УДК 629.78:621.382.2
ПРИМЕНЕНИЕ ЛАЗЕРНЫХ ДИОДНЫХ МАЯКОВ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КООРДИНАТ КОСМИЧЕСКИХ И НАЗЕМНЫХ ОБЪЕКТОВ
© 2013 г. А. В. Багров1, 2, А. А. Барабанов1, Л. В. Вернигора1, П. А. Вятлев1, М. Б. Мартынов1, К. М. Пичхадзе1, В. К. Сысоев1
1НПО им. С.А. Лавочкина, г. Химки 2Институт астрономии РАН, г. Москва Поступила в редакцию 28.11.2011 г.
В статье рассматриваются принципы построения схем измерения с помощью оптических автономных лазерных диодных маяков космических и наземных объектов. Описывается конструкция, функциональная схема и циклограмма работы таких маяков. Анализируются возможные сценарии работы таких маяков для обеспечения высокоточной локализации космических и наземных аппаратов.
Б01: 10.7868/8002342061304002Х
Появление новых высокоэффективных (КПД до 70%) полупроводниковых источников света, таких как светодиоды, лазерные диоды и микролазеры с их большими сроками службы (более 50000 тысяч часов), с высокими удельными мощ-ностными характеристиками (Вт/кг), с спектральными характеристиками в широком диапазоне (от 0.245 до 5 мкм) и с разнообразными схемами управления, позволяет использовать такие полупроводниковые источники света для создания навигационных систем для автоматических космических аппаратов, и высокоточного определения координат наземных объектов [1, 2].
СХЕМА ИСПОЛЬЗОВАНИЯ АВТОНОМНЫХ ЛАЗЕРНЫХ ДИОДНЫХ МАЯКОВ ДЛЯ АВТОМАТИЧЕСКИХ КА
Анализ возможности применения полупроводниковых источников света показывает следующие области их использования:
1) Установка автономных оптических маяков на борту космических аппаратов для высокоточной локализации этих аппаратов средствами наземного оптического контроля.
2) Светодиодные маяки для высокоточной локализации посадочных планетных станций Луна-Ресурс/Луна-Глоб средствами космических аппаратов и наземных телескопов.
3) Наземные автономные оптические маяки для высокоточной локализации объектов средствами космических аппаратов.
Для выполнения первой задачи данные устройства должны быть выполнены в виде отдельного модуля, содержащего собственную си-
стему энергопитания, терморегулирования и управления, что позволяет при установке их на борту КА позиционировать КА на орбите с использованием наземных оптических средств контроля как работающих, так и утративших работоспособность КА. Система оптического контроля при установке интерференционных фильтров на наземные телескопы позволяет вести наблюдения маяков даже в дневное время (при высокой яркости фоновой подсветки), а на основании кодировки световых импульсов оптического маяка: определять угловые координаты КА; определять состояние КА (идентифицировать аварийные варианты); контролировать фрагменты космических систем, с установленными на них маяками, как космический мусор.
Во вторую очередь мы рассматриваем лазерные диодные маяки, установленные на посадочных планетных станциях, таких как Луна-Ре-сурс/Луна-Глоб (а в будущем — на спускаемых на поверхность Марса). Установка таких маяков позволит локализовать местоположение посадочных станций с высокой точностью с помощью оптических телевизионных средств КА и наземных станций наблюдения, а при подключении к радиоизотопному источнику энергии использовать их как маяки для последующих лунных экспедиций. Определенный интерес могут представлять размещенные в области планируемых посадок оптические маяки, которые можно будет использовать как элементы управления посадкой в выбранной точке поверхности, даже в условиях пересеченной местности. Научное значение оптических маяков будет заключаться в фиксации на
419
5*
них системы планетоцентрических координат, жестко определенной на теле планеты.
В качестве третьей задачи представляет интерес использование наземных автономных светодиодных маяков в системе измерения геодезических координат прецизионной точности, в частности, для изучения земных тектонических движений. При использовании космического оптического интерферометра "ОЗИРИС' [3] может быть достигнута миллиметровая точность определения местоположения маяков.
Циклограмма работы таких оптических маяков будет зависеть от типа КА. Конечно, предложенные маяки являются дополнительным средством к имеющимся средствам измерения, но применение их позволит в отдельных случаях увеличить точность измерения и повысить надежность определения координат спутников. На рис. 1 показана схема уровней применения лазерных маяков в зависимости от типа КА, что определяется как орбитой работы КА, так и типом этого аппарата.
Рассмотрим работу световых маяков для некоторого класса спутников в зависимости от параметров орбиты как пример проведения анализа для определения необходимых технических параметров оптических лазерных маяков.
Рассмотрим детально два варианта световых лазерных маяков в двух случаях — для размещения на солнечно-синхронных спутниках и на лунных посадочных станциях.
