ЮСТИРОВОЧНО-КАЛИБРОВОЧНЫЙ КОСМИЧЕСКИЙ АППАРАТ

Изобретение относится к космической технике, в частности к конструкции юстировочно-калибровочных космических аппаратов (КА), и предназначено для юстировки и калибровки радиолокационных станций.

Известны различные варианты КА, предназначенных для калибровки радиолокационных станций, например, КА сферической формы с эталонной отражающей поверхностью [1], стр. 47-49. В США, начиная с 1964 г., для калибровки РЛС запускаются эталонные сферические искусственные спутники Земли [2], стр. 37. В СССР в различные периоды времени были созданы и использовались космические аппараты «Тайфун-2». В состав КА входят по 24 устройства отстрела со сферическими эталонными отражателями [3], стр. 198-200.

Сферы являются удобными эталонными рассеивателями, ЭПР которых могут быть вычислены точно [4], стр. 204. Эталонная сфера обладает тем преимуществом для калибровки РЛС, что в силу симметрии величина ЭПР у нее постоянна [4], стр. 205.

Недостатком сферического КА с эталонной отражающей поверхностью является невозможность его использования для калибровки по величине ЭПР радиолокаторов, работающих на волнах круговой поляризации при параллельном приеме отраженных сигналов, так как для таких радиолокаторов отражатель сферической формы невидим [5], стр. 103.

Известен космический аппарат с эталонными отражателями для юстировки и калибровки комплексов наземного и космического базирования - патент RU 2481248, «Космический аппарат с эталонными отражателями». Данный КА с эталонными отражателями взят за прототип.

В прототипе для юстировки и калибровки РЛС также используются сферические эталонные отражатели.

Недостатком прототипа является невозможность применения предлагаемых сферических отражателей для юстировки и калибровки по величине ЭПР радиолокаторов, работающих на волнах круговой поляризации при параллельном приеме отраженных сигналов. Другим недостатком прототипа для РЛС, работающих на волнах горизонтальной, вертикальной, а также круговой поляризации при ортогональном приеме отраженных сигналов, является малая ЭПР используемых сферических эталонных отражателей. Так, например, при диаметре сферы 25 см и длине волны РЛС 7 см ее ЭПР составит всего 0,04 м², а при длине волны РЛС 1,9 м ЭПР такого сферического отражателя равна 0,013 м² [1], стр. 49, таблица 2.1.3. Значительно увеличить ЭПР сферического отражателя, т.е. его радиус, невозможно из-за габаритных ограничений КА.

Технический результат предлагаемого изобретения заключается в расширении функциональных возможностей юстировочно-калибровочных космических аппаратов для юстировки и калибровки радиолокаторов наземного и космического базирования, работающих на волнах круговой поляризации при параллельном приеме отраженных сигналов, а также калибровки по величине ЭПР высокопотенциальных РЛС в режиме функционирования с пониженной мощностью излучения.

Указанный технический результат достигается тем, что корпус юстировочно-калибровочного КА выполнен в виде прямого кругового цилиндра 1, на одном из оснований которого имеется V-образный паз или углубление V-образной формы, причем плоские грани 2 паза или углубления имеют радиоотражающую поверхность (см. фиг. 1). Кроме того, корпус юстировочно-калибровочного КА снабжен двумя откидными плоскими радиоотражающими пластинами в форме полудисков 3, 4, которые шарнирно связанны с сегментами основания прямого кругового цилиндра 5, 6 корпуса юстировочно-калибровочного КА, смежными с радиоотражающими поверхностями V-образного паза или углубления V-образной формы (см. фиг. 1). Причем плоские радиоотражающие пластины в форме полудисков снабжены механизмами раскрытия 7 и узлами фиксации 8 к сегментам основания прямого кругового цилиндра 5, 6 корпуса юстировочно-калибровочного КА (см. фиг. 2). При этом каждая откидная плоская радиоотражающая пластина в форме полудиска в раскрытом положении совместно со смежной поверхностью V-образного паза или углубления V-образной формы образует единую плоскую радиоотражающую поверхность. Более того, две плоские радиоотражающие пластины в форме полудисков в раскрытом положении совместно с радиоотражающими поверхностями V-образного паза или углубления V-образной формы образуют двугранный уголковый отражатель, причем угол α между гранями уголкового отражателя находится в диапазоне от (90-Δ) градусов до (90+Δ) градусов, где Δ - определяется из соотношения:

