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[原创] 俄罗斯新一代光电侦察卫星PERSONA

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songliang 发表于 2008-11-12 15:42 | 显示全部楼层 |阅读模式

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本帖最后由 songliang 于 2013-6-8 22:06 编辑

根据一些新信息对原帖---------对宇宙2441的遐想的文章进行了修改!!!
莫斯科时间7月26日22时31分(北京时间27日2时31分)普列谢茨克发射场,联盟2-1b火箭将一颗编号宇宙2441的光电侦查卫星送入太阳同步轨道,这是俄罗斯近年来发射的新一代光电侦察卫星的第一颗。由于涉及到俄罗斯侦察卫星的最高机密,因此有关这颗卫星的资料无论俄方还是西方均无详细报道,本文仅从有限的信息当中推测一下这颗卫星的特点。

首先媒体报道中最引人瞩目的一点是:这颗名为Persona(cosmos 2441)的卫星使用了类似阿肯1的光学系统(但有所不同)。为了分析cosmos2441的光学系统就要提一下阿肯1卫星的背景。
先要说明一下,阿肯(阿尔康)(ARKON)--实际上不是俄文的原音,是个俄文简写。是拉沃奇金设计局90年提出的民用遥感卫星的代号。而阿肯1实际上是苏联八十年代研制的第八代侦察卫星计划:ARAKS计划(代号为11f664,设计局代号“特工”)的民用版。应当说是先有军用的“特工”后有民用的阿肯1。对于“特工”或“阿肯”卫星的光学系统,目前没有俄方的权威资料,不过根据总参二部技术局编纂的“卫星侦查参考资料”以及93年航天部赴俄红衫厂中央设计局考察俄罗斯航天侦查相机的报告还有拉沃奇金联合体的有限资料可以大致看出特工/阿肯卫星的光学系统构成,该系统是一个焦距27米的折反式卡塞格伦光学系统。这与之前俄罗斯的琥珀类光学侦查卫星采用小孔径折射系统明显不同。一般来说折射式系统易于安装调试和检测,而且成像质量高,但是随着孔径的加大则需要采用复杂的的系统来消除相差,另外折射系统的重量大,琥珀类卫星的小孔径折射镜头就重达700-1000千克(焦距5-6米)。相比较而言反射式系统没有相差、镜头可向大尺寸发展、采用碳化硅或铍反射镜可以大幅度减轻重量,而焦距15米以上的光学系统均采用反射式系统。因此像特工/阿肯或PERSONA这类的大孔径长焦距系统再采用反射式或折反式光学系统是合理的选择。根据阿肯1卫星在2120千米的高度下全色分辨率2米(这里要注意军用的特工卫星的分辨率更高,估计同样高度下可达1米)和其光学系统是一种折反式卡塞格伦系统这些重要线索表明:光学部分有一块表面呈抛物面曲率的主镜, 在主镜前面有一块表面呈双曲面曲率的副镜。副镜接收从主镜反射回来的光,再将其经由主镜的中心孔反射到位于主镜后面不远处的焦面上。此外要想保证光学系统结构紧凑以便能被容纳到估计长度约为11米的卫星内,需要折反式卡塞格伦望远镜的有效焦距很可能必须短于标称的27米。为了使有效焦距达到27米,就需要在系统设计中加一个焦距延长器(由一组透镜构成,在主镜之后),以提供附加的焦距。根据爱里斑直径计算公式并当考虑到副镜的中心遮蔽所造成的衍射影响,要在2120千米高度实现全色2米分辨率则需要1.8米的光学孔径,考虑到加工误差,则孔径要达到2米以上。可以看出这是一个非常大的光学系统。再加上为获得高分辨率所必须的温控系统和轨道机动所需燃料的重量就无怪乎第一颗阿肯卫星使用质子火箭发射。不过根据两颗已经发射的宇宙2344和2392来看,这种卫星的性能还不稳定,均未达寿命期就报废了。。

