Квилл (спутник)
| Производитель | Гудиер Мичиганского университета Уиллоу Ран Лаборатории Локхид (Агена) |
|---|---|
| Страна происхождения | олень |
| Оператор | США Национальное разведывательное управление |
| Приложения | Радарная визуализация |
| Технические характеристики | |
| Автобус | Агена-Д |
| Стартовая масса | 1500 кг |
| Режим | Низкая Земля |
| Дизайн жизни | 4 дня |
| Производство | |
| Статус | Не работает |
| Построен | 3 |
| Запущен | 1 |
| Ушедший на пенсию | 1 |
| Первый запуск | ОПС 3762 , 21 декабря 1964 г. |
| Последний выход на пенсию | ОПС 3762, 25 декабря 1964 г. |
| Связанный космический корабль | |
| Получено из | Х-4 |
Quill США была экспериментальной программой Национального разведывательного управления (NRO) 1960-х годов, которая предоставила первые изображения Земли из космоса с использованием радара с синтезированной апертурой (SAR). [ 1 ] Космические аппараты радиолокационной визуализации этой конструкции не предназначались для оперативного развертывания, поскольку было известно, что разрешение этой системы, уступающее разрешению 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 синтезированной апертуры.
Подробное описание программы было размещено в Интернете NRO. [ 2 ]
Цели
[ редактировать ]Первоначально основным преимуществом радиолокационной визуализации была ее способность работать ночью, 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 диапазонах. . Но радар также предлагал преимущество принимаемого сигнала, который уже был электрическим сигналом временной функции и был готов к немедленной ретрансляции по радио. Таким образом, этот проект стал средством для испытания передачи изображений в реальном времени, а также для испытания орбитального SAR. Поскольку теория и уровень техники такой передачи были хорошо поняты, стало понятно, что существующие средства для этой части миссии Квилла будут недостаточными для демонстрации уровня детализации, необходимого для оценки военных угроз, даже если лучшие изображения окажутся так хорошо, как и ожидалось. Тем не менее, из этих попыток нужно было не только извлечь уроки, но и любой успех в такой передаче был защитой от неудачной попытки восстановить бортовую пленку - проблемы, которая преследовала многие из первых спутников фоторазведки.
Описание
[ редактировать ]Спутники Quill базировались на базе Lockheed RM-81 Agena-D , который также служил разгонным блоком для вывода на орбиту. Генеральным подрядчиком орбитального корабля и его радиолокационной нагрузки была компания Lockheed. Чтобы ускорить испытания, субподрядчик Goodyear адаптировал радар с синтезированной апертурой, предназначенный для использования в воздухе, для работы в космосе и для работы на больших дальностях на основе критериев, разработанных исследовательской группой другой участвующей организации, чьи отношения с Quill еще не установлены. рассекречен.
Хотя нужен был только один спутник, были также изготовлены резервная модель и инженерная модель. Поскольку первый, OPS 3762 , выполнил все задачи испытаний проекта, был запущен только этот. Согласно официальной истории NRO, [ 3 ] «За первые 20 лет деятельности программы разведывательных спутников в Соединенных Штатах Quill был… единственным спутником любого типа, который от начала до конца продемонстрировал безупречные результаты запуска, орбитальных операций, считывания и восстановления».
Чтобы ограничить потребность в мощных сигналах передачи данных со спутника, были желательны наземные станции, имеющие очень большую зону приема сигнала (площадь антенны) и последующую направленность приема с узким лучом. Имеющиеся средства с большими тарелочными антеннами, способными быстро поворачиваться, чтобы следовать за спутником по небу, существовали в Нью-Бостоне, штат Нью-Хэмпшир , и на авиабазе Ванденберг на побережье Калифорнии. Эти места также использовались для передачи сигналов включения и выключения радара, а также других команд управления полезной нагрузкой.
Антенна бокового обзора, необходимая для работы SAR, была установлена почти заподлицо вдоль одной стороны цилиндрического корпуса Agena. На орбите тело переворачивали так, чтобы луч был направлен под вертикальным углом 55° к горизонту. корабля С орбитальных высот, варьирующихся около 130 морских миль (нм), луч освещал поверхность Земли по полосе шириной 10 нм, обычно на расстоянии 160 нм и с центром примерно в 93 нм слева от наземной траектории . [ 4 ] Вдольный луч шириной 0,006 радиана освещал 0,56 морских миль вдоль пути за раз, продолжая собирать отраженные сигналы от каждой точки сцены, путешествуя по поверхности Земли так далеко, что на каждый элемент сцены нужно было свернуть столько данных («сфокусированный "), во время последующей обработки сигнала, в единую меру ("изображение") силы возврата от этого элемента сцены.
