Навигация космических аппаратов

Для определения координат летательных и космических аппаратов часто используют позиционный метод, который базируется на применении так называемых линий и поверхностей положения.

Для околоземных и наземных носителей используются лини положения, которые представляют собой место возможных проекций носителя на земную поверхность. Формы линии положения определяются измеряемыми параметрами. Например, для измерения дальности линия положения – окружность, для азимута – дуга большого круга поверхности Земли.

Т.к космический аппарат находится в пространстве, то для определения его места положения используют поверхность положения.

Поверхность положения – геометрическое место точек в пространстве, отвечающих условию постоянства величины некоторого измеряемого параметра.

Измеряемые параметры :

• Дальность до объекта (планеты)

• Видимы размер планеты

• Угол между направлениями на центры 2 планет, планеты и Солнца, планеты и направления на звезду

• Направление с Земли на космический аппарат(азимут,высота)

• Допплеровский сдвиг частот равномерно движущегося аппарата при наблюдении с Земли

• Комбинации параметров

Формы поверхностей в зависимости от измеряемого параметра:

• Дальности до объекта соответствует поверхность положения – полусфера, условие – R=const

• Видимому угловому размеру соответствует сфера α=const

• Углу между направляемыми на центры планет соответствует поверхность – циклида

• Углу между направляющими на центр планеты и звезду соответствуе поверхности положения – круговой конус

• Амплитуду измеряемую с Земли в направлении космического аппарата соответствует поверхность положения – полуплоскость проходящую через вертикаль светила

При измерении допплеровского смещения возможны 3 поверхности положения в зависимости от угла между кА и направляющей вектора скорости кА.

Для определения местополодения космического аппарата необходимо одновременно ихмерить 3 различных параметра из 1 точки, либо одновременно 1 параметр из 3-х разных точек.

Пересечение поверхности положения даст оскомое местоположение объекта.

На примере гориз. С-мы координат:

• Измерение дальности R даст поверхность положения – полусферу

• Измерение азимута А даст поверхность положения – полуплоскость

• Измерение высоты даст конус

Оптико-электронные высотомеры и дальномеры

Оптико-электронными высотомерами и дальномерами называются устройства измеряющие соответственно высоту или дальность до объекта за счет сбора и анализа отраженного от объекта .

В качестве источника излучения в лазерных дальномерах используют:

∙ арсенидгалиевые полупроводниковые лазеры λ=0.84 мкм Р=1-50 Вт  

∙ рубиновые лазеры λ=0.6943 мкм Р= до 10⁷ Вт  

∙ на неодиевом стекле λ=1.65 мкм Р= до 10⁷ Вт  

∙ газовые СО₂ лазеры λ=10.6 мкм Р= до 10⁵ Вт 

Импульсные дальномеры

Основаны на измерении времени прохождения излучения до объекта и обратно.

Дальность действия таких устройств ограничена сверху мощностью излучателя и потерями на трассе, а снизу – пеленой обратного рассеяния.

Для уменьшения влияния обратного рассеивания приемный канал отключается (стробируется) на время , равное длительности импульса τ_имп

Схема импульсного дальномера

В резонаторе лазера (1) устанавливается вращающаяся призма БР-180 (частота вращения 24 тис. об./мин.) за счет вращения которой осуществляется модуляция добротности резонатора и обеспечивается длительность импульса меньше 30 нс. Для накачки используется неоновая лампа (4) . Телескопической системой (5) уменьшается угол расходимости излучения с 20' до 1'. Часть зондирующего импульса отводилась соединительной призмой (6) в приемную ос (7). После прохождения через блоки (9)(10) это излучение передним фронтом импульсов включало счетчик в блоке обработки (11). Отразившись от земной поверхности зондирующее излучение фокусировалось ос (7) на фотокатоде ФЕУ (9), ((8)-интерференционный фильтр). После обработки сигнала в блоке (10) передний фронт зондирующего излучения выключал счетчик в блоке (11), на индикаторе (12) отображалась высота, рассчитанная по формуле (1)

На время зондирующего импульса ФЕУ (9) отключался.

Фазовые дальномеры

Измерение дальности сравнением фаз опорного и отраженного от объекта сигнала.

Основным недостатком является постоянное влияние помехи обратного рассеяния.

Схема фазового дальномера :

Излучение лазера (1) модулируется по амплитуде в модуляторе (2) сигналом масштабной частоты F_м . На входе расширителя пучка формируется зондирующее излучение мощностью Р₃, где Р₁-среднее значение мощности, m-коэффициент модуляции(0.. излучение собирается1), φ₀ – начальная фаза модулированного сигнала. После отражения от объекта излучение собирается ОС (4) на приемнике (5), затем обрабатывается в блоке обработки (6) и подается на первый вход фазометра (7), мощность сигнала на выходе блока (6) равна Р_R , где t_H – время задержки отражения излучения. U_Δ и U_об – задержки фазы сигнала соответственно в цепях дальномера и от отраженного от объекта. На второй вход фазометра подается опорный сигнал F_м . По результатам измерения разности фаз на индикаторе (8) отображается величина дальности.

Для измерений дальности в рассмотренном методе необходимо соблюдать условие однозначности фазовой дальнометрии :

Измеряемая дальность не может превышать первого периода модулирующего сигнала

Для обеспечения требуемой точности измерения на больших дальностях используют 2^х и 3^х частотные схемы:

На малой частоте F_м проводят предварительный замер, а для повышения точности увеличивают F_м.

