Quill fue un programa experimental de la Oficina Nacional de Reconocimiento (NRO) de los Estados Unidos de la década de 1960, que proporcionó las primeras imágenes de la Tierra desde el espacio utilizando un radar de apertura sintética (SAR). [1] Las naves espaciales de imágenes de radar de este diseño no estaban destinadas a ser desplegadas operativamente, ya que se sabía que la resolución de este sistema, inferior a la de los sistemas aerotransportados experimentales simultáneos, no serviría para ese propósito. En cambio, el objetivo predominante del programa era mostrar si la propagación de ondas de radar a través de un gran volumen de la atmósfera y la ionosfera degradaría peligrosamente el rendimiento de la función de apertura sintética.
Fabricante | Goodyear Universidad de Michigan 's Willow Run Laboratorios Lockheed (Agena) |
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País de origen | EE.UU |
Operador | Oficina Nacional de Reconocimiento de EE. UU. |
Aplicaciones | Imágenes de radar |
Especificaciones | |
Autobús | Agena-D |
Masa de lanzamiento | 1500 kilogramos |
Régimen | Tierra baja |
Vida de diseño | 4 dias |
Dimensiones | |
Producción | |
Estado | Fuera de servicio |
Construido | 3 |
Lanzado | 1 |
Retirado | 1 |
Lanzamiento inaugural | OPS 3762 , 21 de diciembre de 1964 |
Última jubilación | OPS 3762, 25 de diciembre de 1964 |
Nave espacial relacionada | |
Derivado de | KH-4 |
NRO ha puesto a disposición en línea una descripción detallada del programa. [2]
Objetivos
Inicialmente, el beneficio principal que ofrecían las imágenes de radar era su capacidad para operar de noche y también para obtener imágenes a través de nubes u otras obstrucciones atmosféricas que absorbían o dispersaban ondas no solo en el espectro visible sino también en el infrarrojo y ultravioleta cercanos. . Pero el radar también ofrecía el beneficio de una señal recibida que ya era una función de tiempo eléctrica, lista para la retransmisión de radio inmediata. De modo que ese proyecto se convirtió en un medio para una prueba de transmisión de datos de imágenes en tiempo real, así como una prueba de SAR en órbita. Dado que la teoría y el estado del arte para dicha transmisión se entendían bien, se comprendió que los medios existentes para esta parte de la misión de Quill serían inadecuados para mostrar el nivel de detalle necesario para evaluar las amenazas militares, incluso si las mejores imágenes resultaban ser tan bueno como se esperaba. Aún así, no solo se podían aprender sus lecciones al intentarlo, sino que también cualquier éxito en dicha transmisión era una protección contra la falla en la recuperación de la película a bordo, un problema que había plagado a muchos de los primeros satélites de fotointeligencia.
Descripción
Los satélites Quill se basaron alrededor del Lockheed RM-81 Agena-D , que también sirvió como etapa superior para la inserción orbital. El contratista principal del vehículo en órbita y su carga útil de radar fue Lockheed. Para agilizar la prueba, el subcontratista Goodyear adaptó un radar de apertura sintética diseñado para uso aerotransportado, a la operación espacial y a los largos rangos involucrados, en base a los criterios desarrollados por el equipo de investigación de otra organización participante cuya relación con Quill aún no se ha establecido. desclasificado.
Aunque solo se necesitaba un satélite, también se produjeron un modelo de respaldo y un modelo de ingeniería. Debido a que el primero, OPS 3762 , logró todos los objetivos de prueba del proyecto, solo se lanzó ese. Según una historia oficial de la NRO, [3] "En los primeros 20 años de actividad del programa de reconocimiento de satélites en los Estados Unidos, Quill fue ... el único satélite de cualquier naturaleza que procedió de principio a fin con un registro perfecto de lanzamiento, operaciones orbitales , lectura y recuperación ".
Para limitar la necesidad de fuertes señales de transmisión de datos desde el satélite, se deseaban estaciones terrestres que tuvieran un área de captura de señal muy grande (área de antena) y la subsecuente directividad de recepción de haz estrecho. Las instalaciones disponibles con antenas parabólicas grandes capaces de girar rápidamente para seguir un satélite a través del cielo existían en New Boston, NH , y en Vandenberg AFB en la costa de California. Esas ubicaciones también se utilizaron para la comunicación ascendente de encendido y apagado del radar y otros comandos de control de carga útil.
