eng
Выпуск #5/2016
А.Акентьев, А.Соколов
Малогабаритная ретрорефлекторная система для космического аппарата "Ломоносов"
Малогабаритная ретрорефлекторная система для космического аппарата "Ломоносов"
Просмотры: 4224
Предложена конструкция малогабаритной ретрорефлекторной системы с субмиллиметровой ошибкой цели для низкоорбитальных спутников, в том числе космического аппарата "Ломоносов". Определены факторы, влияющие на энергетические и точностные характеристики малогабаритной ретрорефлекторной системы.
DOI:10.22184/1993-7296.2016.59.5.50.53
DOI:10.22184/1993-7296.2016.59.5.50.53
Теги: corner-cube-reflectors small-size retroreflectory system малогабаритная ретрорефлекторная система уголковые отражатели
На всех современных навигационных и геодезических космических аппаратах (КА) размещают панели уголковых отражателей (УО) – так называемые ретрорефлекторные системы (РС) [1–7]. Назначение этих систем состоит в отражении луча лазерного дальномера от КА обратно к приемнику оптико-лазерной станции для прецизионного измерения дальности до КА.
Разработанная в АО "Научно-производственная корпорация "Системы прецизионного приборостроения" малогабаритная РС "Пирамида" представляет собой пирамидальную конструкцию из четырех УО с общей вершиной (рис.1). Масса составляет всего 60 г, а габаритный размер не превышает 40 мм.
Для достижения требуемых энергетических и точностных характеристик необходимо, чтобы конструктивные параметры РС обеспечивали оптимальную диаграмму направленности отраженного излучения, которую принято характеризовать эквивалентной поверхностью рассеяния (ЭПР). Явление скоростной аберрации приводит к тому, что оптимальное направление приема отраженного лазерного луча не совпадают с осью диаграммы направленности и зависит от скорости спутника, то есть от высоты его орбиты. Для низкоорбитальных спутников среднее значение скоростной аберрации [1, 2, 4] составляет около 8". Это значит, что именно при таком угле от оси диаграммы направленности ЭПР должна быть максимальной, и необходимо каким-то образом расширять диаграмму направленности, например, уменьшать размер УО. Однако при этом уменьшается апертура, и в целом падает принимаемая энергия лазерного излучения.
В зенитной области пролета КА угол падения на все четыре УО равен примерно 54°. Апертура УО при перемещении спутника от горизонта к зениту уменьшается и имеет овальную форму. В результате ЭПР максимальна при зенитном угле наблюдения θzen = 63° (рис.2, угол места β = 27°) и минимальна в случае расположения спутника в зенитной области θzen = 0…10°. Максимальные значения ЭПР достигаются, когда излучение падает только на один УО.
Минимумы I соответствуют случаю, когда излучение падает на два УО при пролете спутника по траектории, лежащей в плоскости α (α – плоскость, образованная точкой расположения квантово-оптической станции и нормальным вектором, направленным по касательной к поверхности земного эллипсоида). Минимумы II соответствуют расположению спутника на траверсе, при этом угловое отклонение оси отраженного от РС лазерного луча, вследствие явления скоростной аберрации, максимально.
Вместе с тем, расстояние до спутника минимально как раз в зенитной области и максимально (более чем в три раза) в случае расположения спутника на горизонте. Поскольку количество фотонов, отраженных от спутника и принимаемых наземной квантово-оптической станцией, обратно пропорционально четвертой степени расстояния до спутника, то уменьшение апертуры УО в зенитной области компенсируется уменьшением расстояния.
Влияние двух факторов приводит к тому, что количество фотонов, регистрируемых оптико-лазерной станцией, максимально при зенитном угле наблюдения спутника θzen = 40°. В отличие от других аналогичных ретрорефлекторных систем [7], количество фотонов, отраженных от РС "Пирамида" и регистрируемых фотоприемником, не изменяется столь значительно при пролете спутника по небесной сфере.
При увеличении количества УО возрастает как ЭПР, так и вероятность отражения излучения от двух и более УО. Если расстояние от лазерного передатчика до отдельных УО в РС отличается, то возникает удлинение ответного сигнала, приводящее к так называемой ошибке цели. Для РС "Пирамида" ошибка цели очень мала за счет малого размера УО и соединения их вершин. Максимальная величина ошибки возникает, когда излучение падает сразу на несколько УО при их несимметричном расположении от оси лазерного пучка, при этом оптический путь в этих УО не совпадает. Минимум ошибки соответствует случаю попадания лазерного луча на два УО, ориентированных одинаково, или при отражении лазерного излучения только от одного УО. В целом расчетная величина ошибки цели при измерении дальности до КА не превышает 0,5 мм.
