РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И … · issn 2409-0239 issn 2409-0239 9 772409 023775 РОССИЙСКИЕ КОСМИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ

ISSN 2409-0239ISSN 2409-0239

9 772409 023775 Р О С С И Й С К И Е К О С М И Ч Е С К И Е С И С Т Е М Ы

Научно-технический журнал

РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕПРИБОРОСТРОЕНИЕИ ИНФОРМАЦИОННЫЕСИСТЕМЫ

Том 2. Выпуск 3. 2015

РКС

РА

КЕ

ТН

О-К

ОС

МИ

ЧЕ

СК

ОЕ

ПР

ИБ

ОР

ОС

ТР

ОЕ

НИ

Е И

ИН

ФО

РМ

АЦ

ИО

НН

ЫЕ

СИ

СТ

ЕМ

Ы То

м 2

. Вы

пуск 3. 2

01

5 Р

КС

Содержание

Том 2, Вып. 3, 2015

Аэрокосмические методы зондирования Земли, планет и других космических объектов.Геоэкология и космические системы поиска и спасания

Технологии мониторинга подвижных объектов и окружающей среды с использованием малоразмерныхкосмических аппаратов

А.А. Романов, А.А. Романов, А. С. Селиванов, С. В. Трусов, С.А. Бобровский 3

Дистанционное зондирование Земли с адаптивной компенсацией случайных наклонов волнового фронтаК.Н. Свиридов 12

Программные технологии создания и распространения базовых продуктов дистанционногозондирования Земли

А.И. Васильев, А. П.Коршунов, Н. А.Ольшевский, А. С. Стремов 23

Многозональное сканирующее устройство для геостационарного метеоспутника «Электро-Л»Р.В.Андреев, Н.П. Акимов, К. В. Бадаев, Ю.М. Гектин, А. А. Зайцев, А. В. Рыжаков,М.Б. Смелянский, Н. А. Сулиманов, А. Г.Фролов 33

Радиолокационные антенные системы дистанционного зондирования Земли для малых космическихаппаратов

А.С. Чеботарев, В. А.Пантелеев, Н.М.Фейзулла, Е.М.Митрофанов, А. Н.Пластиков 45

Экспериментальные исследования возможностей метода малых базовых линий с использованием данныхРСА ASAR/ENVISAT и PALSAR/ALOS

А.А.Феоктистов, А.И. Захаров, М.А. Гусев, П. В. Денисов 50

Инновационные технологии в аэрокосмической деятельности

Высокоточная дозирующая установка ВДУ-65 для заправки разгонных блоковЮ.Б. Горбаткин, Е.А.Дерденков, А. О.Лобанов, В. А. Чернышев 56

Экспериментальное исследование и оценка изгибной жесткости вибрационного элемента модулятораэлектростатического поля

Р.Ю.Дорофеев, Д.В. Козлов, А. С. Корпухин, И.П. Смирнов, А. А.Жуков 62

Системный анализ, управление космическими аппаратами,обработка информации и системы телеметрии

Информационные технологии робастного телеконтроля изделий РКТ: состояние и перспективыА.В.Лобан, Д.А.Ловцов 68

Адаптивный фильтр Калмана для оценки параметров отраженного сигналаВ.П. Кузнецов, Е.П. Чураков 79

Технология приборостроения и производства ЭКБ

Разработка радиационно стойкой БИС МДМ-преобразователя для датчиков в КМОП КНС-базисеА.И. Черный, В. Н. Богатырев, З.М.Поварницына, А.Ю.Алямкин 84

Методы и средства обнаружения скрытых дефектов КМОП-микросхемИ.Ю.Булаев 88

Contents

Vol. 2, Iss. 3, 2015

Aerospace Sensing of the Earth, Planets and Other Celestial Objects.Geoecology and Space Systems for Search and Rescue

Russian Technologies of Monitoring and Remote Sensing Using NanosatellitesA.A. Romanov, A. A. Romanov, A. S. Selivanov, S. V. Trusov, S.A. Bobrovsky 3

Earth Remote Sensing with Adaptive Compensation a Casual Tiltes of Wave FrontK.N. Sviridov 12

Software Technologies for Generation and Distribution of Basic Earth Remote Sensing Data ProductsA. I. Vasilyev, A. P.Korshunov, N. A.Olshevskiy, A. S. Stremov 23

Multiizone scanning apparatus for geosynchronous meteorological satellite “Electro-L”R.V.Andreev, N. P.Akimov, K. V. Badaev, Yu.M.Gektin, A.A. Zaitsev, A. V. Ryzhakov,M.B. Smeljanskij, N.A. Sulimanov, A. G. Frolov 33

Earth Remote Sensing Radiolocating Antenna Systems Mounted on a Small SpacecraftA. S. Chebotarev, V.A. Panteleev, N.M. Feyzulla, E.M.Mitrofanov, A.N. Plastikov 45

Еxperimental Studies of Small Baselines Technique with Use of SAR ASAR/ENVISATand PALSAR/ALOS Data Set

A.A. Feoktistov, A. I. Zakharov, M.A. Gusev, P. V. Denisov 50

Innovative Technologies in Aerospace Activity

High-Precision Dosing Unit VDU-65 for Filling Upper BlocksYu. B.Gorbatkin, E.A.Derdencov, A.O. Lobanov, V. A. Chernyshev 56

Experimental Study and Evaluation of Bending Rigidity of the Vibration Sensor Modulator electric FieldR. Yu. Dorofeev, D.V. Kozlov, А. S. Korpuhin, I. P. Smirnov, A.A. Zhukov 62

System Analysis, Spacecraft, Information Processing and Telemetry Systems

Information Technology Robust Telemetry Control Rockets: Status and ProspectsA.V. Loban, D. A. Lovtsov 68

Adaptive Kalman Filter for Radar Signal Parameters EstimationV.P.Kuznetsov, E. P. Churakov 79

Instrumentation Technology and Production ECB

Development Radiation Hardened IC MDM of the Converter for Sensors in CMOS SOS basisA. I. Chernyj, V. N. Bogatyrev, Z.M. Povarnitsyna, A. Yu. Alyamkin 84

Ways and Means of CMOS Integrated Circuits Flaw LocationI. Yu. Bulaev 88

РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ2015, том 2, выпуск 3, c. 3–11

АЭРОКОСМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ЗОНДИРОВАНИЯ ЗЕМЛИ,ПЛАНЕТ И ДРУГИХ КОСМИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ.

ГЕОЭКОЛОГИЯ И КОСМИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ ПОИСКА И СПАСАНИЯ

УДК 528.837

Технологии мониторинга подвижных объектови окружающей среды с использованиеммалоразмерных космических аппаратов

А.А.Романов1, А.А.Романов2, А. С.Селиванов3, С. В.Трусов4, С.А.Бобровский1д.т. н., 2,3д.т. н., профессор, 4к.т. н.АО «Российские космические системы»

e-mail: [email protected]

Аннотация. Первый космический аппарат нанокласса производства АО «Российские космические системы» былзапущен с борта МКС в 2005 г., его конструкция в дальнейшем послужила основой целой серии технологическихаппаратов. В 2007 г. в АО «Российские космические системы» начала реализовываться программа разработкималоразмерных космических аппаратов различного целевого назначения. Всего рассматривались три основныезадачи: регистрация сигналов АИС морских и речных судов в космическом пространстве, мониторинг состоянияионосферной плазмы и затменное зондирование атмосферы.В 2011 г. в АО «Российские космические системы» был разработан космический аппарат нанокласса с прием-ником сигналов АИС на борту. Кроме того, на предприятии был проведен ряд научно-исследовательских работ,направленных на развитие технологий мониторинга ионосферной плазмы с использованием метода радиотомогра-фии. Был создан лабораторный образец когерентного передатчика в диапазонах 150–400 МГц для размещения наборту КА нанокласса.

Ключевые слова: наноспутник, радиотомография, АИС, мониторинг

Russian Technologies of Monitoringand Remote Sensing Using Nanosatellites

A.A.Romanov1, A.A.Romanov2, A. S. Selivanov3, S.V. Trusov4, S.A.Bobrovsky1doctor of engineering science,

2,3doctor of engineering science, professor,4candidate of engineering science

Joint Stock Company “Russian Space Systems”


Abstract. The first nanosatellite developed in JSC “Russian Space Systems” was: The first nanosatellite developedin JSC “Russian Space Systems” was launched in 2005 from ISS and its construction was used as the basis for thewhole series of the technological satellites. The nanosatellites development program with different purposes payloadonboard has being realized in JSC “Russian Space Systems” since 2007. Three main tasks have been considered inthis program: AIS signals registration from marine vessels in outer space, ionosphere plasma state monitoring andatmospheric GLONASS/GPS radio occultation space-based technology.In 2011 nanosatellite with AIS receiver onboard was developed in JSC “Russian Space Systems”. In addition sev-eral research works were fulfilled in the area of ionosphere plasma monitoring technologies based on radio tomog-raphy method. It was developed laboratory model of 150–400 MHZ coherent transceiver for installation onboardof nanosatellite.

Key words: nanosatellite, radio-tomography, AIS, monitoring

4 А.А. РОМАНОВ, А.А.РОМАНОВ, А.С. СЕЛИВАНОВ, С. В. ТРУСОВ, С.А. БОБРОВСКИЙ

I. Введение

В 2005 г. российский космонавт Салижан Ша-рипов запустил космический аппарат наноклассаТНС-0 с борта МКС. Этот космический аппаратбыл первым в АО «Российские космические сис-темы» технологическим наноспутником, разрабо-танным в соответствии с идеологией «спутник-прибор».

Несмотря на скромные габаритные разме-ры (масса КА была меньше 4 кг), ТНС-0 былсоздан для решения важных задач: отработкипринципов управления космическими аппаратамис использованием глобальных телекоммуникацион-ных систем, а также получения маяком системыКОСПАС–SARSAT летной квалификации. Именнопосле этого эксперимента маяки системы поискаи спасания стали штатным оснащением всех спус-каемых модулей российских пилотирумых косми-ческих аппаратов. Успешный полет ТНС-0 пока-зал перспективность использования наноспутниковдля отработки новых технологических решений.

В 2007 г. в АО «Российские космические си-стемы» была разработана программа создания тех-нологических наноспутников, которые предполага-лось строить с использованием технической реше-ний, апробированных на платформе ТНС-0.

В рамках программы намечается создатьнесколько типов КА, предназначенных для реше-ния как технологических прикладных, так и фун-даментальных научных задач. Платформу ТНС-0планируется модифицировать, дополнив системуэлектропитания внешними солнечными панелямии современной системой ориентации и стабилиза-ции, создав платформу ТНС-2.

Линейка спутников ТНС-2 будет состоять изнескольких КА, предназначенных для решения сле-дующих задач: управление КА с использованиемтелекоммуникационных сетей, исследование спо-собов управления КА нанокласса (в кооперациис ИПМ им. М.В.Келдыша и ZARM (Германия)),испытания микродвигательных установок (в коопе-рации с НИИПМЭ МАИ и ЕКА), изучение па-раметров ионосферы над зонами аномальной гро-зовой активности и структуры ионосферных токо-вых систем (в кооперации с организациями РАН),а также радиозатменное зондирование атмосферы

и ионосферы сигналами ГЛОНАСС/GPS (в коопе-рации с ИРЭ РАН).

Кроме того, была разработана уникальнаяплатформа и создан лабораторный образец нано-спутника ТНС-1, со стабилизацией аппарата, осу-ществляемой при помощи вращения, предназначен-ного для съемки поверхности Земли со среднимпространственным разрешением.

Несмотря на богатый опыт специалистов пред-приятия в создании собственных платформ нано-класса, в 2010 г. АО «Российские космические си-стемы» начал разрабатывать бортовую аппаратуруприема сигналов АИС, предназначенную для раз-мещения на 3-элементной платформе типа CubeSat.В настоящее время КА «КосмоАИС», построенныйна базе этой платформы, проходит последние этапыназемной экспериментальной отработки.

В результате проведенных исследований спе-циалистами Общества было показано, что платфор-му CubeSat можно использовать для решения до-статочно широкого круга задач мониторинга под-стилающей поверхности и атмосферы Земли. Былпроработан облик полезной нагрузки: малоразмер-ного передатчика когерентных сигналов для вос-становления характеристик ионосферной плазмы,а также малоразмерного радиометра, предназначен-ного для изучения аномалий уходящей длинновол-новой радиации на верхней границе атмосферы.

Представленное исследование посвящено обоб-щению более чем 10-летнего опыта разработки кос-мических аппаратов нанокласса в АО «Российскиекосмические системы».

II. КА ТНС-0 и КА ТНС-1

Первый технологический наноспутник (ТНС-0)[1,2] имел минимальную функциональность и мас-су около 4,5 кг без устройства отделения. Его ос-новной задачей было проведение эксперимента поизучению возможности использования спутнико-вой связи «Глобалстар» для управления и получе-ния целевой и телеметрической информации КА наназемном комплексе управления.

На рис. 1 показан внешний вид ТНС-0.Его структура представляет собой цилиндрическуюферму с диаметром 170 мм и длиной 250 мм.

РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 2 вып. 3 2015

ТЕХНОЛОГИИ МОНИТОРИНГА ПОДВИЖНЫХ ОБЪЕКТОВ И ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ 5

Рис. 1. ТНС-0 в собранном состоянии (слева), ТНС-0со снятым стальным корпусом (справа)

Структура закрыта металлическим кожухом, по-крашенным в разные цвета (белый и черный) дляобеспечения пассивной терморегуляции. Соотноше-ние ширины белых и черных полос позволяет под-держивать среднюю температуру внутри корпусакосмического аппарата на уровне 20 ◦C.

Антенные системы для аппаратуры «Глобал-стар» и КОСПАС–SARSAT установлены на верхнейграни спутника. На противоположной грани аппа-рата предусмотрена специальная ручка для осу-ществления запуска ТНС-0 космонавтом с бортаМКС. Также предусмотрен специальный тумблердля включения питания КА и соответствующий ин-дикатор готовности.

Для обеспечения возможности независимогоконтроля состояния КА на орбите в состав аппара-туры был введен маяк системы КОСПАС–SARSAT.

ТНС-0 был оснащен пассивной системой маг-нитной стабилизации, которая позволяла ему ориен-тироваться вдоль одной из осей по линии магнитно-го поля. КА оснащался литий-ионными аккумулято-рами совокупной емкостью до 10 А/ч, внешние сол-нечные панели в системе электропитания не исполь-зовались. Расчетный срок активного существованияв подобной конфигурации должен был составить по-рядка 3 мес, что было вполне достаточно для выпол-нения всей программы летных испытаний.

ТНС-0 был запущен в 2005 г., и вся программаего летных испытаний была успешно завершена.После 4 мес месяцев работы его аккумулятор былполностью разряжен, а еще через пару месяцев онсгорел в плотных слоях атмосферы.

Второй технологический КА — ТНС-1 [1, 2]обладает более сложной конфигурацией и большеймассой: 7,5 кг. Конструкция аппарата представля-ет собой диск диаметром 500 мм. Он спроекти-рован с учетом того, что штатным режимом егостабилизации будет режим медленного вращениявокруг оси, перпендикулярной плоскости КА, а по-верхность, обклеенная панелями, будет направленана Солнце. На противоположной стороне будет раз-мещена бортовая аппаратура: модем системы «Гло-балстар», элементы системы ориентации и стабили-зации, две цифровые фотокамеры для наблюденияповерхности Земли, а также цифровая радиолиния,функционирующая на частоте 1,7 ГГц.

Предполагается, что КА будет функциониро-вать в непрерывном режиме с перекрытием кадровсъемки стандарта RGB. Пространственное разре-шение с низкой орбиты должно составить около100 м при полосе захвата 259 км. Ожидается, чтоКА будет запущен на солнечно-синхронную орбитус высотой порядка 650 км.

Рис. 2. ТНС-1 со стороны солнечных панелей, внешнийвид (слева); ТНС-1 со стороны бортовой аппаратуры,

внешний вид (справа)

На рис. 2 представлен внешний вид макета КАТНС-1.

III. КА ТНС-2

Логичное продолжение конструкции платформтехнологических наноспутников ТНС-0 — модифи-кация систем электропитания и ориентации. Сле-дующим поколением КА является ТНС-0 №2, СЭПкоторого дополнен внешними солнечными панеля-ми для обеспечения циклов зарядки аккумулятор-ных батарей.



По сути, конструкция аппарата не претерпеласерьезных изменений по сравнению с ТНС-0, струк-тура его представляет собой цилиндрическую фер-му прежних размеров. Система электропитания мо-жет обеспечить среднюю мощность на уровне 5 Вт,а также кратковременную пиковую нагрузку около18 Вт. Предусматриваются 4 независимые шины пи-тания, 30 входов для различных телеметрическихдатчиков. Пропускная способность телеметрическойрадиолинии составляет 6–7 кбит/с.

На рис. 3 приведен внешний вид спутникаТНС-0 №2.

Рис. 3. Внешний вид сборки КА ТНС-0 №2

Потенциала платформы ТНС-0 №2 достаточ-но для продолжения программы экспериментов,направленных на изучение проблем управлениякосмическими аппаратами при использовании гло-бальных телекоммуникационных сетей, начало ко-торым положил успешный запуск ТНС-0.

С другой стороны, для размещения на бортуТНС-0 №2 создается прибор для проведения фун-даментальных исследований. Совместно с органи-зациями РАН готовится аппаратура и экспериментпо изучению явлений грозовой активности и токов,индуцированных в атмосфере Земли.

Кроме того, совместно с ИПМ им. М.В.Кел-дыша и институтом ZARM (Германия) на базеТНС-0 №2 создается образовательный космиче-ский аппарат, который будет использоваться дляобучения студентов, а также для проведения ис-следований по различным алгоритмам управлениякосмическими объектами.

Последующей модернизацией конструкцииТНС-0 №2 должно стать внедрение активной трех-осной системы ориентации и стабилизации (плат-форма после модернизации получит следующий

индекс — ТНС-2), что позволит существенно рас-ширить область применения технологической плат-формы.

С учетом улучшенных технических характе-ристик ТНС-2 может использоваться для реше-ния более серьезных технологических и научно-практических задач. В кооперации с НИИ ПМЭМАИ и организациями ЕКА предполагается про-вести эксперимент по отработке базовой функцио-нальности микродвигательных установок для при-менения на КА подобного класса.

Предварительные исследования, изложенныев работах [3], предлагают рассмотреть применениеплатформы ТНС-2 в качестве основы для созданиякосмического сегмента системы затменного зонди-рования атмосферы и ионосферы Земли с исполь-зованием сигналов ГНСС.

На борту КА «Радиомет» предполагаетсяиспользовать перспективную аппаратуру радио-затменного зондирования атмосферы, которая вме-сте с АФУ весит порядка 1500 г. Как показываеториентировочная массовая сводка систем КА, об-щий вес подобного аппарата не превысит 10 кг.

Использование платформы типа ТНС-2 в каче-стве основной при создании систем мониторинга ат-мосферы на базе метода радиозатменного зондиро-вания позволит существенно сократить затраты наразработку и развертывание космического сегмента.

IV. КА «RadSat»

С учетом развития технологий производстваинфракрасных детекторов в течение последнегодесятилетия появилось поколение неохлаждаемыхболометрических тепловых приемников, на базе ко-торых может быть построен радиометр космическо-го базирования.

Компанией Ulis серийно производятся ИК-при-емники [4] со следующими характеристиками: диа-пазон регистрируемого излучения — 8–14 мкм,чувствительность (NETD) — 40 мК, потребление —не более 110 мВт. Размер матрицы — 384×288 эле-мента.

С учетом характеристик приемной матрицыбыл проработан облик перспективного радиометра,предназначенного для размещения на борту КА на-нокласса. Особенностью 3-элементной платформы



типа CubeSat в данном случае было ограничениена объем для размещения полезной нагрузки, рав-ное 1 элементу, что составляет 10 × 10 × 10 см(рис. 4).

Рис. 4. Внешний вид КА «RadSat» (проект)

Предварительное проектирование прибора пока-зало, что с учетом необходимости размещения объ-ектива и электроники обработки данных с матрицывнешние габариты подобного устройства не будутболее 7,2× 7,2× 8,5 см, а общее энергопотреблениеполезной нагрузки составит не более 3 Вт.

Максимальное пространственное разрешениерадиометра на низкой орбите с высотой до 850 кмсоставляет 250–300 м. Для решения задачи мони-торинга аномалий уходящей длинноволновой ради-ации достаточно пространственного разрешения 1–3 км, максимальная полоса захвата составит от 380до 1200 км в зависимости от пространственногоразрешения.

К сожалению, для расчета уходящей длинно-волновой радиации с учетом измерений предлага-емого радиометра придется воспользоваться тех-нологиями, применяемыми к информации, получа-емой, например, с космических аппаратов серииNPOES [5]. Тем не менее, у компании MDL су-ществуют разработки неохлаждаемых болометриче-ских матриц, которые способны регистрировать из-лучение в широком диапазоне от 2 до 50 мкм [6].При условии их потенциальной доступности на ком-мерческом рынке концепция радиометра может бытьпересмотрена для использования этого приемника.

Наиболее сложной проблемой на этапе пред-варительного проектирования является необходи-мость сброса информации, полученной с радио-метра, на наземную станцию с учетом ограниче-ния по скорости передачи штатной радиолинии КА«RadSat» — 9600 бит/с.

Учитывая размеры матрицы, а также радио-метрические разрешение 8 бит, получим, что раз-мер одного кадра не превысит 900 кбит. С учетомсреднего времени сеанса связи с космическим ап-паратом возможностей радиолинии будет достаточ-но для передачи 4–5 изображений.

Бесспорно, оценки, представленные в даннойработе, достаточно концептуальны. Тем не ме-нее, при условии использования энергоэффектив-ной платформы, оснащенной радиолинией с боль-шой пропускной способностью, КА с радиометромв качестве полезной нагрузки микро- или даже на-нокласса может быть разработан в самой ближай-шей перспективе.

V. КА «EConSat»

Общеизвестно, что ионосфера является хоро-шим индикатором процессов, проходящих в атмо-сфере и литосфере Земли [7]. Ионосферная плазмав том числе существенно влияет на характеристикипроходящих через ионосферу радиоволн, поэтомуоценка ее состояния важна для решения не толькотеоретических и фундаментальных, но и практиче-ских задач. Существенная изменчивость ионосфе-ры предъявляет дополнительные требования к си-стемам мониторинга, а также к специальным сред-ствам контроля ее состояния с точки зрения про-странственного и временного разрешения.

Один из немногих способов изучения вер-тикальных распределений электронной концентра-ции ионосферы на основе спутниковых радиосигна-лов — метод радиотомографии ионосферы. Методионосферной радиотомографии предполагает обра-ботку фазовых характеристик когерентных сигна-лов навигационных спутников первого поколенияили специализированных аппаратов в диапазонах150/400 МГц на размещенных в регионе исследо-вания наземных станциях [8].



В рамках информационной технологии восста-новления вертикальных разрезов электронной кон-центрации ионосферы, разработанной специалиста-ми АО «Российские космические системы», ис-пользуется модификация томографического подхо-да, получившая название «метод фазоразностнойтомографии» [9]. Его эффективность была подтвер-ждена в результате специальных экспериментов,которые были проведены в дальневосточном регио-не Российской Федерации [10,11].

К сожалению, количество спутников, излучаю-щих необходимый сигнал для исследований ионо-сферы, неуклонно падает, достаточно остро вста-ет вопрос восполнения орбитальной группировки,сигналы которой можно было бы использовать длямониторинга состояния ионосферы Земли.

В результате научных исследований и пред-варительных проработок специалистами АО «Рос-сийские космические системы» был создан про-тотип когерентного передатчика в диапазоне150/400 МГц для размещения на платформе типаCubeSat (рис. 5).

Рис. 5. Внешний вид лабораторного образца передатчикакогерентных сигналов

Основные характеристики передатчика: общаяпотребляемая мощность не более 5 Вт, выходнаямощность канала 150 МГц — 0,5, выходная мощ-ность канала 400 МГц — 1,5 Вт, масса 300 г, габа-ритные размеры — 100 × 100 × 10 мм. Предусмот-рено 8 литер частот для излучения в каждом изчастотных каналов.

Предварительный облик КА «EConSat» пред-ставлен на рис. 6. В соответствии с представлен-ным составом видно, что используется стандартная

3-элементная структура платформы типа CubeSatсо стандартным набором служебных подсистем.

Рис. 6. Внешний вид КА «EConSat» (проект)

В составе спутника не предполагается исполь-зования маховичной системы ориентации и стаби-лизации, поскольку возможностей трехосной маг-нитной системы стабилизации будет достаточнопри условии применения всенаправленной антеннына наземной томографической станции.

В результате предварительных расчетов и про-веденного в результате исследований макетированияпоказано, что возможностей 3-элементной платфор-мы типа CubeSat достаточно для создания аппаратас ионосферным маяком на борту.

В перспективе использование подобных разра-боток в системах геофизического мониторинга поз-волит восполнить пробелы, вызванные долгим сро-ком разработки и изготовления космических аппа-ратов, предназначенных для исследований состоя-ния ионосферы и магнитосферы Земли.

VI. КА «CosmoAIS»

АИС является системой мониторинга морскихи речных судов [11], использующей принцип вре-менного разделения при доступе к каналу связи.Схема Time Division Multiple Access (TDMA) [12]применяется при организации обмена даннымимежду судами для предотвращения столкновениймежду ними. АИС-стандарт включает в себя 27 со-общений, но наиболее часто используются первые



три типа сообщений, содержащих навигационнуюинформацию. Длина таких сообщений достигает256 бит, что соответствует величине слота, выде-ленного для передачи одного сообщения АИС. Ско-рость передачи сообщений — 9600 бит/с. Инфор-мация АИС передается в двух частотных каналах,161,975 МГц и 162,025 МГц, с использованием мо-дуляции GMSK [13], ширина полосы — 25 кГц.

Специалистами АО «Российские космическиесистемы» был разработан КА «CosmoAIS» (рис. 7)для мониторинга сигналов АИС в космическомпространстве. КА «CosmoAIS» спроектирован набазе 3-элементной структуры CubeSat с размера-ми 30×10×10 см и общей массой 3 кг. Платформавключает несколько стандартных подсистем: элек-тропитания, которая состоит из шин питания 3,3 Ви 5 В, дополнительных аккумуляторов емкостью7800 Ач и солнечных панелей; ориентации и стаби-лизации, трансивер, интерфейсные платы, 3 типаантенн (1×ОВЧ для приемника АИС, 1×ОВЧ дляпередатчика радиолинии КА, 1×УВЧ для прием-ника КА) и бортовой компьютер.

Для передачи информации от полезной нагруз-ки, а также для передачи команд подсистемам ис-пользуется шина I2C со скоростью передачи дан-ных 100 Кбит/c.

Подсистема определения ориентации состоитиз датчика Солнца и магнитометра, система стаби-

Рис. 7. Внешний вид КА «CosmoAIS»

лизации построена на магнитных катушках. Спут-никовый трансивер может функционировать в пол-ностью дуплексном режиме, скорость передачи соспутника составляет 9600 бит/с, скорость передачина КА — 1200 бит/с, протокол передачи информа-ции — АХ-25.

Бортовая аппаратура приема сигналов АИС мо-жет работать в 4 частотных каналах: 156,775 МГц,156,825 МГц, 161,975 МГц, 162,025 МГц, что де-лает возможным ее использование с учетом пер-спективного развития судовых терминалов систе-мы. Общее энергопотребление прибора не превы-шает 2 Вт, а чувствительность приемника — не ме-нее 117 дБмВт.

Функционально приемник (рис. 8) состоит изчастотного селектора с малошумящим усилителем,обеспечивающим аналоговый прием информации,а также цифровой части обработки сигналов, по-строенной на базе ПЛИС Xilinx.

