СПОСОБ И УСТРОЙСТВО СЪЕМКИ ПОВЕРХНОСТИ ЗЕМЛИ КОСМИЧЕСКИМ АППАРАТОМ С РАДИОЛОКАТОРОМ Российский патент 2024 года по МПК H01Q19/00 H01Q21/00 B64G1/00 H01Q19/17 G01S13/90 

Изобретение относится к космической технике - а точнее, к космическим системам дистанционного зондирования Земли на основе радиолокаторов, в том числе, с использованием технологии синтезирования апертуры (PCА).

Известны устройства космического аппарата (КА) с радиолокатором на основе технологии активной фазированной антенной решетки (АФАР). Достоинствами технологии является гибкое управление радиолокатором вследствие использования в составе антенны приемо-передающих модулей (ППМ) индивидуального управления, широкие возможности оптимизации и уменьшения энергопотребления. Например, после механического разворота антенны (или КА с антенной) в пространстве возможно программное изменение направления и ширины диаграммы направленности антенны, сформированной совокупностью диаграмм ППМ, формирование нескольких лучей для параллельного выполнения задач поиска/сопровождения целей, отключение или уменьшение мощности отдельных ППМ.

В то же время, вследствие конструктивно ограниченной мощности каждого ППМ к недостаткам технологии относятся невозможность максимальной концентрации энергии при сужении луча.

В этом аспекте более гибкой является технология пассивной фазированной решетки (ПФАР) в составе антенны - отражателя и облучателя. Здесь энергия может быть сконцентрирована на небольшом участке отражателя антенны, формируя мощную и узкую диаграмму направленности, перемещаемую в пределах поверхности отражателя. Технология является более простой и распространенной. К ее недостаткам относятся меньшие функциональные возможности антенны, возможности оптимизации и уменьшения энергопотребления.

Компромиссным решением является технология радиолокатора КА на основе ПФАР в составе отражателя и нескольких облучателей. Ближайшим аналогом является радиолокатор КА «Кондор-Э», содержащий поворотный облучатель в виде многорупорной линейной антенной решетки в составе линейки из более двух десятков облучателей рупорного типа (см., например, статью «Некоторые результаты испытаний космического аппарата «Кондор-Э» с РСА как основы новой радиолокационной космической системы» авт.Ефимов А.В., Зайцев С.Э., Савосин Г.В. и др., журнал «Радиотехнические и телекоммуникационные системы, 2016 год, доступно на https://cyberleninka.ru/article/n/nekotorye-rezultaty-ispytaniy-kosmicheskogo-apparata-kondor-e-s-rsa-kak-osnovy-novoy-radiolokatsionnoy-kosmicheskoy-sistemy 10.02.2023).

Поворотный облучатель в виде многорупорной линейной антенной решетки позволяет обеспечивать более гибкое изменение ширины и направления диаграммы направленности излучаемого сигнала (далее также -луча), а также возможности перераспределения и локального повышения мощности сигнала.

Целью изобретения является уточнение технического решения - ближайшего аналога в части приближения его к АФАР по возможностям оптимизации и уменьшения энергопотребления.

Техническим результатом является создание способа и устройства съемки поверхности Земли космическим аппаратом с радиолокатором, обеспечивающих гибкое уменьшение (оптимизацию) затрат электроэнергии при получении изображения одного уровня качества при различных условиях съемки - режиме съемки, характере подстилающей поверхности, угле места съемки (далее - угле крена), определяемом как угол между надиром КА (направлением силы гравитации) и направлением радиолокационного луча.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе съемки поверхности Земли космическим аппаратом с радиолокатором в составе антенны с отражателем, облучателя в виде многорупорной линейной антенной решетки, поворотного устройства отражателя по крену, приемопередающего тракта, бортового комплекса управления (БКУ), включающим запись в БКУ КА информации о времени и режиме съемки, угле поворота отражателя по крену относительно надира при съемке, последовательности включения рупоров линейной антенной решетки, поворот отражателя и облучателя с расположением рупоров линейной антенной решетки в соответствии с режимом съемки, излучение импульса электромагнитного сигнала последовательно через каждый рупор, в БКУ для каждого положения отражателя по крену определяют разный уровень предельной мощности импульса излучаемого сигнала, меньший или равный максимальной мощности радиолокатора, рупоры линейной антенной решетки излучают сигнал разной мощности, при этом формируемый в приемо-передающем тракте импульсный сигнал разделяют на набор из не менее чем 15 импульсов меньшей равной мощности, которые затем суммируют по сигналу БКУ в нужном количестве в зависимости от угла поворота отражателя по крену и номера излучающего рупора линейной антенной решетки облучателя. При этом мощность излучаемого сигнала ступенчато уменьшают при приближении излучаемого сигнала к надиру по формуле

где u_MAX - максимальная располагаемая мощность, передаваемая через линейную антенную решетку облучателя, - коэффициент уменьшения мощности излучения при приближении излучаемого сигнала к надиру, K - номер рупора линейной антенной решетки облучателя по направлению приближения излучаемого сигнала к надиру.