Запуск
[ 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 местоположениями транспортных средств в пределах максимальной дистанции прямой видимости от этих двух наземных станций примерно 900 миль (1490 км). Такие регионы почти полностью находились в пределах США, но могли охватывать часть Канады с восточной станции и часть Мексики с западной. Диспетчеры дополнительно ограничили время работы районами территории NORAD (ПВО Северной Америки), избегая освещения или изображения какой-либо территории Мексики, но этого не было сделано в отношении Канады, партнера США по NORAD .
Чтобы не привлекать излишнего внимания к этому уникальному аппарату, его орбитальный путь был аналогичен тому, который в то время использовался американскими фотоспутниками. Поскольку запуск с авиабазы Ванденберг около полудня означал, что первоначальный этап орбиты начался как нисходящий (на юг) этап в дневное время, все последующие нисходящие этапы действовали аналогичным образом, а все восходящие (на север) этапы происходили в темноте. На широтах изображений США эти восходящие ветви проходили по путям с азимутами между 018 ° T и 022 ° T, более северным, чем северо-северо-восточным, становясь немного более восточными в этом регионе по мере того, как каждый путь шел к более высоким северным или южным широтам. Азимуты нисходящих (направляющихся на юг) ветвей во время съемок были одинаковыми в диапазоне от 162 ° T до 158 ° T. В отличие от своих обращенных вниз собратьев-фотоспутников, Quill смотрел на северо-восток во время нисходящих этапов и на северо-запад во время восходящих.
Траектория полета
[ редактировать ]Первый нисходящий путь Квилла пересек Южную Америку и достиг самого дальнего юга, недалеко от Антарктиды, ниже середины Южной Атлантики. Следующее восхождение огибало восточное побережье Африки, затем пересекало Пакистан и западную оконечность Китая возле Алма-Аты в Советском Союзе. Последующие восхождения следовали по траекториям 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, всего на 22,5°. Таким образом, второе восхождение без изображения прошло над Каспийским морем, третье — над западной Турцией, четвертое — возле границы северной Италии с Францией и пятое — над Ирландией. Седьмое восхождение, первое к западу от Атлантики, прошло над Новой Шотландией и Ньюфаундлендом , а восьмое было первым, когда оно достигло штатов Среднего Запада США, где произошло первое событие съемки.
Наборы нисходящих (на юг) траекторий на широтах съемки в США сначала произошли над районами Тихого океана к западу от Калифорнии, а затем впервые произошли над восточными частями США почти день спустя. После значительного интервала произошел новый набор путей, идущих на север, а затем один из путей на юг над США, причем за четыре последовательных дня было четыре таких пути, причем два из них затем пересекли предыдущие восходящие пути. Последняя бортовая запись данных на пленку произошла во время спада 30-й революции. Эта пленка была сброшена и возвращена над Тихим океаном во время спускающегося участка 33-й орбиты, после чего были доступны только данные, переданные по нисходящей линии связи. Последняя полоса обзора земли была получена на 72-м витке, во время которой съемка прекратилась, поскольку химическая батарея, обеспечивающая питание системы, стала слишком разряженной для продолжения работы полезной нагрузки.
Самая длинная полоса изображения (30-я орбита) простиралась примерно на 1000 миль (1600 км), причем эта длина ограничивалась максимальным расстоянием, на котором спутник оставался над горизонтом станции слежения. Сбор данных для этой полосы занял всего 3,6 минуты орбитального времени.
Обработка данных
[ редактировать ]Использовались три метода записи данных изображения. Данные высочайшего качества отображались на бортовой электронно-лучевой трубке и записывались на фотопленку. Восстановление бортовой пленки осуществлялось методом, который использовался для нынешних фотоспутников США, который заключался в выбросе возвращаемого пакета, содержащего экспонированную пленку, и захвате пакета в воздухе, когда он спускался под парашютом. Поскольку этот процесс не происходил до тех пор, пока Куилл не сделал первые семь последовательностей изображений, изображения из данных, передаваемых по нисходящей линии связи, были одновременно первыми и последними, которые были доступны. Данные, передаваемые по нисходящей линии связи, записывались в режиме реального времени на аналогичные пленки, а также на магнитные ленты . Ранняя доступность этих пленок позволила интерпретаторам изображений наблюдать границы и содержимое ранних полос изображений до того, как бортовая пленка была выпущена со спутника, что в то время было невозможно с помощью оптических датчиков пленочной камеры.
