КОСМИЧЕСКИЙ АППАРАТ ДЛЯ КАЛИБРОВКИ РАДИОЛОКАЦИОННОЙ СТАНЦИИ ПО ВЕЛИЧИНЕ ЭФФЕКТИВНОЙ ПОВЕРХНОСТИ РАССЕЯНИЯ
SPACECRAFT FOR CALIBRATING RADAR STATION BASED ON RADAR CROSS-SECTION

Изобретение относится к космической технике, в частности к конструкции космических аппаратов (КА), и предназначено для калибровки радиолокационных станций по величине эффективной поверхности рассеяния (ЭГТР).
Известны различные варианты КА, предназначенных для калибровки радиолокационных станций, например КА сферической формы с эталонной отражающей поверхностью [1] стр.47-49. В США, начиная с 1964 г., для калибровки РЛС запускаются эталонные сферические искусственные спутники Земли [2] стр.37. В СССР в различные периоды времени были созданы и использовались космические аппараты «Тайфун-2». В состав КА входят по 24 устройства отстрела со сферическими эталонными отражателями [3] стр.198-200.
Сферы являются удобными эталонными рассеивателями, ЭПР которых могут быть вычислены точно [4] стр.204. Эталонная сфера обладает тем преимуществом для калибровки РЛС, что в силу симметрии величина ЭПР у нее постоянна [4] стр.205.
Недостатком сферического КА с эталонной отражающей поверхностью является невозможность его использования для калибровки по величине ЭПР радиолокаторов, работающих на волнах круговой поляризации при параллельном приеме отраженных сигналов, так как для таких радиолокаторов отражатель сферической формы невидим [5] стр.103.
Известен космический аппарат с эталонными отражателями - патент RU 2481248 «Космический аппарат с эталонными отражателями». Данный КА с эталонными отражателями взят за прототип.
В прототипе, как и в приведенных аналогах, для калибровки РЛС используются сферические эталонные отражатели.
2
2
Недостатком прототипа также является невозможность применения предлагаемых сферических отражателей для калибровки по величине ЭПР радиолокаторов, работающих на волнах круговой поляризации при параллельном приеме отраженных сигналов. Другим недостатком прототипа для РЛС, работающих на волнах горизонтальной, вертикальной, а также круговой поляризации при ортогональном приеме отраженных сигналов, является малая ЭПР используемых сферических эталонных отражателей. Так, например, при диаметре сферы 25 см и длине волны РЛС 7 см ее ЭПР составит всего 0,04 м, а при длине волны РЛС 1,9 м ЭПР такого сферического отражателя - 0.013 м [1] стр.49, таблица 2.1.3. Значительно увеличить ЭПР сферического отражателя, т.е. его радиус, невозможно из-за габаритных ограничений КА.
Технический результат предлагаемого изобретения заключается в расширении функциональных возможностей КА для калибровки по величине ЭПР радиолокаторов, работающих на волнах круговой поляризации при параллельном приеме отраженных сигналов, увеличении дальности наблюдения КА калибруемой РЛС за счет значительного увеличения эффективной поверхности рассеяния при небольших размерах КА с эталонным отражателем, а также возможности проводить калибровку по величине ЭПР высокопотенциальных РЛС в режиме функционирования с пониженной мощностью излучения.
Указанный технический результат достигается тем, что корпус КА выполнен в виде прямоугольной призмы 1 с ее перпендикулярным сечением в виде вогнуто-выпуклого многоугольника 2, количество сторон которого больше либо равно пяти. При этом две грани 4, 5 прямоугольной призмы 1, имеющие одинаковые размеры и плоские поверхности из радиоотражающего материала обращены вовнутрь корпуса КА. Кроме того, корпус КА снабжен двумя откидными плоскими радиоотражающими пластинами 6 и 7, которые шарнирно связаны с гранями прямоугольной призмы 8, 9 корпуса КА, смежными с гранями прямоугольной призмы, обращенными вовнутрь корпуса космического аппарата 4, 5 (см. фиг. 1, фиг. 2). Причем плоские радиоотражающие пластины снабжены механизмами раскрытия 10 и узлами фиксации 11 к прямоугольной призме 1 корпуса КА (см. фиг. 3). Кроме того, две плоские радиоотражающие пластины совместно с гранями прямоугольной призмы, обращенными вовнутрь корпуса КА, имеющими плоские поверхности из радиоотражающего материала, образуют двугранный уголковый отражатель, при этом угол α между гранями уголкового отражателя находится в диапазоне от (90-Δ) градусов до (90+Δ) градусов, где Δ - определяется из соотношения:
0<Δ<18 λ/а,
λ - длина волны калибруемой РЛС;
a - размер грани уголкового отражателя, образованного двумя раскрытыми плоскими радиоотражающими пластинами, вместе с гранями прямоугольной призмы, имеющими плоские поверхности из радиоотражающего материала (см. фиг. 4).
