Геометрические принципы зондирования Земли

Ширина полосы обзора связана с возможностью разворачивать съемочную аппаратуру по углу крена относительно направления в надир. Обычно для систем высокого разрешения разворот осуществляется поворотом всего космического аппарата, на угол (по крену) не более ± 30°.

Общее выражение для расчета полосы обзора для такого КА имеет вид:

L_обз = Н ▪ tg(α + ω) (1.2.1)

где α - угол крена, 2ω -поле зрения объектива.

Отметим, что при малых углах поля зрения 2ω формулы дают практически одинаковый результат без поворота. На рис. 3.5 обозначена Н- высота полета, при этом скорость полета направлена перпендикулярно плоскости картины. Спутник сам находится в точке O и в нормальном положении его ось визирования направлена в надир (N). Угол KOL представляет собой поле зрения камеры и равен 2ω. Угол NOA = α - это угол крена, т. е. отворота оси визирования, KL = L_зах - полоса захвата, а BD = L_обз - это полоса обзора.

Рис. 3.5. Схема формирования полосы захвата и обзора

Длина строки (фоточувствительной зоны l) ПЗС и ее проекция на местности называется полосой захвата L, H – высота орбиты, f_об –фокусное расстояние объектива космического телескопа (рис. 3.6).

Одним из основных технических характеристик ОЭК, предназначенных для дистанционного зондирования земли, является размер проекции пиксела на Землю (одного фоточувствительного элемента ПЗС-линейки или ПЗС-матрицы). Обычно пиксел имеет форму квадрата со стороной δ_эл.

Отсюда, из геометрии выводится L (ширина полосы захвата) следующая зависимость:

L_ЗАХ = (l/f_об)H = Δ_пр•N_L, (1.2.2)

где f_об - фокусное расстояние объектива КТ, H-высота КА,

N_L - количество фоточувствительных элементов в строке,

Δ_пр - проекция фотоприемного элемента

Рис. 3.6. Оптическая схема КА на орбите

Из рис. 3.6 очевидно, что размер Δ_пр проекции пиксела на Землю связан с размером сторон пиксела следующим соотношением:

Δ_пр = ( δ_эл / f_об )Н (1.2.3)

δ_эл = (Δ_пр /Н) f_об (1.2.4)

где f_об - фокусное расстояние объектива, Δ_пр - проекция элемента ПЗС.

Линейное разрешение Δ_пр -проекция на Землю связан с размером пиксела δ_эл (дискретный элемент ПЗС-структуры) вычисляется соотношением:

(1.2.5)

где ν₀ = ν_р / ν_пр – нормированная пространственная частота (отношения рабочей к предельной), D_об – диаметр объектива, k – коэффициент пропускания оптики.

ОЭП для ДЗЗ, обычно работает в следующих спектральных диапазонах:

- ВД - канал (длина волн 0.45 – 0.8 мкм);

- МК – канал (длина волн 0,54-0,59; 0,63-0,68; 0,79-0,9);

- ИК - канал (длина волн 0,9-14 мкм ).

Для съемочной аппаратуры, работающей в ультрафиолетовом и инфракрасном диапазонах, фотоприемники имеют гораздо меньшую степень интеграции и, как правило, содержат не более 512 элементов в строке, а в видимом диапазоне до 40000 элементов в строке.

Этапы проектирования

Проектирование космической системы наблюдения начинается:

- во-первых, с технического задания (ТЗ) на космическую систему (КС), где должны быть определены цель и задачи проекта;

- во-вторых, с оценок достижимых технических характеристик КА.

Структура технического задания (ТЗ) является основным исходным документом для разработки космического аппарата, в котором определяются цель разработки, назначение, ТТХ, технико-экономические показатели, этапы и сроки их выполнения и другие требования.

В общем случае ТЗ должно содержать следующие разделы:

- наименование, основание и шифр для разработки;

- разработчик, соисполнители и изготовитель;

- состав и тактико-технические требования к КА;

- технико-экономические требования;

- требования к материалам (требования к покупным изделиям и применяемым материалам);

- требования к консервации и упаковке, в зависимости от условий хранения и транспортировки, а также маркировке (место, содержание и способ нанесения маркировки);

- требования к учебно-тренировочным средствам;

- специальные требования и др.;

- требования к разрабатываемой документации (состав проектной, конструкторской, технологической и эксплуатационной документации);

- требования на наименования этапов, сроки их выполнения, содержание работ на каждом этапе и исполнители;

- график создания космического аппарата и космической системы в целом с определением срока исполнения этапов.