Схема реализации способа приведена на фиг.1, фиг.2, устройства - на фиг 3.

Приняты обозначения:

1 - космический аппарат;

2 - отражатель антенны;

3 - облучатель, многорупорная линейная антенная решетка;

4 - участок (кадр) съемки поверхности Земли;

5 - неинформативный участок поверхности съемки (например, суша);

6 - информативный участок поверхности съемки (например, море);

γ - угол крена поворота антенны относительно надира ОХ;

е - угол крена луча относительно надира ОХ.

Реализация технического решения, способа, осуществляется следующим образом.

В любом радиолокаторе с увеличением угла места облучаемой зоны (другими словами - увеличением выноса зоны захвата радиолокатора или угла крена антенны) мощность отраженного сигнала уменьшается из-за увеличения дальности, причем самая большая мощность отражается при наименьшем выносе зоны захвата. Это означает, что чувствительность радиолокатора по мере удаления зоны захвата ухудшается. Обычно радиолокатор проектируют таким образом, чтобы заданная чувствительность удовлетворялась на максимальной дальности. При этом появляется запас чувствительности на дальностях меньших. Этот запас можно использовать для уменьшения мощности облучения, (и, значит, энергопотребления радиолокатора), не нарушая требований по чувствительности во всем диапазоне выносов зоны захвата.

В бортовой комплекс управления КА, фиг.1, поз.1, записывают задание на съемку, в том числе информацию о времени, режимах (детальный, обзорный), координатах съемки, угле съемки (γ) относительно надира. При подготовке задания на съемку поверхности Земли на ней заранее определяются информативные и неинформативные участки. Например, для КА морской разведки и целеуказания, осуществляющего съемку морского побережья, акватории бухты, фиг.1, поз.6, заранее неинформативными являются участки суши, фиг.1, поз.5, попадающие в кадр, фиг.1, поз.4. Кроме того, при съемке участков поверхности Земли с меньшим углом крена луча е, находящихся «ближе», потребуется меньший уровень мощности луча, чем для участков с большим е. Таким образом, если при съемке наиболее удаленной зоны захвата использовать максимальную за техническим возможностям, проектную мощность луча, при приближении к местной вертикали, а также при вынужденном облучении неинформативных участков поверхности мощность, без потери качества кадра, может быть уменьшена. Это правило применимо как к общей мощности излучаемого радиолокатором сигнала, так и к отдельным рупорам линейной антенной решетки, расположенных с разным относительным углом крена.

Поэтому, в способе съемки поверхности Земли космическим аппаратом с радиолокатором в составе антенны с отражателем, облучателя в виде многорупорной линейной антенной решетки, поворотного устройства отражателя по крену, приемо-передающего тракта, бортового комплекса управления, включающим запись в БКУ КА информации о времени и режиме съемки, угле поворота отражателя по крену относительно надира при съемке, последовательности включения рупоров линейной антенной решетки, поворот отражателя, фиг.1, поз.2, и облучателя, фиг.1, поз.3, с расположением рупоров линейной антенной решетки в соответствии с режимом съемки, излучение импульса электромагнитного сигнала последовательно через каждый рупор, в БКУ для каждого положения отражателя по крену определяют разный уровень предельной мощности импульса излучаемого сигнала, меньший или равный максимальной мощности радиолокатора, рупоры линейной антенной решетки излучают сигнал разной мощности. При этом формируемый в приемо-передающем тракте импульсный сигнал разделяют на набор из не менее чем 15 импульсов меньшей равной мощности, которые затем суммируют по сигналу БКУ в нужном количестве в зависимости от угла поворота отражателя по крену и номера излучающего рупора линейной антенной решетки облучателя, излучая сигнал требуемой мощности.

Мощность излучаемого сигнала ступенчато уменьшают при приближении излучаемого сигнала к надиру по формуле

где u_МАХ - максимальная располагаемая мощность, передаваемая через линейку облучателя, - коэффициент уменьшения мощности излучения при приближении излучаемого сигнала к надиру, K - номер излучателя по направлению приближения излучаемого сигнала к надиру.

Например, согласно формуле, при съемке участка поверхности с максимальным углом крена, фиг.2, мощность луча, проходящего через линейку облучателя с номером K=1, равна максимальной. При съемке участка с меньшим углом крена и коэффициенте мощности 0,98 мощность луча, проходящего через линейку облучателя с номером, например N=12, составляет 0,78. Таким же образом может быть уменьшена мощность луча при его прохождении через неинформативные участки поверхности Земли.

