eng
Содержание
Bведение ..................................................................... 12
Литература к введению............................................. 18
Сокращения............................................................. 19
Глава 1
Технический облик современных радиолокаци-
онных комплексов для дистанционного зонди-
рования земли из космоса ...................................... 21
1.1.
Структура радиолокационного комплекса для дистанци-
онного зондирования Земли из космоса. Требования к
его составным частям ............................................... 21
1.1.1.
Структура радиолокационного комплекса ДЗЗ ....... 21
1.1.2.
Бортовая аппаратура PCА программируемая
многорежимная система с цифровым управлением . 23
1.1.3.
AФАР фундамент многорежимного космического
PCА ................................................................. 25
1.1.4.
Оценка перспектив создания АФАР космического
базирования с цифровым формированием луча ...... 32
1.1.5.
Требования к приемопередающей аппаратуре PCА . 33
1.1.6.
Требования к блоку управления PCА ................... 38
1.1.7.
Требования к бортовому комплексу управления кос-
мического аппарата в части взаимодействия с PCА. 40
1.2.
Перспективы интегрирования и унификации космиче-
ских радиолокационных систем ДЗЗ ........................... 45
1.3.
Использование бистатических комплексов PCА для по-
лучения цифровых моделей рельефа земной поверхности 51
1.4.
Калибровка современных комплексов PCА .................. 55
1.4.1.
Задачи калибровки ............................................. 55
1.4.2.
Процедуры калибровки и достигнутые результаты.. 56
1.5.
Перспективы создания сверхширокополосных и много-
диапазонных РСА .................................................... 62
1.5.1.
Пути и особенности построения сверхширокополос-
ных РСА........................................................... 62
1.5.2.
Технический облик многодиапазонных РСА........... 73
Литература к главе 1 ................................................ 84
Глава 2
Современные тенденции проектирования
АФАР космического базирования . ....................... 87
2.1.
Технический облик современной АФАР для PCА ДЗЗ... 87
2.1.1.
Особенности построения антенных систем для PCА
ДЗЗ.................................................................. 87
2.1.2.
Структурная схема АФАР с полным поляризацион-
ным приемом..................................................... 90
2.1.3.
Aнтенное полотно АФАР. Определение числа кана-
лов и размера апертуры ...................................... 95
2.1.4.
Энергетический потенциал на передачу и параметр
качества приема АФАР ....................................... 103
2.2.
Приемопередающие модули и система управления лучом
АФАР..................................................................... 106
2.2.1.
Приемопередающий модуль. Принципы построения 106
2.2.2.
Принципы построения системы управления лучом
АФАР............................................................... 109
2.3.
Многоканальная распределительная система. Системы
питания, охлаждения и функционального контроля ...... 115
2.3.1.
Принципы построения распределительной системы
СВЧ-сигналов.................................................... 115
2.3.2.
Связь параметров АФАР с параметрами сквозного
приемного тракта PCА........................................ 118
2.3.3.
Принципы построения системы электропитания,
охлаждения и функционального контроля ............. 120
2.4.
Bнутренняя радиометрическая калибровка АФАР......... 126
2.4.1.
Принципы внутренней радиометрической калибров-
ки АФАР .......................................................... 126
2.4.2.
Bнутренняя калибровка АФАР ¾EnviSat/ASAR¿ .... 128
2.4.3.
Bнутренняя калибровка АФАР ¾TerraSAR-X¿........ 130
2.4.4.
Bнутренняя калибровка АФАР ¾Sentinel-1¿ ........... 135
2.4.5.
Использование данных внутренней радиометриче-
ской калибровки АФАР....................................... 137
2.5.
Современные методы производства и измерения харак-
теристик АФАР ....................................................... 138
2.5.1.
Обзор современных технологий производства эле-
ментов АФАР .................................................... 138
2.5.2.
Методы и средства измерений основных техниче-
ских параметров АФАР....................................... 142
Литература к главе 2 ................................................ 153
Глава 3
Методы создания перспективной СВЧ-элект-
роники для радиоэлектронных комплексов....... 156
3.1.
Современные тенденции создания СВЧ-электроники для
радиоэлектронных комплексов и систем ...................... 156
3.2.
Критерии эффективности создания СВЧ-электроники
для радиоэлектронных комплексов и систем ................ 162
3.3.
Единый технологический маршрут создания бортовых
радиоэлектронных комплексов ................................... 167
3.4.
Оптимизация конструкции и технологии нитрид-галли-
евой СВЧ-электроники для обеспечения характеристик
перспективных радиолокационных комплексов для ди-
станционного зондирования Земли.............................. 171
Литература к главе 3 ................................................ 190
Глава 4
СВЧ-аппаратура на нитрид-галлиевых
СВЧ-приборах . .......................................................... 194
4.1.
СВЧ-транзисторные усилители мощности радиолокаци-
онных систем с импульсными зондирующими сигналами 194
4.2.
СВЧ-формирователи сложных сигналов ...................... 199
4.3.
Малошумящие СВЧ-усилители для приемопередающих
модулей АФАР ........................................................ 205
4.4.
Фазовращатели для приемопередающих модулей АФАР 209
4.5.
Bлияние шумов активного СВЧ-прибора на формирова-
ние спектральной плотности шума стабильных СВЧ-ге-
нераторов................................................................ 215
Литература к главе 4 ................................................ 233
Глава 5
Комплексная методика расчета параметров ра-
диолокационной съемки с помощью космиче-
ского PCА................................................................... 236
5.1.
Системы координат, используемые при расчетах пара-
метров радиолокационной съемки в космических систе-
мах ДЗЗ ................................................................. 236
5.1.1.
Орбиты спутников дистанционного зондирования
Земли ............................................................... 236
5.1.2.
Геоцентрическая гринвичская система координат.... 238
5.1.3.
Aнтенная и визирная системы координат, исполь-
зуемые при расчете параметров радиолокационной
съемки.............................................................. 239
5.1.4.
Двумерная радиолокационная система координат ... 243
5.1.5.
Системы координат РЛИ, привязанные к земной по-
верхности.......................................................... 244
5.2.
Геометрические параметры съемки в визирной плоскости 245
5.3.
Полоса обзора и полоса захвата.................................. 250
5.3.1.
Полоса обзора.................................................... 250
5.3.2.
Полоса захвата................................................... 251
5.4.
Параметры PCА, связанные с параметрами движения и
ориентации КА ........................................................ 253
5.4.1.
Путевая скорость космического аппарата............... 253
5.4.2.
Скорость перемещения следа луча антенны PCА по
поверхности Земли ............................................. 253
5.4.3.
Ширина доплеровского спектра отраженного сигнала 255
5.4.4.
Стандартный и ¾скошенный¿ боковые обзоры........ 258
5.5.
Параметры электронного сканирования луча АФАР...... 260
5.5.1.
Параметры электронного сканирования луча АФАР
в режиме маршрутной съемки.............................. 260
5.5.2.
Расчет параметров электронного сканирования луча
АФАР в режиме детальной съемки ....................... 261
5.5.3.
Расчет параметров электронного сканирования луча
АФАР в режиме обзорной съемки ........................ 264
5.6.
Bременные характеристики радиолокационной съемки .. 267
5.6.1.
Повторяемость и оперативность радиолокационной
съемки.............................................................. 267
5.6.2.
Принципы расчета периода (частоты) повторения
зондирующих импульсов ..................................... 271
5.6.3.
Расчет максимально допустимого периода повторе-
ния зондирующих импульсов по критерию подавле-
ния помех неоднозначности по азимуту ................. 272
5.6.4.
Расчет минимально допустимого значения периода
повторения зондирующих импульсов..................... 274
5.6.5.
Расчет периода повторения зондирующих импуль-
сов по критерию временной селекции отражений
от области надира .............................................. 276
5.6.6.
Расчет периода повторения зондирующих импуль-
сов по критерию подавления рекуррентных помех .. 278
5.6.7.
Ограничения на скважность зондирующих импуль-
сов PCА............................................................ 281
5.6.8.
Aлгоритм комплексного расчета периода повторе-
ния зондирующих импульсов ............................... 282
5.6.9.
Длительности сеансов радиолокационной съемки
и интервалов между сеансами .............................. 283
5.7.
Расчет информационных потоков на выходе PCА ......... 284
Литература к главе 5 ................................................ 286
Глава 6
Комплексная методика расчета параметров ка-
чества радиолокационных изображений, полу-
чаемых с помощью космического PCА............... 288
6.1.
Система параметров качества радиолокационных изоб-
ражений.................................................................. 288
6.2.
Пространственное разрешение PCА ............................ 289
6.2.1.
Пространственное разрешение по координате угла
места ................................................................ 289
6.2.2.
Пространственное разрешение по координате ази-
мута ................................................................. 290
6.2.3.
Bлияние атмосферы Земли на пространственное
разрешение PCА ................................................ 293
6.3.
Радиометрическая чувствительность PCА ................... 295
6.3.1.
Отношение сигнал/шум в элементе пространствен-
ного разрешения ................................................ 295
6.3.2.
Радиометрическая чувствительность PCА по одно-
родному фону земной поверхности........................ 299
6.3.3.
Коэффициент энергетических потерь и его состав-
ляющие............................................................. 299
6.3.4.
Энергетические потери сигнала PCА в атмосфере
Земли. Ослабление сигнала PCА в атмосферных
газах ................................................................ 300
6.3.5.
Коэффициент энергетических потерь, возникающих
при электронном сканировании луча АФАР ........... 304
6.3.6.
Коэффициент энергетических потерь, возникающих
за счет модуляции пачки принимаемых сигналов
азимутальной диаграммой направленности антенны
в течение времени синтеза апертуры PCА ............. 305
6.3.7.
Порядок расчета радиометрической чувствительно-
сти PCА............................................................ 307
6.3.8.
Влияние корреляционного шума зондирующего сиг-
нала на радиометрическую чувствительность PCА .... 308
6.4.
Радиометрический профиль и радиометрическая
коррекция радиолокационного изображения................. 310
6.4.1.
Расчет радиометрического профиля РЛИ в режиме
маршрутной съемки............................................ 311
6.4.2.
Расчет радиометрического профиля РЛИ в режиме
детальной съемки............................................... 313
8
Содержание
6.4.3.
Расчет радиометрического профиля РЛИ в режиме
обзорной съемки ................................................ 316
6.4.4.
Радиометрическая коррекция радиолокационного
изображения и ее влияние на показатели радиомет-
рической чувствительности и динамического диапа-
зона РЛИ .......................................................... 320
6.5.
Радиометрическое разрешение ................................... 323
6.5.1.
Статистические характеристики отраженных сигна-
лов от однородной земной поверхности. Спекл-шум
и его параметры................................................. 323
6.5.2.
Bлияние некогерентных накоплений на контраст
спекл-шума ....................................................... 326
6.5.3.
Определение и расчет радиометрического разреше-
ния PCА ........................................................... 327
6.5.4.
Bлияние корреляционного шума зондирующего сиг-
нала на радиометрическое разрешение PCА........... 329
6.6.
Динамический диапазон радиолокационного изображе-
ния......................................................................... 329
6.6.1.
Определение и условия расчета динамического диа-
пазона РЛИ....................................................... 329
6.6.2.
Расчет динамического диапазона РЛИ естественных
земных покровов ................................................ 332
6.6.3.
Расчет отрицательного контраста в задаче обнару-
жения локальных провалов УЭПР........................ 333
6.6.4.
Расчет динамического диапазона РЛИ, включающих
локальные отражатели с высокими значениями ЭПР 335
6.6.5.
Динамический диапазон сигнала на входе АЦП при-
емника PCА. Выбор числа разрядов АЦП.............. 337
6.7.
Точность передачи отрицательного радиоконтраста на
границах резкого перепада УЭПР. Влияние корреляци-
онного шума ............................................................ 343
6.8.
Aбсолютная радиометрическая точность передачи зна-
чений УЭПР земной поверхности ............................... 346
6.8.1.
Точность передачи динамического диапазона УЭПР 346
6.8.2.
Относительная и абсолютная радиометрические
шкалы УЭПР PCА ............................................. 347
6.8.3.
Калибровка радиометрической шкалы PCА ........... 350
6.9.
Точность передачи поляризационной картины отраже-
ний от земных покровов ............................................ 352
6.10.
Относительный уровень помех за счет неоднозначности
по дальности ........................................................... 354
6.11.
Относительный уровень помех
за счет неоднозначности по азимуту............................ 356
Содержание 9
6.12.
Точность воспроизведения на РЛИ заданных границ
объектов съемки ...................................................... 357
6.13.
Точность передачи геометрических характеристик на-
земных объектов ...................................................... 359
6.14.
Точность определения географических координат
отдельных объектов, выбранных на радиолокационных
изображениях .......................................................... 362
6.14.1.
Координатная сетка радиолокационного изображе-
ния................................................................... 362
6.14.2.
Составляющие ошибок измерения координат.......... 364
6.14.3.
Смещение радиолокационной координатной сетки
за счет влияния атмосферной рефракции .............. 367
6.14.4.
Оценка суммарной ошибки определения координат
объектов на радиолокационных изображениях........ 368
6.15.
Оценка качества радиолокационного изображения
по функции отклика PCА на точечную цель ................ 369
Литература к главе 6 ................................................ 374
Глава 7
Улучшение качества радиолокационных изоб-
ражений путем перехода на когерентные ан-
самбли дискретно-кодированных
зондирующих сигналов ........................................... 377
7.1.
Система параметров зондирующих сигналов PCА......... 377
7.1.1.
Общие подходы к выбору сигналов для PCА.......... 377
7.1.2.
Зависимость комплекса параметров качества РЛИ
от параметров зондирующих сигналов PCА. Реко-
мендации по численным параметрам сигналов, вли-
яющим на качество РЛИ ..................................... 378
7.1.3.
Условия соблюдения сквозной когерентности сигна-
лов PCА ........................................................... 380
7.1.4.
Импульсный радиосигнал с линейной частотной мо-
дуляцией (ЛЧМ) ................................................ 381
7.1.5.
Импульсный сигнал с фазокодовой бинарной моду-
ляцией (ФКМ) ................................................... 383
7.1.6.
Сравнительные характеристики ЛЧМ и ФКМ-сиг-
налов................................................................ 386
7.1.7.
Bременные характеристики зондирующих и прини-
маемых сигналов................................................ 388
7.1.8.
Спектральные характеристики зондирующих сигна-
лов ................................................................... 390
10
Содержание
7.1.9.
Необходимая частота выборок АЦП, установленно-
го на выходе приемного тракта PCА..................... 393
7.2.
Корреляционные характеристики одиночных зондирую-
щих сигналов........................................................... 395
7.2.1.
Aвтокорреляционная функция ЛЧМ-сигнала ......... 395
7.2.2.
Bзаимнокорреляционная функция ЛЧМ-сигнала .... 398
7.2.3.
Aвтокорреляционная функция ФКМ-сигнала ......... 401
7.2.4.
Bзаимнокорреляционные функции одиночных пар
ФКМ-сигналов с разными номерами генерирующих
полиномов ......................................................... 403
7.3.
Функции неопределенности одиночных зондирующих
сигналов ................................................................. 404
7.3.1.
Свойства функции неопределенности .................... 404
7.3.2.
Функция неопределенности одиночного
ЛЧМ-сигнала .................................................... 406
7.3.3.
Функция неопределенности ФКМ-сигналов ............ 408
7.4.
Корреляционные функции когерентных ансамблей зон-
дирующих сигналов .................................................. 413
7.4.1.
Когерентные ансамбли зондирующих сигналов....... 413
7.4.2.
Когерентные ансамбли ЛЧМ-сигналов .................. 414
7.4.3.
Когерентные ансамбли M-последовательностей ...... 414
7.4.4.
Суммарные корреляционные функции ансамбля
M-последовательностей....................................... 416
7.4.5.
Свойства ансамблей из M-последовательностей
с постоянными параметрами ................................ 417
7.4.6.
Свойства ансамблей из M-последовательностей
с постоянными параметрами и переменной инверси-
ей кодов ............................................................ 419
7.4.7.
Свойства ансамблей из M-последовательностей
с переменным номером генерирующего полинома.... 420
7.4.8.
Свойства ансамблей из M-последовательностей
с циклическими сдвигами .................................... 425
7.4.9.
Свойства ансамблей из M-последовательностей
с циклическими сдвигами и переменной инверсией ..... 430
7.4.10.
Условия эффективности использования операции
переменного инвертирования модулирующих кодов
для подавления рекуррентных помех .................... 431
7.4.11.
Особенности формирования радиолокационных
изображений в присутствии рекуррентных помех ... 437
7.5.
Алгоритмы формирования когерентных ансамблей зон-
дирующих радиоимпульсов с фазокодовой модуляцией,
обеспечивающие кардинальное снижение помех, связан-
ных с корреляционными шумами................................ 439
7.5.1.
Общие принципы формирования блочных
ансамблей ФКМ-сигналов.................................... 439
7.5.2.
Aлгоритм формирования блочного ансамбля без ис-
пользования операции инвертирования МП............ 440
7.5.3.
Aлгоритм формирования блочного ансамбля с ис-
пользованием операции переменного инвертирова-
ния M-последовательностей................................. 444
7.6.
Примеры ансамблей ФКМ-сигналов для использования
в разных режимах космических PCА дистанционного
зондирования Земли ................................................. 446
7.6.1.
Пример ансамбля зондирующих ФКМ-сигналов для
режима детальной съемки ................................... 446
7.6.2.
Пример ансамбля зондирующих ФКМ-сигналов для
режима маршрутной съемки................................ 451
7.6.3.
Пример ансамбля зондирующих ФКМ-сигналов для
режима обзорной съемки..................................... 456
Литература к главе 7 ................................................ 460
Приложение
Специальные термины и определения, исполь-
зуемые при проектировании космических PCА 462
Введение
Историю практического применения космических средств радиоло-
кационного зондирования земной поверхности из космоса и полу-
чения радиолокационных изображений открыл американский кос-
мический аппарат SEASAT, выведенный на орбиту вокруг Земли в
июне 1978 г. Радиолокатор с синтезированной апертурой (PCА), ра-
ботающий в L-диапазоне, позволил получить изображения земной
поверхности с пространственным разрешением 25 м.
Параллельно в Советском Союзе велась подготовка к запуску ор-
битальной пилотируемой станции "Алмаз-А", разработанной в ОКБ-52
(впоследствии переименованным в Научно-производственное объеди-
нение машиностроения) под руководством главного конструктора
академика В.Н. Челомея. Станция "Алмаз-А", подготовленная к
запуску в марте 1978 г., имела в своем составе радиолокатор с син-
тезированной апертурой "Меч-К", работающий в S-диапазоне, для
получения радиоизображений земной поверхности с пространствен-
ным разрешением 25 м. Однако по решению руководства страны
запуск станции в 1978 г. был отменен. Летные испытания PCА
"Меч-К" удалось провести на космическом аппарате "Космос-1870"
лишь в 1987–1989 гг.
Первые результаты практического успешного картографирова-
ния поверхности планеты с орбиты ее спутника в истории отечествен-
ной техники были, как ни странно, получены не на земной орбите,
а на орбите планеты Венера, покрытой очень плотной, непроницае-
мой для оптических инструментов атмосферой. Съемка была прове-
дена с советских космических аппаратов "Венера-15" и "Венера-16"
с помощью радиолокаторов с синтезированной апертурой в течение
1983–1984 гг. [В.1]. Полученные радиоголограммы были переда-
ны на наземные станции приема информации и в течение после-
дующих трех лет обработаны с целью получения изображений по-
верхности планеты. Вдохновителем этой титанической по объему
работы был академик В.А. Котельников. Космические аппараты
создали в научно-исследовательском центре имени Г.Н. Бабакина.
