СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ОТРАЖАЮЩИХ ЗЕРКАЛЬНЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ АНТЕННЫ КОСМИЧЕСКОГО РАДИОТЕЛЕСКОПА
METHOD OF REFLECTING MIRROR SURFACES FORMATION OF SPACE RADIO TELESCOPE ANTENNA

Изобретение относится к антенным системам космических радиотелескопов, а именно к способам формирования их отражающих поверхностей с настройкой к длине принимаемых антенной радиоволн.
Известен способ формирования отражающей поверхности основного зеркала многодиапазонных двухзеркальных антенн (ДЗА), образуемой параболическими щитами, расположенными в N ярусов, при котором для каждого яруса вычисляют оптимальный теоретический параболоид, обеспечивающий максимальное значение апертурного коэффициента использования поверхности (КИП), определяют максимально допустимое отклонение положения щитов каждого яруса и перемещают щиты таким образом, чтобы минимизировать максимальное отклонения профиля результирующей зеркальной поверхности основного зеркала от вычисленного теоретического (Раздоркин Д.Я., Романенко М.В. Алгоритм оптимизации двухзеркальной антенны с рефлектором из параболических щитов. Журнал радиоэлектроники, №4, 2000) [1].
Недостатком такого способа является снижение КИП из-за отсутствия адаптации поверхности к возмущающим параметрам, например к ветровым и весовым деформациям на земле, что может вызывать существенное снижение КИП у антенн с большой площадью поверхностей.
Также известен способ формирования отражающих поверхностей антенн больших радиотелескопов миллиметровых волн, при котором щиты отражающих поверхностей главного зеркала устанавливают на управляющие элементы, измеряют положение щитов, образующих отражающую поверхность главного зеркала антенны, строят в компьютере по измеренным значениям, например методом наименьших квадратов, поверхность аппроксимирующего параболоида, вычисляют отклонения каждого щита от упомянутого аппроксимирующего параболоида и по вычисленным отклонениям с помощью системы автоматического управления перемещают каждый щит в сторону минимизации этих отклонений, затем измеряют положение второго зеркала (контррефлектора), вычисляют отклонение его измеренного положения от его оптимального положения, согласованного с построенной ранее поверхностью аппроксимирующего параболоида, и, с помощью системы автоматического управления перемещают контррефлектор в сторону минимизации указанного отклонения (RU Патент №2319171, Система автоматического наведения радиотелескопа, G01S, от 17.07.2006 г., бюл. №7, 2008 г.) [2].
Недостатком такого способа является отсутствие адаптации зеркальных поверхностей к изменению длины принимаемых антенной радиоволн и большой диапазон перемещений верхних щитов главного зеркала при адаптации к различным возмущениям, например весовым деформациям, что приводит к снижению КИП.
Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является способ формирования отражающих поверхностей антенны, в котором для повышения КИП при значительном разбросе рабочих диапазонов частот и больших весовых и ветровых деформаций элементов конструкции антенн щиты отражающих поверхностей главного зеркала устанавливают на управляющие элементы, измеряют положение щитов, образующих отражающую поверхность главного зеркала антенны, строят в компьютере по измеренным значениям положения щитов, например методом наименьших квадратов, поверхность аппроксимирующего параболоида, вычисляют отклонения каждого щита от упомянутого аппроксимирующего параболоида и по вычисленным отклонениям с помощью системы автоматического управления минимизации этих отклонений. Щиты отражающих поверхностей второго зеркала (контррефлектора) также устанавливают на управляющие элементы, по измеренным значениям положений щитов главного зеркала для каждого щита строят в компьютере свой аппроксимирующий параболоид таким образом, чтобы фокусное расстояние и положение основания каждого параболоида минимально отличалось от соседнего и при этом разности между их фокусными расстояниями были кратны длине волны принимаемого антенной радиоизлучения, и вычисляют отклонения каждого щита от соответствующего своего аппроксимирующего параболоида, после окончания перемещений щитов главного зеркала измеряют положения каждого щита контррефлектора, строят в компьютере модель хода лучей, отраженных от щитов главного зеркала в сторону контррефлектора, и хода отраженных лучей от поверхностей щитов контррефлектора и вычисляют рассогласования крайних лучей, отраженных от щитов главного зеркала, с положениями соответствующих краев отражающих поверхностей щитов контррефлектора и с помощью системы автоматического управления перемещают каждый щит контррефлектора в сторону уменьшения указанных рассогласований таким образом, чтобы положения их фокусов минимально расходились между собой и с положением вторичного фокуса зеркальной системы и (или) с положением приемника излучения при условии, что длины лучей, представляющих собой оптические пути от первичного фокуса до отражающих поверхностей щитов контррефлектора и расхождения между ними, а так же длины лучей, представляющих собой оптические пути от отражающих поверхностей щитов контррефлектра до вторичного фокуса и расхождения между ними были кратны длине волны принимаемого излучения. (RU Патент №2518398, Способ адаптации отражающих поверхностей антенны, G01S, от 20.11.2012 г, бюл. №16, 10.06.2014 г.) [3].