Рис. 8. Внешний вид бортовой аппаратуры приема сиг-налов АИС КА «CosmoAIS»


10 А.А. РОМАНОВ, А.А. РОМАНОВ, А.С. СЕЛИВАНОВ, С. В. ТРУСОВ, С.А. БОБРОВСКИЙ

Бортовая аппаратура может работать в двухрежимах: записи спектра исходного сигнала и де-кодирования сообщений АИС. На борту КА на-нокласса приемник в основном будет работатьв режиме непосредственного декодирования паке-тов, поскольку пропускной способности радиоли-нии, а также возможностей подсистемы электропи-тания явно недостаточно для передачи записанныхспектров большого объема.

Кроме того, предполагается, что КА«CosmoAIS» будет функционировать над заранееопределенными акваториями в течение 10–15 минс последующим сбросом информации на наземныестанции в Москве или Южно-Сахалинске.

В 2013 г. была завершена наземная экспери-ментальная отработка КА «CosmoAIS» и в 2015–2016 гг. предполагается осуществить его запусксовместно с другим космическим аппаратом.

VII. Заключение

В заключение необходимо отметить, чтов АО «Российские космические системы» ведетсясерьезная работа по созданию широкого ряда кос-мических аппаратов нанокласса как на платформесобственной конструкции типа ТНС, так и на базеплатформы типа CubeSat.

Платформа ТНС, на базе которой был постро-ен первый КА нанокласса в корпорации, получилалетную квалификацию в 2005 г. Был проведен экс-перимент, направленный на проведение испытаниймаяка системы КОСПАС–SARSAT в условиях кос-мического пространства. Передатчик показал себяс самой лучшей стороны и в настоящее время вхо-дит в комплекс штатной аппаратуры на спускаемыхмодулях пилотируемых кораблей.

Развитие платформы ТНС предполагаетсяв расширении ее функциональных возможностейпутем модернизации систем электропитания и ори-ентации. При условии успешной модернизацииплатформы будет создан перспективный КА нано-класса ТНС-2, на базе которого уже сейчас предпо-лагается провести несколько технологических экс-периментов. В перспективе ТНС-2 может быть ис-пользован в космических орбитальных группиров-ках мониторинга атмосферы и ионосферы Земли.

Существенным потенциалом обладает плат-форма космических аппаратов нанокласса типаCubeSat. Специалистами Общества создан лабо-раторный образец передатчика когерентного излу-чения в диапазонах 150–400 МГц, который необ-ходим при исследовании состояния ионосфернойплазмы методом томографического зондирования.В результате проработки концепции КА EConSat-1была показана принципиальная возможность со-здания спутника для осуществления томографиче-ских исследований ионосферы.

На базе разработанных технических решенийв перспективе может быть создана орбитальнаягруппировка, которая позволит проводить исследо-вания ионосферы практически без использованияназемных томографических станций.

С учетом постоянно растущих техническихвозможностей в ближайшей перспективе можно го-ворить о появлении наноспутников для мониторин-га одного из важнейших параметров радиационногобаланса Земли — уходящей длинноволновой ради-ации на верхней границе атмосферы.

Был проработан облик перспективного кос-мического аппарата на базе платформы CubeSatс малоразмерным радиометром на борту. Радиометрпредполагается разрабатывать на базе неохлажда-емой балометрической матрицы, что существенноснижает требования к эксплуатационным характе-ристиками несущей платформы КА.

Проблема мониторинга сигналов АИС такжеможет решаться с использованием космических ап-паратов нанокласса. В результате реализации спе-циального проекта был разработан КА «CosmoAIS»с бортовой аппаратурой регистрации сигналов отморских и речных судов. Запуск КА «CosmoAIS»запланирован на 2015–2016 гг.

Широкое применение платформ наноклассапри решении различных научных и народнохозяй-ственных задач предъявляет все более жесткиетребования к основным служебным подсистемамплатформ ориентации и стабилизации и особеннорадиолинии передачи информации. С учетом боль-шого опыта АО «Российские космические системы»в создании бортовых подсистем, а также на ба-зе решений, разработанных для платформы ТНС,в ближайшей перспективе может быть создано но-вое поколение аппаратуры передачи информации



с пропускной способностью до 0,65 Мбит/c и по-треблением не более 4–5 Вт.

Адаптация аппаратуры для размещения наплатформах типа CubeSat существенно расширитобласти применения космических аппаратов этогокласса и позволит выйти на динамично развиваю-щийся международный коммерческий рынок слу-жебных подсистем.

Список литературы

1. Селиванов А.С., Урличич Ю.М., Хромов О.Е. Се-мейство технологических наноспутиников для экс-периментальных исследований. Сб. трудов IV Меж-дународной конференции-выставки «Малые спутни-ки. Новые технологии. Миниатюризация», 31 мая–4 июня 2004 г., г. Королев. Росавиакосмос, кн. 3,с. 34–35.

2. Panzyrny O.A. Hard-and software of the technolog-ical nanosatellite TNS-0, 5th Symposium on SmallSatellites for Earth Observation, April 4–8, Berlin —IAA-B5-1404.

3. Selivanov A., Romanov A., Vishnyakov V., Vino-gradov A., Pavelyev A., Yakovlev O. Conceptof space system for glogal radio occultation moni-toring of lower atmosphere and ionosphere based onsuper-small satellites with GLONASS/GPS naviga-tion signal receivers. United Nations/Austria/EropeanSpace Agancy Symposium on Space Tools and Solu-tions for Monitoring the Atmosphere and land Cover.Austria, Graz, 9–12 September (2008).

4. Официальный сайт «Ulis»: http://www.ulis-ir.com

5. Hansen J. et al. Earth’s energy imbalance: confir-mation and implications // Science, 2005, vol. 308,p. 1431–1435.

6. Оффициальный сайт MDL:http://microdevices.jpl.nasa.gov/capabilities/superconducting-devices/tes-bolometers.php

7. Афраймович Э.Л., Перевалова Н.П. GPS-мониторинг верхней атмосферы Земли. Иркутск:Изд-во НЦ ВСНЦ СО РАМН, 2006. 480 с.

8. Pulinets S.A., Romanov A.A., Urlichich U.M., Ro-manov A.A., Doda L.N., Ouzounov D. The first re-sults of the pilot project on complex diagnosis ofthe earthquakes precursors on Sakhalin Island //Geomagnetism and Aeronomy, 2009, vol. 49, № 1,p. 123–132.

9. Куницын В.Е., Терещенко Е.Д., Андреева Е.С.Радиотомография ионосферы. М.: ФИЗМАТЛИТ,2007. 336 с.

10. Романов А.А., Трусов С.В., Новиков А.В., Рома-нов А.А. Сравнение данных радиотомографии ионо-сферы на средних широтах с данными ионозонда,затменного зондирования и моделей ионосферы //Современные проблемы дистанционного зондирова-ния Земли из космоса. Сб. научных статей. Вып. 6.Т. II. М.: ООО «Азбука-2000», 2009, с. 296–303.

11. IEC 62320-1-am1: Amendment 1 — Maritime navi-gation and radiocommunication equipment and sys-tems — Automatic identification system (AIS). Part 1:AIS Base Stations — Minimum operational and per-formance requirements, methods of testing and re-quired test results, Edition 1.0, IEC, October 2008.

12. IEC 62287-1: Maritime navigation and radiocommu-nication equipment and systems — Class B ship-borne equipment of the automatic identification sys-tem (AIS) — Part 1: Carrier-sense time division mul-tiple access (CSTDMA) techniques, Edition 1.0, IEC,March 2006.

13. Murota K., Hirade K. GMSK modulation for digitalmobile radio telephony // IEEE Transactions on Com-munications, 1981, vol. COM-29, № 7, p. 1044–1050.

Благодарности

Авторы выражают искреннюю признатель-ность Ю.М.Гектину за предоставленные материа-лы и помощь при подготовке статьи.





УДК 621.396

Дистанционное зондирование Землис адаптивной компенсацией случайных наклонов

волнового фронта

К.Н.Свиридовд.т. н., проф., АО «Российские космические системы»


Аннотация. Рассмотрены особенности наблюдения Земли из космоса через турбулентную атмосферу. Предложе-на преддетекторная адаптивная компенсация случайных наклонов волнового фронта, обусловленных турбулент-ностью атмосферы. Исследована оптическая передаточная функция (ОПФ) и разрешающая способность системыДЗЗ с адаптивной компенсацией случайных наклонов волнового фронта. Для телескопа с кольцевой апертуройисследована зависимость ОПФ от степени экранирования кольцевой апертуры и показаны преимущества системыДЗЗ с адаптивной компенсацией случайных наклонов волнового фронта перед системой без адаптации.

Ключевые слова: турбулентная атмосфера, кольцевая апертура, адаптивная компенсация атмосферных искаже-ний, аппаратурное достижение высокого разрешения

Earth Remote Sensing with Adaptive Compensationa Casual Tiltes of Wave Front

K.N. Sviridovdoctor of engineering science, professor,



Abstract. Particularities of observation Earth from the Space are considered. Predetection adaptive compensationa casual tiltes of wave front, generated by atmospheric turbulence, is proposed. Optical Transfer Function (OTF) andresolution ability of ERS system with adaptive compensation a casual tiltes of wave front is investigated. For telescopewith annular aperture a dependence OTF from degree screening of annular aperture is investigated and preferencesof ERS system with adaptive compensation a casual titles of wave front before system without adaptation are shown.

Key words: turbulent atmosphere, annular aperture, adaptive compensation of atmospheric distortions, apparatusfor reaching high resolution

ДИСТАНЦИОННОЕ ЗОНДИРОВАНИЕ ЗЕМЛИ 13

Введение

Наличие турбулентной атмосферы между кос-мическим аппаратом ДЗЗ и земной поверхностьюограничивает информационные возможности систе-мы ДЗЗ по разрешению. Типично задачи ДЗЗ ре-шаются в ближней зоне (зоне Френеля) D2 > λH,где D — внешний диаметр апертуры телескопаДЗЗ, λ — средняя длина волны солнечного из-лучения подсвета (λ = 0,5 мкм) и H — высотакосмического аппарата ДЗЗ над земной поверхно-стью. От каждой точки земной поверхности в на-правлении КА ДЗЗ распространяется расходящая-ся сферическая волна. При этом искажения вол-нового фронта, приобретенные ею в пределах тур-булентного слоя (нижние L = 10 км атмосферыу земной поверхности), по мере ее распространениядо высоты H КА ДЗЗ существенно увеличиваются(рис. 1).

В результате величина пространственногорадиуса корреляции атмосферных флуктуацийr0(λ,H) (так называемый параметр Фрида) на вы-соте H КА ДЗЗ определяется соотношением [1]

r0(λ,H) ≈ H

Lr0(λ,L), (1)

где r0(λ,L) = 0,1 м — величина пространственно-го радиуса корреляции атмосферных флуктуацийволнового фронта на границе турбулентного слоя.

Отсюда нетрудно видеть, что при высотеКА ДЗЗ H = 350 км величина r0(λ,H) оказы-вается равной 3,5 м, при H = 500 км r0(λ,H) == 5 м, а при H = 750 км величина r0(λ,H) ока-зывается равной 7,5 м. Этот результат, полученныйнами ранее [1], свидетельствует о том, что величи-на r0(λ,H) оказывается существенно большей диа-метра D = 1,1 м зеркальной оптики существующихтелескопов ДЗЗ [2] и, в соответствии с условиемоптимизации [1] D � 2r0, требует увеличения диа-метра апертуры телескопа ДЗЗ до величин D = 7–15 м. Достижение космических апертур таких раз-меров возможно в перспективе на базе апертурногосинтеза и, в соответствии с проведенными иссле-дованиями [3], может обеспечить достижение пре-дельного разрешения систем ДЗЗ, равного 4,6 см.Сегодня этот подход является технически труд-но реализуемым на современном уровне развития

технологий оптического приборостроения. В су-ществующих условиях, когда r0(λ,H) > D, на-ми предложен другой подход, а именно адаптив-ная компенсация случайных наклонов волновогофронта [4]. Действительно, реально атмосферныеискажения волнового фронта на приемной аперту-ре телескопа ДЗЗ представляют собой случайныенаклоны волнового фронта, приводящие к случай-ным сдвигам мгновенных коротко-экспозиционныхизображений при их длинно-экспозиционной реги-страции за время τЭ, большее интервала временнойкорреляции атмосферных флуктуаций τА (так на-зываемого времени «замороженности» турбулент-ности атмосферы). Исследуем предложенную [4]систему ДЗЗ с адаптивной компенсацией случай-ных наклонов волнового фронта.

Оптическая передаточная функция(ОПФ) системы ДЗЗ с адаптивнойкомпенсацией случайных наклоновволнового фронта

Наличие турбулентной атмосферы Земли огра-ничивает проницающую и разрешающую способ-ность систем ДЗЗ. Для увеличения проницающейспособности и расширения поля зрения системыДЗЗ осуществляют длинно-экспозиционную реги-страцию изображений ДЗЗ. Это приводит к усред-нению атмосферных искажений волнового фронтасветового излучения от объекта — участка земнойповерхности, что существенно ухудшает разрешаю-щую способность системы ДЗЗ и не позволяетразличать на земной поверхности детали малыхразмеров.

Разрешающую способность системы атмосфе-ра–телескоп можно существенно повысить, еслив процессе длинно-экспозиционной регистрацииизображений ДЗЗ компенсировать за время, мень-шее интервала временной корреляции атмосфер-ных флуктуаций τА, случайные наклоны волновогофронта светового излучения от объекта, приводя-щие к случайным сдвигам (дрожанию) регистри-руемого изображения.

В настоящее время такие адаптивные системы,устраняющие атмосферное дрожание изображений


14 К.Н.СВИРИДОВ

Рис. 1. Атмосферные искажения волнового фронта светового излучения ДЗЗ

в процессе их накопления компенсацией случай-ных наклонов волнового фронта, разрабатывают-ся для ряда наземных астрономических обсервато-рий [5,6]. В связи с этим, а также учитывая прин-цип взаимности распространения [7], представляетинтерес исследование оптических свойств системыДЗЗ с адаптивной компенсацией случайных накло-нов волнового фронта.

Наиболее полной характеристикой систем,формирующих изображение, является их оптиче-ская передаточная функция (ОПФ).

Мгновенная (коротко-экспозиционная) ОПФсистемы атмосфера–телескоп с компенсацией ат-мосферных наклонов волнового фронта определя-

ется [1,8] как

τ(f) = �

∫drW (r)W (r− λF f)×

× exp{[χ(r) + χ(r− λF f)] + i[(θ(r) − ar)−− (θ(r− λF f) − a(r− λF f))]}, (2)

где r — координаты в плоскости апертуры теле-скопа ДЗЗ, f = (r1 − r2)/λF — пространственно-частотный вектор, W (r) — безаберрационная апер-турная функция, равная единице в пределах апер-туры и нулю вне ее, F — фокусное расстояниетелескопа, λ — средняя длина волны солнечногоизлучения, θ(r) — случайное фазовое искажение,



а χ(r) — случайное изменение логарифма ампли-туды в точке r, причем θ(r) и χ(r) выбираютсятак, что они равны нулю, если нет искажений, c —нормирующий множитель, выбираемый так, чтобыτ(0) = 1, и a — обусловленный атмосферными фазо-выми флуктуациями случайный вектор наклона вол-нового фронта, определяющий сдвиг изображения.

Средняя по ансамблю ОПФ 〈τ(f)〉 имеет вид

〈τ(f)〉 = c

∫drW (r)W (r− λF f)]×

× 〈exp{[χ(r) + χ(r− λF f)] + i[(θ(r) − ar)−− (θ(r− λF f) − a(r− λF f))]}〉. (3)

Усреднение экспоненты в (3) проведено с уче-том трех предположений Фрида [9]:

(I) — распределение a, подобно распределениюθ и χ, гауссово;

(II) — распределение [θ(r) − ar] не зависит отраспределения a;

(III) — распределение [θ(r)−ar]− [θ(r−λF f)−− a(r− λF f)] не зависит от распределения [χ(r) ++ χ(r− λF f)], и в результате усреднения получено

〈exp{[χ(r) + χ(r− λF f)] + i[(θ(r) − ar)−− (θ(r − λF f) − a(r− λF f)]}〉 =

= exp{−12Dχ(λFf) −Dθ(λFf) +

12〈(aλF f)2〉

},

(4)

где Dθ(r) = 〈[θ(r1) − θ(r1 + r)]2〉 — структурнаяфункция флуктуаций фазы, а Dχ(r) = 〈[χ(r1) −− χ(r1 + r)]2〉 — структурная функция флуктуацийлогарифма амплитуды (уровня).

Тогда средняя ОПФ 〈τ (f)〉 преобразуетсяк виду

〈τ(f)〉 = τ0(f) exp{−12[D(λFf) − 〈(aλF f)2〉]

},

(5)где D(r) = Dχ(r) +Dθ(r) — волновая структурнаяфункция, τ0(f) = �

∫W (r)W (r − λF f) dr — ОПФ

идеального телескопа.Определим величину наклона волнового фрон-

та, обусловленного турбулентностью атмосферы.

Оценка случайных наклоновволнового фронта

В оптической астрономии, как и в назем-ных системах контроля космического простран-ства, определение случайного наклона волновогофронта возможно двумя путями. Во-первых, вели-чина корректируемого наклона может быть оцене-на непосредственно по самому измеренному вол-новому фронту, и, во-вторых, эта оценка можетбыть определена по величине смещения координатцентра тяжести формируемого телескопом коротко-экспозиционного изображения объекта.

В задачах дистанционного зондирования Зем-ли реализация второго пути достаточно сложна,в связи с чем рассмотрим и исследуем адаптив-ную оптическую систему, реализующую первый изуказанных путей.

Фрид [9] предложил определять a по θ(r) пу-тем минимизации по апертуре квадрата отклоненияar от θ(r), то есть из условия

∫drW (r)[θ(r) − ar)]2 = min . (6)

Следуя Фриду [9], при усреднении в (5) полу-чаем следующее выражение

〈(aλF f)2〉 =

= (λFf1)2〈a21〉+ (λFf2)2〈a22〉+ 2(λF )2f1f2〈a1a2〉,(7)

где компоненты наклона определяются

a1 =∫drW (r) θ(r)r1∫drW (r) r21

,

a2 =∫drW (r) θ(r)r2∫drW (r) r22

.

(8)

Очевидно, что наклон a определяется по θ(r)однозначно.

Чтобы установить конкретный вид ОПФ (5),необходимо конкретизировать зависимость D(r).Часто используют аппроксимацию [9]

D(r) = 6,88(r/r0)5/3, (9)

где r0 — пространственный радиус корреляции ат-мосферных флуктуаций светового излучения (1).



Таким образом, мы полностью определили вы-ражение (5) для ОПФ 〈τ(f)〉 и можем перейти к ееанализу.

Анализ ОПФ системы ДЗЗс адаптивной компенсациейслучайных наклоновволнового фронта

Исследуем среднюю ОПФ системы атмосфера–телескоп с адаптивной компенсацией случайныхнаклонов волнового фронта для различных соотно-шений пространственного радиуса корреляции ат-мосферных флуктуаций — r0, внешнего диаметраприемной апертуры телескопа — D и степени ееэкранирования — ξ.

Рассмотрим зеркальный телескоп-рефлекторс кольцевой апертурой, у которого внешний диа-метр равен D, а внутренний — ξD. Его ОПФдля нормированной пространственной частоты x =

=λFf

Dопределяется выражением [10]

τξ(�) =1

1− ξ2

[G1(x) + ξ2G1

(x

ξ

)+G2(x)

], (10)

где

G1(x) =

=

⎧⎨⎩2π

[arccosx− x(1− x2)

12

], при 0 � x � 1

0, при 1 < x

⎫⎬⎭ ,

G2(x) =

=

⎧⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎩

− 2ξ2, при 0 < x <1− ξ

22ξπ

sinφ+(1 + ξ

π

)2φ− 2(1− ξ2)

π×

×arctg[1 + ξ

1− ξtgφ

2

], при

1− ξ

2� x � 1 + ξ

2,

0, при1 + ξ

2< x

⎫⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎬⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎭

,

а φ = arccos1 + ξ2 − 4x2

2ξ.

На рис. 2 изображены графики τξ(x) для ξ == 0,0; 0,3; 0,5; 0,7; 0,9. Возрастание τξ(x) для высо-ких частот x при увеличении ξ можно легко объ-яснить.

Рис. 2. ОПФ кольцевой апертуры телескопа ДЗЗ дляразличной степени ее экранирования ξ = 0,0; 0,3;

0,5; 0,7; 0,9

Величина полученного с помощью оптическойсистемы сигнала на частоте x равна площади пере-сечения апертуры системы с такой же апертурой,смещенной относительно первой на величину xD.

В силу этого, блокируя для кольцевой аперту-ры центральную часть ξD, мы не уменьшаем сиг-

нал на частотах, превышающих x =1 + ξ

2. В то же

время полученная суммарная энергия (сигнал нанулевой частоте) уменьшается на множитель [1 −− ξ2]. Поскольку ОПФ нормируется так, что онаравна 1 на нулевой частоте, то τξ(x) соответствен-но выше на множитель [1− ξ2]−1 на частотах, пре-

вышающих1 + ξ

2.

Таким образом, для больших ξ и, соответ-ственно, больших x увеличение может быть суще-ственным.

Средняя коротко-экспозиционная ОПФ систе-мы ДЗЗ с адаптивной компенсацией случайных на-клонов волнового фронта в соответствии с (5) опре-деляется выражением

〈τ(x)〉 = τξ(x)×

× exp

{−3,44

(D

r0

)5/3

x5/3[1− x1/3210/3

πE(ξ)]

},

(11)



Рис. 3. Средняя ОПФ системы ДЗЗс адаптивной компенсацией случай-ных наклонов волнового фронта для

D/r0 = 1


D/r0 = 2


D/r0 = 5

где

E(ξ)] = − 1(1− ξ4)2

1∫

ξ

×

× du

1∫

ξ

du|2π∫

0

dzu2u|2 cos z[u2 + u|2 − 2uu| cos z]5/6.

(12)

Прежде чем перейти к анализу поведенияфункции 〈τ(x)〉 (11), сделаем одно замечание. Ве-личина (210/3/π)E(0) ≈ 1,043. Поэтому при x→ 1показатель экспоненты в (11) станет больше ну-ля, что практически абсурдно. Такой результат обу-словлен приближенностью предположения (II), сде-ланного при выводе (11). Для устранения этойнефизичности можно заменить 1,043 на 1 [9], оста-ваясь в тех же пределах точности. В соответствиис таким подходом получаем для 〈τ(x)〉 следующеевыражение:

〈τ(x)〉 = τξ(x)×

× exp

{−3,44

(D

r0

)5/3

x5/3[1− x1/3S(ξ)]

},(13)

где S(ξ) = E(ξ)/E(0). Значения функции S(ξ)]приведены в таблице.

Т а б л и ц а

ξ S(ξ) ξ S(ξ) ξ S(ξ)0,00 1,00000 0,35 0,99748 0,70 0,974040,05 0,99998 0,40 0,99591 0,75 0,968320,10 0,99997 0,45 0,99379 0,80 0,962110,15 0,99990 0,50 0,99109 0,85 0,955440,20 0,99996 0,55 0,98776 0,90 0,948400,25 0,99929 0,60 0,98379

0,95 0,941000,30 0,99858 0,65 0,97921

Из таблицы видно, что при увеличении ξ зна-чения S(ξ) все более отклоняется от 1. Хотя этоотклонение на первый взгляд кажется не оченьзначительным, оно приводит к тому, что высокиепространственные частоты для кольцевой аперту-ры с компенсацией случайных наклонов волновогофронта теперь также будут подавляться, хотя и ме-нее значительно, чем при длинно-экспозиционнойрегистрации без адаптивной компенсации накло-нов. Это подавление тем заметнее, чем больше ξи чем больше отношение D/r0. Сказанное иллю-стрируется рис. 3, 4, 5, на которых изображена〈τ(x)〉 соответственно для D/r0 = 1, 2 и 5.



Рис. 6. Средняя ОПФ системы ДЗЗбез адаптивной компенсации слу-чайных наклонов волнового фронта

для D/r0 = 1


для D/r0 = 2


для D/r0 = 5

Аналогичные средние ОПФ для системы ДЗЗбез компенсации наклонов приведены на рис. 6, 7и 8 (для D/r0 = 1, 2 и 5 соответственно). Различиезначительное.

Обычно считают, что при D/r0 � 1 влия-нием атмосферы на качество оптической системыатмосфера–телескоп можно пренебречь. Из срав-нения рис. 3 и рис. 6 с рис. 2 видно, что это спра-ведливо лишь для оптических систем с адаптив-ной компенсацией случайных наклонов волновогофронта, в то время как для систем без компенса-ции наклонов при D/r0 = 1 влияние атмосферыдовольно существенно.

Анализ разрешающей способностисистемы ДЗЗ с адаптивнойкомпенсацией случайных наклоновволнового фронта

Качество оптической системы традиционнооценивается ее разрешающей способностью. Су-ществует довольно много подходов к ее определе-нию. Мы, следуя Фриду [9], примем в качестве ме-ры разрешающей способности системы атмосфера–

телескоп величину

R =∫〈τ(f)〉 df . (14)

Кратко остановимся на ее характеристике.По своей сути эта величина определяет корре-ляционное качество системы и является меройнепосредственного сходства между наблюдаемымучастком земной поверхности и его формируемымна борту КА изображением. В соответствии с про-веденными выше исследованиями для оптическойсистемы ДЗЗ без компенсации наклонов волновогофронта и системы ДЗЗ с адаптивной компенсациейнаклонов волнового фронта мы имеем соответсвен-но величины Rб.к и Rс.к, определяемые соотноше-ниями:

Rб.к = 2πD2

(λF )2

1∫

0

xτξ(x) exp

{−3,44

(D

r0

)5/3

x5/3

}dx,

(15)

Rс.к = 2πD2

(λF )2×

×1∫

0

xτξ(x) exp

{−3,44

(D

r0

)5/3

x5/3[1− x13S(ξ)]

}dx.

(16)



Рис. 9. Зависимость нормированного разрешения от нормированного диаметра в системах ДЗЗ без адаптивнойкомпенсации случайных наклонов волнового фронта

Рис. 10. Зависимость нормированного разрешения от нормированного диаметра в системах ДЗЗ с адаптивнойкомпенсацией случайных наклонов волнового фронта

Устремив D к бесконечности с учетом соот-

ношения 3,44 ≈[245

Γ(65

)], легко установить,

что существует предел разрешения R∞, определя-емый выражением

R∞ = limD→∞

Rб.к = limD→∞

Rc.к =π

4

(r0λF

)2

. (17)

Отсюда видно, что в случае бесконечно боль-шой апертуры атмосферой устанавливается одини тот же предел разрешения как для систем без

коррекции случайных наклонов волнового фронта,так и для систем с их адаптивной компенсаци-ей. Но приближение к этому пределу в указанныхсистемах происходит существенно различным об-разом, о чем свидетельствуют рис. 9 и рис. 10, гдепредставлены, соответственно, зависимости норми-рованного разрешения от нормированного диамет-ра: Rб.к(D/r0)/R∞ и Rс.к(D/r0)/R∞.