从以上对阿肯卫星的介绍可以看出,新一代Persona(宇宙2441)如果采用类似阿肯卫星的光学系统的话,那他在770千米的太阳同步轨道上的分辨率为0.3-0.2米左右。事实上从目前获得的有限的关于Persona(宇宙2441)卫星分辨率描述的报道上说:其分辨率大概在一英尺左右(0.3米)。这也印证了其采用类似阿肯卫星光学系统的报道,当然对于分辨率的影响中CCD像元尺寸也是一个重要因素,下文将有介绍,这里不做鳌述!由于大孔径长焦距光学系统一般采用轻量化的碳化硅或铍反射镜,因此“特工”和Persona(宇宙2441)也不例外。事实上在93年的报告中就已经显示俄罗斯在碳化硅和铍镜方面进行了大量研究,对于镜胚材料、镀膜、表面处理等方面有成熟的工艺,当年俄罗斯就已经具备加工直径1.5米以上反射镜的能力。有一点值得注意的是像美俄这种大孔径侦查卫星的主反射镜一般采用分瓣制造再组合的方式,因为一次成型直径2米以上的超高精度单镜片是非常复杂的,另外采用主动光学技术的使用也要求主镜面分成多个可控的较小镜片。这样看来特工或Persona(宇宙2441)的镜头直径如果大于1.5米则采用分瓣制造将是趋势。
对于Persona(宇宙2441)的光学系统结构有一点尚未弄清,这就是他采用的是共轴还是离轴全反射系统,以及相对于特工/阿肯的光学系统其改进之处如何!共轴全反射系统的光路中间有遮拦,这样会影响分辨率,采用离轴全反射系统则没有这个问题,但是加工检测复杂。目前尚不知道Persona(宇宙2441)卫星是否采用离轴结构,但是从资源DK1的平台结构以及目前的推测图来看应当是共轴/拟共轴系统。前面曾经提到COSMOS-2441的光学系统类似特工/阿肯的光学系统,但是有不同(或是说有改进),具体有那些改进尚无官方报道,不过根据Wikipedia的信息显示,Persona的光学系统可能是一款长焦距的三反式/二级光学系统,而特工/阿肯卫星采用折反式光学系统。特工/阿肯卫星的折反式光学系统在主镜之后是一组透镜构成的焦距延长器,而Persona卫星的光学系统在主镜之后是场镜和二级校正镜。即Persona卫星采用三反式长焦距系统,并采用了类似哈勃望远镜似的二级光学系统
从图2看,从前往后依次是:次镜---主镜---二级校正镜---场镜
二级光学的基本思想是将系统分两级成像,第一级保证得到大的相对孔径,其像质一般;第二级主要是校正第一级的成像质量,可使用主动的和被动的校正元件。两级之间是采用大的场镜把主镜的像成到校正元件上。二级光学的优点是:可保证主镜尺寸较大,但其面形要求不高,使其加工装调难度降低,成本下降;像质校正采用第二级较小尺寸的元件来做,减小了校正难度;校正器的自适应模型和程序在地面事先做好,在空间只须保证两级间几何位置;利用附加反射镜可扩大视场;用反射校正器可很方便的在红外谱段进行调制;具有中间像可遮光罩和消杂光光栏简化。以上分析是对Persona采用改进的特工/阿肯卫星光学系统的推测,当然这有待于进一步消息的核实!
其次新闻报道中还提到此次发射是用新型的联盟2-1b火箭完成的,联盟2-1b火箭在普列谢茨克发射时的LEO能力为7.48吨,这意味着Persona(宇宙2441)的重量在五吨左右,这与以前的宇宙2344相差明显,也与宇宙2392相比轻了一些。重量减轻的原因可能是由于技术进步导致的,当然也可能是其功能较“特工”卫星明显的简化!另外比较特殊的是这颗卫星是被发射到太阳同步轨道上的,而以前苏俄的光学侦查卫星一般采用极地轨道,而且轨道高度较低(200-300千米)。根据新闻报道这颗卫星使用的是资源DK1卫星平台,事实上资源DK1是从苏联的琥珀4KS1数字成像卫星上发展起来的,可以看做是琥珀4KS1的民用版。对于Persona(宇宙2441)采用资源DK1卫星为平台,最初我有些疑惑,因为无论是资源DK1还是其前身琥珀4KS1都采用的是小孔径折射系统,而新的卡塞格伦反射系统是研制的新平台。幸好这些疑惑部分被天文爱好者John Locker拍摄的Persona(宇宙2441)在轨照片所解答,根据John Locker的照片和他画的推测图(图3),确实有些类似资源DK1的平台,特别是卫星后部,而前部变化较大,明显是一个大孔径的镜头(根据比例估计镜头直径在1.5米以上),之后
Wikipedia也给出了卫星在740千米轨道上的想象图(图4)





[ 本帖最后由 songliang 于 2009-2-3 12:07 编辑 ]

3_特工.jpg

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4_cosmos2441光学系统示意图 (1).jpg

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5_cosmos2441想象图.jpg

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6_cosmos2441示意图 (2).jpg

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 楼主| songliang 发表于 2008-11-12 15:44 | 显示全部楼层
本帖最后由 songliang 于 2009-9-3 12:19 编辑

