ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННАЯ КОСМИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ Российский патент 1996 года по МПК H04N5/33 H04B10/10 

Изобретение относится к радиоэлектронной технике, в частности к системам наблюдения за земной поверхностью из космоса, и может быть использовано для получения видеосигнала оптического или инфракрасного изображения с борта летательного аппарата, например искусственного спутника Земли (ИСЗ) самолета, вертолета, при решении задач исследования природных ресурсов Земли и других народно-хозяйственных задач.

Известна оптико-электронная цифровая космическая система дистанционного зондирования, размещаемая на борту ИСЗ и содержащая последовательно соединенные блок приема видеоданных, включающий объектив и оптико-электронный преобразователь в виде фотоприемной матрицы, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), блок формирования кадра информации, и запоминающее устройство, генератор синхронизирующих импульсов, оконечное устройство, выполненное в виде регистратора с записью аналоговой информации на фотопленку, анализируемой затем на наземном пункте обработки.

К недостаткам известной системы можно отнести невозможность непосредственной передачи информации на наземные объекты, что существенно снижает оперативность получения информации пользователями, высокую стоимость и низкую их надежность получения данных. Кроме того, применение аналогового метода прямой записи на борту не всегда оправдано из-за необходимости последующего аналого-цифрового преобразования информации при обработке данных на наземном пункте обработке.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемой является оптико-электронная космическая система дистанционного зондирования, включающая низкоорбитальный ИСЗ, имеющий на своем борту оптико-электронную приемную часть, содержащую оптическое входное устройство, оптоэлектронный преобразователь с фотоприемными схемами, АЦП, блок формирования кадра информации и запоминающее устройство (ЗУ), и передающую часть, включающую радиопередатчик с антенной, а также наземную приемную станцию с антенной.

Известная система позволяет увеличить оперативность получения и обработки данных в связи с возможностью непосредственной передачи информации на наземные пункты обработки, а также повысить качество информации, передаваемой в цифровой форме.

Недостаток ее связан с тем, что области дистанционного зондирования, с которых возможна непосредственная передача информации на наземные пункты, ограничены зонами прямой видимости ИСЗ с этих пунктов. Повышение орбиты ИСЗ с целью расширения этих зон ведет к ухудшению разрешения. Возможность дистанционного зондирования вне зон прямой видимости существенно ограничена емкостью ЗУ, при этом также существенно снижается оперативность поступления информации в наземные приемные пункты.

Цель изобретения увеличение производительности (суточного объема поступающей с ИСЗ информации) для участков орбит, лежащих вне зон прямой видимости ИСЗ с наземных приемных пунктов, а также увеличение оперативности поступления информации с указанных участков орбит.

Сущность изобретения заключается в том, что в оптико-электронную космическую систему дистанционного зондирования, включающую низкоорбитальный ИСЗ, имеющий на своем борту оптико-электронную приемную часть, содержащую оптическое входное устройство, оптоэлектронный преобразователь с фотоприемными схемами, АЦП, формирователь кадра информации, ЗУ и передающую часть, включающую радиопередатчик с антенной, а также наземную приемную станцию с антенной, дополнительно введен расположенный в зоне видимости наземной станции ретранслятор на геостационарном ИСЗ, содержащий последовательно соединенные приемную антенну, малошумящий усилитель, первый преобразователь частоты, усилитель промежуточной частоты, полосовой фильтр, второй преобразователь частоты, выходной усилитель, передающую антенну, а также первый и второй формирователи частоты, выходы которых соединены соответственно с вторым входом первого преобразователя частоты и с вторым входом второго преобразователя частоты, а входы соответственно с первым и вторым выходами задающего генератора, в оптико-электронную приемную часть низкоорбитального ИСЗ введен блок сжатия потока информации, входы которого подключены к выходам АЦП, а выходы к входам формирователя кадра информации, при этом ЗУ выполнено в виде нескольких накопителей на магнитной ленте, содержащих переключатели скоростей ленты, а фотоприемные схемы оптико-электронного преобразователя разделены на несколько идентичных групп, количество которых равно числу накопителей и выход каждой из которых соединен через АЦП, блок сжатия потока информации и формирователь кадра информации с соответствующим накопителем, причем выходы накопителей соединены с коммутатором каналов, выход которого соединен с входом радиопередатчика, а наземная приемная станция выполнена в виде последовательно включенных с антенной радиоприемника блока восстановления потока информации и блока воспроизведения и регистрации информации.

При этом низкоорбитальный ИСЗ может быть снабжен приемником-пеленгатором, который через блок управления ориентацией диаграммы направленности соединен с передающей антенной радиопередатчика.

Кроме того, приемная и передающая антенны ретранслятора геостационарного ИСЗ могут быть выполнены в виде сканирующих активных фазированных антенных решеток (АФАР).