Этапы проекта космической системы в виде цепочки:

НИР →ТЗ → ТП → ЭП → РД → ОКР → Усл. Эксп.

ТЗ → ТП: разработка и согласование только ТЗ (ТТХ определяется в ТЗ),
ТП→ ЭП: разработка и согласование ТП по ТЗ,
ЭП→ РД: разработка и согласование ЭП, ПОН, КПЭО по ТЗ,

РД → ОКР: разработка и согласование КД, ТД, ЭД, ПОН, КИ, МВИ, программы ЛКИ по ТЗ.

ОКР → Условия эксплуатации: устранение замечании в этапах ЛКИ.

Этапами разработки проекта на космическую систему являются:

- научно-исследовательские работы (НИР);

- все этапы опытно-конструкторской работы (ОКР);

- производство изделий;

- комплекс программной экспериментальной отработки (КПЭО)

- эксплуатация изделий.

Все эти этапы ориентированы для обеспечения потребностей заказчика в геоинформпродуктах при минимальной трудоемкости изготовления КА.

НИРвключает в себя следующие этапы:

- предплановый патентный поиск;

- разработка и согласование с заказчиком техзадания (ТЗ) на НИР;

- основной этап (теоретические и экспериментальные исследования);

- НИР заканчивается выпуском отчета и разработкой задания на ОКР.

ОКРвключает в себя следующие этапы, если они предусмотрены в ТЗ:

- (ТП) техническое предложение;

- (ЭП) эскизный проект;

- технический проект;

- рабочая конструкторская документация опытной партии изделия.

ТП разрабатывают для значимых проектов с целью уточнения параметров, заданных в ТЗ.

Техническое предложение (ТП) - начало процесса проектирования КА.

Целью работы является обоснование научных, экономических и организационных показателей, решений для создания космического аппарата с заданными в ТЗ тактико-техническими характеристиками (ТТХ). Основные моменты ТП:

- возможные варианты исполнения КА, оценки энергетических, массовых и габаритных характеристик КА и их составных частей;

- анализ технического уровня КА и его составных частей и его сравнение с передовыми достижениями отечественной и мировой науки и техники;

- анализ применяемых ЭРИ, комплектующих элементов и материалов, с учетом возможностей промышленности и обеспечение ими на этапах изготовления опытных и летных образцов и т.д.

Эскизный проект (ЭП) - приводит к обоснованию основных характеристик, технических и технологических решений по созданию космического аппарата, а также в обосновании технико-экономических показателей.

В разработку рабочей документации (РД) входят следующие:

– комплект конструкторской документации (КД) для изготовления и испытаний космического аппарата и его составных частей;

– комплексная программа экспериментальной отработки (КПЭО);

– технологическая документация (ТД) на опытных образцов;

– эксплуатационная документация (ЭД);

– программное обеспечение (ПО).

Конструкторская документация включает:

– схему деления на блоки: как конструктивная единица (Е1);

– электрическую схему блоков, комплексов (Э6);

– программное обеспечение блоков, комплексов и системы (ПО);

– техническое описание (ТО);

– руководство по эксплуатации (РЭ);

– технические условия эксплуатации (ТУ);

– формуляр конечного документа (ФО);

– инструкцию по монтажу (ИМ);

– инструкции упаковки, хранения и транспортировки ;

– запасные узлы (ЗИП).

Изготовление и наземные испытания опытных образцов сопровождается авторским надзором разработчика.

Подтверждение выполнения требований ТЗ на разработку КА и его составных частей проводится согласно принятому стандарту КПЭО, состав и этапы отработки КПЭО рассмотрены в главе 8.

Компоновку КА, как один из основных этапов проектирования космического аппарата (КА) и компоновку служебных и специальных отсеков для ДЗЗ, выполняют на основе следующей технической документации :

- тактико-технического задания (ТТЗ), выдаваемого заказчиком КА;

- баз данных компоновок существующих прототипов КА;

- единых норм внешних воздействующих факторов;

- расчетно-теоретических исходных данных;

- общей схемы оборудования КА с комплектом габаритных чертежей на приборы бортового оборудования и кабельные сети;

- циклограмм режимов полета и взаимодействия бортовых аппаратур;

- графика энергопотребления;

- таблиц точности установки отдельных приборов оборудования и привязки их к базовым элементам КА;

- аппаратура служебного отсека;

- аппаратура специального отсека.