На основании полученных зависимостей вид-но, что если в системах без компенсации наклоновволнового фронта мы имеем простое монотонное



стремление Rб.к/R∞ → 1, то в системах с компен-сацией наклонов волнового фронта имеются мак-симумы разрешения, то есть существует некото-рое оптимальное значение D/r0, при котором до-стигается довольно существенное увеличение раз-решения по сравнению с системами без адаптив-ной компенсации наклонов. Для круглой апертурыэтот результат впервые был получен Фридом [9].Интересно отметить, что для кольцевых апертурс большими значениями ξ появляется второй мак-симум разрешения, который может существеннопревышать по своему значению первый, достигае-мый, как и для круглой апертуры, при D/r0 ≈ 3,5.На рис. 11 показано уменьшение значения абсо-лютного максимума разрешения телескопа с коль-цевой апертурой и компенсацией наклонов волно-вого фронта при увеличении ξ. Излом на рис. 11при ξ ≈ 0,7 объясняется тем, что значение второгомаксимума начинает превышать значение первого.

Рис. 11. Зависимость абсолютного максимума разреше-ния телескопа ДЗЗ с адаптивной компенсацией случай-ных наклонов волнового фронта от степени экранирова-

ния кольцевой апертуры телескопа

Заметим, что кривая, изображенная на рис. 11,практически совпадает с кривой const[1 − ξ2],то есть вплоть до D/r0 = 3,5 для систем с ком-пенсацией наклонов волнового фронта атмосферапрактически одинаково влияет на разрешение те-

лескопа с кольцевой апертурой произвольной вели-чины экранирования ξ, что объясняется малым от-клонением S(ξ) от 1 даже для больших ξ (см. таб-лицу).

Практически важным является вопрос о мак-симально допустимом значении ξ, при которомухудшение характеристик системы с адаптивнойкомпенсацией наклонов волнового фронта прикольцевой апертуре еще не очень существенно посравнению с круглой апертурой. При решении это-го вопроса берем за основу критерий Штреля,в соответствии с которым допустимым считаетсяуменьшение разрешения Rс.к на 20% от макси-мального значения. Максимальное различие в раз-решении достигается при D/r0 = 3,5 (рис. 10), по-этому из анализа рис. 11 получаем, что максималь-но допустимое значение ξ равно 0,43, а достигаемоепри этом разрешение по сравнению с системой безкомпенсации наклонов увеличивается ∼ в 4 раза,как и для круглой апертуры.

Пример аппаратурной реализации предложен-ной нами системы ДЗЗ с адаптивной компенсаци-ей случайных наклонов волнового фронта дан нарис. 12,а–в.

Здесь канал формирования изображений ДЗЗи канал детектирования и регистрации изображе-ний ДЗЗ находятся на борту космического аппара-та ДЗЗ, а канал обработки изображений ДЗЗ на-ходится на Земле и связан с ними по радиолинии.

Выводы

В результате проведенного анализа характери-стик системы ДЗЗ с адаптивной компенсацией слу-чайных наклонов волнового фронта для телескопаc кольцевой апертуры можно сделать следующиевыводы:

1) высокочастотный выигрыш кольцевой апер-туры по сравнению с круглой сохраняется приD/r0 � 4, характерных для задач ДЗЗ, а приD/r0 > 4, характерных для наземных наблюде-ний космоса, круглая апертура лучше кольцевойдля всех пространственных частот;

2) максимально допустимая степень экраниро-вания кольцевой апертуры ξ составляет 0,43;



a. Структурная схема канала адаптивного формирования изображений ДЗЗ:1 — зеркальный телескоп космического аппарата ДЗЗ;2 — коллимирующая оптика;3 — плоское адаптивное качающееся зеркало-компенсатор случайных наклонов волнового фронта;4 — полупрозрачное светоделительное зеркало;5 — детектор волнового фронта и оценки случайных наклонов — сдвиговый интерферометр;6 — блок адаптивного управления качающимся зеркалом;7 — светофильтры;8 — фокусирующая оптика;9 — плоскость изображения

б. Структурная схема канала детектирования и регистрации изображений ДЗЗ:10 — электромеханический затвор;11 — усилитель яркости изображения;12 — оптика переноса;13 — квадратичный детектор;14 — цифровая система обработки видеосигнала;15 — бортовой компьютер;16 — кодирующее устройство;17 — бортовая РЛС

Рис. 12.



в. Структурная схема канала обработки изображенийДЗЗ:18 — наземная РЛС;19 — декодирующее устройство;20 — вычислительные средства;21 — программное обеспечение;22 — алгоритмическое обеспечение обработки изобра-жений ДЗЗ;23 — АРМ оператора;24 — потребители изображений ДЗЗ высокого разре-шения

Рис. 12. Окончание

3) оптимальный диаметр апертуры равенDопт. = 3,5r0. При этом максимальный выигрышв разрешении системы с компенсацией по сравне-нию с системой без компенсации случайных накло-нов волнового фронта равен 4.


1. Свиридов К.Н. О предельном разрешении аэро-космических систем дистанционного зондирования

Земли (ДЗЗ) // Ракетно-космическое приборостро-ение и информационные системы, 2014, т. 1, вып. 1,с. 34–40.

2. Лавров В. В. Космические съемочные системысверхвысокого разрешения // Геоинформационныйпортал ГИС-Ассоциации, 2010, № 2.

3. Fried D. L. Limiting Resolution Looking DownThrough the Atmosphere // Journal of The OpticalSociety of America, 1966, vol. 56, p. 1380–1384.

4. Свиридов К.Н., Волков С.А. Способ дистанционно-го зондирования Земли, авторская заявка на изоб-ретение ОАО «Российские космические системы»,№2015129353 от 17.07.2015.

5. Свиридов К.Н. и др. Методы обработки световыхполей при наблюдении объектов через турбулент-ную среду, часть 3. «Адаптивные методы формиро-вания изображений» // Зарубежная радиоэлектро-ника, 1977, № 1, с. 3.

6. Адаптивная оптика, сборник статей. М.: Мир, 1980.

7. Shapiro J. H. Reciprocity of the Turbulent Atmo-sphere // Journal of The Optical Society of America,1971, vol. 61, p.492–495.

8. Свиридов К.Н. Технологии высокого разреше-ния оптических систем атмосферного видения,изд. LAP(LAMBERT Academic Publishing) GmbH,2005.

9. Fried D. L. Optical Resolution Through a RandomlyInhomogeneous Medium for Very Long and VeryShort Exposures // Journal of The Optical Societyof America, 1996, vol. 56, p. 1372–1379.

10. O‘Neill. Journal of The Optical Society of America,1956, vol. 46, p. 285.





УДК 621.396

Программные технологии созданияи распространения базовых продуктовдистанционного зондирования Земли

А.И.Васильев1, А.П.Коршунов2, Н.А.Ольшевский, А.С. Стремов1к.ф.-м. н., 2к.т. н.

АО «Российские космические системы»


Аннотация. В статье рассматривается облик разрабатываемого единого комплекса программно-аппаратныхсредств формирования и ведения банка базовых продуктов (БП) дистанционного зондирования Земли межве-домственного использования. Приводится технологическая модель функционирования и компоненты комплекса.Подробно рассматриваются особенности технических, программных и алгоритмических решений компонент со-здания и распространения БП.

Ключевые слова: банк базовых продуктов ДЗЗ, алгоритмы создания базовых продуктов ДЗЗ, технологии рас-пространения данных ДЗЗ, ЕК ББП

Software Technologies for Generationand Distribution of Basic EarthRemote Sensing Data Products

A. I.Vasilyev1, A.P.Korshunov2, N.A.Olshevskiy, A. S. Stremov1candidate of physical and mathematical science, 2candidate of engineering science,



Abstract. The outline of the integrated complex of automated soft- and hardware tools designed for generatingand maintaining the basic Earth remote sensing data products bank of interagency application being developed isconsidered in the paper. The technological functioning model of the complex and its components are described.Features of technical, software and algorithmic solutions for basic products generation and distribution are considered.

Key words: basic Earth remote sensing data products bank, algorithms for basic Earth remote sensing data productsgeneration, technologies of Earth remote sensing data distribution, EK BBP

24 А.И. ВАСИЛЬЕВ, А.П.КОРШУНОВ, Н.А.ОЛЬШЕВСКИЙ, А.С.СТРЕМОВ

Введение

Базовые продукты дистанционного зондирова-ния Земли (БП ДЗЗ) являются общей основой длямногоцелевой тематической интерпретации в инте-ресах решения задач ведомственных и региональ-ных потребителей и представляют собой наборыданных, на основе которых могут быть получе-ны различные физические (или псевдофизические)характеристики наблюдаемых территорий, явленийи/или объектов, и обеспечивают решение следую-щих задач:

• слежение за долговременной изменчивостьюконтролируемых объектов;

• построение карты восстанавливаемых по ди-станционным данным физических параметровподстилающей поверхности;

• сопоставление данных, полученных различны-ми сенсорами;

• валидация восстановленных по дистанцион-ным наблюдениям геофизических параметров,описывающих физические объекты;

• получение исходной устойчивой информациидля моделирования развития различных явле-ний и процессов.

В работе [1] авторы определяют свойства БПДЗЗ и предлагают уровни представления БП, адап-тированные к классификации CEOS:

БП уровня 1 — продукты, содержащие «обоб-щенные физические», привязанные к одному сеан-су (сцене) данные, этот уровень является подмно-жеством уровня 2G CEOS;

БП уровня 2 — привязанные к фиксирован-ному времени (временные) композиты, получен-ные на основе наблюдений за некоторый периодвремени и аппроксимированные на фиксированнуюпространственную сетку (соответствуют подмно-жеству продуктов уровня 3T CEOS);

БП уровня 3 — производные продукты, кото-рые получаются на основе продуктов уровня 2 пу-тем аппроксимации данных на различные времен-ные и пространственные сетки (соответствуют под-множеству продуктов уровня 3D CEOS).

В рамках данной работы предлагается расши-рить классификацию путем введения БП уровня 0,

более того, для рассматриваемых БП будут исполь-зоваться следующие обозначения: БП уровня 0 —первичные БП, БП уровня 1 — вторичные БП,БП уровня 2 — композитные изображения. Подпервичным БП будем понимать продукт стандарт-ной обработки данных ДЗЗ уровня 1С (1D) CEOSи представленный в следующих физических вели-чинах:

1) для оптико-электронной аппаратуры это физи-ческие величины энергетической яркости (ЭЯ)на зрачке сенсора (спектральная плотностьэнергетической яркости);

2) для радиолокационной аппаратуры это ампли-туда откликов сигнала.

Кроме того, в работе для композитных изобра-жений используется следующее ограничение: ком-позитные изображения формируются только на ос-нове первичных базовых продуктов уровня, соот-ветствующего уровню 1D CEOS.

Целесообразность создания набора техноло-гий для создания и ведения банка базовых про-дуктов межведомственного использования обу-словливается возможностью экономии бюджетныхсредств [2].

Далее в работе рассматривается облик разра-батываемого единого комплекса автоматизирован-ных программно-аппаратных средств формированияи ведения банка базовых продуктов (ЕК ББП)ДЗЗ межведомственного использования, реализу-ющий SaaS (software as a service) бизнес-модель(см. рис. 1). Подробно рассматриваются особенно-сти программных и алгоритмических решений ком-понент создания и распространения БП. В заключе-нии сформулированы основные результаты работы.

Облик ЕК ББП

Структурно-функциональная модель ЕК ББПпредставлена на рис. 2. В этой модели выделеныследующие основные компоненты:

• компонента администрирования ресурсами(АР) — реализует взаимодействие между дру-гими компонентами ЕК ББП и обеспечива-ет масштабирование системы на уровне созда-ния новых центров обработки и новых типов


ПРОГРАММНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ СОЗДАНИЯ И РАСПРОСТРАНЕНИЯ БАЗОВЫХ ПРОДУКТОВ 25

Рис. 1. Бизнес-модель web-сервиса ЕК ББП

Рис. 2. Структурно-функциональная модель ЕК ББП



Рис. 3. Технологическая схема выполнения заказа по формированию БП ДЗЗ

базовых продуктов посредством реализован-ной в рамках компоненты программной моделиMap/Reduce;

• программно-аппаратные средства архивирова-ния и каталогизации (ПАС АК) осуществляютведение структуры каталога и доступ к архи-



ву первичных БП, база данных БП ДЗЗ спро-ектирована на основе СУБД Oracle и развер-нута на аппаратных средствах ЕК ББП с ис-пользованием технологии Oracle Real Applica-tion Clusters. Долговременное хранилище пер-вичных БП содержит множество zip-архивов,внутри которых хранятся растровые данныеи метаданные в формате xml;

• автоматизированное рабочее место верифика-ции БП поддерживает набор технологий ве-рификации БП ДЗЗ на основе техник сопо-ставления данных ДЗЗ российских и зару-бежных КА, таких как Landsat 7, Landsat 8,Terra/Aqua, EO-1 (доступ к открытым архи-вам зарубежных данных ДЗЗ реализуется поканалам Интернета);

• компонента создания БП включает набор при-ложений для формирования вторичных БПи приложение для формирования композитныхизображений;

• компонента распространения БП включаетWeb-API и web-интерфейс для программногои персонального доступа к сервису соответ-ственно.

Технологическая схема выполнения заказапродемонстрирована на рис. 3 и включает следую-щие основные этапы:

1) формирование заказа авторизованным клиен-том/пользователем на основе Web-API (записьпараметров заказа в БД ЕК ББП);

2) импорт заказа в систему АР;

3) проверка корректности исходных данных заказа;

4) подготовка исходных данных для выполнениязаказа;

5) формирование БП заказа;

6) подготовка выполненного заказа к распростра-нению;

7) экспорт заказа из системы администрирования;

8) доступ к выполненному заказу авторизо-ванным клиентом/пользователем на основеHTTP-ссылки.

Программная компонента созданияБП ДЗЗ

Компонента создания БП обеспечивает созда-ние БП следующих тематических групп:

1) расчет спектрального коэффициента отраже-ния (СКО) на верхней границе атмосферы(ВГА) по данным оптико-электронной аппара-туры;

2) расчет спектральных индексов по даннымоптико-электронного оборудования;

3) формирование композитных изображенийпо данным мультиспектральных изображений.

Поскольку способ хранения базовых продук-тов в долговременном архиве подразумевает на-личие растровых данных в 8- или 16-битномпредставлении целочисленных значений, опреде-лим правила перехода к физическим величинамдля растровых данных, представленных в цифро-вых отсчетах. Для этого будем использовать ли-нейное преобразование в виде (1):

PV = gain ·DN + offset, (1)

где:PV — значение некоторой физической величины;DN — значение цифрового отсчета;{gain, offset} — пара параметров перехода

к физическим величинам, указанным в сопрово-дительной информации, поставляемой совместнос БП.

Приложение для расчета СКО на ВГАпо данным оптико-электронногооборудования

Расчет СКО по данным ОЭА реализуется в со-ответствии с соотношением (2):

ρλ =π · Lλ ·D2

Sλ· cos θ, (2)

где:ρλ — СКО на ВГА для заданного канала сен-

сора;Lλ — значение величины СПЭЯ, фиксируемой

датчиком для заданного канала, Вт/(м2· ср ·мкм);D — расстояние от Земли до Солнца в а.е.

на дату съемки;



Та б л иц а 1. КА ДЗЗ, оборудованные мультиспектральными сенсорами

Космический аппаратМультиспектральный

сенсорРазрешение, м

Актуальные каналыRed Green Blue NIR

«Метеор–М» №2 КМСС 60 + + – +«Ресурс–П» №1 КШМСА–СР 120 + + + +

Landsat–7 ETM+ 30 + + + +Landsat–8 OLI 30 + + + +

Та б ли ц а 2. Спектральные индексы, рассчитываемые по данным мультиспектральных изображений

Название Формула ДиапазонNormalized Difference Vegetation Index(Нормализованный разностныйвегетационный индекс)

NDV I =ρNIR − ρREDρNIR + ρRED

[−1; 1]Растительность — [0,2; 0,8]

Simple Ratio (Простое соотношениеинфракрасный/красный)

SR =ρNIRρRED

[0; 30]Растительность — [2; 8]

Simple Ratio Red/Green (Простоесоотношение красный/зеленый)

RGR =ρREDρGREEN

[0,1; 8]Растительность — [0,7; 3]

Atmospherically Resistant VegetationIndex (Вегетационный индекс,устойчивый к влиянию атмосферы)

ARV I =ρNIR − 2ρRED − ρBLUEρNIR + 2ρRED − ρBLUE

[−1; 1]Растительность — [0,2; 0,8]

Enhanced Vegetation Index(Усовершенствованный вегетационныйиндекс)

EV I =ρNIR − 2ρRED

ρNIR + 6ρRED − 7,5ρBLUE + 1[−1; 1]

Растительность — [0,2; 0,8]

Sλ — средняя солнечная внеатмосферная энер-гетическая освещенность (солнечная постоянная),Вт/(м2· ср ·мкм);

θ — зенитное расстояние Солнца (рассчитыва-ется для заданных пространственно-временных ко-ординат в соответствии с [3]).

Солнечная постоянная для конкретного спек-трального канала вычисляется на основе форму-лы (3):

Sλ =∫fs·fλ · dλ∫fλ · dλ , (3)

где fλ — функция чувствительности заданного ка-нала сенсора;

fs — функция спектра Солнца [4].Формирование новых растровых изображений

целесообразно только для широкозахватных сенсо-ров типа КМСС КА «Метеор-М». Для узкозахват-ных сенсоров (ширина захвата менее 200 км) рас-чет СКО сводится к коррекции параметров перехо-да к физическим величинам {gain, offset}.

Приложение для расчета спектральныхиндексов по данным оптико-электронногооборудования

Расчет спектральных индексов для оптико-электронной аппаратуры реализуется на основеданных в физических величинах СКО на ВГА. Ин-дексы вегетации, рассчитываемые по данным муль-тиспектральной аппаратуры (см. табл. 1), представ-лены в табл. 2. Индексы вегетации, рассчитывае-мые по данным гиперспектральной аппаратуры КА«Ресурс-П», представлены в табл. 3.

По результатам работы приложения расче-та спектральных индексов формируется растровоеизображение в 16-битном представлении целочис-ленных значений, сопровождаемое параметрами пе-рехода к актуальным диапазонам вторичных БП.Примеры вторичных БП, соответствующих спек-тральным индексам, рассчитанных на основе дан-ных сенсора КМСС КА «Метеор-М» №2, пред-ставлены на рис. 4.



Т а б л иц а 3. Отдельные рассматриваемые спектральные индексы, рассчитываемые по данным гиперспектральныхизображений КА «Ресурс-П» №1

Название Формула ДиапазонRed Edge Normalized Difference VegetationIndex (Нормализованный разностныйвегетационный индекс 750/705)

NDV I705 =ρ750 − ρ705ρ750 + ρ705

[−1; 1]Растительность [0,2; 0,9]

Modified Red Edge Simple Ratio Index(Модифицированное простое отношение750/705)

mSR705 =ρ750 − ρ445ρ705 + ρ445

[0; 30]Растительность [2; 8]

Modified Red Edge Normalized DifferenceVegetation Index (Модифицированныйнормализованный разностныйвегетационный индекс 750/705)

mNDV I705 =ρ750 − ρ705

ρ750 + ρ705 − 2 ∗ ρ445[−1; 1]

Растительность [0,2; 0,7]

Vogelmann Red Edge Index 1 (Индекс 1Вогельмана для области ближнегоинфракрасного)

V OG1 =ρ740ρ720

[0; 20 >]Растительность [4; 8]

Vogelmann Red Edge Index 2 (Индекс 2Вогельмана для области ближнегоинфракрасного)

V OG2 =ρ734 − ρ747ρ715 + ρ726

[0; 20]Растительность [4; 8]

Photochemical Reflectance Index(Нормализованный разностный индексфотохимического отражения волн)

PRI =ρ531 − ρ570ρ531 + ρ570

[−1; 1]Растительность

[−0,2; 0,2]Structure Insensitive Pigment Index (Индекспоглощения основными пигментнымиструктурами)

SIPI =ρ800 − ρ445ρ800 − ρ680

[0; 2]Растительность [0,8; 1,8]

Рис. 4. Примеры БП (слева направо — NDVI, SR, RGR), рассчитанных по данным КМСС КА «Метеор-М»(крайний справа)

Формирование композитного изображенияпо данным мультиспектральных сенсоров

С целью формирования композитных изобра-жений на основе двух мультиспектральных изоб-ражений был разработан следующий алгоритм:

1. Приведение растровых данных к самому крупно-му разрешению (из рассматриваемых данных).

2. Выбор опорного первичного БП (в качествеопорного выбирается тот, съемка которого бы-ла произведена раньше).

3. Проецирование изображений (каналов) пер-вичных БП в картографическую проекциюопорного первичного БП (соответствующуюзону проекции UTM).



Рис. 5. Примеры сформированного композитного изображения (справа) с использованием разработанного прило-жения. Исходные данные: MODIS (слева), КМСС «Метеор-М» №1 (в центре)

4. Приведение к цифровым отсчетам опорногоизображения (радиометрическая коррекция):

DC2 =gain1gain2

DC1 +offset1 − offset2

gain2, (4)

где {gain1, offset1} — пара параметров перехо-да к физическим величинам опорного изобра-жения (для соответствующего канала);{gain2, offset2} — пара параметров переходак физическим величинам неопорного изобра-жения (для соответствующего канала).

5. Формирование композитного изображенияв формате RGB (на основе комбинации,представленной в табл. 4).

Т а б л иц а 4. Комбинация каналов для построения ком-позитного изображения

Red Green Blue

Red2 NIR2 NIR1

На рис. 5 показан результат формированиякомпозитного изображения по данным MODIS КАTerra/Aqua и КМСС КА «Метеор-М» (съемка вы-полнена в июне 2012 г.). В качестве опорного изоб-ражения был выбран снимок MODIS. Наиболее за-метным объектом является облачность на компо-зитном изображении, она подсвечивается розовымцветом.

Программная компонентараспространения БП ДЗЗ

Программная компонента распространениявключает два основных модуля доступа к серви-сам банка базовых продуктов: программный доступ

на основе Web-API и персональный доступ пользо-вателей по средствам web-интерфейса. Следует от-метить, что доступ к сервисам из web-интерфейсареализуется также на основе обращений к Web-API.

На рис. 6 представлена архитектура web-приложения компоненты распространения при об-ращении пользователей к сервисам ЕК ББП по-средством Web-API. Ключевыми особенностямипредложенной архитектуры является:

1) доступ к сервисам по протоколу HTTPS(поддерживает шифрование), обеспечивающе-му доступ к сервисам только авторизованныхклиентов/пользователей;

2) система, масштабируемая с учетом увеличенияколичества клиентов/пользователей.

Web-интерфейс системы распространения ре-ализует следующий основной функционал (скрин-шот web-интерфейса представлен на рис. 7):

1) задание области интереса с использованиемкартографической основы;

2) задание критериев поиска, таких как диапазондат, процент облачности, углы съемки КА дляцентра кадра, углы Солнца для центра кадраи другие;

3) просмотр уменьшенных копий изображений(quicklook) найденных кадров;

4) выбор вторичных БП для отобранных кадров;

5) выбор пар кадров для формирования композит-ных изображений БП для отобранных кадров;

6) возможность мониторинга состояния готовно-сти заказа в «личном кабинете»; возможность



Рис.6.Архитектура

web-приложения

компонентыраспространенияБПДЗЗ



Рис. 7. Скриншот web-интерфейса компоненты распространения БП ДЗЗ

скачивания выполненного заказа в тече-ние регламентированного промежутка времени(не более 14 дней).

Заключение

В рамках статьи рассмотрен создаваемый ЕКББП как геоинформационный web-сервис. Доступк различным базовым продуктам реализован по-средством компоненты распространения, обеспечи-вающей персональный и абонентский доступ. Дляформирования БП (по данным оптико-электроннойаппаратуры) были разработаны приложения: расчетСКО на ВГА; расчет спектральных индексов; фор-мирование мультивременных композитов. Доступ кбанку базовых продуктов планируется организоватьпосле его введения в эксплуатацию в начале 2016 г.


1. Лупян Е.А., Саворский В.П. Базовые продукты об-работки данных дистанционного зондирования Зем-ли // Современные проблемы ДЗЗ из космоса, 2012,т. 9, № 2, с. 87–96.

2. Урличич Ю.М., Селин В.А., Емельянов К.С.О приоритетах практической реализации развитиякосмической системы дистанционного зондирова-ния Земли // Наука и технологии в промышлен-ности, 2012, № 1, с. 71–80.

3. Blanco-Muriel M. et al. Computing the Solar Vec-tor // Solar Energy, 2001, vol. 70, № 5, p. 431–441.

4. Thuillier G. et al. The Solar Spectral Irradiance from200 to 2400 nm as Measured by the SOLSPEC Spec-trometer from the ATLAS and EURECA Missions //Solar Physics, 2003, 214:1–22.





УДК 621.396

Многозональное сканирующее устройстводля геостационарного метеоспутника «Электро-Л»

Р.В.Андреев, Н.П.Акимов, К.В.Бадаев, Ю.М.Гектин1, А.А. Зайцев, А.В.Рыжаков,М.Б.Смелянский, Н.А.Сулиманов, А. Г.Фролов2

1,2к.т. н., АО «Российские космические системы»


Аннотация. Рассматриваются принцип действия, конструктивные особенности и направления развития приборовМСУ-ГС, предназначенных для эксплуатации в составе геостационарных метеоспутников «Электро-Л» № 1 и № 2.Созданная аппаратура обеспечивает полный обзор полушария Земли за 5 мин с периодичностью до 15 мин. На-блюдение поводится в десяти спектральных каналах. Три диапазона видимой области спектра с пространственнымразрешением в надире 1 км и семь каналов инфракрасного диапазона с пространственным разрешением 4 км.

Ключевые слова: геостационарные метеоспутники; спектрозональная съемка Земли; сканирующее устройство

Multiizone scanning apparatus for geosynchronousmeteorological satellite «Electro-L»

R.V.Andreev, N.P.Akimov, K.V.Badaev, Yu.M.Gektin1, A.A.Zaitsev, A.V.Ryzhakov,M.B. Smeljanskij, N.A. Sulimanov, A.G.Frolov2

1,2candidate of engineering science,Joint Stock Company “Russian Space Systems”


Abstract. The principle of operation of MSU-GS apparatus, construction details and the primary way of its developmentare described in this paper. These apparatuses are intended for exploitation at the board of geostationary meteorologicalsatellites “Electro-L” № 1, 2. It provides full observation of Earth semi-sphere during 5 minutes every 15–30 minutes.There are ten spectral bans at the apparatus. Three of there are at the visible range of spectrum with the spatialresolution of 1 km, other seven bands are infrared with the spatial resolution of 4 km.

Key words: geostationary meteorological satellites, spectral-bands Earth observation, scanning system

34 Р.В.АНДРЕЕВ, Н.П.АКИМОВ, К. В.БАДАЕВ, Ю.М. ГЕКТИН, А.А. ЗАЙЦЕВ, А. В. РЫЖАКОВ И ДР.

Введение

20 января 2011 г. на геостационарную орби-ту Земли был успешно выведен метеорологиче-ский спутник «Электро-Л» № 1, созданный в НПОим. С.А.Лавочкина. Основной и наиболее слож-ный по конструктивному исполнению прибор этогоаппарата — многозональное сканирующее устрой-ство (МСУ-ГС № 1), разработанное и изготовлен-ное АО «Российские космические системы». Зада-чей этого прибора является регулярное наблюдениевсего диска Земли в нескольких спектральных диа-пазонах видимой и инфракрасной областях спектрадля решения прежде всего ряда важных гидроме-теорологических и природоведческих задач [1, 2].Эффективность использования получаемой инфор-мации непосредственно связана с ее высокой ра-диометрической точностью, которая обеспечивает-ся бортовыми системами калибровки МСУ-ГС № 1.

Приборы подобного назначения, но с болеенизкими характеристиками, разрабатывались и ра-нее, первый российский геостационарный метео-спутник был разработан ВНИИЭМ и запущенв 1994 г. [3]. Современное поколение спутников,имеющее трехосную стабилизацию в пространстве,потребовало разработки более сложных устройствнаблюдения, обладающих двухкоординатными ска-нирующими системами. Наиболее близкий совре-менный аналог МСУ-ГС № 1 — прибор Imagerспутника GOES-12 [4].

Несмотря на технические проблемы, связан-ные со стабилизацией платформы космическогоаппарата (КА), прибор МСУ-ГС № 1 продолжа-ет успешно функционировать [5] и предоставляетснимки диска Земли, один из которых приведенна рис. 1.

В настоящее время создан и готовится к за-пуску КА «Электро-Л» № 2, имеющий в составемодернизированный МСУ-ГС № 2 с абсолютно но-вым ИК-модулем.

(Далее в тексте будем приводить номер при-бора в случае, если существуют принципиальныеотличия между первым и вторым вариантом и, со-ответственно, номер не указывать, если описывае-мые характеристики или принципы работы общиедля двух приборов.)

Основные тактико-техническиехарактеристики аппаратуры

Штатная периодичность съемки составляет30 мин, однако возможна и удвоенная частота по-лучения снимков для наблюдения за динамически-ми природными процессами, такими как тайфуны,цунами, ураганы и т. п. В отличие от европейскихи американских аналогов, аппаратура МСУ-ГС вовсех режимах работы формирует изображение пол-ного диска Земли, а не определенных фрагментовповерхности.

МСУ-ГС имеет два независимых оптико-меха-нических модуля, жестко связанных между собой:МСУ-ГС-ИК и МСУ-ГС-ВД, формирующие изобра-жения в инфракрасной и видимой областях спектрасоответственно. Тактико-технические характеристи-ки прибора приведены в табл. 1.

В одном сеансе съемки МСУ-ГС формируетсясемь изображений Земли в инфракрасных диапа-зонах спектра с разрешением по поверхности 4 кми три в видимом и ближнем инфракрасном диапа-зонах, с разрешением 1 км (рис. 2).

Далее будут рассмотрены принцип действияМСУ-ГС № 1 и 2, а также их различия, обуслов-ленные конструктивными доработками, направлен-ными на повышение тактико-технических характе-ристик прибора.

Принцип работы МСУ-ГС № 1

Модуль МСУ-ГС-ВД, входящий в составМСУ-ГС № 1, обеспечивает съемку в видимоми ближнем инфракрасном диапазонах. В МСУ-ГС№ 2 принцип действия модуля остался прежним.Оптическая схема, реализованная как в МСУ-ГС№ 1, так и в МСУ-ГС № 2, приведена на рис. 3.

Сканирование проводится зеркалом (1), опти-ческий поток с которого попадает в две идентич-ные ветви. Объективы (2) каждой из ветвей раз-вернуты на угол 4◦45′ к оси визирования, поле зре-ния объективов 10◦, таким образом, каждый объ-ектив обеспечивает получение изображения поло-вины диска Земли за сеанс съемки. Далее, отра-зившись от зеркал (3, 4), служащих для уменьше-ния общих габаритов системы, излучение попадает


МНОГОЗОНАЛЬНОЕ СКАНИРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ МЕТЕОСПУТНИКА «ЭЛЕКТРО-Л» 35

Рис. 1. Один из первых снимков, сделанных прибором МСУ-ГС № 1. Изображение синтезировано из трех спек-тральных каналов: 0,50–0,65 мкм, 0,65–0,80 мкм и 0,80–0,90 мкм

Т а б л иц а 1. Основные тактико-технические характеристики прибора МСУ-ГС

Модуль № спектральногоканала

Границыспектральногодиапазона, мкм

Пространственноеразрешениев надире, км2

Угловое полезрения

МСУ-ГС-ВД1 0,50–0,65

1× 1 19◦ × 26,1◦2 0,65–0,803 0,80–0,90

МСУ-ГС-ИК

4 3,5–4,0

4× 4 20◦ × 20◦

5 5,7–7,06 7,5–8,57 8,2–9,28 9,2–10,29 10,2–11,210 11,2–12,5



Рис. 2. Визуальное представление информации, получаемое прибором МСУ-ГС за один сеанс съемки

Рис. 3. Оптическая схема модуля МСУ-ГС-ВД:1 — однокоординатное сканирующее зеркало; 2 — объ-ектив; 3, 4 — поворотные зеркала; 5 — светофильтр,формирующий диапазон 0,50–0,65 мкм; 6 — свето-фильтр, формирующий диапазон 0,80–0,90 мкм; 7 —светофильтр, формирующий диапазон 0,65–0,80 мкм;8, 9, 10 — ПЗС-линейки; 11 — поворотное зеркало;12 — светофильтр; 13 — объектив; 14 — источник из-лучения

через светофильтры (5, 6, 7), формирующие тре-буемые спектральные диапазоны, на линейные фо-топриемные устройства с зарядовой связью (ПЗС)(8, 9, 10). В каждой ветви линейки расположеныв плоскости изображения и разнесены по полю зре-ния, чем и определяется увеличенное поле зрениясистемы по кадру до 26,1◦.

Для повышения радиометрической точностипредусмотрен режим калибровки, в процессе ко-торого зеркало (1) разворачивается так, чтобыизлучение эталонного источника, пройдя через всюоптическую систему, проецировалось на ПЗС-ли-нейках. Для каждой ветви установлена своя системакалибровки, каждая из которых содержит источникизлучения (14), объектив (13), светофильтр (12)и поворотное зеркало (11). Во время режима калиб-ровки защитные крышки прибора, установленныеперед сканирующим зеркалом, закрываются.

Оптический модуль МСУ-ГС № 1, обеспечи-вающий съемку в инфракрасном диапазоне спек-тра, собран в отдельном корпусе. Его принципи-альная схема приведена на рис. 4.

Получение изображения обеспечивается засчет сканирования по двум осям зеркалом (1), пре-цизионное движение которого обеспечивает специ-альный двигатель, разработанный в СКБ КП ИКИРАН (г. Таруса), погрешность равномерности его



Рис. 4. Оптическая схема ИК-модуля МСУ-ГС № 1:1 — двухкоординатное сканирующее зеркало; 2, 3, 4 — телескопическая система; 5 — поворотное зеркало; 6 — спек-троделительная система; 7 — сменные светофильтры; 8 — объективы; 9 — многоэлементные приемники излучения

движения по траектории не превышает 3,5′′, точ-ность позиционирования — 18′′. От зеркала (1) оп-тическое излучение попадает в телескопическуюсистему (2, 3, 4), выполненную по схеме Гали-лея, состоящую из основного сферического зерка-ла (2) диаметром 220 мм и двухлинзового объ-ектива (3, 4). Далее, отразившись от поворотно-го зеркала (5), излучение попадает в спектродели-тельную систему (6). Она состоит из интерферен-ционных фильтров и выделяет три широких спек-тральных диапазона. Формирование более узкихспектральных диапазонов обеспечивается сменны-ми светофильтрами (7). Затем разделенные опти-ческие потоки фокусируются объективами (8) намногоэлементных приемниках излучения (9) (раз-работаны ОАО «НПО “Орион”»). Рабочая темпера-тура приемников — 79 К. Для обеспечения тем-пературного режима приемники устанавливаются

на пассивную систему радиационного охлаждения(РХ), излучающую тепло в космическое простран-ство (разработано АО «НИИЭМ»).

Приемники излучения изготовлены на основетройного соединения кадмий–ртуть–теллур и име-ют формат 2 × 96 элементов. Они ориентированытаким образом, что при одном повороте зеркалаформируется скан шириной 96 строк. Полное изоб-ражение диска Земли формируется за 34 скана.

Процесс формирования изображений поясня-ется рис. 5 (идентичен для МСУ ГС №1 и №2).

Для формирования всех семи спектральных ка-налов проводится запись трех кадров при различныхположениях светофильтров (7). Циклограмма после-довательности получения информации в различныхспектральных каналах представлена на рис. 6.

Внешний вид МСУ-ГС № 1, установленногона КА «Электро-Л» № 1, показан на рис. 7.



Рис. 5. Принцип построения изображения и геометрия сканирования прибора МСУ-ГС

Рис. 6. Циклограмма работы прибора МСУ-ГС №1

Принцип работымодернизированного ИК-модуляМСУ-ГС № 2

По результатам летной эксплуатации к работеИК-модуля был выдвинут ряд замечаний в частициклограммы работы и радиометрической точностиполучаемой информации. Для устранения этих за-мечаний при создании прибора МСУ-ГС №2 бы-ли выполнены доработки, обеспечивающие повы-шение радиометрической точности и одновремен-

ное получение изображений во всех спектраль-ных каналах [6]: разработана новая оптическаясхема с использованием асферических поверхно-стей, применены ИК-фотоприемники формата 288×× 4 с улучшенными шумовыми характеристикамии оптимизированной спектральной чувствительно-стью, одновременно используются 7 приемников,организован режим сканирования с гарантирован-ным получением сигналов, не коррелированных понизкочастотным шумам.

Новая оптическая схема ИК-модуля представ-лена на рис. 8.



Рис. 7. Внешний вид прибора МСУ-ГС для КА «Электро-Л» № 1.а — с защитным кожухом, б — без кожуха

Принцип работы системы заключается в сле-дующем: оптическое излучение от земной поверх-ности направляется сканирующим зеркалом (1)в зеркальный объектив (2, 3) с диаметром глав-ного зеркала 220 мм, затем зеркало (5) делит све-товой поток на две части так, что образуются две«ветви», поле зрения каждой из которых состав-ляет половину поля зрения зеркального объекти-ва. В результате получаются две плоскости проме-жуточного изображения, в которых располагают-ся линзы коллективов (6), служащие для умень-шения диаметра оптического пучка. Два получен-ных потока излучения попадают в две системыспектроделения, состоящие из интерференционныхфильтров (7). После спектроделительной системыобъективы (9) собирают семь световых потоковна многоэлементных приемниках излучения (11).Спектр полученных потоков не во всех каналахсоответствует требуемой полосе пропускания, по-этому перед некоторыми приемниками излученияустановлены дополнительные светофильтры (10).Поворотные зеркала (4, 8) обеспечивают требуе-мое взаимное расположение многоэлементных при-емников.

В отличие от первого варианта ИК-модуля,в оптической схеме отсутствуют элементы, работаю-щие на пропускание в широкой области спектра(рис. 7, поз. 3, 4) 3,5–12,5 мкм. Благодаря этим из-

менениям увеличилась величина оптического пото-ка, попадающего на фоточувствительные площад-ки приемников, и повысилась эффективность пре-образования оптического сигнала в электрический(табл. 2).

Т а б л иц а 2. Коэффициент пропускания оптическойсистемы ИК-модулей

№ спектральногоканала

МСУ-ГС №1 МСУ-ГС №2

4 0,51 0,49

5 0,10 0,4

6 0,22 0,42

7 0,31 0,43

8 0,42 0,45

9 0,32 0,44

10 0,26 0,39

Формирование изображений проводится с по-мощью сканирующего зеркала, при этом за одинскан формируются 192 строки. Это объясняетсятем, что в силу особенностей оптической схемыв каждой линейке фотоприемника для построенияизображения используются не все 288 элементов,а только 192. На 96 элементов излучение не по-падает, уровень темнового сигнала этих элементовиспользуется для компенсации временного «ухода»



Рис. 8. Оптическая схема ИК-модуля МСУ-ГС №2:1 — двух координатное сканирующее зеркало; 2 — основное параболическое зеркало; 3 — вторичное зеркало;4 — поворотное зеркало; 5 — разделительное зеркало; 6 — линзы коллективов; 7 — дихроическое зеркало; 8 —зеркало поворотное; 9 — объектив; 10 — фильтр; 11 — многоэлементные приемники излучения (4K–10K — номерасоответствующих спектральных каналов)

значения выходного сигнала приемника. Прием-ники излучения ориентированы длинной сторонойпоперек направления сканирования. Полное изобра-жение состоит из 34 сканов, при этом использует-ся принцип временной задержки и накопления сиг-нала, т. е. изображение с каждой точки поверхностипроецируется последовательно на 4 элемента прием-ника (в первом варианте МСУ-ГС-ИК — на 2 эле-

мента), значения сигналов с которых затем усред-няются. Благодаря увеличенной размерности фото-приемников, при строчном сканировании реализова-но 50%-е перекрытие сканов.

В целях повышения радиометрической точно-сти измерений спектральные характеристики фото-приемников были оптимизированы под требуемыеспектральные диапазоны (рис. 9).



Рис. 9. Спектральные характеристики приемников излучения в каналах 4–10

Рис. 10. Циклограмма работы прибора МСУ-ГС №2

В модернизированном модуле было значитель-но уменьшено время получения изображения пол-ного диска Земли (рис. 10). Образовавшийся ре-зерв времени используется для получения четы-рех кадров, совершенно не коррелированных по

шумовым составляющим фотоприемников. Данныепо этим кадрам усредняются при наземной об-работке, что позволяет повысить радиометриче-скую точность получаемой информации. В случаенеобходимости наблюдения за особо динамичными



Рис. 11. Влияние криоосадков на качество изображения (на примере МСУ-ГС № 1). Слева — до, справа — послеработы режима «очистки»

метеорологическими процессами сохранена воз-можность получения четырех независимых кадровв более короткие временные интервалы.

Все перечисленные доработки позволят значи-тельно повысить радиометрическую точность из-мерений. Сравнение достигнутого температурногоразрешения МСУ-ГС № 1 и МСУ-ГС № 2 приве-дено в табл. 3.

Одновременное получение изображений в ка-налах инфракрасной области спектра позволило ре-

ализовать циклограмму работы прибора, представ-ленную на рис. 10.

Увеличение количества приемников с 3 до 7повлекло увеличение тепловыделения, что, в своюочередь, потребовало значительного увеличенияплощади системы радиационного охлаждения фо-топриемников (рис. 12). Кроме того, были разра-ботаны и внедрены в РХ (радиационный холодиль-ник) методы борьбы с криоосадками, состоящимив основном из кристаллов льда, осаждающихся на



Рис. 12. Конструкция радиационного холодильника прибора МСУ ГС № 1 (слева) и МСУ ГС № 2 (справа).1 — фотоприемники, 2 — вторая ступень радиатора (78 К), 3 — первая ступень радиатора (150 К), 4 — нити,

удерживающие вторую ступень, 5 — стойки крепления нитей

Т а б л иц а 3. Радиометрическая точность ИК-модулейМСУ-ГС №1 и №2

№ спектральногоканала

МСУ-ГС №1,ΔT , K

МСУ-ГС №2,ΔT , K

4 0,3 0,23

5 1,5 0,11

6 0,3 0,08

7 0,3 0,25

8 0,3 0,20

9 0,3 0,17

10 0,7 0,18

холодных входных окнах фотоприемников. Это яв-ление значительно ухудшает качество получаемыхизображений (рис. 11). Для парирования этого про-цесса разработан режим <<очистки РХ: производитсянагрев первой и второй (поверхности с фотоприем-никами) ступеней РХ, в результате чего криоосадкииспаряются с входных окон приемника.

Испарившаяся вода очень медленно покидаетвнутренний объем РХ, поэтому через некотороевремя качество изображений опять падает. В до-работанном приборе конструкция РХ была измене-на таким образом, чтобы боковые стенки внутрен-ней теплоизоляции располагались под углом (рас-ходились — рис. 12 (3)). В результате молекулыводы в режиме «очистки», испарившись с оптиче-ских поверхностей, улетают в космос после соуда-рения со стенками значительно быстрее, чем приих параллельном расположении. Таким образом,после нескольких сеансов «очистки» большая часть

водяного пара улетает в открытый космос. Эффек-тивность выполненной доработки подтвердилась вовремя эксплуатации прибора МСУ-МР в составеКА «Метеор-М» № 2, имеющего аналогичную сис-тему охлаждения фотоприемников.

У новой системы охлаждения повышенная хо-лодопроизводительность в результате увеличеннойна 30% площади излучающей поверхности, тем са-мым при тепловыделении 300 мВт обеспечивает-ся температура приемников 78–80 К. В итоге уве-личится радиометрическая точность аппаратуры засчет более низкой температуры работы приемникови меньшего количества криоосадков, влияющих накачество получаемой информации.

Внешний вид модуля приведен на рис. 13.


Хотя при создании МСУ-ГС № 2 для КА«Электро-Л» № 2 был достигнут значительныйпрогресс в повышении качества получаемой ин-формации, работы над совершенствованием прибо-ров продолжаются, так, например, для некоторыхИК-каналов есть возможность улучшить радиомет-рическую точность более чем на 25% по сравне-нию с МСУ-ГС № 2, что будет реализовано ужев следующем приборе, изготавливаемом для КА«Электро-Л» № 3.

В ближайшие годы планируется дополнитьгеостационарную группировку спутников «Элект-ро-Л» двумя высокоэллиптическими спутниками



Рис. 13. МСУ-ГС для КА «Электро-Л» № 2

«Арктика-М», что позволит на регулярной основенаблюдать полярные области, играющие важнуюроль в формировании погоды Северного полуша-рия [6]. Спутники «Арктика-М» будут созданы нааппаратурной основе «Электро-Л» с использовани-ем модифицированных приборов МСУ-ГС.


1. Асмус В.В., Дядюченко В.Н., Загребаев В.А. и др.Развитие космического комплекса гидрометеороло-гического обеспечения на базе геостационарныхспутников серии «Электро-Л» // Вестник ФГУПНПО им. С.А.Лавочкина, 2012, № 1, с. 3–14.

2. Патент № 2319183 РФ. G02B 26/10. Многозо-нальное сканирующее устройство для дистанци-онного получения изображения / Новиков М.В.,Гектин Ю.М., Акимов Н.П., Сулиманов Н.А.,Смелянский М.Б., заявлено 23.06.2006. Опубл.10.03.2008.

3. Трифонов Ю.В. Космические аппараты дистан-ционного зондирования Земли. М.: ФГУП НПОВНИИЭМ, 2008. 69 с.

4. Effects of Ice Decontaminatoin on GOES-12 ImagerCalibration // Geo science and Remote Sensing. IEEETransactions, 2013, vol. 51, is. 3, р. 1224–1230.

5. Гектин Ю.М., Киселева Ю.А., Рублев А.Н. Интер-калибровка данных измерений в ИК-каналах ска-нера геостационарного метеоспутника «Электро-Л»по данным измерений ИК-зондировщика AIRS //Исследование Земли из космоса, 2015, № 5(в печати).

6. Доклад «Результаты работы метеорологической ап-паратуры МСУ-МР и МСУ-ГС и перспективы ееразвития» / Акимов Н.П., Гектин Ю.М., Сме-лянский М.Б., Сулиманов Н.А., Фролов А. Г. /6-я Международная научно-техническая конферен-ция «Космонавтика. Радиоэлектроника. Геоинфор-матика», Рязань, 1–3 октября 2013 г.

7. Хартов В.В., Мартынов М.Б., Бабышкин В.Е.,Москатиньев И.В. и др. Новая высокоэллип-тическая система гидрометеорологического обес-печения на базе геостационарных спутниковсерии «Электро-Л» // Вестник ФГУП НПОим. С.А.Лавочкина, 2012, № 1(12), с. 3–14.





УДК 621.396.67

Радиолокационные антенные системыдистанционного зондирования Землидля малых космических аппаратов

А.С.Чеботарев1, В.А.Пантелеев, Н.М.Фейзулла, Е.ММитрофанов, А.Н.Пластиков2

1д.т. н., 2к.т. н.,АО «Особое конструкторское бюро Московского энергетического института» (АО «ОКБ МЭИ»)


Аннотация. Описаны принципы построения антенных систем (АС) радиолокаторов с синтезированной аперту-рой (РСА) для систем дистанционного зондирования Земли, размещаемых на малых космических аппаратах(МКА) и создаваемых на основе раскрывающихся зеркальных антенн ферменной конструкции, разрабатываемыхв ОАО «ОКБ МЭИ». Основой рефлекторов является жесткий ферменный каркас, к которому крепится металличе-ское сетеполотно, играющее роль радиоотражающей поверхности. Возможность электронного переключения лучаАС с малым шагом для режима ScanSAR реализуется благодаря использованию сложных облучателей, состоящихиз решетки излучателей, СВЧ-переключателей и делителей мощности. Рассмотрены разработанные трансформи-руемые зеркальные системы для работы в составе РСА S-диапазона, размещаемые на отечественном и китайскомМКА.

Ключевые слова: зеркальная антенна, малый космический аппарат, дистанционное зондирование Земли, радио-локатор с синтезированной апертурой

Earth Remote Sensing Radiolocating Antenna SystemsMounted on a Small Spacecraft

A. S.Chebotarev1, V.A.Panteleev, N.M.Feyzulla, E.M.Mitrofanov, A.N.Plastikov2

1doctor of engineering science, 2candidate of engineering science,JSC “Special Research Bureau of Moscow Power Engineering Institute” (JSC “OKB MEI”)


Abstract. The paper describes the principles of constructing antenna systems for Earth remote sensing syntheticaperture radar (SAR) systems mounted on the small spacecrafts and based on the truss-type deployable reflectorantennas developed by JSC "OKB MEI". The basis of reflectors is a rigid truss framework. Metallic mesh grid playingthe role of reflecting surface is attached to this framework. The possibility of providing electronic beam scanning witha small step for ScanSAR mode is realized by the usage of complex feed, consisting of an array of antennas, microwaveswitches and power divider. Two S-band SAR deployable reflector systems designed for Russian and Chinese smallspacecrafts are presented.

Key words: reflector antenna, small spacecraft, Earth remote sensing, synthetic aperture radar

46 А.С.ЧЕБОТАРЕВ, В.А.ПАНТЕЛЕЕВ, Н.М.ФЕЙЗУЛЛА, Е.ММИТРОФАНОВ, А.Н.ПЛАСТИКОВ

I. Введение

При создании радиолокационных антенных си-стем (АС) дистанционного зондирования Землидля малых космических аппаратов (МКА) важ-ными параметрами антенн являются минимальновозможные габариты и масса в транспортном по-ложении при условии обеспечения системно тре-буемых радиотехнических характеристик: наличиянескольких переключаемых лучей в диаграмме на-правленности, имеющих заданные значения их уг-ловой ширины и угловых расстояний между сосед-ними лучами. Для построения таких АС крайне ак-туально использование зеркальных антенн, меняю-щих свои габаритные размеры и форму при перево-де из транспортируемого состояния в рабочее [1].

В докладе описаны принципы создания АС ра-диолокаторов с синтезированной апертурой (РСА),размещаемых на МКА и создаваемых на осно-ве раскрывающихся зеркальных антенн фермен-ной конструкции, разрабатываемых в ОАО «ОКБМЭИ». Рассмотрены две трансформируемые зер-кальные системы для работы в составе РСАS-диапазона, размещаемых на отечественном и ки-тайском МКА. Благодаря использованию сложныхоблучателей, в них реализован режим обзорногонаблюдения ScanSAR с электронным сканировани-ем лучом антенны с малым дискретным шагом.

II. Основная часть

Основа складных раскрывающихся рефлекто-ров — жесткий ферменный каркас, к которому кре-пится металлическое сетеполотно, играющее рольрадиоотражающей поверхности. На рис. 1 пред-ставлен фрагмент антенны.

Конструкцию каркаса составляют шарнирносоединенные складывающиеся стержни 3 и диа-гональные стержни 4. Стержни ферменной струк-туры сходятся в узловых шарнирных соединени-ях 1, которые расположены на двух криволинейныхповерхностях. В каждом таком узловом соедине-нии сходятся по три диагональных стержня, обес-печивающих связь узловых точек вогнутой (рабо-чей стороны, на которой закрепляется сетеполот-но), и выпуклой (тыльной стороны) поверхностей

каркаса, а также по шесть складывающихся стерж-ней, которые образуют пояса поверхностей каркаса.Складывающиеся стержни имеют в середине шар-ниры с пружинами 2.

При складывании зеркала складывающиесястержни располагаются между диагональнымистержнями, радиоотражающая поверхность такжеубирается внутрь каркаса. Развертывание антенныпроисходит автоматически за счет энергии, запа-сенной в пружинах шарниров при складывании.

ОКБ МЭИ начиная с 1972 г. вложило зна-чительные материальные средства и интеллекту-альный потенциал в разработку антенн описан-ной ферменной конструкции. В процессе выполне-ния НИР и ОКР были разработаны и испытанынесколько образцов антенн. Впервые антенны кон-цепции ОКБ МЭИ прошли успешные летные кос-мические испытания в составе радиолокационныхсистем с синтезированной апертурой в 1985 г. накосмическом аппарате «Космос-1689» и в 1996 г.на модуле «Природа» пилотируемого космическогокомплекса «Мир».

Общая задача оптимального проектированиязеркальной антенны для обзорного режима рабо-ты РСА заключается в разделении задачи наведе-ния лучей при обзоре на медленную составляю-щую общего перенацеливания, где возможно на-ведение электромеханическим приводом, и быст-рую составляющую, реализуемую с помощью об-лучающего устройства. Требуемая ширина зонынаблюдения в азимутальной плоскости реализу-ется путем электронного переключения луча АСс малым шагом, для чего разрабатываются слож-ные облучатели, состоящие из решетки излуча-телей, СВЧ-переключателей и делителя мощности(рис. 2). Наличие нескольких узких парциальныхлучей обеспечивается перемещением группы ак-тивных излучателей (кластера) по всей апертуреоблучателя.

На основе описанной апробированной техно-логии построения ферменных антенн проведенаразработка трансформируемой зеркальной систе-мы с многолучевым облучателем S-диапазона длябортового метеорологического радиолокатора Ака-демии наук КНР (рис. 3). Рефлектор антенныимеет размеры 6 м × 2,8 м. В рамках этого меж-дународного проекта были обоснованы техниче-


РАДИОЛОКАЦИОННЫЕ АНТЕННЫЕ СИСТЕМЫ ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ЗЕМЛИ 47

Рис. 1. Фрагмент конструкции фермы рефлектора в развернутом (слева) и сложенном (справа) видах

Рис. 2. Схема построения облучателя

ские требования и возможность реализации проек-та РСА на малом китайском космическом аппарате.АС поставлялась заказчику в полном составе, со-держащем самораскрывающийся рефлектор с зам-ками и устройством расчековки, многолучевой об-лучатель с блоком управления переключателем лу-чей, механизм поворота с блоком управления меха-низмом поворота, волноводный тракт с вращающи-мися переходами и с устройством разделения кана-

лов приема-передачи. АС в полном составе с допол-нительными устройствами, необходимыми для мон-тажа на МКА и повышения вибрационной жестко-сти, имеет массу 110 кг.

Характерной особенностью характеристик из-лучения подобных зеркальных антенн с треу-гольно-фасетной аппроксимацией радиоотражаю-щей поверхности является наличие в определенныхсечениях диаграммы направленности ряда боковых


48 А.С.ЧЕБОТАРЕВ, В.А.ПАНТЕЛЕЕВ, Н.М.ФЕЙЗУЛЛА, Е.ММИТРОФАНОВ, А.Н.ПЛАСТИКОВ

Рис. 3. Антенна для радиолокатора КНР в раскрытом (слева) и сложенном (справа) состояниях

Рис. 4. Сопоставление результатов расчета и измерений диаграммы направленности антенной системы радиолока-тора КНР для одного из лучей


РАДИОЛОКАЦИОННЫЕ АНТЕННЫЕ СИСТЕМЫ ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ЗЕМЛИ 49

Рис. 5. 7-метровый рефлектор для МКА «Кондор»

лепестков, подобных главному и превышающихуровни соседних апертурных боковых лепестков.Возникновение подобных лепестков связано с на-личием в раскрыве квазипериодических фазовыхошибок и должно контролироваться, в т. ч. на этапепроектирования. Для антенны для радиолокатораКНР уровень наибольшего такого лепестка состав-ляет около −20 дБ (рис. 4).

Также разработана раскрывающаяся зеркаль-ная АС с многолучевым облучателем S-диапазонадля отечественной радиолокационной системыс синтезированной апертурой «Кондор», запущен-ной на орбиту в 2013 г. Рефлектор антенны (рис. 5)имеет размеры апертуры 6 м× 7 м. Каркас рефлек-тора выполнен из углепластиковых стержней, чтопозволило снизить массу самого зеркала и всей АСв целом. Общая масса рефлектора с устройствамиудержания и всеми конструктивными элементамине превышает 50 кг. Среднеквадратическое откло-нение радиоотражающей поверхности рефлектораот идеального параболоида вращения составляетоколо 3 мм

III. Заключение

Используемая концепция создания складныхраскрывающихся АС ферменной конструкции позво-ляет разрабатывать трансформируемые зеркальныеантенны с большим коэффициентом укладки и ма-лой массой для РСА, размещаемых на МКА. Ре-жим сканирования ScanSAR обеспечивается за счетиспользования сложного облучателя. Точность по-верхности разрабатываемых рефлекторов позволяетэффективно работать на частотах вплоть до 5 ГГц–6 ГГц. Для обеспечения возможности работы на бо-лее высоких частотах (повышения точности радио-отражающей поверхности) применяют дополнитель-ное усложнение ферменной конструкции.

Список литературы1. Космическая складная антенна / А.Ф.Богомолов,Н.В. Букарев, Г.Н.Важенцев, Ю.А.Кирсанов,И.Ф. Соколов, Н.М.Фейзулла. — В кн.: Антенны /Под ред. А.А. Пистолькорса. Вып. 29. М.: Радиои связь, 1981, с. 10–20.





УДК 621.396.962

Экспериментальные исследования возможностейметода малых базовых линий с использованиемданных РСА ASAR/ENVISAT и PALSAR/ALOS

А.А.Феоктистов1, А.И. Захаров2, М.А. Гусев3, П.В.Денисов4

1к.ф.-м. н., Научный центр оперативного мониторинга Земли (НЦ ОМЗ)АО «Российские космические системы»

2д.ф.-м. н.,Фрязинский филиал ИРЭ им. В. А.Котельникова РАН3,4Научный центр оперативного мониторинга Земли (НЦ ОМЗ)

АО «Российские космические системы»


Аннотация. Представлено детальное описание ключевых моментов метода малых базовых линий. Отмеченыосновные особенности алгоритма, реализованного в модуле SBAS пакета SARscape. Сообщается о результатахэкспериментальных исследований возможностей метода малых базовых линий, полученных при обработке длин-ных временных серий изображений РСА ASAR/ENVISAT, РСА PALSAR/ALOS и результатов подспутниковыхGPS-измерений с помощью модуля SBAS программного пакета SARscape.

Ключевые слова: метод малых базовых линий, РСА, ASAR/ENVISAT, PALSAR/ALOS, SARscape, граф связи,атмосферный фазовый экран, ЦМР

Еxperimental Studies of Small Baselines Techniquewith Use of SAR ASAR/ENVISATand PALSAR/ALOS Data Set

A.A.Feoktistov1, A. I. Zakharov2, M.A.Gusev3, P.V.Denisov4

1candidate of physico-mathematical sciences, Research Center for Earth Operative MonitoringJoint Stock Company “Russian Space Systems”

2Sc.D., Institute of Radio-engineering and Electronics RAS; branch in Fryazino3,4Research Center for Earth Operative Monitoring,Joint Stock Company “Russian Space Systems”


Abstract. Detailed description of small baseline technique is presented. Basic features of SBAS algorithm implementa-tion in the SARscape software package are described. Results of experimental studies of small base lines technique arepresented. SAR ASAR/ENVISAT and PALSAR/ALOS data set, GPS data set and SBAS module of SARscape softwarepackage were used.

Key words: small baseline technique, SBAS, SAR, ASAR/ENVISAT, PALSAR/ALOS, SARscape, connection graph,atmospheric phase screen, DEM

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ МЕТОДА МАЛЫХ БАЗОВЫХ ЛИНИЙ 51

1. Введение

В Научном центре оперативного мониторингаЗемли (НЦ ОМЗ) АО «Российские космическиесистемы», ориентируясь на планы Роскосмоса посозданию перспективных российских радиолокато-ров с синтезированной апертурой (РСА), проводят-ся исследования и отработка технологий обработкирадиолокационной информации. Известно, что воз-можности классических методов интерферометри-ческой [1, 2] и дифференциальной интерферомет-рической [3, 4] обработки данных радиолокаторовс синтезированной апертурой (РСА) при измере-нии рельефа и подвижек земной поверхности суще-ственно ограничены эффектами атмосферных фа-зовых искажений и пространственной и временнойдекорреляции (т. е. потерей когерентности междуинтерферометрическими парами изображений).

Современные методы постоянных рассеивате-лей (PS) и малых базовых линий (SBAS), основан-ные на совместном использовании длинных времен-ных серий изображений РСА (т.е. изображений вы-сокой кратности, полученных в повторяющейся гео-метрии съемки), позволяют ослабить влияние эф-фектов пространственной и временной декорреля-ции и атмосферных искажений и повысить точностьизмерения рельефа и подвижек отражающей по-верхности в создаваемых цифровых моделях релье-фа (ЦМР) и цифровых картах смещений (ЦКС).

В рамках метода PS задача выявления подви-жек отражающей поверхности и измерения рельефарешается для ограниченного набора пикселей с до-статочно сильным устойчивым отраженным сиг-налом (постоянных рассеивателей), наблюдаемыхв большом количестве на территориях типа город-ской застройки [5,6]. В [7,8] представлены резуль-таты исследований возможностей метода на при-мере модуля PS программного пакета SARscapeи тестового массива данных (длинная времен-ная серия из 25 фрагментов изображений РСАASAR/ENVISAT размером 16×17 км2, полученныхв период с 25.10.2002 по 27.01.2006 гг. по одномуиз районов вблизи Лас-Вегаса, США). Данные вхо-дят в комплект поставки пакета SARscape. В ка-честве опорной ЦМР при проведении обработкииспользована ЦМР SRTM V4. Ввиду отсутствиякаких-либо результатов подспутниковых наземных

измерений основной акцент сделан на анализе от-носительных точностных характеристик выходныхпродуктов модуля PS пакета SARscape, включаясредние значения и СКО рассчитанных скоростейсмещений и остаточных высот.

2. Ключевые моменты методамалых базовых линий

Возможность формирования пространственно«плотных» выходных продуктов реализована в рам-ках метода SBAS. Ключевые моменты методаSBAS: 1) формирование наборов свернутых интер-ферограмм (временные и пространственные базо-вые линии интерферометрических пар изображе-ний должны удовлетворять вводимым пороговымограничениям); 2) развертка фазы свернутых ин-терферограмм; 3) матричная формулировка алго-ритмов инверсии (оценки векторов смещений pи остаточной топографии Δh по значениям фазыразвернутых интерферограмм) для случаев одногои нескольких несвязанных SBAS-наборов (интер-ферограммы для пар изображений несвязанных на-боров отсутствуют); 4) введение «гладкой» полино-миальной временной модели для изменения фазо-вого сигнала смещений во времени; 5) коррекцияатмосферных фазовых искажений с использовани-ем разработанных в рамках метода PS процедурнизкочастотной пространственной и высокочастот-ной временной фильтрации [9,10].

Основные особенности алгоритма, реализован-ного в модуле SBAS пакета SARscape: 1) фильтра-ция свернутых интерферограмм с использованиемодного из трех фильтров (Adaptive, Boxcar, Gold-stein); 2) возможность выбора между методами2D- и 3D-развертки; 3) дополнительное использо-вание результатов развертки усредненных сверну-тых интерферограмм, имеющих более низкое про-странственное разрешение (вводится специальныйпараметр — уровень декомпозиции); 4) коррекцияорбитальных ошибок методами орбитальной кор-рекции (Orbital refinement) или коррекции оста-точной фазы (Residual Phase refinement) с исполь-зованием опорных точек местности (ОТМ), выби-раемых на развернутых интерферограммах; 5) раз-биение процедуры инверсии на два этапа (первая


52 А.А.ФЕОКТИСТОВ, А.И. ЗАХАРОВ, М.А. ГУСЕВ, П. В.ДЕНИСОВ

и вторая инверсии; атмосферная коррекция выпол-няется в рамках второй инверсии). Предусмотреноиспользование большого объема интерактивныхпроцедур визуально-инструментального анализапромежуточных и конечных результатов обработ-ки с целью обеспечения возможности коррекциисделанного ранее выбора алгоритмов и значенийих параметров в ключевых процедурах обработки(с последующим повторным запуском процесса вы-числений), а также удаления интерферограмм с вы-соким уровнем шумов и наличием неустранимыхартефактов [10–12].

3. Экспериментальные результаты

Комплексные экспериментальные исследованиявозможностей метода SBAS выполнены на приме-ре модуля SBAS программного пакета SARscapeи тестового массива (входит в комплект постав-ки пакета SARscape) в составе: 1) длинной вре-менной серии из 34 фрагментов изображений РСАASAR/ENVISAT (размером 16× 15,3 км2), полу-ченных в период с 04.09.2006 по 08.09.2010 гг.;2) длинной временной серии из 23 фрагментовизображений РСА PALSAR/ALOS (размером также16× 15,3 км2), полученных в период с 26.08.2006по 22.10.2010 гг. и 3) результатов подспутнико-вых GPS-измерений для одной точки, находящейсяв пределах области <<покрытия земной поверхностиизображениями РСА. Территория съемки — префек-тура Чиба (Chiba), Япония, на которой расположенонесколько участков с проседанием и подъемом поч-вы. Смещения земной поверхности вызваны добычейгаза и закачкой воды [11,12].

При проведении анализа свернутых интерферо-грамм выявлялись интерферограммы, характери-зующиеся: 1) наличием параллельных интерфе-ренционных полос из-за значительных погреш-ностей в орбитальных параметрах; 2) «размыто-стью» в направлении наклонной дальности вслед-ствие недостаточно корректной процедуры совмеще-ния для этого направления; 3) низким уровнем коге-рентности из-за слишком большой временной и/илипространственной базовой линии; 4) наличием ха-рактерных признаков атмосферных фазовых иска-жений. Дополнительно выполнен предварительныйпоиск зон смещений земной поверхности.

При проведении анализа развернутых интер-ферограмм выявлялись «плохо развернутые» интер-ферограммы, характеризующиеся наличием фраг-ментов с кратными 2π скачками фазы («острова»).Пороговое значение когерентности при проведенииразвертки фазы интерферограмм равно 0,35. Уро-вень декомпозиции установлен равным единице.

Коррекция орбитальных ошибок проводиласьметодом Residual Phase refinement с использова-нием более 40 опорных точек местности (ОТМ),выбранных на файлах развернутой фазы вне зоныдеформации земной поверхности.

Предварительная оценка векторов смещений pи остаточной топографии Δh (первая инверсия)проведена в рамках линейной модели измененияфазового сигнала смещений во времени. Повторновыполнены развертка фазы (уровень декомпозицииувеличен до двух) и анализ развернутых интерфе-рограмм. В общей сложности по результатам ана-лиза удалено 26 ASAR/ENVISAT-интерферограмми 5 PALSAR/ALOS-интерферограмм.

После выполнения атмосферной коррекциис использованием процедур низкочастотной про-странственной и высокочастотной временной филь-трации рассчитаны уточненные значения векторовсмещений p и временные серии накопленной де-формации d(ti,x, r) (вторая инверсия). Модель из-менения фазового сигнала смещений во времениоставлена линейной.

Для всех результатов, полученных в рамкахэтапов первой и второй инверсии, выполнена про-цедура орторектификации; размер ячейки для обе-их временных серий РСА-изображений установленравным 25 м. Вектора смещений p и серии на-копленной деформации d(ti,x, r) спроектированына вертикальное направление.

На рис. 1,a отображены цифровые карты сред-ней скорости смещения, рассчитанные по даннымРСА PALSAR/ALOS; на рис.1, б — по данным РСАASAR/ENVISAT. Среднее значение разности ско-рости смещения по данным РСА ASAR/ENVISATи РСА PALSAR/ALOS (после усреднения по пло-щади изображений) оказалось равным 0,62 мм/год;стандартное отклонение равно 2,8 мм/год. Следу-ет особо подчеркнуть, что рассчитанные цифро-вые карты были построены с использованием дан-ных разных диапазонов спектра, причем съемки



Рис. 1. Средние скорости смещения по данным РСАPALSAR/ALOS(a) и РСА ASAR/ENVISAT (б)

каждым из РСА проводились в разные даты, т. е.при заведомо различающихся атмосферных усло-виях наблюдения. Это позволяет утверждать, чтополученные оценки — достаточно объективная ха-рактеристика точности самого метода SBAS.

На рис. 2,a демонстрируются результаты рас-четов на основе распределения хи-квадрат (по дан-ным РСА ASAR/ENVISAT), позволяющие прово-дить анализ результатов не только в терминахвеличины средней скорости смещения, но такжеи в терминах типов смещений. Сине-зеленые цветасоответствуют территории с квазилинейным типомсмещений; красным цветом выделены два фрагмен-та с существенно нелинейным типом. В качествепримера на рис. 2, б представлены графики для вре-менных серий накопленной деформации D (в мм)

Рис. 2. Два участка с сильной нелинейностью (a) и вре-менные серии накопленной деформации для двух точек

с резко различающимися типами движений (б)

для двух точек (из зеленой и красной областейизображений соответственно).

При сопоставлении результатов SBAS-обра-ботки спутниковой информации с результатаминаземных GPS-измерений использовались данныеединственной доступной GPS-точки, находящей-ся в пределах области «покрытия» земной по-верхности изображениями РСА ASAR/ENVISATи PALSAR/ALOS. На рис. 3,a показаны временныесерии накопленной деформации D по данным РСАASAR/ENVISAT и PALSAR/ALOS; на рис. 3, б —по данным РСА ASAR/ENVISAT и GPS1; нарис. 3, в — по данным РСА PALSAR/ALOS и GPS2(GPS1 и GPS2 — временные серии накопленнойдеформации по данным GPS на несовпадающие да-ты съемок длинных временных серий изображенийASAR/ENVISAT и PALSAR/ALOS соответствен-но). Использованы следующие цвета: синий —


54 А.А.ФЕОКТИСТОВ, А.И. ЗАХАРОВ, М.А. ГУСЕВ, П. В.ДЕНИСОВ

Рис. 3. Временные серии накопленной деформациипо данным РСА ASAR/ENVISAT, РСА PALSAR/ALOS,

GPS1 и GPS2

для РСА ASAR/ENVISAT; зеленый — для РСАPALSAR/ALOS; красный — для GPS1 и GPS2.

В табл. 1 приведены значения разностисредней скорости смещения по данным РСАASAR/ENVISAT, РСА PALSAR/ALOS, GPS1и GPS2, которые варьируют между 0,5 и 3 мм/год,что в целом достаточно близко к зафиксиро-ванной ранее величине стандартного отклонения

Т а б ли ц а 1. Значения разности средней скоростисмещения

ASAR/ENVISAT и PALSAR/ALOS 1,0 мм/год

ASAR/ENVISAT и GPS1 2,8 мм/год

PALSAR/ALOS и GPS2 2,3 мм/год

GPS1 и GPS2 0,5 мм/год

между значениями скорости смещения по дан-ным ASAR/ENVISAT и PALSAR/ALOS (равной2,8 мм/год) (рис. 1).

4. Заключение

Представлены результаты комплексных экспе-риментальных исследований метода малых базо-вых линий, в рамках которого реализуется возмож-ность формирования пространственно «плотных»выходных продуктов. Необходимо отметить исклю-чительно высокий программно-алгоритмическийуровень реализации современных методов интер-ферометрии, вследствие чего возникают жесткиетребования к профессиональной подготовке опе-ратора, который на основе анализа характеристиквходного массива и выявленных артефактов дол-жен делать корректный выбор как алгоритмов об-работки, так и значений их ключевых парамет-ров. Программный комплекс должен обеспечиватьудобный сервис для проведения: 1) визуально-инструментального анализа промежуточных и ко-нечных результатов обработки, 2) корректировкисделанного ранее выбора алгоритмов и значенийосновных параметров, 3) повторного запуска про-цесса обработки, а также 4) удаления интерфе-рограмм с высоким уровнем шумов и наличиемнеустранимых артефактов.


1. Феоктистов А.А., Захаров А.И., Денисов П.В.,Гусев М.А. Перспективы разработки комплек-са интерферометрической и дифференциально-интерферометрической обработки данных россий-ских космических радиолокаторов с синтезиро-ванной апертурой // Современные проблемы ди-станционного зондирования Земли из космоса:Сб. науч. ст. М.: ООО «ДоМира», 2011. Т. 8, № 2.С. 310–317.

2. Феоктистов А.А., Захаров А.И., Денисов П.В.,Гусев М.А. Основные результаты интерферометри-ческой обработки данных космических радиолока-торов с синтезированной апертурой X- и L-диа-пазонов // Современные проблемы дистанционногозондирования Земли из космоса: Сб. науч. ст. М.:ООО «ДоМира», 2012. Т. 9, № 2. С. 106–110.



3. Феоктистов А.А., Захаров А.И., Денисов П.В.,Гусев М.А. Анализ предельных возможностей оцен-ки деформации земной поверхности в зоне зем-летрясения в Японии 11.03.2011 г. по даннымРСА ASAR/ENVISAT с использованием программ-ного пакета SARscape // Материалы V Всероссий-ской научной конференции «Радиофизические ме-тоды в дистанционном зондировании сред». Муром,26–28 июня 2012 г. (CD-ROM). С. 258–263.

4. Феоктистов А.А., Денисов П.В., Гусев М.А.Практический опыт интерферометрической и диф-ференциальной интерферометрической обработкиданных РСА COSMO-SkyMed, PALSAR/ALOSи ASAR/ENVISAT // Материалы IX научно-тех-нической конференции «Системы наблюдения, мо-ниторинга и дистанционного зондирования Земли».Геленджик, 17–21 сентября 2012 г. М.: МНТОРЭСим. А. С.Попова, филиал ФГУП «ГНПРКЦ “ЦСКБ-ПРОГРЕСС”». НПП «ОПТЭКС», 2012. С. 240–244.

5. Ferretti A., Prati C. and Rocca F. Nonlinear sub-sidence rate estimation using permanent scatterersin differential SAR interferometry // IEEE Transac-tions on Geoscience and Remote Sensing, 2000, 38,p. 2202–2212.

6. Ferretti A., Prati C. and Rocca F. Permanent scatter-ers in SAR interferometry // IEEE Transactions onGeoscience and Remote Sensing, 2001, 39, p. 8–20.

7. Феоктистов А.А., Захаров А.И., Гусев М.А., Де-нисов П.В. Исследование зависимости результатовобработки радиолокационных данных ДЗЗ от па-раметров обработки. Часть 1. Ключевые моментыметода постоянных рассеивателей // Журнал ра-

диоэлектроники: электронный журнал, 2014, № 12.http://jre.cplire.ru/jre/dec14/5/text.html

8. Феоктистов А.А., Захаров А.И., Гусев М.А., Де-нисов П.В. Исследование зависимости результатовобработки радиолокационных данных ДЗЗ от па-раметров обработки. Часть 2. Экспериментальныерезультаты // Журнал радиоэлектроники: электрон-ный журнал, 2014, № 12.http://jre.cplire.ru/jre/dec14/6/text.html

9. Berardino P., Fornaro G., Lanari R., and Sansosti E.2002. A New Algorithm for Surface DeformationMonitoring Based on Small Baseline Differential SARInterferograms // IEEE Transactions on Geoscienceand Remote Sensing, 40, p. 2375–2383.

10. Феоктистов А.А., Захаров А.И., Гусев М.А.,Денисов П.В. Исследование возможностей методамалых базовых линий на примере модуля SBASпрограммного пакета SARscape и данных РСАASAR/ENVISAT и PALSAR/ALOS. Часть 1. Ключе-вые моменты метода // Журнал радиоэлектроники:электронный журнал, 2015. В печати.

11. Феоктистов А.А., Захаров А.И., Гусев М.А.,Денисов П.В. Исследование возможностей методамалых базовых линий на примере модуля SBASпрограммного пакета SARscape и данных РСАASAR/ENVISAT и PALSAR/ALOS. Часть 2. Экс-периментальные результаты // Журнал радиоэлек-троники: электронный журнал, 2015. В печати.

12. SBAS workflow, 2013 // SBAS tutorial. Ver. 2.0. ITTVisual Information Solutions. Pearl East Circle. Boul-der CO, p. 92.



ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В АЭРОКОСМИЧЕСКОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ

УДК 681.121 (088.8)

Высокоточная дозирующая установка ВДУ-65для заправки разгонных блоков

Ю.Б. Горбаткин, Е.А.Дерденков, А.О.Лобанов, В.А.ЧернышевАО «Научно-производственное объединение измерительной техники»


Аннотация. Рассмотрены основные результаты использования высокоточной дозирующей установки (дозатора)ВДУ-65 для заправки разгонного блока (РБ) «Бриз-М» ракеты «Ангара-A5». Дозатор ВДУ-65 предназначен дляизмерения массы на потоке компонентов ракетных топлив с погрешностью ±0,2% в диапазоне от 500 до 999 999 кгпри значениях расхода 3,5–24 м3/ч. Высокая точность дозирования обеспечивается использованием в алгоритмеизмерений в качестве градуировочной характеристики индивидуальной зависимости числа Струхаля от числаРейнольдса Sh(Re), а также применением коррекции показаний по плотности и вязкости компонентов. При-водятся результаты анализа выходной информации дозатора ВДУ-65, зарегистрированной в процессе заправкиРБ «Бриз-М» системой документирования заправочного комплекса, который подтвердил его нормальное функ-ционирование. Дозатор ВДУ-65 должен заменить выводимый из эксплуатации устаревший дозатор «Омега-2»зарубежного производства.

Ключевые слова: измерение массы на потоке, точность дозирования, заправочный комплекс, компоненты ракет-ных топлив

High-Precision Dosing Unit VDU-65for Filling Upper Blocks

Yu.B.Gorbatkin, E.A.Derdencov, A.O.Lobanov, V.A.ChernyshevJoint Stock Company “Scientific production association of measuring equipment”


Abstract. Describes the main results of the using of high-precision dosing unit (dispenser) VDU-65 for filling upperblock (UB) “Breeze-M” of the rocket “Angara-A5”. Dispenser VDU-65 is designed to measure the mass flow of thecomponents of rocket fuels with an accuracy of ±0,2% in the range from 500 to 999 999 kg at flow rates of 3,5–24 m3/h. High dosing accuracy is ensured by using the algorithm of measurement as the calibration characteristicsof the individual dependence of the Strouhal number on Reynolds number Sh(Re), as well as correction of the densityand viscosity of the components. The results of analysis output information install VDP-65, registered in the fuelingprocess of the RB “Breeze-M” system of documentation filling complex, which confirmed its normal functioning.Installing VDU-65 to replace the dismantled obsolete metering installation “Omega-2” foreign production.

Key words: measurement of the mass flow quality, accuracy of dosing, filling complex, components of rocket fuels

ВЫСОКОТОЧНАЯ ДОЗИРУЮЩАЯ УСТАНОВКА ВДУ-65 ДЛЯ ЗАПРАВКИ РАЗГОННЫХ БЛОКОВ 57

В настоящее время для измерения массы ком-понентов ракетного топлива при заправке разгон-ных блоков (РБ) ракет-носителей (РН) использует-ся дозатор «Омега-2», разработанный в СССР азер-байджанским СКБ «Нефтехимприбор» и выпускав-шийся серийно по ТУ 25-02-821132-76 [1,2]. Боль-шинство из находящихся в эксплуатации дозато-ров «Омега-2» выработали свой ресурс, и поддер-жание их в работоспособном состоянии обеспечи-вается в основном за счет ремонта или замены вы-шедших из строя блоков исправными, снятыми сосписываемых дозаторов.

С 2012 г. ОАО «НПО ИТ» начало поставкина объекты космической инфраструктуры дозато-ра ВДУ-65, разработанного по техническому зада-нию ФГУП «КБТХМ» (которое в настоящее времяосуществляет техническое обслуживание и ремонтдозаторов «Омега-2»). Как и в дозаторах «Оме-га», в дозаторе ВДУ-65 определение массы компо-нента осуществляется путем измерения его объемаи пересчета объема в массу умножением на теку-щее значение плотности. Измерение объема осу-ществляется с помощью вихревого преобразовате-ля расхода: в измерительном патрубке размещеноплохо обтекаемое тело трапецеидального сечения,за которым образуется вихревая дорожка Кармана.Каждый вихрь детектируется с помощью двух сим-метрично расположенных чувствительных элемен-тов «лопасть в потоке» с оптическими преобразова-телями колебаний лопасти и преобразуется в элек-трические импульсы, каждому из которых соответ-ствует определенный объем компонента. Для изме-рения температуры компонента используются двавстроенных термометра сопротивления (ТС); такимобразом, дозатор ВДУ-65 имеет два независимыхканала измерений массы. Для повышения точно-сти измерений объема в дозаторе ВДУ-65 реали-зован алгоритм измерений, основанный на вычис-лении «веса» каждого импульса с использовани-ем табличной зависимости числа Струхаля от чис-ла Рейнольдса и суммировании весов импульсовнарастающим итогом [3]. Для повышения точно-сти измерений температуры на ячейке преобразо-вателя расхода установлен дополнительный инте-гральный термодатчик, позволяющий калиброватьканал измерения температуры по высокостабильно-му образцовому резистору и измерять температуру

компонента с учетом температурного ухода эле-ментов измерительной схемы. Вся обработка ин-формации и формирование команд осуществляетсяв цифровом виде с помощью микроконтроллеров.

Дозатор ВДУ-65 функционирует следующимобразом. При наличии расхода компонента за пло-хо обтекаемым телом образуются вихри, частотаследования которых F пропорциональна скоростипотока, т. е. объемному расходу Q, и выражаетсяформулой

F =Sh ·QS · d , (1)

где Sh — число Струхаля;d — ширина плохо обтекаемого тела;

S =πD2

4

(1− 4β

π

)— площадь сечения потока

в месте установки плохо обтекаемого тела;β = d/D — отношение ширины тела к диаметру.

Число Струхаля непостоянно и зависит от чис-ла Рейнольдса Re потока

Sh = Sh(Re), (2)

где Re =4QπDν

, ν — кинематическая вязкость КРТ.

В процессе дозирования измеряется частотаследования выходных импульсов F , по которойрассчитывается расход Q, а также измеряется тем-пература компонента θ, по которой рассчитываетсявязкость ν(θ). По расходу и вязкости вычисляет-ся число Re, после чего вычисляется число Sh —подстановкой Re в зависимость Sh(Re). По темпе-ратуре θ рассчитывается плотность продукта ρ(θ).По значениям ν(θ) и ρ(θ) определяется весовой ко-эффициент Mi (масса) i-го импульса:

Mi =K · S · d · ρ(θi)

Sh {Re [Fi, ν(θi)]}, (3)

где K ≈ 1 — индивидуальный градуировочный ко-эффициент преобразователя расхода, Fi — текущеезначение частоты, θi — текущее значение темпера-туры продукта.

Масса компонентаM определяется путем сум-мирования весовых коэффициентов Mi нарастаю-щим итогом:

M =N∑

i=1

Mi, (4)


58 Ю.Б. ГОРБАТКИН, Е.А.ДЕРДЕНКОВ, А.О.ЛОБАНОВ, В.А.ЧЕРНЫШЕВ

Рис. 1. Блок задания дозы БЗД

где N — общее число выходных импульсов за вре-мя дозирования.