Данные, возвращаемые по нисходящей линии связи, имели пониженное качество из-за характеристик нисходящей линии связи, поэтому сигнальные пленки, экспонированные на земле из этих данных, должны были быть более низкого качества, чем одновременно демонстрируемые на борту. Сигнальные пленки, сделанные позже на основе магнитных записей сигналов, передаваемых по нисходящей линии связи, пострадали несколько больше.
Сигнальная пленка со всех трех источников записи была проявлена на наземном комплексе обработки данных. В тот момент оптический вид данных РСА на пленке никоим образом не напоминал изображение местности, освещенной радаром. Вместо этого он визуально выглядел почти как шум, за исключением того, что он был полосатый по всей длине пленки. Каждая полоса представляла собой отдельный радиолокационный диапазон и содержала длинные последовательности перекрывающихся сигналов радара от многих (буквально тысяч) точек местности на этом расстоянии. Потребовалась дальнейшая обработка данных, чтобы отделить эти сигналы друг от друга и создать из каждого из множества распределенных сигналов одно пятно нужной интенсивности в каждой точке изображения, соответствующей точке местности. В то время единственной доступной техникой для этой работы был высококачественный оптический процессор данных (прецизионный оптический процессор или POP), который был разработан специально как для бортовых, так и для орбитальных систем SAR.
Этот процессор данных преобразовывал информацию на сигнальной пленке, пропуская лазерный свет через каждый длинный сигнал, после чего форма самого сигнала, с помощью специализированных следящих линз, вызывала фокусирующее действие, подобное действию одного из семейства распределенных по дальности сигналов. цилиндрических линз , сохраняя при этом расстояние между точками, представляющее дальность действия радара. Непосредственным результатом стала еще одна экспонированная пленка, которая после проявления стала негативом желаемого изображения. сигнала Измерения ширины полосы , отношения сигнал/шум , резкости фокусировки и т.д. проводились с помощью приборов, занимающихся непосредственно формированием изображения в процессоре, что позволяет избежать нелинейности характеристик отклика изображения. фильм. Окончательные фильмы, содержащие позитивные изображения для использования интерпретаторами изображений, были сделаны из фильмов с негативными изображениями.
Первая сигнальная пленка, которую нужно было обработать, была записана на земле в режиме реального времени на основе данных, переданных по нисходящей линии связи во время первого прохода изображения, сделанного во время восьмого оборота. Таким образом, предварительная оценка первого изображения была доступна до того, как были выполнены многие другие проходы изображений. Оно показало, что первая полоса изображения началась на юге Индианы и продолжилась на северо-северо-восток над . нижним полуостровом Мичигана Сравнение его изображения с картами Геологической службы США масштаба 1:250 000 показало расположение этой полосы очень четко, основываясь, в частности, на узнаваемой форме характерных изгибов реки Вабаш в Индиане, а также на формах близлежащих автомагистралей и железных дорог, а также некоторых городских территорий. Это первое появление ранней информации о содержании изображения стало примером использования обратной связи от раннего продукта изображения системы, чтобы помочь контролировать последующие проходы изображений орбитальной системы и позволить наземным командам своевременно размещать калибровочные объекты в предстоящих полосах обзора для последующего получения изображений. Неожиданным бонусом от первого изображения стало определение местоположения, длины и состава некоторых поездов, а также их скоростей и направлений движения.
Антенна слежения и записывающее оборудование, разработанные для этой цели, были заранее расположены достаточно близко к ожидаемому первоначальному пути изображения, чтобы во время этого прохода отслеживалась форма радиолокационных импульсов (намного более сильных, чем сигнал радара, возвращаемый на спутник). После того, как орбитальный путь был точно определен путем наблюдения за ранними изображениями, портативное оборудование было быстро переброшено в различные места в пределах поступающих полос изображения для аналогичных измерений.
Измерения обработанного изображения показали, что синтетическая апертура позволяет обеспечить разрешение менее 15 футов (5 метров) в направлении вдоль пути, а иногда и половину этого разрешения, что является наименьшим возможным для реальной антенны бокового обзора Куилла длиной 5 метров. Разрешение наклонной дальности ограничивалось длиной передаваемых импульсов, а разрешение наземной дальности дополнительно ограничивалось ракурсом изображения из -за наклона изображений, причем последний примерно в 5 раз грубее, чем значение вдоль пути. но их значения не были теми, к которым стремился этот эксперимент.
