Лазерная информационная система обеспечения сближения и стыковки космических аппаратов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Центральный научно исследовательский и опытно-конструкторский институт робототехники и технической кибернетики

УДК 535.31:681.7 53.082.5

Лазерная информационная система обеспечения сближения и стыковки космических аппаратов

Н.А. Грязнов, канд. физ.-мат. наук;

В.И. Купренюк, канд. физ.-мат. наук;

Е.Н. Соснов

Санкт-Петербург

Аннотация

Проанализированы параметры лазерных космических бортовых систем для обеспечения сближения и стыковки космических аппаратов. Показано, что при поиске космического объекта сканирующие системы имеют преимущества перед системами активного видения на основе видеокамеры с лазерной подсветкой (так называемыми 3D-FlashLADAR-системами). С другой стороны,3D-FlashLADAR системы имеют максимальную информационную производительность. Рассмотрена гибридная схема линейного локатора, сочетающая достоинства лазерных сканирующих систем и 3D-FlashLADAR устройств.

Ключевые слова: лазерная локация, сканирование, 3D-FlashLadar, производительность, времяпролетный метод, космический аппарат

В настоящее время для обеспечения сближения и стыковки космических аппаратов (КА) используется радиотехническая система взаимных траекторных измерений «Курс», осуществляющая измерения с дальности 200 км и обеспечивающая контакт при стыковке со скоростью около 0,3 м/с и линейной точностью 0,10…0,15 м [1]. Под процессом сближения, как правило, понимается управляемое перемещение центра масс одного космического аппарата (активного, осуществляющего маневрирование) относительного другого КА (пассивного, не осуществляющего маневрирования) [2]. С точки зрения проведения измерений относительного положения система «Курс» принципиально является активно-активной, измерения проводятся как на борту активного КА, так и на борту пассивного КА.

Лазерные локационные системы (ЛЛС) обладают рядом преимуществ, по сравнению с радиотехническими средствами. Существенно меньшая длина волны позволяет осуществлять измерения параметров относительного движения с большей точностью при значительно меньших габаритах и массе оптических антенн (формирующих оптических систем). При этом система является активно-пассивной, не требуя размещения аппаратуры на борту пассивного КА, или, в случае кооперируемого аппарата, для увеличения эффективности системы используя размещение на пассивном КА ретрорефлекторов, составленных из зеркальных уголковых отражателей или триппель-призм.

СОВРЕМЕННЫЕ БОРТОВЫЕ ЛАЗЕРНЫЕ ЛОКАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ

К настоящему времени проведен целый ряд экспериментов по использованию работающих в оптическом диапазоне средств сближения КА с международной космической станцией (МКС) и многоразовыми КА SpaceShuttle [3,4]. В числе этих устройств были как лазерные локационные системы, сканирующие узкий лазерный луч по двум ортогональным координатам, так и системы без сканирования с лазерной подсветкой, которые можно отнести к лазерным системам видения. Большинство экспериментов проводилось при работе по уголковым отражателям, специальным образом размещенным на пассивном КА.

Среди систем, продемонстрировавших наилучшие результаты, следует отметить лазерный сканирующий локатор RendezvousLidarSensor (RLS) фирмы MDA Optech (Канада) [5]. Эта система построена на основе волоконного лазера с длительностью импульса излучения 1 нс, работающего при частоте повторения от 8 до 10 кГц. Сканирование по ортогональным координатам осуществляется двумя независимо управляемыми зеркалами в диапазоне ±10°. При работе по диффузно-отражающему объекту удалось достичь рабочей дальности 3 км. При этом погрешность определения дальности составила 1 см, погрешность определения углового положения составила 0,2°. При определении погрешности измерения дальности речь идет об определении расстояния до ближайшей точки объекта по переднему фронту отраженного сигнала, когда длительность зондирующего импульса и форма объекта не влияют на результат измерений. Частота выдачи координатной информации в центральный процессор составила 10 Гц. Масса прибора составляла 10 кг, энергопотребление 75 Вт.