0<Δ<18λ/а,

λ - длина волны калибруемой РЛС,

а - размер грани уголкового отражателя, образованного плоскими радиоотражающими пластинами в форме полудисков совместно с радиоотражающими поверхностями V-образного паза или углубления V-образной формы.

При этом биссектриса угла между гранями уголкового отражателя, образованного плоскими радиоотражающими пластинами в форме полудисков совместно с радиоотражающими поверхностями V-образного паза или углубления V-образной формы в плоскости, перпендикулярной середине ребра уголкового отражателя, совпадает с продольной осью прямого кругового цилиндра.

Сверх того, на поверхности основания прямого кругового цилиндра корпуса юстировочно-калибровочного КА по периметру основания симметрично относительно ребра двугранного уголкового отражателя установлены лазерные ретрорефлекторы 9 (см. фиг. 3).

Кроме того, в юстировочно-калибровочный КА дополнительно введены навигационная аппаратура потребителя (НАП) космических систем «ГЛОНАСС» и/или GPS, микропроцессор, микроконтроллер, блок сопряжения системы ориентации и стабилизации и узлов фиксации с микроконтроллером. Причем выход НАП подключен к первому входу микропроцессора, первый выход микропроцессора подключен к первому входу микроконтроллера, первый выход микроконтроллера подключен к первому входу блока сопряжения. Первый выход блока сопряжения подключен к входу системы ориентации и стабилизации, выход системы ориентации и стабилизации подключен ко второму входу блока сопряжения, второй выход блока сопряжения подключен ко второму входу микроконтроллера, второй выход микроконтроллера подключен ко второму входу микропроцессора, который управляет процессом ориентации юстировочно-калибровочного КА относительно калибруемой РЛС. Кроме того, третий выход микропроцессора подключен к третьему входу микроконтроллера, третий выход микроконтроллера подключен к третьему входу блока сопряжения, а второй выход блока сопряжения подключен к входу узлов фиксации плоских радиоотражающих пластин в форме полудисков к корпусу юстировочно-калибровочного КА.

Кроме того, плоские радиоотражающие пластины в форме полудисков выполнены с возможностью их раскладывания, при этом в транспортном положении они уложены и зафиксированы так, что прилегают к основанию цилиндра корпуса юстировочно-калибровочного КА, а в раскрытом положении развернуты на угол α.

Кроме того, узлы фиксации плоских радиоотражающих пластин в форме полудисков к корпусу юстировочно-калибровочного КА выполнены, например, в виде пирозамков.

Кроме того, сегменты основания корпуса юстировочно-калибровочного КА и плоские радиоотражающие пластины выполнены одинакового размера.

Кроме того, плоские радиоотражающие пластины в форме полудисков имеют радиоотражающую поверхность только с внутренней стороны образованного двугранного уголкового отражателя.

Кроме того, на оборотную сторону плоских радиоотражающих пластин в форме полудисков наклеены тонкопленочные фотопреобразователи.

Кроме того, механизмы раскрытия плоских радиоотражающих пластин в форме полудисков выполнены, например, из упругих лент или пластин.

Кроме того, плоские радиоотражающие пластины в форме полудисков снабжены механическим устройством фиксации раскрытого положения.

Кроме того, юстировочно-калибровочный космический аппарат снабжен устройством вращения или закрутки вокруг продольной оси прямого кругового цилиндра корпуса юстировочно-калибровочного КА, совпадающей с главной центральной осью минимального или максимального момента инерции.

