автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.07, диссертация на тему:Компьютерное моделирование системы наведения взаимодействующих терминалов лазерной космической связи

На правах рукописи

Артёмов Александр Григорьевич

Компьютерное моделирование системы наведения взаимодействующих терминалов лазерной космической связи

Специальность 05.11.07 «Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2006

Диссертационная работа выполнена в отделе 204 ФГУП «НИИ прецизионного приборостроения» ' Федерального космического агентства

Научный руководитель:

кандидат физико-математических наук В.Н. Григорьев

Официальные оппоненты:

доктор технических наук В.Н. Сошников доктор технических наук В.А. Пашков

Ведущая организация: ФГУП НТЦ «Вигстар»

Защита состоится 11 декабря 2006 г. в 14:00 на заседании диссертационного совета К.403.010.01 по защите диссертаций на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.11.07 «Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы» при ФГУП «НИИ прецизионного приборостроения» по адресу: Москва 111250, Авиамоторная^ 53. корпус 26.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГУП «НИИ прецизионного приборостроения».

Автореферат разослан « \_2006 г.

Ученый секретарь диссертационного^овета кандидат технических наук

Троицкий

Общая характеристика работы

Актуальность темы

Лазерная космическая связь — как одно из перспективных средств доставки информации — обладает рядом преимуществ перед связью в радиотехническом диапазоне. Прежде всего, это потенциально гораздо более высокая пропускная способность, обусловленная меньшей длиной волны. Кроме того, лазерные системы, благодаря возможности формировать очень узкие диаграммы направленности, требуют существенно меньших размеров антенн и меньшего энергопотребления. Однако узкий лазерный пучок — это «палка о двух концах»: ведь чем он уже, тем труднее наводить его на терминал абонента и удерживать на телескопах последнего.

Реальность космической лазерной связи была доказана в ходе реализации экспериментальных космических программ американских и японских специалистов1. Последние же сомнения скептиков пропали после успешного проведения эксперимента SILEX Европейского космического агентства, в ходе которого в 2002 году с низкоорбитального спутника наблюдения SPOT-4 на геостационарный ретранслятор ARTEMIS по лазерному каналу были переданы фотоснимки земной поверхности2.

1 M. Jeganathan, M. Toyoshima, et al. Data analysis results from the GOLD experiments. SPIE, Vol 2990 [1997].

2 T. Tolker-Nielsen, G. Opperthauser. In-orbit test results of an operational optic intersatellite link between ARTEMIS and SPOT-4. SPIE [2002].

В Федеральном научно-производственном центре ФГУП «НИИ прецизионного приборостроения» развернуты работы по созданию линий космической лазерной связи. В настоящее время проходят стендовые испытания бортового терминала для

экспериментальной линии связи между Международной космической станцией и наземным пунктом. Полным ходом идет создание терминала для низкоорбитального космического аппарата, который должен передавать большие объемы информации в оптическом диапазоне на геостационарный ретранслятор. Планируется в ближайшие годы приступить к разработке и других систем лазерной космической связи — в частности, для группировок низкоорбитальных спутников.

Создание линий космической лазерной связи — задача сложная и во многом (по крайней мере, в отечественном приборостроении) достаточно новая. Одним из важных этапов разработки сложных систем, как известно, является моделирование, позволяющее провести исследования, которые не могут быть выполнены традиционными методами. Действительно, при исследовании вопросов наведения узких лазерных пучков с необходимостью учета в работе многоконтурной системы наведения целого ряда возмущающих факторов — в частности, неточностей эфемерид и погрешностей ориентации, приводящих к существованию зоны неопределенности, а также многочисленных шумовых воздействий — точное аналитическое решение крайне затруднительно. Натурный эксперимент, к сожалению, также невозможен (хотя бы по экономическим соображениям). В то же время моделирование, как один из метод научного исследования, особенно на

современных компьютерах, позволяет исследовать практически любые сложные процессы численными методами, причем иногда даже в масштабе времени, близком к реальному. Помимо очевидной экономической выгоды, этот подход, при наличии соответствующих компьютерных моделей, позволяет достаточно быстро проводить вариантные расчеты на стадии разработки систем космической лазерной связи и за счет анализа большого числа вариантов повышать качество проектов.

