АВТОНОМНОЕ СИГНАЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО

Предлагаемая полезная модель относится к сигнальным и навигационным устройствам с использованием оптических и лазерных источников света и может найти применение в системах навигации и обнаружения объектов, в частности, космических и летательных аппаратов, а также в космической геодезии для высокоточных угломерных измерений и для уверенного обнаружения малоразмерных космических аппаратов, а также в геодезии.
Известно большое количество сигнальных устройств, использующих в качестве источников излучения светодиоды или лазерные диоды, в частности, известен светодиодный излучатель для сигнального устройства, например на маяке или навигационном знаке, включающий в себя цилиндрический корпус, источник излучения на основе светодиодов и устройство управления им (патент на полезную модель RU №46106, МПК В63В 22/00 и патент на изобретение RU №2282104, МПК F21S 4/00). Источник излучения в данных патентах выполнен в виде нескольких светодиодных линеек, смонтированных на внешней стороне корпуса, по его периметру, внешнее устройство управления подключается к внешнему источнику питания. Недостатками данного устройства являются достаточно большие габариты, подключение к стационарным источникам питания, т.е. отсутствие автономности, большой угол свечения - до 360º.
Известно также сигнальное светодиодное устройство, взятое в качестве прототипа, содержащее цилиндрический корпус с закрепленной на его торце крышкой, выполненной в виде линзы, источник питания и соединенные с ним, установленный внутри корпуса, полупроводниковый источник света, и блок управления последним (патент RU №21685, МПК G08G 1/09).
Недостатками данного устройства являются необходимость постоянной подзарядки аккумулятора от сети, а в случае использования на космических аппаратах (КА) - от бортовой сети электропитания, что исключает автономность работы устройства, усложняет систему бортовой кабельной сети КА и утяжеляет КА, ограничивает надежность устройства, например, при сбоях в работе КА - может не начать работу и не позволит определить координаты аппарата. Кроме того, имеет широкий угол излучаемого пучка света, а, следовательно, не может быть использовано для высокоточных угломерных измерений, при этом управление осуществляется вручную.
Предлагаемое решение позволяет получить технический результат, заключающийся в обеспечении длительной автономной работы устройства (исключение подзарядок аккумулятора от бортовой сети) при его малых весе и размерах, и получении при этом узкого пучка мощного оптического излучения, что дает возможность использовать данное устройство на объектах космической техники для проведения с его помощью высокоточных угломерных и дистанционных измерений, а также для уверенного обнаружения малоразмерных космических аппаратов, спутников и спускаемых аппаратов.
Ниже при раскрытии сущности полезной модели и рассмотрении ее конкретной реализации будут названы и другие виды достигаемого технического результата.
Данный технический результат достигается тем, что в сигнальном устройстве, содержащем цилиндрический корпус с закрепленной на его торце крышкой, выполненной в виде линзы, источник питания и соединенные с ним, установленный внутри корпуса полупроводниковый источник света, и блок управления последним, источник питания представляет собой солнечные батареи, размещенные по периметру внешней поверхности корпуса, при этом корпус выполнен из термостабильного материала и теплоизолирован изнутри, кроме того, внутри корпуса, в центре его торцевой поверхности, противоположной линзе, смонтирован отсек, в котором расположен блок управления полупроводниковым источником света, при этом указанный источник света смонтирован в центре верхней поверхности отсека и направлен в сторону линзы, кроме того, устройство снабжено, смонтированными внутри корпуса, последовательно над полупроводниковым источником света, диафрагмой и, по меньшей мере, еще одной линзой, образуя с линзой крышки объектив.
Кроме того, в качестве полупроводникового источника света может быть использована сборка в виде, по крайней мере, трех, независимых друг от друга, элементов источника света, равномерно расположенных по окружности под углом к оси устройства, обеспечивающим фокусировку лучей отдельных элементов источников света в центре отверстия диафрагмы.
В качестве источников оптического излучения предполагается использовать полупроводниковые источники света - светодиоды или лазерные диоды.
