автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.07, диссертация на тему:Лазерная локационная система и ответные оптические устройства для управления сближением и стыковкой космических аппаратов

На правах рукописи

А

Старовойтов Евгений Игоревич

ЛАЗЕРНАЯ ЛОКАЦИОННАЯ СИСТЕМА И ОТВЕТНЫЕ ОПТИЧЕСКИЕ УСТРОЙСТВА ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ СБЛИЖЕНИЕМ И СТЫКОВКОЙ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ

Специальность 05.11.07 Оптические и оптико-электронные приборы и

комплексы

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005060319

Москва 2013

005060319

Диссертация выполнена в ОАО «Ракетно-космическая корпорация «Энергия» им. С.П. Королева» (г. Королев).

Научный руководитель:

доктор технических наук, старший научный сотрудник заместитель руководителя НТЦ ОАО «РКК «Энергия» Зубов Николай Евгеньевич

Научный консультант:

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор кафедры «Телекоммуникационных систем» ФГБОУ ВПО «МИРЭА» Берикашвили Валерий Шалвович

доктор технических наук, профессор заместитель директора ОАО «НИИ «Полюс» им. М.Ф. Стельмаха» Ларюшин Александр Иванович

кандидат физико-математических наук начальник научно-исследовательского отделения ФГАНУ «ЦНИИ РТК» Грязнов Николай Анатольевич

Ведущая организация:

ОАО «Национальный центр лазерных систем и комплексов «Астрофизика», г. Москва

Защита диссертации состоится « 23 » мая 2013 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.157.12 при ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ» по адресу: 111250, Москва, ул. Красноказарменная, д. 17 . аудитория Б-305 . С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ».

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим присылать по адресу: 111250, Москва, ул. Красноказарменная, д. 14, Ученый совет ФГБОУ ВПО «НИУ МЭИ».

Автореферат разослан «27» апреля 2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.157.12, кандидат технических наук, доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. При выполнении программы полета космических аппаратов (КА) посредством их бортовых средств производится обнаружение и измерение координат других искусственных объектов (кооперируемых и некооперируемых спутников, отработанных ступеней ракет-носителей) в космическом пространстве. Локация космических объектов необходима для выполнения операций сближения и стыковки КА при дальнейшей эксплуатации Международной космической станции (МКС), реализации планируемых программ освоения Луны, обслуживании и ремонте КА на орбите и т.д.

; При сближении и стыковке перспективных КА вместо радиотехнических систем используются лазерные локационные системы (ЛЛС). Аналогичные ЛЛС также планируются к применению в системах беспроводной передачи энергии между КА для наведения лазерного канала на приемник излучения КА-потребителя и в системах межбортовой передачи информации на основе лазерной связи.

Недостатком ЛЛС, разработанных на время работы над диссертацией, являются небольшая дальность (0,3...5 км), необходимость использования уголковых отражателей (УО) на пассивном КА или, наоборот ограничений на их размещение, требования к предварительной ориентации пассивного КА относительно активного (± 5°...15°) при использовании активных оптических ответных устройств, невозможность определения ориентации пассивного КА на предельно близких дистанциях (единицы метров), несоответствие многих вариантов бортовых ЛЛС требованиям лазерной безопасности, использование большей частью старой элементной базы, слабая устойчивость аппаратуры к световым помехам, возникающим в космическом полете, требующая введения баллистических ограничений на положение небесных тел относительно пассивного КАи др.

В связи с этим исследуемые в работе задачи являются актуальными. Целью диссертационной работы является разработка ответных оптических устройств, способов снижения требований по взаимной ориентации кооперируемых КА, снижение светотехнических ограничений при применении ЛЛС и ответных оптических устройств, а также повышения их безопасности и надежности.

Задачи исследований. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

-провести анализ современного уровня и направлений развития ЛЛС,

используемых на борту авиационной и космической техники; -обеспечить увеличение дальности ЛЛС (до 10...30 км), в том числе с

использованием ответных оптических устройств (свыше 30 км); -разработать- способы применения оптических ответных устройств на

пассивном кооперируемом КА; -разработать способы контроля работоспособности бортовых лазерных

приборов КА непосредственно в космическом полете; -разработать новые способы поиска пассивного кооперируемого КА, позволяющих упростить состав и повысить надежность бортовой аппаратуры;

-разработать новые оптические ответные устройства, обеспечивающие углы отклонения пассивного КА более ± 15° и устройства контроля ориентации пассивного КА;

-повысить лазерную безопасность излучения ЛЛС и активных оптических

ответных устройств (дистанция безопасного наблюдения не более 400 м); -выполнить оценку светотехнических условий в космическом полете для обеспечения устойчивой работы ЛЛС, в том числе с использованием ответных оптических устройств и установки минимальных баллистических ограничений по положению небесных тел относительно пассивного КА; -выполнить многоцелевую оптимизацию параметров ЛЛС и ответных оптических устройств для обеспечения высоких эксплуатационных показателей.

Так как для успешного решения необходимых задач использования существующих инженерных методов недостаточно, то, следовательно, было необходимо проведение ряда новых научных исследований. Методы исследований:

1) метод расчета плотности энергии зондирующего излучения на основе модели дифракционной расходимости гауссова пучка;

2) метод оценки пороговой чувствительности ФПУ на основе зонной теории внутреннего фотоэффекта и модели дробового шума;

3) метод расчета спектральной плотности излучения на основе закона Планка для абсолютно черного тела (АЧТ);

4) метод оптимизации на основе последовательного квадратичного про1раммирования (8С)Р) с использованием комплексного критерия;

5) метод оптимизации на основе поиска множеств Парето. Достоверность полученных результатов обеспечивается использованием

известных положений фундаментальных наук, совпадением теоретических результатов с экспериментальными данными других авторов, экспертизой Федерального института промышленной собственности (ФИПС) с выдачей патентов РФ, а также экспериментально полученными результатами в условиях космического полета и наземного моделирования. Научная новизна диссертационной работы

1. Предложена Парето-оптимизация параметров ЛЛС и ответных оптических устройств по критериям максимальной дальности, безопасности излучения, качества изготовления УО и угловой величины излучающего поля, научная новизна которой состоит в получении множества решений, позволяющего разработчику выбирать из них наиболее приемлемые для технической реализации задач, изложенных в диссертации.

2. На базе детального анализа имеющихся в литературе и полученных автором данных по результатам применения и контроля ответных оптических устройств, оценки световых помех в космическом полете и оптимизации параметров ЛЛС и ответных устройств по дальности к лазерной безопасности и угловой величине излучающего поля, автором разработаны

а) новый способ дистанционного контроля излучения лазерных маяков КА, научная новизна которого состоит в использовании впервые для решения этой задачи существующих бортовых телевизионных и радиотехнических систем КА, позволяющих получать информацию в наземном Центре управления полетами в режиме реального времени;

б) новые способы обнаружения пассивного КА, реализованные на основе известного метода сканирования за счет движения носителя, научная новизна которых состоит в применении линейного многоэлементного фотоприемника, мгновенное поле зрения которого совпадает с анизотропной диаграммой направленности зондирующего пучка JLJIC, формируемой оптической анаморфотной системой, что позволяет вместо оптико-механического сканирования использовать разворот активного КА по тангажу, курсу или крену, выполняемый до обнаружения пассивного КА;

в) новые' конструкции лазерных маяков, научная новизна которых состоит в сканировании анизотропной диаграммой излучения, формируемой оптической анаморфотной системой, что позволяет обеспечить обнаружение сигнала в половине полного телесного угла (2ж), в результате чего снижаются требования по предварительной ориентации пассивного КА в 6 раз по сравнению с существующими аналогами;

г) новое устройство контроля ориентации пассивного КА, не требующее внешней засветки, научная новизна которого состоит в использовании для определения угловых отклонений в двух плоскостях разложенных в спектр с помощью отражательных дифракционных решеток двух пучков излучения.

