Построение карт Венеры цифровыми методами

О. Н. Ржига,

доктор физико-математических наук,

лауреат Ленинской и Государственной премий

из статьи «НОВАЯ ЭПОХА В ИССЛЕДОВАНИИ ВЕНЕРЫ» (КОСМОНАВТИКА, АСТРОНОМИЯ, №3, 1988 г.). Часть 2.

ЦЕНТР ОБРАБОТКИ РАДИОЛОКАЦИОННОЙ ИНФОРМАЦИИ

Отраженный сигнал представляет собой радиоголограмму, из которой можно восстановить видимое изображение, осуществив преобразование Фурье. Обычно после съемки с самолета голограмму доставляют на наземный пункт в записи на кинопленку. После проявления ее вводят в когерентный оптический процессор, предназначенный для осуществления преобразования Фурье, который представляет собой набор специальных оптических линз. Голограмма освещается лазером, и на выходе процессора, где располагается вторая кинопленка, получают восстановленное изображение местности. Заметим, что работу оптического процессора при постоянной высоте и скорости самолета организовать несложно. Иначе обстоит дело при съемке с космического аппарата, движущегося по эллиптической орбите, когда высота и скорость постоянно меняются.

Для синтеза изображений, а также измерения высотного рельефа в этих условиях в Институте радиотехники и электроники (ИРЭ) АН СССР была разработана методика обработки отраженных сигналов, в основе которой лежит использование специализированного цифрового процессора для выполнения преобразования Фурье. Это устройство было разработано совместно с Институтом электронных управляющих машин Минприбора. С помощью этого устройства преобразование Фурье выполняется в 50 раз быстрее, чем, скажем, на большой универсальной ЭВМ БЭСМ-6. Совместно с малой ЭВМ СМ-4 Фурье-процессор составил основу Центра обработки радиолокационной информации космических аппаратов «Венера-15» и «Венера-16», созданного в ИРЭ АН СССР.

С приемных пунктов информация доставлялась в записи на магнитную ленту. Ввод информации производился с магнитных регистраторов МР, подключенных к малой ЭВМ СМ-4 (см. рис. ниже). Управление регистраторами производилось через аппаратуру КАМАК. Проверялось качество информации, при необходимости вносились исправления, и после разделения информации радиолокационной станции с синтезированной апертурой и радиовысотомера она записывалась на накопитель на магнитной ленте (НМЛ). ЭВМ СМ-4 была оснащена накопителями от большой ЭВМ, что увеличило скорость обмена данными в 10 раз. Это имело существенное значение в ускорении обработки, поскольку обмен с магнитной лентой использовался на всех этапах обработки.

Разделение отраженных сигналов по времени запаздывания и доплеровскому смещению частоты для построения кадра радиолокационного изображения выполнялось с помощью специализированного процессора Фурье (СПФ-СМ). Загрузка-выгрузка информации также проводилась с помощью НМЛ через ЭВМ. Затем отдельные кадры радиолокационного изображения объединялись в сплошную полосу, которая через аппаратуру КАМАК, превращавшую числовые коды в электрическое напряжение, выводилась на приемный фототелеграфный аппарат (ФТАП) «Паллада», где получался негатив.

Перед выводом изображение можно было просмотреть на телевизионном экране ВД. Это устройство имело цифровую память, способную запомнить, а затем воспроизвести с частотой телевизионного стандарта кадр изображения из 512 строк по 512 точек при 16 градациях яркости. Изображение можно было рассматривать как неподвижным, так и движущимся, смещая его постепенно в вертикальном направлении и автоматически вводя новую информацию строка за строкой. В этом режиме создавалось впечатление полета над поверхностью Венеры.

Этот цифровой комплекс, обладающий высокой производительностью и достаточной универсальностью, в период регулярной радиолокационной съемки Венеры обеспечил построение полос изображения поверхности и измерение высотного рельефа. По окончании съемки с его помощью цифровыми методами были построены карты Венеры.

ОБРАБОТКА ОТРАЖЕННЫХ СИГНАЛОВ

Обработка сигналов радиолокационной станции с синтезированной апертурой. Для каждого массива отраженных сигналов, полученных в режиме радиолокационной станции с синтезированной апертурой, с помощью Фурье-процессора осуществлялась согласованная фильтрация для 127 значений запаздывания и 31 значения доплеровского смещения частоты, соответствующих примерно 4000 элементов поверхности планеты в диаграмме направленности антенны.

За 0,3 с, через которые регистрируются порции отраженных сигналов, космический аппарат смещался по орбите на часть ширины участка поверхности, попадающей в диаграмму направленности антенны. Это обеспечивало взаимное перекрытие 6 – 14 кадров (в зависимости от высоты космического аппарата) и возможность усреднения измерений мощности отраженных сигналов для уменьшения спекл-шума.