Выполнение источника питания в виде, расположенных на внешней стороне корпуса, по его периметру, солнечных батарей, позволяет получить устройство с длительным сроком автономной работы, при этом для обеспечения энергетики работы этого устройства до уровня нескольких Вт достаточно использовать солнечные батареи площадью всего несколько десятков квадратных сантиметров (что важно при установке на КА). При любой ориентации корпуса устройства, при которой его поверхность будет освещена солнцем, устройство будет излучать свет в направлении оси корпуса, причем цветовые параметры, яркость и угол расходимости светового излучения могут быть выбраны в широких пределах. Выполнение корпуса теплоизолированным (например, экранно-вакуумная теплоизоляция) и из термостабильных материалов, позволяет обеспечить работу устройства в условиях космических температур. Размещение внутри корпуса, над полупроводниковым источником света, последовательно диафрагмы и дополнительной линзы, образующих с линзой крышки, объектив, позволяет исключить рассеивание света и сфокусировать его на оси устройства в виде узкого пучка света, ширина расходимости светового пучка может быть выбрана от 120º до долей градуса.
Полная масса подобного устройства вместе с крепежными элементами не превысит 0,3 кг, а время наработки на отказ солнечных батарей и полупроводниковых источников света составляет не менее нескольких десятков тысяч часов, что позволяет дооснащать уже готовые к запуску космические аппарата, не выходя за пределы экономии массы конструкции.
Сущность технического решения поясняется чертежами, где:
- на фиг.1 - общий вид устройства;
- на фиг.2 - устройство с полупроводниковым источником света в виде сборки из трех элементов;
- на фиг.3 - схема трехцветного сигнального устройства (показана, в качестве примера).
Автономное сигнальное устройство содержит цилиндрический корпус 1 с закрепленной на его торце крышкой, выполненной в виде линзы 2, источник питания, представляющий собой солнечные батареи 3, размещенные по периметру внешней поверхности корпуса 1, и соединенный с источником питания, установленный внутри корпуса, полупроводниковый источник света 4. Корпус 1 выполнен из термостабилизированных материалов и теплоизолированным, при этом теплоизоляция 5 может быть любой, в частности, экранновакуумная. Внутри корпуса 1, в центре его торцевой поверхности, противоположной линзе 2, смонтирован отсек 6, внутри которого расположен блок управления источником света 4, включающий в себя аккумуляторную батарею, соединяющую солнечные батареи 3 источника питания и источник света 4, а также, в зависимости от выполняемых задач, может включать в себя, например, таймер, кодирующее устройство, акселерометр. Источник света 4 смонтирован в центре верхней поверхности отсека 6 и направлен в сторону линзы 2. Кроме того, устройство снабжено, смонтированными внутри корпуса 1, последовательно, над полупроводниковым источником света 4, диафрагмой 7 и, по меньшей мере, еще одной линзой 8, образующими вместе с линзой 2 - объектив, что позволяет исключить рассеивание света и сфокусировать его на оси устройства в виде узкого пучка света, при этом ширина расходимости светового пучка может быть выбрана от 120º до долей градуса. Диафрагма 7 может быть выполнена либо в виде, прикрепленного к внутренним стенкам корпуса 1, диска (фиг.1 и 2) с центральным отверстием, либо в виде непрозрачного короба (не показан) с центральным отверстием в торце, накрывающего источник света 4. Кроме того, в качестве полупроводникового источника света 4 может быть использована сборка в виде, по крайней мере, трех, независимых друг от друга, элементов источника света 4, равномерно расположенных по окружности под углом к оси устройства, обеспечивающим фокусировку лучей отдельных элементов источника света 4 в центре отверстия диафрагмы 7. В качестве полупроводниковых источников света могут быть использованы (в зависимости от конкретных задач) - светодиоды или лазерные диоды как одного, так и разного цвета.
Устройство работает следующим образом. Для обеспечения энергетики уровня нескольких Вт (т.к. светодиоды имеют высокое КПД) достаточно использовать солнечные батареи 3 площадью несколько десятков квадратных сантиметров, при этом при любой ориентации корпуса 1 устройства, при которой его поверхность будет освещена солнцем, устройство будет излучать свет в направлении оси цилиндра. Для работы на теневой стороне, энергия аккумулируется, например, аккумуляторными батареями блока управления полупроводниковым источником света 4. Характер светового сигнала устройства может быть дополнен кодировкой по цвету, продолжительности и частоте вспышек (обеспечивается кодирующим устройством блока управления), что позволит обеспечить уверенную идентификацию космического объекта искусственного происхождения.