Радиолокационную систему с синтезированной апертурой разрабо-
тали в Особом конструкторском бюро Московского энергетического
института под руководством академика А.Ф. Богомолова. Съемка
осуществлялась в S-диапазоне (длина волны около 8 см) с высоты
от 1000 до 2000 км над поверхностью планеты. На Земле для при-
ема и регистрации информации использовались две крупнейшие в
Советском Союзе антенны. Одна с диаметром зеркала 70 м
под Евпаторией, другая с диаметром зеркала 64 м на поли-
гоне Медвежьи озера под Москвой. Обработка радиолокационной
информации проводилась в Институте радиотехники и электроники
АН СССР под руководством Котельникова. Достигнутое значение
пространственного разрешения было около 1 км. При этом исполь-
зовался математический аппарат, разработанный в Институте при-
кладной математики имени М.В. Келдыша. Сжатие траекторного
сигнала производилось с помощью когерентного оптического процес-
сора, остальные операции выполнялись на электронных цифровых
вычислительных машинах. В 1987 г. было закончено построение
полной карты части территории Венеры [В.2, В.3]. Площадь снятой
территории составила четвертую часть от общей площади поверх-
ности Венеры. Американцы смогли осуществить радиолокационную
съемку Венеры с помощью космической станции "Магеллан" только
в 1989–1990 гг. Дальнейшая история развития технологии радиоло-
каторов с синтезированной апертурой для дистанционного зондиро-
вания Земли из космоса подробно рассмотрена в публикациях [В.4,
В.5, В.6].
Зондирование поверхности Земли с применением когерентных ра-
диолокационных систем разных частотных диапазонов, размещен-
ных на космических аппаратах (КА), выгодно отличается от других
средств видового мониторинга земной поверхности и расположенных
на ней объектов:
– более высоким потенциальным пространственным разрешени-
ем при условии независимости от метеорологических условий
и от условий освещения снимаемого района солнцем;
– возможностью регистрации объектов, расположенных под снеж-
ным, растительным или земным покровом;
– возможностью определять состояние растительных покровов
(лесов, посевов) и обеспечивать оценки биоресурсов;
– возможностью регистрации по поверхностным проявлениям глу-
бинных процессов в водной среде и геологических образованиях;
– возможностью использования разных поляризационных кон-
фигураций излучаемого и принимаемого сигналов;
– способностью обнаруживать движущиеся объекты на поверх-
ности и измерять параметры их движения;
– возможностью совместно обрабатывать пары (или группы) ком-
плексных радиолокационных изображений, полученных в раз-
ное время или одновременно на разных космических аппара-
тах, образующих интерферометрическую пару, с дальнейшим
построением цифровых карт рельефа местности с разрешени-
ем по высоте 1–5 м либо выявлять тектонические смещения
элементов земной поверхности за несколько лет с ошибкой не
более 1 мм.
В последние два десятилетия параллельно с динамичным раз-
витием СВЧ микроэлектроники, методов цифрового формирования
и обработки радиолокационных сигналов, а также других передо-
вых технологий наблюдается повышенный интерес многих стран к
космическим PCА, которые позволяют реализовать все вышепере-
численные возможности. Наблюдается масштабный рост рынка ДЗЗ
в целом ряде стран Европы, Америки и Азии. В ближайшее десяти-
летие тенденция роста рынка сохранится, а темпы роста значительно
увеличатся. Помимо роста числа запущенных КА, на 50% вырастет
число участников рынка ДЗЗ. По оценкам специалистов, к 2018 г. на
рынок ДЗЗ выйдет 34 страны, по сравнению с 24 странами в 2008 г.
и всего восьмью в 1997 г. При этом только вышедшие на рынок ДЗЗ
страны будут осуществлять 32% всех запусков к 2018 г. по сравне-
нию с 15% запусков, осуществленных за период до 2008 г. [В.7].
В этом процессе можно выделить следующие основные тенден-
ции, касающиеся радиолокационных средств ДЗЗ.
1. Антенные системы для современных PCА в большинстве слу-
чаев проектируются на основе технологии активных антенных фа-
зированных антенных решеток (АФАР), которые обеспечивают вы-
сокий энергетический потенциал радиолокатора и одновременно вы-
сокую надежность передающего и приемного трактов, большую гиб-
кость в задании геометрических, поляризационных конфигураций,
высокоточное и безынерционное сканирование луча и разнообразие
режимов работы. С 2000 г. практически все эксплуатируемые в
космосе PCА построены на основе АФАР (исключение составляют
"SAR-Lupe" и "TecSAR"). В ближайшей перспективе возможно со-
здание многолучевых АФАР с цифровыми методами формирования
лучей. Космический PCА с АФАР представляет собой сложное, мно-
горежимное и многопараметрическое устройство, для управления
составными частями которого все в большей степени привлекают-
ся сетевые цифровые технологии адресного управления. Напри-
мер, АФАР, имеющая 1000 независимо фазируемых приемопереда-
ющих каналов, может иметь более 6000 контроллеров для управ-
ления СВЧ-фазовращателями, аттенюаторами и линиями задерж-
ки, управляющая информация в которые должна передаваться око-
ло 100 раз в секунду. Современный тракт формирования зондиру-
ющих сигналов строится на основе цифровых технологий, а при-
емный тракт заканчивается аналого-цифровыми преобразователя-
ми и программируемым формирователем кадра радиолокационной
информации, суммарный поток которой достигает на выходе PCА
5 Гбит/с (при использовании двухканального поляризационного при-
емного тракта). Таким образом, бортовая аппаратура современного
PCА является программируемой системой с цифровым управлением,
что дает возможность оперативно изменять конфигурацию аппара-
туры, режимы и параметры радиолокационной съемки. Преиму-
щества АФАР в PCА, предназначенных для дистанционного зон-
дирования земной поверхности из космоса, и особенности системы
сетевого управления бортовой аппаратурой раскрываются в главе 1,
а современные тенденции проектирования АФАР для PCА подробно
рассмотрены в главе 2 книги.
2. Помимо крупноразмерных PCА, размещаемых на крупно-
габаритных космических платформах и имеющих массу несколько
тонн, находятся в эксплуатации и малые PCА с массой космиче-
ского аппарата менее полутора тонн ("TecSAR" 0,3 т, "SAR-Lupe"
0,77 т, "Кондор-Э" 1,1 т, "TerraSAR-X" 1,2 т, "KOMPSAT-5" 1,4 т,
"COSMO-SkyMed" 1,7 т). Одной из причин, открывающих воз-
можности снижения массы космических PCА, является переход на
более эффективные технологии создания интегральных полупровод-
никовых элементов как СВЧ-диапазона, так и предназначенных для
цифровых устройств. Этим вопросам посвящены главы 3 и 4 книги.
3. Существующие и вновь создаваемые системы радиолокаци-
онного наблюдения трансформируются в бистатические комплексы
либо путем увеличения группировки КА ("TanDEM-X"), либо созда-
нием новых систем, с самого начала ориентированных на групповое
использование в интерферометрических парах [В.8].
4. Все большую ценность приобретают радиолокационные изоб-
ражения, полученные в разных поляризационных конфигурациях.
Это свойство PCА, базирующееся на когерентном характере зонди-
рующего сигнала, и конструкции антенны, позволяющей работать
как на горизонтальной (H), так и на вертикальной (V ) поляризации,
предоставляет серьезное преимущество радиолокационным системам
перед оптическими с тем же показателем пространственного разре-
шения. Вновь создаваемые многоцелевые PCА (например, "ALOS-
PALSAR") проектируются с двумя поляризационными каналами в
приемном тракте, что позволяет в одном сеансе съемки одного и то-
го же объекта и без дополнительных потерь энергии получать пары
радиолокационных изображений со следующими комбинациями по-
ляризаций на передачу и прием: [H/H + H/V ] или [V/H + V/V ].
5. Каждое новое поколение PCА отличается улучшением пока-
зателей пространственного разрешения. Если первый космический
PCА "SEASAT-SAR", работавший в L-диапазоне, имел простран-
ственное разрешение 25 м (по координате дальности), то "ALOS-
PALSAR" в том же диапазоне радиочастот имеет пространственное
разрешение 9 м. В X-диапазоне радиочастот PCА "TerraSAR-X"
и "COSMO-SkyMed" достигли пространственного разрешения 1 м,
а PCА "TecSAR" показал возможность получения разрешения и 0,5 м.
6. Некоторые задачи ДЗЗ выдвигают требования от космиче-
ских PCА воспроизведения шкалы радиояркостей радиолокацион-
ных изображений с заданной метрологической точностью ее соот-
ветствия реальным значениям удельной эффективной отражающей
поверхности (УЭПР). Это требование влечет за собой необходимость
включения в бортовую аппаратуру PCА элементов абсолютной ра-
диометрической калибровки всех радиочастотных трактов и кана-
лов, а также включения в космическую радиолокационную систему
средств внешней радиометрической калибровки PCА. Основными
техническими решениями внутренней калибровки, закладываемыми
в аппаратуру современных PCА ("EnviSat-ASAR", "TerraSAR-X",
"COSMO-SkyMed"), являются: введение дополнительных элементов
контроля и отвода мощности на выходе приемопередающих модулей
АФАР в канал калибровки, наличие дополнительной СВЧ-кабель-
ной распределительной системы калибровочного сигнала в АФАР,
наличие в составе приемопередающей аппаратуры PCА устройств
формирования, поканального переключения и измерения парамет-
ров калибровочных сигналов. Достигнутые высокие точностные ха-
рактеристики процесса внутренней калибровки показаны, в частно-
сти, в работе [В.9].
7. Увеличивается запрос на создание многодиапазонных кос-
мических PCА. До настоящего времени имеются результаты опыт-
ной эксплуатации только одного варианта многодиапазонного PCА
космического базирования это КА "SIR-С/Х/L", выведенный на
орбиту в 1994 г. Имелись и незавершенные отечественные проек-
ты многодиапазонных космических PCА: "АЛМАЗ-1Б-С/Х/L" [В.4]
и "АРКОН-2-Х/L/Р" [В.10]. Исследования, проведенные в ФГУП
ЦНИИмаш, показали, что в результатах одновременного многоча-
стотного зондирования Земли заинтересован широкий спектр ведомств,
региональных администраций, отраслей промышленности. Высокая
целевая отдача от применения радиолокационных данных, получен-
ных в нескольких, существенно разнесенных диапазонах (X,L и P),
подтверждена в процессе использования авиационных аналогов мно-
гочастотных космических радиолокаторов (как зарубежных, так и
отечественных). Проникающая способность и ряд других особенно-
стей взаимодействия длинноволнового излучения с зондируемыми
объектами позволяют получать о них ценную дополнительную ин-
формацию и исключить неоднозначность интерпретации результатов
ДЗЗ, которая имеет место во многих приложениях.
8. Возрастают требования к тактико-техническим характеристи-
кам космических радиолокационных систем и параметрам качества
радиолокационных изображений. Назрела задача систематизации
методик расчета параметров радиолокационной съемки из космоса
и априорной оценки параметров качества РЛИ, получаемых в ре-
зультате этой съемки. К сожалению, в отечественной литературе
внимание, уделяемое этим проблемам, недостаточное. Существую-
щий пробел в некоторой степени устраняется главами 5 и 6 насто-
ящей книги. Расчеты параметров PCА и РЛИ проводятся в книге
на основе комплексного подхода, который увязывает их с орбиталь-
ными параметрами космического аппарата-носителя PCА с учетом
влияния сферичности Земли и ее вращения, параметров атмосферы,
характеристик антенны PCА, а также отдельных процедур наземной
обработки радиолокационной информации. Следует отметить, что
расчетные схемы и формулы, приводимые в книге, игнорируют мно-
гие тонкие эффекты космической радиолокации и ориентированы на
наглядность и относительную простоту использования в основном на
этапе эскизного проектирования, поэтому их точность в большинстве
случаев не превышает 1 ÷ 3%.
9. Прогнозируется переход от аналоговых зондирующих сигна-
лов к когерентным ансамблям фазокодированных сигналов. Прак-
тически все находящиеся в эксплуатации и проектируемые космиче-
ские PCА используют зондирующий сигнал в виде последователь-
ности одинаковых радиочастотных импульсов с линейной частот-
ной модуляцией, который был применен еще в самом первом кос-
мическом PCА, установленном на космическом аппарате "SEASAT"
(1978 г.). Однако за последующие 39 лет накоплен положительный
опыт эксплуатации одного космического PCА, установленного на КА
"Венера-15/16" [В.1], и ряда самолетных PCА, использующих зон-
дирующие сигналы с фазокодовой модуляцией (M-последователь-
ности, коды Баркера, последовательности Лежандра и др.). Ис-
пользование дискретного кодирования когерентного ансамбля зон-
дирующих импульсов в PCА открывает перспективу существенного
улучшения качества радиолокационных изображений по парамет-
рам, связанным с свойствами суммарных корреляционных функций
ансамбля. Этим вопросам посвящена глава 7 книги.
Приведенные в книге расчетные формулы и полученные по ним
числовые данные относятся к космическим аппаратам и РСА, экс-
плуатируемым на низких околоземных круговых орбитах (высоты
орбит не более 2000 км).
Литература к введению
B.1. Ржига О.Н. Новая эпоха в исследовании Венеры (Радиолока-
ционная съемка с помощью космических аппаратов «Венера-
15» и «Венера-16»). Новое в жизни, науке, технике / Под-
писная научно-популярная серия «Космонавтика, астрономия».
М.: Знание, 1988. № 3.
B.2. Котельников В.А., Барсуков В.Л., Аким Э.Л. и др. Атлас по-
верхности Венеры. М.: Главное управление геодезии и карто-
графии при Совете Министров СССР, 1989.
B.3. Перминов В. Первые радиолокационные карты Венеры // Но-
вости космонавтики. 2004. № 9.
B.4. Bерба В.С., Неронский Л.Б. и др. Радиолокационные систе-
мы землеобзора космического базирования. М.: Радиотехника,
2010.
B.5. Неронский Л.Б. Перспективы развития методов и систем радио-
локационного наблюдения космического базирования. Журнал
радиоэлектроники, 2011, № 11.
B.6. Нониашвили М.И. и др. Обзор современных радиолокаторов с
синтезированной апертурой космического базирования и анализ
тенденций их развития. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана.
Сер. «Приборостроение». 2012.
B.7. Стратегическая программа исследований Национальной косми-
ческой технологической платформы. ЦНИИмаш, 2015.
B.8. Rodriguez-Cassola, M.; Prats, P.; Schulze, D.; Tous-Ramon, N.;
Steinbrecher, U.; Marotti, L.; Nannini, M.; Younis, M.; Lopez-
Dekker, P.; Zink, M.; et al. First bistatic spaceborne SAR experi-
ments with TanDEM-X. IEEE Geosci. Remote Sens. Lett. 2012,
9, 33–37.
B.9. Benjamin Brautigam and others. Individual T/R Module Charac-
terisation of the TerraSAR-X Active Phased Array Antenna by
Calibration Pulse Sequences with Orthogonal Codes. Proceeding
of IEEE Geoscience and Remote Sensing Symposium (IGARSS),
Seite 4. 2007-07-23-2007-07-27, Barcelona, Spain.
B.10. Кучейко А.А. Перспективный радиолокационный спутник «Ар-
кон-2»// Новости космонавтики. 2005. № 1.
Cокращения
САСН – автономная система навигации космического аппарата
АФАР – активная фазированная антенная решетка
АФР – амплитудно-фазовое распределение
АЦП – аналого-цифровой преобразователь
АЧХ – амплитудно-частотная характеристика
ААКФ – апериодическая автокорреляционная функция
АВКФ – апериодическая взаимнокорреляционная функция
БА – бортовая аппаратура
БКУ – бортовой комплекс управления космического аппарата
БУРСА – блок управления бортовой аппаратурой РСА
ВИП – вторичный источник электропитания
ВРЛ – высокоскоростная радиолиния
ВУМ – выходной усилитель мощности
ДЗЗ – дистанционное зондирование Земли
ДН, ДНА – диаграмма направленности антенны
ЗИ – зондирующий импульс
КА – космический аппарат
КМА – конструктивный модуль антенны
КНД – коэффициент направленного действия антенны
КПД – коэффициент полезного действия
ЛЗ – линия задержки
ЛЧМ – линейная частотная модуляция
МИС – монолитные интегральные схемы
МП – М-последовательность
МШУ – малошумящий усилитель
ОЭТ – оптоэлектронная техника
ППА – приемопередающая аппаратура
ППМ – приемопередающий модуль, входящий в состав АФАР
РЛИ – радиолокационное изображение
РСА – радиолокатор с синтезированной апертурой
СВЧ – сверхвысокочастотный
СОТР – система обеспечения тепловых режимов
СУЛ – система управления лучом
СШП – сверхширокополосный
СЭП – система электропитания
УЭПР – удельная эффективная площадь рассеяния радиоволн
ФКМ – фазокодовая модуляция
ФН – функция неопределенности
ФЧХ – фазочастотная характеристика
ЦАР – цифровая антенная решетка
ШП – широкополосный
ЭИИМ – эквивалентная изотропно излучаемая мощность
ЭПР – эффективная поверхность рассеяния
ЭВМ – электронная вычислительная машина
ESA – European Space Agency – Европейское космическое агентство
ScanSAR – режим дискретного сканирования луча АФАР в угломестной плоскости для расширения суммарной полосы захвата РСА
1.1.1. Структура радиолокационного
комплекса ДЗЗ
Укрупненная структурная схема радиолокационного комплекса ди-
станционного зондирования Земли из космоса приведена на pис. 1.1.
На этом же рисунке показаны связи бортовой аппаратуры радиоло-
катора с синтезированной апертурой (PCА) со служебными система-
ми космического аппарата и другими составными частями радиоло-
кационного комплекса ДЗЗ.
Бортовой радиолокационный комплекс состоит из четырех основ-
ных частей:
– активная фазированная антенная решетка (АФАР);
– приемопередающая аппаратура (ППА);
– блок управления бортовой аппаратуры PCА (БУPCА);
– бортовая аппаратура высокоскоростной радиолинии передачи
данных (БА ВРЛ).
В отдельных вариантах современных радиолокаторов для ДЗЗ
вместо АФАР используется зеркальная антенна (например, в отече-
ственном КА «Кондор-Э»). Бортовая аппаратура высокоскоростнойрадиолинии (БА ВРЛ) чаще всего входит в состав полезной нагрузки
КА, т. е. в состав PCА, но может быть отнесена и к служебным систе-
мам космического аппарата. Основные функции по формированию
зондирующего сигнала радиолокатора и его бортовой радиотехниче-
ской обработки сосредоточены в устройстве ППА (приемопередаю-
щая аппаратура).
Аппаратура PCА взаимодействует со следующими служебными
системами космического аппарата: бортовым комплексом управле-
ния (БКУ), телеметрической системой и системой энергоснабжения.
Функции БКУ КА в части управления PCА описаны в разделе 1.1.7.
БА ВРЛ обеспечивает передачу на наземные разделы приема всю
полученную на борту КА радиолокационную информацию – радио-
голограммы и служебную информацию, необходимую для наземного
синтеза радиолокационных изображений.
1.1.2. Бортовая аппаратура PCА – программируемая многорежимная
система с цифровым управлением
С целью повышения производительности и, соответственно, эконо-
мической эффективности космической радиолокационной системы
заказывающие организации выдвигают требования к максимальному
числу разных режимов радиолокационной съемки и минимальному
времени настройки аппаратуры на каждый новый сеанс съемки или
перехода к другому режиму. Концепция использования космиче-
ских средств радиолокационного наблюдения, современные методы
землеобзора и возможные режимы радиолокационной съемки, вы-
полняемые PCА, описаны в [1.1].
Основными режимами работы PCА являются режимы радиоло-
кационной съемки – детальный, маршрутный и обзорный с при-
менением технологии ScanSAR (одновременная съемка нескольких
примыкающих по углу места маршрутов с целью расширения полосы
захвата). Дополнительно вводятся и несколько технологических ре-
жимов – режим внутренней радиометрической калибровки, режим
юстировки начальной позиции луча АФАР в азимутальной плоско-
сти на направление нулевой доплеровской частоты, режим расши-
ренной технической диагностики и др.
Типовые ограничения по времени отработки управляющих воз-
действий на PCА и его составные части следующие: время, отво-
димое на включение аппаратуры радиолокатора в начале рабочего
участка орбиты и подготовку его к первому сеансу съемки, – 5÷10 с,
время на переконфигурацию аппаратуры для работы в другом режи-
ме на том же рабочем участке - 1÷5 с, время перенастройки междусмежными сеансами съемки без смены конфигурации – 0,5 ÷ 1 с,
периодичность выдачи обновленного массива телеметрических дан-
ных – 1 раз в секунду, минимальный интервал между сменами кодов
управления фазовращателями и линиями задержки – 10 мс. Все
циклограммы смены управляющих воздействий и съема показаний
телеметрических датчиков PCА должны быть синхронизированы с
бортовой шкалой времени и/или с импульсными сигналами строби-
рования передающего и приемного трактов.