Практическая значимость результатов. Полученные в диссертации результаты обеспечивают оптимизацию операции сближения и стыковки КА за счет увеличения дальности JIJIC, снижения требований по предварительной ориентации кооперируемых КА, баллистических ограничений на положение небесных тел относительно пассивного КА, а также повышения лазерной безопасности аппаратуры. Предложенные устройства и способы могут использоваться при управлении сближением и стыковкой КА как при полетах на околоземных, так и окололунных орбитах. Разработанный способ тестирования бортовых лазерных приборов позволяет проверить их работоспособность как в условиях наземной отработки, так и в условиях космического полета.

Реализация и внедрение научных и практических результатов диссертации:

В ОАО «Ракетно-космическая корпорация «Энергия» им. С.П. Королева» в работах по тематике предприятия использованы и внедрены:

1. Методика проверки работоспособности бортовых лазерных устройств изделий предприятия.

2. Технические предложения по реализации оптико-лазерных систем для изделий предприятия.

3. Рекомендации при проектировании перспективной оптико-электронной аппаратуры.

В ЗАО «Завод экспериментального машиностроения» РКК «Энергия» им. С.П. Королева в работах по тематике предприятия использованы и внедрены:

1. Предложения по использованию бортовых телевизионных средств для контроля работоспособности лазерных устройств.

2. Методика проверки работоспособности бортовых лазерных устройств изделий предприятия.

3. Методика имитации светотехнических условий космического полета при наземной отработке и испытаниях бортовых лазерных устройств изделий предприятия.

Разработанная совместно с Д.В. Савчуком программа для ЭВМ «МИТРА» зарегистрирована в реестре ФИПС (свидетельство о государственной регистрации № 2013610537).

Программа «МИТРА» была использована ОАО «Ракетно-космическая корпорация «Энергия» им. С.П. Королева» для оценки характеристик бортовой локационной аппаратуры, разрабатываемой в ходе ОКР «ППТС».

Внедрение подтверждено соответствующими актами.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Новый способ дистанционного контроля излучения лазерных маяков на борту КА, экспериментально опробованный в условиях космического полета, позволяющий получать информацию в наземном Центре управления полетами в режиме реального времени.

2. Новые способы обнаружения пассивного КА с использованием ЛЛС без оптико-механического сканирования за счет разворота активного КА по тангажу, курсу или крену, которые позволяют повысить надежность и снизить массогабаритные показатели аппаратуры.

3. Новые конструкции лазерных маяков, с использованием анаморфотных оптических систем, формирующих анизотропные диаграммы направленности излучения, сканирование которыми позволяет охватить половину полного телесного угла (2пг), что при использовании пары таких маяков полностью устраняет принципиальный недостаток бортовых лазерных маяков, заключающийся в необходимости предварительной ориентации пассивного КА относительно активного КА.

4. Новая конструкция устройства контроля ориентации пассивного КА, с использованием отражательных дифракционных решеток, которая не требует внешней засветки, и обеспечивает определение углов отклонения с точностью 0,25° в диапазоне дальностей 15...250 м.

5. Результаты Парето-оптимизации параметров бортовых ЛЛС и ответных оптических устройств по критериям максимальной дальности, безопасности излучения, качества изготовления УО и угловой величине излучающего поля, которые предоставляют разработчику предпочтительный выбор технической реализации проекта.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы доложены и обсуждены на Отраслевой научно-технической конференции молодых ученых и специалистов «Молодежь в ракетно-космической отрасли» (Королев, 2009), 11-й международной научно-технической конференции «Кибернетика и высокие технологии XXI века» (Воронеж, 2010), Третьей Всероссийской конференции молодых ученых и специалистов «Будущее машиностроения России» (Москва, 2010), Научных чтениях памяти Ю.А. Мозжорина (Королев, 2010), Четвертой Всероссийской конференции молодых ученых и специалистов «Будущее машиностроения России» (Москва, 2011), Отраслевой научно-технической конференции молодых ученых и специалистов, посвященной 100-летию со дня рождения М.К. Янгеля «Янгелевские чтения» (Королев, 2011), XIX Научно-технической конференции молодых ученых и специалистов ОАО «РКК «Энергия» (Королев, 2011), II Всероссийской научно-технической конференции «Мехатронные системы (теория и проектирование)», (Тула, 2011), XXXVI Академических чтениях по космонавтике (Москва, 2012), XXXVII Академических чтениях по космонавтике (Мосхва, 2013).

Публикации. По основным результатам выполненных в диссертации исследований опубликовано 18 печатных работ, из них: 7 публикаций в сборниках материалов конференций, 6 публикаций в научных журналах, из них 5 в изданиях, рекомендованных ВАК. Получены 5 патентов РФ на изобретение.

Объем и структура диссертации. Материалы диссертации изложены на 143 страницах, включая перечень принятых сокращений, введение и пять глав, куда входят обзор литературы и собственные исследования автора, а также заключение и список использованной литературы, содержащий 97 наименований. Работа содержит 54 рисунка и 13 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

• Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной работы, формулируется цель и задача исследований, показаны научная новизна и практическая значимость полученных результатов, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе диссертационной работы дана характеристика операций сближения и стыковки КА, описаны преимущества использования оптического диапазона по сравнению с радиотехническим, указаны основные характеристики бортовых ЛЛС космической и авиационной техники, а также активных (лазерных маяков) и пассивных (УО) ответных устройств. Выполненный анализ показывает, что реализация бортовых ЛЛС с дальностью 10...30 км и точностью измерений 5...0,01 м должна осуществляться с использованием импульсной подсветки и времяпролетного метода измерений, которые на ближних дистанциях (около 500 м) при использовании оптико-механического сканирования узким зондирующим пучком, совмещенным с мгновенным полем зрения приемной системы, позволяют получить «облако точек», используемое для определения ориентации пассивного КА с применением технологий распознавания образов. Для получения характеристик ЛЛС и ответных оптических устройств, одновременно удовлетворяющих требованиям по назначению и требованиям лазерной безопасности, необходимо решить задачу многокритериальной оптимизации. Представляет интерес использование в ЛЛС и лазерных маяках «веерных» или «ножевых» диаграмм излучения с анизотропной расходимостью в двух перпендикулярных плоскостях.

Во второй главе представлен метод расчета характеристик ЛЛС на основе приближений геометрической оптики.

Выполнен анализ влияния геометрического фактора при применении УО. При подсветке УО с близкой дистанции мощность отраженного импульса почти равна мощности зондирующего импульса, что может вывести из строя фотоприемное устройство (ФПУ) ЛЛС.

Когда излучатель и приемник ЛЛС имеют каждый свою собственную оптическую систему, то при использовании УО следует учитывать возникающий между их оптическими осями параллакс, в результате которого в ближней зоне «отсекается» отраженный от УО пучок излучения.

Если пучок подсветки полностью покрывает УО, то минимальный размер базы между излучающей и приемной оптическими апертурами, при которой отраженный

от УО пучок излучения соприкасается с приемной оптической апертурой на расстоянии Д составляет

= dyo + D • аУ0 -

пер

т

М; (i)

где: dy0 - диаметр УО; ауо - угол отклонения отраженного УО пучка; dn,p - диаметр передающей оптической апертуры.

Геометрический фактор определяется как безразмерный коэффициент заполнения приемной апертуры SnoKpISnp отраженным от УО пучком диаметром готр, принимающий значения от 0 до 1

Q =

отр

0,А + — >гс 2

Snmp д +

' 2 от>

ч>

2

(2)

■ < г

иъ+Ь-2

где: йпр - диаметр приемной оптической апертуры.