Другая испытанная в космосе лазерная сканирующая система - телегониометерTGM фирмы JenaOptronik [6], использующая в качестве излучателя лазерный диод с длиной волны 0,91 мкм, продемонстрировала рабочую дальность 1,5 км при работе по системе уголковых отражателей. Поле зрения прибора составляло 40°Ч40°, частота выдачи информации не превышала 3 Гц, масса прибора 14,3 кг, энергопотребление 70 Вт.

Примером альтернативного подхода к построению системы сближения является аппаратура «DragonEye» фирмы AdvancedScientificConceptsInc. [7], функционирующая на основе технологии активного видения на основе 3D-видеокамеры с лазерной подсветкой (так называемый 3D-FlashLADAR). Аппаратура 3D-FlashLADAR не использует подвижных механических узлов, что является существенным достоинством системы, работающей в условиях открытого космоса. Лазер подсветки с длиной волны 1,57 мкм работал на частоте 30 Гц, энергия в импульсе составляла от 2,5 до 7,0 мДж. Поле зрения прибора составляло 45°Ч45°, разрешение по углам определялось размерностью использованной матрицы128Ч128 элементов. При работе по набору уголковых отражателей «Созвездие», установленных на американском сегменте МКС, максимальная дальность измерений составила 1,5 км. Масса аппаратуры составляла 3 кг, энергопотребление 35 Вт.

Еще одной системой, построенной по технологии 3D-FlashLADARи прошедшей летные испытания, стала система VisionNavigationSensor (VNS) [8], разработанная исследовательским центром NASA в Лэнгли. Измерения проводились по тому же набору уголковых отражателей «Созвездие». Дальность измерений составила 5 км при поле подсветки 12°Ч20°. Фотоприемноеустройство имело поле зрения 20°, разрешение по углам соответствовало размерности использованной матрицы 256Ч256 элементов. Использовался лазер подсветки, аналогичный примененномув аппаратуре «DragonEye». Прибор может осуществлять визуализацию формируемого трехмерного изображения.Масса аппаратуры составила 13 кг при энергопотреблении 30 Вт.

В России в данный момент системы на базе 3D-FlashLADAR технологии могут создаваться только с использованием импортных фотоприемных матриц. В качестве бортовой лазерной локационной системы для перспективного космического корабля (ОАО «РКК «Энергия им. С.П. Королева») и в настоящее время в ЦНИИ РТК разрабатывается лидарная измерительная система «ЛИС» [9]. Эта система должна обнаруживать пассивный КА с расстояния 30 км при наличии на объекте системы уголковых отражателей, и с расстояния 10 км - при их отсутствии. Поле обзора в режиме поиска должно составлять 40°Ч40°, время обзора - не более 20 с. Частота обновления координатной информации об объекте на средних и ближних дистанциях, когда объект уже может быть опознан, и зона сканирования уменьшена, должна быть увеличена до 5Гц. Масса прибора не должна превышать 15 кг, а энергопотребление в активной фазе должно быть не более 100 Вт.

Для количественного сравнения разработанных и разрабатываемых систем сближения введем понятие пространственной производительности системы S_vol:

(1),

где V - объем зондируемого пространства, T_full- время обзора.

Поскольку для космических систем важнейшими параметрами являются также энергопотребление прибора и его масса [10], введем понятия удельной производительности по энергетике s_en и по массе s_m:

(2),

(3),

где W₀ - энергопотребление прибора, M - масса прибора.

В табл. 1 приведены характеристики производительности испытанных бортовых ЛЛС и разрабатываемой системы «ЛИС».

По данным таблицы 1, при работе по набору уголковых отражателей из уже апробированных систем по пространственной производительности и удельной производительности по энергетике лучшие показатели у VisionNavigationSensor, а по удельной производительности по массе лучшие показатели - у другой 3D-FlashLADAR системы - «DragonEye». Вместе с тем, разрабатываемая сканирующая лидарная измерительная система «ЛИС» превосходит все эти системы по обоим показателям.

