Способ обнаружения пассивного космического объекта при сближении с ним активного космического аппарата

Изобретение относится к области космической техники, а именно к области лазерных локационных систем (ЛЛС), используемых для обеспечения сближения космических аппаратов (КА). Сканирование производится путем вращения активного КА с жестко установленной ЛЛС вокруг строительной оси «-ОХ» активного КА до обнаружения пассивного космического объекта. Ширина диаграммы зондирующего излучения ЛЛС в одном направлении минимальная, а в перпендикулярном направлении угол расходимости равен углу раствора конуса, образующего зону обзора. Технический результат - повышение надежности за счет исключения оптико-механического сканирования с использованием движущихся деталей, особенно для целей обнаружения объекта в условиях космического полета. 4 ил.

 

Изобретение относится к области космической техники, а именно к области лазерных локационных систем (ЛЛС), используемых для обеспечения сближения космических аппаратов (КА).

В общем случае ЛЛС включает в себя источник лазерного излучения, фотоприемник, передающую и приемную оптические системы, блок выдачи информации [1].

Поиск ЛЛС пассивного объекта в заданном секторе пространства является сложной задачей. Для облегчения процесса наведения на объект могут быть использованы дополнительные технические средства:

размещение на пассивном объекте лазерного маяка; установка на активном КА пассивных широкоугольных датчиков [2].

Однако установка на пассивном КА лазерных маяков, являющихся активными излучающими устройствами, приводит к снижению надежности, а использование дополнительных пассивных датчиков на активном КА нежелательно из-за увеличения веса и энергопотребления. Использование только одной сканирующей ЛЛС на активном КА позволяет значительно упростить состав аппаратуры и повысить надежность.

Для поиска и обнаружения ЛЛС пассивного объекта необходимо производить последовательный просмотр области целеуказания узким сканирующим полем по определенным траекториям. Перемещение приемопередающей системы может осуществляться по различным законам.

В известных технических решениях выбор траектории сканирования ЛЛС производится в зависимости от формы области целеуказания, заданного времени на ее обзор, конструктивных возможностей реализации, а также вероятностей обнаружения цели в различных участках области. Наиболее распространенные траектории сканирования - спиральная и строчная [1].

Строчное сканирование является распространенным видом обзора области целеуказания прямоугольной формы. При этом скорость поступательного перемещения оптической оси вдоль одной координаты превышает скорость ее перемещения вдоль другой.

Известен способ сканирования лазерного локатора, заключающийся в построчном сканировании [3] (см. фиг.1) области целеуказания сколлимированным лазерным лучом синхронно с узким полем зрения приемника посредством двух сканирующих зеркал. Локатор может излучать как в непрерывном, так и в импульсном режиме.

Зеркало строчной развертки работает на частоте 100 Гц и имеет размеры 2,5×2,5 см, зеркало кадровой развертки работает на частоте 2 Гц и имеет размеры 2,5×5 см. Максимальный угол области целеуказания составляет 0,17 рад.

В подобных системах для обеспечения требуемого темпа просмотра области целеуказания используется высокая частота повторения зондирующих импульсов, что приводит к расширению спектра сигнала и ухудшению отношения сигнал/шум.

За прототип принят способ сканирования лазерного локатора, осуществляющего просмотр зоны обзора с помощью плоского луча [4], освещающего одним зондирующим импульсом сразу целую строку прямоугольной области целеуказания (см. фиг.2). Луч имеет так называемую «ножевую» диаграмму направленности с различной шириной в меридиональной и сагиттальной плоскостях. Ширина диаграммы излучения в направлении сканирования минимальная, а в перпендикулярном направлении угол расходимости равен длине строки. Для сканирования области целеуказания в направлении кадрового просмотра используется вращающееся зеркало.

Достоинством данной системы является улучшение помехозащищенности за счет уменьшения частоты повторения зондирующих импульсов и упрощение кинематической схемы.