La antena de orientación lateral requerida para la operación de SAR se montó casi al ras a lo largo de un lado del cuerpo cilíndrico del Agena. En órbita, el cuerpo se rodó de modo que el rayo se dirigiera a un ángulo vertical de 55 ° desde la horizontal. Desde altitudes orbitales que varían alrededor de 130 millas náuticas (nm), el haz iluminó la superficie de la tierra a lo largo de una franja de 10 nm de ancho, generalmente a 160 nm de distancia y centrada a 93 nm a la izquierda de la trayectoria terrestre del vehículo . [4] El haz de 0.006 radianes de ancho a lo largo de la trayectoria iluminó 0.56 millas náuticas a lo largo de la trayectoria a la vez, y continuó recolectando retornos de cada punto de la escena mientras viajaba tan lejos a lo largo de la superficie de la tierra, esa cantidad de datos por elemento de la escena que se colapsaría ("enfocado"), durante el procesamiento posterior de la señal, en una sola medida ("imagen") de la fuerza de retorno de ese elemento de la escena.
Lanzamiento
Después del lanzamiento el 21 de diciembre de 1964, la recopilación de datos se ordenó intermitentemente durante el día y la noche durante cuatro días mediante los comandos del controlador de tierra a través de las estaciones de seguimiento. Por lo tanto, la operación de Quill SAR se restringió a ubicaciones de vehículos dentro de las distancias máximas de línea de visión de aproximadamente 900 millas terrestres (1490 km) desde esas dos estaciones terrestres. Estas regiones estaban casi en su totalidad dentro de los EE. UU., Pero podían cubrir parte de Canadá desde la estación este y parte de México desde la occidental. Los tiempos de operación fueron restringidos aún más, por parte de los controladores, a áreas dentro del territorio NORAD (Defensa Aérea de América del Norte), evitando iluminar o tomar imágenes de cualquier territorio mexicano, pero eso no se hizo con Canadá, socio de Estados Unidos en NORAD .
Para evitar llamar excesivamente la atención sobre este vehículo único, su trayectoria orbital era similar a la que utilizaban los satélites fotográficos estadounidenses. Dado que el lanzamiento desde Vandenberg AFB cerca del mediodía significó que la órbita inicial comenzó como un tramo descendente (hacia el sur) durante la luz del día, todos los tramos descendentes posteriores hicieron lo mismo y todos los tramos ascendentes (hacia el norte) ocurrieron durante la oscuridad. En las latitudes de obtención de imágenes de EE. UU., Esos tramos ascendentes avanzaron a lo largo de trayectorias en azimutes entre 018 ° T y 022 ° T, más al norte que al norte-noreste, volviéndose un poco más al este dentro de esa región a medida que cada camino se dirigía a latitudes norte o sur más altas. Los acimutes de las piernas descendentes (hacia el sur) durante los tiempos de obtención de imágenes fueron similares entre 162 ° T y 158 ° T.A diferencia de sus primos foto-satélite que miraban hacia abajo, Quill miró hacia el noreste durante las piernas descendentes y hacia el noroeste durante las ascendentes.
Trayectoria de vuelo
El primer camino descendente de Quill cruzó Sudamérica y alcanzó su extremo sur cerca de la Antártida por debajo de la mitad del Atlántico Sur. El siguiente ascenso bordeó la costa este de África, luego cruzó Pakistán y el extremo occidental de China cerca de Alma Ata en la Unión Soviética. Los ascensos posteriores siguieron caminos de forma similar, pero cada uno fue "desplazado" hacia el oeste del anterior por la cantidad de rotación de la tierra en un período orbital más una pequeña cantidad de precesión de la órbita occidental, para un total de 22,5 °. Así, el segundo ascenso sin imágenes pasó sobre el Mar Caspio, el tercero sobre el oeste de Turquía, el cuarto cerca de la frontera del norte de Italia con Francia y el quinto sobre Irlanda. El séptimo ascenso, el primero al oeste del Atlántico, pasó por Nueva Escocia y Terranova , y el octavo fue el primero en llegar a los estados del medio oeste de EE. UU., Donde tuvo lugar el evento de imágenes inicial.