На рис. 1 для ¿пер = 2 см и ¿пр = 5 см представлены графики зависимости геометрического фактора для разной длины базы (Д = 4...8 см), диаметра подсвечиваемого УО (с?уо = 28,2...50,8 мм) и угла отклонения отраженного им пучка(аус>= 10"...20").

1.4

1.2

3 0.8

0.6

£ <0

0.4

0.2

1 - Длина базы 4 см, ^0 = 2324«, а=10" 2 — Длина базы 4 см, с!уо = ^,2 мы, а-20" 3 — Длина базы 8 см, йуо = 23,2 мм, о= 15" 4 — Длина базы В см, с!уо = 50Э мм, а= 15"

2 / 4 , 1 / 3 /

200

400

600

1400

1600

1В00

8Ш 1000 1200 Дальность, м

Рис. 1. Зависимость геометрического фактора от A, dy0 и аУ0

Учет геометрического фактора позволяет с одной стороны избежать перегрузок и повреждения ФПУ, а с другой не допустить потери объекта ЛЛС при достижении им дистанции «отсечки» отраженного пучка.

Лазерные маяки в качестве активных ответных оптических устройств могут использоваться для решения следующих задач: предварительного обнаружения пассивного объекта и наведения на него зондирующего пучка ЛЛС, измерений дальности триангуляционным методом и определении ориентации пассивного КА (при наличии нескольких маяков).

При использовании лазерных маяков, возникает проблема обеспечения их надежности в течение длительного срока эксплуатации в космическом пространстве. Продолжительное нахождение в космическом пространстве может существенно сказаться на оптических характеристиках излучающих элементов аппаратуры.

В настоящее время единственными лазерными маяками для управления сближением и стыковкой КА, которые продолжительно эксплуатировались снаружи КА в условиях космического полета, являются лазерные реперные устройства (РУ), установленные на торце служебного модуля «Звезда» МКС. РУ были предназначены для разрабатываемой лазерно-оптической системы управления сближением и стыковкой КА. Назначение РУ - задание координатной системы стыковочного узла посредством их размещения на корпусе МКС в определенных реперных точках.

Во время эксплуатации на борту периодически проводились проверки РУ с телеметрическим контролем, которые подтвердили работоспособность электронных блоков, однако они не позволили оценить уровень излучения РУ. Продолжительное нахождение в космическом пространстве могло существенно сказаться на оптических характеристиках излучающих элементов.

Для изучения влияния условий длительного космического полета на работоспособность лазерной аппаратуры был подготовлен и проведен дистанционный контроль излучения лазерных маяков на борту МКС с использованием бортовых телевизионных и радиотехнических систем КА по специально разработанному способу.

В лабораторных условиях было установлено, что лазерные излучатели обнаруживаются с помощью бортовой телекамеры стыковки КА «Прогресс». Далее была разработана методика проведения тестирования, заключающаяся в обнаружении излучения РУ с помощью этой телекамеры.

Контроль осуществлялся из Центра управления полетами (ЦУПа) в г. Королев Московской области, при нахождении МКС в зоне видимости российских наземных измерительных пунктов. При прохождении МКС терминатора и на ночной стороне орбиты последовательно включалась телекамера КА «Прогресс», пристыкованного к МКС, затем включались РУ, установленные на модуле «Звезда». Одновременно производилась передача на Землю изображения, полученного широкоугольным объективом телекамеры стыковки, и контроль работы РУ с помощью телеметрии. Схема проведения контроля излучения РУ на борту МКС, включающая наземные и бортовые системы, представлена на рис 2.

После получения изображений излучающих апертур РУ с борта КА, работа была продолжена в РКК «Энергия» на комплексном стенде (КС) модуля «Звезда», предназначенном для проведения наземных испытаний и отработки аппаратуры. Была проведена наземная имитация светотехнических условий космического полета во время тестовой проверки РУ. Использовалась аналогичная телекамера. Все поверхности, способные создать блики были закрыты черной тканью. После включения телекамеры и РУ свет в помещении отключался.

На рис. 4 представлена схема проведения наземного моделирования. Изображения излучающих апертур РУ, полученные на КС, не отличаются от изображений, полученных во время тестирования аппаратуры на борту МКС. Отсюда можно сделать вывод, что деградация под воздействием внешних факторов отсутствует либо незначительна.

I-------------1

Рис. 2. Схема проведения контроля излучения РУ в условиях космического полета: 1 - БЦВМ; 2 - командная радиолиния КА «Прогресс»; 3 - телевизионная система КА «Прогресс»; 4 - бортовая вычислительная система; 5 - командная радиолиния МКС; 6 - РУ; 7 - телевизионная система МКС; 8 - бортовая телеметрическая система МКС; 9-НИП; 10-ЦУП.

Рис. 3. Схема проведения наземного моделирования на КС: 1 - пульт управления КС; 2 - бортовая вычислительная система; 3 - РУ; 4 - система телеметрии; 5 - телекамера; 6 - ноутбук; 7 - механический интерфейс.

Таким образом, было установлено, что лазерные маяки могут длительное время эксплуатироваться на борту КА без какого-либо технического обслуживания.

Недостаток подобных конструкций лазерных маяков - узкое излучающее поле, которое ограничивает максимальный угол, в котором возможно обнаружение

маяка. Для обеспечения ориентации и наведения активного КА подходящего к

>

I

пассивному КА в широком угле необходима разработка специальных конструкций лазерных маяков.

В третьей главе представлены новые методы и средства для поиска и определения ориентации пассивного КА.

При неизменной энергии излучения дальность ОЭС (как с активной подсветкой, так и с использованием маяков) находится в обратной зависимости от ширины диаграммы излучения. Получается своего рода парадокс, который необходимо решать разработчику, находя компромиссные значения рабочих параметров, обеспечивающие выполнение целевых задач.

Нетрадиционный подход состоит в увеличении расходимости лазерного излучения только в одной плоскости, то есть использовании так называемой «веерной» или «ножевой» диаграммы направленности. Для получения «ножевой» диаграммы направленности используются оптические анаморфотные системы.

Автором были разработаны способы обнаружения пассивного КА с использованием ЛЛС без оптико-механического сканирования. Сканирование производится зондирующим пучком с «ножевой» диаграммой направленности путем разворота активного объекта по крену (см. рис. 4), тангажу или курсу. После обнаружения объекта локации разворот КА прекращается и осуществляется наведение активного КА на пассивный КА с помощью системы управления по информации, поступающей из ЛЛС в бортовые системы, а также может использоваться дополнительный излучающий узконаправленный канал.

В ЛЛС используется многоэлементное линейное ФПУ, мгновенное поле зрения которого совпадает с диаграммой направленности излучения. Отказ от оптико-механического сканирования позволяет повысить надежность аппаратуры за счет исключения приводов и движущихся частей, а также по выполненным оценкам уменьшить ее массу на 5 8... 83 % и снизить энергопотребление на 14...26 %.

Автором были разработаны две конструкции сканирующих лазерных маяков с

использованием анаморфотных оптических систем, излучение которых обнаруживается в половине полного телесного угла (2д). Это позволяет уменьшить влияние принципиального недостатка бортовых лазерных

маяков, заключающегося в необходимости предварительной ориентации пассивного КА относительно активного КА.

Диаграмма направленности^ зондирующего излучения

Диаграмма направленности зондирующего излучения

Активный КА

^ 02 я а= Р

Диаграмма направленности зондирующего излучения

Область целеуказания

Направление полета

Область целеуказания

Рис. 4. Сканирование бортовой ЛЛС за счет разворота носителя по крену, тангажу или курсу

Применение разработанных лазерных маяков позволяет ориентировать пассивный КА относительно активного в пределах плоского угла 180° (± 90°), в то время как для известных аналогов эта величина составляет 10° (± 5°), 0,4° (± 0,2°), 0,06° (± 0,03°), то есть требования по ориентации снижаются в 18, 450 и 3000 раз соответственно. При сравнении с эксплуатируемыми в настоящее время на борту МКС РУ (± 15°) требования по ориентации снижаются в 6 раз.