Две малогабаритные ретрорефлекторные системы "Пирамида", созданные в АО "НПК "Системы прецизионного приборостроения", были размещены на борту КА "Ломоносов" в рамках космического эксперимента по лазерной локации совместно с НИИ ядерной физики МГУ, Корпорацией ВНИИЭМ и ФГУП ЦНИИмаш при участии ФГУП "ВНИИФТРИ" (рис.3). Спутник был запущен на солнечно-синхронную орбиту высотой 500 км в апреле 2016 года с научной аппаратурой Московского государственного университета для исследования явлений в верхних слоях атмосферы Земли.
Каждая из РС, представляющая собой пирамиду из четырех уголковых отражателей (см. рис.1), способна отражать лазерные импульсы со всей нижней полусферы. Одна РС была приклеена к корпусу спутника, а другая к выдвижной штанге на расстоянии около двух метров от первой РС.
Проведенные лазерные измерения дальности позволили наблюдать два сигнальных трека с расстоянием между ними всего 0,5–2 м, зависящем от ориентации спутника относительно лазерной станции в момент наблюдения. В этом случае применялся так называемый однофотонный режим, при котором дальность с погрешностью в несколько сантиметров определяется путем счета одиночных сигнальных фотонов, пришедших от РС. Однофотонный режим может достигаться за счет увеличения расходимости зондирующего лазерного пучка до 20–30 угловых секунд.
Несмотря на малые размеры каждая РС обеспечила достаточный уровень ответного сигнала. По нашей оценке (были проведены сравнительные измерения по спутникам "Stella" и "Lageos") ЭПР составила до 100 000 м 2.
Результаты космического эксперимента позволяют рекомендовать ретрорефлекторную систему "Пирамида" для установки на низкоорбитальные космические аппараты для определения их ориентации и для дополнительного мониторинга развертывания составных частей КА в космосе.
ЛИТЕРАТУРА
1. Васильев В.П., Шаргородский В.Д. Прецезионная спутниковая лазерная дальнометрия на основе лазеров с высокой частотой повторения импульсов. – Электромагнитные волны и электронные системы, 2007, № 7, с.6–10.
2. Садовников М.А. Необходимые условия достижения субмиллиметровой точности измерений в спутниковой лазерной дальнометрии. – Электромагнитные волны и электронные системы, 2009, № 12, с.13–16.
3. Соколов А.Л., Мурашкин В.В. Дифракционные поляризационно-оптические элементы с радиальной симметрией. – Оптика и спектроскопия, 2011, т. 111, с.900–907.
4. Садовников М.А., Соколов А.Л., Шаргородский В.Д. Анализ эквивалентной поверхности рассеяния уголковых отражателей с различным покрытием граней. – Успехи современной радиоэлектроники, 2009, №8, с.55–62.
5. Соколов А.Л., Мурашкин В.В. Дифракционные свойства уголковых отражателей. – Фотоника, 2011, №3, с.52–55.
6. Sokolov A.L. Formation of polarization-symmetrical beams using cube-corner reflectors. – J. Opt. Soc. Am. A, 2013, v.30, №7, p.1350–1357.
7. Акентьев А.С., Васильев В.П., Соколов А.Л., Союзова Н.М. Малогабаритная ретрорефлекторная система. – Электромагнитные волны и электронные системы, 2014, №8, с.34–37.
Разработанная в АО "Научно-производственная корпорация "Системы прецизионного приборостроения" малогабаритная РС "Пирамида" представляет собой пирамидальную конструкцию из четырех УО с общей вершиной (рис.1). Масса составляет всего 60 г, а габаритный размер не превышает 40 мм.
Для достижения требуемых энергетических и точностных характеристик необходимо, чтобы конструктивные параметры РС обеспечивали оптимальную диаграмму направленности отраженного излучения, которую принято характеризовать эквивалентной поверхностью рассеяния (ЭПР). Явление скоростной аберрации приводит к тому, что оптимальное направление приема отраженного лазерного луча не совпадают с осью диаграммы направленности и зависит от скорости спутника, то есть от высоты его орбиты. Для низкоорбитальных спутников среднее значение скоростной аберрации [1, 2, 4] составляет около 8". Это значит, что именно при таком угле от оси диаграммы направленности ЭПР должна быть максимальной, и необходимо каким-то образом расширять диаграмму направленности, например, уменьшать размер УО. Однако при этом уменьшается апертура, и в целом падает принимаемая энергия лазерного излучения.
В зенитной области пролета КА угол падения на все четыре УО равен примерно 54°. Апертура УО при перемещении спутника от горизонта к зениту уменьшается и имеет овальную форму. В результате ЭПР максимальна при зенитном угле наблюдения θzen = 63° (рис.2, угол места β = 27°) и минимальна в случае расположения спутника в зенитной области θzen = 0…10°. Максимальные значения ЭПР достигаются, когда излучение падает только на один УО.
Минимумы I соответствуют случаю, когда излучение падает на два УО при пролете спутника по траектории, лежащей в плоскости α (α – плоскость, образованная точкой расположения квантово-оптической станции и нормальным вектором, направленным по касательной к поверхности земного эллипсоида). Минимумы II соответствуют расположению спутника на траверсе, при этом угловое отклонение оси отраженного от РС лазерного луча, вследствие явления скоростной аберрации, максимально.
