Гусиное перо (спутник)

Quill был экспериментальной программой Национального разведывательного управления США (NRO) 1960-х годов, в рамках которой были получены первые изображения Земли из космоса с помощью радара с синтезированной апертурой (SAR). ^[1] Космические аппараты с радиолокационными изображениями этой конструкции не предназначались для оперативного развертывания, поскольку было известно, что разрешающая способность этой системы, уступающая разрешающей способности параллельных экспериментальных бортовых систем, не будет служить этой цели. Вместо этого основной целью программы было показать, не приведет ли распространение радиолокационных волн через большой объем атмосферы и ионосферы к опасному ухудшению характеристик функции синтетической апертуры.

Подробное описание программы было предоставлено NRO в режиме онлайн. ^[2]

Цели [ править ]

Первоначально основным преимуществом радиолокационного изображения была его способность работать в ночное время, а также получать изображения сквозь облака или другие атмосферные препятствия, которые поглощали или рассеивали волны не только в видимом спектре, но также в ближнем инфракрасном и ультрафиолетовом. . Но радар также предлагал преимущество принятого сигнала, который уже был электрическим сигналом с функцией времени, готовым к немедленной ретрансляции. Таким образом, этот проект стал средством для испытания передачи данных изображения в реальном времени, а также для испытания орбитального SAR. Поскольку теория и современное состояние такой передачи были хорошо изучены, стало понятно, что существующие средства для этой части Quill 'миссия будет недостаточной для отображения уровня детализации, необходимого для оценки военных угроз, даже если лучшие изображения окажутся такими же хорошими, как ожидалось. Тем не менее, из попыток можно было не только извлечь уроки, но и любой успех в такой передаче был преградой на случай невозможности восстановить бортовую пленку - проблемы, которая преследовала многие из первых спутников фоторазведки.

Описание [ править ]

Спутники Quill базировались на Lockheed RM-81 Agena-D , который также служил разгонным блоком для вывода на орбиту. Генеральным подрядчиком по орбитальному аппарату и его радарной полезной нагрузке была компания Lockheed. Чтобы ускорить испытание, субподрядчик Goodyear адаптировал радар с синтезированной апертурой, предназначенный для использования в воздухе, для космических операций и больших дальностей на основе критериев, разработанных исследовательской группой другой участвующей организации, отношения которой с Quill еще не установлены. рассекречено.

Хотя требовался только один спутник, были также изготовлены резервная модель и инженерная модель. Поскольку первый, OPS 3762 , выполнил все задачи тестирования проекта, только он был запущен. Согласно официальной истории NRO, ^[3] «В первые 20 лет деятельности программы разведывательных спутников в Соединенных Штатах, Quill был… единственным спутником любого рода, который работал от начала до конца с безупречным рекордом в запусках и орбитальных операциях. , считывание и восстановление ".

Чтобы ограничить потребность в сильных сигналах передачи данных со спутника, требовались наземные станции, имеющие очень большую зону захвата сигнала (площадь антенны) и последующую узкую направленность приема. В Нью-Бостоне, штат Нью-Хэмпшир , и на авиабазе Ванденберг на побережье Калифорнии имелось оборудование с антеннами с большой тарелкой, способными быстро поворачиваться для отслеживания спутника по небу . Эти места также использовались для передачи сигналов включения и выключения радара и других команд управления полезной нагрузкой.

Антенна бокового обзора, необходимая для работы SAR, была установлена ​​почти заподлицо с одной стороны цилиндрического корпуса Agena. На орбите тело катили так, чтобы луч был направлен под вертикальным углом 55 ° от горизонтали. С высоты орбиты, изменяющейся около 130 морских миль (морских миль), луч освещал земную поверхность в полосе шириной 10 нм, как правило, на расстоянии 160 морских миль и центрировался примерно в 93 морских милях слева от наземной линии пути транспортного средства . ^[4] Попутный луч шириной 0,006 радиана освещал 0,56 морских миль вдоль пути за раз, продолжая собирать отражения от каждой точки сцены, путешествуя так далеко по поверхности земли, что количество данных для каждого элемента сцены должно быть сжато («сфокусировано» "), во время последующей обработки сигнала, в единую меру (" изображение ") силы возврата от этого элемента сцены.