Кроме того, ребро двугранного УО, образованного двумя плоскими радиоотражающими пластинами в форме полудисков совместно с радиоотражающими поверхностями V-образного паза или углубления V-образной формы, ориентировано по диаметру основания прямого кругового цилиндра корпуса юстировочно-калибровочного космического аппарата.

Кроме того, ребро двугранного УО, образованного двумя плоскими радиоотражающими пластинами, имеющими форму полудисков, совместно с радиоотражающими поверхностями V-образного паза или углубления V-образной формы, имеет размер, равный диаметру основания прямого кругового цилиндра корпуса юстировочно-калибровочного космического аппарата.

Кроме того, лазерные ретрорефлекторы выполнены в виде трехгранных лазерных уголковых отражателей.

Кроме того, солнечные батареи расположены на боковой поверхности прямого кругового цилиндра корпуса юстировочно-калибровочного КА.

Предлагаемый космический аппарат поясняется чертежами фиг. 1-фиг. 9.

Фиг. 1 - общий вид юстировочно-калибровочного космического аппарата с уголковым отражателем, образованным двумя плоскими радиоотражающими пластинами в форме полудисков 3, 4 совместно с радиоотражающими поверхностями 2 V-образного паза или углубления V-образной формы в рабочем (орбитальном) положении.

Фиг. 2 - вид юстировочно-калибровочного космического аппарата с двумя плоскими радиоотражающими пластинами в форме полудисков 3, 4 в транспортном положении перед запуском на орбиту вокруг Земли, где 7 - механизм раскрытия; 8 - узел фиксации к сегментам основания 5, 6 прямого кругового цилиндра; 10 - шарнирное соединение.

Фиг. 3 - вид сверху на космический аппарат с двумя плоскими радиоотражающими пластинами в форме полудисков 3, 4 в раскрытом положении, где 9 - лазерные ретрорефлекторы.

Фиг. 4 - вид юстировочно-калибровочного космического аппарата с двумя разворачивающимися плоскими радиоотражающими пластинами в форме полудисков 3, 4, где 7 - механизм раскрытия, 10 - шарнирное соединение, а 11 - механическое устройство фиксации раскрытого положения плоской радиоотражающей пластины.

Фиг. 5 - вид юстировочно-калибровочного космического аппарата с двумя плоскими радиоотражающими пластинами в форме полудисков 3, 4, развернутыми на угол α, где а - размер грани уголкового отражателя, образованного плоскими радиоотражающими пластинами, имеющими форму полудисков, совместно с радиоотражающими поверхностями V-образного паза или углубления V-образной формы; 7 - механизм раскрытия; 11 - механическое устройство фиксации раскрытого положения плоской радиоотражающей пластины.

На фиг. 6 представлена блок-схема информационной взаимосвязи микропроцессора, навигационной аппаратуры потребителя, микроконтроллера, блока сопряжения (БС) системы ориентации и стабилизации (СОИС) и узлов фиксации (УФ), содержащая:

12 - микроконтроллер (МК);

13 - микропроцессор (МП);

14 - навигационная аппаратура потребителя (НАП);

15 - блок сопряжения (БС);

16 - система ориентации и стабилизации (СОИС);

17 - узел фиксации 1 (УФ 1);

18 - узел фиксации 2 (УФ 2).

Информационная взаимосвязь осуществляется по линиям информационного обмена (на чертеже обозначены тонкой сплошной линией).

Выход НАП подключен к первому входу микропроцессора, первый выход микропроцессора подключен к первому входу микроконтроллера, первый выход микроконтроллера подключен к первому входу БС, первый выход БС подключен к входу СОИС. Выход СОИС подключен ко второму входу БС, второй выход БС подключен ко второму входу микроконтроллера, второй выход микроконтроллера подключен ко второму входу микропроцессора, который управляет процессом ориентации КА относительно калибруемой РЛС. Третий выход микропроцессора подключен к третьему входу микроконтроллера, третий выход микроконтроллера подключен к третьему входу БС, второй выход БС подключен к входу УФ 1 и УФ 2.