Каждый элемент поверхности проходил через несколько кадров, занимая разное положение. При совмещении отдельных кадров и построении полосы изображения нужно добиться, чтобы измерения мощности, соответствующие одному и тому же элементу в разных кадрах, попали в одну точку полосы. Для получения полного совмещения с помощью ЭВМ для каждой точки полосы вычисляются расстояние и радиальная составляющая скорости относительно космического аппарата. Насколько это непростая работа даже для ЭВМ, видно из того, что при принятом шаге разложения 0,8 км полоса изображения длиной около 8000 км содержит 10 000 вертикальных строк по 195 точек (ширина полосы 156 км), т. е. около 2 000 000 точек, а измерения мощности для каждой точки надо брать из 6 – 14 кадров!

Эта методика учитывает изменения высоты и скорости космического аппарата, движущегося по эллиптической орбите, а также возможные (как правило, в пределах ±0,5°) отклонения электрической оси антенны от требуемого положения в процессе съемки.

Разработанная методика усреднения измерений мощности отраженных сигналов устраняла неравномерность яркости в поле кадра, вызванную неравномерность усиления в диаграмме направленности антенны и неодинаковым углом обзора для элементов, находящихся на разном расстоянии от трассы. При этом яркость тех элементов поверхности, для которых мощность отраженных сигналов равна средней, получается равной единице, и на изображении этим элементам присваивается серый тон. Для других элементов, у которых мощность отраженных сигналов больше или меньше средней, яркость получается больше или меньше единицы. На изображении им присваивается соответственно более светлый или более темный тон.

Обработка сигналов радиовысотомера. Первоначально при обработке отраженных сигналов радиовысотомера применялось разделение только по запаздыванию. Полученное распределение мощности отраженных сигналов сравнивалось с рядом моделей, отличающихся значениями коэффициента шероховатости и дисперсии высот в участке поверхности 2, оказавшемся в пределах диаграммы направленности антенны радиовысотомера (см. рис. 10). При выборе моделей для сравнения учитывалась высота полета космического аппарата и возможное отклонение электрической оси антенны от местной вертикали. Последнее измерялось по смещению средней частоты спектра отраженного сигнала. Модели распределения мощности отраженных сигналов были вычислены заранее, их общее число достигало 3000.

Эта методика давала высоту космического аппарата над средним уровнем поверхности планеты в пятне диаметром 40 – 50 км (в зависимости от высоты). Затем была использована возможность разделения отраженных сигналов также и по доплеровскому смещению частоты, что позволило сузить пятно, относительно которого измеряется высота, по трассе полета до 6 – 14 км (см. рис. 10). Точность измерения высоты определялась по разбросу измерений при полете космического аппарата над ровной местностью и оказалась равной 30 м.

Учитывалось дополнительное запаздывание сигналов в атмосфере Венеры из-за меньшей скорости распространения радиоволн, что как бы удлиняло их путь. Над средним уровнем поверхности Венеры атмосфера увеличивает путь на 260 м. Над возвышенностями дополнительное запаздывание уменьшается, над низменностями – увеличивается.

СОЗДАНИЕ ФОТОКАРТ И ТОПОГРАФИЧЕСКИХ КАРТ ВЕНЕРЫ

Создание карт Венеры являлось главной целью эксперимента. Первоначально предполагалось, что карты будут нарисованы на основе полос радиолокационных изображений, построенных в результате обработки отраженных сигналов. Однако объем снятого материала показал нереальность выполнения этой работы в приемлемые сроки: при рисовании карт вручную с отмывкой рельефа потребовалось бы не менее 10 лет. Поэтому в ИРЭ АН СССР при участии Центрального научно-исследовательского института геодезии, аэросъемки и картографии (ЦНИИГАиК) ГУГК была разработана методика построения карт полностью цифровыми методами, реализованная на ЭВМ СМ-4 Центра, созданного для обработки информации космических аппаратов «Венера- 15» и «Венера-16».

Впервые все операции по созданию карты, включая синтез радиолокационных изображений и профилей высот поверхности Венеры по отраженному сигналу, перестроение их в определенную картографическую проекцию, устранение перспективных искажений, нанесение координатной сетки, горизонталей и надписей целиком выполнены цифровыми методами. Это обеспечило математическую точность карт и оперативность их получения.