Кроме того, в КА дополнительно введены навигационная аппаратура потребителя (НАЛ) космических систем «ГЛОНАСС» и/или GPS, микропроцессор, микроконтроллер, блок сопряжения системы ориентации и стабилизации и узлов фиксации с микроконтроллером. Причем выход НАП подключен к первому входу микропроцессора, первый выход микропроцессора подключен к первому входу микроконтроллера, первый выход микроконтроллера подключен к первому входу блока сопряжения, первый выход блока сопряжения подключен к входу системы ориентации и стабилизации. Выход системы ориентации и стабилизации подключен ко второму входу блока сопряжения, второй выход блока сопряжения подключен ко второму входу микроконтроллера, второй выход микроконтроллера подключен ко второму входу микропроцессора, который управляет процессом ориентации КА относительно калибруемой РЛС. Кроме того, третий выход микропроцессора подключен к третьему входу микроконтроллера, третий выход микроконтроллера подключен к третьему входу блока сопряжения, а второй выход блока сопряжения подключен к входу узлов фиксации плоских радиоотражающих пластин к корпусу КА (см. фиг. 5).
Кроме того, плоские радиоотражающие пластины 6, 7 уголкового отражателя выполнены с возможностью их раскладывания. При этом в сложенном положении они уложены и зафиксированы параллельно шарнирно связанными с ними граням прямой призмы корпуса КА, в разложенном или раскрытом положении развернуты на угол α (см. фиг. 3, фиг. 6).
Кроме того, узлы фиксации 11 плоских радиоотражающих пластин к корпусу КА выполнены, например, в виде пирозамков.
Кроме того, боковые грани прямоугольной призмы корпуса КА, шарнирно связанные с плоскими радиоотражающими пластинами, выполнены одинакового размера.
Кроме того, размер плоских радиоотражающих пластин меньше либо равен размеру шарнирно связанных с ними боковых граней призмы корпуса КА.
Кроме того, на оборотную сторону плоских радиоотражающих пластин наклеены тонкопленочные фотопреобразователи.
Кроме того, механизмы раскрытия плоских радиоотражающих пластин выполнены из упругих лент или пластин.
Кроме того, угол β, образованный пересечением несмежных сторон вогнуто-выпуклого многоугольника, являющегося перпендикулярным сечением призмы, находится в диапазоне от 10 градусов до 90 градусов (см. фиг. 6).
Кроме того, плоские радиоотражающие пластины снабжены механическими устройствами фиксации раскрытого положения 13 (см. фиг. 7).
Предлагаемый космический аппарат поясняется чертежами фиг.1 - фиг. 10.
Фиг.1 - общий вид космического аппарата 1 с уголковым отражателем, образованным двумя плоскими радиоотражающими пластинами 6, 7 совместно с гранями прямоугольной призмы 4, 5, обращенными вовнутрь корпуса КА, имеющими плоские поверхности из радиоотражающего материала в рабочем (орбитальном) положении.
Фиг. 2 - общий вид космического аппарата 1 с двумя плоскими радиоотражающими пластинами 6, 7 в сложенном положении перед запуском на орбиту вокруг Земли.
Фиг. 3 - вид сверху на космический аппарат с двумя плоскими радиоотражающими пластинами 6, 7 в сложенном положении, где 12 - шарнирное соединение.
Фиг. 4 - вид сверху на космический аппарат 1 с двумя плоскими радиоотражающими пластинами 6, 7, развернутыми на угол α и образующими совместно с гранями прямоугольной призмы 4, 5 корпуса КА уголковый отражатель, где а - размер грани уголкового отражателя, образованного плоскими радиоотражающими пластинами совместно с гранями прямоугольной призмы, обращенными вовнутрь корпуса КА.
