АСТРОНОМИЧЕСКИЙ ВЕСТНИК, 2013, том 47, № 3, с. 198-200
УДК 523.42
О ПЕРВОЙ ПАНОРАМЕ С ПОВЕРХНОСТИ МАРСА © 2013 г. А. С. Селиванов
ОАО "Российские космические системы", Москва Поступила в редакцию 25.09.2012 г.
Анализируются условия передачи видеосигнала от панорамной камеры спускаемого аппарата (СА) Марс-3, впервые совершившего мягкую посадку на Марс в 1973 г. Посадка, выполненная в условиях сильной пылевой бури на Марсе, привела к повреждению СА, что сократило время его работы до 20 с и, видимо, не позволило обеспечить заданную ориентацию его на поверхности. Если предположить, что СА лежит на боку, то ось панорамирования включенной камеры была не вертикальной, а близка к горизонтальной. В таком случае и при условии устранения из видеосигнала шумов и помех путем его обработки современными методами можно воспроизвести фрагмент панорамы, позволяющий оценить структуру поверхности вблизи места посадки СА.
БО1: 10.7868/80320930X13030067
Первая попытка мягкой посадки на Марс была выполнена в 1969 г. с помощью советского спускаемого аппарата (СА) Марс-1. Она была неудачной, но факт попадания в Марс был подтвержден баллистическими расчетами, а на этапе спуска СА была получена телеметрическая информация.
Вторая попытка была сделана в 1971 г. с помощью СА Марс-3 (Асюшкин и др., 2010). Эта попытка была лишь частично успешной. Полностью программу полета выполнить не удалось, в частности, не оправдался план получения марсианских панорам, подобных тем, что были получены ранее с Луны (Луна-9, 1966; Луна-13, 1968). Не была также получена телеметрическая информация на этапе спуска СА на Марс.
В целом длительность работы СА была незначительной. 2 декабря 1971 г. в расчетное время с поверхности Марса был принят радиосигнал, структура которого однозначно соответствовала ожидаемому. Он имел характерную строчную структуру, свойственную панорамным телевизионным сканирующим устройствам, содержал в себе сигнал синхронизации в виде пакета прямоугольных импульсов, передаваемых во время так называемого "обратного хода" сканирующего зеркала строчной развертки. Передача велась от одной из двух установленных на СА панорамных камер, как было предусмотрено программой работы после посадки, и по двум параллельным радиолиниям метрового диапазона радиоволн на орбитальный аппарат (ОА) и через него, в реальном времени, ретранслировалась на Землю. Одновременно сигнал с СА записывался на бортовом запоминающем устройстве ОА.
Передача по радиолинии СА—ОА велась в аналоговой форме (частотная модуляция), а по линии ОА—Земля — в аналого-дискретной форме
(время-импульсная модуляция). Сегодня технические параметры этих процессов восстановить полностью не удалось как из-за утраты архивных материалов, так и, к сожалению, из-за отсутствия многих разработчиков аппаратуры, уже ушедших из жизни.
Сигнал с СА устойчиво передавался в течение 20 с и затем резко прекратился без какого-либо переходного процесса. За это время с панорамной камеры было передано 79 строк видеосигнала.
На СА Марс-3 были установлены две оптико-механические панорамные камеры, аналогичные лунным, но с большей скоростью передачи изображения — 4 строки в секунду. Параметры изображения были те же — 6000 строк в панораме 360°, 500 условных телевизионных элементов в строке. Угол зрения камеры — около 30° по строке, разделенных примерно поровну относительно плоскости панорамирования. Такая модификация панорамных камер использовалась на луноходах. Глубина резкости оптической системы обеспечивалась от 0.5 м.
Две камеры устанавливались на расстоянии около 125 мм между осями, что, в принципе, позволяло получить стереоскопические фрагменты панорам. Камеры оснащались постоянными светофильтрами, разными у двух камер, что позволило бы получить псевдоцветное изображение в зоне обзора перекрывающихся стереоснимков. Относительно типов светофильтров достоверных сведений не сохранилось, наиболее вероятно, это был на данной камере оранжевый (ОС-14) светофильтр и на другой — желто-зеленый (ЖЗС-13). Панорамные камеры указанного типа имели схему автоматической регулировки чувствительности (АРЧ), обеспечивающую передачу изображе-
О ПЕРВОЙ ПАНОРАМЕ С ПОВЕРХНОСТИ МАРСА
199
ния в диапазоне внешней освещенности от 50 до 50000 лк.
Пакет прямоугольных импульсов, который вставлялся в сигнал на место обратного хода строчной развертки, модулировался по ширине сигналом АРЧ, что позволило определить уровень внешней освещенности, которая оказалась почти 50 лк, что существенно ниже ожидаемой.
Программа работы СА предусматривала первоначальное включение одной из камер на 20 мин, затем должна была идти передача телеметрической информации. Вторая камера должна была включиться на следующие сутки.
После посадки первая камера включилась нормальным образом. Сигнал первоначально находился на минимальном ("черном") уровне, затем постепенно, под действием схемы АРЧ примерно за 5 с, как это и предусматривалось, установился на номинальном уровне.