Запустить [ редактировать ]

После запуска 21 декабря 1964 года сбор данных осуществлялся с перерывами днем ​​и ночью в течение четырех дней по командам наземного диспетчера через станции слежения. Таким образом, деятельность Quill SAR была ограничена местоположением транспортных средств в пределах максимальной прямой видимости от этих двух наземных станций, составляющей около 900 статутных миль (1490 км). Такие регионы почти полностью находились в пределах США, но могли покрывать часть Канады с восточной станции и часть Мексики с западной. Контроллеры дополнительно ограничили время работы зонами в пределах территории NORAD (Североамериканская противовоздушная оборона), избегая освещения или визуализации какой-либо мексиканской территории, но этого не было сделано в отношении Канады, партнера США по NORAD .

Чтобы не привлекать излишнее внимание к этому уникальному аппарату, его орбитальная траектория была аналогична той, которую использовали американские фотоспутники. Поскольку запуск с авиабазы ​​Ванденберг около полудня означал, что первоначальная орбита начиналась как нисходящий (южный) отрезок в дневное время, все последующие нисходящие отрезки делали то же самое, и все восходящие (идущие на север) отрезки происходили в темноте. На широтах для получения изображений в США эти восходящие ветви проходили по траекториям с азимутами от 018 ° T до 022 ° T, более севернее, чем север-северо-восток, становясь немного восточнее в этом регионе по мере того, как каждый путь шел к более высоким северным или южным широтам. Азимуты нисходящих (движущихся на юг) отрезков во время съемки были одинаковыми между 162 ° T и 158 ° T. В отличие от его собратьев-спутников, направленных вниз,Куилл смотрел на северо-восток во время спуска и на северо-запад во время подъема.

Траектория полета [ править ]

Первый нисходящий путь Квилла пересек Южную Америку и достиг ее самого южного края, недалеко от Антарктиды, ниже середины Южной Атлантики. Следующее восхождение обогнуло восточное побережье Африки, затем пересекло Пакистан и западную оконечность Китая около Алма-Аты в Советском Союзе. Последующие восхождения следовали по путям аналогичной формы, но каждое из них было «сдвинуто» к западу от предыдущего на величину вращения Земли за один орбитальный период плюс небольшую прецессию западной орбиты, в общей сложности 22,5 °. Таким образом, второе восхождение без изображений проходило над Каспийским морем, третье - над западной Турцией, четвертое - у границы северной Италии с Францией и пятое - над Ирландией. Седьмое восхождение, первое к западу от Атлантики, прошло через Новую Шотландию иНьюфаундленд , а восьмой первым достиг штатов Среднего Запада США, где и произошло первое изображение.

Ряды, полученные в декабре 1964 года спутниковым радаром США "Quill".

Наборы нисходящих (движущихся на юг) траекторий на широтах для получения изображений в США сначала произошли над районами Тихого океана к западу от Калифорнии, а почти на день позже - над восточными частями США. После значительного интервала произошел новый набор маршрутов в северном направлении, а затем один из маршрутов в южном направлении над США, причем за четыре последовательных дня их было четыре, причем два из них затем пересекали предыдущие восходящие пути. Последняя запись данных на пленку произошла во время нисходящего отрезка 30-го оборота. Эта пленка была выброшена и извлечена над Тихим океаном во время нисходящей части 33-й орбиты, после чего были доступны только данные по нисходящей связи. Последняя полоса обзора была снята на 72-й орбите, во время которой съемка прекратилась, поскольку химическая батарея, обеспечивающая питание системы, стала слишком разряженной для продолжения работы полезной нагрузки.

Самая длинная (орбита 30) полоса обзора простиралась примерно на 1000 миль (1600 км), длина ограничивалась максимальным расстоянием, на котором спутник оставался над горизонтом станции слежения. Сбор данных для этой полосы обзора занял всего 3,6 минуты орбитального времени.

Обработка данных [ править ]

Использовались три метода записи данных изображения. Данные высочайшего качества отображались на бортовой электронно-лучевой трубке и записывались на фотопленку. Восстановление бортовой пленки осуществлялось методом, используемым для современных американских фотоспутников, который заключался в том, чтобы выбросить пакет для повторного входа, содержащий экспонированную пленку, и зафиксировать пакет в воздухе, когда он спускается под парашютом. Поскольку этот процесс не происходил до тех пор, пока Квилл не выполнил первых семи последовательностей изображений, изображения из данных, связанных с нисходящей связью, были как первыми, так и последними доступными. Данные, связанные с нисходящей связью, записывались с земли в реальном времени на аналогичные пленки, а также на магнитные ленты.. Ранняя доступность этих пленок позволила интерпретаторам изображений наблюдать границы и содержание первых полос изображений до того, как бортовая пленка была снята со спутника, что в то время было невозможно с оптическими датчиками пленочной камеры.