О новизне работы

Само по себе моделирование систем наведения в лазерной связи не ново. Например, в вышедшем почти 20 лет назад американском обзоре, посвященном тогдашнему состоянию в области проектирования лазерных линий космической связи3, описана программа LASCOM, разработанная фирмой Aerospace и использовавшаяся для оценки возможностей принципов построения, а также проверки реализуемости заданных характеристик системы наведения для перспективных спутников связи. Эта программа, как можно судить по ее описанию, моделирует процессы, происходящие в подсистемах системы наведения одного терминала лазерной связи, достаточно подробно — вплоть до учета допусков в моделях элементов конструкции'.

У разработчиков ФГУП «НИИ прецизионного приборостроения» возникла потребность в

3 Katzman, M., Editor. Laser Satellite Communications, Englewood Cliffs, NJ: Prentice Hall, 1987. (Имеется русский перевод: Лазерная космическая связь. Под ред. М. Катцмана, М., Радио и связь, 1993).

аналогичном инструменте исследования

применительно к разрабатываемым системам — может быть, для начала программе не столь детализированной (как это могла позволить себе фирма Aerospace), однако предлагающей некую дополнительную возможность: а именно, моделирование одновременной работы двух взаимодействующих терминалов.

Модель уникальна в том смысле, что моделируемые на ней системы, насколько известно соискателю, разрабатываются пока только в одной организации — ФГУП «НИИ прецизионного приборостроения», иными словами, у предлагаемой модели не могло быть предшественников. Разумеется, модели большей части компонентов системы — взять хотя бы фильтр высокой частоты — хорошо известны. Но при объединении таких компонентов в систему количество переходит в качество, и в совокупной работе элементарных звеньев часто проявляются эффекты, которые вытекают только из этой совокупности!

Соискатель надеется, что накопленный опыт моделирования в будущем окажется полезным и специалистам других организаций, если таковые будут

заниматься разработкой подобных систем. »•

Цель и задачи

Основной целью работы являлось исследование работы систем наведения разрабатываемых терминалов лазерной космической связи, оптимизация характеристик разрабатываемого оборудования, в первую очередь, диаграммы направленности излучения маяков и информационных передатчиков, а также их мощности с помощью компьютерной модели. Модель

создавалась прежде всего для анализа работы конкретных систем.

Наибольший интерес вызывало моделирование линии связи между низкоорбитальным и геостационарным космическими аппаратами (конкретнее, моделирование совместной работы двух взаимодействующих терминалов), так как в этом случае время распространения светового сигнала от одного терминала до другого достигает 170 миллисекунд, а такая задержка существенно влияет на процесс взаимного наведения.

Апробация работы

Основные результаты исследования

опубликованы в виде статей в журнале «Электромагнитные волны и электронные системы».

Личный вклад соискателя

В разработке модели соискателю полностью принадлежат организация всех составляющих ее модулей, программирование и отладка. Собственно моделирование проводилось лично соискателем, а результаты обсуждались с научным руководителем и разработчиками оборудования. Моделирование матричного пеленгатора, табличный метод генерации случайных чисел с нормальным законом распределения, расчет упреждения в модели также предложены лично соискателем.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту

1. Подтверждена на модели реализуемость предложенного соискателем метода удержания информационного луча на терминале абонента, заключающегося в использовании информации от абонента об изменении мощности принимаемого сигнала.

2. Для терминалов лазерной связи, информационные передатчики которых имеют очень узкие диаграммы направленности, ежесекундная смена скоростных уставок при переходе в режим слежения может приводить к недопустимо большим кратковременным ошибкам наведения.