Если оперировать параметрами, заявленными производителем, при работе по диффузно-отражающему объекту, система «ЛИС» уступает сканирующей системе RLS. Однако заявленная производителем частота вывода информации, равная 10 Гц, не является характеристикой полного времени обзора. Действительно, при частоте следования импульсов 10 кГц, поле зрения 20°Ч20°, разрешении по углу 0,2°, время полного обзора составит не менее 1 с, таким образом, частота вывода полного объема информации в режиме поиска не может быть более 1 Гц, что приводит к уменьшению производительности на порядок по сравнению с заявленной. Следовательно, характеристики системы «ЛИС» будут превосходить таковые для систем, прошедших летные испытания, по всем показателям пространственной производительности.

Еще одной характеристикой измерительной системы может быть информационная производительность P_inf, характеризующая объем информации (предельное число точек в трехмерном пространстве), получаемой в единицу времени.

Для классических сканирующих лазерных локационных систем эта величина равна частоте повторения импульсов лазера f_rep, если в системе не предусмотрено дополнительного стробирования. Таким образом, для классических ЛЛС максимально возможная информационная производительность равна:

(4).

Для систем, построенных по технологии 3D-FlashLADAR и использующих приемную матрицу N₁ЧN₂ элементов при частоте повторения импульсов лазера подсветки f_rep, информационная производительность определяется выражением:

(5).

Определяя аналогично формулам (2) и (3) удельные информационные производительности по энергетике р_en и по массе р_m, получаем:

(6),

(7).

В таблице 2 приведены оценки максимальной информационной производительности для рассмотренных выше систем в режиме поиска (обнаружения КА).

Как видно из таблицы, в режиме поиска сканирующие ЛЛС заметно уступают по информационной производительности 3D-FlashLADAR системам. Однако в средней и ближней зоне, когда зона сканирования может быть уменьшена, столь сильный разрыв между информационными производительностями систем двух типов может быть частично компенсирован. Системы, построенные по технологии 3D-FlashLADAR, имеют высокую производительность, но сравнительно низкое пространственное разрешение. Кроме того, они требуют от лазера в раз большей энергии в каждом импульсе, чем классические ЛЛС. Требуемые уровни энергии, как правило, недостижимы для находящих применение в космических условиях типах лазеров.

Существует возможность увеличения информационной производительностисканирующей локационной системы путем повышения частоты повторения следования импульсов на выходе волоконного лазера вплоть до 1 МГц, но это потребует соответствующего повышения скоростей сканирования. Кроме того, возникнут проблемы с однозначностью определения дальности времяпролетным методом. Так, при частоте повторения 50 кГц зона однозначного определения дальности не превысит 3 км. Применение систем кодировки зондирующих импульсов [11] не способно решить задачу при столь высоких частотах следования импульсов.

Проведенный анализ показал, что современные сканирующие ЛЛС имеют лучшую пространственную производительность, включая удельные характеристики по энергопотреблению и по массе. По информационной производительности более высокие показатели имеют системы, построенные по технологии 3D-FlashLADAR.

С точки зрения построения перспективной лазерно-оптической системы обеспечения сближения и стыковки космических аппаратов возможны два решения. Первое связано с созданием комплекса аппаратуры, где каждая подсистема решает задачи сближения на определенном участке траектории. Второй путь - создание гибридной системы, сочетающей преимущества сканирующих ЛЛС и систем на основе 3D-FlashLADAR.

ЛИНЕЙНЫЙ ЛОКАТОР

В линейном локаторе используется одномерный массив времяпролетных фотоприемников, а сканирование осуществляется по координате, ортогональной линейке приемников. При этом пространственное распределение излучения подсветки формируется в виде линии, для которой расходимость по одной координате соответствует полю зрения одиночного приемника, а по другой координате (перпендикулярно которой происходит сканирование) соответствует полному полю обзора по этой координате.

Сравнительные схемы построения систем локации приведены на рисунке 1.

