Разработки ВНИИТ в области космического телевидения

В. Б. Иванов

В статье изложены сведения о разработках основных космических телевизионных систем и аппаратуры, выполненных за четыре десятилетия Всесоюзным научно-исследовательским институтом телевидения (ВНИИТ, теперь Федеральное государственное унитарное предприятие "НИИТ"). Эти разработки, решение проблем, с ними связанных, внедрение систем в практику полетов космических кораблей и орбитальных станций с экипажами, а также беспилотных ИСЗ с телевизионной (ТВ) аппаратурой являются значительным вкладом института в освоение космоса.

В октябре 1959 г. весь мир облетела сенсационная новость: советские ученые и инженеры осуществили съемку и передачу на Землю изображения обратной стороны Луны.

Автоматическая межпланетная станция "Луна-3" выведена на орбиту с облетом Луны 4 октября 1959 г. На борту станции была установлена телевизионная аппаратура "Енисей", разработанная и изготовленная во ВНИИ телевидения в Ленинграде с участием ряда других научных и промышленных предприятий. С помощью этой аппаратуры 7 октября 1959 г. впервые в мире и была произведена фотосъемка обратной стороны Луны. Съемка осуществлялась с расстояния до поверхности Луны 60-70 тыс. км. одновременно в двух масштабах, объективами с фокусными расстояниями 200 и 500 мм. Передача ТВ изображения со станции на Землю велась с расстояния более 400 тыс. км. с использованием системы радиосвязи, разработанной в Москве, в НИИ приборостроения.

Создание ТВ аппаратуры для практического решения такой сложной задачи стало результатом поиска оптимальной структуры комплекса, схемотехнических и конструкторских разработок всех его компонентов, выполненных в короткие сроки, менее одного года, с учетом реального уровня техники того времени.

Аппаратура "Енисей" явилась первой космической фототелевизионной системой, работавшей в автоматическом режиме, в которой имели место все процессы, свойственные системам этого рода: съемка на фотопленку, химическая обработка (проявка с фиксацией), сушка, протяжка фотопленки, преобразование полученных на ней изображений кадров в видеосигнал с последующей подачей на радиопередатчик [1]. Принципиальная особенность этих процессов в "Енисее" - исполнение их в условиях космической станции, что требует учета таких факторов, как невесомость, возможность воздействия на фотопленку космических лучей, специфические температурные режимы, ограниченные габариты и масса аппаратуры, малое потребление электроэнергии, наконец, безоператорная работа. Перечисленные проблемы были успешно решены.

Бортовая фототелевизионная аппаратура "Енисей"

Это событие описано в "Правде" 27 октября 1959 г. на трех ее полосах, а передовая статья озаглавлена "Беспримерный научный подвиг" [2].

Съемка и передача изображений обратной стороны Луны стали началом нового научно-технического направления, получившего название "Космическое телевидение", 40-летие которого отметили в 1999 г.

В 60-е годы ВНИИТ создал и другие фототелевизионные системы, предназначенные для детального наблюдения земной поверхности, с разрешающей способностью около 10000 элементов в строке. Соответствующая бортовая аппаратура, выпущенная опытным производством института, размещалась и функционировала на космических объектах - как беспилотных, так и с экипажем. Дальнейшего развития системы фототелевизионного типа не получили из-за их конструктивной и эксплуатационной сложности.

К числу важных разработок ВНИИТ в области космических телевизионных систем относятся бортовая ТВ аппаратура метеорологического назначения и наземное оборудование для приема и обработки получаемой информации об облачном покрове и подстилающей поверхности Земли. Бортовые и наземные комплексы созданы для Государственной метеорологической службы. Система получила наименование "Метеор", а ее последующие модификации - "Метеор-2" и "Метеор-3". Первая начала функционировать в 1964 г., бортовая аппаратура была установлена на ИСЗ "Космос-44". Наблюдение облачного покрова с орбиты высотой около 800 км проводилось двумя камерами на малокадровых видиконах, скомпонованных в единый блок с двумя такими же резервными камерами.

Съемка осуществлялась при быстром экспонировании во время обратного хода кадровой развертки, затем в течение 10 с считывался сигнал с полосой частот до 15 кГц и записывался на бортовом устройстве магнитной записи (УМЗ). Подготовка видикона к экспонированию следующего кадра занимала 50 с. УМЗ необходимо не только как средство памяти довольно большого объема записанной информации, но и для сокращения в 4 раза времени передачи ее на наземные пункты путем увеличения скорости воспроизведения. Это требовалось из-за ограниченного времени связи со спутником.