Структура управления бортовой аппаратурой современного PCА
представляет собой многоабонентскую сеть, включающую в себя боль-
шое число объектов управления. Для примера, если число незави-
симо фазируемых приемопередающих каналов в АФАР составляет
1000, то в общем случае объектами управления в ней являются:
1000 6-разрядных фазовращателей и 1000 5-разрядных аттенюато-
ров в тракте передачи, 1000 6-разрядных фазовращателей и 1000
5-разрядных аттенюаторов в тракте приема (для двухполяризаци-
онного приемника это число удваивается) и еще несколько десят-
ков фазовращателей, аттенюаторов и дискретных линий задержки
в трактах распределения СВЧ-сигналов по апертуре АФАР и вто-
ричные источники электропитания с цифровым управлением вклю-
чения/отключения.
Число объектов управления в АФАР, превышающее несколько
тысяч, требует наличия двухуровневой многоадресной системы циф-
рового управления. На первом уровне находится блок управления
АФАР, который получает от блока управления PCА исходные дан-
ные на каждый сеанс работы, подготавливает локальные массивы
управляющих воздействий, раздает их контроллерам второго уров-
ня и собирает от них телеметрические данные. На втором уровне
имеется ансамбль твердотельных интегрированных контроллеров в
приемопередающих модулях блоков распределения сигнала и элек-
тропитания, которые преобразуют первичные данные, получаемые
от блока управления АФАР, в физические сигналы управления фа-
зовращателями, аттенюаторами, линиями задержки и схемами элек-
тронного включения/отключения вторичных источников электропи-
тания. Первый и второй уровни управления АФАР общаются между
собой посредством магистральных последовательных интерфейсов
(мультиплексных каналов передачи данных), например RS-485. Та-
кой же интерфейс используется и для связи блока управления АФАР
с блоком управления PCА.
В других составных частях бортовой аппаратуры современных
PCА также применяются программируемые средства цифрового фор-
мирования зондирующих сигналов, цифрового преобразования при-
нимаемых сигналов, цифровых средств автоматической регулировкиусиления в приемниках, формирования цифрового массива выход-
ной радиолокационной информации (радиолокационного кадра). Та-
ким образом, все составные части современной бортовой радиолока-
ционной аппаратуры насыщены элементами цифрового управления,
формирования, преобразования и телеметрического контроля и все
эти элементы должны быть включены в сеть управления, в центре
которой находится блок управления бортовой аппаратурой PCА (см.
pис. 1.1, БУPCА), который связывается с комплексом управления
КА посредством магистрального последовательного интерфейса, вы-
полненного в российских PCА по ГОСТ Р 52070-2003.
Управляющие устройства всех уровней должны включать ло-
кальные программы отработки типовых заданий и циклограмм в те-
чение сеанса работы PCА в каждом из рабочих режимов (например,
программы смены конфигурации включаемой аппаратуры, смены
поляризационной настройки, смены закона внутриимпульсной моду-
ляции зондирующего сигнала, изменения состояния аттенюаторов в
СВЧ-трактах, изменения позиции луча АФАР при электронном ска-
нировании, выполнения циклограмм внутренней радиометрической
калибровки или расширенного диагностического контроля и т. п.).
Таким образом, бортовая аппаратура современного PCА представ-
ляет собой программируемую многорежимную систему с цифровым
управлением. Именно это свойство обеспечивает быструю перена-
стройку радиолокатора на новые параметры в пределах одного ре-
жима работы или быструю перестройку конфигурации при переходе
на новый режим работы, что повышает суммарную производитель-
ность космической системы ДЗЗ.
В следующих разделах рассмотрены особенности построения и
основные требования к составным частям PCА, исключая аппарату-
ру высокоскоростной радиолинии, особенности которой не связаны
с особенностями радиолокационных комплексов.
1.1.3. AФАР – фундамент многорежимного
космического PCА
Антенное устройство в виде активной фазированной антенной ре-
шетки (АФАР) выполняет функции распределенного по физической
апертуре импульсного приемопередатчика, обеспечивает электрон-
ное сканирование луча и является ключевой составной частью мно-
горежимной радиолокационной системы.
Зеркальные антенны успешно применяют в составе относительно
недорогих малых космических аппаратов, масса которых не пре-
вышает 1200 кг, – «SARLupe», «TECSAR/RISAT-2», «Кондор-Э».
Для осуществления прожекторного режима детальной съемки используется изменение положения луча по координате азимута, либо
поворотом корпуса КА, либо с помощью последовательного переклю-
чения элементов линейки излучателей, размещенных в фокусе зерка-
ла. Основными достоинствами зеркальных (рефлекторных) антенн
являются их низкая стоимость и широкая полоса рабочих частот и
возможность функционировать на разных поляризациях. К числу
недостатков зеркальных антенн следует отнести необходимость ис-
пользования мощных сосредоточенных передатчиков, которым при-
сущи малая надежность и относительно короткий срок службы, и
невозможность получения различных конфигураций апертуры ан-
тенны. Однако для PCА узкого назначения с небольшим набором
рабочих режимов этот тип антенн имеет и будет иметь в дальней-
шем свою нишу в номенклатуре космических средств ДЗЗ. Пример
перспективной двухполяризационной рефлекторной антенны L-диа-
пазона описан в [1.2].
АФАР представляет собой значительно более сложное и дорого-
стоящее устройство, но тем не менее составляет альтернативу зер-
кальным антеннам в многорежимных радиолокационных системах
с большим сроком активного существования благодаря следующим
преимуществам:
– высокая надежность и живучесть, обусловленная отсутствием
механических элементов для раскрытия зеркала или измене-
ния направления излучения, многоканальностью структуры,
отсутствием мощных сосредоточенных передатчиков с высоко-
вольтными источниками электропитания;
– возможность получения больших уровней средней излучаемой
СВЧ-мощности (более 1000 Вт) за счет суммирования в эфире
множества парциальных излучений от многоканального рас-
пределенного передающего тракта с относительно невысокой
мощностью отдельных каналов, выполненных на полупровод-
никовых элементах, что позволяет достичь высоких значений
радиометрической чувствительности PCА при большом сроке
существования PCА на орбите;
– быстрое изменение конфигурации апертуры, аппаратной кон-
фигурации, формы луча, поляризационной конфигурации в
зависимости от параметров заданного режима радиолокацион-
ной съемки;
– возможность осуществления безынерционного электронного ска-
нирования луча по двум координатам в широких пределах,
что обеспечивает большое разнообразие различных режимов съемки.
Номенклатура целевых требований к АФАР включает: диапа-
зон радиочастот, ширину рабочей полосы частот, размеры апертуры,
число передающих и приемных каналов, поляризацию сигналов на
прием и на передачу, уровень кроссполяризационной развязки, ва-
рианты конфигураций на прием и передачу одновременно формиру-
емых лучей, режимы работы, требования к диаграмме направленно-
сти в каждом из рабочих режимов, сектор электронного сканирова-
ния по двум координатам, требования к энергетическому потенциалу
передающего тракта и минимальному значениию скважности зонди-
рующего сигнала в каждом из рабочих режимов, параметр качества
приемного тракта, требования к внутренней радиометрической ка-
либровке, ограничения по энергопотреблению и массе.
Параметры АФАР непосредственно влияют на номенклатуру и па-
раметры различных режимов радиолокационной съемки. Так, раз-
мер активной части апертуры АФАР по координате угла места (в плос-
кости, перпендикулярной вектору путевой скорости космического
аппарата) определяет максимальную величину полосы захвата в марш-
рутном режиме и тот же параметр для парциальной полосы съемки
в обзорном режиме с применением технологии ScanSAR. Величина
рабочего сектора электронного сканирования луча АФАР в угло-
местной плоскости определяет полосу обзора PCА. Размер аперту-
ры АФАР по координате азимута (вдоль вектора путевой скорости
КА) определяет ширину полосы доплеровских частот отраженных
сигналов и тем самым величину азимутального пространственного
разрешения PCА в маршрутном режиме, а величина сектора элек-
тронного сканирования луча АФАР в азимутальной плоскости опре-
деляет потенциальную величину азимутального пространственного
разрешения PCА в детальном режиме съемки. При отсутствии в
АФАР возможности электронного сканирования PCА может рабо-
тать только в одном режиме маршрутной съемки.
Излучатели современных АФАР имеют возможность работать
как на горизонтальной, так и на вертикальной поляризации, а в при-
емопередающих модулях АФАР создаются независимые приемные
каналы для обеих поляризаций. При этом PCА имеет возможность
получать радиолокационные изображения с восемью различными
поляризационными конфигурациями, перечисленными в табл. 1.1
(H – горизонтальная поляризация, V – вертикальная).
АФАР позволяет путем переконфигурирования апертуры и схем
диаграммообразования получать режимы PCА с разной полосой за-
хвата или формировать два (или три) приемных луча с интерфе-
рометрической базой. В PCА «Radarsat-2» и, как дополнение к
прожекторному режиму, в «TerraSAR-X» используют маршрутный
режим «двойного приема». В нем прием сигналов производится двумя секциями антенны с разделенными по азимуту фазовыми центрами и записывается радиоголограмма расширенным спектром допле-
ровских частот на удвоенной виртуальной частоте повторения, что
позволяет избежать неоднозначности сигналов по азимуту. Такой
принцип позволяет получить азимутальное пространственное разре-
шение, близкое к одной четверти от горизонтального размера антен-
ны (около 3 м для «Radarsat-2» и около 1 м для «TerraSAR-X») [1.3].
В перспективных PCА может применяться обобщение этого
метода – многоканальный режим ScanSAR с высоким разрешением
(HRWS – High resolution wide swath mode), реализация которого,
скорее всего, будет осуществляться в варианте многолучевой АФАР
с цифровым формированием лучей (раздел 1.1.4).
Примеры нескольких разных возможных конфигураций аперту-
ры АФАР показаны на pис. 1.2. На pис. 1.2,а представлен эскиз
конфигурации крупногабаритной АФАР, составленной из активных
40 модулей, каждый из которых имеет по 32 независимо фазируемых
приемопередающих канала. Это основная конфигурация, использу-
емая в режиме детальной съемки. Она обеспечивает максимальный
энергетический потенциал при относительно небольшой полосе за-
хвата. Рисунок 1.2,б показывает конфигурацию для маршрутного
режима съемки, требующую более широкой полосы захвата. В этой
конфигурации 10 крайних модулей по длинной стороне переводят-
ся в пассивный режим (отключаются). За счет этого достигается
расширение диаграммы направленности в угломестной плоскости на
33%, что позволяет увеличить полосу захвата в той же пропорции.
Конфигурация, представленная на pис. 1.2,в, позволяет расширитьполосу захвата в 2 раза по отношению к конфигурации на pис. 1.2,а, что требуется для широкозахватного режима обзорной съемки. Следует иметь в виду, что при уменьшении активной части апертуры
энергетический потенциал АФАР на передачу и прием уменьшается
пропорционально кубу отношения геометрической площади полной
апертуры к площади ее активной части. Например, для pис. 1.2,в
энергетический потенциал АФАР по сравнению с потенциалом для
конфигурации на pис. 1.2,а уменьшается в 8 раз. Правда, и энерго-
потребление АФАР падает, но только в 2 разаКонфигурация, показанная на pис. 1.2,г, может использоваться для режима детальной съемки с селекцией подвижных объектов на
земной поверхности. В этом варианте все 40 модулей используют-
ся в режиме излучения зондирующего сигнала, а в режиме приема,
помимо основного луча, сформированного 40 приемными каналамиполной апертуры, формируются еще два приемных луча, сформированных от секций 1 и 2, в состав которых входит по 16 модулей.
Расстояние между фазовыми центрами секций 1 и 2 образует интерферометрическую базу, используемую для селекции подвижных объектов.
В табл. 1.2 приведены хронологически упорядоченные данные об
испытанных в космосе АФАР зарубежного производства, входящих
в состав PCА ДЗЗ [1.4].
Из тринадцати представленных в таблице типов АФАР пять ра-
ботают в L-диапазоне, пять – в C-диапазоне и три – в X-диапа-
зоне радиочастот. Излучательные системы микрополоскового ти-
па применяются в большинстве АФАР, а волноводно-щелевого типа
только в двух – в PCА «TerraSAR-X» и «Sentinel-1». Встроенная
система внутренней радиометрической калибровки имеется в АФАР
«TerraSAR-X», «EnviSat/ASAR» и «Sentinel-1».
Максимальный энергетический потенциал (ЭИИМ) передающего
тракта достигается в L-диапазоне – в АФАР «ALOS-2/PALSAR-2»
(75 дБ•Вт), в C-диапазоне – в АФАР «Sentinel-1» (80 дБ•Вт) и в
X-диапазоне радиочастот – в АФАР «COSMO-SkyMed» (84 дБ •Вт).
Особенности технического проектирования современных АФАР
космического базирования изложены в главе 2.
1.1.4. Оценка перспектив создания АФАР космического базирования с цифровым
формированием луча
Все эксплуатируемые в настоящее время космические PCА исполь-
зуют аналоговые схемы для формирования луча, что объясняет-
ся простотой и низкой стоимостью такого решения, если от АФАР
требуется формирование только одного луча на передачу и при-
ем сигналов. Даже в тех случаях, когда в режиме обнаружения
подвижных целей необходимо сформировать два или три луча на
прием (для формирования интерферометрической базы от двух по-
ловин полной апертуры АФАР) с последующей независимой обработ-
кой сигналов от субапертур, экономически целесообразно применять
аналоговые методы диаграммообразования. Однако, если от PCА
требуется одновременное формирование многих лучей на передачу
и прием, возможной разумной альтернативой становится использо-
вание цифровых методов формирования лучей [1.5–1.7].
Эта технология может разрешить проблему, связанную с необхо-
димостью существенно расширить полосу захвата PCА без ухудше-
ния параметра пространственного разрешения по координате азиму-
та и без увеличения уровня рекуррентных помех. Суть технологии
заключается в следующем. Передающий тракт формируется с по-
мощью обычных схем аналогового формирования только на части
полной апертуры АФАР, обеспечивающей такую ширину луча по ко-
ординате угла места, чтобы облучить заданную широкую полосу за-
хвата (при этом неизбежно происходит существенное снижение энер-
гетического потенциала радиолокатора). Приемный тракт исполь-
зует полную апертуру АФАР и с помощью цифровых технологий
формирует несколько одновременно функционирующих приемных
лучей, каждый из которых обслуживает свою часть полной полосы
захвата. Сигналы от парциальных приемных лучей проходят каж-
дый по своему приемному тракту, оцифровываются и включаются
в кадр радиолокационной информации. Затем в наземном комплек-
се приема и обработки радиолокационной информации сигналы от
парциальных лучей обрабатываются раздельно с получением парци-
альных РЛИ, которые объединяются в одно изображение с широкой
полосой захвата. В научной литературе предлагаются варианты раз-
деления полномасштабной АФАР на подапертуры как по углу места,
так и по азимуту [1.8–.12]. Другим вариантом применения опи-
санной технологии может быть режим подавления локализованной
в пространстве помехи путем формирования нуля диаграммы на-
правленности приемной антенны в направлении на источник помех.
Проектирование PCА с использованием технологии цифрового
формирования группы лучей сталкивается как с техническими труд-
ностями (снижение энергетического потенциала передатчика PCА,
необходимость оцифровки сигналов подапертур АФАР на проме-
жуточной частоте, вычислительные операции с большими потока-
ми данных), так и с системными проблемами (необходимость рез-
кого понижения частоты повторения зондирующих импульсов для
перекрытия стробом приема широкой полосы захвата и необходи-
мость использования специальных изощренных методов борьбы с
возникающей неоднозначностью по азимуту) [1.13]. Учитывая пере-
численные трудности, по-видимому, в ближайшее десятилетие PCА
с цифровым формированием лучей в космосе не появятся. Часть
предлагаемых методов цифрового формирования луча уже опробо-
вана на авиационных носителях в PCА L- и P-диапазонах радиоволн
[1.14; 1.15].
1.1.5. Требования к приемопередающей
аппаратуре PCА
В приемопередающую аппаратуру PCА (pис. 1.1) входит высокоста-
бильный опорный генератор, который должен обеспечить внут-
реннюю когерентность излучаемого и принимаемого сигналов. В ко-
герентной радиолокационной станции от единого опорного генерато-
ра формируются сигналы несущей частоты передатчика, частоты ге-
теродинов приемника, тактовые частоты цифрового формирователя
сигналов внутриимпульсной модуляции и частоты выборок аналого-
цифрового преобразователя. Требование к предельно допустимой
долговременной относительной нестабильности опорного генератора
диктуется допустимыми ошибками формирования радиолокацион-
ной сетки координат по оси наклонной дальности (или, что то же
самое, по оси задержек отраженного сигнала). При максимальной
допустимой ошибке координатной сетки ±2 м в пределах макси-
мального значения наклонной дальности около 1000 км требования
к долговременной (за все время штатной работы на орбите) допусти-
мой относительной нестабильности опорного генератора составляют
2 • 10−6.
Изменение частоты опорного генератора за время распростране-
ния радиосигнала до объекта съемки и обратно приводит к появ-
лению дополнительного неучтенного изменения фазы отраженного
сигнала, что может привести к нарушению условия когерентности
обработки. Нетрудно показать, что если ограничить максимальное
значение случайного изменения фазы принимаемого PCА сигнала
за счет указанного эффекта величиной –/20 (9◦), то требование к
кратковременной нестабильности опорного генератора может быть
рассчитано по следующей формуле: см. формулу (1.1) в книге
где f0 – несущая частота зондирующего сигнала PCА; C – скорость
света; Rмакс – максимальное значение наклонной дальности до рай-
она съемки.
Расчет по формуле (1.1) для Rмакс = 1000 км и f0 = 9,6 ГГц
дает оценку требуемого значения кратковременной нестабильности
несущей частоты PCА (–f/f0) 6 4 • 10−10.
Когерентность сигналов в PCА должна поддерживаться также в
пределах интервала времени, равного времени синтеза апертуры, ко-
торое обратно пропорционально параметру пространственного раз-
решения радиолокатора по азимутальной координате (вдоль вектора
скорости космического аппарата-носителя PCА). В настоящее время
максимальное время синтеза апертуры в режиме детальной съемки
для PCА, работающего в X-диапазоне радиоволн, составляет 3 с. За
это время уход фазы несущей частоты 9,6 ГГц должен быть не более
45◦, что определяет требование к относительной кратковременной
нестабильности частоты опорного генератора на уровне ±2 • 10−12.
Быстрые гармонические отклонения фазы или несущей частоты
передатчика PCА приводят к появлению дополнительных боковых
лепестков в азимутальном сечении функции отклика системы. Если
задать требование, чтобы относительный уровень дополнительных
боковых лепестков не превышал величины −20 дБ, в соответствии
с [1.16, раздел 5.3] можно получить оценку допустимых значений
амплитуды фазовых гармонических колебаний:
см. уравнение в книге (1.2)
Быстрые случайные фазовые флюктуации разрушают когерент-
ность траекторного сигнала и снижают качественные показатели ра-
диолокационных изображений, полученных с помощью PCА. Поня-
тие «быстрые» в данном контексте рассматривается относительно
времени синтезирования апертуры, т. е. в пределах интервала в
несколько секунд. По данным [1.16, раздел 5.4], при среднеквадра-
тическом значении флюктуаций фазы 1 радиан величина смещения
положения максимума отклика PCА на точечную цель по азиму-
ту может достигать 25% от длительности отклика, относительное
расширение главного лепестка отклика (ухудшение азимутальной
разрешающей способности) составить 0,5%, а уровень первых боко-
вых лепестков функции отклика увеличиться на 5 дБ. Все указанные
искажающие параметры могут быть уменьшены до пренебрежимо
малых значений, если задать и выполнить требование по величине
допустимых среднеквадратических фазовых флюктуаций на уровне
см. уравнение (1.3) в книге
Полоса спектра фазовых флюктуаций для опорного генератора
PCА сантиметрового диапазона должна рассматриваться в преде-
лах от 100 Гц, что соответствует времени распространения сигнала
до объекта съемки и обратно, до 500 МГц, что соответствует дли-
тельности самого короткого символа модулирующего сигнала.