Недостатком такого способа является сильное влияние астрономического климата места установки антенны на КИП антенны в момент астрономических наблюдений.
Задачей изобретения является повышение КИП за счет настройки отражающих поверхностей антенны на длину волны принимаемого излучения и устранения влияния астрономического климата Земли, преимущественно в миллиметровом диапазоне длин волн за счет установки отражающих поверхностей антенны на спутники Земли
Технический результат от повышения КИП антенны состоит в достижении высоких значений апертурного КИП за счет настройки поверхностей антенны на рабочий диапазон частот, отсутствия весовых и ветровых деформаций элементов конструкции антенн и устранения влияния астрономического климата Земли путем установки отражающих поверхностей антенны на спутники Земли.
Указанная задача решается за счет того, что в предлагаемом способе, как и в способе принятом за прототип, щиты отражающих поверхностей главного зеркала и контррефлектора устанавливают на управляемые элементы, измеряют положения щитов, образующих отражающую поверхность главного зеркала антенны, строят в компьютере по измеренным значениям положения щитов главного зеркала для каждого щита, например методом наименьших квадратов своих аппроксимирующих параболоидов, таким образом, чтобы фокусное расстояние и положение основания каждого параболоида минимально отличалось от соседнего и при этом разности между их фокусными расстояниями были кратны длине волны принимаемого антенной радиоизлучения, вычисляют отклонения каждого щита главного зеркала от соответствующего своего аппроксимирующего параболоида, и по вычисленным отклонениям с помощью системы автоматического управления перемещают каждый щит в сторону минимизации этих отклонений, а после окончания перемещений щитов главного зеркала измеряют положения каждого щита контррефлектора, строят в компьютере модели хода лучей, отраженных от щитов главного зеркала в сторону контррефлектора и хода отраженных лучей от поверхностей щитов контррефлектора, вычисляют рассогласования крайних лучей, отраженных от щитов главного зеркала, с положениями соответствующих краев отражающих поверхностей щитов контррефлектора и, с помощью системы автоматического управления, перемещают каждый щит контррефлектора в сторону уменьшения указанных рассогласований таким образом, чтобы положения их фокусов минимально расходились между собой, с положением вторичного фокуса зеркальной системы и с положением приемника излучения при условии, что длины лучей, представляющих собой оптические пути от первичного фокуса до отражающих поверхностей щитов контррефлектора и расхождения между ними, а также длины лучей, представляющих собой оптические пути от отражающих поверхностей щитов контррефлектра до вторичного фокуса и расхождения между ними были кратны длине волны принимаемого излучения,
В отличие от известного в предлагаемом способе приемник излучения устанавливают на управляемом элементе, управляемые элементы щитов отражающих поверхностей главного зеркала и контррефлектора, а также приемника излучения выполняют например в виде гексаподов, устанавливаемых на спутниках земли, выводимых на орбиту, например геостационарную, таким образом, чтобы поверхность, проведенная через щиты главного зеркала, была близкой к параболической и чтобы лучи, идущие от плоскости фронта принимаемого антенной радиоизлучения и падающие на поверхности щитов главного зеркала собирались в первичном фокусе антенны и затем падали на щиты контррефлектора, причем спутники, на которых закреплены управляемые элементы щитов контррефлектора, помещают на орбиту, например геостационарную, так чтобы поверхность, проведенная через щиты контррефлектора, была близкой к эллипсоиду и чтобы все отраженные от щитов контррефлектора лучи собирались во вторичном фокусе и попадали на чувствительную поверхность радиоприемника, причем спутник, на котором закреплен управляемый элемент приемника, помещают на орбиту, например геостационарную так, чтобы центр приемника излучения как можно точнее совпадал со вторичным фокусом антенны, а после окончания перемещения щитов контррефлектора приемник излучения перемещают с помощью системы автоматического управления до совпадения его центра с положением вторичного фокуса антенны.