Таким образом на все фазометрах присутствуют постоянное напряжение по величине которого можно определить разность фаз 2-х импульсов.

Схема фазового высотомера.

Сигнал от СО₂ лазера(1)модулируется по амплитуде в модуляторе (2) под управлением генератора (4) с частотой 5 МГц. После прохождения через расширительную систему ОС (3) сигнал отражается от подстилающей поверхности и собирается объективом приемного блока (5) на чувствительной поверхности приемника блока (7). Интерференционный фильтр (6) повышает соотношение с/ш на входе. Для увеличения точности дальнейшей обработки сигнала в блоке (7) происходит гетеродинирование (сложение сигналов 2-х разных частот). Гетеродинированый сигнал с частотой 5,25 МГц формируется в гетеродине (генераторе) (9)Сигнал с частотой 0,25МГц усиливается в селективном усилителе (8) и подается на первый вход фазового детектора (12). На второй вход фазового детектора подается сигнал с частотой 0,25 МГц промодулированый по фазе частотой 70 Гц. Опорный сигнал образуется после гетеродинирования сигналов с частотой 5 МГц и 5,25 МГц в блоке (10) и модулируется по фазе в фазовом модуляторе (11). Таким образом на выоде фазового детектора (12) будет напряжение с частотой 70 Гц, амплитуда которого пропорциональна фазовому сдвигу опорного и зондирующего сигнала. Этот сигнал усиливается селективным усилителем (14), детектируется в асинхронном детекторе (15), (который управляется от генератора (13)) и подается в блок обработки сигнала (16). Обработаный результат измерений виде величины высоты отображается на индикаторе (17).

Принцип в базовых высотомерах основан на измерении угла α, отраженного от объекта луча. Тогда дальность вычисляется по формуле: ( см рис с самолетом ), где заранее известно базовое расстояние между приемником и источником излучения.

Точность таких устройств очень низкая.

Лазерные доплеровские измерители скорости

На основе эффекта Доплера в авиац. и косм. ОС определяется:

-нулевая скорость носителя

-воздушная скорость

-радиальная скорость каких либо обьектов

Эффект Доплера заключается в том, что относит. перемещении приемника и источника излучения, частота волны источника в системе отсчета приемника изменяется.

Волновой вектор

Пусть в т. А находится источник излучения , описываемый волновым вектором ki. В т. В находится рассеивающая частица, движущаяся со скоростью v. В т. С находится наблюдатель, который фиксирует рассеянную плоскую волну ks.

В релятивистской электродинамике показано, что частота волны на величину

Wd – доплеровское смещение частот, доплеровская частота.

В случае, если известна геометрия падающей и рассеянной волны, то можно определить скалярное произвидение

При скорости частицы v намного меньше скорости обекта с

Тогда

Из последней формулы

Если наблюдатель находится рядом с источником излучения тогда , тогда .При , , т.к. рассеянная компонента в принимаемом излучении отсуцтвует.Если рассеивающая частичка движется вдоль линии “источник-наблюдатель”, то .

Измерение путевой скорости

Существует 2 способа измерения путевой скорости (радиальной):

-измерение сдвига частот в оптическом диапазоне (метод измерения на несущей частоте)

-измерение доплеровского смещения wd в СВЧ модулирующем сигнале (метод измерения на поднесущей частоте)

Измерения на несущей частоте заключается в гетеродинировании оптического излучения (интерф. картина )

Система содержит канал опорного излучения ((2)(3)) и зондирующего канала (2), (4). Излучение от лазера (1) с высокой степенью когерентности СО2 АrHeNe разделяются на светодилителе (2) на опорные и зондирующие пучки. Первый, отразившыйсь от зеркала (3) собирается объективом (5) в плоскости анализирующей диафрагмы (6), второй направляется формирующей ОС (4) на подстилающую поверхность. Отразившись от подстилающейа поверхности излучение через элементы (4), (2) и (5) подается на диафрагму (6). В плоскости щелевой диафрагмы (6) происходит интерференция опорного и зондирующего излучений. Интерференционная картина в случаи плоских волновых фронтов представляет собой смещающееся изображения с синусоидальной миры. Скорость этого смещения пропорциональна wd. Диафрагма (6) вырезает из интерференционной картины небольшой участок и таким образом формирует модулированное по амплитуде излучение, которое попадет на ПИ (7). В блоке (8) электрический сигнал очищается и усиливается. В блоке (9) из сигналов выделяется информация о скорости и отображается на индикаторе (10).

Основным достоинством этого метода является высокая точность, а недостатки - сложность конструкции; высокие требования к точности юстировки, надежности блоков; малое количество мало используемых излучателей.

В ряде случаев используется измерения на поднесущей частоте. Структура ЛДИС на поднесущей частоте аналогично структуре фазового дальномера.

Излучение от лазера (1) модулируется в модуляторе (2) частотой, задаваемой генератором (3). Зондирующее излучение через ОС (4) направляется на подстилающую поверхность и отразившись от нее собирается объективом (5) на ПИ (6). После усиления и обработки в блоке (7), электронный сигнал подается на первый вход смесителя (8). На второй вход смесителя подается опорный сигнал с блока (3). На выход смесителя (8) формируется сигнал разностной частоты (доплеровское смещение). Он анализируется в блоке (9) и в виде скорости отображается на индикаторе (10).

Преимуществом данного метода является хорошея отработанность отдельных блоков и аппаратов обработки сигналов.