Сводные требования к опорному генератору и тракту формиро-
вания зондирующего сигнала приведены в табл. 1.3.
Формирователь сигналов PCА должен вырабатывать следу-
ющие сигналы:
– когерентные ансамбли СВЧ-импульсных зондирующих сигна-
лов с внутриимпульсной модуляцией для возбуждения тракта
передатчика АФАР. Номинальное значение несущей частоты
зондирующих сигналов и максимальная полоса рабочих час-
тот должны соответствовать заданному заказчиком частотно-
му диапазону и международному «Регламенту радиосвязи».
Вид внутриимпульсной модуляции – ЛЧМ и/или ФКМ;
– сигналы гетеродинов, когерентные с зондирующими сигналами
и имеющие малый уровень фазовых флюктуаций;
– СВЧ-тест-сигнал на несущей частоте без внутриимпульсной мо-
дуляции, который используется в режимах внутренней радио-
метрической калибровки и диагностического контроля АФАР;
– импульсные последовательности стробов тракта передатчика,
которые используются в АФАР для включения передающих ка-
налов на время излучения зондирующих импульсов и стробов
тракта приемника, которые используются в АФАР для откры-
тия приемных каналов в течение интервала приема отражен-
ных от земной поверхности сигналов;
– импульсы выборки аналого-цифровых преобразователей (АЦП),
частота которых должна быть согласована с шириной спектра
зондирующего сигналаПараметры перечисленных сигналов должны на этапе проекти-
рования рассчитываться для каждого режима работы PCА и для
каждого угла визирования объекта съемки и храниться в постоянном
запоминающем устройстве блока управления PCА либо включаться
в массив исходных данных на сеанс работы PCА, передаваемый с
наземного раздела управления на борт КА (в бортовой комплекс
управления) перед началом рабочего витка орбиты.
Возможности выбора диапазонов и ширины полосы радиосигна-
лов для космических PCА ограничены международным «Регламен-
том радиосвязи» [1.17], согласно которому для радиолокационной
съемки из космоса выделены полосы частот, приведенные в табл. 1.4.
В последней колонке табл. 1.4 приведены значения потенциаль-
ного пространственного разрешения PCА по координате угла места
(раздел 6.2.1), которое можно получить, если использовать всю раз-
решенную полосу частот для каждого диапазона радиоволн. Этот
параметр рассчитывается по формуле см уравнение (1.4) в книге
где C = 3 • 108 – скорость света; – угол скольжения.
Максимальное значение разрешенной полосы частот отведено в
X-диапазоне и составляет 600 МГц, что позволяет получить потен-
циальное значение пространственного разрешения PCА 0,5 м. Для
дальнейшего улучшения этого параметра требуется, чтобы в между-
народном «Регламенте радиосвязи» разрешенная полоса частот для
космических PCА, работающих в X-диапазоне, была расширена до
800÷1000 МГц. Заявки на такие изменения регламента уже посту-
пили от ряда стран, так что в последующие годы можно ожидать
появления космических PCА с пространственным разрешением око-
ло 0,3 м.
Приемник, входящий в состав приемопередающей аппаратуры
(см. pис. 1.1), должен выполнять следующие функции:
– принимать от АФАР отраженный сигнал в паузах между зон-
дирующими импульсами, осуществлять усиление, согласован-
ную с полосой сигнала фильтрацию и преобразование сигна-
ла в цифровую форму. Каждый радиочастотный канал при-
емного тракта должен быть оснащен дискретными управля-
емыми аттенюаторами с примерными величинами затухания
20 дБ в тракте СВЧ и 20 дБ в тракте промежуточной часто-
ты. Алгоритмы управления аттенюаторами должны входить в
состав специального программного обеспечения блока управле-
ния PCА;
– вырабатывать информацию об эффективном уровне сигнала
на входе АЦП для использования в схеме автоматической ре-
гулировки усиления и для включения ее в состав служебной
информации в кадр радиолокационной информации;
– преобразовывать аналоговые видеосигналы с выходов прием-
ника в цифровую форму с заданным числом разрядов.
Максимальное число разрядов АЦП приемника должно быть не
менее восьми. Число разрядов выходной информации АЦП может
быть ниже максимального значения и устанавливаться по коман-
дам от блока управления PCА из следующего ряда: 8/6/5/4/3/2/1
(в отдельных режимах радиолокационной съемки возможно сниже-
ние числа разрядов без существенной потери качества выходных
продуктов). При наличии технической возможности можно про-
изводить дискретизацию отраженных сигналов на промежуточной
частоте, без перехода на видеочастоты и без разделения на син-
фазную и квадратурную составляющие. Частота выборок сигнала
в АЦП должна быть связана с несущей частотой зондирующего сиг-
нала целочисленным соотношением и согласована с эффективной
шириной спектра принимаемых сигналов в каждом режиме рабо-
ты PCА. В современных PCА с целью сокращения потока выходной
цифровой информации применяются методы и устройства адаптив-
ного квантования, которые позволяют снизить число разрядов на
отсчет радиоголограммы с исходных восьми до двух-трех разрядов.
В состав бортовой аппаратуры PCА может входить измеритель
амплитуд и фаз сигналов, поступающих с выхода АФАР в режи-
ме радиометрической калибровки передающих и приемных каналов.
Ошибки измерения указанных параметров должны быть не более
±0,5 дБ и ±5◦.
Формирователь кадра радиолокационной информации должен
решать следующие задачи:
– осуществление буферизации входных импульсных потоков циф-
ровых данных, поступающих с выходов АЦП приемных трактов в сеансе работы ВРЛК, и хранение полученных первичных
радиолокационных данных в течение одного периода зондиро-
вания;
– прием от блока управления PCА, обновление и хранение в тече-
ние текущего сеанса работы PCА служебной информации для
включения в состав радиолокационного кадра;
– прием от блока управления PCА, обновление и хранение в те-
чение текущего сеанса работы PCА телеметрической информа-
ции для включения в состав радиолокационного кадра;
– формирование кадра радиолокационной информации с привяз-
кой всех данных к бортовой шкале времени и к текущему но-
меру зондирующего импульса;
– циклическая передача сформированных в течение сеанса съем-
ки кадров в реальном масштабе времени в бортовую аппарату-
ру высокоскоростной радиолинии (БА ВРЛ; см. pис. 1.1).
Кадр радиолокационной информации формируется на основе дан-
ных, собранных в течение одного периода зондирования радиолока-
тора, и представляет собой упорядоченную совокупность трех циф-
ровых массивов данных. Первый – так называемые «сырые» ра-
диолокационные данные (RAW), поступающие от АЦП приемного
тракта в течение сеанса радиолокационной съемки. Этот массив
носит также название «радиоголограмма». Второй – массив (или
фрагмент полного массива) служебной информации, сопровождаю-
щий радиоголограмму и необходимый в наземном комплексе обра-
ботки радиолокационной информации для синтеза радиолокацион-
ных изображений и их привязки к топографическим координатам.
В эту группу данных входят текущие навигационные параметры КА,
текущие фактические параметры настройки радиолокационной ап-
паратуры и др. Третий – массив (или фрагмент полного массива)
текущей телеметрической информации.
Сформированные кадры в темпе следования импульсов зонди-
рования передаются в энергонезависимое запоминающее устройство
БА ВРЛ. Конкретная структура радиолокационного кадра и прото-
кол его передачи в БА ВРЛ для каждого типа PCА определяются
специальными документами на этапе выпуска рабочей конструктор-
ской документации.
1.1.6. Требования к блоку управления PCА
Блок управления PCА (БУPCА) представляет собой специализиро-
ванную электронную вычислительную машину, работающую в ре-
альном масштабе времени и предназначенную для расчета исходных
параметров, необходимых для выполнения сеанса радиолокационнойсъемки, управления всеми составными частями бортовой аппара-
туры PCА во всех режимах, а также для сбора телеметрической
информации, характеризующей техническое состояние аппаратуры.
БУPCА должен выполнять следующие задачи:
– осуществление функций управления составными частями БА
PCА и сбора телеметрической информации при выполнении
всех заданных режимов работы по штатным циклограммам;
– прием из БКУ цифрового массива исходных данных на се-
анс радиолокационной съемки (навигационно-баллистические
данные, координаты района съемки на земной поверхности,
идентификатор режима съемки, время начала и длительность
сеанса съемки и др.);
– прием из БКУ КА синхроимпульсов меток времени «1 Гц»
и кодов идентификации меток времени по стандартной шкале
времени «UTC-ГЛОНАСС»;
– прием из БКУ массивов исходных данных на сеанс работы и
кодовых команд для управления режимами работы аппарату-
ры БСК;
– выдача в БКУ КА массивов цифровой телеметрической инфор-
мации и отчетов о выполнении рабочих режимов;
– поддержание в течение всех сеансов работы PCА бортовой шка-
лы времени с обеспечением привязки к этой шкале всех систем-
ных событий и формируемых данных;
– формирование, периодическое обновление и передача в фор-
мирователь кадра радиолокационной информации цифровых
массивов служебной и телеметрической информации.
В особых случаях может включаться дополнительное требование
об обеспечении возможности модификации специального программ-
ного обеспечения БУPCА в течение периода эксплуатации.
БУPCА должен функционировать под управлением БКУ КА, с
которым он связывается индивидуальными интерфейсами для пере-
дачи и приема разовых команд и магистральными интерфейсами для
передачи и приема массивов цифровых данных (по ГОСТ Р 52070-
2003). Порядок взаимодействия между БУPCА и БКУ КА опреде-
ляется специальным протоколом. Объектами управления БУPCА
являются приемопередающая аппаратура PCА и блок управления
АФАР, взаимодействие с которыми осуществляется с помощью ин-
дивидуальных интерфейсов для передачи и приема разовых команд
и магистральных мультиплексных интерфейсов для передачи и при-
ема массивов цифровых данных (например, RS-485).
1.1.7. Требования к бортовому комплексу управления космического аппарата
в части взаимодействия с PCА
Бортовой комплекс управления космического аппарата в части вза-
имодействия с PCА должен обеспечивать:
– выдачу цифровых и релейных (разовых) команд управления в
блок управления бортовой аппаратуры PCА;
– выдачу в БУPCА импульсной последовательности синхронизи-
рующих меток времени «1 Гц» и кода бортовой шкалы времени;
– выдачу в БУPCА массива программной информации на каж-
дый сеанс работы, содержащего необходимые данные для про-
ведения радиолокационной съемки с привязкой ко времени (но-
мер сеанса, параметры режимов съемки и др.);
– выдачу в БУPCА массивов навигационных данных о текущем
и прогнозируемом положениях и параметрах движения центра
масс КА, координат опорных точек снимаемого района и дан-
ных о фактической ориентации КА;
– формирование команд на включение и отключение напряже-
ния электропитания аппаратуры PCА в начале и конце рабо-
чего участка орбиты;
– прием от БУPCА массивов телеметрической информации о тех-
ническом состоянии аппаратуры PCА;
– прием от БУPCА квитанций и отчетов о прохождении сеансов
работы.
Структура и форматы команд управления и цифровых массивов
данных определяются специальными протоколами.
Особые требования предъявляются к массиву, содержащему на-
вигационные данные КА и координаты опорных точек снимаемого
района. Эти требования вытекают из необходимости, с одной сторо-
ны, иметь исходные данные на борту КА для настройки параметров
PCА перед сеансом съемки и, с другой стороны, иметь навигаци-
онную и топографическую информацию для синтеза радиолокаци-
онных изображений из полученной радиоголограммы в наземных
разделах приема и обработки данных. В случае, когда от PCА тре-
буется предельно высокий уровень пространственного разрешения,
необходимая точность навигационных данных для синтеза радиоло-
кационных изображений может быть получена только на борту КА с
помощью высокоточной автономной системы навигации (АСН). Эти
данные, привязанные к меткам единой шкалы времени, должны об-
новляться с частотой 1 раз в секунду и передаваться на наземные
разделы вместе с радиоголограммой. Исследования, проведенные в
[1.18, глав 3, табл. 3.3], показали, что ошибки определения наклон-
ной дальности, модулей вектора путевой скорости и ускорения КА в
зависимости от требуемого пространственного разрешения должны
быть не более значений, приведенных в табл. 1.5.
При расчете данных табл. 1.5 использовались следующие исход-
ные данные. Потенциально достижимое пространственное разреше-
ние принималось одинаковым по азимутальной и угломестной ко-
ординатам с учетом максимально допустимой полосы частот зон-
дирующего сигнала, установленной международным «Регламентом
радиосвязи» (см. табл. 1.4, последняя колонка). Предельно до-
пустимое значение ошибки фазовой траектории опорного сигнала,
используемого при азимутальном синтезе РЛИ, бралось равным –/8.
В расчетах высота полета PCА над поверхностью Земли принима-
лась равной 600 км, наклонная дальность от КА до объекта съемки –
760 км.
Из данных табл. 1.5 следует, что для получения высокого про-
странственного разрешения радиолокационных изображений, полу-
чаемых с помощью космических PCА, предъявляются жесткие тре-
бования к точностным характеристикам АСН. По существу, дости-
жимый уровень пространственной разрешающей способности PCА
зависит в равной степени как от параметров радиолокационной сис-
темы, так и от параметров АСН. Недооценка этого обстоятельства
приводит к большим дополнительным затратам времени при обра-
ботке радиоголограмм в наземных разделах синтеза радиолокацион-
ных изображений. В частности, результаты летных испытаний кос-
мического аппарата «Кондор-Э» показали, что «расчеты параметров
фокусировки в детальном прожекторном и в детальном непрерыв-
ном режимах съемки с помощью штатной навигационной системы
не дают желаемого результата. Только комбинируя инструменталь-
ный вариант фокусировки с автофокусировкой, удалось добиться
удовлетворительного результата» [1.19].
Бортовой комплекс управления должен обеспечивать и высокие
точностные характеристики по ориентации конструкции КА относи-
тельно центра масс по трем осям в течение сеанса радиолокационной
съемки. Антенная система PCА, как правило, жестко связана с эле-
ментами конструкции КА и ее начальная ориентация в пространстве,
обусловливающая и начальную ориентацию главного луча, соответ-
ствует ориентации КА. На pис. 1.3 схематически показаны варианты
смещения следа луча антенны PCА при наличии ошибок ориента-
ции КА.
Имеются два критерия, по которым выдвигаются требования к
точностным характеристикам системы ориентации в части обеспе-
чения правильной работы PCА. Первый – это необходимость обес-
печения совпадения траверсной плоскости (плоскость, включающая
центр масс КА, надир и центр снимаемого объекта) с плоскостью ну-
левого доплеровского смещения частоты отраженного сигнала. Для
обеспечения этого требования необходимо устанавливать азимуталь-
ную ось конструкции АФАР параллельно вектору путевой скорости
космического аппарата в гринвичской системе координат, что требу-
ет программной компенсации вращения Земли в пределах ±4◦. Вто-
рой критерий – необходимость обеспечения точности нацеливания
нормали к плоскости апертуры антенны на центр снимаемого сю-
жета (или центр полосы захвата) с максимальной ошибкой не более
300 м. Оба эти критерия диктуют следующие требования к систе-
ме ориентации и стабилизации осей КА по трем осям в гринвичской
системе координат в течение сеанса радиолокационной съемки:
– максимальная (3–) ошибка ориентации осей КА и одновремен-
но осей антенны – не более 1,5 угл. мин;
– максимальное значение остаточной угловой скорости осей КА
относительно центра масс – не более 0,4 угл. мин/с;
– случайные угловые колебания осей КА – не более 0,06 угл. мин
в полосе частот от 1 до 50 Гц, не более 0,3 угл. мин в полосе
частот более 50 Гц.
Помимо навигационной информации, бортовой комплекс управ-
ления должен обеспечивать выдачу в PCА перед сеансом и периоди-
чески в течение сеанса съемки топографические данные о профиле
рельефа снимаемой местности с целью снижения ошибок совмеще-
ния центра строба радиолокационного приемника с центром снимаемого объекта или маршрута. Например, для режима детальной
съемки такого рода ошибки допускаются не более 300 м.
Величина ошибки смещения (A)-линии визирования центра сни-
маемого кадра зависит от угла визирования – (или от угла скольже-
ния ), как показано на pис. 1.4.
Высота местного рельефа h, приводящая к смещению центра кад-
ра на величину A, рассчитывается по формуле A = h/tg . Для
типовых орбит PCА ДЗЗ среднее значение угла скольжения состав-
ляет 45◦. При данных условиях максимально допустимое значе-
ние ошибки учета рельефа земной поверхности в режиме детальной
съемки равно –b = A = 300 м.
На pис. 1.5 приведена в качестве примера изменения рельефа
трасса КА на рабочем отрезке «Тегеран –Шираз» и соответствую-
щий профиль рельефа земной поверхности в режиме маршрутной
съемки с помощью PCА ДЗЗ [расчет профиля высот выполнен по
программе http://www.433175.ru/index.php?do=static&page=map].
На этом же рисунке приведена отложенная ось текущего времени (t)
полета КА в течение сеанса съемки.
до 3000 м. Причем на первом отмеченном участке (30÷37 секун-
ды сеанса) средняя скорость изменения высоты рельефа составила
+170 м/с, на втором участке – +45 м/с, а на третьем – −400 м/с.
Из приведенного примера следует, что для выполнения требований в
части допустимых сдвигов границ снимаемого кадра информация о
рельефе земной поверхности в режиме детальной съемки, поставля-
емая из БКУ КА в PCА с привязкой к бортовой шкале времени,
должна обновляться не реже одного раза в секунду. Цифровые
карты рельефа районов, предназначенных для проведения радиоло-
кационных съемок с погрешностью отображения высот около 100 м,
должны формироваться в наземном центре планирования работы
КА и включаться в суточное полетное задание.
Вопросы интегрирования и унификации космических радиолокационных систем ДЗЗ разделяются на три категории.
Первая категория касается элементной комплектующей базы для бортовой аппаратуры. К аппаратуре космического применения всегда предъявляются требования минимизации размеров, массы и энергопотребления, что предполагает использование электронных компонентов с высоким уровнем интеграции. К примеру, практика проектирования приемопередающих модулей (ППМ) для АФАР показала, что переход от твердотельной микроэлектронной технологии на монолитные интегральные микросхемы позволяет уменьшить размеры ППМ в 1,5 раза. Вместе с тем в настоящее время российская
промышленность не в состоянии предложить достаточную номенкла-
туру высокоинтегрированных радиоэлектронных компонентов с вы-
сокими параметрами радиационной стойкости для построения бор-
товых радиолокационных комплексов. Перспективы развития оте-
чественной СВЧ интегральной электроники рассмотрены в главе 3
книги.
Вторая категория вопросов интегрирования и унификации отно-
сится к уровню блоков и устройств. В этом сегменте можно говорить
о целесообразности создания унифицированных технологий для про-
изводства фрагментов излучательных систем АФАР, унифицирован-
ных приемопередающих модулей для АФАР разных диапазонов час-
тот, опорных высокостабильных генераторов, формирователей зон-
дирующих сигналов, блоков приемников, блоков аналого-цифровых
преобразователей, бортовых управляющих вычислительных машин.
В частности, еще в 2003 г. специалисты 4 ЦНИИ Министерства обо-
роны выделяли такие актуальные направления развития бортовых
вычислительных и управляющих машин для изделий космической
техники, как унификация бортовых цифровых вычислительных си-
стем различных классов и создание единого унифицированного ря-
да ЭВМ с использованием единого конструктивно-функционально-
го модуля и максимальная унификация интерфейсов для бортовых
ЭВМ [1.20].