Los conjuntos de trayectorias descendentes (hacia el sur) en latitudes de obtención de imágenes de EE. UU. Ocurrieron primero en las áreas del Océano Pacífico al oeste de California y primero en las partes del este de EE. UU. Casi un día después. Después de un intervalo sustancial, se produjo un nuevo conjunto de rutas hacia el norte y luego una de las rutas hacia el sur sobre los Estados Unidos, habiendo cuatro de estos conjuntos en cuatro días sucesivos, dos de ellos cruzando luego rutas ascendentes anteriores. La última grabación a bordo de datos en película se produjo durante el tramo descendente de la trigésima revolución. Esa película fue expulsada y recuperada sobre el Océano Pacífico durante la porción descendente de la órbita 33, después de lo cual solo se dispuso de datos de enlace descendente. Se obtuvieron imágenes de la franja terrestre final en la órbita 72, durante la cual cesaron las imágenes porque la batería química que proporcionaba la energía del sistema se descargó demasiado para continuar con la operación de carga útil.
La franja de imagen más larga (órbita 30) se extendía alrededor de 1000 millas (1600 km), una longitud limitada por la distancia máxima a la que el satélite permaneció por encima del horizonte de la estación de seguimiento. La captura de datos para esa franja ocupó solo 3.6 minutos de tiempo de órbita.
Procesamiento de datos
Se utilizaron tres métodos de registro de datos de imágenes. Los datos de la más alta calidad se mostraron en un tubo de rayos catódicos a bordo y se registraron en una película fotográfica. La recuperación de la película a bordo se realizó mediante el método utilizado para los satélites fotográficos estadounidenses en ese momento, que consistía en expulsar un paquete de reentrada que contenía la película expuesta y capturar el paquete en el aire mientras descendía bajo un paracaídas. Dado que ese proceso no se llevó a cabo hasta después de las primeras siete secuencias de imágenes de Quill, las imágenes de los datos con enlaces descendentes fueron las primeras y las últimas en estar disponibles. Los datos de enlace descendente se registraron en tierra en tiempo real en películas similares y también en cintas magnéticas . La disponibilidad temprana de esas películas permitió a los intérpretes de imágenes observar los límites y el contenido de las primeras franjas de imágenes antes de que la película incorporada fuera lanzada desde el satélite, una capacidad que entonces no era posible con los sensores de cámara de película óptica.
Los datos devueltos por el enlace descendente eran de calidad reducida debido a las características del enlace descendente, por lo que las películas de señal expuestas en el suelo a partir de esos datos tenían que ser de menor calidad que las expuestas simultáneamente a bordo. Las películas de señales hechas más tarde a partir de grabaciones en cinta magnética de las señales de enlace descendente sufrieron algo más.
La película de señal de las tres fuentes de grabación se desarrolló en una instalación de procesamiento en tierra. En ese momento, la apariencia óptica de los datos SAR en la película no se parecía en nada a una imagen del terreno iluminado por el radar. En cambio, parecía visualmente casi como un ruido, excepto que estaba estriado a lo largo de la película. Cada estriación representaba un rango de radar diferente y contenía largas secuencias de señales de retorno de radar superpuestas de muchos (literalmente miles) de puntos del terreno en ese rango. Se necesitaba un mayor procesamiento de datos para separar esas señales entre sí y crear, a partir de cada una de las muchas contribuciones de señales distribuidas, un punto de la intensidad adecuada en cada punto de la imagen correspondiente a un punto del terreno. En ese momento, la única técnica disponible para el trabajo era un procesador de datos óptico de alta calidad (el Procesador Óptico de Precisión, o POP) que había sido desarrollado específicamente para sistemas SAR aéreos y en órbita.