Технические требования к размещению оборудования на борту КА подразделяются на две основные группы:

- требования целевого назначения приборов и элементов конструкции;

- требования по исключению нерасчетного взаимовлияния систем.

Первая группа технических требований задается в виде ограничений на расположение каждого прибора, размещаемого на борту КА, которые должны обеспечивать максимально эффективного функционирования. Прибор должен быть установлен в фиксированной области, заданной в тактико-техническом задании (ТТЗ). Внешний вид КА определяется исходя из двух критериев:

- обеспечения целевой задачи, поставленной перед КА;

- размещения под обтекателем ракеты-носителя на участке выведения.

2.1 Классификация испытаний КА и его составных частейКак отмечается основаниями для классификации могут служить следующие признаки:

1) Назначение испытаний. В этом случае испытания делятся на исследовательские, контрольные, сравнительные и определительные; Исследовательские (научные) испытания проводятся для изучения определенных характеристик свойств объекта. Эти испытания необходимы для установления качественных и количественных соотношений характеристик для ранее неизвестных ситуаций, для сопоставления и построения новых гипотез, теорий. Контрольные испытания проводятся для установления соответствия характеристик объекта заданным требованиям. Сравнительные испытания проводятся для сравнения свойств аналогичных по назначению или одинаковых объектов в идентичных условиях. Определительные испытания проводятся для определения значений характеристик с заданными значениями показателей точности и достоверности.

2) Уровень объекта испытаний. По этому признаку испытания делятся на следующие виды: испытания материалов и элементов, испытания узлов, приборов, агрегатов, устройств, подсистем, систем, испытания КА в целом;

3) Определяемые характеристики объекта. По этому признаку испытания делятся на функциональные испытания, испытания на прочность, на устойчивость, испытания на надежность, безопасность, транспортабельность, граничные испытания, технологические испытания;

4) Этапы разработки изделия. В этом случае испытания делятся на доводочные , предварительные, приемочные; Доводочные испытания – это исследовательские испытания, проводимые при разработке изделия с целью оценки влияния изменений, вносимых в него для достижения заданных значений показателей ее качества.

Предварительные испытания – контрольные испытания опытных образцов с целью определения возможности их предъявления на приемочные испытания.

Приемочные испытания – контрольные испытания опытных образцов с целью решения вопроса о возможности допуска изделия к штатной эксплуатации.

5) Условия и место проведения испытаний. Испытания в этом случае делятся на следующие виды: лабораторные, с использованием предметно - математических моделей, стендовые, полигонные, эксплуатационные.

Лабораторные испытания – испытания, проводимые в лабораторных условиях.

Очевидно, что объектами испытаний в лабораторных условиях могут быть объекты низших уровней - такие как материалы, элементы, узлы, приборы.

Испытания с использованием моделей основываются на использовании предметно - математических моделей, которые конструируются из элементов иной (по сравнению с оригиналом) физической природы, но описываются такими же математическими моделями, что и оригинал. Предметно - математические модели можно разделить на два вида: модели прямой и непрямой аналогии. Первые строятся на основе непосредственной связи (аналогии) между величинами, присущими физически различным явлениям, но описываемыми одинаковыми математическими моделями. Предметно - математические модели непрямой аналогии представляют собой аналоговые вычислительные машины.

Испытательное оборудование (испытательные стенды) может объединяться по направлениям и образовывать, например,комплексы механических, тепловых, электрических, климатических, химических,биологических, магнитных, электромагнитных и радиационных испытаний.

Полигонные испытания - испытания объекта, проводимые на испытательном полигоне.

Эксплуатационные испытания – испытания объекта в условиях его штатной эксплуатации.

Кроме перечисленных типов испытаний, классификация которых осуществлялась по их характерным признакам, следует отметить еще следующие виды испытаний, относящиеся к сложным объектам - к КА в целом или его отдельным фрагментам, системам: автономные испытания, комплексные испытания, испытания в условиях имитации нештатных аварийных ситуаций.

Автономным испытаниям подвергаются отдельные составляющие сложной технической системы – в нашем случае отдельные части или системы КА.

Комплексные испытания проводятся либо для группы непосредственно связанных систем КА, либо для всего КА с целью проверки нормального функционирования систем КА после проведения монтажно-сборочных работ.