К третьей категории относятся системные вопросы интегрирова-
ния и унификации. Прежде всего это интегрирование и унифика-
ция наземных комплексов приема и обработки данных, получаемых
с разных средств ДЗЗ космического базирования (оптических, ра-
диолокационных, отечественных и иностранных). В соответствии с
«Концепцией развития российской космической системы дистанци-
онного зондирования Земли на период до 2025 года» для решения
данной проблемы предполагается создать Единую территориально-
распределенную информационную систему дистанционного зондиро-
вания (ЕТРИС ДЗ), которая позволит функционально объединить
наземные комплексы и центры приема, обработки и распространения
космической информации, принадлежащие ведомствам, регионам,
крупным компаниям, интегрировать их информационные ресурсы
в области ДЗЗ в единое геоинформационное пространство для мак-
симального удовлетворения потребностей различных категорий по-
требителей.
В настоящее время сеть гражданских наземных комплексов прие-
ма, обработки и распространения данных, приемных центров и стан-
ций ДЗЗ на территории России включает:
– НКПОР Роскосмоса (Научный центр оперативного мониторин-
га Земли, г. Москва, район Отрадное);
– центры ДЗЗ предприятий ракетно-космической промышленно-
сти (ГНПРКЦ «ЦСКБ-Прогресс», г. Самара и ГКНПЦ им.
М.В. Хруничева, г. Москва);
– НКПОР Росгидромета в составе пяти приемных центров (горо-
да Москва, Долгопрудный, Обнинск, Новосибирск, Хабаровск);
– сеть приемных станций Министерства чрезвычайных ситуаций
в составе пяти центров ДЗЗ (города Москва, Вологда, Красно-
ярск, Хабаровск, Владивосток);
– сеть станций приема Минприроды в составе шести центров ДЗЗ
(города Москва, Геленджик, Екатеринбург, Иркутск, Якутск,
Южно-Сахалинск);
– центр приема информации Росреестра (г. Москва);
– региональный центр ДЗЗ в г. Ханты-Мансийске.
Еще одной системной задачей является интегрирование и уни-
фикация бортовой аппаратуры запоминания и передачи на назем-
ные разделы приема и обработки радиолокационной информации,
полученной от PCА, т. е. бортовой аппаратуры высокоскоростной
радиолинии. В настоящее время наиболее реальной является за-
дача создания унифицированного комплекта бортовой аппаратуры
ВРЛ X-диапазона с информационной скоростью около 300 Мбит/с,
в дальнейшем – до 600 ÷ 800 Мбит/с. Также необходимо создать
унифицированный комплект аналогичной аппаратуры для переда-
чи информации через перспективный геостационарный спутник-ре-
транслятор в Ка-диапазоне, которая может быть интегрирована с
аппаратурой прямой передачи информации на Землю. Одновре-
менно для согласования потока цифровых данных от PCА с про-
пускной способностью радиолинии передачи данных имеет смысл
разработать унифицированное устройство сжатия радиолокацион-
ной информации на борту КА перед передачей ее через радиолинию
на наземные разделы. Обзор возможностей в этом направлении со-
держится в [1.1].
Наряду с унификацией аппаратуры необходимо утвердить уни-
фицированный высокоскоростной бортовой интерфейс для передачи
больших потоков радиолокационных данных в унифицированную
бортовую аппаратуру ВРЛ. Возможным вариантом решения этой за-
дачи является российская адаптация интерфейса SpaceWire для при-
менения на космических аппаратах, который позволяет осуществ-
лять передачу данных в одном канале со скоростью до 200 Мбит/с.
Предприятие АО «ИСС им. академика М.Ф. Решетнева» приступи-
ло к практическим действиям в этом направлении. В частности,
оно инициировало разработку и освоение производства на отече-
ственном предприятии ПАО «Микрон» большой интегральой схе-
мы (терминального узла) бортовой информационной сети с аппа-
ратной реализацией контроллера SpaceWire со сроком реализации
2016–2019 гг. (программа Минпромторга «Импортозамещение ЭКБ
ИП). Одновременно началась разработка проектов группы нацио-
нальных стандартов (ГОСТ) технологии SpaceWire-RUS (интерфейс
SpaceWire, транспортный протокол сети SpaceWire на базе протоко-
ла СТП-ИСС) в те же сроки реализации (СЧ НИР «Партитура»,
ФКП 2016–2025 гг, заказчик ФГУП ЦНИИмаш).
К задачам третьей категории также относятся унификация спе-
цификаций параметров космических PCА и протоколов передачи
радиолокационной информации на наземные разделы приема и об-
работки. В качестве примеров можно привести некоторые из дей-
ствующих за рубежом спецификаций:
– CEOS. Synthetic Aperture Radar Data Product. Format Stan-
dards. Revision 2.0. CEOS-SAR-CCT. 10.03.1989;
– X-SAR CEOS Format. X-SAR-D-CEOS. Version 2.0. 27.04.1995;
– RADARSAT-1 Data Products Specifications». RSI-GS-026, Revi-
sion 3/0. August 19, 2004;
– TerraSAR-X. Ground Segment. Basic Product Specification Docu-
ment. TX-GS-DD-3302, issue 1.9, 09.10.2013;
– Sentinel-1 Product Specification. S1-RS-MDA-52-7441. Revision
2/7. 30.01.2014.
Стандарты CEOS определяют типы радиолокационных продук-
тов, форматы данных, состав и содержание сопроводительной слу-
жебной информации. Для представления радиолокационных дан-
ных ДЗЗ в формате CEOS используется структура из четырех фай-
лов, показанных на pис. 1.6: файл каталога тома (Volume directory
file), файл заголовка (Leader file), файл данных (Data set file), файл
нулевого тома (Null volume file) [1.21].
Каждый файл содержит записи, первые 12 байт которых име-
ют одинаковую структуру и включают информацию о порядковом
номере, типе и длине записи. Каждая запись разделена на обла-
сти, имеющие в зависимости от содержимого определенный формат,
описание которого состоит из двух частей. Для первой части исполь-
зуется буквенное обозначение областей: A – буквенно-цифровая,
B – код CEOS, I – целочисленные данные, F – числовая с плава-
ющей точкой, E – числовая экспоненциальная область.
Вторая часть описания представляется числом, указывающим ко-
личество байт, занимаемых данной областью. Если эта часть пред-
ставлена дробным числом, то целая часть числа дает информацию
об общем количестве байт области, а часть числа после запятой –
информацию о количестве байт, отведенных для дробной составля-
ющей.
Файл каталога тома содержит запись его описания, запись ука-
зателя на файл заголовка, запись указателя на файл данных и тек-
стовую запись.
Файл заголовка включает запись описания, запись о необрабо-
танных данных, запись с необработанными данными о положении
платформы, запись данных общего типа для радиолокатора, запись
данных качественного типа для радиолокатора. Запись описаниясодержит идентификатор формата контрольного документа, номер
и имя файла, сведения о локации и наборе данных, информацию
о количестве и длине записи картографической проекции, положе-
нии платформы, пространственном положении, радиометрических
данных, радиометрических коррекциях, спектральных диапазонах,
корректировках параметров радара, типе длины записи. Запись о
необработанных данных хранит основные параметры радиолокато-
ра, общие параметры для обработки, указатель диапазона сжатия,
параметры сцены и особенности, характерные для рассматриваемо-
го участка местности. Запись с необработанными данными о по-
ложении платформы включает информацию о позиционировании
опорных точек кадра, точное время получения каждой из точек,
временной интервал между точками, справку о системе координат,
ошибку позиционирования вдоль и перпендикулярно направлению
движения платформы, вектора положения и скорости для каждой
точки. Запись данных общего типа для радиолокатора содержит
информацию о начальной длительности стробирующего импульса,
об изменении частоты следования импульсов, о калибровочных ко-
эффициентах, параметрах опорного ЛЧМ сигнала, входных данных
статистики, достоверности среднего значения доплеровской часто-
ты, степени достоверности неопределенности сдвига доплеровской
частоты, количестве вышеперечисленных изменений, уровнях боко-
вых лепестков кросскорреляционной функции ЛЧМ, расчетных ве-
личинах квадратурной и синфазной составляющей входного сигнала,
калибровке сигнала.
Файл данных, структура которого показана на pис. 1.7, включает
запись описания файла и набор записей необработанных данных.
Запись описания файла содержит идентификатор формата кон-
трольного документа, номер и имя файла, данные об объекте съем-
ки (номер объекта, длительность сеанса съемки, код режима съем-
ки), информацию о количестве записей с необработанными данны-
ми, длине каждой записи, количестве строк и пикселей в каждом
комплекте данных. Каждая запись с данными необработанного сиг-
нала хранит описание, включающее количество строк, количество
пикселей в строке, вспомогательную информацию о параметрах ра-
диолокатора, счетчик пакетов, и представляет собой одну строку ра-
диоголограммы, т. е. отраженные сигналы для одного зондирующего
импульса. Каждый элемент строки радиоголограммы представлен
двумя байтами, по одному байту на синфазную и квадратурную со-
ставляющие отраженного сигнала. Файл нулевого тома содержит
запись описания файла, которая включает идентификаторы физиче-
ского и логического томов, количество томов, их порядковые номера,
дату, время, страну, организацию создания тома.
Историю практического применения космических средств радиоло-
кационного зондирования земной поверхности из космоса и полу-
чения радиолокационных изображений открыл американский кос-
мический аппарат SEASAT, выведенный на орбиту вокруг Земли в
июне 1978 г. Радиолокатор с синтезированной апертурой (PCА), ра-
ботающий в L-диапазоне, позволил получить изображения земной
поверхности с пространственным разрешением 25 м.
Параллельно в Советском Союзе велась подготовка к запуску ор-
битальной пилотируемой станции "Алмаз-А", разработанной в ОКБ-52
(впоследствии переименованным в Научно-производственное объеди-
нение машиностроения) под руководством главного конструктора
академика В.Н. Челомея. Станция "Алмаз-А", подготовленная к
запуску в марте 1978 г., имела в своем составе радиолокатор с син-
тезированной апертурой "Меч-К", работающий в S-диапазоне, для
получения радиоизображений земной поверхности с пространствен-
ным разрешением 25 м. Однако по решению руководства страны
запуск станции в 1978 г. был отменен. Летные испытания PCА
"Меч-К" удалось провести на космическом аппарате "Космос-1870"
лишь в 1987–1989 гг.
Первые результаты практического успешного картографирова-
ния поверхности планеты с орбиты ее спутника в истории отечествен-
ной техники были, как ни странно, получены не на земной орбите,
а на орбите планеты Венера, покрытой очень плотной, непроницае-
мой для оптических инструментов атмосферой. Съемка была прове-
дена с советских космических аппаратов "Венера-15" и "Венера-16"
с помощью радиолокаторов с синтезированной апертурой в течение
1983–1984 гг. [В.1]. Полученные радиоголограммы были переда-
ны на наземные станции приема информации и в течение после-
дующих трех лет обработаны с целью получения изображений по-
верхности планеты. Вдохновителем этой титанической по объему
работы был академик В.А. Котельников. Космические аппараты
создали в научно-исследовательском центре имени Г.Н. Бабакина.
Радиолокационную систему с синтезированной апертурой разрабо-
тали в Особом конструкторском бюро Московского энергетического
института под руководством академика А.Ф. Богомолова. Съемка
осуществлялась в S-диапазоне (длина волны около 8 см) с высоты
от 1000 до 2000 км над поверхностью планеты. На Земле для при-
ема и регистрации информации использовались две крупнейшие в
Советском Союзе антенны. Одна с диаметром зеркала 70 м
под Евпаторией, другая с диаметром зеркала 64 м на поли-
гоне Медвежьи озера под Москвой. Обработка радиолокационной
информации проводилась в Институте радиотехники и электроники
АН СССР под руководством Котельникова. Достигнутое значение
пространственного разрешения было около 1 км. При этом исполь-
зовался математический аппарат, разработанный в Институте при-
кладной математики имени М.В. Келдыша. Сжатие траекторного
сигнала производилось с помощью когерентного оптического процес-
сора, остальные операции выполнялись на электронных цифровых
вычислительных машинах. В 1987 г. было закончено построение
полной карты части территории Венеры [В.2, В.3]. Площадь снятой
территории составила четвертую часть от общей площади поверх-
ности Венеры. Американцы смогли осуществить радиолокационную
съемку Венеры с помощью космической станции "Магеллан" только
в 1989–1990 гг. Дальнейшая история развития технологии радиоло-
каторов с синтезированной апертурой для дистанционного зондиро-
вания Земли из космоса подробно рассмотрена в публикациях [В.4,
В.5, В.6].
Зондирование поверхности Земли с применением когерентных ра-
диолокационных систем разных частотных диапазонов, размещен-
ных на космических аппаратах (КА), выгодно отличается от других
средств видового мониторинга земной поверхности и расположенных
на ней объектов:
– более высоким потенциальным пространственным разрешени-
ем при условии независимости от метеорологических условий
и от условий освещения снимаемого района солнцем;
– возможностью регистрации объектов, расположенных под снеж-
ным, растительным или земным покровом;
– возможностью определять состояние растительных покровов
(лесов, посевов) и обеспечивать оценки биоресурсов;
– возможностью регистрации по поверхностным проявлениям глу-
бинных процессов в водной среде и геологических образованиях;
– возможностью использования разных поляризационных кон-
фигураций излучаемого и принимаемого сигналов;
– способностью обнаруживать движущиеся объекты на поверх-
ности и измерять параметры их движения;
– возможностью совместно обрабатывать пары (или группы) ком-
плексных радиолокационных изображений, полученных в раз-
ное время или одновременно на разных космических аппара-
тах, образующих интерферометрическую пару, с дальнейшим
построением цифровых карт рельефа местности с разрешени-
ем по высоте 1–5 м либо выявлять тектонические смещения
элементов земной поверхности за несколько лет с ошибкой не
более 1 мм.
В последние два десятилетия параллельно с динамичным раз-
витием СВЧ микроэлектроники, методов цифрового формирования
и обработки радиолокационных сигналов, а также других передо-
вых технологий наблюдается повышенный интерес многих стран к
космическим PCА, которые позволяют реализовать все вышепере-
численные возможности. Наблюдается масштабный рост рынка ДЗЗ
в целом ряде стран Европы, Америки и Азии. В ближайшее десяти-
летие тенденция роста рынка сохранится, а темпы роста значительно
увеличатся. Помимо роста числа запущенных КА, на 50% вырастет
число участников рынка ДЗЗ. По оценкам специалистов, к 2018 г. на
рынок ДЗЗ выйдет 34 страны, по сравнению с 24 странами в 2008 г.
и всего восьмью в 1997 г. При этом только вышедшие на рынок ДЗЗ
страны будут осуществлять 32% всех запусков к 2018 г. по сравне-
нию с 15% запусков, осуществленных за период до 2008 г. [В.7].
В этом процессе можно выделить следующие основные тенден-
ции, касающиеся радиолокационных средств ДЗЗ.
1. Антенные системы для современных PCА в большинстве слу-
чаев проектируются на основе технологии активных антенных фа-
зированных антенных решеток (АФАР), которые обеспечивают вы-
сокий энергетический потенциал радиолокатора и одновременно вы-
сокую надежность передающего и приемного трактов, большую гиб-
кость в задании геометрических, поляризационных конфигураций,
высокоточное и безынерционное сканирование луча и разнообразие
режимов работы. С 2000 г. практически все эксплуатируемые в
космосе PCА построены на основе АФАР (исключение составляют
"SAR-Lupe" и "TecSAR"). В ближайшей перспективе возможно со-
здание многолучевых АФАР с цифровыми методами формирования
лучей. Космический PCА с АФАР представляет собой сложное, мно-
горежимное и многопараметрическое устройство, для управления
составными частями которого все в большей степени привлекают-
ся сетевые цифровые технологии адресного управления. Напри-
мер, АФАР, имеющая 1000 независимо фазируемых приемопереда-
ющих каналов, может иметь более 6000 контроллеров для управ-
ления СВЧ-фазовращателями, аттенюаторами и линиями задерж-
ки, управляющая информация в которые должна передаваться око-
ло 100 раз в секунду. Современный тракт формирования зондиру-
ющих сигналов строится на основе цифровых технологий, а при-
емный тракт заканчивается аналого-цифровыми преобразователя-
ми и программируемым формирователем кадра радиолокационной
информации, суммарный поток которой достигает на выходе PCА
5 Гбит/с (при использовании двухканального поляризационного при-
емного тракта). Таким образом, бортовая аппаратура современного
PCА является программируемой системой с цифровым управлением,
что дает возможность оперативно изменять конфигурацию аппара-
туры, режимы и параметры радиолокационной съемки. Преиму-
щества АФАР в PCА, предназначенных для дистанционного зон-
дирования земной поверхности из космоса, и особенности системы
сетевого управления бортовой аппаратурой раскрываются в главе 1,
а современные тенденции проектирования АФАР для PCА подробно
рассмотрены в главе 2 книги.
2. Помимо крупноразмерных PCА, размещаемых на крупно-
габаритных космических платформах и имеющих массу несколько
тонн, находятся в эксплуатации и малые PCА с массой космиче-
ского аппарата менее полутора тонн ("TecSAR" 0,3 т, "SAR-Lupe"
0,77 т, "Кондор-Э" 1,1 т, "TerraSAR-X" 1,2 т, "KOMPSAT-5" 1,4 т,
"COSMO-SkyMed" 1,7 т). Одной из причин, открывающих воз-
можности снижения массы космических PCА, является переход на
более эффективные технологии создания интегральных полупровод-
никовых элементов как СВЧ-диапазона, так и предназначенных для
цифровых устройств. Этим вопросам посвящены главы 3 и 4 книги.
3. Существующие и вновь создаваемые системы радиолокаци-
онного наблюдения трансформируются в бистатические комплексы
либо путем увеличения группировки КА ("TanDEM-X"), либо созда-
нием новых систем, с самого начала ориентированных на групповое
использование в интерферометрических парах [В.8].
4. Все большую ценность приобретают радиолокационные изоб-
ражения, полученные в разных поляризационных конфигурациях.
Это свойство PCА, базирующееся на когерентном характере зонди-
рующего сигнала, и конструкции антенны, позволяющей работать
как на горизонтальной (H), так и на вертикальной (V ) поляризации,
предоставляет серьезное преимущество радиолокационным системам
перед оптическими с тем же показателем пространственного разре-
шения. Вновь создаваемые многоцелевые PCА (например, "ALOS-
PALSAR") проектируются с двумя поляризационными каналами в
приемном тракте, что позволяет в одном сеансе съемки одного и то-
го же объекта и без дополнительных потерь энергии получать пары
радиолокационных изображений со следующими комбинациями по-
ляризаций на передачу и прием: [H/H + H/V ] или [V/H + V/V ].
5. Каждое новое поколение PCА отличается улучшением пока-
зателей пространственного разрешения. Если первый космический
PCА "SEASAT-SAR", работавший в L-диапазоне, имел простран-
ственное разрешение 25 м (по координате дальности), то "ALOS-
PALSAR" в том же диапазоне радиочастот имеет пространственное
разрешение 9 м. В X-диапазоне радиочастот PCА "TerraSAR-X"
и "COSMO-SkyMed" достигли пространственного разрешения 1 м,
а PCА "TecSAR" показал возможность получения разрешения и 0,5 м.
6. Некоторые задачи ДЗЗ выдвигают требования от космиче-
ских PCА воспроизведения шкалы радиояркостей радиолокацион-
ных изображений с заданной метрологической точностью ее соот-
ветствия реальным значениям удельной эффективной отражающей
поверхности (УЭПР). Это требование влечет за собой необходимость
включения в бортовую аппаратуру PCА элементов абсолютной ра-
диометрической калибровки всех радиочастотных трактов и кана-
лов, а также включения в космическую радиолокационную систему
средств внешней радиометрической калибровки PCА. Основными
техническими решениями внутренней калибровки, закладываемыми
в аппаратуру современных PCА ("EnviSat-ASAR", "TerraSAR-X",
"COSMO-SkyMed"), являются: введение дополнительных элементов
контроля и отвода мощности на выходе приемопередающих модулей
АФАР в канал калибровки, наличие дополнительной СВЧ-кабель-
ной распределительной системы калибровочного сигнала в АФАР,
наличие в составе приемопередающей аппаратуры PCА устройств
формирования, поканального переключения и измерения парамет-
ров калибровочных сигналов. Достигнутые высокие точностные ха-
рактеристики процесса внутренней калибровки показаны, в частно-
сти, в работе [В.9].