Введение в состав бортовой аппаратуры низкоорбитального ИСЗ блока сжатия потока информации и набора коммутируемых по выходам накопителей на магнитной ленте с переключаемой скоростью движения ленты позволяет существенно снизить подлежащий передаче на наземную приемную станцию поток информации о зондируемых участках поверхности Земли, что позволяет ввести в систему ретранслятор на геостационарном ИСЗ и расширить зону, с которой возможна оперативная передача информации до зоны прямой видимости низкоорбитального ИСЗ с геостационарного ИСЗ. При этом снимается также ограничение на производительность, обусловленное ограниченной емкостью ЗУ.

Выполнение приемной и передающих антенн на низкоорбитальном и геостационарном ИСЗ в виде сканирующих АФАР позволяет значительно повысить надежность системы.

На фиг.1 изображена космическая система дистанционного зондирования, общий вид; на фиг.2 структурная схема сопряженных оптико-электронной приемной и передающей частей, размещенных на борту низкоорбитального ИСЗ; на фиг.3 электрическая структурная схема приема и обработки информации наземной станции; на фиг.4 электрическая структурная схема ретранслятора, размещаемого на борту геостационарного ИСЗ.

Оптико-электронная космическая система дистанционного зондирования (см. фиг.1) содержит никзоорбитальный ИСЗ 1, наземную приемную станцию 2 и геостационарной ИСЗ 3, который расположен в зоне видимости наземной станции 2.

Оптико-электронная приемная и передающие части (см. фиг.2), размещаемые на борту ИСЗ 1, содержат оптическое входное устройство 4, оптико-электронный преобразователь 5, фотоприемные схемы которого расположены в фокальной плоскости оптического входного устройства 4 и разделены на N групп, АЦП 6, блок сжатия потока информации 7, формирователь кадра информации 8, N накопителей на магнитной ленте 9, входы которых соединены с N выходами формирователя кадра информации 8, коммутатор на N каналов с общим выходом 10, радиопередатчик 11 и передающую антенну 12.

Наземная приемная станция 2 (см. фиг.3) содержит приемную антенну 13, радиоприемник 14, блок восстановления потока информации 15 и блок воспроизведения и регистрации информации 16.

Ретранслятор геостационарного ИСЗ 3 (см. фиг.4) содержит последовательно соединенные приемную антенну 17, радиоприемник 18, включающий малошумящий усилитель 19 и первый (входной) преобразователь частоты 20, усилитель промежуточной частоты 21, полосовой фильтр 22, радиопередатчик 23, включающий второй (выходной) преобразователь частоты 24 и выходной усилитель 25, и передающую антенну 26. В состав ретранслятора также входит блок формирования гетеродинных частот 27, включающий задающий генератор 28 и первый 29 и второй 30 формиpователи частоты. Выходы первого 29 и второго 30 формирователей соединены соответственно с вторым входом первого преобразователя 20 и с вторым входом второго пpеобазователя 24, а входы соответственно с первым и вторым выходами задающего генератора 28.

Кроме того, приемная 17 и передающая 26 антенны ретранслятора выполнены в виде сканирующих АФАР.

Кроме того, ИСЗ 1 снабжен пpиемником-пеленгатором 31 с антенной 32, который соединен через блок 33 управления ориентацией диаграммы направленности с передающей антенной 12 радиопередатчика 11 (см. фиг.2).

Космическая система дистанционного зондирования работает следующим образом.

При перемещении низкоорбитального ИСЗ 1, выполняющего функцию наблюдения, над поверхностью Земли изображения наблюдаемых объектов перемещаются в фокальной плоскости входного оптического устройства 4, где расположены фотоприемные схемы оптико-электронного преобразователя 5, разделенные на N секций. С элементов фотоприемных схем каждой из N секций одновременно снимаются аналоговые отсчеты сигналов и направляются по параллельным каналам в АЦП 6. После преобразования с выхода АЦП 6 цифровые отсчеты направляются в блок сжатия потока информации 7, где поток цифровой информации уменьшается в n₁ раз. С блока сжатия информации 7 сигналы поступают в формирователь кадра информации 8, где к информации наблюдения добавляется служебная информация. С выхода формирователя кадра информации 7 информация по N каналам поступает на соответствующие накопители на магнитной ленте 9.

В промежутках между сеансами наблюдения объектов производится последовательное считывание цифровой информации с накопителей 9 и направление ее через коммутатор 10 и радиопередатчик 11. При этом считывание производится с меньшей скоростью движения ленты, чем запись, что позволяет уменьшить поток информации в n₂ Vзап/счит. раз, где V_зап скорость записи; V_счит скорость считывания.

В целом поток информации от оптико-электронного преобразователя 5 до радиопередатчика 11 уменьшается в n₁.n₂.N раз.

