РЕТРОРЕФЛЕКТОРНАЯ СИСТЕМА В ВИДЕ ПИРАМИДЫ

Изобретение относится к локационной технике и может быть использовано в качестве бортовой ретрорефлекторной системы (РРС) в спутниковой лазерной дальнометрии для определения координат навигационных и геодезических спутников с субмиллиметровой (менее 1 мм) погрешностью.
Известна ретрорефлекторная система CryoSat (http://ilrs.gsfc.nasa.gov/docs/CRYOSAT_LRR_01_DATA_PACKAGE.pdf), выполненная с использованием одного уголкового отражателя (УО), ориентированного по направлению в надир, и шести УО, расположенных вокруг, под углом 57,5° относительно направления в надир.
Известна ретрорефлекторная система GOCE ([http://ilrs.gsfc.nasa.gov/docs/GOCE-LRR-01SetofDocuments.pdf), выполненная с использованием одного УО, ориентированного по направлению в надир, и шести УО, расположенных вокруг, под углом 60° относительно направления в надир. Диаметр входной апертуры УО РРС CryoSat и GOCE равен 28 мм.
Известные вышеуказанные РРС используются для обеспечения отражения лазерного излучения от низкоорбитальных спутников Земли в строго обратном направлении на передатчик.
Недостатком указанных технических решений является наличие некоторой погрешности, величиной до 6 мм, определения расстояния до низкоорбитального спутника и существенный вес РРС: вес семи УО составляет величину порядка 80 г., общий вес с конструкцией крепления системы - порядка 300 г.
Величины указанной погрешности и вес оптико-механической конструкции связаны с разнесением отдельных УО друг от друга в пространстве
Наиболее близкой к предлагаемой модели по техническим характеристикам является РРС для спутника CHAMP (Neubert R.; "The Center of Mass Correction (CoM) for Laser Ranging Data of the CHAMP Reflector"), выполненная из четырех УО и представляющая собой пирамидальную конструкцию. Диаметр входной апертуры УО составляет величину 38 мм. Для компенсации влияния скоростной аберрации используются УО с развалом одного из двугранных углов между боковыми гранями на величину 3,8 угл. сек. и сферической формой поверхности входной грани с радиусом кривизны 500 м, что обеспечивает двухпятенную диаграмму направленности отраженного излучения с угловым расстоянием между максимумами 24 угл. сек. Одно из пятен диаграммы направленности попадает на приемную апертуру наземной приемо-передающей лазерной станции.
Недостатком данной РРС, как и указанных выше, является наличие погрешности определения расстояния до спутника достигающей 6 мм, связанной с тем, что боковые грани УО в РРС не соприкасаются друг с другом и вершины УО располагаются в различных точках.
Технический результат предлагаемого решения заключается в повышении точности локации и достигается за счет компактного расположения УО в РРС. При этом снижается вес конструктивного исполнения РРС.
Сущность полезной модели заключается в том, что в ретрорефлекторной системе в виде пирамиды, состоящей из четырех УО, выполненных из оптически прозрачного материала например, из стекла кварцевого, в виде призм, на три боковые грани которых нанесено отражающее покрытие, - уголковые отражатели двумя боковыми гранями плотно прилегают друг к другу, при этом не прилегающие друг к другу третьи боковые грани образуют единую установочную плоскость, на которой сходятся в одной точке вершины уголковых отражателей.
Полезная модель поясняется чертежами, где изображены на
фиг. 1 - вид РРС в изометрии;
фиг 2 - вид УО;
фиг. 3 - вид РРС снизу.
Конструкция предлагаемого устройства состоит из четырех УО 1, две боковые грани 2 которых плотно прилегают друг к другу, при этом не прилегающие друг к другу третьи боковые грани образуют единую установочную плоскость 3, на которой сходятся в одной точке вершины уголковых отражателей 4.
Предлагаемая РРС работает следующим образом. Пучок падающего лазерного излучения входит в УО через фронтальную грань 5. После трех последовательных отражений от боковых граней 2 пучок отраженного лазерного излучения выходит из УО в направлении, противоположном направлению падения. Число одновременно работающих УО составляет в пирамидальной РРС от одного до двух.
РРС на базе УО устанавливаются на геодезических и навигационных спутниках для отражения излучения лазерного дальномера. Измерение времени распространения лазерного импульса позволяет с высокой точностью определить дальность до спутника, параметры орбиты спутника и координаты наземного пункта.
Специфика применения УО в системах спутниковой дальнометрии заключается в том, что отраженный лазерный луч отклоняется от направления на наземный передатчик вследствие явления скоростной аберрации, причем величина углового отклонения составляет 2u/c, где u - тангенциальная составляющая скорости движения спутника, а c - скорость света. Это отклонение зависит от высоты орбиты спутника и при небольших высотах для низкоорбитальных спутников может достигать ~10 угл. сек., что означает смещение центра светового пятна на поверхности Земли на десятки и сотни метров от передатчика.
Для обеспечения оптимальных для приема энергетических характеристик отраженного от УО излучения в пирамидальной РРС для низкоорбитальных спутников предлагается использовать УО уменьшенного размера с диаметром входной апертуры примерно от 12 до 15 мм. В этом случае формируется дифракционная диаграмма направленности отраженного излучения с оптимальным радиусом пятна порядка 10 угл. сек., что компенсирует влияние скоростной аберрации и устанавливает уровень отраженного от РРС сигнала достаточным для приема.
В настоящее время для низкоорбитальных спутников выдвигаются требования определения дальности с субмиллиметровой (до 1 мм) погрешностью, а также снижения веса РРС. Вес четырех УО пирамидальной РРС составляет 8 гр, общий вес с конструкцией крепления - примерно 30 гр.
Уменьшенный размер УО и конструктивная компактность пирамидальной РРС минимизируют вес РРС и обеспечивают выполнение требований определения дальности до низкоорбитального спутника с субмиллиметровой погрешностью.
Источники информации
1. "CryoSat-LRR-01 Laser Retro Reflector Technical Description"; Doc. No. К01-Э095-00-00 TO; Scientific Research Institute for Precision Instruments, Moscow, 2002.
Интернет ресурс: [http://ilrs.gsfc.nasa.gov/docs/CRYOSAT_LRR_01_DATA_PACKAGE.pdf]
2. "GOCE-LRR Laser Retro Reflector Technical Description"; Doc. No. К01-Э095-00-00 TO; Scientific Research Institute for Precision Instruments, Moscow, 2004.
Интернет ресурс: [http://ilrs.gsfc.nasa.gov/docs/GOCE-LRR-01 SetofDocuments.pdf]
3. Neubert R.; "The Center of Mass Correction (CoM) for Laser Ranging Data of the CHAMP Reflector".
Интернет ресурс: [http://ilrs.gsfc.nasa.gov/docs/CH_GRACE_COM_c.pdf]