Сущность предлагаемого способа поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображена схема вывода на орбиту спутников, несущих элементы конструкций щитов основного зеркала, контррефлектора и приемника излучения, на фиг. 2 - схема расположения группировок спутников в пространстве при совмещении со схемой зеркальной системы антенны, на фиг. 3 - блок - схема системы управления формированием антенны из группировки спутников, на фиг. 4 - блок - схема системы фокусировки антенны, на фиг. 5 - схема хода лучей принимаемого излучения при фокусировке, на фиг. 6 - блок - схема системы автоматического управления положением подвижной платформы управляющего элемента, на фиг. 7 - общий вид управляющего элемента (гексапода).
На схеме запуска спутников на орбиту (фиг. 1) показаны фаза 1, 2 старта ракетоносителя спутника, фаза 2, 3 выхода на околоземную орбиту, фаза 4, 5, 6 выхода на геостационарную орбиту и фаза 6, 7, 8 схода, либо удержания на орбите.
1
2
Схема формирования зеркальной системы антенны (фиг. 2) содержит спутники 9, несущие отражающие поверхности 10 главного зеркала с управляющими элементами 11, спутники 12, несущие отражающие поверхности 13 контррефлектора с управляющими элементами 14, спутник 15, несущий приемник излучения 16 с управляющим элементами 17, а также лучи 18 принимаемого излучения, падающие на отражающие поверхности 10 главного зеркала, лучи 19 принимаемого излучения, отраженные от отражающих поверхностей 10 главного зеркала, лучи 20 принимаемого излучения, отраженные от отражающих поверхностей 13 контррефлектора, фокус 21 параболоида (первичный фокус антенны F), фокус 22 эллипсоида (вторичный фокус антенны F).
Блок-схема системы управления группой спутников, образующих антенну (фиг. 3), содержит расположенную на Земле центральную управляющую вычислительную машину 23, выход которой связан с системой 24 вывода спутников на орбиту, системой 25 стабилизации спутников на орбите, системой 26 ориентации спутников и системой 27 фокусировки антенны.
Блок-схема системы фокусировки антенны (фиг. 4) содержит расположенную на спутнике 15 управляющую ЭВМ наведения 28, выход которой связан с системой автоматического управления (САУ) 29 координатами подвижной платформы управляющего элемента 11 щитов отражающих поверхностей 10 главного зеркала, системой автоматического управления (САУ) 30 координатами подвижной платформы управляющих элементов 14 щитов отражающих поверхностей 13 контррефлектора и системой автоматического управления (САУ) 31 координатами подвижной платформы управляющего элемента 17 приемника излучения 16.
На схеме хода лучей при фокусировке (фиг. 5) показаны щит 10 главного зеркала, лучи 32 и 33, отраженные от щита главного зеркала, щит 13 контррефлектора, согласованный с положением щита 10 главного зеркала, лучи 34 и 35, отраженные от щита 13, шит 36 контррефлектора, несогласованный с положением щита 10, лучи 37 и 38, отраженные от щита 36, приемник излучения 16. Кроме того, фиг. 5 содержит следующие буквенные обозначения: буквами А и В обозначены края щита 10 главного зеркала, С и Д - края щита 13, Е и К - края щита 36, F1 - первичный фокус, F2 - вторичный фокус, F3 - фокус лучей, отраженных от щита 36.