3. На модели показано, что терминал низкоорбитального космического аппарата, предназначенный для связи с абонентом на геостационарном ретрансляторе, способен без изменения конструкции передавать информацию на наземный пункт — правда, с большей битовой ошибкой.

Основное содержание работы

Диссертация состоит из введения, двух глав, заключения, списка использованной литературы и приложения. В диссертации содержатся 36 рисунков и 21 формула.

Во введении объясняется актуальность темы и формулируется постановка задачи.

В первой главе «Компьютерная модель и ее возможности» дается описание моделируемых объектов, собственно модели и приводятся структурные схемы основных модулей с используемыми в них уравнениями и передаточными функциями.

Описание модулей сопровождается примерами моделирования частных задач и работы отдельных подсистем. Эти примеры в основном приведены для иллюстрации возможностей модели, показывая круг аспектов, связанных с работой системы наведения, где модель может найти (и уже нашла) применение. Так, в частности, в разделе «Модуль скоростного привода» обсуждается проблема возможного ухода линии визирования при работе двухосной

гиростабилизированной платформы в условиях эволюции космического аппарата.

В разделе «Моделируемые объекты» приведена схема типовой системы наведения (рис.1), а также иллюстрируются компоненты ошибки наведения в грубом и прецизионном контурах (рис. 2).

Рис. 1. Система наведения терминала космической лазерной связи

с

Направление о ей телескопа терминала 1

"" " ----------Терминал 1

Видимое положение терминала 2

Положение терминала 2

спустя удвоенное время прохождения сигнала

А-С - ошибка наведения грубого контура терминала 1

В-С — ошибка наведения прецизионного контура

С-Р - расчетное упреждение

А-0 - ошибка наведения маяка на терминал 2

Рис.2. Ошибки наведения

В разделе «Расчет мощности излучения на входе в оптическую систему» описана программная организация учета времени распространения сигнала.

В разделе «Модуль квадрантных пеленгаторов с фотоприемниками» приведена методика расчета фототока на фотоприемниках с учетом квантовой природы света. Аналогичная методика используется и для матричных пеленгаторов. Там же дана структурная схема пеленгатора захвата (рис. 3).

©

-| фвч Н па> Н

Ц фвч пф }-|

Р2

Г Р2/0 Г"

Условные обозначения

ФВЧ - высокочастотный фильтр

ПФ - полосовой фильтр

СД - синхронным детектор

АРУ - автоматический регулятор усиления

ФНЧ - низкочастотный ф ильтр

К -компаратор

С -суммарный сигнал 3 - эталонная частота СР1 -сигнал рассогласования

по внутренней оси СР2 — сигнал рассогласования

по внешней оси ОБО - сигнал быстрого обнаружения СУЗ - сигнал уверенного захвата

-¡ФНЧ

г—1

+

+ Г* СД

э

—| Ч'НЧ |-~~>-

—| ПФ

-С

Рис.3. Структурная схема квадрантного пеленгатора захвата

В разделе «Модуль описан предложенный моделирования работы Представление о модели дается на рис. 4.

матричного пеленгатора» соискателем алгоритм такого пеленгатора, матричного пеленгатора

Рис.4. Модель матричного пеленгатора

Там же приведены результаты моделирования ошибки слежения в грубом контуре при выдаче координат матрицей с частотой 50 Гц, когда, в силу особенности работы блока обработки кадров, он выдает в течение секунды только 48 пар координат (каждые 20 мс), а оставшиеся 60 мс до начала следующей секунды не обновляет информацию.

Глава вторая «Исследования с использованием модели» посвящена примерам моделирования на полномасштабной модели по теме диссертации.

