НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ

Файл статьи: SE-BMSTU...o105.pdf (897.33Кб)

УДК 629.7.05

1 Россия, ОАО "РКК "Энергия" им. С.П. Королева"  2 МГТУ им. Н.Э. Баумана

При разработке лазерных локационных систем (ЛЛС) для космических аппаратов (КА) затруднен выбор лазерных источников и фотодетекторов из-за особенностей их применения в бортовой аппаратуре, а также ограниченного количества отечественных и иностранных производителей.
Зависимость погрешности измерений от частоты повторения лазерных импульсов, влияние чувствительности и динамического диапазона фотодетектора на характеристики ЛЛС, защита фотодетектора от перегрузки мощным сигналом, в ранее опубликованных работах подробно не рассматривались.
Цель работы состоит в анализе зависимостей дальности, погрешности измерений и надежности бортовых ЛЛС от разных типов лазерных источников и фотодетекторов, а также наличия электромеханического оптического аттенюатора.
Описаны конструктивные решения, используемые для компенсации снижения чувствительности фотоприемного устройства (ФПУ) и влияние этих изменений на характеристики ЛЛС.
Показано, что волоконный лазер за счет высокой частоты повторения импульсов излучения является предпочтительным типом лазерного источника в бортовых ЛЛС, который может быть использован на дальностях менее 500 м для решения двух задач: определения ориентации пассивного КА с погрешностью менее 0,3°  и измерения скорости сближения КА с погрешностью 0,003...0,006 м/с.
Определена зависимость ослабления оптического аттенюатора от дальности измерений, обеспечивающего защиту фотоприемного устройства при наличии близкорасположенных диффузно отражающего пассивного КА и уголкового отражателя. Установлено, что оптический аттенюатор целесообразно применять, если используется ФПУ на основе лавинного фотодиода. При использовании ФПУ на основе pin-фотодиода оптический аттенюатор не требуется (при наличии геометрического фактора в случае зондирования уголкового отражателя). Исключение электромеханического оптического аттенюатора позволяет увеличить вероятность безотказной работы ЛЛС с Р(t) = 0,9991 до Р(t) = 0,9993.
Результаты, полученные в настоящей работе, могут быть использованы при разработке бортовых и наземных ЛЛС разного назначения, лазерных дальномеров, лидаров.
В дальнейших исследованиях целесообразно рассмотреть факторы, которые влияют на погрешности измерений бортовых ЛЛС с дальностей более 500 м.

