матрицы с временной задержкой накопления заряда.
ОЭП-ПХ работает в одном из следующих двух возможных режимов:
— панхроматический режим (ПХ) в диапазоне спектра (580—800) нм (размер пиксела 6 мкм);
— режим мультиспектральной съемки (ПХ-МС) в диапазоне спектра (800—900) нм (размер пиксела 18 мкм обеспечивается суммированием 3 х 3 пикселов столбцов и строк).
ОЭП-МС1 и ОЭП-МС2 работают в режиме мультиспектральной съемки и имеют по три спектральных диапазона съемки каждый в соответствии с табл. 2.
Расположение фотозон ОЭП в фокальной плоскости СА "Геотон" показано на рис. 2.
Направление оси Z определяется положением фиксирующих элементов (осью штифтовых отверстий каждого приемника). Оси ZОЭП (оси фо-тозон ОЭП) параллельны одноименной оси приборной системы координат.
Оси фотозон ОЭП-МС1 и ОЭП-МС2 расположены симметрично оси ОЭП-ПХ на расстоя-
Таблица 2. Спектральные диапазоны ОЭП-МС1 и ОЭП-МС2
ОЭП Спектральные диапазоны, нм
МС1-1 520—600
ОЭП-МС1 МС1-2 610—680
МС1-3 720—800
МС2-1 450—520
ОЭП-МС2 МС2-2 670—700
МС2-3 700—730
нии ±90 мм относительно линии штифтов (осевой линии фотозон).
Характеристики фотозон ОЭП приведены в табл. 3.
ОЭП-ПХ расположен в центре поля зрения, состоит из матриц, расположенных в шахматном порядке с перекрытием вдоль строки 36 пикселов. Длина строки изображения, формируемой ОЭП-ПХ, равна 54036 пикселов (или 18012 при суммировании). Число строк накопления переменное.
ОЭП-МС1 и ОЭП-МС2 состоят из матриц, расположенных в шахматном порядке с перекрытием вдоль строки 18 пикселов. Длина строки изображения, формируемой ОЭП, равна 18018 пикселов. Число строк накопления переменное.
Исполнительный механизм подфокусировки обеспечивает дискретное перемещение фокального узла ОЭП'ов в диапазоне ±1.5 мм.
В блок светофильтров входят два двухпозици-онных привода СФ1 и СФ2. Привод СФ1 устанавливает либо компенсационную пластину, которая фокусирует ОЭП-МС2 в спектральном диапазоне МС2-1, либо другую компенсационную пластину, которая фокусирует ОЭП-МС2 в диапазонах
Канал МС1
Штифт ^мс1
Z (2пх)
Штифт Канал ПХ
Штифт ^МС2 о --
Канал МС2 У
768
| МС1-2- (610-680 нм)
1 МС1-3- (720-800 нм) '1
| МС1-1- (520-600 нм) '1
Линия штифтовых отверстий
МС1-2+
МС1-3+
МС1-1+
1
1536
768 1
ПХ-
ГЛиния штифтовых отверстий
С
ПХ+
С
МС2-2-
(670-700 нм)
| МС2-3- (700-730 нм) '
МС2-1-
(450-520 нм)
1
768
1536 1
Линия штифтовых отверстий
МС2-2+
МС2-3+
МС2-1+
Направление полета
1
Вид со стороны объектива
768
- О
Паз
- о
Паз
- о
Паз
Рис. 2. Расположение фотозон. Вид на фокальную плоскость СА "Геотон" со стороны объектива. Верхний индекс "минус" обозначает нечетные матрицы, а "плюс" - четные матрицы.
1
МС2-2 и МС2-3. Привод СФ2 обеспечивает смену светофильтров для ОЭП-ПХ.
Блок калибровки на базе стабилизированных галогенных источников излучения предназначен для контроля стабильности чувствительности ОЭП'ов в процессе штатной эксплуатации.
Управление СА "Геотон" производится посредством команд на включение/отключение блока системы управления.
СА "Геотон" в составе КА "Ресурс-П" обеспечивает различные виды съемки поверхности Земли: объектовую, маршрутную и стереосъемку.
Работа СА "Геотон" оценивается по информации оперативного контроля и телеметрии.
РАДИОМЕТРИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ АППАРАТУРЫ
Радиометрическая модель СА
В основе общепринятой радиометрической модели съемки лежит ряд допущений (Шовен-гердт, 2010), позволяющих не рассматривать частотно-контрастные и динамические характеристики СА и разделить пространственные и спектральные переменные в выходном сигнале. Предполагается, что:
- в пределах мгновенного поля зрения (угловой размер пиксела ПЗС-матрицы) СА объект (подстилающая поверхность + атмосфера) можно описать однородной по яркости и спектральным характеристикам ламбертовской поверхностью,
Таблица 3. Характеристики фотозон ОЭП
Характеристика ОЭП-ПХ ОЭП-МС1, ОЭП-МС2
Формат ПЗС-матрицы, пикселов 1536 х 192 (768 х 64) х 3
Число ПЗС-матриц в фотозоне ОЭП 36 24
Количество пикселов в строке фотозоны 54036 18018
Перекрытие ПЗС-матриц по строке фотозон
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.