Блок-схема системы автоматического управления линейными и угловыми координатами подвижной платформы управляющего элемента (фиг. 6) содержит управляющую ЭВМ 39, содержащую вычислитель 40 задающих воздействий, получающий на входе задания от управляющей ЭВМ наведения 28, и вычислитель 41 ошибок управления, один вход которого связан с выходом вычислителя 40, другой - с выходом системы измерения 42 координат подвижной платформы 43, а выход - со входом группового регулятора 44 управляющего элемента 11 или 14 или 17. Выход группового регулятора 44 связан со входами шести контроллеров 45, вторые входы которых связаны с выходами датчиков 46 перемещения ног-актуаторов 47, одни выходы которых связаны со входами датчиков 46 перемещения ног-актуаторов 47, а другие - через шарниры 48 с подвижной платформой 43, связанной со входом системы измерения 42 координат платформы. В зависимости от назначения управляющего элемента 11 или 14 или 17 к нему крепятся либо отражающая поверхность 10 главного зеркала, либо отражающая поверхность 13 контррефлектора, либо приемник излучения 16.
На фиг. 7 общего вида управляющего элемента введены обозначения: неподвижная платформа 48, которая закрепляется на спутнике, подвижная платформа 43, к которой крепятся отражающие поверхности 10, либо 13, либо приемник излучения 16, ноги-актуаторы 47.
Описание способа
1
2
2
В соответствии со схемой запуска спутников на орбиту (фиг. 1) и в соответствии со схемой формирования зеркальной системы антенны (фиг. 2) по командам из центральной управляющей вычислительной машины 23 (фиг. 3) сначала с помощью системы 24 производит вывод спутников на орбиту таким образом, что группа спутников 9, несущих отражающие поверхности 10 главного зеркала с управляющими элементами 11, образовали на орбите фигуру, близкую к параболоиду, а группа спутников 12, несущих отражающие поверхности 13 контррефлектора с управляющими элементами 14 - образовали фигуру типа эллипсоид (см. фиг. 2). При этом, оптические оси этих фигур находятся на одной линии и их фокусы совпадают в первичном фокусе F антенны, а спутник 15, несущий приемник излучения 16 с управляющим элементами 17, помещают вблизи вторичного фокуса антенны и эллипсоида F. В этом случае лучи 18 принимаемого излучения (фиг. 2), падая на отражающие поверхности 10 главного зеркала и отражаясь в виде лучей 19, падают на отражающие поверхности 13 контррефлектора и, отражаясь в виде лучей 20 попадают в фокус 22 эллипсоида (вторичный фокус антенны F).
Затем, по командам из центральной управляющей вычислительной машины 23 (фиг. 3) с помощью системы 25 производят стабилизацию спутников на орбите и развертывание отражающих поверхностей 10 и 13, а также приемника излучения 16 таким образом, чтобы они образовали зеркальную систему антенны (фиг. 2).
1
2
2
1
1
2
Затем, по командам из центральной управляющей вычислительной машины 23 (фиг. 3) с помощью системы 26 и двигателей спутников 9 (на фиг. 3 двигатели не показаны) ориентируют отражающие поверхности 10 главного зеркала так, чтобы отраженные от них лучи 19 собирались в первичном фокусе F антенны. Далее с помощью системы 26 и двигателей спутников 12 (на фиг. 3 двигатели не показаны) ориентируют отражающие поверхности 13 контррефлектора так, чтобы отраженные от них лучи 20 собирались во вторичном фокусе F антенны. При этом щиты, отражающие поверхности 13 контррефлектора, ориентируют таким образом, чтобы все отраженные от них лучи собирались во вторичном фокусе F с равными фазами. В этом случае КИП антенны будет максимальным. В частности, как показано на фиг. 5, луч 32 от края А щита поверхности 10 главного зеркала проходя через первичный фокус F антенны, попадает в край Д щита поверхности 13 контррефлектора, согласованный с положением щита поверхности 10 главного зеркала, а луч 33 от края В щита поверхности 10 главного зеркала, проходя через первичный фокус F антенны, попадает в край С щита поверхности 13 контррефлектора. При этом, отраженные от щита 30 поверхности 13 лучи 34 и 35 собираются во вторичном фокусе Fантенны с равными фазами.