В разделе «Выбор мощности маяка» рассмотрено влияние мощности маяка на возможность захвата абонента и точность слежения для линии связи между низкоорбитальным и геостационарным космическими

аппаратами, терминалы которых используют в качестве угловых дискриминаторов грубого контура наведения пеленгаторы квадрантного типа. Длина трассы составляла 45 тысяч километров. Получено, что для обеспечения среднеквадратичной ошибки слежения около 2 мкрад достаточно мощности 4 Вт. Справедливости ради следует отметить, что данная конфигурация в настоящее время не применяется, так что данное исследование носит скорее академический характер.

В разделе «Вхождение в связь (МКС-НП)» смоделирован процесс вхождения в связь экспериментального терминала, планируемого к установке на Международной космической станции и предназначенного для передачи информации на наземный пункт. Ослабление атмосферой в этом примере рассчитывалось упрощенно, с использованием типовых параметрических кривых для длины волны 830 нм, позволяющих получить коэффициент пропускания атмосферы в зависимости от наклона линии визирования к горизонту и погоды (солнечный или пасмурный день). Эти кривые приведены в американском труде4 и получены на основании материалов исследований5. Кроме того, на каждом шаге счета мощность' маяка, достигающая фотоприемников, принимала равномерное случайное значение в диапазоне 30-100% от максимального значения, что также соответствует данным, приведенным в указанных источниках, — тем самым

4 Stephen L. Lambert and William L. Casey "Laser communications in space", Artech House, Boston-London, 1995.

5 Ruggieri N., and Price T. Laser Applications in Space Communications — Final Report, Vol.1, Appendix I, Atmospherics, Rome Air Development Center, May 21, 1987.

имитировалось влияние сцинтилляции сигнала из-за турбулентности атмосферы. Моделирование показало, что время от прекращения сканирования до появления уверенного сигнала на узкопольном пеленгаторе сопровождения составило от одной секунды при сильном сигнале до двух с небольшим секунд при слабом. Эти расчетные величины соответствуют результатам стендовых испытаний. На рис. 5 приводится сравнение траекторий пятна в поле зрения пеленгатора сопровождения для слабого и сильного сигналов.

Обл*сп 1 ■«ДАНИЯ

4

« • -4 к** - Ь •. ■ •• * • \ ■ •

--ам

" Г* Облаеп точного «ведения

\

♦ - .44 \ • V » 4 0 м

.Л-1 »

Рис.5. Траектория пятна в поле зрения пеленгатора сопровождения при захвате цели (слева — слабый сигнал, справа

— сильный)

В разделе «Процедура вхождения в связь для линии НКА-ГКА» исследовалась работы систем наведения терминалов, предназначенных для передачи информации с низкоорбитального космического аппарата наблюдения на геостационарный ретранслятор. В качестве пеленгаторов грубого контура наведения здесь используются ПЗС матрицы. Специфика работы матрицы (а именно, сложность

определения координат пятна при его смещении за кадр накопления более чем на 20 пикселей) продиктовала такой алгоритм сканирования зоны неопределенности маяком геостационарного аппарата: маяк, направленный в некую точку пространства удерживается там в течение трех секунд, после чего (если маяк абонента не обнаружен), за секунду переводится в следующую точку пространства. Трех секунд достаточно — и моделирование подтвердило это, — чтобы сканирующий терминал обнаружил развернутый в его сторону маяк «подсвеченного» абонента и прекратил сканирование, переходя к захвату. Общая картина захвата приведена на рис.6.

Рис.б. Изменение рассогласования при вхождении в связь

В разделе «Возможность использования на линии НКА-НП терминала НКА, предназначенного для связи с ГКА» исследуется актуальная проблема, которая может возникнуть, если запуск ГКА состоится какое-то

время спустя (год-два) после запуска НКА. Сможет ли терминал, предназначенной для дальней связи, передавать информацию на наземный пункт через атмосферу? Ведь, как известно, при распространении излучения в атмосфере, кроме его ослабления, наблюдается также флуктуация параметров — и это является основной проблемой при наведении очень узких диаграмм (в данном случае диаграмма направленности информационного луча составляет около 4 угловых секунд, и конструкция терминала не позволяет расширять ее на борту). Расчет флуктуации угла прихода излучения проводился по упрощенным моделям, рекомендованным для прикидочных расчетов6. В результате моделирования получено, что среднеквадратичное значение ошибки наведения информационного луча на терминал наземного пункта составляет примерно 2.5 мкрад (при среднеквадратичной ошибке в грубом контуре до 6 мкрад), что может приводить к появлению пакетных ошибок при передаче информации. Мощность на приемнике наземного пункта показана на рис. 7

6 ЮТ. Якушгиков. Теория и расчет оптико-электронных приборов. М., Логос, 1999.