Принципиально возможно обеспечить обнаружение пассивного КА в полном телесном угле (4гг), т.е. при подходе активного КА с любого направления. Это достигается путем установки на пассивный КА с противоположных сторон двух сканирующих лазерных маяков, каждый из которых полностью покрывает телесный угол 2л. Энергетический расчет показывает, что для дальности 30 км достаточно энергии импульса не более 50 мкДж. при этом лазерная безопасность обеспечиваются вблизи самой излучающей апертуры, что обусловлено широкой диаграммой излучения. Это позволяет полностью отказаться от предварительной ориентации пассивного КА, что ранее не являлось возможным при использовании бортовых лазерных маяков. Таким образом, облегчается их использование для предварительного наведения ЛЛС.

На рис. 5 и рис. 6 представлены конструкции разработанных маяков.

Сканирующий блок

Оптическая анаморфотная , система

у Корпус

Основание

Корпус

Качающийся

привод Карданный подвес

Оптическая анаморфотная система

Сканирующий блок

Вращающийся привод

Источник

лазерного

излучения

Рис. 5. Сканирующий лазерный маяк с качающимся приводом

Рис. 6. Сканирующий лазерный маяк с вращающимся приводом

На близких дистанциях для выполнения требований лазерной безопасности желательно максимально ограничить применение лазерной подсветки. Существующие системы технического зрения требуют наличия внешней подсветки объекта или элементов его конструкции. Автором было разработано устройство контроля ориентации пассивного КА, основанное на использовании дифракционных элементов, не требующее наличия внешней засветки.

В устройстве используется нелазерный источник света видимого диапазона с непрерывным спектром излучения (например, лампа накаливания) и две плоские отражательные дифракционные решетки, разлагающие его излучение в спектр.

Контроль ориентации осуществляется посредством оптоэлектронных датчиков с распознаванием цвета или визуально оператором. Работоспособность предложенной конструкции устройства подтверждена светотехническим макетированием.

Анализ показывает, что для выполнения контроля ориентации посредством данного устройства угловая ширина дифрагированных пучков должна быть

10°... 15°, угловая дисперсия должна обеспечивать чувствительность устройства к углам отклонения не ниже 0,25°, а спектр используемого источника максимально соответствовать спектральной чувствительности используемого приемника.

Расчеты показывают, что достигаемая точность определения углов отклонения составляет 0,25° в диапазоне дальностей 15...250 м.

В четвертой главе выполнена энергетическая оценка лазерной подсветки с учетом требований дальности обнаружения, точности наведения и безопасности излучения ЛЛС.

Использование в качестве источников излучения полупроводниковых лазерных диодов на GaAs или GaAs/AlGaAs генерирующих в спектральном диапазоне 0,81...0,91 мкм с безопасной величиной энергии импульса при работе по диффузно отраженному сигналу потребует использования высокочувствительного ФПУ или увеличения диаметра приемной оптической апертуры более 10 см.

Автором совместно с Д.В. Савчуком была разработана программа для персональных ЭВМ «МИТРА», позволяющая оценить возможности бортовых ЛЛС КА при работе по космическим объектам, а также безопасность зондирующих пучков. С ее помощью были выполнены оценки влияния параметров зондирующих пучков на дальность и безопасность ЛЛС (см. рис. 7 и рис. 8).

Угол расходимости зондирующего пучка, мрад

Рис. 7. Влияние расходимости зондирующего Рис. 8. Зависимость дистанции

нучка на дальность ЛЛС ири подсветке блока безопасного набл10дення от расходимости

У О импульсом с энергией 2 мкДж ' „ „__

3 1 зондирующего пучка ЛЛС для Я =1,06

мкм

Установка на объект блока УО (с площадью 0,01 м2 и аУ0 = 10") позволяет достичь дальностей в диапазоне 20...55 км при величине энергии зондирующих импульсов, соответствующей ДПИ на длинах волн 0,81... 1,06 мкм. Источники подсветки, излучающие на длине волны Д = 1,5 мкм позволяют получить широкие зондирующие пучки (около 6 мрад) с энергией импульса, не превышающей ДПИ (8 мДж), достаточной для обеспечения дальности по УО свыше 50 километров.

Расчеты показывают, что с помощью предложенных способов сканировании разворотом КА возможно произвести обнаружение пассивного КА по диффузно отраженному сигналу на дистанции в 2 км, при этом требования лазерной безопасности соблюдаются до дистанции менее 30 м, а при установке на объект блока У О - свыше 10 км при соответствии энергии зондирующих импульсов ДПИ.

600 500 400 300 200

1 2 3 4 5 6 7 8 Угол расходимости зондирующего пучка, мрад

Выполнена оценка светотехнической обстановки в условиях космического полета. Использована математическая модель для оценки прямой и отраженной (фоновой) засветки ЛЛС, где Солнце рассматривается как АЧТ с яркостной температурой для исследуемого участка спектра.

Освещенность приемной апертуры ЛЛС прямым или отраженным излучением Солнца в этом случае определялась по соотношению

где: h - постоянная Планка; с - скорость света в вакууме; А - длина волны излучения; к- постоянная Больцмана; Т- абсолютная температура, К.

Выполнены расчеты по обнаружению ответных оптических устройств в условиях помех. Лазерные маяки с непрерывным режимом излучения могут обнаруживаться на фоне диска Солнца, однако работа при прямой солнечной засветке потребует сужения диаграммы излучения маяка (< 10°) и уменьшения дальности обнаружения (до 1 км). В то же время поиск пассивного КА на фоне солнечного диска может выполняться посредством ЛЛС, сканирующей область целеуказания узким зондирующим пучком, при установке УО на пассивном КА.

Для одновременного обеспечения наилучших характеристик по дальности, безопасности, точности наведения ЛЛС и размеру области наведения ответных устройств необходимо решить задачу многокритериальной оптимизации.

В пятой главе решены задачи оптимизации параметров ЛЛС и ответных оптических устройств с использованием метода последовательного квадратичного программирования (SQP - англ. sequential quadratic programming) и метода поиска множеств Парето.

Важнейшими показателями, характеризующими возможности бортовых ЛЛС и ответных оптических устройств, являются максимальная дальность измерений, минимальная дистанция безопасного наблюдения излучения и угловая величина излучающего поля.

Максимальная дальность и диапазон углов взаимного отклонения кооперируемых КА для ЛЛС и ответных оптических устройств задаются в техническом задании на разработку. Они определяют выполнение аппаратурой требований по назначению с учетом точностей предварительного наведения при сближении КА, обеспечиваемой баллистическими методами, инерциальной навигацией и внешним целеуказанием. Также изначально задаются требования по безопасности излучения.

При оптимизации параметров ЛЛС и лазерных маяков желательно получить как можно меньшую дистанцию безопасного наблюдения. Для массогабаритных характеристик на практике обычно устанавливается верхний предел, а их оптимизация представляет отдельную задачу.

Применение УО позволяет обеспечить дальность измерений ЛЛС в диапазоне 20...55 км без превышения зондирующими импульсами ДПИ. Работа по диффузно отраженному сигналу на длине волны зондирующего излучения Я = 1,06 мкм с низким значением ДПИ (ЕДПИ = 2-10"* Дж, согласно ГОСТ Р 50723-94) является наиболее сложной задачей, требующей согласования параметров ЛЛС и требований лазерной безопасности.

