СКАНИРУЮЩИЙ ЛАЗЕРНЫЙ МАЯК КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ
SCANNING LASER BEACON FOR SPACECRAFT

Изобретение относится к области оптических средств измерения параметров относительного сближения космических аппаратов (КА), а именно к сканирующим лазерным маякам.
Лазерные маяки не только обладают лучшей видимостью при наличии фона по сравнению с обычными световыми маяками, но и позволяют автоматизировать процесс управления движением при одновременном повышении точности ориентации и наведения без участия оператора.
Известны различные конструкции сканирующих лазерных маяков.
Для навигации транспортных средств при отсутствии ограничений в отношении угла входа в зону ориентации и наведения могут быть использованы лазерные маяки с круговой или веерной диаграммой сканирования лазерного луча [1; 2; 3; 4; 5; 6; 7].
Известна конструкция сканирующего лазерного маяка для задания курса и глиссады снижения летательных аппаратов, а также обеспечения пилоту визуального контакта с взлетно-посадочной полосой при посадке ночью и в условиях пониженной видимости [8; 9; 10; 11].
В качестве источников излучения в каждом маяке используются по два лазера. В глиссадных маяках применяются лазеры, генерирующие разное, контрастное для глаз оператора излучение. Центральный маяк снабжен только одинаковыми лазерами. Для обеспечения управления лучами лазеров в пространстве ориентирования имеются дефлекторы вертикального и горизонтального сканирования. Для регулировки мощности излучения лазеров маяк снабжен устройствами ослабления с набором нейтральных ослабителей.
Лазерные лучи всех трех маяков сканируют в вертикальной плоскости по синусоидальному закону с частотой 0,5 кГц в следующих углах: для центрального маяка 4,5°, для боковых маяков 2,5°. Одновременно осуществляется низкочастотное сканирование в горизонтальной плоскости. В глиссадных маяках лучи сканируют на угол, равный 15°. Угол сканирования центрального маяка в горизонтальной плоскости равен 7°. Обратный ход лазерных лучей гасится.
За прототип принята конструкция сканирующего лазерного маяка [7], основанная на циклическом создании последовательно во времени шестисекторного поля наведения в азимутальной плоскости. Сканирующий лазерный маяк включает в себя лазер, зеркало, двигатель, катушку, электромагнит, генератор, муфту, вращающийся диск и возвратную пружину.
Катушка, установленная в магнитном поле электромагнита, под воздействием напряжения, поступающего с генератора, совершает колебательное движение по пилообразной или синусоидальной траектории. Луч лазера осуществляет при этом сканирование пространства в вертикальной плоскости. Угловым размером сканирования можно управлять, увеличивая или уменьшая амплитуду напряжения генератора. Вращающееся зеркало закреплено на муфте, подключенной к генератору, вырабатывающему последовательность широтно-модулированных импульсов (ШИМ-последовательность). При вращении диска двигателем в моменты времени поступления импульсов генератора на электромагнит муфты диск периодически притягивается, преодолевая возвратное усилие пружины. В результате этого в течение длительности импульса муфта поворачивает зеркало, а вместе с тем отклоняет и лазерный пучок на угол, пропорциональный времени сцепления электромагнитной муфты с вращающимся диском. По окончании импульса зеркало вместе с муфтой под воздействием пружины возвращается в исходное состояние. Этот цикл сканирования с переменным углом поворота лазерного луча периодически повторяется.
Принцип формирования шестисекторной круговой зоны ориентирования следующий. В момент подачи с генератора импульса наибольшей длительности лазерный луч из исходного нулевого положения совершает полный оборот в азимутальной (горизонтальной) плоскости. При уменьшении длительности импульсов в последовательности, формируемой генератором, сектор азимутального сканирования последовательно от цикла к циклу сужается до минимально выбранного значения. Полный цикл формирования шестисекторной зоны равен периоду следования пачек ШИМ-последовательностей. Наименьшая длительность импульса определяется минимальным размером сектора.
Описанное устройство осуществляет обратную последовательность сканирования, а также сканирование в вертикальной плоскости.