Установка на борту космического аппарата источника направленного на наблюдателя оптического излучения может гарантировать как обнаружение объекта, так и его качественные позиционные измерения. Например, полупроводниковый источник света, установленный на облучателе остронаправленной антенны (ОНА) космического аппарата, будет светить в том же направлении, в которое направлена антенна, и оптический инструмент, расположенный, как правило, рядом с наземным пунктом радиосвязи, получит достаточно сильный световой поток, чтобы его регистрация была уверенной.
Все космические аппараты в каналах радиосвязи имеют ОНА. При характерном размере диаграммы направленности ОНА порядка градуса, для ее работы требуется система ориентации той же точности, поэтому установка на наружной (нерабочей) части облучателя антенны предлагаемого автономного сигнального устройства позволяет использовать узкий световой луч.
Схемотехнические решения для светодиодных сигнальных устройств на космических аппаратах весьма многообразны. Одним из таких примеров может служить схема устройства, показанная на фиг.3, когда устройство формируется из трех цветных светодиодов, например, фиолетового, красного и голубого, центральная его часть дает белый цвет, а края дают свои собственные цвета, что можно использовать для расчета отклонения.
Особое значение предлагаемые сигнальные устройства могут иметь для фиксации местоположения спускаемых аппаратов при исследовании других планет по наблюдениям с орбитальных аппаратов. Точка посадки посадочного аппарата, определенная по баллистическим расчетам, может быть задана с точностью в сотни метров. После спуска посадочный модуль в силу малости своих геометрических размеров не может быть обнаружен бортовыми телекамерами орбитального КА, и его положение не может быть уточнено без привлечения дополнительных средств. Использование в качестве такого дополнительного средства данного устройства, позволяет легко его обнаружить бортовой телекамерой по признаку существенного превышения светового потока над уровнем фоновой засветки. Расположение сигнального устройства будет при этом зафиксировано с точностью, соответствующей пространственному разрешению бортовой телекамеры, хотя собственный размер светящегося элемента предлагаемого автономного сигнального устройства составляет не более 2х2 мм.
Рассмотрим некоторые варианты использования данного устройства.
На аппарате устанавливается несколько автономных сигнальных устройств, направленных в сферу 360º. После установки на борт космического аппарата включается таймер блока управления данного автономного сигнального устройства. Программа работы данного устройства будет зависеть от целевой программы космической экспедиции.
Аварийная ситуация: во время работы КА, по таймеру блока управления каждого сигнального устройства, включается полупроводниковый источник света, который отслеживается наземными пунктами оптического наблюдения. В случае возникновения нештатной ситуации и отклонения КА от заданных координат, благодаря автономному сигнальному устройству, можно, осуществляя наблюдение в течение некоторого времени (от 1 сек до нескольких часов), вычислить орбиту аварийного аппарата. Каждое устройство может иметь свою кодировку (в виде импульсов или разных цветов). Наземные пункты оптического наблюдения будут наблюдать световые импульсы с космического аппарата.
Высокоточное определение посадочных планетных аппаратов: установка на посадочной станции данного автономного сигнального устройства позволит с помощью телекамеры орбитального аппарата определить координаты посадочной станции. Включение устройства будет осуществлено по акселерометру, входящему в состав блока управления автономного сигнального устройства.
Высокоточное определение угловых координат космических аппаратов: включение устройства производится по таймеру, входящему в состав блока управления данного устройства. После включения происходит модуляция работы светодиодов (или лазерных диодов) в двух вариантах:
- импульсная модуляция;
- импульсно-цветовая модуляция (при наличии различных цвето-оптических излучателей).
Программа работы - включение, продолжительность работы составляется согласно целям работы космического аппарата.
Современные наземные оптические средства наблюдения позволяют уверенно наблюдать кодированные сигналы данного устройства с угловой точностью до 0,1 угловой секунды.
Таким образом, предложенное выполнение сигнального устройства, с источником питания в виде солнечных батарей, смонтированных на внешней стороне термостабилизированного и теплоизолированного корпуса, обеспечивающее автономность работы, а фокусирующего узла в виде объектива, состоящего из диафрагмы, фокусирующей излучение на оси устройства, и, по меньшей мере, двух линз, позволяющего получить узкий пучок света большой мощности, дает возможность использовать его в космической области, как для обнаружения аппаратов, так и для проведения высокоточных угломерных и дистанционных измерений.