УниСкан-24 – разработанная ИТЦ «СканЭкс» наземная приемная станция Х-диапазона (8 ГГц), предназначенная для приема и обработки данных с полярно-орбитальных спутников дистанционного зондирования Земли. Она позволяет принимать в реальном времени материалы космической съемки земной поверхности в радиусе около 2500 км от станции (площадь около 12 млн. кв. км).

Станция позволяет принимать данные с ряда спутников, в том числе, Terra и Aqua (без какой-либо лицензии), IRS, SPOT, EROS, Монитор-Э и др. (с оплатой лицензий, и выполнением съемки и сбросом данных по заказу).

Основными компонентами станции УниСкан-24, обслуживаемой Ресурсным центром космических и геоинформационных технологий, далее Станция, являются антенная система, приемник, программное обеспечение.

 

Станция имеет двухосное опорно-поворотное устройство (ОПУ) с двумя горизонтальными осями вращения, которые исключают наличие мертвых зон на высоких углах. Однако, в направлении нижней оси вращения, на горизонте, есть особые точки. Сопровождение через окрестности этих точек может оказаться невозможным, но это касается только очень малых углов места – ниже 5 градусов. ОПУ может работать как в режиме программного сопровождения (следуя расчетной траектории спутника) так и в режиме автосопровождения (используя информацию об уровне принимаемого сигнала для коррекции траектории). Параметры приемников могут перестраиваться в широком диапазоне для приема данных с разных спутников. Станция оборудована приемниками для приема данных со спутников SPOT 4 (инструменты HRVIRMONO и HRVIRXS), SPOT5 (HRGPAN и HRGXS), EROS A (PAN), TERRA (MODIS), AQUA (MODIS), RADARSAT-1 (SAR).

Программное обеспечение (ПО) Станции содержит все средства для ручного управления и настройки станции, составления расписания ее работы и автоматического исполнения расписания. Управление станцией осуществляется только с помощью программного обеспечения. 

Основные технические характеристики Станции:

-           диапазон несущих частот сигнала 8050 - 8400 МГц;

-           максимальный темп приема 170 Мбит/с;

-           тип ОПУ 2-осное (X - Y);

-           вес системы 320;

-           скорость ветра Рабочая 20 м/с;

-           скорость ветра Максимальная 40 м/с;

-           диапазон рабочих температур антенной системы от -50 до +50 °C;

-           диапазон рабочих температур для узлов, расположенных в помещении от +10 до +40 °С;

-           первичное электропитание 220 В, 50/60 Гц;

-           максимальное энергопотребление 500 Вт. 

Минимальные углы места приема данных со спутников: 

-          TERRA (DB), AQUA (DB) – 5°;

-          ENVISAT (ASAR) – 8°;

-          EROS-A1, EROS-B – 5°;

-          IRS-P5, IRS-P6 – 15°;

-          CARTOSAT-2 – 8°;

-          LANDSAT 5 – 5°;

-          RADARSAT-1 – 8°;

-          RADARSAT-2 – 5°;

-          SPOT 4, SPOT 5 – 5°;

-          COSMO-SKYMED-1, 2, 3 – 10°;

-          TERRASAR-X – 15°. 

Антенная система:

Антенная система подразделяется на следующие узлы:

            -          антенна (рефлектор и облучатель);

            -          МШУ (малошумящий усилитель) и 1-й преобразователь частоты;

            -          ОПУ;

            -          система управления. 

Рис. 1 Общий вид антенной системы.

Характеристики рефлектора и облучателя:

-           тип рефлектора - сплошной;

-           диаметр рефлектора 2.4 м;

-           поляризация правая круговая.

МШУ и 1-й преобразователь частоты аппаратно объединены в один блок (МШПР), который устанавливается непосредственно на облучателе антенны. Сигнал со спутника, принятый антенной, усиленный МШУ и преобразованный в диапазон 900 - 1400 МГц, передается по ВЧ кабелю через модуль разветвителя на вход приемников.

Рис. 2 Рефлектор.

Характеристики ОПУ:

-           тип редуктора – шестеренчато-волновой;

-           количество осей вращения – 2;

-           кинематическая схема  X – Y;

-           диапазон углов поворота по углу места от 0° до 180°;

-           диапазон углов поворота по наклону (относительно зенита) от -90° до 90°;

-           максимальная скорость вращения, не менее 2.5 °/с;

-           абсолютная статическая ошибка позиционирования, не более 20';

-           динамическая ошибка сопровождения при углах места цели более 5° – не более  4';

-           интерфейс связи с ПК – подчиненное устройство на шине PCI 32 бит.

Текущее положение антенны измеряется датчиками угла поворота ОПУ по каждой оси вращения. Выходные сигналы датчиков передаются последовательным кодом в лабораторный блок управления, где они преобразуются в параллельный код. Процессор управления антенной периодически читает из блока управления коды положения и скорости антенны, сравнивает их с расчетным целеуказанием, генерирует коды управления и записывает их в блок. Там они преобразуются в аналоговое широтно-импульсно модулированное напряжение управления, которое подается на двигатели ОПУ.

Интерфейс управления антенной, приемник и пользовательский интерфейс управления системой размещены на компьютерах подключённых к локальной сети.

Приёмник:

Приемник – это одна плата расширения на шине PCI, которая обеспечивает все функции обработки сигнала от демодуляции до ввода в память ПК. Шина используется как для управления приемником, так и для ввода данных. Антенная система Станции управляется от ПК через плату.

 

   

 

Рис. 3 Корпус компьютера с установренной в нём платой приёмника (слева) и плата приёмника (справа).

Все остальные электронные устройства управления антенной (вторичные источники питания, преобразователи, усилители мощности) размещаются в блоке управления, который размещён в 19-дюймовом корпусе высотой 6U. В этом же блоке размещается разветвитель сигнала. Блок управления размещен в серверной стойке.