Недостатком аналогов и прототипа является малая величина телесного угла в пространстве, в котором возможно обнаружение маяка, а также недостаточная надежность ввиду сложности конструкций.
Задачей изобретения является повышение вероятности обнаружения пассивного КА и снижение требований по его предварительной ориентации относительно активного КА при их сближении за счет увеличения телесного угла, в котором возможно обнаружение лазерного маяка. Одновременно, изобретение обладает большей надежностью в силу простоты конструкции.
Задача решается с использованием сканирующего лазерного маяка космических аппаратов, содержащего корпус, источник лазерного излучения, установленный в сканирующем блоке, основание и ось, причем в него введена оптическая анаморфотная система, установленная в сканирующем блоке на одной оптической оси с источником лазерного излучения; при этом ось, вокруг которой вращается сканирующий блок, расположена под углом 120° к упомянутой оптической оси, а оптическая анаморфотная система представляет собой в сечении, перпендикулярном направлению сканирования, широкоугольный объектив, причем вращающийся привод, находящийся в механической связи со сканирующим блоком, выполнен вращающимся в плоскости сканирования.
На Фиг.1 изображена конструкция предложенного изобретения, где:
1 - корпус;
2 - источник лазерного излучения;
3 - сканирующий блок;
4 - оптическая анаморфотная система;
5 - основание;
6 - ось;
7 - вращающийся привод.
Лазерный сканирующий маяк состоит из корпуса 1, источника лазерного излучения 2 и оптической анаморфотной системы 4, помещенных в сканирующий блок 3, закрепленный на основании 5, соединенном через ось 6 с вращающимся приводом 7.
Источник лазерного излучения 2 служит для получения оптического излучения с необходимыми параметрами, оптическая анаморфотная система 4 формирует требуемую диаграмму направленности, основание 5 обеспечивает механическую связь между сканирующим блоком 3 через ось 6 с вращающимся приводом 7, что позволяет осуществлять сканирование вращением лазерного пучка вокруг оси.
Для перекрытия диаграммой излучения поля сканирования, равного половине телесного угла, необходимо чтобы оптическая ось составляла с осью вращения угол, равный 120°.
Вращающийся привод 6 обеспечивает сканирование лазерным пучком в плоскости, перпендикулярной оси вращения.
Оптическая анаморфотная система 4 обеспечивает расходимость излучения в плоскости, перпендикулярной направлению сканирования, 90°, а в плоскости, совпадающей с направлением сканирования, расходимость до 1° (см. Фиг.2).
Особенностью анаморфотной системы является то, что в меридиональной и сагиттальной плоскости ее фокусные расстояния имеют различные значения. Принципиально в анаморфотной системе могут быть применены преломляющие поверхности самых разнообразных форм, чаще всего используются цилиндрические линзы.
В плоскости, перпендикулярной направлению сканирования, оптическая система представляет собой широкоугольный объектив с полем зрения 90°, например, типа «Нептун-2» и «Спутник-4».
В конструкции может быть использован один или несколько твердотельных лазеров с диодной накачкой, волоконных лазеров, полупроводниковых лазеров. В качестве привода возможно использование электродвигателя.
Достигаемый технический результат - повышение вероятности обнаружения пассивного КА и снижение требований по его предварительной ориентации относительно активного КА при их сближении за счет увеличения телесного угла, в котором возможно обнаружение лазерного маяка.
Возможно обеспечить обнаружение пассивного КА в полном телесном угле, т.е. при подходе активного КА с любого направления. Это достигается путем установки на пассивный КА с противоположных сторон двух сканирующих лазерных маяков (см. Фиг.3), каждый из которых полностью покрывает телесный угол 2π.
Также возможно вычисление дистанции между активным и пассивным КА посредством измерения мощности сигнала маяка пассивного КА.
При конструировании лазерных маяков возникает следующая трудность. С увеличением телесного угла, в котором излучает маяк, снижается расходимость его излучения, и соответственно с увеличением расстояния между пассивным и активным КА падает плотность мощности на приемнике излучения, что снижает вероятность обнаружения пассивного КА.