Данные, возвращаемые по нисходящей линии связи, имели пониженное качество из-за характеристик нисходящей линии связи, поэтому сигнальные пленки, экспонируемые на земле из этих данных, должны были быть более низкого качества, чем те, которые одновременно экспонируются на борту. Сигнальные пленки, сделанные позже из записей на магнитной ленте нисходящих сигналов, пострадали несколько больше.

Сигнальная пленка от всех трех источников записи была проявлена ​​на наземном оборудовании. В этот момент внешний вид данных РСА на пленке никоим образом не напоминал изображение местности, освещенное радаром. Вместо этого он выглядел визуально почти как шум, за исключением того, что он был полосатым по длине пленки. Каждая полоса представляла свой диапазон радиолокатора и содержала длинные последовательности перекрывающихся обратных радиолокационных сигналов от многих (буквально тысяч) точек местности на этом расстоянии. Требовалась дополнительная обработка данных, чтобы отделить эти сигналы друг от друга и создать из каждого из множества распределенных вкладов сигналов одно пятно надлежащей интенсивности в каждой точке изображения, соответствующей точке местности. В это время,единственной доступной технологией для этой работы был высококачественный оптический процессор данных (прецизионный оптический процессор, или POP), который был разработан специально для бортовых и орбитальных систем SAR.

Этот процессор данных преобразовал информацию на сигнальной пленке, пропуская лазерный свет через каждый длинный сигнал, после чего форма самого сигнала, которому способствовали специальные следящие линзы, вызвала фокусирующее действие, аналогичное действию одного из семейства распределенных по дальности. из цилиндрических линз , при этом сохраняя разделение точек , представляющих диапазоны от радара. Непосредственным результатом была еще одна экспонированная пленка, которая при проявлении становилась негативом желаемого изображения. Измерения ширины полосы сигнала , отношения сигнал / шум.резкость фокуса и т. д. были выполнены с помощью приборов, которые имели дело непосредственно с освещением, формирующим изображение, в процессоре, избегая нелинейности характеристик отклика пленки с изображением. Конечные пленки, содержащие позитивные изображения, для использования интерпретаторами изображений были сделаны из пленок с негативными изображениями.

Первая сигнальная пленка, которая должна была быть обработана, была записана на земле в реальном времени из данных, переданных по нисходящей линии связи во время первого прохода изображения, сделанного во время восьмого оборота. Таким образом, предварительная оценка первой пленки с изображениями была доступна до того, как произошли многие другие проходы изображения. Он показал, что первая полоса изображений началась в южной части Индианы и продолжилась на северо-северо-восток над нижним полуостровом Мичигана . Сравнение его изображения с картами USGS масштабом 1: 250 000 показало расположение этой полосы очень четко, особенно на основе хорошо узнаваемой формы характерных изгибов реки Вабаш.в Индиане и на формах близлежащих автомагистралей и железных дорог, а также в некоторых городских районах. Эта первая доступность ранней информации о содержании изображения стала примером использования обратной связи от раннего продукта изображения системы, чтобы помочь контролировать более поздние проходы визуализации орбитальной системы и позволить наземным экипажам вовремя позиционировать калибровочные объекты в приближающихся полосах для более поздней визуализации. Неожиданным бонусом от первого изображения стало определение местоположения, длины и состава некоторых железнодорожных поездов, а также их скорости и направления движения.

Антенна слежения и записывающее оборудование, разработанные для этой цели, были заранее расположены достаточно близко к ожидаемой начальной траектории формирования изображения, так что форма радиолокационных импульсов (намного более сильных, чем радиолокационные сигналы, возвращаемые на спутник) отслеживалась во время этого прохода. После того, как орбитальный путь был точно определен путем наблюдения ранних изображений, портативное оборудование было быстро доставлено в различные места в пределах ближайших полос изображения для аналогичных измерений.

Измерения обработанного изображения показали, что синтетическая апертура обеспечивает разрешение менее 15 футов (5 метров) в продольном направлении, а иногда и половину от этого минимально возможного разрешения с помощью 5-метровой реальной антенны бокового обзора Quill. Разрешение наклонного диапазона ограничивалось длиной передаваемых импульсов, а разрешение наземного диапазона дополнительно ограничивалось ракурсом изображения из-за наклона изображений, последнее примерно в 5 раз грубее, чем значение вдоль пути, но эти значения не были искомыми в этом эксперименте.

