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