К бортовым УМЗ были предъявлены сложные эксплуатационно-технические требования, в частности: ресурс работы не менее одного года, сохранение параметров при нескольких циклах записи-воспроизведения информации ежедневно в режиме безоператорной работы. Для выполнения этих требований специалистами института были разработаны и изготовлены износостойкие незатираемые магнитные головки, созданы высокоточные лентопротяжные механизмы, обеспечивающие стабильность натяжения магнитной ленты и равномерность ее движения. УМЗ высокоэкономичны по потребляемой энергии, имеют малые габариты и малую массу.

Изображение полного диска Земли, полученное с помощью ТВ аппаратуры "Метеорит-Планета" на инфракрасном участке спектра с борта спутника "Электро" 21 марта 1996 года

Первые комплексы бортового ТВ оборудования "Метеор" позволяли наблюдать облачный покров Земли только в дневных условиях, в видимой части спектра. В последующие годы оборудование дополнили аппаратурой с приемниками

излучений в инфракрасной (ИК) части спектра и цифровыми УМЗ для записи и воспроизведения информации в этой части спектра.

В модификации "Метеор-2" используется новая однострочная ТВ камера с оптико-механической разверткой строк, работающая в видимой части спектра. Развертка по кадрам идет за счет орбитального движения спутника. Камера, по сравнению с видиконным вариантом, обладает более высокой разрешающей способностью (около 2000 элементов в строке) и улучшенными градационными параметрами. Разработано усовершенствованное УМЗ с частотной модуляцией и коррекцией временных искажений сигнала, введено десятикратное увеличение скорости воспроизведения по сравнению со скоростью записи. Кроме того, в состав комплекса включена камера непосредственного наблюдения с оптико-механической строчной разверткой, работающая на дневной стороне в видимой части спектра, а на ночной стороне в ИК диапазоне 10, 5... 12, 5 мкм. Параметры развертки камеры отличаются от предыдущей, так как они должны быть ориентированы на воспроизведение изображений на наземных приемных пунктах стандартными фототелеграфными аппаратами, с разрешением 800 элементов в строке. Режим непосредственной (без записи на УМЗ) передачи метеорологической информации из космоса в районы, над которыми пролетает спутник, используется для оперативных прогнозов погоды [3].

В комплексах "Метеор-2" и впоследствии "Метеор-3" формируется несколько видов информации, поступающей от УМЗ, камер непосредственного наблюдения, средств телеметрии. Для уплотнения и формирования сигналов, подаваемых на радиопередатчик, в составе комплексов имеется специальная аппаратура.

Телевизионная аппаратура серии "Метеор" является основой космической метеорологической системы, работающей со среднеорбитальных ИСЗ, высота орбит которых 900...1200 км. Система действовала на протяжении многих лет, передавая метеоинформацию в полосе захвата 2000 км по поверхности Земли.

В конце 80-х гг. ВНИИТ разработал и изготовил телевизионную аппаратуру "Метеорит-Планета" для геостационарного метеорологического космического аппарата "Электро". Наблюдение облачного покрова с высокой орбиты на расстоянии около 36 000 км от поверхности Земли дает возможность охватить в одном кадре весь диск Земли. При наличии на геостационарных орбитах четырех-пяти подобных космических аппаратов создается возможность получать информацию о состоянии облачного покрова над всей планетой и при регулярной передаче ее в центры обработки иметь данные о динамике глобального развития атмосферных процессов.

Специалистами ВНИИТ, при участии специалистов смежных предприятий, при создании аппаратуры "Метеорит-Планета" решен ряд сложных проблем, к числу которых, в частности, относятся:

• высокое пространственное разрешение (1 км в видимой части спектра и 5 км на ИК участке) при наблюдении полного диска Земли;
• многоспектральное наблюдение;
• применение двухкоординатного оптико-механического сканирующего устройства, единого для всех приемников излучений видимой и ИК частей спектра.

В октябре 1994 г. космический аппарат "Электро" с аппаратурой "Метеорит-Планета" на борту был выведен на геостационарную орбиту для проведения первого этапа летных испытаний. До настоящего времени телевизионные снимки облачного покрова Земли поступают в Главный центр приема и обработки данных [4].

Все рассмотренные выше ТВ системы относятся к разряду малокадровых, передающих лишь неподвижные изображения.

Важным разделом космического телевидения является создание во ВНИИТ ТВ систем для видеосвязи с обитаемыми космическими кораблями и орбитальными станциями; становится необходимой передача движения, что реализуется в многокадровых ТВ системах.