继续::::
最后分析一下Persona(宇宙2441)所采用的CCD像元尺寸,CCD技术是光电成像卫星的核心技术之一,但是由于苏联在光电子领域落后于西方,因此苏联在八十年代后期才发射了数字成像卫星,苏联研制数字成像卫星的关键也是CCD器件的研制,大约花了10年时间攻克这个难关。根据93年赴俄红衫厂中央设计局考察报告上的介绍当时俄罗斯已经完成或正在研制2Oμm×2Oμm。l6μm×l8μm 和lOμm×12μm等一系列像元尺寸的CCD阵列,当然这是15年以前的信息了。最近几年俄罗斯的CCD技术也有了不小的进步,目前俄罗斯从事CCD技术研究的单位有许多家,其中比较有名的是:如“奥里昂”联合体“电子”中央科技研究所、“电子——光导”研究所、“旋风”中央科技研究所、西伯利亚半导体物理研究所、国家光学研究所、国家应用光学研究所、“极地”研究所等国有科研单位,也有苏联解体以后涌现出来的企业例如;焦平面工艺技术公司等等。其中资源DK1卫星所使用的CCD阵列是“电子——光导”研究所(现成立了ELAR公司)研制的ELCT1080v1U,07年在研ELCT1080v2U
根据Persona(宇宙2441)卫星所要求的分辨率来看,Persona卫星采用的CCD像元尺寸在6-9μm左右,当然这是指可见光波长范围内。这要说明一下CCD像元尺寸对于卫星分辨率的影响,除了大气扰动以外,光学系统和感光器件的尺寸对分辨率均有重要影响,而且是相互作用的。光学系统的分辨率一般是根据瑞利规则:分辨率=最小分辨角×轨道高度,最小分辨角≈0.61×波长/有效孔径,根据这个公式阿肯在2120千米高度时的光学系统极限分辨率是0.7米,而实际上军用的“特工”卫星也达不到这样高的分辨率,因此问题不是出在光学系统上,而是另有原因。从焦距、像元尺寸和轨道高度看,地面分辨率存在一个简单关系:地面分辨率=像元尺寸×轨道高度/焦距,根据这个公式按照“特工”卫星CCD像元尺寸13μm计算,其在2120千米高度的分辨率为1.1米,这跟对“特工”卫星的分辨率推测是一直的。如果将“特工”卫星的高度降低到770千米,则其分辨率为0.36米,这与对Persona(宇宙2441)分辨率的推测基本一致。如果反推回去,根据0.3米的分辨率和750千米的轨道高度并以像元尺寸为9μm为基准,则Persona(宇宙2441)卫星的焦距至少是20米。当然由于技术进步使得Persona(宇宙2441)卫星的长度和光学系统总长度比阿肯/特工卫星有所减小并前简化一些复杂功能,因此其重量也就进一步减小到5吨左右。由于俄罗斯光电器件上与西方的差距,因此Persona(宇宙2441)的CCD阵列可能像阿肯卫星一样是不同波段的CCD阵列拼接而成的,覆盖8个或更多波段。
综上推测,Persona(宇宙2441)作为俄罗斯新一代数字成像侦察卫星,在体积、重量、寿命、光学系统和CCD器件展现了一些新的特征,这是近几年俄罗斯技术进步的表现,特别是体积重量的减小和寿命的增加反应了俄罗斯卫星技术的进步,从分辨率看Persona(宇宙2441)接近了美国的最高级别水准。

[ 本帖最后由 songliang 于 2008-11-29 11:13 编辑 ]

ELCT1080系列CCD

ELCT1080系列CCD

资源DK1使用的CCD

资源DK1使用的CCD

点评

苏联发射第五代数字传输型卫星是1982年, 不是80年代末。  发表于 2011-12-19 22:32

评分

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jingyan66 + 10 精品文章,我很赞同

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暗夜流星 发表于 2008-11-13 08:29 | 显示全部楼层
如果这是老兄的原创,版主应该加个精华。2441的确是一颗神秘的卫星。
 楼主| songliang 发表于 2008-11-13 11:31 | 显示全部楼层

是原创,其中一些内容是以前我在虚幻发的帖子中和SHH老大讨论的成果!!

[ 本帖最后由 songliang 于 2008-11-13 11:33 编辑 ]

点评

好文章!希望在坛里多读此类大作,比瞎猜那个基地发什么星强百倍。  发表于 2012-4-24 20:55
东方红 发表于 2008-11-13 11:45 | 显示全部楼层
songliang兄好文!
从卫星结构上看,宇宙2441采用的不是离轴TMA,可能是共轴TMA。
hnxsyw 发表于 2008-11-13 11:53 | 显示全部楼层
songliang兄太强了 总参的卫星侦察参考资料 现在都看不到了
shh 发表于 2008-11-13 16:39 | 显示全部楼层
songliang兄是XH老战友了
 楼主| songliang 发表于 2008-11-13 17:25 | 显示全部楼层
原帖由 shh 于 2008-11-13 16:39 发表
songliang兄是XH老战友了


songliang兄客气了。大家都是爱好者。

[ 本帖最后由 shh 于 2008-11-14 17:09 编辑 ]
暗夜流星 发表于 2008-11-13 20:56 | 显示全部楼层
失敬,失敬。
这篇文章的确很强。

原帖由 shh 于 2008-11-13 16:39 发表
songliang兄是XH老战友了
 楼主| songliang 发表于 2008-11-13 21:20 | 显示全部楼层
原帖由 暗夜流星 于 2008-11-13 20:56 发表
失敬,失敬。
这篇文章的确很强。

哎!偶只不过根据有限的资料再加上在XH论坛上的讨论帖子整理一下,就编排了一篇,让老大们见笑了!!