После прохождения через преобразователь рас-хода запрограммированного количества компонен-та, называемого дозой, суммирование заканчивает-ся и выдается сигнал «Отсечка» на прекращение за-правки. Сигнал «Отсечка» формируется «опережа-ющим» каналом, т. е. тем, который раньше набе-рет запрограммированную дозу. Помимо измерениямассы, алгоритм функционирования дозатора преду-сматривает вычисление текущего значения расхода,а также текущего и среднего за время дозирова-ния значений температуры рабочей жидкости. Ос-новным признаком нормального функционированиядозатора при заправке является совпадение междусобой измеренных каналами значений дозы с откло-нением не более 0,1% по абсолютной величине.

Дозатор имеет режим «Контроль», в которомосуществляется имитационная проверка его рабо-тоспособности: контрольное значение расхода ими-тируется путем амплитудной модуляции тока пи-тания светодиода оптического детектора с фикси-рованной частотой, а контрольное значение тем-пературы имитируется подключением вместо ТС

прецизионного резистора. Проверка заканчиваетсяпосле набора одним из каналов дозы 2000 кг.

Для обеспечения необходимой метрологическойнадежности операции дозирования перед отпускомрабочей дозы предусмотрено проведение проверкидозатора в режиме «Контроль», а также провер-ки расхождения показаний каналов путем имитациивыдачи дозы (с пропуском компонента через пре-образователь расхода). Кроме того, непосредственноперед заправкой выполняется прокачка компонентадо стабилизации измеренного ТС значения темпера-туры, которое свидетельствует о выравнивании тем-ператур компонента и корпуса ТС.

В состав комплекта дозатора ВДУ-65 входят:блок задания дозы БЗД (рис. 1), преобразовательрасхода окислителя ПРТ-65-О и стабилизатор по-тока СП-65-О к нему (рис. 2). Комплект рассчитанна последовательную заправку изделия компонен-тами: при заправке окислителя используются блокиБЗД, ПРТ-65-О и СП-65-О, при заправке горюче-го — БЗД, ПРТ-65-Г, СП-65-Г.

Габаритно-установочные размеры блокаПРТ-65-О(Г) с присоединенным блоком СП-65-О(Г)и схема подключения дозатора ВДУ-65 к системе



Т а б ли ц а 1. Сравнительные характеристики дозаторов ВДУ-65 и «Омега-2»

Характеристика Ед. изм.Значение

«Омега-2» ВДУ-65

Количество каналов измерений ед. 2 2

Минимальная измеряемая доза кг 2000 500

Дискретность задания дозы кг 1 1

Погрешность отсечки дозы % ±0,3 ±0,2Допускаемая разность показаний каналов(абсолютное значение)

% 0,3 0,1

Диапазон расходов при дозировании м3/ч 11,3–15,9 3,5–2415,9–22,4

Вероятность безотказной работы – 0,985 0,9995

Назначенный ресурс ч 5000 6000

Гарантийный срок лет 10 15

Вид взрывозащиты преобразователя расхода –Взрыво-

непроницаемаяоболочка

Искробезопаснаяэлектрическая

цепь ibВывод информации в систему документированиязаправочного комплекса

– Отсутствует Имеется

Рис. 2. Преобразователь расхода ПРТ-65-О(Г) и стаби-лизатор потока СП-65-О(Г)

управления заправочного комплекса идентичнытаковым дозатора «Омега-2», что позволяет осу-ществлять замену дозатора «Омега» на дозатор

ВДУ-65 без доработки агрегатов заправки и су-ществующих кабельных линий и корректировкитехнологического процесса заправки. Основныехарактеристики дозатора ВДУ-65 в сравнениис дозатором «Омега-2» приведены в табл. 1.

В настоящее время два штатных образца доза-тора ВДУ-65, предназначенных для заправки РБ,введены в опытную эксплуатацию на космодромах«Байконур» и «Плесецк». На место эксплуатациидозаторы поступают в составе агрегата заправки.На заправочных комплексах космодрома «Байко-нур» и «Плесецк» были выполнены следующие пус-коналадочные работы:

– выдача пробных доз окислителя и горючего;

– предусмотренная эксплуатационной доку-ментацией дозатора корректировка зависимостейSh(Re), занесенных в память микроконтроллеровпреобразователей расхода при их изготовлении.Необходимость корректировки обусловлена смеще-нием отдельных точек градуировочной характери-стики, причиной которого является, по-видимому,неравномерность эпюры скоростей потока на входев преобразователь расхода, обусловленная наличи-ем поворота входного трубопровода на 180◦;

– выдача зачетных (контрольных) доз.


60 Ю.Б. ГОРБАТКИН, Е.А.ДЕРДЕНКОВ, А.О.ЛОБАНОВ, В.А.ЧЕРНЫШЕВ

Та б ли ц а 2. Горючее, контрольная доза 2000 кг

№ Фактическаямасса дозы, кг

Погрешность, % Температурапродукта, ◦С Q, м3/ч

1 канал 2 канал

1 1996,6 0,14 0,13 10,5 10,7

2 1997,6 0,08 0,08 11,0 10,8

3 1998,6 0,03 0,02 12,0 10,6

4 1996,4 0,14 0,13 16,5 10,9

5 1998,4 0,05 0,04 16,5 11,0

6 2000,1 -0,03 -0,05 17,0 11,0

Т а б л иц а 3. Окислитель, контрольная доза 4000 кг

№ Фактическаямасса дозы, кг

Погрешность, % Температурапродукта, ◦С Q, м3/ч

1 канал 2 канал

1 3993,7 0,18 0,14 13,0 10,2

2 4004,8 -0,10 -0,14 13,5 10,3

3 4004,1 -0,08 -0,12 13,7 10,3

4 4003,3 -0,06 -0,08 18,5 10,3

5 4004,4 -0,08 -0,11 18,7 10,1

6 4002,8 -0,05 -0,08 19,0 10,2

В качестве эталонного средства использова-лись штатные весы заправочного комплекса c це-ной деления 1 кг, имеющие погрешность взвеши-вания ±0,05%.

При выдаче контрольных доз на космодроме«Байконур» были получены максимальные значе-ния погрешности −0,17% по окислителю и 0,13%по горючему.

Результаты контрольного дозирования на кос-модроме «Плесецк» приведены в табл. 2 и 3.

В ходе пусконаладочных работ выяснилось,что фактическая продолжительность технологиче-ской паузы между окончанием прокачки компонентаи началом дозирования (используемой для подго-товки технологического оборудования к заправке)составляет 30 мин при регламентированной экс-плуатационной документацией дозатора продолжи-тельности 5 мин. При этом в течение технологи-ческой паузы наблюдается дрейф показаний термо-датчика дозатора в сторону температуры окружаю-щей среды, что может влиять на точность дозиро-вания при малых значениях дозы.

Первая штатная заправка с использованиемдозатора ВДУ-65 осуществлена на космодроме

«Плесецк» при заправке РБ «Бриз-М» РН «Анга-ра-А5» 18-19 декабря 2014 г. При этом были вы-полнены следующие операции:

– проверка работоспособности в режиме «Кон-троль» (без пропуска компонента);

– прокачка компонента до стабилизации пока-заний термодатчиков;

– проверка работоспособности путем сравне-ния показаний каналов при имитации выдачи дозы1000 кг;

– заправка;– анализ разности показаний каналов по за-

вершении заправки.Во время заправки горючего произошла оста-

новка на дозе 379 кг по причинам, не зависящим отработы дозатора. После возобновления заправка за-вершилась без остановок. Температура горючего со-ставляла 14 ◦C; расход: до остановки — 9,8 м3/ч, по-сле остановки — плавное снижение с 9,8 до 4,9 м3/ч.Разность показаний каналов по завершении заправ-ки составила 1 кг (менее 0,02%). Заправка окисли-теля прошла без остановок. Температура окислите-ля была 14,5–15 ◦C, расход — 9,6 м3/ч. Разность по-казаний каналов по завершении заправки составила



3 кг (менее 0,03%). Дозатор при заправке отработалштатно, без замечаний.

В заключение следует отметить, что, в отли-чие от дозатора «Омега-2», какие-либо регулиров-ки дозатора ВДУ-65 в процессе эксплуатации нетребуются.

Выводы

1. Проведенные на космодромах «Байконур»и «Плесецк» пусконаладочные работы штатныхобразцов дозатора ВДУ-65, предназначенных дляобеспечения заправки разгонного блока «Бриз-М»,подтвердили заявленные метрологические харак-теристики дозатора. Нормальное функциониро-вание дозатора ВДУ-65 в процессе заправкиРБ «Бриз-М» РН «Ангара-А5» подтверждено со-ответствием разности показаний каналов, зафик-сированной по завершении заправки, заданно-му в эксплуатационной документации требованию(менее 0,1%), а также результатами пуска ракеты-носителя.

2. Внедрение дозатора ВДУ-65 на объек-тах космической инфраструктуры для заправкиэксплуатируемых и перспективных объектов РКТпозволяет:

– обеспечить продление сроков эксплуатациисуществующих заправочных комплексов при мини-

мальных затратах на их переоборудование под но-вые дозаторы;

– повысить точность выдаваемых доз и сте-пень оперативной готовности заправочных ком-плексов;

– обеспечить серийное изготовление дозаторовна отечественных предприятиях и их гарантийноеобслуживание в соответствии с действующими во-енными стандартами.

3. Опыт работы с дозатором ВДУ-65 выявилнеобходимость совершенствования его конструк-тивного решения для повышения метрологическойнадежности, в частности установки на входе стаби-лизатора потока дополнительного устройства длявыравнивания эпюры скоростей потока и доработ-ки узла термодатчика с целью снижения инерцион-ности.


1. Киясбейли А.Ш., Перельштейн М.Е. Вихревыесчетчики-расходомеры. М.: Машиностроение, 1974.

2. Киясбейли А.Ш., Перельштейн М.Е. Вихревые из-мерительные приборы. М.: Машиностроение, 1978.

3. Чернышев В.А., Горбаткин Ю.Б., Дерденков Е.А.,Михайлов С.Л. Вихревой способ измерения объ-ема протекшего вещества. Патент РФ №2515129.БИ №13, 2014.



ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В АЭРОКОСМИЧЕСКОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ

УДК 621.363

Экспериментальное исследованиеи оценка изгибной жесткости вибрационного элемента

модулятора электростатического поля

Р.Ю.Дорофеев, Д.В.Козлов1, А. С.Корпухин2, И.П.Смирнов, А.А.Жуков3

1,2к.т. н., 3д.т. н.АО «Российские космические системы»


Аннотация. В работе рассмотрены системные исследования характеристик вибрационного модулятора электри-ческих полей, экспериментально получены зависимости нагрузок, возникающих на экранирующем электроде виб-рационного модулятора электрического поля, от угла деформации этого электрода. Проведена расчетная оценказависимости частотных показателей различных геометрических вариантов электродов вибрационного модулятораэлектрических полей от силовых характеристик, в частности, от толщины и геометрической формы.

Ключевые слова: вибрационный модулятор электростатических полей, экранирующий электрод, изгибная жест-кость, резонансная частота, амплитуда колебания, угол деформации

Experimental Study and Evaluation of Bending Rigidityof the Vibration Sensor Modulator electric Field

R.Yu.Dorofeev, D.V.Kozlov1, А. S.Korpuhin2, I. P. Smirnov, A.A.Zhukov3

1,2candidate of engineering science, 3doctor of engineering scienceJoint Stock Company “Russian Space Systems”


Abstract. The paper discusses the characteristics of the vibration system studies modulator electric fields, experi-mentally obtained dependence loads, generated by the screening electrode vibration modulator of the electric field,the angle of deformation of the electrode. Score calculation performed depending frequency indicators of differentgeometrical embodiments of vibrating electrodes modulator of the electric field strength characteristics, in particular,on the thickness and geometric shape.

Key words: vibrating electric field modulator, shielding electrode, flexural stiffness, resonant frequency, the amplitudeof the oscillation, angle deformation

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ И ОЦЕНКА ИЗГИБНОЙ ЖЕСТКОСТИ 63

Введение

При эксплуатации отечественной ракетно-кос-мической техники в последнее время наблюдаетсяустойчивая тенденция, указывающая на уменьше-ние надежности спутников и снижение сроков ихактивного существования.

Основная причина отказа функционированияспутников нового поколения, выпускаемых рос-сийскими производителями, заключается в недо-статках электронной компонентной базы (ЭКБ)космической техники. Обширная номенклатураЭКБ позволяет проектировать сложную аппарату-ру различного назначения. Вместе с тем достаточ-но сложно осуществить эффективную защиту бор-товой аппаратуры (БРА) от внешних воздействий,особенно от такого деструктивного влияния, какэлектростатический разряд [1].

Одно из направлений решения проблемы защи-ты БРА от ЭСР — создание эффективной датчи-ковой аппаратуры для контроля электростатическихполей, одним из основных элементов которой явля-ется вибрационный модулятор. Наиболее перспек-тивные устройства в современной сенсорной тех-нике — вибрационные датчики — это устройства,в которых измерительный или экранирующий элек-трод совершает возвратно-поступательное движе-ние и колеблется в области неоднородного поля поддействием электромагнитного возбудителя.

В основе работы вибрационного модулятораэлектрического поля (ВМЭП) для миниатюрныхизмерителей параметров электризации КА на ос-нове микромеханических резонансных систем ле-жит получение необходимой резонансной часто-ты и соответствующей ей амплитуды колебанийэкранирующего электрода. Вибрационные модуля-торы в целом ряде случаев имеют недостаточ-ную чувствительность вследствие того, что разме-ры электродов в них достаточно малы и не поз-воляют получить необходимую амплитуду переме-щения экранирующего электрода (микробалки) нарезонансной частоте.

Основными задачами, которые необходимо ре-шать на этапе его проектирования, в интересах по-лучения максимальной амплитуды колебаний экра-нирующего электрода ВМЭП, соответствующей ре-зонансной частоте, являются:

– оценка влияния изгибной жесткости микро-балки на амплитуду перемещения ее хвостовика;

– оценка влияния материала и геометрии мик-робалки на резонансную частоту.

В работе представлена методика измерениясиловых характеристик экранирующего электродавибрационного модулятора (рис. 1), выполненно-го в виде микробалки. Вибрационный модуляторвключает в себя экранирующий электрод 3, вы-полненный из пермаллоевой фольги и жестко за-крепленный за один конец и чувствительный элек-трод 2. Экранирующий электрод расположен меж-ду двумя соосно закрепленными катушками 1, ко-торые подключены к генератору переменного на-пряжения.

Принцип действия ВМЭП основан на возбуж-дении механических колебаний. Катушки индуктив-ности, подключенные к генератору, вырабатываю-щему сигнал синусоидальной формы с определен-ной частотой, приводящий в колебательное движе-ние электрод 3 на частоте механического резонанса.Так как обмотки катушек включены в противофазеи создают неоднородные магнитные поля, вызываю-щие магнитные взаимодействия между катушкамии экранирующим электродом, то магнитные пото-ки, создаваемые ими, складываются, благодаря че-му вдоль оси между катушками создается магнит-ное поле, амплитуда которого изменяется по си-нусоидальному закону. Это поле взаимодействуетс экранирующим электродом, выполненным из фер-ромагнитного материала, заставляя перемещатьсяэлектрод с частотой колебаний. При колебанияхэкранирующий электрод 3 углубляется по оси чув-ствительного электрода (экспонирование) или вы-двигается над ним (экранирование). При наличииэлектрического поля это приводит к изменению по-тенциала чувствительного электрода 2. После уси-ления и синхронного детектирования на выходеполучается напряжение, пропорциональное напря-женности электрического поля, имеющее соответ-ствующий знак.

Движение экранирующего электрода с макси-мальной амплитудой для придания высокой чув-ствительности устройств детектирования электро-статических полей вызывает наибольшие техниче-ские трудности и является предметом исследованияданной работы.


64 Р.Ю.ДОРОФЕЕВ, Д.В. КОЗЛОВ, А. С. КОРПУХИН, И.П.СМИРНОВ, А.А.ЖУКОВ

Рис. 1. Конструкция вибрационного модулятора электрических полей

Рис. 2. Примеры 4 из 10 вариантов образцов экранирующего электрода

Для производства реальных образцов экрани-рующих электродов из фольги магнитомягкой ста-ли 79НМ (толщиной 20 и 50 мкм) были выреза-ны заготовки, а затем методами двухсторонней фо-толитографии и электрохимического травления изних изготовлены образцы — десять вариантов по-движных пластин различных геометрических кон-фигураций (рис. 2). На этих образцах были про-ведены исследования амплитуды перемещения хво-стовиков экранирующих электродов, их резонанс-ных частот и изгибной жесткости.

Методика проведения эксперимента

В основе методики измерения жесткост-ных характеристик экранирующего электродаВМЭП лежит применение цифровых высокоточных

прецизионных весов, а также элементарной кине-матической системы, связывающей образец ВМЭПи предметный столик весов. Благодаря высокойточности измерительного инструмента, которымявляются весы, возможно измерение очень малыхпо величине нагрузок. Максимальный угол откло-нения хвостовика микробалки для данной кон-струкции — угол со значением в 27◦ (соответствуетперемещению 1,7 мм), что удовлетворяет задаче пообеспечению устройства необходимой амплитудойперемещения хвостовика экранирующего электро-да с целью обеспечения высокой чувствительностидатчика электростатических полей. На максималь-ном угле отклонения хвостовика диапазон жестко-сти составлял от 1,63 до 33,94 мН для образцовс различной геометрической формой.

При измерении резонансных частот применял-ся гониометр и синусоидальный генератор сигналов.



Рис. 3. Силовая характеристика параметров экранирующих электродов толщиной 20 мкм и 50мкм

Путем варьирования частоты колебания микро-балки с помощью гониометра осуществлялся по-иск наибольшей амплитуды перемещений хвосто-вика микробалки. Частота, при которой достига-лась наибольшая амплитуда перемещений хвосто-вика в данной конструкции, считалась резонанснойдля каждого из образцов. При наибольшей ампли-туде, составляющей 3,5 мм колебаний хвостовика,диапазон частот составлял от 208 до 752 Гц.

Результаты

Для вариации геометрии образцов экранирую-щего электрода было создано десять вариан-тов подвижных пластин различных конфигураций(рис. 2). В ходе эксперимента подтвердилось, чтообразцы, имеющие наименьшую изгибную жест-кость при фиксированной амплитуде перемещения,имели также наименьшую резонансную частотусобственных колебаний микробалки.

Эксперимент по определению зависимости си-ловых характеристик экранирующих электродов оттолщины образца выявил следующее.

Величина нагрузки на хвостовике экранирую-щих электродов линейно зависит от толщины. Та-ким образом, при увеличении толщины образцас 20 до 50 мкм происходит увеличение изгибнойжесткости экранирующего электрода вибрационного

модулятора, что приводит к увеличению резонанс-ной частоты в среднем в 2,4 раза для геометриче-ски одинаковых образцов. На рис. 3 представленаполученная силовая характеристика в виде зависи-мости нагрузки, воздействующей на экранирующийэлектрод, от изгибной жесткости.

Наряду с испытаниями, были проведены рас-четы коэффициента формы, чтобы определить за-висимость резонансной частоты от геометриче-ской формы экранирующего электрода [5]. При ва-рьировании геометрической формы экранирующегоэлектрода использовались два основных подхода.В первом подходе варьировалось расстояние междуэллипсовидным утолщением и основанием крепле-ния электрода. Во-втором — изменялась вертикаль-ная полуось эллипсовидного утолщения экрани-рующего электрода. Расчет коэффициента формыэлектрода проводился путем разбиения сложнойформы электрода на простейшие геометрическиефигуры (прямоугольники, треугольник и др.), нижеприведены формулы расчета геометрической формыпрямоугольного треугольника и прямоугольника:

Kf = 2ctg2(α2

)ctg(γ2

)= 1+ 2

1+ ctg(α/2)1− tg(α/2)

, (1)

где α и γ — углы прямоугольного треугольника.

Kf = 2(a

b+b

a

)= 4

(k +

1k

), (2)

где a и b — стороны прямоугольника, k = a/b.


66 Р.Ю.ДОРОФЕЕВ, Д.В. КОЗЛОВ, А. С. КОРПУХИН, И.П.СМИРНОВ, А.А.ЖУКОВ

Методика расчета коэффициента формы про-стейших геометрических фигур изложена в [4].

В большинстве вибрационных устройств име-ются встроенные генераторы для возбуждения ме-ханических колебаний электрода, что накладыва-ет необходимость обладания экранирующим элек-тродом с резонансной частотой, соответствующейчастоте генератора, в нашем случае генератор воз-буждения механических колебаний работает на ча-стоте 300 Гц. Рассчитанный коэффициент формыобразцов экранирующих электродов, согласно фор-мулам (1), (2), определил диапазон значений ко-эффициента формы, который составил от 48,15до 62,39. Расчет образцов экранирующих электро-дов дал линейную зависимость значения коэффи-циента формы от значения изгибной жесткости. За-висимость резонансной частоты от коэффициентагеометрической представлена на рис. 4. Расчет по-казал, что при определенном изменении геометри-ческой формы экранирующих электродов в местекрепления возможно моделировать резонанснуючастоту экранирующих электродов 275± 40 Гц.

Рис. 4. Зависимость резонансной частоты экранирующе-го электрода от их геометрической формы

В ходе эксперимента выяснилось, что все об-разцы имеют достаточно широкую полосу резо-нансных частот. Ширина полосы составляет поряд-ка 5–6 Гц при максимальной амплитуде колебанияэкранирующего электрода (рис. 5). Наличие широ-кой полосы резонансных частот позволяет допус-кать некую погрешность в точности проектирова-ния геометрической формы экранирующего элек-трода вибрационного модулятора.

Рис. 5. Амплитудно-частотная характеристика экрани-рующего электрода


Проведенные испытания и расчет позволяютоценить диапазон возможностей ВМЭП, акценти-руя при этом внимание на высокой стабильно-сти силовых характеристик подвижных экранирую-щих электродов и возможности изменения силовыххарактеристик микроактюаторов геометрическимиметодами.

Измерения силовых характеристик балокВМЭП позволили экспериментально получитьзависимости нагрузок, возникающих на хвостовикебалки модулятора, от угла деформации этой балки.Полученные результаты позволяют судить о линей-ности силовой характеристики относительно углаперемещения балки электростатического актюатора.

Таким образом, предложена и реализована ме-тодика измерения силовых характеристик экра-нирующих электродов вибрационных модуляторовэлектростатических полей, подвергнутых воздей-ствию контролируемой нагрузки.

Полученные данные принципиально важныи необходимы для проектирования устройств виб-рационного типа, так как дают возможность созда-вать микроактюаторы с заранее заданными зави-симостями нагрузок от амплитуды колебаний, что,кроме того, может позволить расширить спектрприменения таких устройств.


1. Дорофеев Р.Ю., Жуков А.А. Особенности защи-ты бортовой аппаратуры космических аппаратов



от электростатического разряда на этапе ее схемо-технического проектирования. Труды II Всероссий-ской научно–технической конференции «Актуаль-ные проблемы ракетно-космического приборостро-ения и информационных технологий». 2–4 июня2009 года. М.: Радиотехника, 2010. С. 140–149.

2. Козлов Д.В., Жуков А.А., Смирнов И.П., Шах-нов В.А. Экспериментальное исследование силовыххарактеристик рабочего элемента тепловых микроак-тюаторов // Вестник МГТУ им. Н.Э.Баумана. СерияПриборостроение. №2/2011(РИНЦ), с. 84–94.

3. Королева В.А., Жуков А.А., Гоголинский К.В.,Усеинов А.С. Оценка изгибной жесткости и дефор-мации микроразмерных элементов устройств мик-

росистемной техники // Нано- и микросистемнаятехника, 2011, № 1, с. 39–42.

4. Фетисова М.А. Коэффициент формы как геомет-рическая характеристика [Текст] / М.А.Фетисова,С. С. Володин // Молодой ученый, 2011, т. 1, № 5,с. 105–107.

5. Коробко А.В. Геометрическое моделирование фор-мы области в двумерных задачах теории упругости.М.: Изд-во АСВ, 1999. 320 с.

6. Фетисова М.А. Развитие и применение метода ин-терполяции по коэффициенту формы к решению за-дач поперечного изгиба пластинок с комбинирован-ными граничными условиями. Дисс. . . . канд. техн.наук: 05.23.17. Орел, 2010. 162 с.



СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ, УПРАВЛЕНИЕ КОСМИЧЕСКИМИ АППАРАТАМИ,ОБРАБОТКА ИНФОРМАЦИИ И СИСТЕМЫ ТЕЛЕМЕТРИИ

УДК 681.3.06

Информационные технологии робастноготелеконтроля изделий РКТ: состояние и перспективы

А.В.Лобан1, Д.А.Ловцов2

1к.т. н., АО «Российские космические системы»2д.т. н., проф., заслуженный деятель науки РФ,

Институт точной механики и вычислительной техники имени С.А.ЛебедеваРоссийской академии наук, Москва

e-mail: [email protected], [email protected]

Аннотация. Рассматриваются результаты системного анализа ряда существующих информационных технологий(ИТ) телеконтроля и телеуправления изделиями ракетно-космической техники (РКТ). Обсуждается проблемнаяситуация, связанная с тем, что для развития космонавтики в XXI в. необходимо обеспечить устойчивое управлениеизделиями РКТ в различных условиях обстановки в реальном масштабе времени, повышая уровень автоматиза-ции переработки информации. В большей степени это касается космических систем специального назначения,использующих ИТ и программное обеспечение распределенных информационных систем. Несмотря на достигну-тые результаты исследований в этой области, общие научные основы анализа и синтеза робастных (устойчивых)ИТ распределенного телеконтроля изделий РКТ в настоящее время не получили должного развития, что сказы-вается на эффективности и качестве управления существующей группировкой космических аппаратов, а такжезапуска новых изделий с помощью разгонных блоков. Предлагается подход к реализации оперативной робастнойИТ телеконтроля изделий РКТ, основанной на разработке методологических основ, моделей и комплекса алгорит-мов распределенного классифицирования и робастного оценивания результатов автоматизированного телеконтроляобъектов управления.

Ключевые слова: алгоритм, робастные оценки, плотность распределения, телеконтроль, дестабилизирующиефакторы

Information Technology Robust Telemetry ControlRockets: Status and Prospects

A.V.Loban1, D.A.Lovtsov2

1candidate of engineering science, Joint Stock Company “Russian Space Systems”2doctor of engineering science, prof., honored scientist of the Russian Federation,

Lebedev Institute of Precise Mechanics and Computer Engineering,Russian Academy of Sciences, Moscow

e-mail: [email protected], [email protected]

Abstract. Results of the system analysis of a number of the existing information technologies (IT) of remote controland telecontrol are considered, by products of the missile and space equipment (MSE). The problem situation connectedby that for development of astronautics in the XXI century it is necessary to ensure sustainable management of MSEproducts in various conditions of a situation in real time is discusses, increasing the level of information processing.More it concerns the space systems of a special purpose using IT and the software of the distributed informationsystems. Despite the reached results of researches in this area, the general scientific bases of analysis and synthesisof robust (steady) IT of the distributed remote control of MSE products didn’t gain now due development that affectsthe efficiency and quality of management of the existing group of spacecrafts, and also launch of new products bymeans of accelerating blocks. The approach to realization of operational robust IT of remote control of MSE productsbased on development of methodological bases, models and a complex algorithms of the distributed classification androbust estimation of results of the automated remote control of objects of management is offered.

