Quill (satelita)
| Producent |
Laboratoria Willow Run na Uniwersytecie Goodyear w Lockheed (Agena) |
|---|---|
| Kraj pochodzenia | USA |
| Operator | Biuro Rozpoznania Narodowego USA |
| Aplikacje | Obrazowanie radarowe |
| Dane techniczne | |
| Autobus | Agena-D |
| Uruchom masę | 1500 kg |
| Reżim | Niska Ziemia |
| Zaprojektuj życie | 4 dni |
| Wymiary | |
| Produkcja | |
| Status | Nieczynne |
| Wybudowany | 3 |
| Wystrzelony | 1 |
| Emerytowany | 1 |
| Dziewiczy start | OPS 3762 , 21 grudnia 1964 |
| Ostatnia emerytura | OPS 3762, 25 grudnia 1964 |
| Powiązany statek kosmiczny | |
| Pochodzi z | KH-4 |
Quill był eksperymentalnym programem Biura Rozpoznania Narodowego Stanów Zjednoczonych (NRO) z lat 60. XX wieku, w ramach którego uzyskano pierwsze zdjęcia Ziemi z kosmosu za pomocą radaru z syntetyczną aperturą (SAR). Statki kosmiczne tej konstrukcji z obrazem radarowym nie były przeznaczone do użytku operacyjnego, ponieważ było wiadomo, że rozdzielczość tego systemu, gorsza od rozdzielczości równoległych eksperymentalnych systemów pokładowych, nie będzie służyć temu celowi . Zamiast tego głównym celem programu było pokazanie, czy propagacja fal radarowych w dużej objętości atmosfery i jonosfery niebezpiecznie pogorszy działanie funkcji syntetycznej apertury.
Szczegółowy opis programu został udostępniony on-line przez NRO.
Cele
Początkowo główną zaletą obrazowania radarowego była jego zdolność do działania w nocy, a także do obrazowania przez chmury lub inne przeszkody atmosferyczne, które pochłaniały lub rozpraszały fale nie tylko w widmie widzialnym, ale także w pobliskiej podczerwieni i ultrafiolecie . Ale radar oferował także korzyść w postaci odebranego sygnału, który był już sygnałem elektrycznym z funkcją czasu i gotowym do natychmiastowej retransmisji radiowej. W ten sposób projekt ten stał się narzędziem do przetestowania transmisji danych obrazu w czasie rzeczywistym, a także do próby orbitowania SAR. Ponieważ dobrze poznano teorię i stan wiedzy na temat takiej transmisji, zdano sobie sprawę, że istniejące środki dla tej części misji Quilla będą niewystarczające, aby pokazać poziom szczegółowości niezbędny do oceny zagrożeń militarnych, nawet jeśli najlepsze obrazy okażą się tak dobre, jak oczekiwano. Mimo to nie tylko można było wyciągnąć wnioski z prób, ale także każdy sukces takiej transmisji stanowił zabezpieczenie przed niepowodzeniem w odzyskaniu kliszy znajdującej się na pokładzie, co było problemem, który nękał wiele wczesnych satelitów fotointeligencji.
Opis
Satelity Quill były oparte na Lockheed RM-81 Agena-D , który służył również jako górny stopień do wprowadzenia na orbitę. Głównym wykonawcą pojazdu orbitującego i jego ładunku radarowego była firma Lockheed. Aby przyspieszyć test, radar z syntetyczną aperturą przeznaczony do użytku w powietrzu został przystosowany przez podwykonawcę Goodyeara do operacji kosmicznych i związanych z tym dużych odległości, w oparciu o kryteria opracowane przez zespół badawczy z innej uczestniczącej organizacji, której powiązania z Quillem nie zostały jeszcze nawiązane. odtajnione.
Chociaż potrzebny był tylko jeden satelita, wyprodukowano także model zapasowy i model inżynieryjny. Ponieważ pierwszy, OPS 3762 , spełnił wszystkie cele testowe projektu, wypuszczono tylko ten. Według oficjalnej historii NRO: „W ciągu pierwszych 20 lat działalności programu satelitarnego zwiadu w Stanach Zjednoczonych Quill był… jedynym satelitą jakiegokolwiek rodzaju, który przeszedł od początku do końca z doskonałym zapisem podczas startu, operacji orbitalnych, odczytu, i powrót do zdrowia”.