Рис.7. Мощность на приемнике наземного пункта

В , разделе «Проблема удержания информационного луча на терминале абонента» проанализирована проблема, вызванная тем, что упреждение вводится в разомкнутом контуре и разворот космического аппарата относительно линии визирования приведет к ошибке наведения информационного луча. Соискателем предложено ввести «обратную связь», кодируемую в сигнале маяка абонента, и по этой «обратной связи» постоянно корректировать направление информационного луча. Моделирование показало, что это позволяет удерживать мощность на приемнике абонента не менее половины от максимальной и обеспечивать приемлемую величину битовой ошибки (см. рис.8).

/ Рис.8. Мощность на приемнике наземного пункта \

- с СБ?АТН°М СбЪЗЫо, 2-6Г£ ОЕРАЩЛКТ В заключении содержатся основные результаты и выводы, приведенные нюке, и положения, выносимые на защиту.

Основные результаты и выводы

1. Разработана компьютерная модель, позволяющая исследовать процесс взаимного наведения и слежения разрабатываемых терминалов лазерной космической связи, исполнительными механизмами грубого контура наведения которых служат скоростные приводы. Модель может быть также использована для проверки правильности выбора и оптимизации параметров отдельных подсистем.

2. Обоснована обнаруженная в ходе моделирования необходимость отказа от предполагавшейся первоначально ежесекундной смены уставок скорости в режиме сопровождения цели в замкнутом контуре.

3. Подтверждена на модели реализуемость предложенного соискателем метода удержания информационного луча на терминале абонента, заключающегося в использовании информации от абонента об изменении мощности принимаемого сигнала.

4. На модели показано, что терминал низкоорбитального космического аппарата, предназначенный для связи с абонентом на геостационарном ретрансляторе, может без изменения конструкции передавать информацию на наземный пункт — правда, с большей битовой ошибкой.

5. Полученное на модели время захвата цели при использовании квадрантных пеленгаторов подтвердилось при стендовых испытаниях.

6. Эти и некоторые другие результаты учтены разработчиками ФГУП «НИИ прецизионного приборостроения» при создании оборудования для линий лазерной космической связи.

Наконец, в приложении приведен небольшой фрагмент листинга одной из полных версий, дающий представление об объеме программы, ее структуре и количеству входящих подпрограмм.

Публикации по теме диссертации

1. Компьютерная модель системы наведения терминала лазерной связи низкоорбитального космического аппарата (линия связи: космический аппарат — наземный пункт) // Электромагнитные волны и электронные системы, 2006 г., т.11., № 2-3, с. 51-56 [в соавторстве с Ю.В. Кудрявцевым].

2. Проблема удержания информационного луча на терминале абонента при лазерной космической связи // Электромагнитные волны и электронные системы, 2006 г., т.11., №9, с. 25-27.

3. Разделы «Скорости и ускорения ОПУ», «Упреждение», «Попадание прямого солнечного света в поле зрения телескопов» в пояснительной записке к эскизному проекту «Бортовой унифицированный терминал межспутниковой лазерной системы передачи информации», ИБПА 461249.008 ПЗ, часть 1, ФГУП «НИИПП», Москва, 2001, с.29-36, 41-45.

Подписано в печать 30.10.2006. Формат 60x84 1/16. Объем 1.5 п.л. Тираж 100 экз. Заказ № 50

Участок оперативной полиграфии Института этнологии и антропологии РАН 110334 Москва, Ленинский проспект. 32а

Список рисунков.