Элементы поверхности, связанные с объектами карты, встречались на изображениях так часто, что края всех участков изображения можно было проследить на картах почти непрерывно. Помимо четко обозначенных на карте крупных объектов, таких как городская застройка, схемы шоссе, 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 схемы сельскохозяйственных полей, схемы дренажа, лесные и открытые территории ( обычно обнаруживается по ярким отражениям от ближних сторон лесных массивов и теням вдоль их дальних сторон), качественным образцам рельефа (выявляемым по вариациям тонов склонов), крупным работам по добыче полезных ископаемых и четко выраженным береговым линиям, граничащим с невозвратом. участки, представляющие гладкую водную поверхность. В горных районах с высоким рельефом эффекты наклона приводили к появлению неправильных линий полосы на картах и аналогичному «наложению» изображений возвышенных элементов поверхности на более близкие и более низкие места «карты».
Некоторые результаты эксперимента наглядно продемонстрировали, что изображения с детализацией Квилла (и даже со значительно более грубой детализацией, как, например, снимки гражданского космического корабля SEASAT , появившиеся 14 лет спустя ) действительно могут быть полезны для масштабного экологического мониторинга и научных исследований Земли. и другие планеты. Одно особенно примечательное такое изображение показало, несмотря на плотный облачный покров и очень сильные дожди, четкое изображение не только степени затопления тихоокеанской прибрежной зоны, но и масштабов вторжения речных паводков, наполненных мусором. на несколько миль в океан, возможность сбора информации иначе недоступна. [ 5 ] Другая пара изображений, одно с восходящей орбиты 24, а другое с нисходящей орбиты 30, показала изменения как в расположении, так и вращении подвижного льда Великих озер в течение 9,5-часового интервала между двумя изображениями.
Чтобы сохранить силу обратного сигнала, дальность действия «Квилла» от целевых областей была минимизирована за счет использования необычно крутого угла склонения. Таким образом, полученные изображения имели наклонные масштабы, которые представляли собой значительно укороченные версии масштаба наземного (картографического) масштаба ровной местности. В то время как изображения с наклонной дальностью обеспечивают реалистичную перспективу изменений высоты местности, пользователи изображений обычно предпочитают изображения, подобные картам, имеющие почти одинаковые масштабы как в наземном, так и в продольном направлении. Поскольку оптический процессор того времени не имел возможности выполнять полное расширение до наземного масштаба, во время обработки исходных изображений создавались только частично расширенные изображения.
Данные потеряны из-за секретности
[ редактировать ]Факт объединения SAR и орбитальной платформы потребовал придания программе как очень высокого уровня секретности, так и очень ограниченного доступа. Это привело к дальнейшему уничтожению почти всей документации до того, как программа была рассекречена 9 июля 2012 года. Следовательно, сохранившаяся документация в основном ограничивается копиями микрофильмов окончательных отчетов, в которых текстовый материал хорошо сохранился, но копии изображений почти не содержат промежуточные тона и поэтому непонятны. Полуисключением является вышеупомянутое изображение с орбиты 16 поля обломков, вызванного наводнением, простирающегося на несколько миль в море. Хотя сохранившееся изображение представляет собой всего лишь почти двухцветный объект, оно показывает геометрическую форму этого объекта и его связь с близлежащими объектами местности.
Другими исключениями являются сохранившиеся фотоотпечатки избранных частей трех полос изображений. Цифровые отсканированные копии этих отпечатков доступны в историческом документе NRO, который доступен в Интернете. [ 6 ] Однако эти отпечатки были в масштабе, который не сохранял ни высокого разрешения вдоль траектории, ни эффекта когерентных спеклов, который наблюдается на изображениях SAR, причем обе особенности можно было наблюдать на пленках с изображениями. Из-за отсутствия этих фильмов все примеры изображений Quill с таким разрешением были безвозвратно утеряны.
См. также
[ редактировать ]Внешние ссылки
[ редактировать ]- Рассекреченные записи Национального разведывательного управления (NRO) - ПЕРО ПЕРО в Wayback Machine (архивировано 5 июня 2018 г.)
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Роберт Л. Баттерворт «Квилл: первый спутник с радиолокационной съемкой» [1]
- ^ http://www.nro.gov/foia/declass/QUILL.html QUILL в Wayback Machine (архивировано 5 июня 2018 г.)
- ^ Роберт Л. Перри, «Радар на орбите» (см. список в ссылке 1)
- ^ Отчет о системе автомобиля 2355, том 1 (см. список в ссылке 1).
- ^ Отчет о программе КП-II, том II, стр. 147, рис. 49 (см. список в ссылке 1).
- ^ Стенограмма лекции, с. 28 (см. список в ссылке 1)