Рассмотрим возможности локатора, построенного по схеме одномерного сканирования. Для сравнения производительности такого локатора с известными системами рассмотрим его возможности по обнаружению объекта, на котором установлены уголковые отражатели, так как большинство экспериментов были проведены именно в таких условиях. В качестве источника излучения для оценок рассмотрим серийный лазер TECH-1053-Advanced, производства фирмы ООО «Лазер-экспорт» (г. Москва). Для этого лазера энергия в импульсе равна 1 мДж, частота следования может варьироваться от 0 до 4кГц, длительность импульса равна 4 нс, масса лазера с блоком питания не превышает 3,5 кг, энергопотребление не более 70 Вт. В качестве системы регистрации рассматриваем линейный приемник, содержащий 256 элементов. Скорость сканирования по угловой координате примем равной 400 град/с (что соответствует 66,7 об/мин), чтобы угловое разрешение было одинаковым по обеим координатам. При частоте следования импульсов 2,56 кГц время полного обзора составит 0,1 с (частота кадров 10 Гц). Общая масса ЛЛС не превысит 6 кг, энергопотребление - не более 100 Вт. Система формирования пространственного распределения излучения должна формировать расходимость пучка 40°Ч9,4' (2,7 мрад). Диаметр приемного объектива положим равным 60 мм, суммарное пропускание приемного и передающего тракта полагаем равным 0,7.

В качестве наблюдаемого объекта рассмотрим набор уголковых отражателей с эффективной площадью 0,01 м² и коэффициентом отражения 0,85 [10]. Погрешности изготовления и сборки уголкового отражателя примем близкими к дифракционной угловой расходимости лазерного пучка с поперечным сечением,соответствующим апертуре одиночного уголкового отражателя.

Оценки показывают, что при дальности до объекта 10 км, и с учетом всех потерь, мощность сигнала на входе приемника (P_in) равна 7,5 нВт. При использовании ЛФД с чувствительностью , равной 0,6 А/Вт в спектральной области 1,053 мкм, и внутридетекторного усиления A сигнала в 25 раз получаем сигнал на выходе ЛФД:

(8)

Учитывая емкость С перехода ЛФД, равную С=2 пф, и требуемую полосу пропускания приемного тракта B, равную ~100 МГц, допустимо использование сопротивления нагрузки:

(9)

Напряжение сигнала на указанном сопротивлении составит 280 мкВ.

Напряжение теплового шума на активном сопротивлении вычисляется по формуле Джонсона

(10)

На сопротивлении в 2,5 кОм при температуре Т=300 К оно составляет 60-70 мкВ. Таким образом, мы имеем четырехкратное превышение сигнала над шумом, которое обеспечивает регистрацию сигнала на дальности 10 км с достаточно высокой вероятностью.

Рассчитывая параметры производительности по формулам (1)-(7), получаем:

S_vol= 1263 км³/с, s_m= 210,5 км³/(с Ч кг), s_en= 12,6 км³/(Втс);

P_inf= 655360 точек/с, p_m= 109226 точек/(с Ч кг), p_en= 6553 точек/(Втс).

Сравнивая эти результаты с данными в таблицах 1 и 2, можно сделать вывод, что такой линейный локатор превосходит рассмотренные системы по пространственной производительности, а по информационной производительности оказывается сравним с устройствами, построенными по технологии 3D_FlashLADAR.

СХЕМА ПОСТРОЕНИЯ ЛИНЕЙНОГО ЛОКАТОРА

На рисунке 2 приведена структурная схема линейного локатора. Излучение лазерного источника 1 проходит через систему формирования анизотропного пространственного распределения 2 и через вспомогательное зеркало 3 и систему сканирования по одной угловой координате 4-6 излучается в направлении наблюдаемого объекта. Отраженное или диффузно рассеянное от объекта излучение через систему сканирования попадает на входной объектив приемной системы7. Входной объектив формирует изображение на линейном приемнике 8.