7. Увеличивается запрос на создание многодиапазонных кос-
мических PCА. До настоящего времени имеются результаты опыт-
ной эксплуатации только одного варианта многодиапазонного PCА
космического базирования это КА "SIR-С/Х/L", выведенный на
орбиту в 1994 г. Имелись и незавершенные отечественные проек-
ты многодиапазонных космических PCА: "АЛМАЗ-1Б-С/Х/L" [В.4]
и "АРКОН-2-Х/L/Р" [В.10]. Исследования, проведенные в ФГУП
ЦНИИмаш, показали, что в результатах одновременного многоча-
стотного зондирования Земли заинтересован широкий спектр ведомств,
региональных администраций, отраслей промышленности. Высокая
целевая отдача от применения радиолокационных данных, получен-
ных в нескольких, существенно разнесенных диапазонах (X,L и P),
подтверждена в процессе использования авиационных аналогов мно-
гочастотных космических радиолокаторов (как зарубежных, так и
отечественных). Проникающая способность и ряд других особенно-
стей взаимодействия длинноволнового излучения с зондируемыми
объектами позволяют получать о них ценную дополнительную ин-
формацию и исключить неоднозначность интерпретации результатов
ДЗЗ, которая имеет место во многих приложениях.
8. Возрастают требования к тактико-техническим характеристи-
кам космических радиолокационных систем и параметрам качества
радиолокационных изображений. Назрела задача систематизации
методик расчета параметров радиолокационной съемки из космоса
и априорной оценки параметров качества РЛИ, получаемых в ре-
зультате этой съемки. К сожалению, в отечественной литературе
внимание, уделяемое этим проблемам, недостаточное. Существую-
щий пробел в некоторой степени устраняется главами 5 и 6 насто-
ящей книги. Расчеты параметров PCА и РЛИ проводятся в книге
на основе комплексного подхода, который увязывает их с орбиталь-
ными параметрами космического аппарата-носителя PCА с учетом
влияния сферичности Земли и ее вращения, параметров атмосферы,
характеристик антенны PCА, а также отдельных процедур наземной
обработки радиолокационной информации. Следует отметить, что
расчетные схемы и формулы, приводимые в книге, игнорируют мно-
гие тонкие эффекты космической радиолокации и ориентированы на
наглядность и относительную простоту использования в основном на
этапе эскизного проектирования, поэтому их точность в большинстве
случаев не превышает 1 ÷ 3%.
9. Прогнозируется переход от аналоговых зондирующих сигна-
лов к когерентным ансамблям фазокодированных сигналов. Прак-
тически все находящиеся в эксплуатации и проектируемые космиче-
ские PCА используют зондирующий сигнал в виде последователь-
ности одинаковых радиочастотных импульсов с линейной частот-
ной модуляцией, который был применен еще в самом первом кос-
мическом PCА, установленном на космическом аппарате "SEASAT"
(1978 г.). Однако за последующие 39 лет накоплен положительный
опыт эксплуатации одного космического PCА, установленного на КА
"Венера-15/16" [В.1], и ряда самолетных PCА, использующих зон-
дирующие сигналы с фазокодовой модуляцией (M-последователь-
ности, коды Баркера, последовательности Лежандра и др.). Ис-
пользование дискретного кодирования когерентного ансамбля зон-
дирующих импульсов в PCА открывает перспективу существенного
улучшения качества радиолокационных изображений по парамет-
рам, связанным с свойствами суммарных корреляционных функций
ансамбля. Этим вопросам посвящена глава 7 книги.
Приведенные в книге расчетные формулы и полученные по ним
числовые данные относятся к космическим аппаратам и РСА, экс-
плуатируемым на низких околоземных круговых орбитах (высоты
орбит не более 2000 км).
Литература к введению
B.1. Ржига О.Н. Новая эпоха в исследовании Венеры (Радиолока-
ционная съемка с помощью космических аппаратов «Венера-
15» и «Венера-16»). Новое в жизни, науке, технике / Под-
писная научно-популярная серия «Космонавтика, астрономия».
М.: Знание, 1988. № 3.
B.2. Котельников В.А., Барсуков В.Л., Аким Э.Л. и др. Атлас по-
верхности Венеры. М.: Главное управление геодезии и карто-
графии при Совете Министров СССР, 1989.
B.3. Перминов В. Первые радиолокационные карты Венеры // Но-
вости космонавтики. 2004. № 9.
B.4. Bерба В.С., Неронский Л.Б. и др. Радиолокационные систе-
мы землеобзора космического базирования. М.: Радиотехника,
2010.
B.5. Неронский Л.Б. Перспективы развития методов и систем радио-
локационного наблюдения космического базирования. Журнал
радиоэлектроники, 2011, № 11.
B.6. Нониашвили М.И. и др. Обзор современных радиолокаторов с
синтезированной апертурой космического базирования и анализ
тенденций их развития. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана.
Сер. «Приборостроение». 2012.
B.7. Стратегическая программа исследований Национальной косми-
ческой технологической платформы. ЦНИИмаш, 2015.
B.8. Rodriguez-Cassola, M.; Prats, P.; Schulze, D.; Tous-Ramon, N.;
Steinbrecher, U.; Marotti, L.; Nannini, M.; Younis, M.; Lopez-
Dekker, P.; Zink, M.; et al. First bistatic spaceborne SAR experi-
ments with TanDEM-X. IEEE Geosci. Remote Sens. Lett. 2012,
9, 33–37.
B.9. Benjamin Brautigam and others. Individual T/R Module Charac-
terisation of the TerraSAR-X Active Phased Array Antenna by
Calibration Pulse Sequences with Orthogonal Codes. Proceeding
of IEEE Geoscience and Remote Sensing Symposium (IGARSS),
Seite 4. 2007-07-23-2007-07-27, Barcelona, Spain.
B.10. Кучейко А.А. Перспективный радиолокационный спутник «Ар-
кон-2»// Новости космонавтики. 2005. № 1.
Cокращения
САСН – автономная система навигации космического аппарата
АФАР – активная фазированная антенная решетка
АФР – амплитудно-фазовое распределение
АЦП – аналого-цифровой преобразователь
АЧХ – амплитудно-частотная характеристика
ААКФ – апериодическая автокорреляционная функция
АВКФ – апериодическая взаимнокорреляционная функция
БА – бортовая аппаратура
БКУ – бортовой комплекс управления космического аппарата
БУРСА – блок управления бортовой аппаратурой РСА
ВИП – вторичный источник электропитания
ВРЛ – высокоскоростная радиолиния
ВУМ – выходной усилитель мощности
ДЗЗ – дистанционное зондирование Земли
ДН, ДНА – диаграмма направленности антенны
ЗИ – зондирующий импульс
КА – космический аппарат
КМА – конструктивный модуль антенны
КНД – коэффициент направленного действия антенны
КПД – коэффициент полезного действия
ЛЗ – линия задержки
ЛЧМ – линейная частотная модуляция
МИС – монолитные интегральные схемы
МП – М-последовательность
МШУ – малошумящий усилитель
ОЭТ – оптоэлектронная техника
ППА – приемопередающая аппаратура
ППМ – приемопередающий модуль, входящий в состав АФАР
РЛИ – радиолокационное изображение
РСА – радиолокатор с синтезированной апертурой
СВЧ – сверхвысокочастотный
СОТР – система обеспечения тепловых режимов
СУЛ – система управления лучом
СШП – сверхширокополосный
СЭП – система электропитания
УЭПР – удельная эффективная площадь рассеяния радиоволн
ФКМ – фазокодовая модуляция
ФН – функция неопределенности
ФЧХ – фазочастотная характеристика
ЦАР – цифровая антенная решетка
ШП – широкополосный
ЭИИМ – эквивалентная изотропно излучаемая мощность
ЭПР – эффективная поверхность рассеяния
ЭВМ – электронная вычислительная машина
ESA – European Space Agency – Европейское космическое агентство
ScanSAR – режим дискретного сканирования луча АФАР в угломестной плоскости для расширения суммарной полосы захвата РСА
1.1.1. Структура радиолокационного
комплекса ДЗЗ
Укрупненная структурная схема радиолокационного комплекса ди-
станционного зондирования Земли из космоса приведена на pис. 1.1.
На этом же рисунке показаны связи бортовой аппаратуры радиоло-
катора с синтезированной апертурой (PCА) со служебными система-
ми космического аппарата и другими составными частями радиоло-
кационного комплекса ДЗЗ.
Бортовой радиолокационный комплекс состоит из четырех основ-
ных частей:
– активная фазированная антенная решетка (АФАР);
– приемопередающая аппаратура (ППА);
– блок управления бортовой аппаратуры PCА (БУPCА);
– бортовая аппаратура высокоскоростной радиолинии передачи
данных (БА ВРЛ).
В отдельных вариантах современных радиолокаторов для ДЗЗ
вместо АФАР используется зеркальная антенна (например, в отече-
ственном КА «Кондор-Э»). Бортовая аппаратура высокоскоростнойрадиолинии (БА ВРЛ) чаще всего входит в состав полезной нагрузки
КА, т. е. в состав PCА, но может быть отнесена и к служебным систе-
мам космического аппарата. Основные функции по формированию
зондирующего сигнала радиолокатора и его бортовой радиотехниче-
ской обработки сосредоточены в устройстве ППА (приемопередаю-
щая аппаратура).
Аппаратура PCА взаимодействует со следующими служебными
системами космического аппарата: бортовым комплексом управле-
ния (БКУ), телеметрической системой и системой энергоснабжения.
Функции БКУ КА в части управления PCА описаны в разделе 1.1.7.
БА ВРЛ обеспечивает передачу на наземные разделы приема всю
полученную на борту КА радиолокационную информацию – радио-
голограммы и служебную информацию, необходимую для наземного
синтеза радиолокационных изображений.
1.1.2. Бортовая аппаратура PCА – программируемая многорежимная
система с цифровым управлением
С целью повышения производительности и, соответственно, эконо-
мической эффективности космической радиолокационной системы
заказывающие организации выдвигают требования к максимальному
числу разных режимов радиолокационной съемки и минимальному
времени настройки аппаратуры на каждый новый сеанс съемки или
перехода к другому режиму. Концепция использования космиче-
ских средств радиолокационного наблюдения, современные методы
землеобзора и возможные режимы радиолокационной съемки, вы-
полняемые PCА, описаны в [1.1].
Основными режимами работы PCА являются режимы радиоло-
кационной съемки – детальный, маршрутный и обзорный с при-
менением технологии ScanSAR (одновременная съемка нескольких
примыкающих по углу места маршрутов с целью расширения полосы
захвата). Дополнительно вводятся и несколько технологических ре-
жимов – режим внутренней радиометрической калибровки, режим
юстировки начальной позиции луча АФАР в азимутальной плоско-
сти на направление нулевой доплеровской частоты, режим расши-
ренной технической диагностики и др.
Типовые ограничения по времени отработки управляющих воз-
действий на PCА и его составные части следующие: время, отво-
димое на включение аппаратуры радиолокатора в начале рабочего
участка орбиты и подготовку его к первому сеансу съемки, – 5÷10 с,
время на переконфигурацию аппаратуры для работы в другом режи-
ме на том же рабочем участке - 1÷5 с, время перенастройки междусмежными сеансами съемки без смены конфигурации – 0,5 ÷ 1 с,
периодичность выдачи обновленного массива телеметрических дан-
ных – 1 раз в секунду, минимальный интервал между сменами кодов
управления фазовращателями и линиями задержки – 10 мс. Все
циклограммы смены управляющих воздействий и съема показаний
телеметрических датчиков PCА должны быть синхронизированы с
бортовой шкалой времени и/или с импульсными сигналами строби-
рования передающего и приемного трактов.
Структура управления бортовой аппаратурой современного PCА
представляет собой многоабонентскую сеть, включающую в себя боль-
шое число объектов управления. Для примера, если число незави-
симо фазируемых приемопередающих каналов в АФАР составляет
1000, то в общем случае объектами управления в ней являются:
1000 6-разрядных фазовращателей и 1000 5-разрядных аттенюато-
ров в тракте передачи, 1000 6-разрядных фазовращателей и 1000
5-разрядных аттенюаторов в тракте приема (для двухполяризаци-
онного приемника это число удваивается) и еще несколько десят-
ков фазовращателей, аттенюаторов и дискретных линий задержки
в трактах распределения СВЧ-сигналов по апертуре АФАР и вто-
ричные источники электропитания с цифровым управлением вклю-
чения/отключения.
Число объектов управления в АФАР, превышающее несколько
тысяч, требует наличия двухуровневой многоадресной системы циф-
рового управления. На первом уровне находится блок управления
АФАР, который получает от блока управления PCА исходные дан-
ные на каждый сеанс работы, подготавливает локальные массивы
управляющих воздействий, раздает их контроллерам второго уров-
ня и собирает от них телеметрические данные. На втором уровне
имеется ансамбль твердотельных интегрированных контроллеров в
приемопередающих модулях блоков распределения сигнала и элек-
тропитания, которые преобразуют первичные данные, получаемые
от блока управления АФАР, в физические сигналы управления фа-
зовращателями, аттенюаторами, линиями задержки и схемами элек-
тронного включения/отключения вторичных источников электропи-
тания. Первый и второй уровни управления АФАР общаются между
собой посредством магистральных последовательных интерфейсов
(мультиплексных каналов передачи данных), например RS-485. Та-
кой же интерфейс используется и для связи блока управления АФАР
с блоком управления PCА.
В других составных частях бортовой аппаратуры современных
PCА также применяются программируемые средства цифрового фор-
мирования зондирующих сигналов, цифрового преобразования при-
нимаемых сигналов, цифровых средств автоматической регулировкиусиления в приемниках, формирования цифрового массива выход-
ной радиолокационной информации (радиолокационного кадра). Та-
ким образом, все составные части современной бортовой радиолока-
ционной аппаратуры насыщены элементами цифрового управления,
формирования, преобразования и телеметрического контроля и все
эти элементы должны быть включены в сеть управления, в центре
которой находится блок управления бортовой аппаратурой PCА (см.
pис. 1.1, БУPCА), который связывается с комплексом управления
КА посредством магистрального последовательного интерфейса, вы-
полненного в российских PCА по ГОСТ Р 52070-2003.
Управляющие устройства всех уровней должны включать ло-
кальные программы отработки типовых заданий и циклограмм в те-
чение сеанса работы PCА в каждом из рабочих режимов (например,
программы смены конфигурации включаемой аппаратуры, смены
поляризационной настройки, смены закона внутриимпульсной моду-
ляции зондирующего сигнала, изменения состояния аттенюаторов в
СВЧ-трактах, изменения позиции луча АФАР при электронном ска-
нировании, выполнения циклограмм внутренней радиометрической
калибровки или расширенного диагностического контроля и т. п.).
Таким образом, бортовая аппаратура современного PCА представ-
ляет собой программируемую многорежимную систему с цифровым
управлением. Именно это свойство обеспечивает быструю перена-
стройку радиолокатора на новые параметры в пределах одного ре-
жима работы или быструю перестройку конфигурации при переходе
на новый режим работы, что повышает суммарную производитель-
ность космической системы ДЗЗ.
В следующих разделах рассмотрены особенности построения и
основные требования к составным частям PCА, исключая аппарату-
ру высокоскоростной радиолинии, особенности которой не связаны
с особенностями радиолокационных комплексов.
1.1.3. AФАР – фундамент многорежимного
космического PCА
Антенное устройство в виде активной фазированной антенной ре-
шетки (АФАР) выполняет функции распределенного по физической
апертуре импульсного приемопередатчика, обеспечивает электрон-
ное сканирование луча и является ключевой составной частью мно-
горежимной радиолокационной системы.
Зеркальные антенны успешно применяют в составе относительно
недорогих малых космических аппаратов, масса которых не пре-
вышает 1200 кг, – «SARLupe», «TECSAR/RISAT-2», «Кондор-Э».
Для осуществления прожекторного режима детальной съемки используется изменение положения луча по координате азимута, либо
поворотом корпуса КА, либо с помощью последовательного переклю-
чения элементов линейки излучателей, размещенных в фокусе зерка-
ла. Основными достоинствами зеркальных (рефлекторных) антенн
являются их низкая стоимость и широкая полоса рабочих частот и
возможность функционировать на разных поляризациях. К числу
недостатков зеркальных антенн следует отнести необходимость ис-
пользования мощных сосредоточенных передатчиков, которым при-
сущи малая надежность и относительно короткий срок службы, и
невозможность получения различных конфигураций апертуры ан-
тенны. Однако для PCА узкого назначения с небольшим набором
рабочих режимов этот тип антенн имеет и будет иметь в дальней-
шем свою нишу в номенклатуре космических средств ДЗЗ. Пример
перспективной двухполяризационной рефлекторной антенны L-диа-
пазона описан в [1.2].
АФАР представляет собой значительно более сложное и дорого-
стоящее устройство, но тем не менее составляет альтернативу зер-
кальным антеннам в многорежимных радиолокационных системах
с большим сроком активного существования благодаря следующим
преимуществам:
– высокая надежность и живучесть, обусловленная отсутствием
механических элементов для раскрытия зеркала или измене-
ния направления излучения, многоканальностью структуры,
отсутствием мощных сосредоточенных передатчиков с высоко-
вольтными источниками электропитания;
– возможность получения больших уровней средней излучаемой
СВЧ-мощности (более 1000 Вт) за счет суммирования в эфире
множества парциальных излучений от многоканального рас-
пределенного передающего тракта с относительно невысокой
мощностью отдельных каналов, выполненных на полупровод-
никовых элементах, что позволяет достичь высоких значений
радиометрической чувствительности PCА при большом сроке
существования PCА на орбите;
– быстрое изменение конфигурации апертуры, аппаратной кон-
фигурации, формы луча, поляризационной конфигурации в
зависимости от параметров заданного режима радиолокацион-
ной съемки;
– возможность осуществления безынерционного электронного ска-
нирования луча по двум координатам в широких пределах,
что обеспечивает большое разнообразие различных режимов съемки.
Номенклатура целевых требований к АФАР включает: диапа-
зон радиочастот, ширину рабочей полосы частот, размеры апертуры,
число передающих и приемных каналов, поляризацию сигналов на
прием и на передачу, уровень кроссполяризационной развязки, ва-
рианты конфигураций на прием и передачу одновременно формиру-
емых лучей, режимы работы, требования к диаграмме направленно-
сти в каждом из рабочих режимов, сектор электронного сканирова-
ния по двум координатам, требования к энергетическому потенциалу
передающего тракта и минимальному значениию скважности зонди-
рующего сигнала в каждом из рабочих режимов, параметр качества
приемного тракта, требования к внутренней радиометрической ка-
либровке, ограничения по энергопотреблению и массе.
Параметры АФАР непосредственно влияют на номенклатуру и па-
раметры различных режимов радиолокационной съемки. Так, раз-
мер активной части апертуры АФАР по координате угла места (в плос-
кости, перпендикулярной вектору путевой скорости космического
аппарата) определяет максимальную величину полосы захвата в марш-
рутном режиме и тот же параметр для парциальной полосы съемки
в обзорном режиме с применением технологии ScanSAR. Величина
рабочего сектора электронного сканирования луча АФАР в угло-
местной плоскости определяет полосу обзора PCА. Размер аперту-
ры АФАР по координате азимута (вдоль вектора путевой скорости
КА) определяет ширину полосы доплеровских частот отраженных
сигналов и тем самым величину азимутального пространственного
разрешения PCА в маршрутном режиме, а величина сектора элек-
тронного сканирования луча АФАР в азимутальной плоскости опре-
деляет потенциальную величину азимутального пространственного
разрешения PCА в детальном режиме съемки. При отсутствии в
АФАР возможности электронного сканирования PCА может рабо-
тать только в одном режиме маршрутной съемки.
Излучатели современных АФАР имеют возможность работать
как на горизонтальной, так и на вертикальной поляризации, а в при-
емопередающих модулях АФАР создаются независимые приемные
каналы для обеих поляризаций. При этом PCА имеет возможность
получать радиолокационные изображения с восемью различными
поляризационными конфигурациями, перечисленными в табл. 1.1
(H – горизонтальная поляризация, V – вертикальная).