АВТОНОМНЫЙ СВЕТОВОЙ МАЯК ДЛЯ КА НА СОЛНЕЧНО-СИНХРОННЫХ ОРБИТАХ
Космические аппараты на солнечно-синхронных орбитах (ССО) практически невозможно контролировать оптическими средствами слежения за окружающим космическим пространством (ОКП). Во время нахождения над ночной стороной Земли они не освещены Солнцем и не видны. Во время нахождения над дневной стороной Земли, рассеиваемый их поверхностью солнечный свет полностью маскируется ярким фоном дневного неба. В принципе, автоматические КА на ССО могут уверенно наблюдаться оптическими средствами контроля только в то короткое время перехода КА через терминатор, когда КА еще освещен солнцем, а на наземном пункте наблюдений уже наступает ночь. Поэтому использование высокоточных оптических наблюдений для контроля положений КА на ССО практически исключено, и это снижает результативность контроля их движения наземными оптическими средствами и возможности своевременного про-
гноза столкновений КА с другими контролируемыми объектами в ОКП.
Вопрос о гарантируемой возможности наблюдений таких объектов может быть решен при установке на борту автоматического КА автономного светового маяка.
Для оценки параметров такого маяка примем во внимание характер оптических наблюдений КА на пунктах контроля ОКП и особенности ССО. Наклонение таких орбит несколько превышает 90°, то есть ССО близки к полярным орбитам. Из расположенных на низких широтах станций наблюдений СКП видимые траектории прохождения ССО спутников имеют направления "север—юг". Для достижения высокой координатной точности измерений через измерения положений звезд фона наблюдения на небольшой высоте над горизонтом не проводятся, так как горизонтальная и вертикальная рефракция на малых высотах вносят большие ошибки.
Угловая скорость перемещения КА на ССО в поле зрения наземных пунктов составляет до 0.5 град/сек, поэтому прохождение такого КА через поле зрения пункта наблюдения (ПН) на высоте 30° не превысит несколько десятков секунд. КА на ССО имеет смысл наблюдать во время прохождений на зенитных расстояниях 45° и менее. Во время таких прохождений ширина телесного угла, в который попадают ПН, и в котором должен быть обеспечен световой поток от маяка, должен составлять ~90°. Нет смысла постоянно освещать всю эту зону; рационально образовать ее пучком из нескольких круговых зон, и светить последовательно в каждую из них. Положим для оценочного расчета, что имеется 7 зон, каждая из которых имеет угол раствора 30°.
Необходимо обеспечить видимую яркость маяка на уровне 12т в полосе "V" при наблюдении в ночное время. Это соответствует потоку 15 фотон/сек см2. При расстоянии КА от наблюдателя в 2 • 108 см (2000 км) площадь освещаемой маяком зоны составляет ~1016 см2, что требует полного светового потока от маяка на уровне ~1.5 • 1016 фотонов/сек. При энергии фотона видимого диапазона 3 эВ мощность излучения маяка должна быть ~5 • 10-3 Дж/сек, т.е. 500 милливатт.
При проведении наблюдений яркость неба (фона) не должна превышать 10% уровня полезного сигнала. В ночное время яркость неба составляет около 18т/сек2 [4], что при качестве изображения 2'' примерно в 25 раз ниже яркости рассматриваемого маяка, и влиянием яркости ночного неба на наблюдения можно пренебречь. Полагая дневную яркость неба 5т/сек2 и качество изображения в дневное время 6'', получаем оценку уровня фонового сигнала в 20000 раз выше, чем уровень измеряемого сигнала. Его можно пони-
зить за счет применения интерференционных фильтров с полосой пропускания порядка 1 А; сокращение рабочего диапазона в 4000 раз по сравнению со всем видимым диапазоном пропорционально понизит уровень фонового сигнала, но не изменит уровня сигнала от маяка, если он носит характер монохроматического излучения полупроводникового лазера. В результате уровень фонового сигнала от дневного неба составит 20% от уровня сигнала маяка, что гарантирует уверенную регистрацию маяка в дневное время.
КОНСТРУКЦИЯ, СХЕМА
ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ АВТОНОМНЫХ КОСМИЧЕСКИХ МАЯКОВ
Для обеспечения систем измерения с помощью световых маяков существует необходимость создания нескольких модификаций под каждую задачу отдельно (рис. 1).
Рассмотрим вариант конструкции автономного лазерного диодного оптического маяка для установки на автоматические космические аппараты для идентификации этик аппаратов.
Основные технические требования для таких маяков: автономность энергопитания; оптико-энергетические характеристики должны быть рассчитаны на определенные орбиты, т.е. мощность лазерного диода и угол освещения должен быть заведомо рассчитаны на эту задачу с использованием минимальных массово-габаритных и энергетических параметров; тепловой режим работы должен обеспечиваться собственными средствами; система управления автономна, но должна предусматривать внешние взаимодействие.
Прежде всего, рассмотрим лазерный диодный маяк для солнечно синхронных спутников. Конструкция автономного лазерного диодного маяка может быть выполнена в различном виде, но при этом в нее будут входить: система энергопитания (фотобатарея из AsGa и литиево-ионных аккумуляторов); излучатели; система терморегулирования (радиатор с электро-хромным термооптическим радиатором и нагреватели); система контроля (термодатчики, ток
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.