Ese procesador de datos convirtió la información en la película de señal pasando luz láser a través de cada señal larga, después de lo cual la forma de la señal en sí, con la ayuda de lentes de seguimiento especializados, causó una acción de enfoque similar a la de uno de una familia de rango distribuido. de lentes cilíndricas , conservando las separaciones de puntos que representan los rangos del radar. El resultado inmediato fue otra película expuesta, que se convirtió, cuando se reveló, en un negativo de la imagen deseada. Las mediciones del ancho de banda de la señal , la relación señal-ruido , la nitidez del enfoque, etc., se realizaron con instrumentación que se ocupaba directamente de la iluminación formadora de imagen en el procesador, evitando la no linealidad de las características de respuesta de la película de imagen. . Las películas finales que contenían imágenes positivas para su uso por los intérpretes de imágenes se hicieron a partir de las películas de imágenes negativas.
La primera película de señal que se procesó fue la grabada en tierra en tiempo real a partir de datos vinculados hacia abajo durante la primera pasada de imágenes, realizada durante la octava revolución. Por lo tanto, se dispuso de una evaluación preliminar de la primera película de imágenes antes de que ocurrieran muchos otros pases de imágenes. Mostró que esa primera franja de imagen comenzó en el sur de Indiana y continuó hacia el norte-noreste sobre la península inferior de Michigan . Las comparaciones de su imagen con mapas de USGS 1: 250,000 mostraron la ubicación de esa franja muy claramente, basándose particularmente en la forma positivamente reconocible de los devanados distintivos del río Wabash en Indiana y en las formas de las carreteras y ferrocarriles cercanos y algunas áreas urbanas. Esta primera disponibilidad de información de contenido de imagen temprana proporcionó un ejemplo del uso de la retroalimentación del producto de imagen inicial del sistema para ayudar a controlar las pasadas de imágenes posteriores del sistema en órbita y permitir que los equipos de tierra coloquen los objetos de calibración dentro de las franjas siguientes a tiempo para imágenes posteriores. Una ventaja inesperada de la primera imagen fue la determinación de la ubicación, la longitud y la composición de algunos trenes de ferrocarril, además de sus velocidades y direcciones de viaje.
Una antena de seguimiento y un equipo de grabación ideados para este propósito se habían preubicado lo suficientemente cerca de la trayectoria de imagen inicial esperada para que la forma de los pulsos del radar (mucho más fuerte que los retornos del radar al satélite) fuera monitoreada durante esa pasada. Después de que se determinó con precisión la trayectoria orbital mediante la observación de las primeras imágenes, el equipo portátil se trasladó rápidamente a varios lugares dentro de las siguientes franjas de imágenes para realizar mediciones similares.
Las mediciones de imágenes procesadas mostraron que la apertura sintética logró producir una resolución más fina de 15 pies (5 metros) en la dirección a lo largo de la pista, y ocasionalmente la mitad de eso, lo menos posible con la antena real de 5 metros de largo de Quill. La resolución del rango inclinado estaba limitada por la longitud de los pulsos transmitidos, y la resolución del rango terrestre se vio aún más limitada por el acortamiento de la imagen debido a la oblicuidad de las imágenes, siendo esta última unas 5 veces más gruesa que el valor a lo largo de la trayectoria. pero los valores de esos no fueron los buscados por este experimento.
Las características de la superficie relacionadas con las características del mapa ocurrieron con tanta frecuencia en las imágenes que los bordes de todas las franjas de imagen se podían rastrear casi continuamente en los mapas. Además de las grandes características identificadas en el mapa audazmente, como el desarrollo urbano, los patrones de carreteras, canales, puentes y aeropuertos, las imágenes mostraban otros elementos culturales y naturales mapeados y no mapeados que el espectador podía identificar, como patrones de campos agrícolas, patrones de drenaje, áreas boscosas versus áreas abiertas ( generalmente revelado por retornos brillantes de lados cercanos de áreas boscosas y sombras a lo largo de sus lados lejanos), patrones de relieve cualitativos (revelados por variaciones de tonos de pendiente), grandes operaciones de minería de superficie y costas bien definidas que bordean el no retorno áreas que representan superficies de agua suave. En áreas de alto relieve (montaña), los efectos de oblicuidad produjeron líneas irregulares en los bordes de la franja en los mapas y una "escala" similar de imágenes de características de la superficie elevada en ubicaciones de "mapas" más cercanas y de menor elevación.