2
3
2
После этого, с помощью системы 26 и двигателей спутника 15 (на фиг. 3 двигатели не показаны) ориентируют чувствительную поверхность приемника 16 так, чтобы фокус F антенны попадал на чувствительную поверхность приемника 16. Однако в процессе ориентации зеркальных поверхностей антенны с помощью двигателей спутников не удается достичь полного согласования положения щитов поверхности 10 главного зеркала с положениями щитов поверхности 13 контррефлектора (см. фиг. 5). В частности, лучи 32 и 33 от края А и В щита поверхности 10 не попадают на края Д и С соответственно щита поверхности 13 контррефлектора, положение которого оказывается несогласованным с положением щита поверхности 10 главного зеркала. Следовательно, не все лучи от щитов главного зеркала попадают на щиты контррефлектора и, кроме того, как показано на фиг. 5, отраженные от краев Е и K щита поверхности 24 лучи 37 и 38 собираются в фокусе F, положение которого не совпадает с положением вторичного фокуса F антенны. В результате лучи могут либо вообще не попасть на чувствительную поверхность радиоприемника, либо достичь ее в несогласованной фазе с лучами от других щитов поверхности контррефлектора. Таким образом, при ориентации антенны происходит уменьшение ее КИП. Причем настройка антенны с помощью только двигателей спутников не устраняет рассогласование фаз и при изменении длины волны принимаемого излучения, так как условие согласованности фаз зависит от длины волны λ:
i
j
где L, L - длина пути излучения от соседних щитов поверхности 10 главного зеркала до чувствительной поверхности приемника 16 излучения, n - целое число, λ - длина волны принимаемого излучения.
Поэтому после окончания ориентации по командам из центральной управляющей вычислительной машины 23 (фиг. 3) для повышения КИП антенны с помощью системы 27 производят ее фокусировку.
При этом вначале, по командам из управляющей ЭВМ наведения 28 запускается система автоматического управления (САУ) 29 координатами подвижной платформы управляющих элементов 11 щитов отражающих поверхностей 10 главного зеркала (фиг. 4)
Управляющая ЭВМ 39 САУ 29 (фиг. 6) через вычислитель 40 задающих воздействий, подает в систему измерения 42 координат подвижной платформы 43 сигнал на начало измерений. Система 42 измеряет положения платформ 43 и связанных с ними щитов 10 главного зеркала и передает измеренную информацию в вычислитель 41 ошибок управления, на другой вход которого одновременно из вычислителя 40 поступают требуемые значения координат платформ 43. Вычислитель 41 для каждого щита 10 главного зеркала строит по измеренным значениям, например методом наименьших квадратов, поверхности аппроксимирующих параболоидов таким образом, чтобы фокусное расстояние и положение основания каждого параболоида минимально отличалось от соседнего и, при этом, разности между их фокусными расстояниями были кратны длине волны принимаемого антенной радиоизлучения. Затем вычислитель 41 вычисляет отклонения каждого шита от соответствующего ему аппроксимирующего параболоида и передает в групповой регулятор 44 соответствующие сигналы коррекции платформ 43. Групповой регулятор 44 по полученным корректирующим сигналам вырабатывает задания на перемещения ног-актуаторов 47 для каждого из контроллеров 45, которые, получив задание на перемещение, вычитают из них перемещения, полученные от датчиков 46 обратной связи положения ног-актуаторов 47, по полученным разностям сигналов вырабатывают в соответствии с установленным законом управления, например пропорционально интегрально - дифференциальным (ПИД), управляющие воздействия и передают их в электросиловые приводы ног-актуаторов 47, которые будут перемещать их и соответственно платформы 43 со связанными с ними подвижными щитами 10 до тех пор, пока сигналы от датчиков 46 обратной связи не сравняются с сигналами задания от группового регулятора 44. При достижении равенства контроллеры 45 передают соответствующие сообщения в групповой регулятор 44, который после поступления сообщений от всех контроллеров 45 передаст в управляющую ЭВМ наведения 28 сообщение на начало работы системы автоматического управления (САУ) 30 координатами подвижных платформ управляющих элементов 14 щитов отражающих поверхностей 13 контррефлектора (фиг. 4).