Фиг. 7 - относительное положение космического аппарата с уголковым отражателем и калибруемой РЛС после раскрытия плоских радиоотражающих пластин 3, 4, где 19 - биссектриса угла двугранного уголкового отражателя, образованного плоскими радиоотражающими пластинами в форме полудисков совместно с радиоотражающими поверхностями V-образного паза или углубления V-образной формы; 20 - основной лепесток индикатрисы рассеяния образованного уголкового отражателя; 21 - максимум основного лепестка индикатрисы рассеяния образованного УО; 22 - линия визирования калибруемой РЛС.

Фиг. 8 - сечение плоскостью XOZ основного лепестка пространственной индикатрисы рассеяния 23 уголкового отражателя, при значении угла между гранями, равном 90 градусов.

Фиг. 9 - сечение плоскостью XOZ основного лепестка пространственной индикатрисы рассеяния 24 уголкового отражателя, при этом угол α между гранями находится в диапазоне от (90-Δ) градусов до (90+Δ) градусов, где Δ - определяется из соотношения:

0<Δ<18λ/а,

λ - длина волны калибруемой РЛС;

а - размер грани уголкового отражателя.

Предлагаемый космический аппарат для юстировки и калибровки радиолокационной станции по величине эффективной поверхности рассеяния содержит корпус, выполненный в виде прямого кругового цилиндра 1 (фиг. 1). На корпусе внутри установлены приборный отсек, двигательная установка, системы ориентации и стабилизации, микропроцессор, навигационная аппаратура потребителя космических систем «ГЛОНАСС» и/или GPS (на чертеже не показаны).

На одном из оснований корпуса КА имеется V-образный паз или углубление V-образной формы, причем плоские грани паза или углубления имеют радиоотражающую поверхность.

На основании корпуса КА, имеющем V-образный паз или углубление V-образной формы, посредством шарниров 10 (фиг. 2, фиг. 4) установлены две откидные плоские радиоотражающие пластины 3 и 4 в форме полудисков, в раскрытом положении развернутые на угол α. Причем две плоские радиоотражающие пластины в форме полудисков в раскрытом положении совместно с радиоотражающими поверхностями V-образного паза или углубления V-образной формы образуют двугранный уголковый отражатель.

Откидные плоские радиоотражающие пластины 3, 4 снабжены механизмами раскрытия 7 (фиг. 2, фиг. 4, фиг. 5) и узлами фиксации 11 плоских радиоотражающих пластин к сегментам основания прямого кругового цилиндра корпуса КА.

Функционирование КА для юстировки и калибровки РЛС по величине ЭПР происходит следующим образом. На время выведения КА на орбиту откидные плоские радиоотражающие пластины, шарнирно связанные с сегментами основания прямого кругового цилиндра корпуса юстировочно-калибровочного КА, складывают параллельно основанию цилиндра корпуса КА и фиксируют в данном положении (фиг. 2). Таким образом, обеспечивается минимальный объем, занимаемый КА перед выводом на целевую орбиту.

После выведения КА на целевую орбиту с помощью навигационной аппаратуры потребителя космических систем «ГЛОНАСС» и/или GPS определяются текущие координаты КА. Затем, используя введенные в микропроцессор до запуска КА на орбиту программу для обработки информации и координаты радиолокационных станций, подлежащих калибровке по величине эффективной поверхности рассеяния, определяется РЛС, в зоне радиовидимости которой находится КА. Одновременно с помощью микропроцессора определяются положение центра масс КА относительно РЛС, а также ориентация осей связанной системы координат КА относительно линии визирования калибруемой радиолокационной станции. Одновременно микропроцессор производит расчет и вычисляет пространственное положение биссектрисы угла двугранного уголкового отражателя относительно линии визирования калибруемой радиолокационной станции на текущий момент времени. При расчете используются координаты (в связанной системе координат КА) середины ребра и положение биссектрисы угла двугранного уголкового отражателя, образованного двумя раскрытыми плоскими радиоотражающими пластинами, имеющими форму полудисков, совместно с радиоотражающими поверхностями V-образного паза или углубления V-образной формы, введенными в микропроцессор КА до запуска его на орбиту.

Полученные расчетные данные с первого выхода микропроцессора поступают на первый вход микроконтроллера, формирующего команды управления, которые с первого выхода микроконтроллера поступают на первый вход БС, а затем с первого выхода БС поступают на вход СОИС. СОИС осуществляет разворот КА и совмещение положения биссектрисы угла двугранного уголкового отражателя с линией визирования калибруемой радиолокационной станции.

Выход СОИС подключен ко второму входу БС, второй выход БС подключен ко второму входу микроконтроллера, второй выход микроконтроллера подключен ко второму входу микропроцессора, который управляет процессом ориентации КА относительно калибруемой РЛС в режиме реального времени.

При совмещении положения биссектрисы угла двугранного уголкового отражателя с линией визирования калибруемой РЛС с третьего выхода микропроцессора на третий вход микроконтроллера поступает сигнал, который преобразуется микроконтроллером и с третьего выхода микроконтроллера поступает на третий вход БС, а со второго выхода БС сигнал поступает на вход УФ 1 и УФ 2, в результате срабатывания которых плоские радиоотражающие пластины освобождаются от фиксации к корпусу КА и раскрываются при помощи механизмов раскрытия, образуя при этом двугранный уголковый отражатель (фиг. 7).

При этом угол α между гранями уголкового отражателя находится в диапазоне от (90-Δ) градусов до (90+Δ) градусов, где Δ - определяется из соотношения:

0<Δ<18λ/а,

λ - длина волны калибруемой РЛС,

а - размер грани уголкового отражателя, образованного плоскими радиоотражающими пластинами в форме полудисков совместно с радиоотражающими поверхностями V-образного паза или углубления V-образной формы.

Затем при помощи механических устройств фиксации раскрытого положения плоские радиоотражающие пластины жестко фиксируются при заданном угле α.

При этом наклеенные на оборотную сторону плоских радиоотражающих пластин тонкопленочные фотопреобразователи служат дополнительным источником электроэнергии для КА.

В дальнейшем информационная взаимосвязь микропроцессора, навигационной аппаратуры потребителя, микроконтроллера, блока сопряжения, системы ориентации и стабилизации КА обеспечивает удержание совмещения биссектрисы угла образованного двугранного уголкового отражателя с линией визирования калибруемой радиолокационной станции до момента окончания сеанса калибровки.

Причем основной лепесток индикатрисы рассеяния образованного двугранного уголкового отражателя в течение сеанса калибровки направлен на калибруемую радиолокационную станцию, а максимум основного лепестка индикатрисы рассеяния двугранного уголкового отражателя совпадает с линией визирования калибруемой радиолокационной станции.

Таким образом, предлагаемая конструкция КА для калибровки РЛС и информационная взаимосвязь микропроцессора, навигационной аппаратуры потребителя, микроконтроллера, блока сопряжения системы ориентации и стабилизации КА позволяет получить свойства, отличные от свойств известных решений, а именно:

- высокоэффективную поверхность рассеяния (большую ЭПР) за счет использования уголкового отражателя;

- постоянное значение ЭПР в направлении калибруемой РЛС за счет ориентации основного лепестка индикатрисы рассеяния УО на РЛС и сохранения заданной ориентации в течение сеанса калибровки.

Использование КА, элементы конструкции которого образуют на целевой орбите двугранный уголковый отражатель с гранями, развернутыми на заданный угол α в диапазоне от (90-Δ) градусов до (90+Δ) градусов, позволяет достичь «уплощения» формы основного лепестка индикатрисы рассеяния уголкового отражателя в горизонтальной плоскости. При этом сектор углов индикатрисы рассеяния уголкового отражателя в горизонтальной плоскости, в котором его ЭПР практически не меняется, достигает ±10 градусов [5], стр. 150, рис. 4.7, кривые 2, 3.