Методика, алгоритмы и программы обработки информации создавались целиком в ИРЭ АН СССР. За полтора года до начала эксперимента выяснилось, что программы, написанные на стандартном языке Фортран, работают слишком медленно. Например, оказалось, что одна из 6 основных программ для обработки информации, полученной за один сеанс съемки (программа построения полосы радиолокационного изображения), требует 26 ч машинного времени. Поскольку заставить машину работать быстрее невозможно, пришлось применить «маленькие хитрости», такие, как переход на язык Ассемблер, использование целочисленной арифметики, разложение сложных функций в конечные ряды, интерполяция. Все, вместе взятое, сократило время счета примерно в 10 раз.

Математические программы должны были обеспечить полную обработку поступавшей информации, включая построение полос радиолокационных изображений и измерение высотного рельефа поверхности Венеры. Кроме быстроты счета, от них требовалась самостоятельность в принятии решений в случае возникновения искажений информации. В процессе обработки должны были вычисляться характерные значения параметров отраженных сигналов, такие, как мощность, частота, запаздывание, чтобы оперативно судить о работе радиолокатора и ходе обработки. О сложности программ судят по числу элементарных операций, на которые распадается программа. Некоторые программы имели до 4000 таких: операций, а полное их число во всех программах достигало 50 000!

В мае 1983 г. за несколько месяцев до начала эксперимента по разным причинам уволилось несколько человек из числа тех сотрудников ИРЭ АН СССР, которые готовили алгоритмы и программы. В создавшейся ситуации, когда были потеряны те, кого в течение нескольких лет обучали «маленьким хитростям», никто помочь не мог. Выход был один – работать более напряженно, предельно целеустремленно. Некоторые работали в период своего отпуска, в выходные дни. В последние два месяца работали с 8 утра до 8 вечера, но не больше, чтобы восстановить силы.

В результате все основные программы были отлажены к моменту поступления магнитных лент с записью информации первого сеанса съемки. Теперь мы находились на последнем этапе длинной цепи, начавшейся с создания радиолокатора и космического аппарата. От нашей работы зависело, насколько успешно завершится труд многих тысяч людей, участвующих в эксперименте. Это и было главным стимулом в работе.

Эксперимент такой сложности осуществлялся впервые, и когда в начале июня 1983 г. космические аппараты стартовали к Венере, было много опасений в его успехе. Сработает ли аппаратура? Не исказит ли изображение атмосфера Венеры? Правильно ли мы понимаем, как отражаются радиоволны поверхностью Венеры? Ведь после первых некачественных радиолокационных изображений, полученных в США, некоторые считали, что Венера такая же гладкая, как и бильярдный шар, и там нечего снимать!

И вот настали знаменательные дни. 16 октября 1983 г. космический аппарат «Венера-15» впервые осуществил радиолокационную съемку планеты Венера. 18 октября магнитные ленты с записью информации первого сеанса съемки скорым поездом были доставлены в Москву Е. П. Молотовым, который руководил разработкой аппаратуры приема и помехоустойчивой регистрации информации космических аппаратов. 20 октября около 15 ч на экране дисплея появился фрагмент первого изображения поверхности Венеры. Все работало безукоризненно.

Когда началась регулярная ежедневная съемка Венеры, стало нарастать отставание в обработке. Тогда в конце 1983 г. решено было перейти на двухсменную работу, включая субботу и воскресенье. Все сотрудники, участвующие в обработке, были разбиты на 3 бригады. Одна из них работала днем, другая – вечером, а третья – в эти сутки отдыхала. В создании сложного комплекса программ, разработке аппаратуры Центра и обработке информации большая роль принадлежала молодым научным сотрудникам А. И. Захарову, В. Е. Зимову, А. П. Кривцову, И. Л. Кучерявенковой, Н. В. Родионовой, В. П. Синило и В. А. Шубину.

Каждую неделю в Институт геохимии и аналитической химии АН СССР и Центральный научно-исследовательский институт геодезии, аэросъемки и картографии ГУГК передавалось 100 – 150 фотоотпечатков с изображениями и профилями высот поверхности Венеры. Чтобы ускорить выпуск карт, было решено строить карты цифровыми методами, используя аппаратуру Центра. К середине 1987 г. для снятой территории Венеры построены все 27 карт в четырех вариантах. Они переданы на магнитных лентах в ЦНИИГАиК для подготовки к изданию. Две карты из них изданы небольшим тиражом в 1986 г. В ноябре 1987 г. А. А. Крымовым и О. С. Шампаровой закончено построение полной карты снятой территории Венеры, включившей в себя весь материал, полученный с помощью космических аппаратов «Венера-15» и «Венера-16».

Рис. 2. СМ-4 с подключенным спецпроцессором Фурье

Источник: vk.com

Комментарии: