Земные приборы ИК-диапазона.

Основные типы приборовориентации и навигации КА.

За пять десятилетий космической эры было разработано несколько десятков разновидностей приборов ориентации и навигации КА, отличающихся назначением, принципами построения, особенностями использования, конструктивными особенностями и т.д. К настоящему времени сложилось более или менее общепризнанное разделение астроприборов на типы. Прежде всего, приборы разделяются по характеру использования их в составе КА — автоматические и визуальные. Первые предназначены для работы в составе автоматических систем управления, вторые — для визуального наблюдения оператором-космонавтом результатов измерения, с целью последующего управления пилотируемым КА. Общепризнанным является разделение астроприборов по типам используемых ими астроориентиров. По этому признаку выделяются три типа приборов — приборы ориентации и навигации по звездам, по Земле, по Солнцу (более кратко — звездные, земные и солнечные астроприборы). Поскольку Земля как тип астроориентира может выступать двояко в зависимости от диапазона длин волн используемого излучения, земные приборы еще подразделяются на приборы видимого диапазона и приборы инфракрасного (ИК) диапазона. В видимом диапазоне Земля представляется в виде либо светлого круглого диска, либо серпа, либо вообще не видна в зависимости от угла Солнце–КА–центр Земли. Это создает определенные ограничения в получении информации с прибора, работающего по Земле в видимом диапазоне. В ИК-диапазоне Земля представляет собой круглый излучающий диск вне зависимости от каких-либо условий. Поэтому земные приборы ИК-диапазона свободны от ограничений в возможности получения с них информации, благодаря чему они находят, гораздо более широкое применение, чем земные приборы видимого диапазона. В видимом диапазоне работают звездные и солнечные приборы.

Звездные приборы.

Звездные приборы универсального типа разделяются на приборы с подвижным угловым полем (с подвижной визирной линией) и с неподвижным угловым полем (статические). Приборы с подвижным угловым полем — достаточно узкопольные (угловое поле — единицы квадратных градусов и менее). Так как положение углового поля может меняться относительно базы прибора и осей КА, для их работы достаточно сравнительно небольшого количества звезд (до 3–3,5 звездной величины). Благодаря малому угловому полю эти приборы обладают высокой помехозащищенностью по отношению к световым помехам всех видов. Однако конструкция этих приборов достаточно сложна, так как в состав их входят прецизионные поворотные устройства, приводы, устройства преобразования углов поворота в код. Поэтому в таких приборах сложнее достичь высокой точности, надежности и большого срока службы.

Приборы с неподвижным угловым полем конструктивно менее сложны, что упрощает достижение высокой точности и надежности. Размер углового поля таких приборов — до десятков и сотен квадратных градусов. Так как угловое поле не может наводиться в произвольную область небесной сферы, для их работы требуется больше рабочих звезд (до 5–6 звездной величины и более) приводит к большой чувствительности к световым помехам. Специализированные звездные приборы отличаются большим разнообразием, но в настоящее время можно выделить три группы, различающиеся как по назначению и выполняемым функциям, так и по конструктивным особенностям:

• звездные ОЭП солнечно-звездных систем ориентации КА;

• звездные ОЭП для ориентации по Полярной звезде в системе управления КА с геостационарной орбитой;

• приборы для КА, стабилизированных вращением.

Земные приборы ИК-диапазона.

Приборы ориентации по Земле (ПОЗ) по функциональному назначению, возможностям и особенностям применения можно разделить на три типа:

– датчики наличия Земли (ДНЗ);

– построители местной вертикали (ПМВ);

– измерители угла отклонения.

Датчики наличия Земли определяют присутствие Земли в одном из двух угловых полей, неподвижно расположенных относительно КА и развернутых одно относительно другого на 180°.

В этих приборах отсутствуют сканирующие устройства, а модулятор выполняет модулирование падающего на приемник излучения. Построители местной вертикали определяют отклонение оси прибора от направления на центр Земли в двух взаимно перпендикулярных плоскостях в пределах небольшой зоны углов отклонения и формируют выходной управляющий сигнал U — линейный или ступенчатый в зависимости от угла отклонения α(рис. 1.1). Определение углов отклонения производится сканированием углового поля прибора по круговой траектории (поэтому приборы этого типа называют также приборами с круговым сканированием) и формированием выходных сигналов с помощью фазовых детекторов. При отсутствии рассогласования траектория сканирования совпадает с горизонтом Земли. Размер зоны линейности выходных сигналов небольшой, как правило, 1–2°, наименьшая погрешность достигается при отсутствии рассогласования, при его увеличении — погрешность возрастает. Серьезным недостатком приборов этого типа является большая методическая погрешность, вызванная неравномерностью излучения.