Введение.

Актуальность темы.

Постановка задачи.

Глава 1. Компьютерная модель и ее возможности.

1.1. Краткая история создания и развития модели.

1.2. Моделируемые объекты.

1.3. Устройство модели.

1.4 Расчет мощности излучения на входе в оптическую систему.

1.5. Модуль скоростного привода.

1.6 Модуль квадрантных пеленгаторов с фотоприемниками.

1.7 Модуль матричного пеленгатора.

1.8 Модуль быстродействующего направляющего зеркала.

1.9 Модуль движения космических аппаратов по орбитам.

1.10 Генератор случайных чисел с нормальным законом распределения.47 2. Исследования с использованием модели.

2.1. Выбор мощности маяка.

2.2 Вхождение в связь (МКС-НП).

2.3. Процедура вхождения в связь для линии «НКА-ГКА».

2.4. Возможность использования на линии «НКА - наземный пункт» терминала НКА, предназначенного для связи с ГКА.

2.5. Проблема удержания информационного луча на терминале абонента 68 Заключение.

Двадцать первый век по праву можно назвать веком высоких технологий. Вместе с технологическим прорывом, и дополняя его, идет бурное развитие в области информации. Информация — это своего рода товар будущего. Доставка этого «товара» в любую точку Земного шара, по возможности в реальном масштабе времени, заставляет информационный бизнес все более и более увеличивать скорость передачи данных. Так, оптико-волоконные наземные коммуникационные сети уже подходят к рубежу сотен гигабит в секунду.

Лазерная космическая связь — как одно из перспективных средств доставки информации — обладает рядом преимуществ перед связью в радиотехническом диапазоне. Прежде всего, это потенциально гораздо более высокая пропускная способность, обусловленная меньшей длиной волны. Кроме того, лазерные системы, благодаря возможности формировать очень узкие диаграммы направленности, требуют существенно меньших размеров антенн и меньшего энергопотребления. Однако узкий лазерный пучок — это «палка о двух концах»: ведь чем он уже, тем труднее наводить его на терминал абонента и удерживать на телескопах последнего.

Реальность космической лазерной связи была доказана в ходе реализации экспериментальных космических программ американских и японских специалистов [например, 1]. Последние же сомнения скептиков пропали после успешного проведения эксперимента SILEX Европейского космического агентства, в ходе которого в 2002 году с низкоорбитального спутника наблюдения SPOT-4 на геостационарный ретранслятор ARTEMIS по лазерному каналу были переданы фотоснимки земной поверхности [2]. Внешний вид ретранслятора ARTEMIS, взаимодействующего со SPOT-4, показан на Рис. 1 (источник: www.esa.com).

Рис. I Канал лазерной космической связи проекта SILEX

Актуальность темы

В Федеральном научно-производственном центре ФГУП «НИИ прецизионного приборостроения» развернуты работы по созданию линий космической лазерной связи. В настоящее время проходят стендовые испытания бортового терминала для экспериментальной линии связи между МКС и наземным пунктом. Полным ходом идет создание терминала для низкоорбитального космического аппарата, который должен передавать большие объемы информации в оптическом диапазоне на геостационарный ретранслятор. Планируется в ближайшие годы приступить к разработке и других систем лазерной космической связи — в частности, для группировок низкоорбитальных спутников.