Aby ograniczyć potrzebę silnych sygnałów do transmisji danych z satelity, pożądane były stacje naziemne posiadające bardzo duży obszar przechwytywania sygnału (obszar anteny) i wynikającą z tego kierunkowość odbioru wąskowiązkowego. Dostępne urządzenia z antenami o dużych talerzach, zdolnymi do szybkiego obracania się w celu podążania za satelitą po niebie, istniały w New Boston w stanie NH oraz w Vandenberg AFB na wybrzeżu Kalifornii. Lokalizacje te były również wykorzystywane do przesyłania w górę informacji o włączaniu i wyłączaniu radaru oraz innych poleceniach sterowania ładunkiem.
Antena skierowana na bok, wymagana do działania SAR, została zamontowana prawie równo z jedną stroną cylindrycznego korpusu Ageny. Na orbicie korpus przetoczono tak, aby wiązka była skierowana w pionie pod kątem 55° od poziomu. Z wysokości orbit wahających się około 130 mil morskich (nm) wiązka oświetlała powierzchnię Ziemi wzdłuż pasa o szerokości 10 nm, zwykle odległego o 160 nm i wyśrodkowanego około 93 nm na lewo od toru naziemnego pojazdu . Wiązka wzdłużna toru o szerokości 0,006 radiana oświetliła jednocześnie 0,56 mili morskiej wzdłuż toru, w dalszym ciągu zbierając sygnały zwrotne z każdego punktu sceny podczas podróży tak daleko po powierzchni Ziemi, tyle danych na element sceny należy zwinąć („skoncentrowana „), podczas późniejszego przetwarzania sygnału, na pojedynczą miarę („obraz”) siły powrotu z tego elementu sceny.
Początek
Po wystrzeleniu 21 grudnia 1964 r. nakazano zbieranie danych z przerwami w dzień i w nocy przez cztery dni na podstawie poleceń kontrolera naziemnego za pośrednictwem stacji śledzących. Dlatego działanie Quill SAR było ograniczone do lokalizacji pojazdów w maksymalnej odległości widoczności wynoszącej około 900 mil ustawowych (1490 km) od tych dwóch stacji naziemnych. Regiony takie znajdowały się prawie całkowicie w obrębie Stanów Zjednoczonych, ale mogły obejmować część Kanady ze stacji wschodniej i część Meksyku ze stacji zachodniej. Kontrolerzy dodatkowo ograniczyli czas operacji do obszarów znajdujących się na terytorium NORAD (Północnoamerykańskiej Obrony Powietrznej), unikając oświetlania lub obrazowania jakiegokolwiek terytorium Meksyku, ale nie zrobiono tego w przypadku Kanady, partnera USA w NORAD .
Aby uniknąć zwracania nadmiernej uwagi na ten wyjątkowy pojazd, jego orbita była podobna do tej używanej wówczas przez amerykańskie satelity fotograficzne. Ponieważ wystrzelenie z Vandenberg AFB w pobliżu południa oznaczało, że początkowa orbita rozpoczęła się jako odcinek zstępujący (w kierunku południowym) w ciągu dnia, wszystkie późniejsze odcinki zstępujące postępowały podobnie, a wszystkie wznoszące się (w kierunku północnym) odcinki odbywały się w ciemności. Na amerykańskich szerokościach geograficznych te wznoszące się odnogi przebiegały wzdłuż ścieżek na azymutach pomiędzy 018° T a 022° T, bardziej na północ niż północno-północno-wschodnią, przechodząc w tym regionie nieco bardziej na wschód, gdy każda ścieżka prowadziła na wyższe północne lub południowe szerokości geograficzne. Azymuty zstępujących (w kierunku południowym) nóg podczas wykonywania zdjęć były podobne w przedziale od 162° T do 158° T. W przeciwieństwie do swoich skierowanych w dół kuzynów z fotosatelitów, Quill spoglądał na północny wschód podczas zniżania i północno-zachodni podczas wznoszenia się.
Droga lotu
Pierwsza zstępująca ścieżka Quilla przecięła Amerykę Południową i dotarła najdalej na południe w pobliżu Antarktydy, poniżej środka południowego Atlantyku. Kolejne podejście przebiegało wzdłuż wschodniego wybrzeża Afryki, następnie przecinało Pakistan i zachodni kraniec Chin w pobliżu Alma Ata w Związku Radzieckim. Kolejne wzniesienia przebiegały ścieżkami o podobnym kształcie, ale każde z nich było „przesunięte” na zachód od poprzedniego o wielkość obrotu Ziemi w jednym okresie orbitalnym plus niewielką ilość precesji orbity zachodniej, co daje w sumie 22,5°. W ten sposób drugie nieobrazowe wejście przebiegało nad Morzem Kaspijskim, trzecie nad zachodnią Turcją, czwarte w pobliżu północnej granicy Włoch z Francją, a piąte nad Irlandią. Siódme wejście, pierwsze na zachód od Atlantyku, zakończyło się sukcesem Nowa Szkocja i Nowa Fundlandia , a ósmy jako pierwszy dotarł do środkowo-zachodnich stanów USA, gdzie miało miejsce pierwsze zdjęcie.