Key words: algorithm, robust estimation, frequency distribution, automated remote control, destabilizing factors

ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ РОБАСТНОГО ТЕЛЕКОНТРОЛЯ ИЗДЕЛИЙ РКТ 69

Введение

Научная проблема комплексной автоматиза-ции переработки информации в процессе управ-ления изделиями ракетно-космической техники(РКТ) является объектом суждений людей, заня-тых практической и теоретической деятельностьюв космической отрасли. Генетически предшествую-щей понятию проблемы выступает проблемная си-туация — противоречие между определенной со-циальной потребностью и наличными средствамиее адекватного удовлетворения. Принято считать,что для развития космонавтики в XXI в. необходи-мо обеспечить устойчивое управление изделиямиРКТ в различных условиях обстановки в реаль-ном масштабе времени, повышая уровень автома-тизации управления объектами [4]. Особенно этоактуально при воздействии на операции информа-ционной технологии (ИТ) телеконтроля различныхдестабилизирующих факторов.

Космические системы специального назначе-ния, использующие информационно-телекоммуни-кационные технологии, выделены в Указе Президен-та Российской Федерации №899 от 7 июля 2011 г.в качестве приоритетного направления развитиянауки, технологий и техники в России. Кроме то-го, технологии и программное обеспечение распре-деленных информационных систем внесены в пере-чень критических технологий, т. е. наиболее акту-альных для развития государства.

В последнее время в нашей стране и за рубе-жом значительные усилия направляются на разра-ботку методов, моделей и алгоритмов распределен-ной переработки контрольно-измерительной инфор-мации (КИИ), поступающей от удаленных объек-тов управления. При этом под переработкой КИИпонимается весь спектр манипуляций с данными оттелеизмерений (сбор, преобразование, факториза-ция, классифицирование, оценивание, идентифика-ция) до телеуправления (контроль технического со-стояния, выработка рекомендаций по управлению,реализация управления).

Практика использования ИТ телеконтроля по-казывает, что при возникновении неисправностей,отказов или аварий лица, принимающие решения,из-за сложности интерпретации результатов обра-ботки данных не справляются с оперативным оце-

ниванием больших объемов разнородной информа-ции и, как следствие, не своевременно формиру-ют управляющее воздействие [6–9, 12–16]. А это,в свою очередь, зачастую приводит к необрати-мым последствиям в работе подсистем КА и да-же к потере функциональной пригодности объектауправления.

Так, например, корпорация ОАО «Информаци-онные спутниковые системы» (ИСС) им. М.Ф.Ре-шетнева в последнее 15 лет запустила 15 спут-ников, из которых 9 (60%) имели отказы борто-вых систем и агрегатов, 3 (20%) КА утрачены наорбите и еще 3 (20%) работают с весьма суще-ственными ограничениями по целевому примене-нию (по надежности на 7-м месте в списке веду-щих производителей спутников связи и вещания).Еще более убедительно подтверждается важностьсвоевременного реагирования на нештатные ситу-ации в работе изделий РКТ сведениями о надеж-ности с точки зрения заявленных производителемхарактеристик (табл. 1, обзор Московского косми-ческого клуба [2]).

Следует отметить, что при использовании ре-альных ИТ телеконтроля оперативность решениязадач функционального диагностирования остаетсянизкой, что обусловлено большими объемами пере-рабатываемой контрольно-измерительной информа-ции от КА и частичной автоматизацией процессадиагностирования [5,12,15]. В основном автомати-зированы операции сбора, первичной и вторичнойобработки ТМИ.

Однако проверка правильности отработки вре-менной программы управления КА, оценивание де-стабилизирующих факторов и выработка решенийпо их компенсации зачастую проводятся традици-онными способами с привлечением большого чис-ла специалистов. Это обусловливает низкий уро-вень достоверности и объективности оценки техни-ческого состояния и степени надежности изделийРКТ вследствие ограниченного доступа к имеющей-ся у потребителей информации о причинах неис-правностей, отказов и аварий, а также сказываетсяна оперативности принятия решения на управлениеобъектом [12,13].

На повестке дня переход к технологиям наоснове методов, свободных от распределений слу-чайных величин сбоев в потоке ТМИ. Применение


70 А.В.ЛОБАН, Д.А.ЛОВЦОВ

Та б л иц а 1. Сведения о запуске и функционировании геостационарных спутников основных мировых произво-дителей с 1963 по 2013 гг. включительно

Компания-производительспутников

Количество спутников Общее времяработы

коммерческих КАна ГСО, лет

Запускпервого

КА на ГСОвсего

изготовлено

в том числе геостационарных

всего/работаетиз них

коммерческихвсего/работает

ИСС им. М. Ф. Решетнева более 1200 142/17 15/10 84 1975

Lockheed Martin более 930 143/70 101/52 1035 1975

Boeing Satellite Systems 273 225/89 188/67 2120 1963

Space Systems/Loral 240 152/81 112/74 1770 1969

Orbital Sciences Corporation 117 34/32 34/32 170 1997

EADS Astrium 115 79/50 56/46 604 1981

Thales Alenia Space 115 76/52 69/43 502 1982

подобных методов предполагает существенное уве-личение эффективности ИТ телеконтроля, преж-де всего за счет повышения их помехоустойчиво-сти [9,11,16], нечувствительности к малым откло-нениям от предположений (робастности). Крометого, практика требует, чтобы методы обеспеченияробастности телеконтроля сводились к достаточнопростым приемам, чтобы они не нуждались в ко-ренной переделке тех алгоритмов и преобразова-ний, которые сейчас используются.

Анализ информационныхтехнологий телеконтроля

Для анализа ИТ телеконтроля изделий РКТцелесообразно (по Дж.Клиру) провести классифи-кацию систем обработки ТМИ по типам задач и посвойствам отношений. Типы задач логично связатьс функциями систем обработки, характеризуемымиобобщенными показателями:

� инвариантностью к типу изделия РКТ;

� уровнем автоматизации подготовки исходныхданных (ИД) для обработки потоков ТМИ;

� полнотой первичной и вторичной обработкиданных;

� удобством визуализации результатов обработки;

� многопоточностью обработки данных сеансов;

� местом в контуре управления объектами (сред-ства: общего назначения, ЦУП, ИВК ГК, ис-пытательных стендов).

Поскольку элементы разных типов требуютразных инструментальных средств для сбора дан-ных, эта классификация по существу имеет прак-тическую (экспериментальную) основу.

Классификация по свойствам отношений даетсовершенно другую картину, связанную непосред-ственно с методами обработки данных, а не с ихсбором, преобразованием и визуализацией резуль-татов, и в основе ее лежит преимущественно теоре-тический компонент. Анализ функциональных за-дач должен стимулировать стремление к синте-зу, к перспективному развитию ИТ телеконтроляизделий РКТ. Какие свойства отношений следу-ет взять, чтобы добиться устойчивости технологийк помехам?

В докладе предлагается подход, основанныйна свойствах отношений при реализации функцио-нальных задач обработки, использующих робастныепроцедуры оценивания технических и функцио-нальных состояний объектов управления.

СПО ОТИ

Обзор состояния ИТ телеконтроля логично на-чать с технологии, используемой при управленииобъектами, создаваемыми ОАО ИСС им. М.Ф.Ре-шетнева (фактически это сейчас 2/3 отечествен-ной орбитальной группировки КА). Корпорация



Рис. 1. Структура сектора обработки телеметрии

не только изготавливает спутники, но и предлагаетсвои ИТ телеконтроля объектов и телеуправленияими. Основные функциональные задачи техноло-гии подробно проанализированы в [14]. Технологияиспользуется в ЦУП КА, причем ввиду низкой ин-формативности потоков ТМИ (8000, 32 000 бит/с)вся обработка сосредоточена на средствах ЦУП,а компоненты наземного автоматизированного ком-плекса управления (НАКУ) используются толькодля сбора потоков ТМИ с НИП и последующейдоставки в ЦУП (рис. 1).

Обработка входных потоков телеметрии осу-ществляется на сервере обработки ТМИ по ис-ходным данным (ИД), хранящимся на сервере ба-зы данных (БД). Рабочие места телеметристов(РМТМ) и анализаторов предназначены для ви-зуализации результатов обработки данных теле-контроля в шаблонном (табличном, текстовом)

и мнемоническом видах. Ведется архив результатовобработки сеансов на сервере БД. Предусмотренырабочие места для внесеансных работ (ПВРТМ)и подготовки ИД (РМПИД).

Специальное программное обеспечения обра-ботки телеметрической информации (СПО ОТИ)включает следующие компоненты:

� комплекс программ (КП) подготовки исходныхданных;

� КП сервера обработки телеметрической ин-формации (СОТМ);

� КП рабочего места телеметриста (РМТМ);

� КП мнемонического представления телеметри-ческой модели (МПТМ);

� КП проведения внесеансных работ (ПВР);

� КП обмена файлами телеметрической инфор-мации (ОФТМ).



В ИТ СПО ОТИ реализованы традицион-ные алгоритмы первичной и вторичной обработ-ки параметров, а также элементы многоуровнево-го иерархического анализа данных телеконтроля.При визуализации результатов обработки формиру-ются мнемосхемы бортовых систем как результатаобработки состояний первичных параметров и па-раметров алгоритмов обобщенного контроля. Реа-лизована задача выбора потока телеметрии с луч-шим качеством. Данная ИТ телеконтроля примени-ма только к изделиям изготовленным в ОАО ИССим. М.Ф.Решетнева.

КОТ (РКС)

ИТ телеконтроля, разработанная в АО РКС,основана на комплексе обработки телеметрии(КОТ) — базовом программном средстве, на кото-ром построены все секторы центра автоматизиро-ванной системы информационно-телеметрическогообеспечения (АСИТО) управления изделиями РКТ,комплексы обработки информации НИП, комплек-сы ЕЦУП РБ и комплексы ЦУП отдельных КА,объединенные между собой глобальной сетью об-мена данными (рис. 2).

Рис. 2. Комплекс обработки ТМИ

АСИТО управления КА является компонентомобщего назначения НАКУ и относится к классусложных систем, опыт разработки и совершенство-вания которых длится более 40 лет [7,8]. Реализо-ванная в системе ИТ телеконтроля, инвариантнаяк типу изделия РКТ, она создавалась в расчете нарешение всех классических задач обработки ТМИ(подготовка ИД, первичная и вторичная обработка«приборной» телеметрии, обработка «программной»телеметрии и данных автономных систем навига-ции и др.). Повторное решение этих задач в ЦУП

и ИВК ГК, по мнению авторов, нецелесообразноэкономически. Лучше перейти к широко распро-страняющемуся в современной инфосфере сервис-ориентированному подходу, согласовав лишь ин-терфейсные протоколы взаимодействия с АСИТО.

ИТ на базе КОТ (РКС) выполняет операциипереработки данных телеконтроля в нескольких ос-новных режимах (рис. 3):

– сектор обработки активный (СОА) — ре-ализует управление процессом обработки сеан-сов телеконтроля одновременно с несколькими КАи несколькими НИП по директивам, формируемымна основе плана работ на сутки;

– комплекс обработки информации (КОИ) —первичная и вторичная обработка ТМИ на НИП;

– рабочее место оператора (РМО) — для визуа-лизации результатов обработки данных телекон-троля на разнородных (на рис. 3 показана реализа-ция для платформы МСВС) абонентах — получа-телях АСИТО.

Для взаимодействия комплексов (СОА, КОИ,РМО и др. режимы) используется технология «со-кетного» обмена данными. Причем в системе цир-кулируют файлы результатов обработки потоковтелеметрии, которые по своим объемным харак-теристикам значительно меньше исходного полно-го потока ТМИ. Это положительно сказываетсяна оперативности доставки результатов потреби-телям (в ЦУП). Реализована также возможностьупаковки–распаковки потока ТМИ для передачи поканалам наземной связи и передачи данных.

ПАО «Фрегат»

ИТ телеконтроля на основе программно-алгоритмического обеспечения (ПАО) «Фрегат»разработана и используется на средствах ЦУП-Л(ИВК ГК) в НПО им. С.А.Лавочкина при управ-лении КА «Электро-Л» и при запусках РБ «Фре-гат» [1]. ПАО содержит следующие компоненты:

� средства приема и передачи ТМИ — реали-зуют взаимодействие с внешним миром (СК,ЕЦУП, МТС), преобразование потока ТМИв универсальный формат ЦУП-Л (Arnica), ве-дение архива потоков ТМИ, выбор лучших по-токов и отправку в локальную сеть ИВК ГК;



Рис. 3. Режимы работы комплекса обработки ТМИ

� КП подготовки ИД — формирование на основетекстовой документации двоичных файлов, со-держащих сведения об алгоритмах обработкипараметров и форматах визуализации резуль-татов обработки;

� КП обработки ТМИ — для первичной и вто-ричной обработки потока ТМИ с возможно-стью работы одновременно с 3 потоками;

� КП визуализации результатов обработкиТМИ — для формирования телеметрическихформуляров по группам анализа (до 100 фор-муляров), представления значений параметровв шаблонном, табличном, рулонном и графиче-ском видах;

� КП трехмерного отображения модели полетаобъекта управления.

Перечисленные компоненты ИТ решают ужеобсуждавшиеся выше классические задачи обра-ботки данных телеконтроля. И даже формы визуа-лизации результатов обработки практически сов-падают, например, с ИТ КОТ (РКС). На рис. 4для сравнения представлен шаблонный формуляррезультатов обработки контроля работы телеметри-ческой системы (ТМС). Это еще раз подтвержда-ет тезис о целесообразности перехода на сервис-ориентированную технологию интеграции различ-ных комплексов и ИТ телеконтроля объектов.

Разработан также графический формуляр, ко-торый облегчает анализ и наглядно демонстрируетфактическое состояние контролируемой бортовойподсистемы. Очевидно, что получить такой форму-ляр можно было бы и без выполнения задач пер-вичной и вторичной обработки ТМИ на средствах



Рис. 4. Пример шаблонного формуляра результатов обработки

ЦУП-Л, воспользовавшись специальным «серви-сом» получения результатов обработки с компонен-та общего назначения — АСИТО.

При запуске РБ «Фрегат» в ЕЦУП поступа-ют полные потоки ТМИ по космическим каналамсвязи, а также результаты обработки из АСИТО.Суммарное количество потоков данных существен-но превышает возможности ИТ телеконтроля, ре-ализованной на средствах ЦУП-Л (до 3 потоков).В таких условиях в ЦУП-Л нет возможности ре-шить нерешенную до сих пор задачу интеграциипотоков ТМИ для получения в реальном масшта-бе времени результатов обработки по «суммарно-му» потоку. Такой подход к обработке позволил быкомпенсировать сбойные участки сеанса обработ-ки от одного НИП, участками сеанса от другихкомплексов с менее сбойной телеметрией. Особен-но это актуально для телеконтроля основных ди-намических событий, возникающих на этапе выве-дения и в полете РБ «Фрегат» (сброс головногообтекателя, включение–выключение двигательнойустановки, отделение КА и др.). Для демонстра-ции этих событий разработаны специальные обоб-щенные формуляры (рис. 5).

На формуляре представлены сведения о со-бытиях: название события; расчетное время со-бытия (три колонки: от начала отсчета времени,

от контакта подъема и по времени СЕВ) и факти-чески зафиксированное время события (три колон-ки справа) по результатам телеконтроля полета РБ.Кроме того, выводятся расчетные параметры (вре-мя работы двигательной установки, набранная ка-жущая скорость и др.). Следует заметить, что видформуляра (см. рис. 5) используется в ЕЦУП РБ,а в ЦУП-Л разработан аналог такого формуляра.

Сравнительная таблица

Полученная в результате анализа сравнитель-ная таблица (табл. 2) отражает данные по показа-телям функциональных задач и по месту реализа-ции ИТ телеконтроля.

При этом классификация по существу имеетпрактическую направленность, а теоретические ас-пекты (по свойствам отношений робастности) за-тронуты незначительно. Произошло это потому,что на практике перед ИТ телеконтроля до сихпор ставились задачи в расчете на установлен-ную в требованиях к помехам входной телемет-рии в пределах от 10−4 до 10−3 сбой на бит.Как показала практика телеконтроля, для боль-шинства сеансов обработки с таким качествомвходной ТМИ результаты обработки параметров



Рис. 5. Обобщенный формуляр динамических операций РБ

получаются достоверными. Однако при ухудше-нии качества входной ТМИ могут возникать ано-мальные отсчеты, которые оператор-анализатор мо-жет оценить и игнорировать при выработке ре-шения.

Повышение уровня автоматизации обработ-ки ТМИ, разработка алгоритмов диагностированиятехнических и функциональных состояний объек-та управления привели к тому, что аномальные от-счеты начали подаваться на вход алгоритмов ди-агностирования. Возникла проблемная ситуация,связанная с необходимостью обеспечить достовер-ность результатов диагностирования. Ведь появле-ние случайных обобщенных событий типа «не нор-ма» вряд ли понравится анализаторам. Поэтомунеобходимо теоретически и на практике перехо-дить к реализации функциональных задач обра-ботки данных телеконтроля на базе устойчивыхк сбоям (робастных) процедур манипулированияданными.

Направления развития ИТтелеконтроля

На теоретико-множественной модели основныефункциональные задачи ИТ телеконтроля описыва-ются обобщенной структурой [7]

(1)

где T — множество моментов времени, в которыенаблюдается КА;

X, Y — множества входных и выходных сиг-налов КА;

Z — множество состояний КА;E — множество заданных видов технических

состояний КА;



Таб л иц а 2. Классификация ИТ телеконтроля изделий РКТ

S — множество истинных технических состо-яний КА;

Y ϑ — фактор-множество непересекающихсяклассов выходных сигналов объекта, взаимно од-нозначно соответствующее множеству E;

L, η, ϑ, χ, ψ, ζ — отображения наблюде-ния, классифицирования, факторизации, имплика-ции, оценивания и идентификации технических со-стояний КА соответственно.

Сбои воздействуют на множество Y и да-лее проникают после отображения классифициро-вания η в результат обработки, принадлежавшиймножеству E. Определить истинность полученно-

го вида технического состояния предполагаетсяпо результату отображения ψ оценивания. Резуль-тат оценивания принадлежит множеству S.

Может ли процедура оценивания ψ быть ро-бастной? В принципе, да. Однако надо учитыватьдва обстоятельства. Во-первых, при реализации ал-горитмов анализа данных телеконтроля часто име-ют дело с многоуровневой иерархической обработ-кой параметров. В этом случае аномальный отсчетпараметра будет проникать во все последующиеуровни обработки.

Второе обстоятельство связано с тем, чтопо примеру радиотехнических устройств усиления



необходимо бороться с шумами первого каскада.Следовательно, бороться с ошибками следует начи-нать как можно раньше, например, с множества Y .

В этом случае обобщенная структура телекон-троля имеет вид:

(2)

где ψr — робастное отображение оценивания пара-метров y ∈ Y ;

Yr — робастное множество выходных сигна-лов КА.

А соответствующая логическая структура ком-плекса моделей и алгоритмов ИТ телеконтролялишь дополняется компонентами, обеспечивающи-ми формирование робастных результатов обработ-ки параметров и видов технических и функцио-нальных состояний бортовых систем.

Перспектива ИТ телеконтроля изделий РКТсвязана с переходом от структуры (1) к структу-ре (2). При этом ИТ телеконтроля должна обеспе-чить получение устойчивых к сбоям (робастных)результатов обработки телеметрии и тем самымповысить своевременность принятия решения науправление объектами.


На основе проблемно-ориентированного вари-анта системного подхода проведен анализ совре-менного состояния ИТ телеконтроля изделий РКТ.По реализованным на практике задачам ИТ теле-контроля похожи друг на друга и в основном вы-полняют известные, ставшие классическими алго-ритмы обработки телеизмерений.

Для минимизации экономических затрат приразработке новых изделий РКТ целесообразношире использовать возможности существующейАСИТО управления КА как элемента общего на-значения НАКУ, последовательно переходя к тех-нологии «сервисов» при постановке изделий на об-служивание в систему, проведении робастной об-

работки данных телеконтроля, оценивании техни-ческого и функционального состояния бортовыхсистем и др.


1. Казакевич Ю.В., Зефиров И.В. Центр управле-ния полетами НПО им. С.А.Лавочкина при рабо-те с межорбитальным космическим буксиром «Фре-гат» // Вестник ФГУП НПО им. С.А.Лавочкина,2014, № 1, с. 64–70.

2. Крылов А.М. Производство и эксплуатация спутни-ков связи и вещания.http://mosspaceclub.ru/3part_krilov_3.pdf

3. Козлов Д.И., Аншаков Г.П., Агарков В.Ф. и др.Конструирование автоматических космических ап-паратов / Под ред. Д.И.Козлова. М.: Машиностро-ение, 1996. 448 с.

4. Черток Б.Е., Арин О.А., Аполлонов В.В. и др.Космонавтика XXI века / Отв. редактор Б. Е. Чер-ток. Научн. координатор проекта Ю.М.Батурин.М.: РТСофт, 2010. 864 с.

5. Кравец В. Г. Автоматизированные системы управле-ния космическими полетами. М.: Машиностроение,1995. 256 с.

6. Кузин В.А., Атаманчук Ю.И., Кравчук Н.В. и др.Автоматизированный комплекс обработки теле-метрической информации // Вестник Самарскогогосударственного аэрокосмического университетаимени академика С.П.Королева, 2003, № 1.http://www.science63.ru/nauka/142-kompleks-obrabotki-telemetricheskoj-informaczii-chast-1.html

7. Лобан А. В. Информационная технология распреде-ленного диагностирования космических аппаратов.М.: ДПК Пресс, 2015. 144 с. ISBN 978-5-91976-069-6.

8. Лобан А.В., Ловцов Д.А. Новая эффективная тех-нология распределенной переработки измеритель-ной информации в АСУ космическими аппарата-ми // Вестник ФГУП НПО им. С.А.Лавочкина,2014, № 4, с. 81–88.

9. Лидов М.Л. Минимаксные методы оценива-ния // Препринты ИПМ им. М.В.Келдыша, 2010,№ 71, 87 с. http://library.keldysh.ru/preprint.asp?id=2010-71.

10. Матюшин М.М. Модели информационной нагруз-ки на наземный компонент автоматизированной



системы управления полетом космического аппара-та // Наука и образование, 2011, № 10.http://technomag.edu.ru/doc/223840.html

11. Неволин В.И. Робастные информационные сис-темы. Методы синтеза и анализа. М.: ФИЗМАТ-ЛИТ, 2010. 312 с.

12. Охтилев М.Ю., Соколов Б.В., Юсупов Р.М. Ин-теллектуальные технологии мониторинга и управле-ния структурной динамикой сложных техническихобъектов. М.: Наука, 2006. 410 с.

13. Охтилев М.Ю., Каргин В.А., Майданович О.В.Автоматизированная система управления подготов-кой и пуском ракет космического назначения каккорпоративная информационная система // Инфор-

мационно-измерительные и управляющие системы,2010, № 7, с. 78–83.

14. Пакман Д.Н., Некрасов М.В., Антамошкин А.Н.Проблемы обработки телеметрической информациив контуре автоматизированной системы управлениякосмическими аппаратами // Вестник Сибирско-го государственного аэрокосмического университе-та им. академика М.Ф.Решетнева, 2009, вып. 1.

15. Соколов Н.Л. Основные принципы диагностики ра-ботоспособности бортовой аппаратуры автоматиче-ских КА и выработки рекомендаций по устранениюнештатных ситуаций // Успехи современного есте-ствознания, 2007, № 6, с. 16–20.

16. Хьюбер П. Робастность в статистике. М.: Мир,1984. 304 с.



СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ, УПРАВЛЕНИЕ КОСМИЧЕСКИМИ АППАРАТАМИ,ОБРАБОТКА ИНФОРМАЦИИ И СИСТЕМЫ ТЕЛЕМЕТРИИ

УДК 681.3.06

Адаптивный фильтр Калманадля оценки параметров отраженного сигнала

В.П.Кузнецов1, Е.П.Чураков2

1к.т. н., доцент, 2д.т. н., профессорРязанский государственный радиотехнический университет


Аннотация. Построен адаптивный фильтр Калмана для оценивания частоты и фазы отраженного гармоническогосигнала. Идея подхода состоит в представлении гармонического сигнала в виде решения однородного разностногоуравнения второго порядка с единичными корнями.

Ключевые слова: гармонический сигнал, разностное уравнение, переменные состояния, фильтр Калмана

Adaptive Kalman Filterfor Radar Signal Parameters Estimation

V.P.Kuznetsov1, E.P. Churakov2

1candidate of engineering science, associate professor, 2doctor of engineering science, professorRyazan State Radio Engineering University


Abstract. Adaptive Kalman filter for estimation of frequency and difference of phases of harmonic signal measuringset is constructed. The approach based on representation of harmonic signal as solving of difference equation withroots on unit circle.

Key words: harmonic signal, difference equation, state variables, Kalman filter

80 В.П.КУЗНЕЦОВ, Е.П.ЧУРАКОВ

Постановка задачи, идея метода

В радиолокации хорошо известна задача опре-деления координат движущегося объекта на ос-новании отраженной электромагнитной волны,которая принимается несколькими датчиками, рас-пределенными в пространстве. Один из датчи-ков назначается опорным, остальные — рабочими.Электромагнитная волна создает в датчиках элек-трические сигналы гармонического вида, которыеи являются носителями информации об объекте.Координаты объекта определяются по разности фазгармонических сигналов, возникающих в рабочихи опорном каналах. Решение задачи осложняетсянеизвестной вследствие доплеровского эффекта ча-стотой отраженного сигнала.

Рассмотрим типовую реализацию отраженногосигнала и представим основную идею его обработкина основе адаптивного фильтра Калмана (рисунок).

Отраженный сигнал формируется по поясамдальности; на рисунке представлен один из такихпоясов. На начальном этапе во входном сигналеприсутствует постоянная составляющая и случай-ная помеха, обработка на этом этапе заключаетсяв выделении постоянной составляющей и вычис-лении дисперсии сигнала, которая служит крите-рием появления отраженного сигнала. Как толь-ко дисперсия сигнала превысит заданный порог(отсчет 200), включается основной фильтр Калма-на, который определяет частоту входного сигна-ла и выделяет из него гармоническую составляю-щую. Затем включается дополнительный фильтрКалмана (отсчет 250), который на основе извест-ной частоты оценивает фазу гармонической состав-ляющей относительно момента включения допол-нительного фильтра.

Эта идея реализована в виде многоканальногофильтра, обрабатывающего всю совокупность из-мерительных каналов и определяющего разностифаз между рабочими и опорным сигналами, кото-рые поступают затем в алгоритм оценивания коор-динат объекта. Рассмотрим более подробно реали-зацию этой идеи.

Математическая постановка задачи заключа-ется в следующем. Имеются результаты измерений:

vk[n] = u0k + u1k sin(ωn+ ϕk) + pk[n],

ω = 2πfT , k = 1, q, n = 1,N.(1)

Здесь u0k — неизвестная постоянная составляющаясигнала, u1k — неизвестная амплитуда гармони-ческого сигнала, постоянная в пределах интерва-ла оценивания, f — частота отраженного сигнала,T — период дискретизации, n — номер отсчета,ϕk ∈ (0, 2π) — фазы гармонических составляющих,pk[n] — независимые по пространству и временигауссовские шумы с нулевыми средними и извест-ной дисперсией σ2p, q — количество каналов, N —временной объем выборки. Диапазон возможныхзначений частоты fmin, fmax известен. Задача за-ключается в определении разности фаз между ра-бочими и опорным сигналами.

Задача определения разности фаз гармониче-ских сигналов неизвестной частоты может бытьрешена методами спектрального оценивания с по-следующим выделением фазовых компонент [1].Классические методы спектрального оцениванияоснованы на дискретном преобразовании Фурье.Присущие им особенности, связанные с растека-нием спектра и пакетной обработкой данных, обу-словили появление параметрических методов спек-трального оценивания, обладающих более высо-ким разрешением и возможностью как пакетной,так и последовательной обработки. Первая группапараметрических методов использует авторегресси-онные модели представления входных данных, вто-рая группа (методы Прони) использует детерми-нированные модели. Данная работа по характерумодели входных данных примыкает к авторегрес-сионным методам, однако решение задачи найденона принципах калмановской фильтрации.