1. Ruel S., Luu T., Berube A. On-Orbit Testing of Target-less TriDAR 3D Rendezvous and Docking Sensor // Proc. of the International Symposium on Artificial Intelligent, Robotics and Automation in Space (i-SAIRAS 2010) (August 29 – September 1, 2010, Sapporo, Japan). Режим доступа:http://robotics.estec.esa.int/i-SAIRAS/isairas2010/PAPERS/004-2775-p.pdf (дата обращения 26.07.2015).
2. English C., Okouneva G., Saint-Cyr P., Choudhuri A., Luu T. Real-Time Dynamic Pose Estimation Systems in Space: Lessons Learned for System Design and Performance Evaluation // International Journal of Intelligent Control and Systems (IJICS). 2011. Vol. 16, no. 2. P. 79-96.
3. Грязнов Н.А., Панталеев С.М., Иванов А.Е., Кочкарёв Д.А., Куликов Д.С. Высокопроизводительный метод измерений координат объектов в условиях космического пространства // Научно-технические ведомости Санкт-Петербургского государственного политехнического университета. 2013. № 2 (171). С . 197-202.
4. Rems F., Fritz S., Boge T. Breadboard Model of a 3D LIDAR Sensor for Real-time Pose Estimation of Spacecraft // Proc. of the GNC 2014: 9th International ESA Conference on Guidance, Navigation & Control Systems (Porto, Portugal, 2–6 June 2014). Режим доступа:http://elib.dlr.de/89757/1/GNC_2014_Paper_F_Rems.pdf (дата обращения 26.07.2015).
5. Conticello S.S., Esposito M., Steffes S., et al. Development and Test Results of Sinplex, a Compact Navigator for Planetary Exploration // Proc. of the 4S Symposium 2014 – Symposium on Small Satellites for Earth Observation (IAA and DLR) and The Small Satellites Conference (AIAA and USU). Режим доступа:http://elib.dlr.de/91227/1/4S-2014_sinplex_paper.pdf (дата обращения 26.07.2015).
6. Pierrottet D.F., Amzajerdian F., Barnes B. A long distance Laser Altimeter for terrain relative navigation and spacecraft landing. NASA Langley Research Center, Hampton, Virginia, 2014. Режим доступа : http://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/20140006392.pdf ( дата обращения 26.07.2015).
7. Namiki N., Mizuno T., Senshu H., et al. Performance of Hayabusa-2 LIDAR in Acceptance and Verification Tests // Proc. of the 46th Lunar and Planetary Science Conference (March 16-20, 2015, The Woodlands, Texas). Режим доступа:http://www.hou.usra.edu/meetings/lpsc2015/pdf/1798.pdf (дата обращения 26.07.2015).
8. Старовойтов Е.И., Савчук Д.В., Зубов Н.Е. Выбор лазеров для увеличения дальности бортовых локационных систем космических аппаратов // Наука и образование. МГТУим. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2013. № 8. С. 215-232. DOI:10.7463/0813.0609292
9. Ставров А.А., Поздняков М.Г. Импульсные лазерные дальномеры для оптико-локационных систем // Доклады БГУИР. 2003. Т .1, № 2. С . 59-65.
10. Козинцев В.И., Белов М.Л., Орлов В.М., Городничев В.А., Стрелков Б.В. Основы импульсной лазерной локации / под ред. В.Н. Рождествина. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2010. 571 с.
11. Назаров В.Н., Балашов И.Ф. Энергетическая оценка импульсных лазерных дальномеров. СПб.: СПбГУ ИТМО, 2002. 38 с. Режим доступа: http://de.ifmo.ru/bk_netra/start.php?bn=27 (дата обращения 26.07.2015).
12. Старовойтов Е.И., Савчук Д.В., Зубов Н.Е. Анализ возможностей, оптимизация массы и энергопотребления лазерного высотомера для управления спуском с окололунной орбиты // Космическая техника и технологии. 2014. № 1 (4). С . 67-74.
13. Федосеев В.И. Автоматическая лазерная система контроля параметров сближения кооперируемых космических аппаратов // Оптический журнал. 1996. № 7. С . 66-70.
14. Малашин М.С., Каминский Р.П., Борисов Ю.Б. Основы проектирования лазерных локационных систем. М .: Высшая школа , 1983. 207 с .
15. Fiber Lasers // Spectra-Physics, A Newport Company: website. Режим доступа:http://www.spectra-physics.com/products/fiber-lasers (дата обращения 26.07.2015).
16. Каталог разработок. Институт физики им. Б.И. Степанова НАН Беларуси. Режим доступа: http://ifanbel.bas-net.by/russian/booklet_russian.pdf (дата обращения 26.07.2015).
17. Полупроводниковые лазеры импульсного режима работы // Inject: сайт компании. Режим доступа: http://www.inject-laser.ru/products/semiconducters_lasers/subpage1.ivp (дата обращения 26.07.2015).
18. Roux Y., Da Cunha P. The GNG measurement system for the automated transfer vehicle // The 18^th International Symposium on Space Flight Dynamics (ISSFD). Munich, Germany, 11 - 15 October, 2004. Режим доступа:http://www.issfd.org/ISSFD_2004/papers/P1010.pdf (дата обращения 26.07.2015).
19. Бачевский С.В. Точность определения дальности и ориентации объекта методом пропорций в матричных телевизионных системах // Вопросы радиоэлектроники. Сер. Техника телевидения. 2010. Вып. 1. С. 57-66.
20. Вильнер В., Волобуев В., Ларюшин А., Рябокуль А. Достоверность измерений импульсного лазерного дальномера // Фотоника. 2013. № 3. С. 42–60.
21. Фобос Грунт: проект космической экспедиции. В 2 т. Т.1. / авт.-сост. В.В. Ефанов, А.В. Захаров. М.: ООО «Полстар», 2011. 237 с.
22. Старовойтов Е.И., Зубов Н.Е., Ивашов В.В., Никульчин А.В. Исследование эффективности и оптимизация параметров лазерного локационного прибора для измерения скорости сближения космических аппаратов // Наука и образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2014. № 6. С. 247-269. DOI:10.7463/0614.0712240
23. Старовойтов Е.И. Анализ надежности лазерных локационных систем для управления движением космических аппаратов // Наука и образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2014. № 2. С. 202-219. DOI:10.7463/0214.0699720
24. Боровиков С.М. Теоретические основы конструирования, технологии и надежности. Минск: Дизайн ПРО, 1998. 336 с .
25. Поляков В.М., Покровский В.П., Сомс Л.Н. Лазерный передающий модуль с переключаемой диаграммой направленности для космического аппарата “ФОБОС-ГРУНТ” // Оптический журнал. 2011. Т. 78, № 10. С . 4-9.