КОЛЬЦЕВАЯ РЕТРОРЕФЛЕКТОРНАЯ СИСТЕМА Российский патент 2014 года по МПК G02B5/122 G01S17/66 H01Q15/18 

Изобретение относится к области лазерной дальнометрии и может быть использовано в системах отражения света, а именно в ретрорефлекторных системах (PC) космических аппаратов (КА).

Известны устройства, представляющие собой имитаторы подвижной радиолокационной цели (патент RU 2337376 C1, патент RU 82832 U1). Имитаторы содержат уголковые отражатели, жестко прикрепленные к несущему колесу равномерно по его окружности, экран, раму на колесах.

Недостатком этих устройств является невозможность использования имитаторов для отражения лазерного излучения на КА в открытом космосе.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому изобретению является лазерная ретрорефлекторная антенна (система) для космического аппарата (КА) типа «Метеор-3» с трехосной ориентацией, состоящая из восьми уголковых отражателей (световозвращателей), расположенных по кругу на конусе, имеющем угол при основании, равный 40°, а другие шестнадцать - на конусе с углом 50°. Уголковые отражатели с двухпятенными диаграммами направленности (ДН), гантелеобразные по форме, строго ориентированы относительно их направления полета, что позволяет повысить энергетическую эффективность панели по сравнению с использованием осесимметричных гауссообразных ДН (Статья авторов В.Б. Бурмистрова, Н.М. Союзовой и др. «Разработка лазерных ретрорефлекторных антенн на основе уголковых световозвращателей для высокоточных измерений дальности до космических аппаратов», опубл. в журн. «Электромагнитные волны и электронные системы», 2007 г., №7).

Недостатком такого технического решения является расположение уголковых отражателей в PC, которое не позволяет ее использовать для одноосно ориентированных спутников, например, ГЛОНАСС. В этом случае PC при движении спутника вращается вокруг оси, направленной на центр Земли.

Техническим результатом, достигаемым при осуществлении заявляемого технического решения, является более точное измерение расстояния до центра РС и возможность использования конструкции РС в одноосноориентированных спутниках, например, ГЛОНАСС.

Для достижения указанного технического результата необходимо использовать уголковые отражатели, выполненные, например, из кварца, с пирамидальной вершиной, на боковых гранях которых имеется отражающее покрытие, например, из алюминия; в каждом таком уголковом отражателе один из трех двугранных углов при вершине выполнен с заданным отступлением от 90°.

Указанный технический результат достигается тем, что в кольцевой ретрорефлекторной системе, состоящей из уголковых отражателей с пирамидальной вершиной и основанием, на боковых гранях которых имеется отражающее покрытие, при этом уголковые отражатели выполнены, например, из кварца, а в каждом уголковом отражателе один из трех двугранных углов при вершине выполнен с заданным отступлением от 90°, вершины уголковых отражателей расположены равномерно по окружности так, что основания уголковых отражателей расположены в одной плоскости, причем каждый уголковый отражатель развернут таким образом, чтобы проекция ребра двугранного угла уголкового отражателя, выполненного с заданным отступлением от 90°, на плоскость составляла с касательной к окружности одинаковые углы для всех уголковых отражателей, причем проекции диаметрально противоположных ребер двугранных углов уголковых отражателей, выполненных с заданным отступлением от 90°, параллельны.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где изображены:

на фиг.1 - схема расположения уголковых отражателей,

на фиг.2 - ориентация диаграмм направленности уголковых отражателей,

на фиг.3 - диаграмма направленности уголкового отражателя.

Кольцевая PC состоит из уголковых отражателей 1 с пирамидальной вершиной 2 и основанием 3. Выполнены уголковые отражатели, например, из кварца, с отражающим покрытием, например, из алюминия, на боковых гранях. В каждом уголковом отражателе один из трех двугранных углов 4 (показан сплошной линией) при вершине выполнен с заведомо заданным отступлением от 90° (с развалом). Уголковые отражатели 1 расположены равномерно по окружности так, что основания 3 уголковых отражателей 1 расположены в одной плоскости. Каждый уголковый отражатель 1 развернут таким образом, чтобы проекция ребра двугранного угла 4, выполненного с заведомо заданным отступлением от 90°, на плоскость составляла с касательной к окружности одинаковые углы для всех уголковых отражателей.

Проекции диаметрально противоположных ребер двугранных углов 4 уголковых отражателей кольцевой PC, выполненных с заданным отступлением от 90°, параллельны.

Принцип работы кольцевой PC с развернутыми УО состоит в следующем.