Идея подхода состоит в представлении гармо-нического сигнала как решения линейного разност-ного однородного уравнения 2-го порядка с посто-янными коэффициентами, корни характеристиче-ского уравнения которого расположены на окруж-ности единичного радиуса.

Рассмотрим сначала один измерительный ка-нал с сигналом на выходе:

vn = u0 + u1 sin(ωn+ ϕ) + pn, n = 1,N.

Будем предполагать, что постоянная составляю-щая u0 оценивается на начальном этапе интерваланаблюдения и может быть устранена из результатовизмерений. Для описания гармонической состав-ляющей применим теорию разностных уравнений.


АДАПТИВНЫЙ ФИЛЬТР КАЛМАНА ДЛЯ ОЦЕНКИ ПАРАМЕТРОВ ОТРАЖЕННОГО СИГНАЛА 81

Рисунок. Оценка параметров отраженного сигнала на основе фильтра Калмана

Рассмотрим разностное уравнение

b0y[n+ 2] + b1y[n+ 1] + b2y[n] = 0. (2)

Пусть соответствующее ему характеристическоеуравнение b0z

2+ b1z+ b2 = 0 имеет пару комплекс-но-сопряженных корней z1 = α + jβ, z2 = α − jβ.Тогда общее решение уравнения (2) имеет вид:

y[n] = c1 |z1|n cosωn+ c2 |z1|n sinωn, ω = arg(z1).

Постоянные c1, c2 определяются начальными усло-виями y[0], y[1]. Если корни z1, z2 расположенына единичной окружности, причем в правой полу-плоскости, то решение примет вид:

y[n] = c1 cosωn+ c2 sinωn = u1 sin(ωn+ ϕ),

u1 =√c21 + c22, ϕ = arctg(c1/c2),

ω = arctg(√1− α2/α).

(3)

Характер расположения корней (левый или пра-вый) определяется периодом дискретизации T .Единичным по модулю корням соответствует раз-ностное уравнение

y[n+ 2] − 2αy[n+ 1] + y[n] = 0.

Введем в рассмотрение переменные состояния

x1[n] = y[n], x2[n] = y[n+ 1],

которые позволяют записать исходное разностноеуравнение в виде системы разностных уравненийпервого порядка{

x1[n+ 1] = x2[n],x2[n+ 1] = −x1[n] + 2αx2[n]

и уравнения выхода y[n] = x1[n]. Представим этирезультаты в векторно-матричной форме в видеуравнения состояния

X[n+ 1] = AX[n], X =[x1[n]x2[n]

], A =

[0 1−1 2α

]и уравнения выхода

y[n] = CX[n] + p[n], C = [1 0].

Для оценивания вектора состояния применимфильтр Калмана [2], который в данных условияхопределяется следующей совокупностью выраже-ний:

Rn,n−1 = ARn−1AT ,

Kn = Rn,n−1CT (CRn,n−1CT + σ2p)−1,


82 В.П.КУЗНЕЦОВ, Е.П.ЧУРАКОВ

X̂n = AX̂n−1 + Kn(vn − CAX̂n−1),Rn = Rn,n−1 − KnCRn,n−1. (4)

В этих соотношениях X̂n — оценка вектора состоя-ния, вычисленная по наблюдениям v1, v2, . . . , vn,Rn,n−1 — априорная ковариационная матрица оши-бок оценивания, Rn — апостериорная ковариацион-ная матрица ошибок оценивания, Kn — коэффици-ент усиления калмановского фильтра. Для работыфильтра нужно задать матрицу R0 и вектор X̂0.Матрицу R0 положим единичной, R0 = I, векторX̂0 = 0.

Фильтр Калмана для оцениваниячастоты гармонического сигнала

Векторно-матричная модель наблюдений и со-отношения фильтра Калмана предполагают извест-ными параметры модели A и C. Однако в даннойзадаче частота ω гармонического сигнала и свя-занный с ней параметр α являются неизвестными.Поставим задачу оценивания параметра α одновре-менно с оцениванием вектора состояния, следуя ра-боте [3].

Считая параметр α постоянным на интерваленаблюдения, зададим его решением простейшегоразностного уравнения

αn+1 = αn.

Введем в рассмотрение расширенные векторыи матрицы

X∗n =

⎡⎣ αx1[n]x2[n]

⎤⎦, A∗ =

⎡⎣1 0 00 0 10 −1 2α

⎤⎦,

C∗ =[0 1 0

].

Расширенный вектор состояния описывается урав-нением состояния

X∗n+1 = A∗X∗

n = F(X∗n),

которое теперь принимает нелинейный вид, обу-словленный наличием параметра α как в матри-це A∗, так и в векторе X∗

n. Уравнение выхода оста-ется линейным:

vn = C∗X∗n + pn.

Решение задачи может быть найдено на основелинеаризации вектор-функции F и последующимприменением соотношений (4). Раскроем вектор-функцию F:

F(X∗n) = A∗X∗

n =[α; x2[n]; −x1[n] + 2αx2[n]

]T.

Найдем матрицу частных производных ∂F/∂X∗,используя правило дифференцирования вектор-функции по вектору:

∂F∂X∗ =

⎡⎣ 1 0 00 0 12x2 −1 2α

⎤⎦.

Первая строка этой матрицы содержит част-ные производные от первого элемента вектор-функции F по каждому элементу вектора X∗. Дру-гие строки матрицы соответствуют остальным эле-ментам вектор-функции F.

Уравнения фильтра Калмана теперь примутвид:

Rn,n−1 =[∂

∂X∗F(X∗n−1)

]Rn−1

[∂

∂X∗F(X∗n−1)

]T

,

Kn = Rn,n−1C∗T (C∗Rn,n−1C∗T + σ2p)

−1,

X̂∗n = A∗X̂∗

n−1 + Kn(vn − C∗A∗X̂∗n−1),

Rn = Rn,n−1 − KnC∗Rn,n−1,

R0 = I, X̂∗0 = [α0 0 0].

(5)Начальное значение параметра α = α0 целесооб-разно назначить в середине диапазона изменениякруговой частоты отраженного сигнала ωmin, ωmax.

Применение адаптивного фильтра Калманак обработке реального входного сигнала показа-но на рисунке. Здесь первые 200 отсчетов потре-бовались для предварительной обработки входно-го сигнала, которая заключалась в вычислении по-стоянной составляющей и дисперсии входного сиг-нала с помощью «прыгающего» окна, содержащего100 отсчетов. Во втором окне дисперсия превыси-ла установленный порог в 0,01 и произошло вклю-чение фильтра Калмана (отсчет 200). Подчеркнемеще раз, что частота входного сигнала неизвест-на; ее «представителем» является параметр α, ко-торый оценивается фильтром одновременно с оцен-кой гармонической составляющей.


АДАПТИВНЫЙ ФИЛЬТР КАЛМАНА ДЛЯ ОЦЕНКИ ПАРАМЕТРОВ ОТРАЖЕННОГО СИГНАЛА 83

Точность оценивания частоты была найденапутем статистического моделирования на ЭВМ те-стового сигнала

v[n] = u sin(ωn+ ϕ) + p[n], n = 1, 200

с параметрами u = 2, ω = 0,451 (α = 0,9); фазазадавалась случайным равномерным образом в ин-тервале [0, 2π]. Точность оценивания частоты опре-делялась средней относительной ошибкой МАРЕ(Mean Absolute Percentage Error):

МАРЕ =1N

N∑i=1

∣∣∣∣ω − ω̂i

ω

∣∣∣∣ 100%.Для числа реализаций N = 1000 получены следую-щие результаты:

– для дисперсии помехи σ2p = 0,01 МАРЕ == 0,12%;

– для дисперсии помехи σ2p = 0,05 МАРЕ == 0,82%;

– для дисперсии помехи σ2p = 0,1 МАРЕ == 3,37%.

Таким образом, адаптивный фильтр Калманауспешно решает задачу оценивания неизвестнойчастоты входного сигнала и выделения гармониче-ской составляющей.

Фильтр Калмана для оцениванияфазы гармонического сигнала

Для определения фазы гармонической состав-ляющей в сигнале представим гармонику уравне-нием (3), но с учетом того, что y[n] = x1[n], будемиспользовать оценку переменной состояния x1[n],которую выдает калмановский фильтр:

x̂1[n] = c1 cos ω̂n+ c2 sin ω̂n+ e[n]. (6)

Здесь e[n] — погрешность оценивания, дисперсиякоторой содержится в ковариационной матрице Rn,ω̂ — оценка частоты гармонического сигнала, вы-числяемая по формуле

ω̂ = arctg(√1− α̂ 2/α̂).

Представим уравнение (6) совокупностью уравне-ний состояния и выхода. С этой целью введем пе-

ременные состояния q1[n] = c1, q2[n] = c2, поведе-ние которых зададим уравнением состояния

Q[n+ 1] = HQ[n], H =[1 00 1

].

Уравнение выхода примет вид:

x̂1[n] = C[n]Q[n] + e[n], C[n] = [cos ω̂n sin ω̂n] .

Для оценивания вектора состояния Q[n] будемиспользовать дополнительный фильтр Калмана, ра-бота которого описывается соотношениями, анало-гичными (4). Дополнительный фильтр включает-ся после окончания переходного процесса основно-го фильтра, а оценка фазы производится в систе-ме координат, совмещенной с моментом включениядополнительного фильтра. Так как в конечном сче-те нас интересует разность фаз между рабочимии опорным сигналами, то момент включения допол-нительного фильтра, одинаковый во всех каналах,оказывается несущественным.

Совместная работа основного и дополнитель-ного фильтров Калмана показана на рисунке. До-полнительный фильтр Калмана был включен че-рез 50 отсчетов после включения основного филь-тра и вычислил фазу гармонической составляющейв системе координат, совмещенной с отсчетом 250.

Система многоканальных фильтровКалмана

Полученные результаты обобщаются на сово-купность радиолокационных каналов, причем ос-новной и дополнительный фильтры реализуютсяне в виде набора одноканальных фильтров Калма-на, а в виде многомерных фильтров, оперирующихс расширенными векторами состояния.


1. Марпл С.Л. Цифровой спектральный анализ и егоприложения. М.: Мир, 1990.

2. Сейдж Э., Мелс Дж. Теория оценивания и ее при-менение в связи и управлении. М.: Связь, 1976.

3. Чураков Е.П. Математические методы обработкиэкспериментальных данных в экономике. М.: Фи-нансы и статистика, 2004.



ТЕХНОЛОГИЯ ПРИБОРОСТРОЕНИЯ И ПРОИЗВОДСТВА ЭКБ

УДК 621.38.049.771.14

Разработка радиационно стойкой БИСМДМ-преобразователя для датчиков

в КМОП КНС-базисе

А.И.Черный, В.Н.Богатырев1, З.М.Поварницына2, А.Ю.Алямкин1,2к.т. н., ОАО «НПО ИТ»


Аннотация. В ОАО «НПО ИТ» разработан, изготовлен и проведены испытания экспериментального образцабольшой интегральной схемы (БИС) преобразователя для датчиков (в частности магниторезистивных) на ба-зе инструментального усилителя типа модулятор–демодулятор (МДМ) по КМОП-технологии на отечественныхструктурах «кремний на сапфире» с толщиной приборного слоя кремния 0,6 мкм. Наряду с МДМ, инструмен-тальным усилителем, БИС включает также выходной нормирующий усилитель, набор резисторов обратных связейи выходной фильтр низкой частоты. Реализованный алгоритм модуляции–демодуляции позволил получить малоенапряжение смещения и компенсацию фликкер-шума для обеспечения преобразования низкочастотных сигна-лов датчиков начиная с постоянного тока. Лабораторными испытаниями произведена предварительная оценкарадиационной стойкости БИС к ионизирующему излучению на моделирующем испытательном комплексе при воз-действии излучения от 60Co путем испытания основного базового элемента — операционного усилителя, стойкостькоторого составила не менее 500 Крад/Si.

Ключевые слова: магниторезистивный датчик, модулятор–демодулятор, МДМ, инструментальный усилитель,радиационная стойкость, большая интегральная схема, кремний на сапфире

Development Radiation Hardened IC MDMof the Converter for Sensors in CMOS SOS basis

A. I. Chernyj, V.N.Bogatyrev1, Z.M.Povarnitsyna2, A. Yu.Alyamkin1,2candidate of engineering science,

Joint Stock Company “Scientific-Production Association of Measuring Techniques”


Abstract. On Joint Stock Company “Scientific-Production Association of Measuring Techniques” are developed, madeand conducted tests of the experimental sample instrumentation amplifier with modulator–demodulator the IC MDMof the converter for magneto resistive sensors. Is manufactory on CMOS with design norms of an order 3 microns ontechnology “silicon on sapphire” (SOS) on domestic plates with thickness of a layer of silicon 0,6 microns. IC includesthe modulator–demodulator, the first and the second operational amplifiers, the normalization amplifier, resistors offeedback, the filter of low frequency. The realized algorithm of modulation–demodulation has allowed to receive smallvoltage offset and compensation to flicker noise for low-frequency analogue signals. Radiating hardened to ionizingradiation on a modeling test complex is confirmed by laboratory researches. Resistance of the basic element — theoperational amplifier to the saved up dose not less than 500 Krad/Si on 60Co.

Key words: magneto resistive sensors, modulator–demodulator, MDM, instrumentation amplifier, radiation hardened,integrated circuits (IC), silicon on sapphire (SOS)

РАЗРАБОТКА РАДИАЦИОННО СТОЙКОЙ БИС МДМ-ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ДЛЯ ДАТЧИКОВ 85

В ОАО «НПО ИТ» разработан, изготовлени проведены испытания экспериментального образ-ца (ЭО) большой интегральной схемы (БИС) пре-образователя для датчиков (в частности магниторе-зистивных) на базе инструментального усилителятипа модулятор–демодулятор (МДМ). Технологияизготовления БИС — КМОП, на отечественныхструктурах «кремний на сапфире» (КНС)» с тол-щиной приборного слоя кремния 0,6 мкм.

Усилители с модуляцией–демодуляцией сигна-ла (усилители МДМ) реализуют преобразованиемедленно меняющегося входного напряжения в пе-ременное напряжение, которое затем усиливается,демодулируется и фильтруется. Данный алгоритмв значительной степени уменьшает погрешности,связанные с температурным и временным дрейфомнуля. Структурная схема БИС МДМ-преобразова-теля приведена на рис. 1.

Инструментальный усилитель построен поклассической схеме на трех операционных усили-телях (ОУ). Цель введения в структуру нормиру-ющего выходного усилителя — обеспечить низкоевыходное сопротивление, большой выходной сиг-нал и увеличить общий коэффициент усиления. Ес-ли коэффициент усиления инструментального уси-лителя достаточно велик, то дрейф нуля диффе-ренциального усилителя практически не увеличи-вает нестабильности начального уровня усилителяв целом. Фильтр нижних частот и нормирующийусилитель могут быть объединены в один узел —активный фильтр. Модулятор и демодулятор управ-ляются частотой, вырабатываемой внутренним ге-нератором. В данной работе блок модуляции и де-модуляции построен на основе КМОП транзистор-ных ключей.

Оценка плотности шума для МДМ ОУ.Теоретически плотность шума для МДМ ОУ

определяется формулой

Sn.вх =3,142 · 4 · K · T · n1

8 · gmin

(1 +

Fk

Fchop

), где:

Sn.вх — спектральная плотность входных шумов,K — постоянная Больцмана, T — температура,n1 — фактор наклона в области слабой инверсии,gmin — крутизна входных транзисторов операцион-ного усилителя, Fk — граничная частота пропуска-ния, Fchop — частота выборки.

В нашем случае T = 300 ◦C, n1 = 1,4, gmin == 30 mkA/V, Fk = 200 Гц, Fchop = 4000 Гц,

K = 1,38 · 10−23, легко показать, что Sn.вх == 31,58 nV/Гц.

Оценка величины смещения для МДМ ОУ.Величина смещения для МДМ ОУ определя-

ется формулой:

Voffset = 2 · 3,14 · Fchop. · Vq · Ron××(2 · 3,14 · Fchop · Ron · Cin + 2Q · e

),

где

Vq =Cox

2

((dWi

Wi

+dLi

Li

)·(Vdd − Vt

)+

+ Cov

(Vdd − Vss

)· dCov

Cov

),

где i = 1, 2, 3.dWi

Wi

,dLi

Li

, dVt — относительные рас-

согласования параметров, �ov — емкость перекры-

тия. В нашем случае приdWi

Wi

=dLi

Li

=dCov

Cov= 0,1,

dVt = 100 mV, Ron = 50 kOm, �in = 1 pF, Q = 10,e = 1%.

Теоретическая величина смещения Voffsetне превышает 1 мкВ [1].

Испытания ЭО проводились согласно разра-ботанной (в рамках этапа 2 СЧ НИР «Датчик-ИТ») «Программе и методике испытаний ЭО»от 30.09.2013 №НПЦМ2/2-85 на измерителеKeithley 2602 и подтвердили достижение следую-щих параметров:

– коэффициент усиления фиксирован — 135;

– температурный дрейф коэффициента переда-чи — 300 ppm/ ◦C;

– напряжение смещения «нуля» — не более20 мкВ;

– температурный дрейф напряжения смещения«нуля» — не более 0,5 мкВ/С◦;

– коэффициент ослабления синфазного сигналаи влияния напряжения питания — не менее80 дВ;


86 А.И.ЧЕРНЫЙ, В.Н. БОГАТЫРЕВ, З.М.ПОВАРНИЦЫНА, А.Ю.АЛЯМКИН

Рис. 1. Структурная схема БИС МДМ-преобразователя

Рис. 2. Топология кристалла БИС МДМ-преобразователя


РАЗРАБОТКА РАДИАЦИОННО СТОЙКОЙ БИС МДМ-ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ДЛЯ ДАТЧИКОВ 87

– входные токи — не более 1 нА;

– потребляемая мощность — не более 50 мВт;

– полоса пропускания по уровню 3dB — не менее1,0 кГц;

– диапазон напряжения питания, В — +/−(2,5–4);

– конструктивное исполнение для испытаний —в корпусе 2120.24-11 либо бескорпусное испол-нение.

По сравнению с широко известным диффе-ренциальным усилителем постоянного тока наМДП-транзисторах с модуляцией–демодуляциейсигнала 140 УД13 [3] на объемном кремнии до-стигнуты преимущества по коэффициенту усиле-ния (более 10 раз), полосе сигнала, напряжениюсмещения нуля (менее 2 раз), расширению функци-онального исполнения (встроенный генератор, ин-струментальный ОУ, активный фильтр, нормирую-щий усилитель), радиационной стойкости за счетКНС-исполнения.

Топология кристалла БИС МДМ-преобразо-вателя показана на рис. 2, размер кристалла 4,5 ×× 3,5 мм.

Лабораторными испытаниями произведенапредварительная оценка радиационной стойкостиБИС к ионизирующему излучению на моделирую-щем испытательном комплексе при воздействииизлучения от 60Co путем испытания основногобазового элемента — операционного усили-теля, стойкость которого составила не менее500 Крад/Si.


1. Cihsieh K. et al. A Low-noise chopper-stabilized dif-ferential switched-capacitor filtering technique, IEEEJ. Solid-State Circuits, Vol.sc — 16, December, 1981,p. 708–715

2. Топильский В.Б. Микроэлектронные измеритель-ные преобразователи, 2-е изд. М.: БИНОМ. Лабо-ратория знаний, 2013.

3. Технические условия бКО. 347.004 ТУ12.



ТЕХНОЛОГИЯ ПРИБОРОСТРОЕНИЯ И ПРОИЗВОДСТВА ЭКБ

УДК 621.3.049.77

Методы и средства обнаружения скрытых дефектовКМОП-микросхем

И.Ю.БулаевАО «Российские космические системы»


Аннотация. Во избежание монтажа в высоконадежную аппаратуру потенциально ненадежных изделий электрон-ной компонентной базы (ЭКБ), содержащих внутренние скрытые дефекты, необходимо включать в программуиспытаний изделий ЭКБ процедуры диагностического неразрушающего контроля (ДНК). В статье рассматрива-ются методические и аппаратные средства ДНК КМОП интегральных схем.

Ключевые слова: электронная компонентная база, КМОП интегральные схемы, диагностический неразрушающийконтроль, критическое напряжение питания, динамические параметры

Ways and Means of CMOS Integrated CircuitsFlaw Location

I.Yu.BulaevJoint Stock Company “Russian Space Systems”


Abstract. In order to avoid installation in highly reliable equipment weak electronic components with internal defectsit is necessary to apply the procedures of diagnostic nondestructive testing (NDT). The ways and means of diagnosticnondestructive testing of CMOS integrated circuits are considered in the report.

Key words: electronic component base, CMOS integrated circuits, diagnostic nondestructive testing, very low voltagetesting, dynamic parameters

МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ОБНАРУЖЕНИЯ СКРЫТЫХ ДЕФЕКТОВ КМОП-МИКРОСХЕМ 89

Для комплектования высоконадежной аппа-ратуры необходимо допускать только те изделияэлектронной компонентной базы (ЭКБ), которымдо этапа монтажа проведен полный функциональ-ный и параметрический контроль.

Особенность проведения испытаний изделийЭКБ в испытательных центрах заключается в том,что весь информационно-технический материал,содержащий информацию об алгоритмах функци-онирования и электрических параметрах изделия,сводится к техническим условиям или специфика-циям. По причине отсутствия информации о внут-ренних блоках сложнофункциональных изделийи способах их взаимодействия между собой, несо-вершенства испытательного оборудования и сжа-тых сроков на разработку испытательных проек-тов иногда представляется невозможным провестиполноценный функциональный контроль изделия,задействовав все возможные режимы работы каж-дого внутреннего блока. Ситуацию осложняет то,что степень интеграции и функциональность со-временных микросхем постоянно растет.

Следующая проблема — наличие скрытых де-фектов внутри изделия ЭКБ. На момент проведе-ния испытаний дефект может быть незначитель-ным и не оказывать существенного влияния нахарактеристики испытуемого объекта. Таким об-разом, он не будет выявлен при обычном контро-ле электрических параметров и функционирования.Такой дефект может быть обнаружен при проведе-нии ресурсных испытаний, если такие предусмот-рены программой испытаний, однако при формиро-вании выборки «слепым» методом вероятность по-падания дефектной микросхемы на ресурсные ис-пытания невелика.

На основании вышесказанного можно сделатьзаключение, что основными при проведении испы-таний ЭКБ являются следующие проблемы:

– незначительная величина внутренних дефек-тов изделия ЭКБ на момент проведения испытанийне позволяет их выявить при обычном функцио-нальном и параметрическом контроле;

– отсутствие подробной информации об испы-туемом объекте не позволяет провести его полно-ценный функциональный контроль;

– предположение об идентичности изделийв пределах одной партии не всегда верно, на ре-

сурсные испытания могут попасть «не худшие» об-разцы.

Для решения вышеприведенных проблемв рамках проведения тестирования изделий ЭКБнеобходимо проводить так называемый диагности-ческий неразрушающий контроль (ДНК) для всехобразцов из применяемой партии изделий. Усло-вия проведения и критерии отбраковки ДНК, какправило, не описаны в документации на изделие,поэтому испытательному центру следует самосто-ятельно проводить исследовательские работы, ре-зультатом которых должны быть методики, позво-ляющие по некоторому набору измеренных инфор-мативных параметров судить о наличии или отсут-ствии скрытых дефектов внутри изделия.

К сожалению, многие методы ДНК, разрабо-танные в прошлом столетии, показывают свою низ-кую эффективность при испытаниях современныхмикросхем по причине высокой степени интегра-ции последних. Одним из наиболее достоверныхметодов ДНК современных КМОП-микросхем яв-ляется метод контроля изделия при пониженномнапряжении питания, известный в литературе какметод критического напряжения питания (КНП).

Данный метод направлен на поиск паразитныхсопротивлений между выводами внутренних вен-тилей микросхемы. Дело в том, что величины ре-зистивных дефектов обычно имеют порядок сотенкОм и более, в то время как выходные сопротивле-ния внутренних транзисторов микросхемы обычноне превышают единиц кОм. Такие дефекты не ока-зывают заметного влияния на работу микросхе-мы, однако в дальнейшем могут привести к выхо-ду микросхемы из строя. При понижении напря-жения питания выходные сопротивления транзи-сторов увеличиваются, а сопротивления дефектовостаются неизменными. Таким образом, сопротив-ления транзисторов становятся сравнимы с сопро-тивлениями дефектов, что в значительной степенискажется на быстродействии микросхемы.

Существуют два основных подхода к методуКНП. Первый заключается в определении мини-мального напряжения питания, при котором изделиееще функционирует без сбоев. Микросхемы, имею-щие более высокие значения минимального напря-жения питания, по сравнению с другими образцамииз той же партии, являются менее надежными [1].


90 И.Ю.БУЛАЕВ

Рис. 1. Зависимость задержки распространения сигнала от напряжения питания микросхемы

Рис. 2. Тестер динамических параметров и испытательная оснастка

Второй подход заключается в измерении ди-намических параметров микросхемы при понижен-ном напряжении питания. Микросхемы с худши-ми динамическими параметрами наименее надежны.Понижение напряжения питания дает возмож-ность сравнить микросхемы одной партии по ихдинамическим параметрам. На рис. 1 приведе-на зависимость задержки распространения сигна-ла от напряжения питания микросхемы. Видно,что при напряжении питания близком к номиналь-ному (3,3 В) из-за погрешности измерительного

оборудования динамические параметры несколь-ких микросхем кажутся одинаковыми. Однако приснижении напряжения питания ниже 2 В разли-чия в динамических параметрах становятся хо-рошо заметны. Для автоматизированного изме-рения динамических параметров был разработантестер, позволяющий измерять наносекундные вре-менные интервалы между логическими сигнала-ми [2]. Внешний вид опытного образца тесте-ра и пример испытательной оснастки приведенына рис. 2.


МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ОБНАРУЖЕНИЯ СКРЫТЫХ ДЕФЕКТОВ КМОП-МИКРОСХЕМ 91

Достоверность метода КНП подтверждаетсяпроведением ресурсных испытаний исследуемыхпартий микросхем.


В статье приводится необходимость прове-дения ДНК, показана малая эффективность по-пулярных методов ДНК, подробно рассматрива-ется метод критического напряжения питания.Общей проблемой всех методов ДНК является про-цедура выработки критериев отбраковки по ре-зультатам проведенных испытаний. Испытатель-ные центры сталкиваются с необходимостью по-иска компромисса при принятии решения в поль-зу ужесточения критериев и повышения надежно-сти аппаратуры или в пользу смягчения критериев

и минимизации затрат на ЭКБ, т. к. провести ре-кламационные мероприятия по результатам ДНКневозможно и заказчик испытаний несет финансо-вые потери.


1. Булаев И.Ю. Диагностический неразрушающийконтроль ЭКБ. Вариации метода критического на-пряжения питания // Материалы XII научно-технической конференции «Твердотельная элек-троника. Сложные функциональные блоки РЭА».М.: ОАО «НПП “Пульсар”», 2013. С. 256–259.

2. Булаев И.Ю. К вопросу измерения событий ма-лой длительности // Материалы XIII научно-технической конференции «Твердотельная элек-троника. Сложные функциональные блоки РЭА».М.: ОАО «НПП “Пульсар”», 2014. С. 79–82.


РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И … · issn 2409-0239 issn 2409-0239 9 772409 023775 РОССИЙСКИЕ КОСМИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ

Documents