Аномально низкая освещенность могла служить подтверждением большой пылевой бури, которая бушевала на Марсе в момент посадки. Каких-либо явно выраженных контрастных элементов поверхности Марса на фрагменте панорамы, содержащей 79 строк, тогда обнаружить не удалось. Первоначальные меры по усилению контраста видеосигнала удовлетворительного результата не дали. Было лишь установлено, что если полезный сигнал и присутствует, то его величина мала и находится на уровне шумов и периодических помех.
Поскольку обработка не дала результатов, приемлемых для опубликования, в космических архивах, в том числе находящихся в свободном доступе, сохранилась лишь фотография записи сигнала, которая однозначно свидетельствовала о первой мягкой посадке на поверхность Марса советской автоматической станции Марс-3.
Однако по каким-то причинам, видимо, исто-рико-познавательного характера, в последние годы возник интерес к дешифровке видеосигнала, принятого с СА в 1971 г. Активность в решении этой проблемы проявили американские исследователи Don P. Mitchell (2003; 2004), и позднее -Ted Stryk (2007). Полученная ими информация побуждает к рассмотрению старой задачи на современном уровне с использованием оригинальных материалов.
Обращает на себя внимание одновременное и почти мгновенное прекращение работы двух передатчиков СА, что наиболее вероятно может быть следствием повреждения общего источника питания - аккумуляторной батареи и ее цепей, разгерметизации СА, и что вызвано, в свою очередь, сильным ударом при посадке. Удар мог привести к деформации корпуса станции и нарушению механической системы, обеспечивающей ее вертикализацию на поверхности. Этому могли способствовать также нарушения системы тормо-
Рис. 1. Положение СА Марс-3 на поверхности Марса: (а) "штатная" посадка; (б) "нештатная" посадка.
жения на завершающем этапе посадки в условиях сильной бури.
Если станция не вертикализируется, то какое устойчивое ("квазиустойчивое") положение она может занять? Ориентировочно таких положений четыре, определяемых количеством лепестков, раскрывающихся после посадки. В этом случае логично предположить, что оси панорамирования камер будут не вертикальными, а близкими к горизонтальным, и, следовательно, сканирование панорам произойдет в вертикальной плоскости (рис. 1а, 1б).
Надо отметить, что такая версия рассматривалась нами ранее. Она напрашивается на интуитивном уровне, видимо, по той причине, что человеческий глаз плюс мозг являются весьма совершенной системой обработки видеоинформации, умеющей хорошо распознавать ориентированные
200
СЕЛИВАНОВ
Рис. 2. Результаты обработки панорамы.
структуры, и может выделять из шума какие-либо элементы, позволяющие отдавать предпочтение определенной ориентации.
Итак, принимаем, также как и D. МкеИеП, в качестве весьма правдоподобной посылки квазигоризонтальное положение камеры. В этом случае вертикальный угол зрения камеры составит около 4.7° (79 строк), а его значащая часть (без переходного процесса АРЧ) — около 3.5° (59 строк), и поэтому, в силу малости этой величины, попадание в угол зрения камеры линии истинного горизонта весьма маловероятно. Учитывая, что высота камеры над поверхностью может составлять примерно 40—60 см, и сделав простейшие построения, можно представить себе геометрические условия работы камеры. После компьютерной обработки, включающей устранение периодических и импульсных помех, контрастирование, исключение из видеосигнала краевых эффектов и телеметрической вставки, а также увеличение масштаба по вертикали примерно на 37% для уменьшения геометрических искажений, получается версия панорамы с СА Марс-3, представленная на рис. 2. Это бугристая комковатая поверхность, предположительно с равномерным по полю зрения распределением малоконтрастных элементов рельефа, подобная типу поверхности, встречающемуся, как мы сейчас знаем, и на Луне, и на Марсе. Если статистику рельефа принять одинаковой для всего поля зрения, то нижняя часть панорамы, имеющая более крупные детали, должна располагаться ближе к камере на расстоянии примерно 1 м, а верхняя — дальше, примерно на расстоянии 2—2.5 м. В горизонтальной плоскости изображение захватывает угол в 28.5° и всего не-
сколько квадратных метров поверхности вблизи станции.
Остается неясным, почему изображение несколько размыто, как бы расфокусировано. Что это: объективный результат наблюдения сглаженного рельефа, неблагоприятные условия передачи сигнала во время пылевой бури или же результат недостаточно корректной фильтрации помех? Но, тем не менее, вопрос о получении первой марсианской панорамы (точнее — ее небольшого фрагмента) на данном этапе можно считать исчерпанным.
Сегодня решение поставленной задачи имеет чисто историческое значение на фоне многочисленных и высококачественных снимков, полученных с американских марсоходов в последние годы. Но когда-то было начало...
Автор благодарит Марова М.Я., Базилевско-го А.Т., Гектина Ю.М. за проявленный интерес к данной работе и обсуждению ее результатов, Старцева В.К., Молодцова В.А. и Морозова И.А. за поиск, подготовку и оформление технических материалов.
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.