Рис. 4 Общий вид серверной стойки с управляющими компьютерами и блоком управлений антенной.

Рис. 5 Блок управления антенной.

Блок связан:

-           с ПК: плоским кабелем 2 м (PCI-интерфейс);

-           с ОПУ: кабелем управления, кабелем питания и ВЧ кабелем, длина каждого из которых составляет 50 м;

-           с приемником: ВЧ кабелями длиной 5 м.

Рис. 6 Подключение блока управления антенной.

Система управления может работать в двух режимах: программного сопровождения и автосопровождения. Основным является режим автосопровождения, т.е. автоматической коррекции целеуказания по уровню принимаемого сигнала. Поиск максимального уровня сигнала выполняется методом step-tracking: путем последовательного отклонения всей антенны от расчетного положения в различных направлениях дискретными шагами.

В антенной системе нет собственного измерителя уровня сигнала – информацию об уровне она получает от приемника станции (любого по выбору) через ПО управления станцией.

Аппаратная часть приемника представляет собой одну плату расширения ПК. Она объединяет в себе преобразователь частоты с управляемым гетеродином, демодулятор, декодер, преобразователь цифрового сигнала в данные байтового формата, интерфейс ввода данных в память ПК. Под управлением программы, исполняемой на ПК, в плате приемника выполняется надлежащее выравнивание потока (кадровая синхронизация). Та же программа записывает данные из памяти ПК в файл на диске.

Плата устанавливается на шине PCI. По этой шине выполняется и управление платой, и ввод данных в память ПК. Цифровые сигналы данных и тактовой частоты выводятся также на разъем, расположенный на задней панели платы, главным образом для контрольных и отладочных функций.

Из программы управления устанавливаются следующие параметры приемника: тип модуляции, несущая частота, тактовая частота, усиление, параметры декодирования и укладки данных.

Доступны для чтения программой управления следующие параметры состояния приемника: признак захвата сигнала, измеренные частоты сигнала (несущая и тактовая), уровень автоматической регулировки усиления, уровни сигнала до и после согласованной фильтрации. Кроме того, доступны мгновенные выборки квадратурных составляющих сигнала на выходе фазового детектора. Это позволяет выполнять спектральный анализ сигнала, получать гистограмму распределения фазы и амплитуды сигнала, определять отношение сигнал/шум. 

Программное обеспечение:

Программное обеспечение Станции состоит из пакетов UniScan Control Package и ScanReceiver. 

UniScan Control Package обеспечивает все функции, необходимые при ее оперативном использовании. 

ScanReceiver – приложение предназначенное для управления Cтанцией, контроля функционирования станции и оперативного приема данных.

Основные функции приложения:

-          проверка функционирования аппаратной части станции;

-          расчет расписания сеансов прохождения спутников через зону видимости станции;

-          автоматическая активизация станции в соответствии с расписанием;

-          расчет траекторий спутников и управление антенной системой для сопровождения;

-          автоматическая коррекция сопровождения по уровню входного сигнала;

-          форматирование демодулированного информационного потока и запись его на жесткий диск;

-          непрерывная индикация текущего состояния комплекса и информационного потока (время, объем записанных данных, объем свободного дискового пространства, состояние тактовой и кадровой синхронизации, текущее положение антенны, ошибки сопровождения).

Функции оперативного приема полностью автоматизированы, задачи оператора сводятся к планированию и общему надзору. 

Расчет траектории спутников и расписания приема предполагает формирование расписания сеансов приема (прохождения спутников через зону видимости), а также автоматический расчёт целеуказания для наведения антенны на спутник в процессе приема. Рассчитанное на заданный интервал времени расписание отображается в окне приложения, может быть исправлено путем удаления ненужных сеансов и сохранено в текстовом файле.

 

Рис. 7 ScanReceiver, расписание сбросов. 

 

Исходными данными для баллистических расчетов в программе являются орбитальные данные спутников в формате NORAD TLE, которые свободно распространяются в сети Интернет. 

Все операции по управлению станцией, кроме включения общего питания, выполняются программно (по командам оператора или автоматически):

-          переключение режимов работы;

-          инициализацию программируемых аппаратных модулей в конфигурации, необходимой для приема конкретного типа данных;

-          управление движением антенны при сопровождении спутников;

-          управление электронными компонентами станции (демодуляторами, источниками питания, интерфейсными устройствами). 

В многооконном пользовательском интерфейсе наглядно отображается текущая информация о состоянии станции. Это позволяет оператору контролировать:

-          параметры конфигурации и текущий режим работы приемного комплекса;

-          характеристики принимаемого цифрового потока (скорость, состояние синхронизации, количество ошибок декодирования данных, объем записанной информации);

-          текущее положение антенны, его отклонение от целеуказания и другие параметры движения антенны.

Рис. 8 ScanReceiver, журнал сопровождения.

 

Рис. 9 ScanReceiver, карта положения спутника и охвата съёмки в момент сопровождения.

 

В процессе приема в одном из окон приложения выводятся в виде изображения данные одного из спектральных каналов, что дает визуальное представление о качестве приема. Ряд измеряемых параметров отображается в графической форме в других окнах, а также может записываться в файлы для последующего просмотра и анализа.

ScanReceiver поддерживает ввод, контроль синхронизации, необходимое декодирование и запись цифрового потока на жесткий диск. Файлы данных могут сопровождаться дополнительной информацией (имя спутника, время приема, орбитальные данные, координаты станции).

Подготовлено по материалам технического отчёта 12.1.1

Ресурсного центра космических и геоинформационных технологий

(ТО 12.1.1 Изготовление тематических продуктов по материалам съёмки MODIS)

Е.А. Паниди