Фиг. 5 - представлена блок-схема информационной взаимосвязи микропроцессора, навигационной аппаратуры потребителя, микроконтроллера, блока сопряжения системы ориентации и стабилизации и узлов фиксации, содержащая:
- микроконтроллер (МК);
- микропроцессор (МП);
- навигационную аппаратуру потребителя (НАП);
- блок сопряжения (БС);
- системы ориентации и стабилизации (СОИС);
- узел фиксации (УФ 1);
- узел фиксации (УФ 2).
Информационная взаимосвязь осуществляется по линиям информационного обмена (на чертеже обозначены тонкой сплошной линией).
Выход НАП подключен к первому входу микропроцессора, первый выход микропроцессора подключен к первому входу микроконтроллера, первый выход микроконтроллера подключен к первому входу БС, первый выход БС подключен к входу СОИС. Выход СОИС подключен ко второму входу БС, второй выход БС подключен ко второму входу микроконтроллера, второй выход микроконтроллера подключен ко второму входу микропроцессора, который управляет процессом ориентации КА относительно калибруемой РЛС. Третий выход микропроцессора подключен к третьему входу микроконтроллера, третий выход микроконтроллера подключен к третьему входу БС, второй выход БС подключен к входу УФ1 иУФ2.
Фиг. 6 - перпендикулярное сечение призмы корпуса КА, где β - угол, образованный пересечением несмежных сторон вогнуто-выпуклого многоугольника.
Фиг. 7 - вид сверху на космический аппарат с двумя разворачивающимися плоскими радиоотражающими пластинами 6, 7, где 13 - механические устройства фиксации раскрытого положения плоских радиоотражающих пластин.
Фиг. 8 - относительное положение космического аппарата с уголковым отражателем и калибруемой РЛС после раскрытия плоских радиоотражающих пластин 6, 7, где:
14 - биссектриса угла двугранного уголкового отражателя, образованного двумя плоскими радиоотражающими пластинами совместно с гранями прямоугольной призмы, обращенными вовнутрь корпуса КА, имеющими плоские поверхности из радиоотражающего материала;
15 - основной лепесток индикатрисы рассеяния образованного уголкового отражателя;
16 - максимум основного лепестка индикатрисы рассеяния образованного УО;
17 - линия визирования калибруемой РЛС.
Фиг. 9 - сечение плоскостью XOZ основного лепестка пространственной индикатрисы рассеяния 18 уголкового отражателя, при этом угол между гранями равен 90 градусов.
Фиг. 10 - сечение плоскостью XOZ основного лепестка пространственной индикатрисы рассеяния 19 уголкового отражателя, при этом угол α между гранями находится в диапазоне от (90-Δ) градусов до (90+Δ) градусов, где Δ - определяется из соотношения: 0<Δ<18 λ/а,
λ - длина волны калибруемой РЛС;
а - размер грани уголкового отражателя.
Предлагаемый космический аппарат для калибровки радиолокационной станции по величине эффективной поверхности рассеяния содержит корпус в виде прямоугольной призмы 1 с расположенными на поверхности призмы солнечными батареями 3. На корпусе внутри установлены приборный отсек, двигательная установка, системы ориентации и стабилизации, микропроцессор, навигационная аппаратура потребителя (НАП) космических систем «ГЛОНАСС» и/или GPS (на чертеже не показаны) (фиг. 1).
На прямоугольной призме 1 корпуса КА посредством шарниров 12 (фиг. 3) установлены две откидные плоские радиоотражающие пластины 6 и 7, развернутые на угол α, образующие совместно с гранями прямоугольной призмы 4 и 5 корпуса КА уголковый отражатель. Плоские радиоотражающие пластины 6 и 7 шарнирно связаны с гранями прямоугольной призмы 8, 9 корпуса КА.
Откидные плоские радиоотражающие пластины 6, 7 снабжены механизмами раскрытия 10 (фиг. 3, фиг. 4) и узлами фиксации 11 плоских радиоотражающих пластин к корпусу КА.
Функционирование KA для калибровки РЛС по величине ЭПР происходит следующим образом: на время выведения КА на орбиту откидные плоские радиоотражающие пластины, шарнирно связанные с гранями корпуса КА, складывают параллельно граням прямой призмы и фиксируют в сложенном положении (фиг. 2, фиг. 3). Таким образом, обеспечивается минимальный объем, занимаемый КА перед выводом на целевую орбиту.