(3)

Цель оптимизации ЛЛС формулируется как достижение максимальной дальности локации пассивного КА по диффузно отраженному сигналу при минимальной дистанции безопасного наблюдения зондирующего пучка с длиной волны лазерного излучения Я = 1,06 мкм.

Дальность ЛЛС и дистанция безопасного наблюдения в первую очередь определяются энергией импульса Е, и расходимостью зондирующего пучка у. Если их принять в качестве оптимизируемых параметров, то задача сводится к поиску экстремума функции двух переменных: Е, и у. Эти два параметра образуют замкнутое и' ограниченное подмножество двумерного пространства, то есть компакт, на котором они имеют только положительные значения.

Целевая функция имеет вид

где: So6 - площадь объекта; q - отношение сигнал/шум; Епор - пороговая энергия ФПУ; ЕдПИ- безопасная энергия излучения; роб - коэффициент отражения объекта; т„р - коэффициент пропускания приемной оптической системы; d, - диаметр зрачка наблюдателя.

Для решения задачи оптимизации методом комплексного критерия было использовано расширение Optimization Toolbox, входящее в состав математического пакета MATLAB Version 7.6.0.324 (R2008a), где применялся метод SQP. Оптимизация целевой функции проводилась при следующих параметрах ЛЛС: Епор = 6-10"16 Дж, dnp = 5 см; тпр = 0,5; q = 10; Едш = 2-10"* Дж и d3 = 7 мм (согласно ГОСТ Р 50723-94). Для оценки рассматривался объект с параметрами: So6 = 3,14 м2 и роб - 0,5. Диапазон оптимизируемых параметров составляет: Е3 = 1.. .30 мДж и у = 0,6...6 мрад.

Как показывает анализ целевой функции R\, она непрерывна на данном компакте и не имеет в нем экстремумов. Оптимизация по комплексному критерию позволяет лишь определить значения оптимизируемых параметров, соответствующие максимальному или минимальному значению целевой функции. На рис. 9 представлен график целевой функции R\.

Максимальное значение целевой функции R\ достигается при Е, = 1 мДж и у = 6 мрад, которым соответствует дистанция безопасного наблюдения 26,1 м; дальность по диффузно отраженному сигналу составляет 1,3 км.

В задаче оптимизации параметров лазерного маяка лазерная безопасность уже не является таким критическим фактором, так как используются достаточно широкие пучки с низкой плотностью излучения в сечении. Лазерный маяк характеризуется дальностью обнаружения, энергопотреблением и угловым размером области наведения.

Целью оптимизации является получение максимальной дальности обнаружения лазерного маяка в максимально широком угле, при минимальной энергии его излучения.

Целевая функция будет выглядеть следующим образом

где: Ом - телесный угол излучающего поля маяка; Я„р - площадь приемной оптической апертуры; Ем - энергия импульса маяка.

(5)

Диапазон оптимизируемых параметров составляет: Ем = 1...100 мкДж и С1М = 0,006...0,214 ср. Анализ целевой функции приводит к тем же выводам, что и в случае с целевой функцией Л,. Максимальное значение целевой функции Л2 достигается при дальности обнаружения маяка 2,14 км. График целевой функции представлен на рис. 10.

лазерного маяка

Таким образом, использование комплексного критерия позволяет определить значения оптимизируемых параметров, соответствующие максимальной или минимальной величине целевой функции. Результаты такой оптимизации не всегда применимы на практике и их использование разработчиком затруднительно.

При решении реальных задач разработчику нередко приходится идти на компромисс, отклоняясь от экстремальных значений показателей, чтобы удовлетворить требованиям по назначению. При этом решение оптимизационной задачи может представлять собой не однозначный ответ, а совокупность решений.

На принципе компромисса основан метод поиска множеств Парето, позволяющий выделить множество решений, где уменьшение значения одного критерия приводит к увеличению значений других критериев. Использование Парето-оптимизацни параметров ЛЛС и ответных устройств позволяет избежать неопределенности при выборе значимости критериев оценки.

Множество Парето для показателей дальности ЛЛС и дистанции безопасного наблюдения (при ранее указанных исходных данных) представлено в виде кривой на рис. 11. Из представленного графика следует, что при безопасной дистанции наблюдения 390 м максимальная дальность ЛЛС составляет 5 км. Если безопасность излучения ЛЛС обеспечивается на дистанции 50 м, то дальность снижается до 1,61 км.

Множество Парето в виде кривой для дальности обнаружения маяка и отношения Еэ/О.» для ранее указанных исходных данных, представлено на рис. 12.

По представленному графику можно для требуемой дальности обнаружения маяка определить соответствующие отношение ЕМ/£1М. Например, дальность обнаружения 100 км обеспечивается при величине Е„/Пм = 0,01, которой соответствует энергия импульса 0,27 мДж при использовании «ножевой» диаграммы 1°х90° или 0,5 мДж при использовании диаграммы излучения 1°х180°. Такое сочетание параметров позволяет использовать разработанные конструкции сканирующих лазерных маяков для решения задачи обнаружения пассивного КА при отсутствии внешнего целеуказания на орбите Луны.

400 50D Без, дальность наблюдения, м

i i

i ..............

........; /........................ ................\Х..„. . ! .

........X..... ......

..71...........i......"

7 i ;...............

:::::r::........:................

0.01

Отношение Дж/ср

Рис. 12. Множество Парето для параметров импульсного лазерного маяка

Рис. 11. Множество Парето для работы JIJIC на X = 1,06 мкм по диффузно отраженному сигналу

Еще одним направлением, требующим оптимизации, является применение УО. Стоимость и сложность изготовления УО напрямую зависит от его параметра ауо. При этом, чем меньше энергия подсветки и больше дистанция между ЛЛС и УО, тем меньше должна быть величина ауо, предельное значение которой ограничивается дифракционным пределом.

Имеется зависимость между допустимым отклонением зондирующего пучка (точностью его наведения) и характеристиками УО, при заданной дальности и энергии подсветки образующими собой множество альтернатив, которое также является множеством Парето.

Цель оптимизации формулируется как обеспечение максимально допустимого отклонения зондирующего пучка ЛЛС от направления на пассивный КА при минимальном качестве изготовления УО (максимальном значении ауо) с сохранением дальности ЛЛС без увеличения энергии импульса подсветки.

Задача рассматривалась для зондирующего пучка, имеющего гауссово распределение интенсивности. Для обеспечения дистанции измерений 30 км энергия импульса ЛЛС составляет Е3 = 400 мкДж; а для дистанции 10 км энергия равна Е3 = 20 мкДж. Другие параметры ЛЛС: Е„ор = 10~16 Дж; q = 10; do6 = 5 см; т„р = 0,5. Используется УО с dyo = 2,82 см иру0 = 0,85.

На рис. 13 представлены две кривые, соответствующие множествам Парето для обоих случаев. Из рисунка видно как с увеличением отклонения и ширины зондирующего пучка возрастает требуемая точность изготовления У О. Для ЛЛС с расходимостью зондирующего пучка 6 мрад допустимое отклонение зондирующего пучка составит 3 мрад (10'). При дальности ЛЛС 10 км УО должен обладать аУ0 < 14". При увеличении дальности ЛЛС до 30 км (и энергии импульса в 20 раз)

1 -30 ки, Es = 400 M1#K 2 -10 км, Ез = 20 мкДж

2

Ns. ■i

6 2 4 6 а 10 12 14 16 Отклонение от оси зондирующего пучка, угл. мин. Рис. 13. Множества Парето для допустимого отклонения зондирующего пучка с гауссовым распределением и величины ауо

требование ужесточается в два раза: ауо < 7". Если отклонение зондирующего пучка ЛЛС в два раза меньше (51), то требования к качеству УО снижаются до ayo < 27" для дальности 10 км и ауо < 13" для 30 км.