Создание линий космической лазерной связи — задача сложная и во многом (по крайней мере, в отечественном приборостроении) достаточно новая. Одним из важных этапов разработки сложных систем, как известно, является моделирование, позволяющее провести исследования, которые не могут быть выполнены традиционными методами. Действительно, при исследовании вопросов наведения узких лазерных пучков с необходимостью учета в работе многоконтурной системы наведения целого ряда возмущающих факторов — в частности, неточностей эфемерид и погрешностей ориентации, приводящих к существованию зоны неопределенности, а также многочисленных шумовых воздействий — точное аналитическое решение крайне затруднительно. Натурный эксперимент, к сожалению, также невозможен (хотя бы по экономическим соображениям). В то же время моделирование, как один из метод научного исследования, особенно на современных компьютерах, позволяет исследовать практически любые сложные процессы численными методами, причем иногда даже в масштабе времени, близком к реальному. Помимо очевидной экономической выгоды, этот подход, при наличии соответствующих компьютерных моделей, позволяет достаточно быстро проводить вариантные расчеты на стадии разработки систем космической лазерной связи и за счет анализа большого числа вариантов повышать качество проектов.

Можно добавить, что в одном из недавних технических заданий на научно-исследовательскую работу по космической лазерной связи Заказчик потребовал включения в отчет результатов математического моделирования.

Конечно, моделирование систем наведения в лазерной связи не ново. Например, в вышедшем почти 20 лет назад американском обзоре, посвященном тогдашнему состоянию в области проектирования лазерных линий космической связи, описана программа LASCOM, разработанная фирмой Aerospace и использовавшаяся для оценки возможностей принципов построения, а также проверки реализуемости заданных характеристик системы наведения для перспективных спутников связи [3]. Эта программа, как можно судить по ее описанию, моделирует процессы, происходящие в подсистемах системы наведения одного терминала лазерной связи, достаточно подробно — вплоть до учета допусков в моделях элементов конструкции!

У разработчиков ФГУП «НИИ прецизионного приборостроения» возникла потребность в аналогичном инструменте исследования применительно к разрабатываемым системам — может быть, для начала программе не столь детализированной (как это могла позволить себе фирма Aerospace), однако предлагающей некую дополнительную возможность: а именно, моделирование одновременной работы двух взаимодействующих терминалов.

Постановка задачи

Основной целью работы являлось исследование работы систем наведения разрабатываемых терминалов лазерной космической связи, оптимизация характеристик разрабатываемого оборудования, в первую очередь, диаграммы направленности излучения маяков и информационных передатчиков, а также их мощности с помощью компьютерной модели. Модель создавалась прежде всего для анализа работы конкретных систем.

Наибольший интерес вызывало моделирование линии связи между низкоорбитальным и геостационарным космическими аппаратами (конкретнее, моделирование совместной работы двух взаимодействующих терминалов), так как в этом случае время распространения светового сигнала от одного терминала до другого достигает 170 миллисекунд, а такая задержка существенно влияет на процесс взаимного наведения.

Основные результаты и выводы

1. Разработана компьютерная модель, позволяющая исследовать процесс взаимного наведения и слежения разрабатываемых терминалов лазерной космической связи, исполнительными механизмами грубого контура наведения которых служат скоростные приводы. Модель может быть также использована для проверки правильности выбора и оптимизации параметров отдельных подсистем.

2. Обоснована обнаруженная в ходе моделирования необходимость отказа от предполагавшейся первоначально ежесекундной смены уставок скорости в режиме сопровождения цели в замкнутом контуре.

3. Подтверждена на модели реализуемость предложенного соискателем метода удержания информационного луча на терминале абонента, заключающегося в использовании информации от абонента об изменении мощности принимаемого сигнала.

4. На модели показано, что терминал низкоорбитального космического аппарата, предназначенный для связи с абонентом на геостационарном ретрансляторе, может без изменения конструкции передавать информацию на наземный пункт — правда, с большей битовой ошибкой.

5. Полученное на модели время захвата цели при использовании квадрантных пеленгаторов подтвердилось при стендовых испытаниях.

6. Эти и некоторые другие результаты учтены разработчиками ФГУП «НИИ прецизионного приборостроения» при создании оборудования для линий лазерной космической связи.

Положения, выносимые на защиту

1. Подтверждена на модели реализуемость предложенного соискателем метода удержания информационного луча на терминале абонента, заключающегося в использовании информации от абонента об изменении мощности принимаемого сигнала.