После выведения КА на целевую орбиту с помощью навигационной аппаратуры потребителя космических систем «ГЛОНАСС» и/или GPS определяются текущие координаты КА. Затем, используя введенные в микропроцессор до запуска КА на орбиту программу для обработки информации и координаты радиолокационных станций, подлежащих калибровке по величине эффективной поверхности рассеяния, определяется РЛС, в зоне радиовидимости которой находится КА. Одновременно с помощью микропроцессора определяются положение центра масс КА относительно РЛС, а также ориентация осей связанной системы координат КА относительно линии визирования калибруемой радиолокационной станции. Одновременно микропроцессор производит расчет и вычисляет пространственное положение биссектрисы угла двугранного уголкового отражателя относительно линии визирования калибруемой радиолокационной станции на текущий момент времени. При расчете используются координаты (в связанной системе координат КА) середины ребра и положение биссектрисы угла двугранного уголкового отражателя, образованного двумя раскрытыми плоскими радиоотражающими пластинами вместе с гранями прямоугольной призмы, обращенными вовнутрь корпуса космического аппарата, введенные в микропроцессор до запуска КА на орбиту.
Полученные расчетные данные с первого выхода микропроцессора поступают на первый вход микроконтроллера, формирующего команды управления, которые с первого выхода микроконтроллера поступают на первый вход БС, а затем с первого выхода БС поступают на вход СОИС. СОИС осуществляет разворот КА и совмещение положения биссектрисы угла двугранного уголкового отражателя с линией визирования калибруемой радиолокационной станции.
Выход СОИС подключен ко второму входу БС, второй выход БС подключен ко второму входу микроконтроллера, второй выход микроконтроллера подключен ко второму входу микропроцессора, который управляет процессом ориентации КА относительно калибруемой РЛС в режиме реального времени.
При совмещении положения биссектрисы угла двугранного уголкового отражателя с линией визирования калибруемой РЛС с третьего выхода микропроцессора на третий вход микроконтроллера поступает сигнал, который преобразуется микроконтроллером и с третьего выхода микроконтроллера поступает на третий вход БС, а со второго выхода БС сигнал поступает на вход УФ 1 и УФ 2, в результате срабатывания которых плоские радиоотражающие пластины освобождаются от фиксации к корпусу КА и раскрываются при помощи механизмов раскрытия, образуя при этом двугранный уголковый отражатель (фиг. 8).
При этом угол α между гранями уголкового отражателя находится в диапазоне от (90-Δ) градусов до (90+Δ) градусов, где Δ - определяется из соотношения: 0<Δ<18 λ/а,
λ - длина волны калибруемой РЛС;
а - размер грани образованного уголкового отражателя.
Затем при помощи механических устройств фиксации раскрытого положения плоские радиоотражающие пластины жестко фиксируются при заданном угле α.
При этом наклеенные на оборотную сторону плоских радиоотражающих пластин тонкопленочные фотопреобразователи служат дополнительным источником электроэнергии для КА.
В дальнейшем информационная взаимосвязь микропроцессора, навигационной аппаратуры потребителя, микроконтроллера, блока сопряжения, системы ориентации и стабилизации КА обеспечивает удержание совмещения биссектрисы угла образованного двугранного уголкового отражателя с линией визирования калибруемой радиолокационной станции до момента окончания сеанса калибровки.
Причем основной лепесток индикатрисы рассеяния образованного двугранного уголкового отражателя в течение сеанса калибровки направлен на калибруемую радиолокационную станцию, а максимум основного лепестка индикатрисы рассеяния двугранного уголкового отражателя совпадает с линией визирования калибруемой радиолокационной станции.
Таким образом, предлагаемая конструкция КА для калибровки РЛС и информационная взаимосвязь микропроцессора, навигационной аппаратуры потребителя, микроконтроллера, блока сопряжения системы ориентации и стабилизации КА позволяет получить свойства, отличные от свойств известных решений, а именно:
- высокоэффективную поверхность рассеяния (большую ЭПР) за счет использования уголкового отражателя;
- постоянное значение ЭПР в направлении калибруемой РЛС за счет ориентации основного лепестка индикатрисы рассеяния УО в направлении на РЛС и сохранения заданной ориентации в течение сеанса калибровки.