Вместе с тем, расстояние до спутника минимально как раз в зенитной области и максимально (более чем в три раза) в случае расположения спутника на горизонте. Поскольку количество фотонов, отраженных от спутника и принимаемых наземной квантово-оптической станцией, обратно пропорционально четвертой степени расстояния до спутника, то уменьшение апертуры УО в зенитной области компенсируется уменьшением расстояния.
Влияние двух факторов приводит к тому, что количество фотонов, регистрируемых оптико-лазерной станцией, максимально при зенитном угле наблюдения спутника θzen = 40°. В отличие от других аналогичных ретрорефлекторных систем [7], количество фотонов, отраженных от РС "Пирамида" и регистрируемых фотоприемником, не изменяется столь значительно при пролете спутника по небесной сфере.
При увеличении количества УО возрастает как ЭПР, так и вероятность отражения излучения от двух и более УО. Если расстояние от лазерного передатчика до отдельных УО в РС отличается, то возникает удлинение ответного сигнала, приводящее к так называемой ошибке цели. Для РС "Пирамида" ошибка цели очень мала за счет малого размера УО и соединения их вершин. Максимальная величина ошибки возникает, когда излучение падает сразу на несколько УО при их несимметричном расположении от оси лазерного пучка, при этом оптический путь в этих УО не совпадает. Минимум ошибки соответствует случаю попадания лазерного луча на два УО, ориентированных одинаково, или при отражении лазерного излучения только от одного УО. В целом расчетная величина ошибки цели при измерении дальности до КА не превышает 0,5 мм.
Две малогабаритные ретрорефлекторные системы "Пирамида", созданные в АО "НПК "Системы прецизионного приборостроения", были размещены на борту КА "Ломоносов" в рамках космического эксперимента по лазерной локации совместно с НИИ ядерной физики МГУ, Корпорацией ВНИИЭМ и ФГУП ЦНИИмаш при участии ФГУП "ВНИИФТРИ" (рис.3). Спутник был запущен на солнечно-синхронную орбиту высотой 500 км в апреле 2016 года с научной аппаратурой Московского государственного университета для исследования явлений в верхних слоях атмосферы Земли.
Каждая из РС, представляющая собой пирамиду из четырех уголковых отражателей (см. рис.1), способна отражать лазерные импульсы со всей нижней полусферы. Одна РС была приклеена к корпусу спутника, а другая к выдвижной штанге на расстоянии около двух метров от первой РС.
Проведенные лазерные измерения дальности позволили наблюдать два сигнальных трека с расстоянием между ними всего 0,5–2 м, зависящем от ориентации спутника относительно лазерной станции в момент наблюдения. В этом случае применялся так называемый однофотонный режим, при котором дальность с погрешностью в несколько сантиметров определяется путем счета одиночных сигнальных фотонов, пришедших от РС. Однофотонный режим может достигаться за счет увеличения расходимости зондирующего лазерного пучка до 20–30 угловых секунд.
Несмотря на малые размеры каждая РС обеспечила достаточный уровень ответного сигнала. По нашей оценке (были проведены сравнительные измерения по спутникам "Stella" и "Lageos") ЭПР составила до 100 000 м 2.
Результаты космического эксперимента позволяют рекомендовать ретрорефлекторную систему "Пирамида" для установки на низкоорбитальные космические аппараты для определения их ориентации и для дополнительного мониторинга развертывания составных частей КА в космосе.
ЛИТЕРАТУРА
1. Васильев В.П., Шаргородский В.Д. Прецезионная спутниковая лазерная дальнометрия на основе лазеров с высокой частотой повторения импульсов. – Электромагнитные волны и электронные системы, 2007, № 7, с.6–10.
2. Садовников М.А. Необходимые условия достижения субмиллиметровой точности измерений в спутниковой лазерной дальнометрии. – Электромагнитные волны и электронные системы, 2009, № 12, с.13–16.
3. Соколов А.Л., Мурашкин В.В. Дифракционные поляризационно-оптические элементы с радиальной симметрией. – Оптика и спектроскопия, 2011, т. 111, с.900–907.
4. Садовников М.А., Соколов А.Л., Шаргородский В.Д. Анализ эквивалентной поверхности рассеяния уголковых отражателей с различным покрытием граней. – Успехи современной радиоэлектроники, 2009, №8, с.55–62.
5. Соколов А.Л., Мурашкин В.В. Дифракционные свойства уголковых отражателей. – Фотоника, 2011, №3, с.52–55.
6. Sokolov A.L. Formation of polarization-symmetrical beams using cube-corner reflectors. – J. Opt. Soc. Am. A, 2013, v.30, №7, p.1350–1357.
7. Акентьев А.С., Васильев В.П., Соколов А.Л., Союзова Н.М. Малогабаритная ретрорефлекторная система. – Электромагнитные волны и электронные системы, 2014, №8, с.34–37.
Отзывы читателей