Поскольку один из двугранных углов отличается от 90° на величину, например, 2-3 угловые секунды, то на выходе из каждого УО возникают два отраженных луча. Это необходимо для того, чтобы компенсировать аберрацию скорости, вследствие которой ось отраженного пучка отклоняется от первоначального направления. Угловое расстояние между двумя лучами (и соответственно, отклонение двугранного угла), отраженными от одного УО, подбирается таким образом, чтобы один из лучей попадал точно на приемник. На фиг.3 представлена двухпятенная диаграмма направленности, в данном случае двухлепестковая по форме, а не гантелеобразная, как в прототипе. Такая диаграмма образуется при увеличенных размерах уголкового отражателя: чем больше размер уголкового отражателя, тем интенсивней отраженный сигнал, поскольку на приемник попадает свет только от бокового лепестка.

Согласно предлагаемому техническому решению, УО в кольцевой PC располагают равномерно по окружности так, чтобы УО на противоположных сторонах кольцевой PC имели одинаковую ориентацию.

Лазерный пучок от передатчика, расположенного на Земле, падает на кольцевую PC и отражается от каждого УО. Поскольку для навигационных спутников ГЛОНАСС PC не ориентирована в плоскости, перпендикулярной направлению на центр Земли, то в нужном направлении на приемник попадают лучи только от УО, которые определенным образом ориентируются в плоскости PC. Таким образом, вследствие специальной конструкции кольцевой PC, в приемный тракт лазерного дальномера попадают импульсы от УО, расположенных только на противоположных сторонах кольцевой PC, т.е. отраженный сигнал в лазерном дальномере формируется не всеми УО системы.

Это позволяет получить отраженное излучение в виде двух сигналов для любой ориентации спутника от нескольких противоположных УО, в случае плотного их расположения по окружности, или от двух УО, расположенных на противоположных сторонах кольцевой PC. Использование не одного, а двух УО с одинаковой ориентацией, разнесенных на некоторое расстояние, решает важную задачу снижения погрешности измерений дальности.

В лазерном дальномере измеряется время распространения сверхкороткого лазерного импульса (≈50 пикосекунд) от лазерного передатчика до PC и обратно от PC до фотоприемника. Дальность рассчитывается до геометрического центра PC, при этом требуемая точность измерения в настоящее время составляет 1 мм после учета рефракционной поправки.

В известных технических решениях, описанных в статье авторов В.Б. Бурмистрова, Н.М. Союзовой и др. «Разработка лазерных ретрорефлекторных антенн на основе уголковых световозвращателей для высокоточных измерений дальности до космических аппаратов», опубл. в журн. «Электромагнитные волны и электронные системы», 2007 г., №7, будь то плоская прямоугольная панель УО, или кольцевая панель, заполненная уголковыми отражателями без покрытия граней и без развала одного из двугранных углов, отраженный импульс, формируемый всеми УО PC, значительно уширяется пропорционально размерам панели. В настоящее время погрешность определения дальности до геометрического центра PC составляет несколько миллиметров.

В предлагаемом решении при отражении от кольцевой PC в приемном тракте лазерного дальномера возникает два импульса, форма и длительность которых не искажается PC. Вычисление промежутка времени между импульсами позволяет определить расстояние до геометрического центра панели с точностью до 1 мм. Решение более точного измерения дальности позволяет в свою очередь более точно определить параметры орбиты навигационного спутника и в конечном итоге более точно определить местонахождение потребителя навигационной системы.

Изобретение может быть использовано в ретрорефлекторных системах (PC) космических аппаратов. Кольцевая ретрорефлекторная система состоит из уголковых отражателей с пирамидальной вершиной и основанием, на боковых гранях которых имеется отражающее покрытие. В каждом уголковом отражателе один из трех двугранных углов при вершине выполнен с заданным отступлением от 90°. Вершины уголковых отражателей расположены равномерно по окружности так, что основания уголковых отражателей расположены в одной плоскости. Каждый уголковый отражатель развернут таким образом, чтобы проекция ребра двугранного угла уголкового отражателя, выполненного с заданным отступлением от 90°, на плоскость составляла с касательной к окружности одинаковые углы для всех уголковых отражателей. Проекции диаметрально противоположных ребер двугранных углов уголковых отражателей, выполненных с заданным отступлением от 90°, параллельны. Технический результат - повышение точности измерения расстояния до центра РС и возможность ее использования в одноосно ориентированных спутниках, например, ГЛОНАСС. 3 ил.

Кольцевая ретрорефлекторная система, состоящая из уголковых отражателей с пирамидальной вершиной и основанием, на боковых гранях которых имеется отражающее покрытие, при этом уголковые отражатели выполнены, например, из кварца, а в каждом уголковом отражателе один из трех двугранных углов при вершине выполнен с заданным отступлением от 90°, отличающаяся тем, что вершины уголковых отражателей расположены равномерно по окружности так, что основания уголковых отражателей расположены в одной плоскости, причем каждый уголковый отражатель развернут таким образом, чтобы проекция ребра двугранного угла уголкового отражателя, выполненного с заданным отступлением от 90°, на плоскость составляла с касательной к окружности одинаковые углы для всех уголковых отражателей, причем проекции диаметрально противоположных ребер двугранных углов уголковых отражателей, выполненных с заданным отступлением от 90°, параллельны.