АФАР позволяет путем переконфигурирования апертуры и схем
диаграммообразования получать режимы PCА с разной полосой за-
хвата или формировать два (или три) приемных луча с интерфе-
рометрической базой. В PCА «Radarsat-2» и, как дополнение к
прожекторному режиму, в «TerraSAR-X» используют маршрутный
режим «двойного приема». В нем прием сигналов производится двумя секциями антенны с разделенными по азимуту фазовыми центрами и записывается радиоголограмма расширенным спектром допле-
ровских частот на удвоенной виртуальной частоте повторения, что
позволяет избежать неоднозначности сигналов по азимуту. Такой
принцип позволяет получить азимутальное пространственное разре-
шение, близкое к одной четверти от горизонтального размера антен-
ны (около 3 м для «Radarsat-2» и около 1 м для «TerraSAR-X») [1.3].
В перспективных PCА может применяться обобщение этого
метода – многоканальный режим ScanSAR с высоким разрешением
(HRWS – High resolution wide swath mode), реализация которого,
скорее всего, будет осуществляться в варианте многолучевой АФАР
с цифровым формированием лучей (раздел 1.1.4).
Примеры нескольких разных возможных конфигураций аперту-
ры АФАР показаны на pис. 1.2. На pис. 1.2,а представлен эскиз
конфигурации крупногабаритной АФАР, составленной из активных
40 модулей, каждый из которых имеет по 32 независимо фазируемых
приемопередающих канала. Это основная конфигурация, использу-
емая в режиме детальной съемки. Она обеспечивает максимальный
энергетический потенциал при относительно небольшой полосе за-
хвата. Рисунок 1.2,б показывает конфигурацию для маршрутного
режима съемки, требующую более широкой полосы захвата. В этой
конфигурации 10 крайних модулей по длинной стороне переводят-
ся в пассивный режим (отключаются). За счет этого достигается
расширение диаграммы направленности в угломестной плоскости на
33%, что позволяет увеличить полосу захвата в той же пропорции.
Конфигурация, представленная на pис. 1.2,в, позволяет расширитьполосу захвата в 2 раза по отношению к конфигурации на pис. 1.2,а, что требуется для широкозахватного режима обзорной съемки. Следует иметь в виду, что при уменьшении активной части апертуры
энергетический потенциал АФАР на передачу и прием уменьшается
пропорционально кубу отношения геометрической площади полной
апертуры к площади ее активной части. Например, для pис. 1.2,в
энергетический потенциал АФАР по сравнению с потенциалом для
конфигурации на pис. 1.2,а уменьшается в 8 раз. Правда, и энерго-
потребление АФАР падает, но только в 2 разаКонфигурация, показанная на pис. 1.2,г, может использоваться для режима детальной съемки с селекцией подвижных объектов на
земной поверхности. В этом варианте все 40 модулей используют-
ся в режиме излучения зондирующего сигнала, а в режиме приема,
помимо основного луча, сформированного 40 приемными каналамиполной апертуры, формируются еще два приемных луча, сформированных от секций 1 и 2, в состав которых входит по 16 модулей.
Расстояние между фазовыми центрами секций 1 и 2 образует интерферометрическую базу, используемую для селекции подвижных объектов.
В табл. 1.2 приведены хронологически упорядоченные данные об
испытанных в космосе АФАР зарубежного производства, входящих
в состав PCА ДЗЗ [1.4].
Из тринадцати представленных в таблице типов АФАР пять ра-
ботают в L-диапазоне, пять – в C-диапазоне и три – в X-диапа-
зоне радиочастот. Излучательные системы микрополоскового ти-
па применяются в большинстве АФАР, а волноводно-щелевого типа
только в двух – в PCА «TerraSAR-X» и «Sentinel-1». Встроенная
система внутренней радиометрической калибровки имеется в АФАР
«TerraSAR-X», «EnviSat/ASAR» и «Sentinel-1».
Максимальный энергетический потенциал (ЭИИМ) передающего
тракта достигается в L-диапазоне – в АФАР «ALOS-2/PALSAR-2»
(75 дБ•Вт), в C-диапазоне – в АФАР «Sentinel-1» (80 дБ•Вт) и в
X-диапазоне радиочастот – в АФАР «COSMO-SkyMed» (84 дБ •Вт).
Особенности технического проектирования современных АФАР
космического базирования изложены в главе 2.
1.1.4. Оценка перспектив создания АФАР космического базирования с цифровым
формированием луча
Все эксплуатируемые в настоящее время космические PCА исполь-
зуют аналоговые схемы для формирования луча, что объясняет-
ся простотой и низкой стоимостью такого решения, если от АФАР
требуется формирование только одного луча на передачу и при-
ем сигналов. Даже в тех случаях, когда в режиме обнаружения
подвижных целей необходимо сформировать два или три луча на
прием (для формирования интерферометрической базы от двух по-
ловин полной апертуры АФАР) с последующей независимой обработ-
кой сигналов от субапертур, экономически целесообразно применять
аналоговые методы диаграммообразования. Однако, если от PCА
требуется одновременное формирование многих лучей на передачу
и прием, возможной разумной альтернативой становится использо-
вание цифровых методов формирования лучей [1.5–1.7].
Эта технология может разрешить проблему, связанную с необхо-
димостью существенно расширить полосу захвата PCА без ухудше-
ния параметра пространственного разрешения по координате азиму-
та и без увеличения уровня рекуррентных помех. Суть технологии
заключается в следующем. Передающий тракт формируется с по-
мощью обычных схем аналогового формирования только на части
полной апертуры АФАР, обеспечивающей такую ширину луча по ко-
ординате угла места, чтобы облучить заданную широкую полосу за-
хвата (при этом неизбежно происходит существенное снижение энер-
гетического потенциала радиолокатора). Приемный тракт исполь-
зует полную апертуру АФАР и с помощью цифровых технологий
формирует несколько одновременно функционирующих приемных
лучей, каждый из которых обслуживает свою часть полной полосы
захвата. Сигналы от парциальных приемных лучей проходят каж-
дый по своему приемному тракту, оцифровываются и включаются
в кадр радиолокационной информации. Затем в наземном комплек-
се приема и обработки радиолокационной информации сигналы от
парциальных лучей обрабатываются раздельно с получением парци-
альных РЛИ, которые объединяются в одно изображение с широкой
полосой захвата. В научной литературе предлагаются варианты раз-
деления полномасштабной АФАР на подапертуры как по углу места,
так и по азимуту [1.8–.12]. Другим вариантом применения опи-
санной технологии может быть режим подавления локализованной
в пространстве помехи путем формирования нуля диаграммы на-
правленности приемной антенны в направлении на источник помех.
Проектирование PCА с использованием технологии цифрового
формирования группы лучей сталкивается как с техническими труд-
ностями (снижение энергетического потенциала передатчика PCА,
необходимость оцифровки сигналов подапертур АФАР на проме-
жуточной частоте, вычислительные операции с большими потока-
ми данных), так и с системными проблемами (необходимость рез-
кого понижения частоты повторения зондирующих импульсов для
перекрытия стробом приема широкой полосы захвата и необходи-
мость использования специальных изощренных методов борьбы с
возникающей неоднозначностью по азимуту) [1.13]. Учитывая пере-
численные трудности, по-видимому, в ближайшее десятилетие PCА
с цифровым формированием лучей в космосе не появятся. Часть
предлагаемых методов цифрового формирования луча уже опробо-
вана на авиационных носителях в PCА L- и P-диапазонах радиоволн
[1.14; 1.15].
1.1.5. Требования к приемопередающей
аппаратуре PCА
В приемопередающую аппаратуру PCА (pис. 1.1) входит высокоста-
бильный опорный генератор, который должен обеспечить внут-
реннюю когерентность излучаемого и принимаемого сигналов. В ко-
герентной радиолокационной станции от единого опорного генерато-
ра формируются сигналы несущей частоты передатчика, частоты ге-
теродинов приемника, тактовые частоты цифрового формирователя
сигналов внутриимпульсной модуляции и частоты выборок аналого-
цифрового преобразователя. Требование к предельно допустимой
долговременной относительной нестабильности опорного генератора
диктуется допустимыми ошибками формирования радиолокацион-
ной сетки координат по оси наклонной дальности (или, что то же
самое, по оси задержек отраженного сигнала). При максимальной
допустимой ошибке координатной сетки ±2 м в пределах макси-
мального значения наклонной дальности около 1000 км требования
к долговременной (за все время штатной работы на орбите) допусти-
мой относительной нестабильности опорного генератора составляют
2 • 10−6.
Изменение частоты опорного генератора за время распростране-
ния радиосигнала до объекта съемки и обратно приводит к появ-
лению дополнительного неучтенного изменения фазы отраженного
сигнала, что может привести к нарушению условия когерентности
обработки. Нетрудно показать, что если ограничить максимальное
значение случайного изменения фазы принимаемого PCА сигнала
за счет указанного эффекта величиной –/20 (9◦), то требование к
кратковременной нестабильности опорного генератора может быть
рассчитано по следующей формуле: см. формулу (1.1) в книге
где f0 – несущая частота зондирующего сигнала PCА; C – скорость
света; Rмакс – максимальное значение наклонной дальности до рай-
она съемки.
Расчет по формуле (1.1) для Rмакс = 1000 км и f0 = 9,6 ГГц
дает оценку требуемого значения кратковременной нестабильности
несущей частоты PCА (–f/f0) 6 4 • 10−10.
Когерентность сигналов в PCА должна поддерживаться также в
пределах интервала времени, равного времени синтеза апертуры, ко-
торое обратно пропорционально параметру пространственного раз-
решения радиолокатора по азимутальной координате (вдоль вектора
скорости космического аппарата-носителя PCА). В настоящее время
максимальное время синтеза апертуры в режиме детальной съемки
для PCА, работающего в X-диапазоне радиоволн, составляет 3 с. За
это время уход фазы несущей частоты 9,6 ГГц должен быть не более
45◦, что определяет требование к относительной кратковременной
нестабильности частоты опорного генератора на уровне ±2 • 10−12.
Быстрые гармонические отклонения фазы или несущей частоты
передатчика PCА приводят к появлению дополнительных боковых
лепестков в азимутальном сечении функции отклика системы. Если
задать требование, чтобы относительный уровень дополнительных
боковых лепестков не превышал величины −20 дБ, в соответствии
с [1.16, раздел 5.3] можно получить оценку допустимых значений
амплитуды фазовых гармонических колебаний:
см. уравнение в книге (1.2)
Быстрые случайные фазовые флюктуации разрушают когерент-
ность траекторного сигнала и снижают качественные показатели ра-
диолокационных изображений, полученных с помощью PCА. Поня-
тие «быстрые» в данном контексте рассматривается относительно
времени синтезирования апертуры, т. е. в пределах интервала в
несколько секунд. По данным [1.16, раздел 5.4], при среднеквадра-
тическом значении флюктуаций фазы 1 радиан величина смещения
положения максимума отклика PCА на точечную цель по азиму-
ту может достигать 25% от длительности отклика, относительное
расширение главного лепестка отклика (ухудшение азимутальной
разрешающей способности) составить 0,5%, а уровень первых боко-
вых лепестков функции отклика увеличиться на 5 дБ. Все указанные
искажающие параметры могут быть уменьшены до пренебрежимо
малых значений, если задать и выполнить требование по величине
допустимых среднеквадратических фазовых флюктуаций на уровне
см. уравнение (1.3) в книге
Полоса спектра фазовых флюктуаций для опорного генератора
PCА сантиметрового диапазона должна рассматриваться в преде-
лах от 100 Гц, что соответствует времени распространения сигнала
до объекта съемки и обратно, до 500 МГц, что соответствует дли-
тельности самого короткого символа модулирующего сигнала.
Сводные требования к опорному генератору и тракту формиро-
вания зондирующего сигнала приведены в табл. 1.3.
Формирователь сигналов PCА должен вырабатывать следу-
ющие сигналы:
– когерентные ансамбли СВЧ-импульсных зондирующих сигна-
лов с внутриимпульсной модуляцией для возбуждения тракта
передатчика АФАР. Номинальное значение несущей частоты
зондирующих сигналов и максимальная полоса рабочих час-
тот должны соответствовать заданному заказчиком частотно-
му диапазону и международному «Регламенту радиосвязи».
Вид внутриимпульсной модуляции – ЛЧМ и/или ФКМ;
– сигналы гетеродинов, когерентные с зондирующими сигналами
и имеющие малый уровень фазовых флюктуаций;
– СВЧ-тест-сигнал на несущей частоте без внутриимпульсной мо-
дуляции, который используется в режимах внутренней радио-
метрической калибровки и диагностического контроля АФАР;
– импульсные последовательности стробов тракта передатчика,
которые используются в АФАР для включения передающих ка-
налов на время излучения зондирующих импульсов и стробов
тракта приемника, которые используются в АФАР для откры-
тия приемных каналов в течение интервала приема отражен-
ных от земной поверхности сигналов;
– импульсы выборки аналого-цифровых преобразователей (АЦП),
частота которых должна быть согласована с шириной спектра
зондирующего сигналаПараметры перечисленных сигналов должны на этапе проекти-
рования рассчитываться для каждого режима работы PCА и для
каждого угла визирования объекта съемки и храниться в постоянном
запоминающем устройстве блока управления PCА либо включаться
в массив исходных данных на сеанс работы PCА, передаваемый с
наземного раздела управления на борт КА (в бортовой комплекс
управления) перед началом рабочего витка орбиты.
Возможности выбора диапазонов и ширины полосы радиосигна-
лов для космических PCА ограничены международным «Регламен-
том радиосвязи» [1.17], согласно которому для радиолокационной
съемки из космоса выделены полосы частот, приведенные в табл. 1.4.
В последней колонке табл. 1.4 приведены значения потенциаль-
ного пространственного разрешения PCА по координате угла места
(раздел 6.2.1), которое можно получить, если использовать всю раз-
решенную полосу частот для каждого диапазона радиоволн. Этот
параметр рассчитывается по формуле см уравнение (1.4) в книге
где C = 3 • 108 – скорость света; – угол скольжения.
Максимальное значение разрешенной полосы частот отведено в
X-диапазоне и составляет 600 МГц, что позволяет получить потен-
циальное значение пространственного разрешения PCА 0,5 м. Для
дальнейшего улучшения этого параметра требуется, чтобы в между-
народном «Регламенте радиосвязи» разрешенная полоса частот для
космических PCА, работающих в X-диапазоне, была расширена до
800÷1000 МГц. Заявки на такие изменения регламента уже посту-
пили от ряда стран, так что в последующие годы можно ожидать
появления космических PCА с пространственным разрешением око-
ло 0,3 м.
Приемник, входящий в состав приемопередающей аппаратуры
(см. pис. 1.1), должен выполнять следующие функции:
– принимать от АФАР отраженный сигнал в паузах между зон-
дирующими импульсами, осуществлять усиление, согласован-
ную с полосой сигнала фильтрацию и преобразование сигна-
ла в цифровую форму. Каждый радиочастотный канал при-
емного тракта должен быть оснащен дискретными управля-
емыми аттенюаторами с примерными величинами затухания
20 дБ в тракте СВЧ и 20 дБ в тракте промежуточной часто-
ты. Алгоритмы управления аттенюаторами должны входить в
состав специального программного обеспечения блока управле-
ния PCА;
– вырабатывать информацию об эффективном уровне сигнала
на входе АЦП для использования в схеме автоматической ре-
гулировки усиления и для включения ее в состав служебной
информации в кадр радиолокационной информации;
– преобразовывать аналоговые видеосигналы с выходов прием-
ника в цифровую форму с заданным числом разрядов.
Максимальное число разрядов АЦП приемника должно быть не
менее восьми. Число разрядов выходной информации АЦП может
быть ниже максимального значения и устанавливаться по коман-
дам от блока управления PCА из следующего ряда: 8/6/5/4/3/2/1
(в отдельных режимах радиолокационной съемки возможно сниже-
ние числа разрядов без существенной потери качества выходных
продуктов). При наличии технической возможности можно про-
изводить дискретизацию отраженных сигналов на промежуточной
частоте, без перехода на видеочастоты и без разделения на син-
фазную и квадратурную составляющие. Частота выборок сигнала
в АЦП должна быть связана с несущей частотой зондирующего сиг-
нала целочисленным соотношением и согласована с эффективной
шириной спектра принимаемых сигналов в каждом режиме рабо-
ты PCА. В современных PCА с целью сокращения потока выходной
цифровой информации применяются методы и устройства адаптив-
ного квантования, которые позволяют снизить число разрядов на
отсчет радиоголограммы с исходных восьми до двух-трех разрядов.
В состав бортовой аппаратуры PCА может входить измеритель
амплитуд и фаз сигналов, поступающих с выхода АФАР в режи-
ме радиометрической калибровки передающих и приемных каналов.
Ошибки измерения указанных параметров должны быть не более
±0,5 дБ и ±5◦.
Формирователь кадра радиолокационной информации должен
решать следующие задачи:
– осуществление буферизации входных импульсных потоков циф-
ровых данных, поступающих с выходов АЦП приемных трактов в сеансе работы ВРЛК, и хранение полученных первичных
радиолокационных данных в течение одного периода зондиро-
вания;
– прием от блока управления PCА, обновление и хранение в тече-
ние текущего сеанса работы PCА служебной информации для
включения в состав радиолокационного кадра;
– прием от блока управления PCА, обновление и хранение в те-
чение текущего сеанса работы PCА телеметрической информа-
ции для включения в состав радиолокационного кадра;
– формирование кадра радиолокационной информации с привяз-
кой всех данных к бортовой шкале времени и к текущему но-
меру зондирующего импульса;
– циклическая передача сформированных в течение сеанса съем-
ки кадров в реальном масштабе времени в бортовую аппарату-
ру высокоскоростной радиолинии (БА ВРЛ; см. pис. 1.1).
Кадр радиолокационной информации формируется на основе дан-
ных, собранных в течение одного периода зондирования радиолока-
тора, и представляет собой упорядоченную совокупность трех циф-
ровых массивов данных. Первый – так называемые «сырые» ра-
диолокационные данные (RAW), поступающие от АЦП приемного
тракта в течение сеанса радиолокационной съемки. Этот массив
носит также название «радиоголограмма». Второй – массив (или
фрагмент полного массива) служебной информации, сопровождаю-
щий радиоголограмму и необходимый в наземном комплексе обра-
ботки радиолокационной информации для синтеза радиолокацион-
ных изображений и их привязки к топографическим координатам.
В эту группу данных входят текущие навигационные параметры КА,
текущие фактические параметры настройки радиолокационной ап-
паратуры и др. Третий – массив (или фрагмент полного массива)
текущей телеметрической информации.
Сформированные кадры в темпе следования импульсов зонди-
рования передаются в энергонезависимое запоминающее устройство
БА ВРЛ. Конкретная структура радиолокационного кадра и прото-
кол его передачи в БА ВРЛ для каждого типа PCА определяются
специальными документами на этапе выпуска рабочей конструктор-
ской документации.
1.1.6. Требования к блоку управления PCА
Блок управления PCА (БУPCА) представляет собой специализиро-
ванную электронную вычислительную машину, работающую в ре-
альном масштабе времени и предназначенную для расчета исходных
параметров, необходимых для выполнения сеанса радиолокационнойсъемки, управления всеми составными частями бортовой аппара-
туры PCА во всех режимах, а также для сбора телеметрической
информации, характеризующей техническое состояние аппаратуры.
БУPCА должен выполнять следующие задачи:
– осуществление функций управления составными частями БА
PCА и сбора телеметрической информации при выполнении
всех заданных режимов работы по штатным циклограммам;
– прием из БКУ цифрового массива исходных данных на се-
анс радиолокационной съемки (навигационно-баллистические
данные, координаты района съемки на земной поверхности,
идентификатор режима съемки, время начала и длительность
сеанса съемки и др.);
– прием из БКУ КА синхроимпульсов меток времени «1 Гц»
и кодов идентификации меток времени по стандартной шкале
времени «UTC-ГЛОНАСС»;
– прием из БКУ массивов исходных данных на сеанс работы и
кодовых команд для управления режимами работы аппарату-
ры БСК;
– выдача в БКУ КА массивов цифровой телеметрической инфор-
мации и отчетов о выполнении рабочих режимов;
– поддержание в течение всех сеансов работы PCА бортовой шка-
лы времени с обеспечением привязки к этой шкале всех систем-
ных событий и формируемых данных;
– формирование, периодическое обновление и передача в фор-
мирователь кадра радиолокационной информации цифровых
массивов служебной и телеметрической информации.