На окончательный выбор сочетания у и ауо оказывают влияние стоимость изготовления УО с требуемой величиной ауо, и возможностями компенсации системой управления КА возникающих в полете возмущений.

В заключении сформулированы основные результаты и выводы работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

Методами математического моделирования исследованы применение ЛЛС с дальностью 10...30 км и точностью измерений 5...0,01 м по диффузно рассеивающим объектам и объектам с оптическими ответными устройствами активного (лазерные маяки) и пассивного типа (УО), влияние на работу ЛЛС мощных световых помех, возникающих в космическом полете, и выполнение требований лазерной безопасности согласно ГОСТ Р 50723-94 для наносекундных импульсов зондирующего излучения в спектральном диапазоне 0,81...1,57 мкм, что позволило решить задачи многокритериальной оптимизации, разработать новые оптические ответные устройства, а также способы применения и контроля ЛЛС и ответных оптических устройств.

В результате Парето-оптимизации получены

1. Значения дальности 5 км по диффузно отражающему объекту и безопасной дистанции наблюдения 390 м, что позволяет решить задачу применения ЛЛС с длиной волны зондирующего излучения А = 1,06 мкм для управления сближением КА на этой дистанции при выполнении требований лазерной безопасности.

2. Для разработанных конструкций сканирующих лазерных маяков определены энергии импульса излучения, обеспечивающие их обнаружение на дальности 100 км: Ем = 0,27 мДж при использовании диаграммы излучения 1°*90° и Ем- 0,55 мДж при использовании диаграммы излучения 1°х180°.

3. При наведении и удержании зондирующего пучка ЛЛС (с гауссовым распределением интенсивности) с точностью в 10' определено требуемое качество изготовления УО: ауо < 14" для дальности 10 км и ауо < 7" для дальности 30 км.

Автором разработаны

4. Способы обнаружения космического объекта с использованием ЛЛС без оптико-механического сканирования, за счет разворота активного КА по тангажу, курсу или крену, с использованием линейного приемника излучения и «ножевой» диаграммы направленности зондирующего излучения, формируемой оптической анаморфотной системой, позволяющие повысить надежность аппаратуры в результате исключения приводов и движущихся частей.

5. Две конструкции сканирующих лазерных маяков с использованием «ножевых» диаграмм направленности излучения, формируемых анаморфотной оптической системой, что позволяет по сравнению с используемыми на борту МКС аналогами снизить требования по предварительной ориентации пассивного КА в 6 раз за счет увеличения области наведения до половины полного телесного угла (2тг), а использование пары таких маяков позволяет полностью отказаться от предварительной ориентации пассивного КА за счет увеличения области наведения до полного телесного угла (4гг) при дальностях обнаружения 30... 100 км, что облегчает их применение для предварительного наведения ЛЛС и для решения

задачи обнаружения пассивного КА при отсутствии внешнего целеуказания на орбите Луны.

6. Устройство контроля ориентации пассивного КА, на основе дифракционных элементов, не требующее наличия внешней засветки, обеспечивающее определение углов отклонения с точностью 0,25° в диапазоне дальностей 15...250 м.

Автором разработан и экспериментально проверен в космическом полете

7. Способ дистанционного контроля излучения бортовых лазерных маяков КА с использованием впервые для решения этой задачи существующих бортовых телевизионных и радиотехнических систем другого КА, который позволил подтвердить работоспособность аппаратуры после эксплуатации на борту в течении 9 лет и установить отсутствие признаков деградации.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ОПУБЛИКОВАНЫ В РАБОТАХ

Работы в изданиях из рекомендованного ВАК перечня

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

2. Старовойтов Е.И. Использование оптоэлекгронных устройств для позиционирования космических объектов // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2011. Вып.5,4.1. С.162-168.

3. Старовойтов Е.И., Воробьев С.А. Контроль работоспособности лазерных излучателей в условиях космического полета с использованием телевизионных средств // Радиотехника. 2011. № 6. С.50-55.

4. Старовойтов Е.И. Устройство контроля ориентации пассивных космических аппаратов на основе дифракционных решеток // Мехатроника, автоматизация, управление. 2012. № 4. С.61-64.

5. Старовойтов Е.И. Энергетическая оценка лазерной подсветки бортовых оптико-электронных систем космических аппаратов // Известия РАН. Энергетика 2013. № 1. С.44-56.

Доклады на конференциях

6. Старовойтов Е.И. Анализ возможностей реализации автоматической оптико-электронной системы взаимных измерений параметров относительного сближения КА // Отраслевая научно-техническая конференция молодых ученых и специалистов «Молодежь в ракетно-космической отрасли». 21-24 сентября 2009 г., Королев. Сборник тезисов докладов. 1 электрон, опт. диск (CD-ROM).

7. Старовойтов Е.И. Некоторые технические аспекты реализации оптико-электронных систем измерения параметров сближения КА // XI международная научно-техническая конференция «Кибернетика и высокие технологии XXI века» (С&Т 2010). 12-14 мая 2010 г, Воронеж. Материалы конференции. 1 электрон, опт. диск (CD-ROM).

8. Старовойтов Е.И. Поиск и обнаружение космических объектов различными типами бортовых оптико-электронных систем. Труды XXXVI Академических чтений по космонавтике. М.: Комиссия РАН по разработке научного наследия пионеров освоения космического пространства, 2012. С.458-459.

9. Старовойтов Е.И. Применение лазерных источников для задач обнаружения и позиционирования объектов с малыми размерами и сложной конфигурацией в космическом пространстве. Сборник трудов Третьей Всероссийской конференции молодых ученых и специалистов «Будущее машиностроения России». М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2010. С.205.

10. Старовойтов Е.И. Сканирующие лазерные маяки для обнаружения космических аппаратов в широком телесном угле. Сборник трудов Четвертой Всероссийской конференции молодых ученых и специалистов «Будущее машиностроения России». М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2011. С.231-232.

11. Старовойтов Е.И. Эффективность измерений в оптическом диапазоне с целью обнаружения и инспекции потенциально опасных космических объектов. Тезисы докладов научных чтений, посвященных 90-летию со дня рождения Юрия Александровича Мозжорина. Королев: ЦНИИмаш, 2010. С.178-179.

12. Старовойтов Е.И., Савчук Д.В. Энергетическая оценка и помехоустойчивость лазерных локационных систем в условиях космического полета. Труды XXXVII Академических чтений по космонавтике. М.: Комиссия РАН по разработке научного наследия пионеров освоения космического пространства, 2013. С.543.

Статьи в научно-технических журналах

13. Старовойтов ЕЛ., Воробьев С.А. Оценка уровня фоновой засветки для оптико-электронной системы обеспечения сближения и стыковки космических аппаратов при межпланетных полетах // МГОУ-ХХ1-Новые технологии. 2009. № 5-6. С.26-32.

14. Сканирующий лазерный маяк космических аппаратов. Патент РФ № 2462731. / Е.И. Старовойтов. Заявка № 2011106637 от 22.02.2011.

15. Сканирующий лазерный маяк космических аппаратов. Патент РФ № 2462732. / Е.И. Старовойтов. Заявка № 2011106638 от 22.02.2011.

16. Способ обнаружения пассивного космического объекта при сближении с ним активного космического аппарата. Патент РФ 2474844. / Е.И. Старовойтов. Заявка № 2011121514 от 27.05.2011.

17. Устройство контроля ориентации пассивных космических аппаратов. Заявка № 2011142314. Приоритет от 19.10.2011 / Е.И. Старовойтов. Решение ФИПС о выдаче патента от 06.12.2012.

18. Способ обнаружения пассивного космического объекта при сближении с ним активного космического аппарата. Заявка на изобретение № 2011148951. Приоритет от 01.12.2011 /Е.И. Старовойтов, В.В. Афонин. Решение ФИПС о выдаче патента от 04.04.2013.