В радиопередатчике 11 принятая информация используется для модуляции несущей частоты сигнала, далее производится требуемое усиление по мощности, фильтрация и соответствующее согласование с антенной 12. Антенна 12 излучает сигнал в направлении геостационарного ИСЗ с ретранслятором. Для точной подстройки направления оси диаграммы направленности передающей антенны 12 ИСЗ 1 в условиях движения ИСЗ 1 и ИСЗ 3 в ИСЗ 1 используют блок 33 управления ориентацией диаграммы направленности и приемник-пеленгатор 31 с антенной 32 в виде активной фазированной антенной решетки, расположенной в одной плоскости с передающей антенной 12. По управляющему сигналу приемника-пеленгатора 31 обеспечивается изменение направления оси диаграммы направленности передающей антенны 12 в процессе наведения и передачи сигналов, что обеспечивает максимальную достоверность передачи сигналов пир минимальной мощности радиопередатчика 11 с остронаправленной передающей антенной 12. Приемная антенна 17 ретранслятора принимает сигнал, после чего сигнал последовательно проходит малошумящий усилитель 19, первый преобразователь частоты 20, который используется для понижения несущей частоты, усилитель промежуточной частоты 21, полосовой фильтр 22, второй преобразователь частоты 24, выходной усилитель 25 и поступает в передающую антенну 26, которая излучает сигнал в направлении наземной станции 2. Приемная антенна 13 наземной станции принимает сигнал, который далее последовательно проходит приемник 14 и блок восстановления потока информации 15, который выполняет операцию, обратную сжатию потока информации, после чего выводится на блок воспроизведения и регистрации 16.

В конкретном примере выполнения системы дистанционного зондирования фотоприемные схемы оптико-электронного преобразователя разделены на 8 групп, соответственно использовано N 8 накопителей на магнитной ленте, в блоке сжатия потока информации использована дифференциальная импульсно-кодовая модуляция, дающая сжатие потока информации в n₁ 3 раза, а скорость считывания информации с накопителей на магнитной ленте меньше скорости записи в n₂ 3 раза. Общее уменьшение потока информации от АЦП до передатчика составляет 72 раза.

Использование: в радиоэлектронике; системы наблюдения земной поверхности из космоса. Сущность изобретения: фотоприемные схемы оптико-электронного преобразователя 5, входящего в состав оптико-электронной приемной части низкоорбирательного искусственного спутника Земли (ИСЗ), разделены на несколько секций. Оцифрованная информация с каждой секции записывается в свой накопитель 9 на магнитной ленте. Считывание информации с накопителей 9 в радиопередатчик 11 производится через коммутатор 10 последовательно. Скорость считывания меньше скорости записи. Дополнительное уменьшение потока информации достигается за счет уменьшения избыточности в блоке 7 сжатия потока информации. С низкоорбитального ИСЗ информация передается через ретранслятор геостационарного ИСЗ на наземную станцию. Антенна 12 ИСЗ и антенны ретранслятора геостационарного ИСЗ выполнены в виде сканирующих фазированных антенных решеток, что повышает надежность системы. 2 з. п. ф-лы, 4 ил.

1. ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННАЯ КОСМИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ, включающая низкоорбитальный искусственный спутник (ИСЗ), имеющий на своем борту оптико-электронную приемную часть, содержащую оптическое входное устройство, оптоэлектронный преобразователь с фотоприемными схемами, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), формирователь кадра информации, запоминающее устройство, и передающую часть, включающую радиопередатчик с антенной, а также наземную приемную станцию с антенной, отличающаяся тем, что в нее дополнительно введен расположенный в зоне видимости наземной станции геостационарный ИСЗ с ретранслятором, содержащим последовательно соединенные приемную антенну, малошумящий усилитель, первый преобразователь частоты, усилитель промежуточной частоты, полосовой фильтр, второй преобразователь частоты, выходной усилитель, передающую антенну, а также первый и второй формирователи частоты, выходы которых соединены соответственно с вторыми входами первого и второго преобразователей частоты, а входы - соответственно с первым и вторым выходами задающего генератора, в оптико-электронную приемную часть низкоорбитального ИСЗ введен блок сжатия потока информации, входа которого подключены к выходам АЦП, а выходы - к входам формирователя кадра информации, при этом запоминающее устройство выполнено в виде нескольких накопителей на магнитной ленте, содержащих переключатели скоростей ленты, а фотоприемные схемы оптоэлектронного преобразователя разделены на несколько идентичных групп, количество которых равно числу накопителей и выход каждой из которых соединен через АЦП, блок сжатия потока информации и формирователь кадра информации с соответствующим накопителем, причем выходы накопителей соединены с коммутатором каналов, выход которого соединен с входом радиопередатчика, а наземная приемная станция выполнена в виде последовательно включенных с антенной приемника, блока восстановления потока информации и блока воспроизведения и регистрации информации. 2. Система по п.1, отличающаяся тем, что низкоорбитальный ИСЗ снабжен приемником-пеленгатором с антенной, который соединен через блок управления ориентацией диаграммы направленности с передающей антенной радиопередатчика. 3. Система по п.1, отличающаяся тем, что приемная и передающая антенны ретранслятора выполнены в виде сканирующих активных фазированных антенных решеток.