Использование КА, элементы конструкции которого образуют на целевой орбите двугранный уголковый отражатель с гранями, развернутыми на заданный угол α в диапазоне от (90-Δ) градусов до (90+Δ) градусов, позволяет достичь «уплощения» формы основного лепестка индикатрисы рассеяния уголкового отражателя в горизонтальной плоскости. При этом сектор углов индикатрисы рассеяния уголкового отражателя в горизонтальной плоскости, в котором его ЭПР практически не меняется, достигает ±10 градусов [5] стр. 150, рис. 4.7, кривые 2, 3.
Следует также отметить, что величина ЭПР предлагаемого КА с УО, размер грани которого 100 см, в направлении РЛС, работающей на длине волны 7 см, с учетом уменьшения ее значения на 3 дБ за счет отклонения угла между гранями УО на угол α в диапазоне от (90-Δ) градусов до (90+Δ) градусов для «уплощения» формы основного лепестка, составит 2560 м, что в 800 раз больше ЭПР сферического отражателя диаметром 200 см [1] стр. 49, таблица 2.1.3. При этом дальность обнаружения, а значит и дальность, на которой возможно калибровать РЛС, возрастет в 5,3 раза.
Более того, применение предлагаемого КА с УО позволит проводить калибровку по величине ЭПР высокопотенциальных РЛС в режиме функционирования с пониженной мощностью излучения (так называемого «энергосберегающего режима).
Введение информационных линий связи микропроцессора, НАП космических систем «ГЛОНАСС» и/или GPS, микроконтроллера, блока сопряжения с системой ориентации и стабилизации обеспечивает:
- определение положения центра масс КА относительно местоположения выбранной калибруемой радиолокационной станции;
- определение пространственного положения биссектрисы угла двугранного уголкового отражателя относительно линии визирования калибруемой радиолокационной станции на текущий момент времени;
- удержание с помощью системы ориентации и стабилизации КА совмещения биссектрисы угла уголкового отражателя с линией визирования калибруемой радиолокационной станции до момента окончания сеанса калибровки.
В результате сохраняется ориентация максимума основного лепестка индикатрисы рассеяния УО вдоль линии визирования калибруемой радиолокационной станции и, следовательно, постоянное значение ЭПР уголкового отражателя в направлении РЛС в течение сеанса калибровки РЛС по величине эффективной поверхности рассеяния.
При точности ориентации и стабилизации КА не более 0,5 градуса [1] стр. 259, [6] стр. 412, изменение ЭПР КА с УО в направлении максимума основного лепестка индикатрисы рассеяния УО не превышает 0,5 дБ, что обеспечит требуемую точность измерения ЭПР по отраженному сигналу не хуже 1 дБ [1] стр. 50.
Это позволяет сделать вывод о возможности использования предлагаемого калибровочного КА как эталона ЭПР для РЛС, работающих на волнах круговой поляризации при параллельном приеме отраженных сигналов, а также значительного увеличения дальности наблюдения и, соответственно, возможности калибровки РЛС, работающих на волнах горизонтальной, вертикальной, а также круговой поляризации, при ортогональном приеме отраженных сигналов.
Источники информации
1. Малые космические аппараты информационного обеспечения / под ред. Фатеева В.Ф. М.: Радиотехника. 2010. с. 47-50, с. 259.
2. Леонов А.И., Леонов С.А., Нагулинко Ф.В. и др. Испытания РЛС / под ред. Леонова А.И. М.: Радио и связь. 1990. с. 37.
3. «Ракеты и космические аппараты КБ «Южное» / под ред. Конюхова CH. Днепропетровск. ГКБ «Южное» им. М.К. Янгеля. 2000. с. 198-200.
4. Майзельс Е.Н., Торгованов В.А. Измерение характеристик рассеяния радиолокационных целей / под ред. Колосова М.А. М.: Советское радио. 1972. с. 144-145, с. 193-194, с. 204-213.
5. Кобак В.О. Радиолокационные отражатели / под ред. Леонтьевского О.Н. М: Советское радио. 1975. с. 103, с. 139, с. 144, с. 146, с. 150, с. 152, с. 235.
6. Бакитько Р.В., Болденков Е.Н., Булавский Н.Т. и др. ГЛОНАСС. Принципы построения и функционирования / под ред. Перова А.И., Харисова В.Н. М.: Радиотехника. 2010. с. 412.
7. Майсеня Л.И. Справочник по математике: основные понятия и формулы. Минск: Выш. шк. 2011. с. 190-195.
8. Патент RU №2481248, 27.12.2011. Космический аппарат с эталонными отражателями / Савельев Б.И.