Патенты

Подписано в печать Полиграфический центр таи Красноказарменная ул.,д.13

Открытое акционерное общество «Ракетно-космическая корпорация «Энергия» им. С.П. Королева»

04201356220

На правах рукописи

СТАРОВОЙТОВ ЕВГЕНИЙ ИГОРЕВИЧ

Лазерная локационная система и ответные оптические устройства для управления сближением и стыковкой

космических аппаратов

Специальность: 05.11.07 Оптические и оптико-электронные приборы и

комплексы

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: С.н.с., д.т.н. Н.Е. Зубов

Консультант: Проф., д.т.н. В.Ш. Берикашвили

Королев — 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ПЕРЕЧЕНЬ ПРИНЯТЫХ СОКРАЩЕНИЙ............................................4

ВВЕДЕНИЕ....................................................................................5

ГЛАВА 1. ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЙ..............................................16

1.1. Особенности этапов сближения и стыковки космических аппаратов.....16

1.2. Преимущества использования лазерных локационных систем.............18

1.3. Обзор бортовых лазерных локационных систем летательных и космических аппаратов..........................................................................20

1.4. Ответные оптические устройства и сравнительные характеристики лазерных локационных систем.........................................................29

1.5. Обоснование лазерной безопасности............................................35

Выводы.......................................................................................37

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА СПОСОБОВ ПРИМЕНЕНИЯ И КОНТРОЛЯ ОТВЕТНЫХ ОПТИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ.........................................38

2.1. Метод энергетического расчета лазерных локационных систем...........38

2.2. Анализ влияния геометрического фактора при применении уголковых отражателей..................................................................................42

2.3. Анализ способов применения лазерных маяков................................51

2.4. Разработка и экспериментальная проверка в условиях космического полета способа контроля работоспособности лазерных маяков с дистанционным контролем излучения..........................................................53

Выводы.......................................................................................65

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА СПОСОБОВ И УСТРОЙСТВ ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ И КОНТРОЛЯ ОРИЕНТАЦИИ ПАССИВНОГО КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА..............................................................66

3.1. Поиск пассивного космического аппарата лазерной локационной системой....................................................................................66

3.2. Способы обнаружения пассивного космического аппарата при сближении с ним активного космического аппарата..................................69

3.3. Сканирующие лазерные маяки для обнаружения пассивного космического аппарата в широком телесном угле..................................74

3.4. Устройство контроля ориентации пассивного космического аппарата...79 Выводы.......................................................................................86

ГЛАВА 4. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ И ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТИ ЛАЗЕРНЫХ ЛОКАЦИОННЫХ СИСТЕМ С

УЧЕТОМ СВЕТОТЕХНИЧЕСКОЙ ОБСТАНОВКИ КОСМИЧЕСКОГО ПОЛЕТА....................................................................................87

4.1. Энергетическая оценка лазерной подсветки с учетом требований дальности обнаружения, точности наведения и безопасности...................87

4.2. Анализ светотехнической обстановки в космическом полете...............98

4.3. Обнаружение оптических ответных устройств в условиях помех........107

Выводы.....................................................................................111

ГЛАВА 5. ОПТИМИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ БОРТОВЫХ ЛАЗЕРНЫХ ЛОКАЦИОННЫХ СИСТЕМ И ОТВЕТНЫХ ОПТИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ СБЛИЖЕНИЕМ И СТЫКОВКОЙ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ.................................113

5.1. Оптимизация параметров лазерных локационных систем и лазерных маяков по комплексному критерию методом последовательного квадратичного программирования...................................................113

5.2. Парето-оптимизация параметров лазерных локационных систем и ответных оптических устройств......................................................122

Выводы.....................................................................................129

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...........................................................................131

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ.................................135

ПЕРЕЧЕНЬ ПРИНЯТЫХ СОКРАЩЕНИЙ

АСН Аппаратура спутниковой навигации

АЧТ Абсолютно черное тело

БВС Бортовая вычислительная сеть

БИТС Бортовая информационно-телеметрическая система

Б ЦВМ Бортовая цифровая вычислительная машина

ВЛ Волоконный лазер

ДПИ Допустимые пределы излучения

КА Космический аппарат

КРЛ Командная радиолиния

КС Комплексный стенд

ЛА Летательный аппарат

ЛД Лазерный диод

ллс Лазерная локационная система

ЛФД Лавинный фотодиод

МКС Международная космическая станция

нип Наземный измерительный пункт

оэс Оптико-электронная система

ппн Полупроводниковая накачка лазерными диодами

РУ Реперные устройства

ТТЛ Твердотельный лазер

УО Уголковый отражатель

ФД Фотодиод

ФИПС Федеральное государственное бюджетное учреждение

«Федеральный институт промышленной собственности»

ФПУ Фотоприемное устройство

ЦУП Центр управления полетами

5 Введение

ВВЕДЕНИЕ

Дальнейшее развитие пилотируемой космонавтики, связанное с продолжением эксплуатации Международной космической станции (МКС), планируемыми полетами к Луне и другим небесным телам означает усложнение программы полета космических аппаратов (КА). Ввиду огромной роли освоения космического пространства для науки, экономики и обороноспособности, модернизация и разработка новой космической техники имеет приоритетное значение для российской промышленности.

При выполнении программы полета КА посредством его бортовых средств производится обнаружение и измерение координат других искусственных объектов (кооперируемых и некооперируемых спутников, разгонных блоков, отработанных ступеней ракет-носителей и их фрагментов) в космическом пространстве. Локация космических объектов необходима для успешного выполнения операций сближения и стыковки КА, обеспечения безопасности полетов, а также обслуживания КА на орбите.

В настоящее время сближение и стыковка КА «Союз» и «Прогресс» с МКС выполняются с помощью радиотехнической системы «Курс» [20,29].

Требования к измерительным средствам, разрабатываемым для перспективных КА значительно выше, так как возрастающие масса и габариты космических объектов требуют улучшения точности поддержания скорости движения в момент контакта для безопасной стыковки. Радиотехнические системы имеют большие массу и габариты, а вблизи пассивного КА чувствительны к явлениям переотражения и интерференции сигналов.

Для управления сближением и стыковкой КА кроме радиотехнических систем используются лазерные локационные системы (ЛЛС).

ЛЛС при сравнении с радиотехнической аппаратурой обладают меньшей массой и габаритами, большой точностью, лучшей разрешающей способностью и помехозащищенностью за счет меньшей длины волны,

6 Введение

монохроматичности и узкой диаграммы направленности зондирующего излучения.

Лазерный дальномер впервые использовался для определения скорости сближения КА в 1985 г. [75]. К настоящему времени разработаны образцы бортовых ЛЛС для управления сближением и стыковкой КА, прошедшие летные испытания. Однако они имеют ограниченную дальность 0,3... 5 км и не способны обнаружить пассивный КА без предварительного наведения.

Проведенный анализ показывает, что направлением, в котором происходит интенсивное развитие бортовых ЛЛС КА является определение координат и ориентации близко расположенного (около 500 м) объекта методами распознавания образов - по так называемому «облаку точек» (ЗБ-изображению).

Для получения 3 D-изображения основным средством до недавнего времени преимущественно являлось сканирование узким лазерным лучом с помощью оптико-механической системы [61,80,89,91,94]. Альтернативой сканированию узкими пучками является технология ЗО-камер с лазерной подсветкой (3D Flash Ladar, времяпролетные камеры) [79,82,84]. Оба метода основаны на использовании импульсной подсветки и времяпролетного метода измерений.

Однако, обнаружение посредством ЛЛС пассивного КА на больших дальностях (около 2 км и выше) в широком угловом поле, когда он представляет собой точечный объект, представляет собой проблему.