Следует также отметить, что значение ЭПР предлагаемого КА с УО при величине грани уголкового отражателя 50 см, в направлении РЛС, работающей на длине волны 7 см, с учетом уменьшения ее значения на 3 дБ за счет отклонения угла между гранями УО на угол α в диапазоне от (90-Δ) градусов до (90+Δ) градусов для «уплощения» формы основного лепестка, составит 1000 м², что в 300 раз больше ЭПР сферического отражателя диаметром 200 см [1], стр. 49, таблица 2.1.3. При этом дальность обнаружения, а значит и дальность, на которой возможно проводить юстировку и калибровать РЛС, возрастет в 3 раза.

Более того, применение предлагаемого КА с УО позволит проводить калибровку по величине ЭПР высокопотенциальных РЛС в режиме функционирования с пониженной мощностью излучения (так называемого «энергосберегающего режима).

Введение информационных линий связи микропроцессора, НАП космических систем «ГЛОНАСС» и/или GPS, микроконтроллера, блока сопряжения с системой ориентации и стабилизации обеспечивает:

- определение положения центра масс КА относительно местоположения выбранной калибруемой радиолокационной станции;

- определение пространственного положения биссектрисы угла двугранного уголкового отражателя относительно линии визирования калибруемой радиолокационной станции на текущий момент времени;

- удержание с помощью системы ориентации и стабилизации КА совмещения биссектрисы угла уголкового отражателя с линией визирования калибруемой радиолокационной станции до момента окончания сеанса калибровки.

В результате сохраняется ориентация максимума основного лепестка индикатрисы рассеяния УО вдоль линии визирования калибруемой радиолокационной станции и, следовательно, постоянное значение ЭПР уголкового отражателя в направлении РЛС в течение сеанса калибровки РЛС по величине эффективной поверхности рассеяния.

При точности ориентации и стабилизации КА не более 0,5 градуса [1], стр. 259, [6], стр. 412, изменение ЭПР КА с УО в направлении максимума основного лепестка индикатрисы рассеяния УО не превышает 0,5 дБ, что обеспечит требуемую точность измерения ЭПР по отраженному сигналу не хуже 1 дБ [1], стр. 50.

Это позволяет сделать вывод о возможности использования предлагаемого юстировочно-калибровочного КА для юстировки и калибровки радиолокаторов наземного и космического базирования, работающих на волнах круговой поляризации при параллельном приеме отраженных сигналов, а также проведения калибровки по величине ЭПР высокопотенциальных РЛС в режиме функционирования с пониженной мощностью излучения (так называемого «энергосберегающего режима).

Источники информации

1. Малые космические аппараты информационного обеспечения / под ред. Фатеева В.Ф. - М.: Радиотехника. 2010. С. 47-50, с. 259.

2. Леонов А.И., Леонов С.А., Нагулинко Ф.В. и др. Испытания РЛС / под ред. Леонова А.И. - М.: Радио и связь. 1990. С. 37.

3. Ракеты и космические аппараты КБ «Южное» / под ред. Конюхова С.Н. - Днепропетровск. ГКБ «Южное» им. М.К. Янгеля. 2000. С. 198-200.

4. Майзельс Е.Н., Торгованов В.А. Измерение характеристик рассеяния радиолокационных целей / под ред. Колосова М.А. - М.: Советское радио. 1972. С. 144-145, с. 193-194, с. 204-213.

5. Кобак В.О. Радиолокационные отражатели / под ред. Леонтьевского О.Н. - М.: Советское радио. 1975. С. 103, с. 139, с. 144, с. 146, с. 150, с. 152, с. 235.

6. Бакитько Р.В., Болденков Е.Н., Булавский Н.Т. и др. ГЛОНАСС.Принципы построения и функционирования / под ред. Перова А.И., Харисова В.Н. М: Радиотехника. 2010. с. 412.

7. Майсеня Л.И. Справочник по математике: основные понятия и формулы. - Минск: Выш. шк. 2011. С. 201-203.

8. Патент RU №2481248, 27.12.2011. Космический аппарат с эталонными отражателями / Савельев Б.И. Открытое акционерное общество "Военно-промышленная корпорация "Научно-производственное объединение машиностроения".