Таким образом, дальность действия лазерного маяка и величина угла, в котором осуществляется его обнаружение, представляют собой некое среднее значение, минимально удовлетворяющее условиям задачи.
Обнаружение объекта осуществляется на дальнем участке сближения. Для используемых в настоящее время для измерений бортовых радиотехнических систем дальность обнаружения составляет свыше 100 км.
Для обоснования возможности практической реализации проведем расчет максимальной дальности обнаружения излучения маяка. Исходные данные: маяк излучает в непрерывном режиме, сканирование осуществляется диаграммой 1°×90° (0,055 ср), мощность излучения составляет 1 Вт.
Максимальная дальность обнаружения лазерного маяка на фоне космоса оценивается по формуле
м
n
n
м
где Р - мощность излучения лазерного маяка; S - площадь апертуры приемной оптики; τ - коэффициент пропускания оптического тракта; P - минимальная принимаемая мощность отраженного сигнала; Ω - телесный угол диаграммы излучения маяка.
n
п
-3
2
-12
Для оценки дальности обнаружения сделаны следующие допущения: площадь приемной апертуры S=2,83·10 м (диаметр 6 см); пороговая мощность принимаемого сигнала составляет Р=10 Вт; пропускание оптики равно τ=0,5.
Максимальная дальность обнаружения на фоне космического пространства составит:
max
L=160397 м.
Для сравнения можно взять характеристики известных конструкций лазерных маяков.
Один из первых бортовых оптико-электронных комплексов для измерения параметров сближения КА был создан в 1967 г. в Центре космических полетов им. Маршалла (США) [12, 13, 14]. Состав аппаратуры предусматривал установку на пассивном КА лазерного маяка для более надежной и быстрой взаимной ориентации взаимодействующих КА. Маяк имел коническую диаграмму направленности излучения, равную 10°. Средняя мощность излучения составляла 200 мВт. Ввиду того, что поле зрения приемной оптической системы на активном КА было также равно 10°, то перед началом сближения взаимодействующие КА должны были быть ориентированы в направлении друг друга с точностью не меньшей ±10°. Максимальная дальность обнаружения пассивного КА составляла 120000 м в пределах конуса 0,024 ср (10°×10°).
В настоящее время на борту Международной космической станции (МКС) установлена подсистема лазерных реперных устройств (РУ). РУ задают координатную систему стыковочного узла посредством их размещения на корпусе МКС в определенных реперных точках, посредством формирования трех излучающих апертур с конической диаграммой направленности, равной 30° (по уровню излучения 0,5). Подсистема обеспечивает определение всех параметров взаимного положения и относительного движения пассивного КА на дистанции до 200 м. На дистанции менее 10 м предельный угол, под которым может наблюдаться светоизлучающая апертура РУ, составляет 49°. Максимальная дальность обнаружения пассивного КА составляет 7500 м в пределах конуса 0,214 ср (30°×30°).
Литература
1. Заявка 3313161 (ФРГ). МКИ Н04К 3/00.
2. Пат. 59-16222 (Япония). МКИ G01S 1/70.
3. Пат. 446751 (Австралия). МКИ H01S 1/00.
4. Пат. 1346852 (Великобритания). МКИ F21Q 3/02.
5. Пат. 371283 (Швеция). МКИ F21Q 3/02.
6. Пат. 132 211 (Норвегия). МКИ G08G 3/00.
7. Пат. 2530034 (Франция). МКИ G01S 1/70.
8. Пат. DE 3222473 (ФРГ). Световые лазерные маяки.
9. А.с. 714927 (СССР). Сканирующий световой маяк / Ф.А.Ахмадулин, Г.А.Калошин, В.Я.Фадеев.
10. А.с. 714928 (СССР). Устройство для световой сигнализации при ориентировании движущихся объектов.
11. А.с. 736772 (СССР). Оптико-механическое сканирующее устройство / Г.А.Калошин, А.Ф.Кутелев, В.Я.Фадеев.
12. Navigation, 1966, vol.3, No.3.
13. Aviation Week, 1964, vol.80, No.20.
14. Lehr C.G. Laser Tracking Systems. - in: Laser Applications, Academic Press., 1974, vol.2, p.13.