Zestawy opadających (w kierunku południowym) ścieżek na amerykańskich szerokościach geograficznych wystąpiły najpierw nad obszarami Pacyfiku na zachód od Kalifornii, a po raz pierwszy pojawiły się nad wschodnimi częściami Stanów Zjednoczonych prawie dzień później. Po znacznej przerwie pojawił się nowy zestaw ścieżek w kierunku północnym, a następnie jedna z tras w kierunku południowym nad Stanami Zjednoczonymi, przy czym istniały cztery takie zestawy w ciągu czterech kolejnych dni, a dwie z nich przecinały następnie poprzednie ścieżki wznoszące się. Ostatni zapis danych na kliszy na pokładzie miał miejsce podczas zstępującej części 30. rewolucji. Film ten został wyrzucony i odzyskany nad Oceanem Spokojnym podczas zstępującej części 33. orbity, po czym dostępne były jedynie dane przesyłane w dół. Ostatni pas naziemny sfotografowano na 72. orbicie, podczas której obrazowanie zostało przerwane, ponieważ bateria chemiczna zapewniająca moc systemu została zbyt rozładowana, aby móc kontynuować pracę ładunku.
Najdłuższy (orbita 30) obszar obrazu rozciągał się na około 1600 km, a długość była ograniczona maksymalną odległością, w jakiej satelita pozostawał nad horyzontem stacji śledzącej. Zebranie danych dla tego obszaru zajęło jedynie 3,6 minuty czasu orbitowania.
Przetwarzanie danych
Zastosowano trzy metody rejestracji danych obrazowych. Dane najwyższej jakości zostały wyświetlone na znajdującym się na pokładzie lampie elektronopromieniowej i zapisane na kliszy fotograficznej. Film pokładowy odzyskano metodą stosowaną w ówczesnych amerykańskich fotosatelitach, która polegała na wyrzuceniu pakietu powrotnego zawierającego naświetlony film i przechwyceniu pakietu w powietrzu podczas opadania pod spadochronem. Ponieważ proces ten miał miejsce dopiero po pierwszych siedmiu sekwencjach obrazowania Quilla, obrazy z danych przesłanych w dół były zarówno pierwszymi, jak i ostatnimi, które były dostępne. Dane przesyłane w dół były rejestrowane naziemnie w czasie rzeczywistym na podobnych filmach i dalej taśmy magnetyczne . Wczesna dostępność tych filmów umożliwiła interpretatorom obrazu obserwację granic i zawartości wczesnych obszarów obrazu przed uwolnieniem filmu pokładowego z satelity, co nie było wówczas możliwe w przypadku czujników optycznych kamer filmowych.
Dane zwracane łączem w dół miały obniżoną jakość ze względu na charakterystykę łącza w dół, w związku z czym filmy sygnałowe naświetlane na ziemi z tych danych musiały być gorszej jakości niż filmy jednocześnie naświetlane na pokładzie. Filmy sygnałowe powstałe później z nagrań sygnałów przesyłanych na taśmę magnetyczną ucierpiały nieco bardziej.
Film sygnałowy ze wszystkich trzech źródeł zapisu został wywołany w zakładzie obróbki naziemnej. W tym momencie wygląd optyczny danych SAR na kliszy w niczym nie przypominał obrazu terenu oświetlonego przez radar. Zamiast tego wizualnie przypominał hałas, z tą różnicą, że był prążkowany wzdłuż filmu. Każde prążkowanie reprezentowało inny zasięg radaru i zawierało długie sekwencje nakładających się sygnałów zwrotnych radaru z wielu (dosłownie tysięcy) punktów terenowych w tym zasięgu. Konieczne było dalsze przetwarzanie danych, aby oddzielić te sygnały od siebie i stworzyć, z każdego z wielu rozproszonych składowych sygnału, jedną plamkę o odpowiedniej intensywności w każdym punkcie obrazu odpowiadającym punktowi terenu. W tamtym czasie jedyną dostępną techniką do tego zadania był wysokiej jakości optyczny procesor danych (precyzyjny procesor optyczny, w skrócie POP), który został opracowany specjalnie dla powietrznych i orbitujących systemów SAR.