Линейный приемник образован торцами 256 волокон, спеченных в линейку. Диаметр каждого волокна (или нескольких волокон, суммарный размер которых равен расчетному диаметру волокна) равен d=F?/N, где F- эквивалентный фокус приемного объектива, ? - поле зрения приемного объектива, равное полю сканирования, N - число элементов разрешения (пикселов) в поле сканирования. Приемный объектив обеспечивает формирование кружка рассеяния принимаемого излучения с размером, соответствующим размеру пиксела.

Торцевые волокна далее формируются в жгут, транспортирующий принимаемые световые импульсы к элементам многоэлементного фотоприемного устройства 9, представляющего собой набор отдельных высокоскоростных, высокочувствительных одноплощадочных фотоприемников, например, лавинных фотодиодов, с микросхемами предусилителей. На систему обработки эхо-сигналов10 поступают принятые фотоприемниками импульсы и старт-импульсы с датчика старта импульса 12, регистрирующего момент излучения импульса лазером за счет рассеяния излучения на поверхности элементов 2. Результат измерения времени пролета и номер фотоприемника, с которого получен эхо-сигнал, поступают в центральный процессор 13.

В 13 поступают также данные с датчика угла 5 привода сканирования 4. Обработка этих данных позволяет построить 3D рельеф зондируемого пространства [12]. Кроме функций обработки данных с указанных выше датчиков и фотоприемников, центральный процессор 13 обеспечивает управление блоком питания лазера 11 и контроллером привода сканируемого зеркала 14. Как уже говорилось, в качестве излучателя предполагается использовать твердотельный лазер с диодной накачкой и модуляцией добротности. Он должен работать в импульсно-периодическом режиме с частотой повторения импульсов до нескольких кГц и энергией в импульсе несколько мДж.

Система формирования зондирующего пучка 2 может быть построена на базе классической цилиндрической оптики или с использованием специальных голографических пространственных устройств формирования анизотропного распределения.

Предполагается, что система линейного сканирования будет организована с использованием однокоординатного сканируемого зеркала с электромагнитным приводом или с использованием системы из двух вращающихся клиньев.

В качестве фотоприемника может быть использована линейка фотодиодов. Однако в настоящее время такие линейки не выпускаются российскими производителями. Поэтому рассматривается вариант описанной выше оптоволоконной системы. Такой способ реализации позволяет использовать не только импортные, но и отечественные серийно выпускаемые фотоприемники. Кроме того, при использовании волоконной системы, позволяющей варьировать размеры пиксела приемника, легче согласовать и оптимизировать параметры фотоприемника и приемного объектива.

Заключение

Проведенный анализ показал, что лазерная локационная система, построенная по схеме линейного локатора, имеет существенно большую пространственную производительность по сравнению с апробированными в космических условия ЛЛС сближения и стыковки. По информационной производительности линейный локатор превосходит существующие и разрабатываемые лазерные космические сканирующие системы и приближается к системам, построенным по технологии 3D-FlashLADAR. Такой прибор может быть реализован на основе линейного времяпролетного датчика на базе лавинных фотодиодов, наносекундного импульсно-периодического твердотельного лазера с энергией импульса в несколько мДж и частотой повторения импульсов в единицы кГц, системы формирования анизотропного распределения излучения подсветки и механического одномерного сканирующего устройства. При этом требуемая скорость сканирования не превышает 100 об/мин.

Вышеприведенные оценки работоспособности прибора проведены на основе параметров уже существующих элементов, что подтверждает реализуемость такой аппаратуры.

Статья подготовлена при поддержке Министерства образования и науки в ходе выполнения работ по Соглашению от 08.07.2014 г. № 14.575.21.0055 о предоставлении субсидии в целях реализации федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014 - 2020 годы».