В особых случаях может включаться дополнительное требование
об обеспечении возможности модификации специального программ-
ного обеспечения БУPCА в течение периода эксплуатации.
БУPCА должен функционировать под управлением БКУ КА, с
которым он связывается индивидуальными интерфейсами для пере-
дачи и приема разовых команд и магистральными интерфейсами для
передачи и приема массивов цифровых данных (по ГОСТ Р 52070-
2003). Порядок взаимодействия между БУPCА и БКУ КА опреде-
ляется специальным протоколом. Объектами управления БУPCА
являются приемопередающая аппаратура PCА и блок управления
АФАР, взаимодействие с которыми осуществляется с помощью ин-
дивидуальных интерфейсов для передачи и приема разовых команд
и магистральных мультиплексных интерфейсов для передачи и при-
ема массивов цифровых данных (например, RS-485).
1.1.7. Требования к бортовому комплексу управления космического аппарата
в части взаимодействия с PCА
Бортовой комплекс управления космического аппарата в части вза-
имодействия с PCА должен обеспечивать:
– выдачу цифровых и релейных (разовых) команд управления в
блок управления бортовой аппаратуры PCА;
– выдачу в БУPCА импульсной последовательности синхронизи-
рующих меток времени «1 Гц» и кода бортовой шкалы времени;
– выдачу в БУPCА массива программной информации на каж-
дый сеанс работы, содержащего необходимые данные для про-
ведения радиолокационной съемки с привязкой ко времени (но-
мер сеанса, параметры режимов съемки и др.);
– выдачу в БУPCА массивов навигационных данных о текущем
и прогнозируемом положениях и параметрах движения центра
масс КА, координат опорных точек снимаемого района и дан-
ных о фактической ориентации КА;
– формирование команд на включение и отключение напряже-
ния электропитания аппаратуры PCА в начале и конце рабо-
чего участка орбиты;
– прием от БУPCА массивов телеметрической информации о тех-
ническом состоянии аппаратуры PCА;
– прием от БУPCА квитанций и отчетов о прохождении сеансов
работы.
Структура и форматы команд управления и цифровых массивов
данных определяются специальными протоколами.
Особые требования предъявляются к массиву, содержащему на-
вигационные данные КА и координаты опорных точек снимаемого
района. Эти требования вытекают из необходимости, с одной сторо-
ны, иметь исходные данные на борту КА для настройки параметров
PCА перед сеансом съемки и, с другой стороны, иметь навигаци-
онную и топографическую информацию для синтеза радиолокаци-
онных изображений из полученной радиоголограммы в наземных
разделах приема и обработки данных. В случае, когда от PCА тре-
буется предельно высокий уровень пространственного разрешения,
необходимая точность навигационных данных для синтеза радиоло-
кационных изображений может быть получена только на борту КА с
помощью высокоточной автономной системы навигации (АСН). Эти
данные, привязанные к меткам единой шкалы времени, должны об-
новляться с частотой 1 раз в секунду и передаваться на наземные
разделы вместе с радиоголограммой. Исследования, проведенные в
[1.18, глав 3, табл. 3.3], показали, что ошибки определения наклон-
ной дальности, модулей вектора путевой скорости и ускорения КА в
зависимости от требуемого пространственного разрешения должны
быть не более значений, приведенных в табл. 1.5.
При расчете данных табл. 1.5 использовались следующие исход-
ные данные. Потенциально достижимое пространственное разреше-
ние принималось одинаковым по азимутальной и угломестной ко-
ординатам с учетом максимально допустимой полосы частот зон-
дирующего сигнала, установленной международным «Регламентом
радиосвязи» (см. табл. 1.4, последняя колонка). Предельно до-
пустимое значение ошибки фазовой траектории опорного сигнала,
используемого при азимутальном синтезе РЛИ, бралось равным –/8.
В расчетах высота полета PCА над поверхностью Земли принима-
лась равной 600 км, наклонная дальность от КА до объекта съемки –
760 км.
Из данных табл. 1.5 следует, что для получения высокого про-
странственного разрешения радиолокационных изображений, полу-
чаемых с помощью космических PCА, предъявляются жесткие тре-
бования к точностным характеристикам АСН. По существу, дости-
жимый уровень пространственной разрешающей способности PCА
зависит в равной степени как от параметров радиолокационной сис-
темы, так и от параметров АСН. Недооценка этого обстоятельства
приводит к большим дополнительным затратам времени при обра-
ботке радиоголограмм в наземных разделах синтеза радиолокацион-
ных изображений. В частности, результаты летных испытаний кос-
мического аппарата «Кондор-Э» показали, что «расчеты параметров
фокусировки в детальном прожекторном и в детальном непрерыв-
ном режимах съемки с помощью штатной навигационной системы
не дают желаемого результата. Только комбинируя инструменталь-
ный вариант фокусировки с автофокусировкой, удалось добиться
удовлетворительного результата» [1.19].
Бортовой комплекс управления должен обеспечивать и высокие
точностные характеристики по ориентации конструкции КА относи-
тельно центра масс по трем осям в течение сеанса радиолокационной
съемки. Антенная система PCА, как правило, жестко связана с эле-
ментами конструкции КА и ее начальная ориентация в пространстве,
обусловливающая и начальную ориентацию главного луча, соответ-
ствует ориентации КА. На pис. 1.3 схематически показаны варианты
смещения следа луча антенны PCА при наличии ошибок ориента-
ции КА.
Имеются два критерия, по которым выдвигаются требования к
точностным характеристикам системы ориентации в части обеспе-
чения правильной работы PCА. Первый – это необходимость обес-
печения совпадения траверсной плоскости (плоскость, включающая
центр масс КА, надир и центр снимаемого объекта) с плоскостью ну-
левого доплеровского смещения частоты отраженного сигнала. Для
обеспечения этого требования необходимо устанавливать азимуталь-
ную ось конструкции АФАР параллельно вектору путевой скорости
космического аппарата в гринвичской системе координат, что требу-
ет программной компенсации вращения Земли в пределах ±4◦. Вто-
рой критерий – необходимость обеспечения точности нацеливания
нормали к плоскости апертуры антенны на центр снимаемого сю-
жета (или центр полосы захвата) с максимальной ошибкой не более
300 м. Оба эти критерия диктуют следующие требования к систе-
ме ориентации и стабилизации осей КА по трем осям в гринвичской
системе координат в течение сеанса радиолокационной съемки:
– максимальная (3–) ошибка ориентации осей КА и одновремен-
но осей антенны – не более 1,5 угл. мин;
– максимальное значение остаточной угловой скорости осей КА
относительно центра масс – не более 0,4 угл. мин/с;
– случайные угловые колебания осей КА – не более 0,06 угл. мин
в полосе частот от 1 до 50 Гц, не более 0,3 угл. мин в полосе
частот более 50 Гц.
Помимо навигационной информации, бортовой комплекс управ-
ления должен обеспечивать выдачу в PCА перед сеансом и периоди-
чески в течение сеанса съемки топографические данные о профиле
рельефа снимаемой местности с целью снижения ошибок совмеще-
ния центра строба радиолокационного приемника с центром снимаемого объекта или маршрута. Например, для режима детальной
съемки такого рода ошибки допускаются не более 300 м.
Величина ошибки смещения (A)-линии визирования центра сни-
маемого кадра зависит от угла визирования – (или от угла скольже-
ния ), как показано на pис. 1.4.
Высота местного рельефа h, приводящая к смещению центра кад-
ра на величину A, рассчитывается по формуле A = h/tg . Для
типовых орбит PCА ДЗЗ среднее значение угла скольжения состав-
ляет 45◦. При данных условиях максимально допустимое значе-
ние ошибки учета рельефа земной поверхности в режиме детальной
съемки равно –b = A = 300 м.
На pис. 1.5 приведена в качестве примера изменения рельефа
трасса КА на рабочем отрезке «Тегеран –Шираз» и соответствую-
щий профиль рельефа земной поверхности в режиме маршрутной
съемки с помощью PCА ДЗЗ [расчет профиля высот выполнен по
программе http://www.433175.ru/index.php?do=static&page=map].
На этом же рисунке приведена отложенная ось текущего времени (t)
полета КА в течение сеанса съемки.
до 3000 м. Причем на первом отмеченном участке (30÷37 секун-
ды сеанса) средняя скорость изменения высоты рельефа составила
+170 м/с, на втором участке – +45 м/с, а на третьем – −400 м/с.
Из приведенного примера следует, что для выполнения требований в
части допустимых сдвигов границ снимаемого кадра информация о
рельефе земной поверхности в режиме детальной съемки, поставля-
емая из БКУ КА в PCА с привязкой к бортовой шкале времени,
должна обновляться не реже одного раза в секунду. Цифровые
карты рельефа районов, предназначенных для проведения радиоло-
кационных съемок с погрешностью отображения высот около 100 м,
должны формироваться в наземном центре планирования работы
КА и включаться в суточное полетное задание.
Вопросы интегрирования и унификации космических радиолокационных систем ДЗЗ разделяются на три категории.
Первая категория касается элементной комплектующей базы для бортовой аппаратуры. К аппаратуре космического применения всегда предъявляются требования минимизации размеров, массы и энергопотребления, что предполагает использование электронных компонентов с высоким уровнем интеграции. К примеру, практика проектирования приемопередающих модулей (ППМ) для АФАР показала, что переход от твердотельной микроэлектронной технологии на монолитные интегральные микросхемы позволяет уменьшить размеры ППМ в 1,5 раза. Вместе с тем в настоящее время российская
промышленность не в состоянии предложить достаточную номенкла-
туру высокоинтегрированных радиоэлектронных компонентов с вы-
сокими параметрами радиационной стойкости для построения бор-
товых радиолокационных комплексов. Перспективы развития оте-
чественной СВЧ интегральной электроники рассмотрены в главе 3
книги.
Вторая категория вопросов интегрирования и унификации отно-
сится к уровню блоков и устройств. В этом сегменте можно говорить
о целесообразности создания унифицированных технологий для про-
изводства фрагментов излучательных систем АФАР, унифицирован-
ных приемопередающих модулей для АФАР разных диапазонов час-
тот, опорных высокостабильных генераторов, формирователей зон-
дирующих сигналов, блоков приемников, блоков аналого-цифровых
преобразователей, бортовых управляющих вычислительных машин.
В частности, еще в 2003 г. специалисты 4 ЦНИИ Министерства обо-
роны выделяли такие актуальные направления развития бортовых
вычислительных и управляющих машин для изделий космической
техники, как унификация бортовых цифровых вычислительных си-
стем различных классов и создание единого унифицированного ря-
да ЭВМ с использованием единого конструктивно-функционально-
го модуля и максимальная унификация интерфейсов для бортовых
ЭВМ [1.20].
К третьей категории относятся системные вопросы интегрирова-
ния и унификации. Прежде всего это интегрирование и унифика-
ция наземных комплексов приема и обработки данных, получаемых
с разных средств ДЗЗ космического базирования (оптических, ра-
диолокационных, отечественных и иностранных). В соответствии с
«Концепцией развития российской космической системы дистанци-
онного зондирования Земли на период до 2025 года» для решения
данной проблемы предполагается создать Единую территориально-
распределенную информационную систему дистанционного зондиро-
вания (ЕТРИС ДЗ), которая позволит функционально объединить
наземные комплексы и центры приема, обработки и распространения
космической информации, принадлежащие ведомствам, регионам,
крупным компаниям, интегрировать их информационные ресурсы
в области ДЗЗ в единое геоинформационное пространство для мак-
симального удовлетворения потребностей различных категорий по-
требителей.
В настоящее время сеть гражданских наземных комплексов прие-
ма, обработки и распространения данных, приемных центров и стан-
ций ДЗЗ на территории России включает:
– НКПОР Роскосмоса (Научный центр оперативного мониторин-
га Земли, г. Москва, район Отрадное);
– центры ДЗЗ предприятий ракетно-космической промышленно-
сти (ГНПРКЦ «ЦСКБ-Прогресс», г. Самара и ГКНПЦ им.
М.В. Хруничева, г. Москва);
– НКПОР Росгидромета в составе пяти приемных центров (горо-
да Москва, Долгопрудный, Обнинск, Новосибирск, Хабаровск);
– сеть приемных станций Министерства чрезвычайных ситуаций
в составе пяти центров ДЗЗ (города Москва, Вологда, Красно-
ярск, Хабаровск, Владивосток);
– сеть станций приема Минприроды в составе шести центров ДЗЗ
(города Москва, Геленджик, Екатеринбург, Иркутск, Якутск,
Южно-Сахалинск);
– центр приема информации Росреестра (г. Москва);
– региональный центр ДЗЗ в г. Ханты-Мансийске.
Еще одной системной задачей является интегрирование и уни-
фикация бортовой аппаратуры запоминания и передачи на назем-
ные разделы приема и обработки радиолокационной информации,
полученной от PCА, т. е. бортовой аппаратуры высокоскоростной
радиолинии. В настоящее время наиболее реальной является за-
дача создания унифицированного комплекта бортовой аппаратуры
ВРЛ X-диапазона с информационной скоростью около 300 Мбит/с,
в дальнейшем – до 600 ÷ 800 Мбит/с. Также необходимо создать
унифицированный комплект аналогичной аппаратуры для переда-
чи информации через перспективный геостационарный спутник-ре-
транслятор в Ка-диапазоне, которая может быть интегрирована с
аппаратурой прямой передачи информации на Землю. Одновре-
менно для согласования потока цифровых данных от PCА с про-
пускной способностью радиолинии передачи данных имеет смысл
разработать унифицированное устройство сжатия радиолокацион-
ной информации на борту КА перед передачей ее через радиолинию
на наземные разделы. Обзор возможностей в этом направлении со-
держится в [1.1].
Наряду с унификацией аппаратуры необходимо утвердить уни-
фицированный высокоскоростной бортовой интерфейс для передачи
больших потоков радиолокационных данных в унифицированную
бортовую аппаратуру ВРЛ. Возможным вариантом решения этой за-
дачи является российская адаптация интерфейса SpaceWire для при-
менения на космических аппаратах, который позволяет осуществ-
лять передачу данных в одном канале со скоростью до 200 Мбит/с.
Предприятие АО «ИСС им. академика М.Ф. Решетнева» приступи-
ло к практическим действиям в этом направлении. В частности,
оно инициировало разработку и освоение производства на отече-
ственном предприятии ПАО «Микрон» большой интегральой схе-
мы (терминального узла) бортовой информационной сети с аппа-
ратной реализацией контроллера SpaceWire со сроком реализации
2016–2019 гг. (программа Минпромторга «Импортозамещение ЭКБ
ИП). Одновременно началась разработка проектов группы нацио-
нальных стандартов (ГОСТ) технологии SpaceWire-RUS (интерфейс
SpaceWire, транспортный протокол сети SpaceWire на базе протоко-
ла СТП-ИСС) в те же сроки реализации (СЧ НИР «Партитура»,
ФКП 2016–2025 гг, заказчик ФГУП ЦНИИмаш).
К задачам третьей категории также относятся унификация спе-
цификаций параметров космических PCА и протоколов передачи
радиолокационной информации на наземные разделы приема и об-
работки. В качестве примеров можно привести некоторые из дей-
ствующих за рубежом спецификаций:
– CEOS. Synthetic Aperture Radar Data Product. Format Stan-
dards. Revision 2.0. CEOS-SAR-CCT. 10.03.1989;
– X-SAR CEOS Format. X-SAR-D-CEOS. Version 2.0. 27.04.1995;
– RADARSAT-1 Data Products Specifications». RSI-GS-026, Revi-
sion 3/0. August 19, 2004;
– TerraSAR-X. Ground Segment. Basic Product Specification Docu-
ment. TX-GS-DD-3302, issue 1.9, 09.10.2013;
– Sentinel-1 Product Specification. S1-RS-MDA-52-7441. Revision
2/7. 30.01.2014.
Стандарты CEOS определяют типы радиолокационных продук-
тов, форматы данных, состав и содержание сопроводительной слу-
жебной информации. Для представления радиолокационных дан-
ных ДЗЗ в формате CEOS используется структура из четырех фай-
лов, показанных на pис. 1.6: файл каталога тома (Volume directory
file), файл заголовка (Leader file), файл данных (Data set file), файл
нулевого тома (Null volume file) [1.21].
Каждый файл содержит записи, первые 12 байт которых име-
ют одинаковую структуру и включают информацию о порядковом
номере, типе и длине записи. Каждая запись разделена на обла-
сти, имеющие в зависимости от содержимого определенный формат,
описание которого состоит из двух частей. Для первой части исполь-
зуется буквенное обозначение областей: A – буквенно-цифровая,
B – код CEOS, I – целочисленные данные, F – числовая с плава-
ющей точкой, E – числовая экспоненциальная область.
Вторая часть описания представляется числом, указывающим ко-
личество байт, занимаемых данной областью. Если эта часть пред-
ставлена дробным числом, то целая часть числа дает информацию
об общем количестве байт области, а часть числа после запятой –
информацию о количестве байт, отведенных для дробной составля-
ющей.
Файл каталога тома содержит запись его описания, запись ука-
зателя на файл заголовка, запись указателя на файл данных и тек-
стовую запись.
Файл заголовка включает запись описания, запись о необрабо-
танных данных, запись с необработанными данными о положении
платформы, запись данных общего типа для радиолокатора, запись
данных качественного типа для радиолокатора. Запись описаниясодержит идентификатор формата контрольного документа, номер
и имя файла, сведения о локации и наборе данных, информацию
о количестве и длине записи картографической проекции, положе-
нии платформы, пространственном положении, радиометрических
данных, радиометрических коррекциях, спектральных диапазонах,
корректировках параметров радара, типе длины записи. Запись о
необработанных данных хранит основные параметры радиолокато-
ра, общие параметры для обработки, указатель диапазона сжатия,
параметры сцены и особенности, характерные для рассматриваемо-
го участка местности. Запись с необработанными данными о по-
ложении платформы включает информацию о позиционировании
опорных точек кадра, точное время получения каждой из точек,
временной интервал между точками, справку о системе координат,
ошибку позиционирования вдоль и перпендикулярно направлению
движения платформы, вектора положения и скорости для каждой
точки. Запись данных общего типа для радиолокатора содержит
информацию о начальной длительности стробирующего импульса,
об изменении частоты следования импульсов, о калибровочных ко-
эффициентах, параметрах опорного ЛЧМ сигнала, входных данных
статистики, достоверности среднего значения доплеровской часто-
ты, степени достоверности неопределенности сдвига доплеровской
частоты, количестве вышеперечисленных изменений, уровнях боко-
вых лепестков кросскорреляционной функции ЛЧМ, расчетных ве-
личинах квадратурной и синфазной составляющей входного сигнала,
калибровке сигнала.
Файл данных, структура которого показана на pис. 1.7, включает
запись описания файла и набор записей необработанных данных.
Запись описания файла содержит идентификатор формата кон-
трольного документа, номер и имя файла, данные об объекте съем-
ки (номер объекта, длительность сеанса съемки, код режима съем-
ки), информацию о количестве записей с необработанными данны-
ми, длине каждой записи, количестве строк и пикселей в каждом
комплекте данных. Каждая запись с данными необработанного сиг-
нала хранит описание, включающее количество строк, количество
пикселей в строке, вспомогательную информацию о параметрах ра-
диолокатора, счетчик пакетов, и представляет собой одну строку ра-
диоголограммы, т. е. отраженные сигналы для одного зондирующего
импульса. Каждый элемент строки радиоголограммы представлен
двумя байтами, по одному байту на синфазную и квадратурную со-
ставляющие отраженного сигнала. Файл нулевого тома содержит
запись описания файла, которая включает идентификаторы физиче-
ского и логического томов, количество томов, их порядковые номера,
дату, время, страну, организацию создания тома.