Ten procesor danych przekształcał informacje na błonie sygnałowej, przepuszczając światło lasera przez każdy długi sygnał, po czym sam kształt sygnału, wspomagany przez wyspecjalizowane soczewki śledzące, powodował skupienie podobne do działania charakterystycznego dla rodziny o rozproszonym zasięgu soczewek cylindrycznych , przy jednoczesnym zachowaniu separacji punktów reprezentujących odległości od radaru. Natychmiastowym rezultatem był kolejny naświetlony film, który po wywołaniu stał się negatywem pożądanego obrazu. szerokości pasma sygnału , stosunku sygnału do szumu , ostrość ostrości itp. wykonano przy użyciu oprzyrządowania, które bezpośrednio zajmowało się oświetleniem tworzącym obraz w procesorze, unikając nieliniowości charakterystyki reakcji kliszy obrazowej. Z filmów z obrazem negatywowym wykonano końcowe filmy zawierające obrazy pozytywowe do wykorzystania przez interpretatorów obrazu.
Pierwszym filmem sygnałowym, który został przetworzony, był film nagrany naziemnie w czasie rzeczywistym na podstawie danych przesłanych w dół podczas pierwszego przejścia obrazowania, wykonanego podczas ósmej rewolucji. Dlatego też wstępna ocena pierwszej kliszy obrazowej była dostępna przed wystąpieniem wielu innych przejść obrazowych. Pokazało, że pierwszy obszar zdjęć rozpoczął się w południowej Indianie i ciągnął się w kierunku północno-północno-wschodnim, nad dolnym półwyspem Michigan . Porównania jego obrazu z mapami USGS w skali 1:250 000 wykazały bardzo wyraźnie lokalizację tego pasa, w szczególności na podstawie pozytywnie rozpoznawalnej formy charakterystycznych zakrętów pasma Wabash w stanie Indiana oraz na kształtach pobliskich autostrad i linii kolejowych oraz w niektórych obszarach miejskich. Ta pierwsza dostępność wczesnych informacji o zawartości obrazu dała przykład wykorzystania informacji zwrotnych z wczesnego produktu obrazu systemu do pomocy w kontrolowaniu późniejszych przejść obrazowania systemu na orbicie i umożliwienia załogom naziemnym pozycjonowania obiektów kalibracyjnych w nadchodzących obszarach na czas do późniejszego obrazowania. Nieoczekiwanym bonusem z pierwszego zdjęcia było określenie lokalizacji, długości i składu niektórych pociągów kolejowych, a także ich prędkości i kierunków podróży.
Antena śledząca i sprzęt rejestrujący przeznaczone do tego celu zostały wstępnie umieszczone na tyle blisko oczekiwanej początkowej ścieżki obrazowania, że podczas tego przelotu monitorowano formę impulsów radarowych (znacznie silniejszych niż sygnał radarowy powracający do satelity). Po dokładnym określeniu ścieżki orbity na podstawie obserwacji wczesnych zdjęć, przenośny sprzęt został szybko przeniesiony w różne miejsca w obrębie kolejnych obszarów zdjęć w celu wykonania podobnych pomiarów.
Pomiary przetworzonego obrazu wykazały, że syntetyczna apertura zdołała uzyskać rozdzielczość lepszą niż 15 stóp (5 metrów) w kierunku wzdłuż toru, a czasami połowę tej, co było najmniejszą możliwą w przypadku prawdziwej anteny Quilla o długości 5 metrów, skierowanej z boku. Rozdzielczość w zakresie skośnym była ograniczona długością transmitowanych impulsów, a rozdzielczość w zakresie podstawowym dodatkowo ograniczana była przez skracanie perspektywy obrazu spowodowane nachyleniem obrazów, przy czym to ostatnie było około 5 razy większe niż wartość wzdłuż ścieżki, ale ich wartości nie były tymi, których oczekiwano w tym eksperymencie.