 Рис. 1.1. Варианты характеристик управляющих сигналов ПМВ Земли.

Угловой размер Земли, наблюдаемый с орбиты КА, зависит от высоты аппарата над Землей и может меняться для разных орбит от примерно 153° для высоты 180 км до примерно 17° для высоты 36 000 км (геостационарная орбита) и до еще меньших размеров на больших высотах. Поэтому конструкция оптической системы ПОЗ и прибора в целом существенно зависит от его рабочей высоты. Существуют приборы для одной рабочей высоты, для дискретного набора высот, для широкого или узкого диапазона высот. Чем шире диапазон рабочих высот ПОЗ, тем при прочих равных условиях сложнее его конструкция.

При проектировании земных приборов ИК-диапазона, как и при проектировании звездных приборов, существует серьезная проблема выделения полезной информации из помех, которая решается на основе общих принципов обработки пространственно временных сигналов.

Солнечные приборы.

Приборы ориентации по Солнцу (ПОС) отличаются большим разнообразием вариантов конструктивных и оптических схем, способов формирования выходной информации. Это связано с тем, что Солнце настолько мощный источник излучения, что вопрос о выделении полезного сигнала из помех практически не стоит. Поэтому при создании приборов отсутствуют ограничения, вытекающие из требований оптимизации пространственно-временной обработки по критерию минимизации влияния помех. Проектировщик солнечных приборов имеет гораздо большую свободу выбора вариантов, чем проектировщик звездных и земных приборов. По функциональным возможностям и особенностям использования среди солнечных приборов можно выделить четыре группы:

• датчики направления на Солнце грубые (ДНС-Г);

• датчики направления на Солнце точные (ДНС-Т);

• измерители угловых координат Солнца грубые;

• измерители угловых координат Солнца точные.

Обособленной группой являются датчики наличия Солнца, которые применяются для определения нахождения Солнца в их угловом поле. Эти датчики, как правило, устанавливаются соосно блендам звездных приборов и вырабатывают управляющий сигнал на закрытие шторки, установленной за блендой. Датчики направления на Солнце грубые используются в основном для ориентации солнечных батарей на Солнце путем управления разворотом либо самих солнечных батарей, либо КА в целом (так называемый режим постоянной солнечной ориентации КА). Зависимость выходного сигнала прибора от угла разворота (характеристика управляющего сигнала) относительно направления на Солнце обычно имеет релейный или релейно-подобный характер с большой зоной нечувствительности — несколько градусов. Типичная характеристика управляющего сигнала ДНС-Г представлена на рис. 1.2, а, б. Главное достоинство таких приборов — конструктивная простота, высокая надежность, большой срок службы. Типичный вариант их применения обеспечение постоянной ориентации на Солнце при межпланетных полетах.

Датчики направления на Солнце точные используются для ориентации КА относительно направления на Солнце при выполнении целевых задач. Эти приборы имеют небольшую угловую зону (несколько градусов), где обеспечивается высокая точность определения направления на Солнце (несколько угловых минут), и большую угловую зону поиска — до ±90°, в которой определяются лишь наличие Солнца и знак отклонения оси прибора от направления на Солнце. Типичная характеристика управляющего сигнала ДНС-Т представлена на рис. 1.2, в. Приборы-измерители угловых координат Солнца относительно приборной базы определяют соответствующие углы в большом угловом поле — вплоть до полусферы или даже полной сферы.

Рис. 1.2. Варианты характеристик управляющих сигналов датчиков направления

на Солнце ДНС-Г (а, б) и ДНС-Т (в)

Грубые приборы этого типа (точность — единицы градусов) строились на основе дискретного набора чувствительных зон. В точных приборах (точность до 1′) используются широкопольные сканирующие или многоэлементные обзорные системы, в которых благодаря применению вычислительных средств и методов интерполяции удается получить точность 10−4 от размера поля обзора.