Первая бортовая телевизионная многокадровая камера, установленная на космическом корабле "Восток-1", передала в 1961 г. с орбиты изображение лица первого космонавта Ю. А. Гагарина. Переданное изображение состояло всего из 100 строк и поступало с частотой 10 кадров/с. Качество изображения было, конечно, низким, но сам факт получения живого изображения лица человека, совершающего впервые в мире космический полет, имел большое значение для контроля состояния космонавта. Вскоре с учетом ограниченных возможностей радиоканала борт-Земля были созданы бортовые ТВ камеры с построчным разложением на 400 строк при 10 и 25 кадрах в секунду, которые давали значительно лучшее качество изображения. Однако оно уступало изображению, соответствующему вещательному стандарту, да еще и требовало процедуры перезаписи в случае необходимости передачи по вещательным сетям телевидения как в нашей стране, так и за рубежом, где очень интересовались полетами наших космонавтов и их работой в космосе.

Бортовая репортажная камера космической цветной телевизионной системы с последовательной передачей цветоделенных полей изображения, применявшаяся во время совместного полета советского и американского космических кораблей "Союз" и "Аполлон" в июле 1975 года

В 1965-1966 гг. во ВНИИТ разработаны и испытаны комплексы бортовой ТВ аппаратуры "Кречет" для космических кораблей "Союз" и орбитальных станций. Параметры аппаратуры базировались на вещательном стандарте 625 строк, 50 полей при чересстрочной развертке. Бортовой комплекс "Кречет" главной своей задачей имел передачу изображений космонавтов, показ их работы на борту и в открытом космосе, а также выполнял некоторые служебные функции - контроль стыковки космических кораблей, контроль траектории посадки при возвращении на Землю.

Для регулярного приема ТВ информации из космоса институт разработал и ввел в эксплуатацию сеть наземных приемных пунктов системы "Кречет", расположенных на территории бывшего Советского Союза, от Камчатки до Евпатории, Московской и Ленинградской областей. В состав каждого приемного пункта входили: антенное устройство со средствами наведения, приемник, аппаратура синхронизации и обработки поступающей с борта информации, устройства формирования сигналов для передачи по обычным каналам связи в Центр управления полетом и в вещательную сеть страны.

Таким образом, была создана уверенно работающая система космической видеосвязи, которая работает и до настоящего времени, конечно, с проведением усовершенствований. В середине 70-х - начале 80-х гг. для обеспечения ТВ оборудованием космических кораблей "Союз-Т", "Прогресс-M" и орбитальной станции "Мир" были разработаны, испытаны, освоены в серийном производстве и выпускаются до последнего времени унифицированные ТВ комплексы под названием "Клест". Эта аппаратура состоит из функционально законченных блоков, позволяющих использовать комплекс в космических объектах различной конфигурации, включая замену ранее разработанной бортовой аппаратуры "Кречет".

В начале 1973 г. ВНИИТ получил срочное задание: создать систему космического цветного телевидения для проведения репортажей с бортов советского и американского космических кораблей "Союз" и "Аполлон" во время их совместного полета, назначенного на 15 июля 1975 г.

По тому времени это была сложная задача, особенно в условиях жестко ограниченных сроков. На разработку, изготовление и испытания в реальных условиях фактически отводилось полтора года, так как уже на начало 1975 г. планировались поставка в НПО "Энергия" штатных комплектов бортовой аппаратуры и ввод в действие новых наземных средств приема, обработки, преобразования и распределения сигналов цветного телевидения, получаемых от бортовой аппаратуры.

Для удовлетворения требований высокой чувствительности камеры цветного телевидения, высокого качества цветопередачи при использовании существовавших тогда космических радиолиний (с ограниченными параметрами по полосе частот и фазовым характеристикам) было принято решение построить систему по принципу последовательной передачи цветовых полей с преобразованием на наземном приемном пункте в одновременную форму организации цветовых полей. Высокая чувствительность бортовой камеры была достигнута путем использования в качестве преобразователя свет-сигнал наиболее чувствительной в то время передающей трубки - супер-кремникона, с применением вращающихся светофильтров перед ее планшайбой. При таком решении одновременно исключалась проблема совмещения цветоделенных изображений. Для правильной последовательности передачи и приема цветовых полей в ТВ сигнал введена посылка из серии импульсов кода Баркера, опознающей красное цветовое поле. Специфический узел цветной камеры (диск со светофильтрами) создан по заданию ВИИТ Государственным оптическим институтом, а управляемый микропривод для вращения диска - ВНИИЭМ в Москве.