космический лазерный стыковка локатор

Таблица 1 Сравнение пространственной производительности лазерных локационных систем в режиме поиска (обнаружения)

Таблица 2 Сравнение информационной производительности лазерных локационных систем в режиме поиска (обнаружения)

Рисунок 1 Схема построения сканирующей ЛЛС (1-3), линейного локатора (4-6) и 3D-FlashLADAR (7-8): 1-лазерный источник, 2- одиночный приемник, 3 - двумерный сканер; 4- лазерный источник с анизотропным пространственным распределением (генератор линии), 5 - линейный приемник, 6 - одномерный сканатор; 7 - лазерный источник двумерной подсветки, 8 - матричный приемник, 9 - поле зрения локатора

Рисунок 2 Структурная схема линейного локатора: 1 - лазерный источник, 2 - система формирования анизотропного пространственного распределения, 3-вспомогательное зеркало, 4- привод сканирования, 5 - датчик угла, 6 - система сканирования по одной угловой координате, 7- входной объектив приемной системы, 8- линейный приемник, 9 - многоэлементное фотоприемное устройство, 10-система обработки сигналов, 11-блок питания лазерного источника, 12 - датчик старта импульса, 13 - центральный процессор, 14- контроллер привода сканирующего зеркала

Литература

1 Легостаев В.П., Микрин Е.А., Орловский И.В., Платонов В.Н., Борисенко Ю. Н., Евдокимов С.Н. Создание и развитие систем управления движением транспортных космических кораблей «Союз» и «Прогресс»: опыт эксплуатации, планируемая модернизация аппаратов // Труды МФТИ. 2009. Т.1. № 3. С.4-13.

2 Гончаревский В.С. Радиоуправление сближением космических аппаратов. М.: Советское радио. 1976. 240 с.

3 Старовойтов Е.И. Бортовые лазерные локационные системы космических аппаратов: Учебное пособие. Королев. ОАО «РКК «Энергия». 2015. 120 с.

4 Старовойтов Е.И. Оптические и оптико-электронные приборы и системы космических аппаратов: Учебное пособие. Королев. ОАО «РКК «Энергия». 2014. 56 с.

5 Allen A.C.M., Langley C., Mukherji R., Taylor A.B., Umasuthan M., Barfoot T.D. Rendezvous lidar sensor system for terminal rendezvous, capture, and berthing to the International Space Station // Proc. SPIE . 2008. V.6958. P.69580S.

6 Moebius B., Kolk K.-H. RendezVous Sensor for Automatic Guidance of Transfer Vehicles to ISS Concept of the Operational Modes Depending on Actual Optical and Geometrical-Dynamical Conditions // Proc. SPIE. 2000. V. 4134. P.298-309.

7 Piatti D., Rinaudo F. SR-4000 and CamCube3.0 Time of Flight (ToF) Cameras: Tests and Comparison // Remote Sens. 2012.V. 4. N. 4. P. 1069-1089.

8 Christian J., Hinkel H. , D'Souza C. , Maguire S., Patangan M. The Sensor Test for Orion RelNav Risk Mitigation (STORRM) Development Test Objective / in AIAA Guidance, Navigation, and Control Conference 2011. 2011. V.2. P.994-1013.

9 Грязнов Н.А., Панталеев С.М., Иванов А.Е., Куликов Д.С. Высокопроизводительный метод измерений координат объектов в условиях космического пространства // Научно-технические ведомости СПбГПУ. Математические методы. Моделирование. Экспериментальные исследования. 2013.№2 (171).С. 197-202.

10 Зубов Н.Е., Савчук Д.В., Старовойтов Е.И. Оптимизация массы и энергопотребления лазерных локационных систем для управления сближением и стыковкой космических аппаратов // Космическая техника и технологии. 2014. №3(6). С. 39-42.

11 Лопота В.А., Легостаев В.П., Рудой И.Г., Сорока А.М., Зеленщиков А.Н. Способ лазерной локации // Патент РФ № 2456637 от 26.10.2010.

12 Нгуен А.В., Михайлов Б.Б. Метод распознавания многогранных 3D объектов // Робототехника и техническая кибернетика. 2014. №1(2). С.65-70.

Размещено на Allbest.ru