Для реализации способа должно быть использовано устройство съемки, позволяющее менять мощность излучаемого сигнала.

Для этого в устройстве съемки поверхности Земли КА, включающем радиолокатор в составе антенны с отражателем, облучателя в виде многорупорной линейной антенной решетки, поворотного устройства отражателя по крену, приемо-передающего тракта, бортового комплекса управления, в состав передающего тракта последовательно введены электронные блоки формирования излучаемого импульсного сигнала, делителя мощности, не менее 15 блоков усилителей мощности, блок суммирования мощности, управляемый по сигналу БКУ напрямую или через контроллер.

В соответствии с техническим решением устройства, в передающем тракте импульсный сигнал с формирователя подается на электронный блок - делитель мощности, фиг.3. Далее каждый из набора полученных сигналов по отдельному проводу поступает в свой усилитель мощности, и затем они суммируется в электронном блоке суммирования мощности, формируя излучаемый сигнал заданной мощности. При этом, количество суммируемых сигналов определяется в соответствии с закономерностью, записанной в БКУ (в зависимости от угла поворота облучателя по крену и номера излучающего рупора линейной антенной решетки облучателя), по сигналу БКУ, передаваемому, например, по кабелю на блок суммирования мощности напрямую или через специализированный прибор - контроллер (на схеме фиг.3 показан штриховой линией), и определяет фактическую мощность излучения радиолокатора.

Применение технического решения способа и устройства позволит оптимизировать затраты электроэнергии при получении изображения одного уровня качества при различных условиях съемки, повысив, тем самым, надежность и долговечность работы аппаратуры, расширить диапазон условий применения КА с радиолокатором, как следствие, увеличить эффективность использования ракетно-космической техники.

Изобретение относится к радиотехнике, в частности, к космическим системам дистанционного зондирования Земли на основе радиолокаторов, в том числе, с использованием технологии синтезирования апертуры. Технический результат - гибкое уменьшение затрат электроэнергии при получении изображения одного уровня качества при различных условиях съемки - режиме съемки, характере подстилающей поверхности, угле места (крена) съемки. Результат достигается тем, что предложено устройство съемки поверхности Земли КА, включающее радиолокатор в составе антенны с отражателем, облучателя в виде многорупорной линейной антенной решетки, поворотного устройства отражателя по крену, приемо-передающего тракта, бортового комплекса управления, отличающееся тем, что в состав передающего тракта последовательно введены электронные блоки формирователя излучаемого импульсного сигнала, делителя мощности, не менее 15 блоков усилителей мощности, блок суммирования мощности, управляемый по сигналу БКУ напрямую или через контроллер. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ съемки поверхности Земли космическим аппаратом (КА) с радиолокатором в составе антенны с отражателем, облучателя в виде многорупорной линейной антенной решетки, поворотного устройства отражателя по крену, приемо-передающего тракта, бортового комплекса управления (БКУ), включающий запись в БКУ КА информации о времени и режиме съемки, угле поворота отражателя по крену относительно надира при съемке, последовательности включения рупоров линейной антенной решетки, поворот отражателя и облучателя с расположением рупоров линейной антенной решетки в соответствии с режимом съемки, излучение импульса электромагнитного сигнала последовательно через каждый рупор, отличающийся тем, что в БКУ для каждого положения отражателя по крену определяют разный уровень предельной мощности импульса излучаемого сигнала, меньший или равный максимальной мощности радиолокатора, рупоры линейной антенной решетки излучают сигнал разной мощности, при этом формируемый в приемо-передающем тракте импульсный сигнал разделяют на набор из не менее чем 15 импульсов меньшей равной мощности, которые затем суммируют по сигналу БКУ в нужном количестве в зависимости от угла поворота отражателя по крену и номера излучающего рупора линейной антенной решетки облучателя.

2. Способ съемки поверхности Земли по п. 1, отличающийся тем, что мощность излучаемого сигнала ступенчато уменьшают при приближении излучаемого сигнала к надиру по формуле

где u_MAX - максимальная располагаемая мощность, передаваемая через линейную антенную решетку облучателя, - коэффициент уменьшения мощности излучения при приближении излучаемого сигнала к надиру, K - номер рупора линейной антенной решетки облучателя по направлению приближения излучаемого сигнала к надиру.

3. Устройство съемки поверхности Земли КА, включающее радиолокатор в составе антенны с отражателем, облучателя в виде многорупорной линейной антенной решетки, поворотного устройства отражателя по крену, приемо-передающего тракта, бортового комплекса управления, отличающееся тем, что в состав передающего тракта последовательно введены электронные блоки формирователя излучаемого импульсного сигнала, делителя мощности, не менее 15 блоков усилителей мощности, блок суммирования мощности, управляемый по сигналу БКУ напрямую или через контроллер.