Системы автоматического управления (САУ) 30 координатами подвижных платформ управляющих элементов 14 щитов отражающих поверхностей 13 контррефлектора работают также, как САУ 29, только в данном случае система 42 измеряет положения платформ 43 и связанных с ними щитов 13 контррефлектора.
После окончания установки щитов 13 конррефлектора, т.е. после поступления сообщений от всех контроллеров 45 САУ 30 передаст в управляющую ЭВМ наведения 28 сообщение на начало работы системы автоматического управления (САУ) 31 координатами подвижной платформы управляющего элемента 17 приемника излучения 16. При этом управляющая ЭВМ 39 САУ 31 (фиг. 6) через вычислитель 40 задающих воздействий, подает в систему измерения 42 координат подвижной платформы 43 сигнал на начало измерений. Система 42 измеряет положения платформ 43 и связанного с ней приемника излучения 16 и передает измеренную информацию в вычислитель 41 ошибок управления, на другой вход которого одновременно из вычислителя 40 поступают требуемые значения координат платформ 43. Вычислитель 41 определяет требуемое положение центра чувствительной поверхности приемника 16 и направление, перпендикулярное фокальной плоскости антенны. Затем вычислитель 41 вычисляет отклонения измеренных координат платформы 43 от требуемых по условию согласования координат центра чувствительной поверхности приемника и его направления на фокальную плоскость. Вычисленные отклонения вычислитель 41 передает в групповой регулятор 44 в виде сигналов коррекции платформ 43. Затем групповой регулятор 44 по полученным корректирующим сигналам вырабатывает задания на перемещения ног-актуаторов 47 для каждого из контроллеров 45, которые, получив задание на перемещение, вычитают из них перемещения, полученные от датчиков 46 обратной связи положения ног-актуаторов 47, по полученным разностям сигналов вырабатывают в соответствии с установленным законом управления, например пропорционально интегрально-дифференциальным (ПИД), управляющие воздействия и передают их в электросиловые приводы ног-актуаторов 47, которые будут перемещать их и соответственно платформу 43 со связанным с ней приемником 16 до тех пор, пока сигналы от датчиков 46 обратной связи не сравняются с сигналами задания от группового регулятора 44. При достижении равенства контроллеры 45 передают соответствующие сообщения в групповой регулятор 44, который после поступления сообщений от всех контроллеров 45 передаст в управляющую ЭВМ наведения 28 сообщение об окончании фокусировки антенны и ее готовности к астрономическим наблюдениям.
При изменении частоты или длины волны принимаемого антенной радиоизлучения достигнутое ранее при фокусировке соотношение длин оптических путей 1 перестает выполняться. Поэтому управляющая ЭВМ наведения 28 передает в САУ 29, 30, 31 новое значение длины волны, они производят новые вычисления и вырабатывают сигналы коррекции положения щитов 10, 13 и приемника 16, поступающие в регуляторы для отработки.
Таким образом, предложенный способ реализуется рассмотренной системой формирования антенны, обеспечивая повышение КИП космического радиотелескопа при значительном разбросе рабочих диапазонов частот принимаемого излучения и при отсутствии влияния астрономического климата Земли.
Использованная литература
1. Раздоркин Д.Я., Романенко М.В. Алгоритм оптимизации двухзеркальной антенны с рефлектором из параболических щитов. Журнал радиоэлектроники, No 4, 2000.
2. RU Патент No2319171. Система автоматического наведения радиотелескопа, G01S, от 17.07.2006 г., бюл. No7, 2008 г.
3. RU Патент №2518398. Способ адаптации отражающих поверхностей антенны, G01S, от 20.11.2012 г., бюл. №16, 2014 г.