Недостатком аналогов и прототипа является использование оптико-механического сканирования. Трудности заключаются в ограниченных значениях скоростей движения сканирующих элементов, их износе в процессе эксплуатации и ограниченном сроке службы. Также, серьезной технической проблемой является обеспечение надежности движущихся и вращающихся деталей в условиях космического вакуума.

Задачей изобретения является повышение надежности за счет исключения оптико-механического сканирования с использованием движущихся деталей, особенно для целей обнаружения объекта в условиях космического полета.

Задача решается тем, что сканирование производится путем вращения активного КА с жестко установленной упомянутой ЛЛС вокруг строительной оси «-ОХ» активного КА до обнаружения пассивного космического объекта, при этом ширина диаграммы зондирующего излучения ЛЛС в одном направлении минимальная, а в перпендикулярном направлении угол расходимости равен углу раствора конуса, образующего зону обзора.

Данный способ может использоваться для обнаружения как кооперируемых объектов, так и некооперируемых.

Область целеуказания имеет форму круга. Центр области целеуказания совпадает с направлением полета, линия визирования параллельна строительной оси «-ОХ» активного КА.

Используется «ножевая» диаграмма направленности зондирующего излучения ЛЛС: в одной из плоскостей угол расходимости β зондирующего излучения равен углу раствора конуса α, образующего зону обзора. Диаграмма направленности излучения также параллельна строительной оси «-ОХ» активного КА (см. фиг.3).

Поиск объекта локации осуществляется вращением активного КА вокруг строительной оси «-ОХ». Если пассивный объект находится в пределах зоны обзора, то он попадет в поле зрения ЛЛС за время, не большее половины продолжительности разворота активного КА по крену. После обнаружения объекта локации вращение останавливается и осуществляется ориентирование оси «-ОХ» на объект. Наведение на пассивный объект производится путем разворота активного КА с помощью системы управления по информации, поступающей из ЛЛС в бортовые системы.

Для получения соответствующей диаграммы направленности используется оптическая анаморфотная система. Особенностью анаморфотной системы является то, что в меридиональной и сагиттальной плоскостях ее фокусные расстояния имеют различные значения. Принципиально в анаморфотной системе могут быть применены преломляющие поверхности самых разнообразных форм, чаще всего используются цилиндрические линзы.

В одной плоскости оптическая система представляет собой широкоугольный объектив с полем зрения, равным угловому размеру области целеуказания (например, для величины 30° это объектив типа «Зенитар», «Пентар-35», или «Телемар-17»), а в другой - набор плоскопараллельных пластин.

Используется многоэлементный приемник излучения - линейка фотоприемников (например, линейка ПЗС или линейка фотодиодов), мгновенное поле зрения которого совпадает с диаграммой направленности излучения ЛЛС. Сканирование производится вращением активного КА вокруг строительной оси «-ОХ» (по крену), см. фиг.4.

После обнаружения пассивного объекта для его сопровождения может использоваться дополнительный излучающий узконаправленный канал, входящий в штатный состав ЛЛС. В режиме сопровождения сканирование в пределах малых углов (достаточное для того, чтобы избежать срыва сопровождения и выхода объекта из поля зрения) может также выполняться с помощью акусто- или электрооптических дефлекторов, что позволяет и на этом этапе отказаться от движущихся механических деталей.

Таким образом обеспечивается надежность за счет отказа от оптико-механического сканирования, что повышает вероятность выполнения программы полета КА.

В конструкции может быть использован один или несколько твердотельных лазеров с диодной накачкой, волоконных лазеров, полупроводниковых лазеров.