Algunos resultados del experimento proporcionaron demostraciones vívidas de que las imágenes que tienen el detalle de Quill (e incluso un detalle considerablemente más burdo, como el de la nave espacial SEASAT civil 14 años después ) serían de hecho útiles para estudios de investigación y monitoreo ambiental de área amplia de la Tierra. y otros planetas. Una imagen de este tipo especialmente notable mostró, a pesar de la densa capa de nubes y las lluvias muy intensas, una descripción clara no solo de la extensión de las inundaciones de una zona costera del Pacífico, sino también de la extensión de la invasión cargada de escombros de la corriente de un río. varios kilómetros en el océano, una capacidad de recopilación de información que de otro modo no estaría disponible. [5] Otro par de imágenes, una de la órbita ascendente 24 y la otra de la órbita descendente 30, mostraron cambios tanto en las ubicaciones como en las rotaciones del hielo móvil de los Grandes Lagos durante el intervalo de 9 horas y media entre las dos imágenes.
Para preservar la intensidad de la señal de retorno, el rango de Quill desde sus áreas objetivo se había minimizado mediante el uso de un ángulo de depresión inusualmente pronunciado. Las imágenes resultantes, por lo tanto, tenían escalas de rango inclinado que eran versiones muy acortadas de la escala de rango terrestre (mapeo) del terreno llano. Si bien las imágenes de rango oblicuo brindan una perspectiva realista de las variaciones de elevación del terreno, los usuarios de imágenes generalmente prefieren imágenes similares a mapas que tienen escalas casi coincidentes tanto en el rango terrestre como en las direcciones de la trayectoria. Debido a que el procesador óptico de esa época no tenía la capacidad de hacer expansiones completas a la escala del rango del suelo, solo se crearon imágenes parcialmente expandidas durante el procesamiento de las imágenes originales.
Datos desperdiciados debido al secreto
El hecho de combinar SAR y una plataforma en órbita requería otorgar al programa una clasificación de seguridad de muy alto nivel y un acceso muy restringido. Eso llevó a la destrucción posterior de casi toda la documentación antes de que el programa fuera desclasificado el 9 de julio de 2012. En consecuencia, la documentación superviviente se limita principalmente a copias en microfilm de los informes finales, en las que el material de texto está bien conservado pero las copias de las imágenes casi no contienen tonos intermedios y, por tanto, incomprensibles. Una semi-excepción es la imagen de la órbita 16 mencionada anteriormente de un campo de escombros impulsado por una inundación que se extiende varias millas mar adentro. Aunque la imagen sobreviviente es solo una característica de casi dos tonos, muestra la forma geométrica de esa característica y su relación con las características del terreno cercano.
Otras excepciones son las impresiones fotográficas conservadas de partes seleccionadas de tres tiras de imágenes. Las copias escaneadas digitalmente de esas impresiones están disponibles en un documento de historial de NRO que está disponible en línea. [6] Sin embargo, esas impresiones estaban a una escala que no conservaba ni la resolución fina a lo largo de la trayectoria ni el efecto de moteado de coherencia que se observa en las imágenes SAR, características ambas observables en las películas de imágenes. En ausencia de esas películas, todos los ejemplos de imágenes de Quill que tienen esa resolución se han perdido irremediablemente.
Ver también
enlaces externos
- Registros desclasificados de la Oficina Nacional de Reconocimiento (NRO) - QUILL QUILL en Wayback Machine (archivado el 5 de junio de 2018)
Referencias
- ^ Robert L. Butterworth "Quill: El primer satélite de radar de imágenes" [1]
- ^ http://www.nro.gov/foia/declass/QUILL.html QUILL en Wayback Machine (archivado el 5 de junio de 2018)
- ^ Robert L. Perry, "Radar en órbita" (Ver lista en Ref. 1)
- ^ Volumen 1 del informe del sistema del vehículo 2355 (consulte la lista en la Ref.1)
- ^ Informe del programa KP-II Volumen II, página 147, Fig.49 (Ver lista en Ref 1)
- ^ Transcripción de la conferencia, p. 28 (Ver listado en Ref 1)