[ 本帖最后由 songliang 于 2008-11-15 10:56 编辑 ]
darklighter 发表于 2008-11-16 11:32 | 显示全部楼层
文章很好。
我还是那个观点,根据质子第三级轨道推算,宇宙2344和2392发射质量一样,都是6t左右,和2441差不多,安装类似的光学系统没有什么特别的,并不存在明显的重量减小的问题。

另外,可以参考下这篇文章:
http://en.wikipedia.org/wiki/Persona_(satellite)
这个想象图更符合“琥珀”平台的设计,与John Locker的不同。John Locker拍摄那幅照片时,卫星在转移轨道近低点附近,太阳电池阵未必处于完全打开的状态。
Persona_Vs_Human.gif
根据上文,“角色”(Persona)的光学系统是这样的:
LOMO.jpg
图片来自列宁格勒光学仪器厂的资料(俄文):
http://lomo-tech.ru/photos/lomo_kosm_otkr.pdf
 楼主| songliang 发表于 2008-11-16 16:33 | 显示全部楼层
原帖由 darklighter 于 2008-11-16 11:32 发表
文章很好。
我还是那个观点,根据质子第三级轨道推算,宇宙2344和2392发射质量一样,都是6t左右,和2441差不多,安装类似的光学系统没有什么特别的,并不存在明显的重量减小的问题。

另外,可以参考下这篇文章: ...

请问老大,这个列宁格勒光学仪器厂与莫斯科的负责航天侦查相机的红山厂中央设计局是啥关系啊???
The CCD is produced by ELAR, previously known as ELECTRON-OPTRONIC.[4] The focal plane unit is manufactured by NPO Opteks.---------------------------------------------------------------对于这两个CCD和焦平面的研制单位,老大能具体介绍一下情况吗??

[ 本帖最后由 songliang 于 2008-11-16 17:44 编辑 ]
 楼主| songliang 发表于 2008-11-16 17:45 | 显示全部楼层
另外这次宇宙2441的长度比阿肯卫星缩短了,还有据报道是阿肯卫星光学系统的改进,不知道改进在那里???阿肯上用的那个焦距延长器是不是个折射式的装置,而2441上全部改成多镜片反射装置了???对比一下两图看,就是在主镜后面的折射或反射光学装置上不一样吧?

[ 本帖最后由 songliang 于 2008-11-17 07:54 编辑 ]
 楼主| songliang 发表于 2008-11-16 18:25 | 显示全部楼层
根据darklighter 老大的信息,或许情况明朗了一些,特工、阿肯卫星使用的是反射-折射光学系统!而2441使用的是全反射系统(共轴),2441的CCD尺寸9微米,焦距20米左右,750千米高度分辨率为0.3米左右!!
darklighter 发表于 2008-11-17 00:09 | 显示全部楼层
原帖由 songliang 于 2008-11-16 16:33 发表

请问老大,这个列宁格勒光学仪器厂与莫斯科的负责航天侦查相机的红山厂中央设计局是啥关系啊???
The CCD is produced by ELAR, previously known as ELECTRON-OPTRONIC.[4] The focal plane unit is manufactu ...


请不要叫我老大了,我对光学系统这方面并不怎么了解,只不过是看到这篇资料,发上来给大家参考下。老兄这方面了解比较多,还指望老兄多做发掘分析。
另外我也不知道为什么wikipedia这篇文章认准了“角色”使用的是全反射光学系统,俄文资料也看不太明白,所以个人这方面还是存疑的。
 楼主| songliang 发表于 2008-11-17 11:06 | 显示全部楼层
这是哈勃的光学系统!对比一下2441的光学系统!似乎2441也采用了类似哈勃那样的二级光学系统, 从前往后依次是:次镜---主镜---二级校正镜---场镜!!

[ 本帖最后由 songliang 于 2008-11-17 11:09 编辑 ]
 楼主| songliang 发表于 2008-11-27 20:37 | 显示全部楼层
根据一些新信息修改了一下文章!!题目也改了!!
haojiang77 发表于 2008-12-5 14:07 | 显示全部楼层
疑似图片一张!!
haojiang77 发表于 2008-12-5 14:09 | 显示全部楼层
ARKON-B???有消息说毛子打算恢复ARKON类的系统!!
haojiang77 发表于 2008-12-5 17:26 | 显示全部楼层
明年ARKON-2雷达成像卫星将升空!!!
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