Использование 3D Flash Ladar затруднительно из-за сильного падения плотности излучения в широком пучке подсветки с увеличением дальности измерений, значительном ослаблении принятого сигнала по причине деления на большое количество элементов матричного ФПУ.

Оптико-механическое сканирование может быть использовано для поиска пассивного объекта, однако в этом случае обзор поля зрения занимает значительное время по причине того, что скорость сканирования

7 Введение

определяется временем прихода отраженного сигнала с максимальной дальности.

Для облегчения поиска и увеличения дальности измерений на пассивном КА могут быть размещены ответные оптические устройства, которые могут быть активными (лазерные маяки) или пассивными (уголковые отражатели - УО).

Недостатком JIJIC, разработанных на время работы над диссертацией являются:

- небольшая дальность (0,3... 5 км);

- необходимость использования УО на пассивном КА или, наоборот ограничений на их размещение;

- требования к предварительной ориентации пассивного КА относительно активного (± 5°...15°) при использовании активных оптических ответных устройств;

- трудности поиска пассивного КА при отсутствии предварительного целеуказания, в том числе на окололунной орбите;

- невозможность определения ориентации на предельно близких дистанциях (единицы метров);

- несоответствие многих вариантов бортовых JTJTC требованиям лазерной безопасности (большая дистанция безопасного наблюдения пучка подсветки);

- использование большей частью старой элементной базы (полупроводниковые лазерные диоды (ЛД) на GaAs, твердотельные лазеры (ТТЛ) с ламповой накачкой), при том, что в настоящее время появились источники излучения и фотоприемные устройства (ФПУ) с улучшенными энергетическими и спектральными характеристиками, например, ЛД на InGaAsP, ТТЛ с полупроводниковой накачкой (1111Н), волоконные лазеры (ВЛ), а также чувствительные ФПУ, в том числе матричные, обладающие радиационной стойкостью;

8 Введение

- слабая устойчивость ЛЛС к световым помехам, возникающим в

космическом полете, требующая введения баллистических

ограничений на положение небесных тел относительно пассивного КА

и др.

Таким образом, возникает актуальная необходимость на основе проведения литературных, расчетных и экспериментальных исследований, направленных на устранение указанных недостатков бортовых ЛЛС КА в части решения основной задачи диссертации - совершенствования систем управления сближением КА:

1) разработку новых способов применения и контроля ответных оптических устройств;

2) разработку новых способов обнаружения пассивного КА на средних (2...3 км) и больших (свыше 10 км) дальностях, не требующих длительного поиска, увеличения массы и усложнения конструкции ЛЛС;

3) разработку новых способов достижения максимальной дальности обнаружения и измерений в широком диапазоне углов отклонения при обеспечении безопасности зондирующего излучения для органов зрения;

4) разработку новых средств, снижающих требования по предварительной ориентации и баллистические ограничения по положению небесных тел относительно пассивного КА, вплоть до полного их снятия;

5) оптимизацию параметров ЛЛС и ответных устройств по критериям дальности, безопасности наблюдения, точности наведения и удержания зондирующего пучка.

Несмотря на значительное число работ, посвященных решению сформулированной основной научной задачи диссертации, многие аспекты этой проблемы остаются нерешенными, и ее актуальность возрастает по мере расширения применения ЛЛС и оптических ответных устройств в космической технике.

Следовательно, можно сформулировать цель работы и задачи исследований.

9 Введение

Целью диссертационной работы является разработка ответных оптических устройств, способов снижения требований по взаимной ориентации кооперируемых КА, снижение светотехнических ограничений при применении ЛЛС и ответных оптических устройств, а также повышение их безопасности, точности, надежности.

Задачи исследований. Для достижения поставленной цели автору необходимо было решить следующие задачи:

- провести анализ современного уровня и направлений развития ЛЛС, используемых на борту авиационной и космической техники;

- обеспечить увеличение дальности ЛЛС (до 10...30 км), в том числе с использованием ответных оптических устройств (свыше 30 км);

- разработать способы применения пассивных оптических ответных устройств на пассивном кооперируемом КА;

- разработать способы применения активных оптических ответных устройств на пассивном кооперируемом КА;

- разработать способы контроля работоспособности бортовых лазерных приборов КА непосредственно в космическом полете;

- разработать новые способы поиска пассивного кооперируемого КА, позволяющие упростить состав и повысить надежность бортовой аппаратуры;

- разработать новые оптические ответные устройства для пассивного КА, позволяющих снизить требования по его предварительной ориентации относительно активного КА (углы отклонения более ± 15°);

- разработать новые устройства контроля ориентации для пассивного КА, обеспечивающие требуемые точностные характеристики при отсутствии светотехнических ограничений по их применению;

- провести анализ влияния параметров зондирующих пучков ЛЛС (энергии импульса, плотности распределения энергии в пространстве, расходимости) на дальность, точность наведения и лазерную безопасность;

10 Введение

- повысить лазерную безопасность излучения ЛЛС и активных оптических ответных устройств (дистанция безопасного наблюдения не более 400 м);

- выполнить оценку светотехнических условий космического полета для обеспечения устойчивой работы ЛЛС, в том числе с использованием ответных оптических устройств и установки минимальных баллистических ограничений по положению небесных тел относительно пассивного КА;

- выполнить многоцелевую оптимизацию параметров ЛЛС и ответных оптических устройств для обеспечения высоких эксплуатационных показателей.

Так как для успешного решения необходимых задач использования существующих инженерных методов недостаточно, то, следовательно, было необходимо проведение ряда новых научных исследований.

Объектом исследований являются бортовые лазерные локационные системы космических аппаратов и ответные оптические устройства для обнаружения и определения ориентации КА.

Предметом исследований является разработка новых способов и устройств, обеспечивающих увеличение дальности ЛЛС, ответных устройств, разработка методов и моделей для расчетов и экспериментальной проверки характеристик аппаратуры, повышение безопасности применения ЛЛС, точности определения ориентации пассивного кооперируемого КА, снижение требований по взаимной ориентации кооперируемых КА. Методы исследований:

1) метод расчета плотности энергии зондирующего излучения на основе модели дифракционной расходимости гауссова пучка;

2) метод оценки пороговой чувствительности ФПУ на основе зонной теории внутреннего фотоэффекта и модели дробового шума;

3) метод расчета спектральной плотности излучения на основе закона Планка для абсолютно черного тела (АЧТ);

11 Введение

4) метод оптимизации на основе последовательного квадратичного программирования (8(}Р) с использованием комплексного критерия;

5) метод оптимизации на основе поиска множеств Парето.

Достоверность полученных результатов обеспечивается

использованием известных положений фундаментальных наук, совпадением теоретических результатов с экспериментальными данными других авторов, экспертизой Федерального института промышленной собственности (ФИПС) с выдачей патентов РФ, а также экспериментально полученными результатами в условиях космического полета и наземного моделирования.

Научная новизна диссертационной работы

1. Предложена Парето-оптимизация параметров бортовых ЛЛС и ответных оптических устройств по критериям максимальной дальности, безопасности излучения, качества изготовления УО и угловой величины излучающего поля, научная новизна которой состоит в получении множества решений, позволяющего разработчику выбирать из них наиболее приемлемые для технической реализации задач, изложенных в диссертации.

2. На базе детального анализа имеющихся в литературе и полученных автором данных по результатам применения и контроля ответных оптических устройств, оценки световых помех в космическом полете и оптимизации параметров ЛЛС и ответных устройств по дальности к лазерной безопасности и угловой величине излучающего поля, автором разработаны

а) новый способ дистанционного контроля излучения лазерных маяков КА, научная новизна которого состоит в использовании впервые для решения этой задачи существующих бортовых телевизионных и радиотехнических систем КА, позволяющих получать информацию в наземном