Сканирование круговой области вращением КА по крену имеет значительные преимущества перед другими способами сканирования. Для полного просмотра всей области целеуказания таким сканирующим полем достаточно половины оборота вокруг оси «-ОХ». Предположим, что скорость разворота КА равна 0,05 рад/с. Тогда для полного обзора вращением КА вокруг строительной оси «-ОХ» понадобится 60 с. Просмотр прямоугольной области целеуказания 30°×30° разворотом КА по тангажу займет 10 с. Однако, если объект локации не был обнаружен сразу (например, при превышении предельной дальности ЛЛС или наличии большого количества помех), то необходим повторный просмотр области целеуказания (возможно, неоднократный). Повторный просмотр при сканировании вращением КА по крену может производиться сразу же после предыдущего. Троекратный просмотр займет 180 с. Для повторного просмотра при развороте по тангажу потребуется либо изменить направление движения КА на противоположное, что потребует дополнительных расходов рабочего тела, либо ждать 115 с, пока КА полностью развернется по тангажу на 330° для нового прохода зоны поиска. Троекратный поиск займет всего 380 с.

Использование широкой диаграммы направленности зондирующего излучения может привести к уменьшению мощности сигнала, отраженного от объекта локации, что, в свою очередь, снижает дальность действия ЛЛС. Поэтому для обоснования возможности практической реализации проведем оценку возможностей ЛЛС.

Исходные данные: угловой размер области целеуказания равен 30°; ЛЛС излучает в импульсном режиме, ширина диаграммы излучения в направлении сканирования равна 0,001 рад; таким образом, сканирование осуществляется диаграммой 3′26"×30° (5,24·10^-4 ср); мощность зондирующего импульса составляет 200000 Вт.

Время на поиск цели принимается равным 60 с, угловая скорость вращения активного КА по крену составляет 0,05 рад/с. Частота повторения зондирующих импульсов f в таком случае должна быть не меньше 50 Гц. Частота повторения зависит от допустимого времени обзора одного элемента области целеуказания. Это время определяется числом зондирующих импульсов, необходимых для обнаружения с достаточной вероятностью объекта локации. Для надежной работы ЛЛС желательно, чтобы при каждом сканировании на цель попадало не менее пяти зондирующих импульсов [5]. В этом случае частота повторения будет равна f=250 Гц. Если на поиск пассивного объекта выделяется 180 с, то тогда f=90 Гц.

Эффективная поверхность рассеяния пассивного объекта (пассивного КА) составляет S_об=15 м²; коэффициент отражения ρ_об=0,8; предполагается, что корпус объекта рассеивает падающее излучение по закону Ламберта.

Предельная дальность импульсной дальномерной системы может быть приближенно оценена по формуле

где Р_u=200000 Вт - мощность зондирующего излучения; Р_n=10^-12 Вт - минимальная принимаемая мощность отраженного сигнала; Ω_u=5,24·10^-4 ср - телесный угол, в котором распространяется зондирующий импульс; S_n=2,83·10^-3 м - площадь апертуры приемной оптики (соответствует диаметру входного зрачка 6 см); τ_u=τ_n=0,5 - коэффициенты пропускания передающего и приемного оптических трактов.

Дальность обнаружения пассивного объекта на фоне космоса составит L_max=31869 м.

Литература

1. Малашин М.С., Каминский Р.П., Борисов Ю.Б. Основы проектирования лазерных локационных систем. - М.: Высшая школа, 1983. - 207 с.

2. Старовойтов Е.И. Использование лазерных систем в решении задачи встречи КА на орбите Луны // Авиакосмическое приборостроение. - 2010. - №11. - С.12-17.

3. Lamberts C.W. Active imaging system: a long-range scanned laser. - Appl. Opt., 1976, v.15, N 5, p.1284.

4. Пат. 4119379 (США). МКИ G01C 3/08.

5. Росс М. Лазерные приемники. - М.: Мир, 1969.

Способ обнаружения пассивного космического объекта при сближении с ним активного космического аппарата (КА), включающий сканирование лазерной локационной системой (ЛЛС), отличающийся тем, что сканирование производят путем вращения активного КА с жестко установленной упомянутой ЛЛС вокруг строительной оси «-ОХ» активного КА до обнаружения пассивного космического объекта, при этом ширина диаграммы зондирующего излучения ЛЛС в одном направлении минимальная, а в перпендикулярном направлении угол расходимости равен углу раствора конуса, образующего зону обзора.