При последовательной передаче цветоделенных полей частота полных цветных полей становится равной 50/3 Гц, что приводит к недопустимым мельканиям изображения. Для устранения мельканий ВИИТ разработал уникальное устройство преобразования последовательных сигналов цветного телевидения в одновременные. Оно основано на магнитной записи поступающей ТВ информации и ее воспроизведении с двукратным повторением каждого цветоделенного поля. Устройство представляет собой трехканальный дисковый аппарат магнитной записи с шестью плавающими магнитными головками, работающими с автоматическим переключением режимов записи, воспроизведения и стирания в темпе приема информации [5].

Центральная техническая аппаратная, введенная в эксплуатацию в Москве в 1975 году

Для сбора ТВ информации, поступающей с бортов космических кораблей на наземные приемные пункты, ее обработки и распределения потребителям в 1974 - начале 1975 гг. ВНИИТ создал Центральную техническую аппаратную (ЦТА) в Москве на Шаболовке. Она стала новым объектом в системе космической видеосвязи, укомплектованным средствами синхронизации, аппаратурой преобразования последовательных сигналов цветного телевидения в одновременные, кодирования преобразованных сигналов RGB по стандарту SECAM, а также контрольно-измерительной, коммутационной аппаратурой и оборудованием регистрации. ЦТА помимо приема и обработки ТВ информации выполняла функции управления наземными приемными пунктами в части сбора информации, в том числе в эстафетном режиме, который позволял увеличить продолжительность одного сеанса связи с космическим объектом до 20-25 мин, что было немаловажным фактором при отсутствии в то время спутника-ретранслятора [6]. Начиная с совместного полета космических кораблей "Союз" и "Аполлон" в июле 1975 г., во все последующие годы репортажи с бортов космических объектов велись в цвете.

В целом рассмотренные работы в области космической связи играют важную роль в становлении космического телевидения. С легкой руки разработчиков это направление получило название "Космовидение".

В настоящее время Санкт-Петербургский НИИТ (такая аббревиатура заменила ВНИИТ) ведет разработку и обеспечивает поэтапную поставку телевизионного оборудования для международной космической станции "Альфа", сооружаемой Россией, США и некоторыми другими странами-участниками этого проекта. Первая очередь аппаратуры выполнена на основе унифицированного комплекса "Клест". В дальнейшем намечено создание ТВ аппаратуры нового поколения, в которой предусмотрены улучшение основных параметров, в том числе разрешающей способности и чувствительности, формирование одновременных цветовых сигналов, разработка радиационно стойких камер на ПЗС для внешнего размещения вне корпуса станции.

В качестве работ спецназначения НИИТ создал сверхчувствительную систему дальнего наблюдения пусков баллистических ракет. В ней использованы оптико-электронные средства с особо чувствительными приемниками излучаемой энергии на борту ИСЗ и средства цифровой обработки получаемых сигналов. Проверка системы в реальных условиях дала положительные результаты.

К сожалению, в последние годы сократились масштабы работ по созданию новых поколений ТВ аппаратуры космического назначения ввиду известной экономической ситуации в стране. Тем не менее, высокий научно-технический потенциал НИИТ сохранен. И коллектив еще покажет себя в разработках нужной стране аппаратуры. Этот процесс идет, хотя пока и в ограниченных объемах.

Литература

1. Брацлавец П. Ф., Росселевич И. А., Хромов Л. И. Космическое телевидение. - М.: Связь, 1973.
2. Газета "Правда" от 27.10.1959.
3. Баранов Б. И., Дыбовский А. В., Левин В. М., Мищук В. В., Малькевич А. Е. Телевизионные системы метеорологических ИСЗ // Техника средств связи. Сер. Техника телевидения. - 1986. - Вып. 1.
4. Малькевич А. Е., Ресовский В. А., Дедюрин Э. В. Телевизионная аппаратура космического аппарата "Электро" // Телевизионная техника и связь. - Вып. 1995.
5. Иванов В. Б., Петров В. И., Кавкин В. Л. Преобразователь последовательных сигналов цветного ТВ в одновременные с дисковой магнитной записью // Техника кино и телевидения. - 1976. - № 9.
6. Иванов В. Б. Космическая репортажная система цветного телевидения "Арктур" // Телевизионная техника и связь. - Вып. 1995.

Статья опубликована в журнале "Электросвязь" №1, 2000 г., стр. 37.
Перепечатывается с разрешения редакции.