Cechy powierzchni powiązane z obiektami mapy pojawiały się na obrazach tak często, że krawędzie wszystkich obszarów obrazu można było śledzić na mapach niemal w sposób ciągły. Oprócz odważnie zidentyfikowanych na mapie dużych obiektów, takich jak zabudowa miejska, układ autostrad, kanały, mosty i lotniska, obrazy przedstawiały inne możliwe do zidentyfikowania przez widza elementy kulturowe i naturalne, zarówno na mapie, jak i na mapie, takie jak układy pól uprawnych, układy odwodnień, obszary zalesione i otwarte ( zwykle ujawniane przez jasne powroty z bliskich stron obszarów zalesionych i cienie wzdłuż ich dalekich stron), jakościowe wzory rzeźby (ukazywane przez różnice w odcieniach zboczy), duże operacje górnictwa odkrywkowego i dobrze określone linie brzegowe graniczące z miejscem bez powrotu obszary reprezentujące gładkie powierzchnie wody. Na obszarach o dużych płaskorzeźbach (górskich) efekty nachylenia powodowały nieregularne linie krawędzi pokosu na mapach i podobne „nakładanie się” obrazów obiektów na powierzchni na bliższe i niższe lokalizacje „mapy”.
Niektóre wyniki eksperymentu dostarczyły żywych dowodów, że obrazy zawierające szczegóły Quilla (a nawet znacznie grubsze szczegóły, jak na przykład cywilny SEASAT powstały 14 lat później) statek kosmiczny) rzeczywiście byłby przydatny w rozległym monitorowaniu środowiska i badaniach naukowych Ziemi i innych planet. Jedno ze szczególnie godnych uwagi zdjęć pokazało, pomimo gęstego zachmurzenia i bardzo obfitych opadów, wyraźny obraz nie tylko zasięgu powodzi na obszarze przybrzeżnym Pacyfiku, ale także zasięgu inwazji gruzu przez prąd powodziowy rzeki kilka mil w głąb oceanu, co w innym przypadku umożliwia gromadzenie informacji. Kolejna para zdjęć, jedno ze wznoszącej się orbity 24, a drugie ze zstępującej orbity 30, pokazała zmiany zarówno w położeniu, jak i rotacji ruchomego lodu Wielkich Jezior w ciągu 9,5-godzinnej przerwy między dwoma zdjęciami.
Aby zachować siłę sygnału zwrotnego, zasięg Quilla od obszarów docelowych został zminimalizowany poprzez zastosowanie niezwykle stromego kąta zagłębienia. Powstałe obrazy miały zatem znacznie skróconą skalę o skośnym zasięgu wersje skali naziemnej (mapowania) płaskiego terenu. Podczas gdy obrazy o ukośnym zasięgu zapewniają realistyczną perspektywę zmian wzniesień terenu, użytkownicy obrazów zazwyczaj wolą obrazy przypominające mapy, posiadające niemal identyczne skale zarówno w przypadku zasięgu naziemnego, jak i wzdłuż toru. Ponieważ ówczesny procesor optyczny nie miał możliwości wykonywania pełnych rozszerzeń do skali naziemnej, podczas przetwarzania oryginalnych obrazów uzyskiwano jedynie częściowo powiększone obrazy.
Dane marnowane ze względu na tajemnicę
Połączenie SAR i platformy orbitującej wymagało nadania programowi zarówno bardzo wysokiego poziomu klasyfikacji bezpieczeństwa, jak i bardzo ograniczonego dostępu. Doprowadziło to do późniejszego zniszczenia prawie całej dokumentacji przed odtajnieniem programu w dniu 9 lipca 2012 r. W rezultacie zachowana dokumentacja ogranicza się głównie do mikrofilmowych kopii raportów końcowych, w których materiał tekstowy jest dobrze zachowany, ale kopie obrazów prawie nie zawierają tonów pośrednich i dlatego są niezrozumiałe. Półwyjątkiem jest wyżej wspomniany obraz z orbity 16, przedstawiający zalane pole gruzu rozciągające się kilka mil w głąb morza. Chociaż zachowany obraz jest tylko obiektem prawie dwukolorowym, pokazuje geometryczną formę tego obiektu i jego związek z pobliskimi obiektami terenowymi.
Innym wyjątkiem są zachowane odbitki fotograficzne wybranych fragmentów trzech pasków obrazowych. Zeskanowane cyfrowo kopie tych druków są dostępne w dokumencie historii NRO dostępnym on-line. Jednakże odbitki te wykonano w skali, która nie pozwoliła zachować ani doskonałej rozdzielczości wzdłuż ścieżki, ani efektu plamki spójności obserwowanego na obrazach SAR, przy czym obie te cechy były widoczne na kliszach obrazowych. W przypadku braku tych filmów wszystkie przykłady obrazów Quilla mających tę rozdzielczość zostały bezpowrotnie utracone.
Zobacz też
Linki zewnętrzne
- Narodowe Biuro Rozpoznania (NRO) Odtajnione akta – QUILL QUILL w Wayback Machine (archiwum 5 czerwca 2018 r.)