2. Для терминалов лазерной связи, информационные передатчики которых имеют очень узкие диаграммы направленности, ежесекундная смена скоростных уставок при переходе в режим слежения может приводить к недопустимо большим кратковременным ошибкам наведения.

3. На модели показано, что терминал низкоорбитального космического аппарата, предназначенный для связи с абонентом на геостационарном ретрансляторе, способен без изменения конструкции передавать информацию на наземный пункт — правда, с большей битовой ошибкой.

Публикации по теме диссертации

1. Компьютерная модель системы наведения терминала лазерной связи низкоорбитального космического аппарата (линия связи: космический аппарат — наземный пункт) // Электромагнитные волны и электронные системы, 2006 г., Т.Н., № 2-3, с. 51-56 [в соавторстве с Ю.В. Кудрявцевым].

2. Проблема удержания информационного луча на терминале абонента при лазерной космической связи // Электромагнитные волны и электронные системы, 2006 г., т.11., № 9, с. 25-27.

3. Разделы «Скорости и ускорения ОПУ», «Упреждение», «Попадание прямого солнечного света в поле зрения телескопов» в пояснительной записке к эскизному проекту «Бортовой унифицированный терминал межспутниковой лазерной системы передачи информации», ИБПА 461249.008 ПЗ, часть 1, ФГУП «НИИПП», Москва, 2001, с.29-36, 41-45.

Заключение

Моделирование систем наведения, начатое соискателем несколько лет назад как отклик на пожелания разработчиков — и на первых порах заключавшееся в разработке моделей отдельных подсистем, что, конечно, никак не отнесешь к категории сколько-нибудь значительного вклада в науку и технику, — привело к созданию достаточно подробной модели сложной системы. Иными словами, количество перешло в качество.

На моделях проверялась работа различных подсистем в разных условиях, и разработчикам был высказан ряд пожеланий по корректировке параметров этих подсистем. При обнаружении неких (зачастую, неожиданных для разработчиков, учитывая новизну разработок) закономерностей, ставился «чистый» эксперимент: в модели отключались шумовые воздействия, таким образом, часто удавалось понять причину выявленных закономерностей и предложить меры по изменению характеристик.

Хотя модель уникальна в том смысле, что моделируемые на ней конкретные системы, насколько известно соискателю, разрабатываются пока только в одной организации: ФГУП «НИИ прецизионного приборостроения», — соискатель надеется, что накопленный опыт моделирования в будущем окажется полезным и специалистам других организаций, если они приступят к разработке подобных систем.

Созданная модель, как инструмент исследования, может быть использована для моделирования целого ряда аспектов работы систем наведения, подобных тем, что уже заложены в ней. Развитие модели может идти по двум путям: во-первых, это добавление модулей иных подсистем, которые могут появиться в новых разработках, и во-вторых, это изменение имеющихся модулей с целью более точного описания процессов (самый очевидный пример — замена упрощенной модели прохождения излучения через атмосферу более подробной).

1. Katzman, M., Editor. Laser Satellite Communications, Englewood Cliffs, NJ: Prentice Hall, 1987. {Имеется русский перевод: Лазерная космическая связь. Под ред. М, Катцмана, М., Радио и связь, 1993).

2. Астапов Ю.М., Васильев Д.В., Заложнев Ю.И. Теория онтико- электронных следящих систем. М., Наука, 1988. 5. Ю.Г. Якушенков. Теория и расчет оптико-электронных нриборов. М., Логос, 1999

3. Stephen L. Lambert and William L. Casey "Laser communications in space", Artech House, Boston-London, 1995. 7. Ю.М. Коршунов. Математические основы кибернетики. М., Энергоатомиздат, 1987

4. Селезнев В.П. Навигационные устройства. Учебное пособие. М., Машиностроение, 1974. Р. Н.Н. Калиткин. Численные методы. М., Наука, 1987