Элементы поверхности, связанные с элементами карты, встречались на изображениях так часто, что края всех полос изображений можно было почти непрерывно отслеживать на картах. Помимо четко обозначенных на карте крупных объектов, таких как городская застройка, схемы автомагистралей, каналы, мосты и аэропорты, на изображениях были показаны другие идентифицируемые зрителем культурные и природные объекты, нанесенные на карту и не нанесенные на карту, такие как модели сельскохозяйственных полей, образцы дренажа, лесные массивы по сравнению с открытыми территориями ( обычно выявляется яркими отражениями с ближних сторон лесных участков и тенями по их дальним сторонам), качественными структурами рельефа (обнаруживаемыми по вариациям оттенков уклона), крупными горными работами на поверхности и четко очерченными береговыми линиями, граничащими с невозвратными полосами. области, представляющие гладкие водные поверхности. В горных (горных) районах,Эффекты наклона приводили к появлению нерегулярных линий краев полосы на картах и ​​аналогичному «наложению» изображений приподнятых элементов поверхности на более близкие и более низкие участки «карты».

Некоторые результаты эксперимента наглядно продемонстрировали, что изображения с деталями Квилла (и даже значительно более грубыми деталями, как у гражданского космического корабля SEASAT, появившегося 14 лет спустя ) действительно будут полезны для мониторинга окружающей среды на обширных территориях и исследовательских исследований Земли. и другие планеты. Одно особенно примечательное такое изображение показало, несмотря на промежуточный плотный облачный покров и очень сильные дожди, четкое изображение не только степени затопления прибрежной зоны Тихого океана, но и степени захвата обломков речного паводкового течения. на несколько миль вглубь океана, возможность сбора информации, недоступная иным образом. ^[5] Другая пара изображений, одно с восходящей орбиты 24, а другое с нисходящей орбиты 30, показала изменения как в положениях, так и в поворотах подвижного льда Великих озер в течение 9½-часового интервала между двумя съемками.

Чтобы сохранить силу обратного сигнала, дальность действия Quill от его целевых областей была сведена к минимуму за счет использования необычно крутого угла падения. Таким образом, полученные изображения имели шкалу наклонного диапазона, которая была сильно укороченной версией шкалы наземного (картографического) рельефа местности. В то время как изображения с наклоном обеспечивают реалистичную перспективу изменений высоты местности, пользователи изображений обычно предпочитают изображения в виде карты, имеющие почти совпадающие масштабы как по земле, так и по маршруту. Поскольку оптический процессор того времени не имел возможности делать полное расширение до наземного масштаба, только частично расширенные изображения были сделаны во время обработки исходных изображений.

Данные потеряны из-за секретности [ править ]

Факт объединения SAR и орбитальной платформы потребовал предоставления программе как очень высокого уровня безопасности, так и очень ограниченного доступа. Это привело к последующему уничтожению почти всей документации до того, как программа была рассекречена 9 июля 2012 года. Следовательно, сохранившаяся документация в основном ограничена микрофильмовыми копиями окончательных отчетов, в которых текстовый материал хорошо сохранился, но копии изображений почти не содержат промежуточные тона и поэтому непонятны. Полугодействующим исключением является упомянутое выше изображение орбиты-16 поля обломков, вызванного наводнением, простирающегося на несколько миль в сторону моря. Хотя сохранившееся изображение представляет собой почти двухцветный объект, оно показывает геометрическую форму этого объекта и его связь с близлежащими объектами местности.

Другим исключением являются сохраненные фотопечати выбранных частей трех полос изображений. Отсканированные в цифровом виде копии этих отпечатков доступны в историческом документе NRO, доступном в Интернете. ^[6] Тем не менее, эти отпечатки были в масштабе, который не сохранял ни высокое разрешение вдоль трека, ни спекл-эффект когерентности, наблюдаемый на SAR-изображениях, причем обе эти особенности наблюдались на фотопленках. В отсутствие этих фильмов все примеры изображений Quill с таким разрешением были безвозвратно утеряны.

См. Также [ править ]

• 1964 год в космическом полете
• Лакросс (сателлит)

Внешние ссылки [ править ]

• Рассекреченные записи Национального разведывательного управления (NRO) - ПЕРВОЕ ПЕРЕВОРОТОК на Wayback Machine (архивировано 5 июня 2018 г.)

Ссылки [ править ]