Способ обнаружения объектов космического мусора и наведения на них космического аппарата с использованием лазерного сканирования пространства Российский патент 2024 года по МПК B64G1/66 

Изобретение относится к космической технике, а именно к комплексам очистки околоземного космического пространства от космического мусора и может быть использовано для управления движением космических аппаратов (КА), осуществляющих очистку космоса от мусора в процессе обнаружения и наведения на объекты космического мусора.

Под космическим мусором понимаются все искусственные объекты и их фрагменты в космосе, которые неисправны, не функционируют и никогда более не смогут служить никаким полезным целям, но являющиеся опасным фактором воздействия на функционирующие космические аппараты.

Известно, что в настоящее время на различных орбитах Земли в виде космического мусора находятся выполнившие программу полета или разрушившиеся искусственные спутники, запущенные ранее, фрагменты таких искусственных спутников и обломки верхних ступеней ракет, а также фрагменты, образовавшиеся вследствие взрывов или высокоскоростных столкновений. Столкновение этого космического мусора с функционирующими космическими станциями или искусственными спутниками во время выполнения программы полета может приводить к повреждению этих космических станций или искусственных спутников и фатальным последствиям. Поэтому часто предлагаются различные технологии удаления этого мусора с орбит для последующего сжигания в верхних слоях атмосферы или сбора.

В настоящее время широко известны различные способы и устройства, используемые на космических аппаратах для сбора и очистки от мусора в космосе:

- способ очистки околоземного космического пространства от крупногабаритных объектов космического мусора в соответствии с которым на борту космического аппарата транспортируют в качестве элемента захвата и торможения крупногабаритных объектов космического мусора крупноячеистую сеть из углеродных нанотрубок, на которой в качестве аэродинамического тормоза размещают и закрепляют надувные баллоны (патент РФ № 2775789);

- устройство, выполненное на базе лазера, обеспечивающего генерацию и направленную передачу энергии для уничтожения объектов в космическом пространстве (патенты РФ №2040448 и №2092408);

- способ, в котором на геоцентрической орбите размещают пространственную область, обладающую большей силой сопротивления и плотности, чем сила сопротивления и плотность атмосферы на данной орбите, обеспечивающей замедление частиц космического мусора, проходящих через данную область, и сброс замедленных частиц космического мусора с геоцентрической орбиты (патент РФ №2524325);

- устройство, выполненное в виде малогабаритного космического буксира - сетки захвата, имеющей в развернутом состоянии форму сегмента сферы для увода космического мусора с орбит полезных нагрузок (патент РФ №138497);

- способ, в котором обеспечивают торможение объектов космического мусора с целью их перевода на более низкую орбиту с последующим сгоранием в атмосфере, причем для торможения объектов космического мусора на пути следования объектов космического мусора создается препятствие в виде пространственно-распределенных частиц, оказывающих ударно-кинетическое воздействие на объекты космического мусора, причем в качестве материала частиц, оказывающих ударно-кинетическое воздействие, используют продукты окисления азота (патент РФ №2478062);

- устройство, выполненное в виде поверхности из гибкой пленки, связанной с КА посредством тросов регулируемой длины, и контейнеров сбора мусора, в результате чего обеспечивается гашение относительной скорости частиц при взаимодействии космического мусора с материалом пленки, после чего эти частицы под действием центробежных сил поступают в контейнеры для сбора мусора (патент РФ №2046081);

- устройство, выполненное в виде сформированного тормозного экрана, обеспечивающего торможение элементов космического мусора вследствие соударения с ним и перевод элементов космического мусора на более низкую орбиту, и последующее сгорание элементов космического мусора в атмосфере Земли (патент РФ №2586434); и т.д.

Не вызывает сомнения тот факт, что эффективность сбора и очистки космоса при движении космического аппарата зависит от величины зоны пространственного охвата исполнительным органом очистки мусора и ориентирование («прицеливание») его на данный мусор.

Поэтому при управлении движением КА для максимального охвата пространственной зоны и ориентирования исполнительного органа очистки мусора необходимо:

-получение нужной траектории КА (управление движением центра масс);

-управление ориентацией, то есть получение нужного положения корпуса КА относительно внешних ориентиров (управление вращательным движением вокруг центра масс);

-обеспечение режима, когда эти два типа управления реализуются одновременно;

-обнаружение объектов космического мусора и наведение КА на них.

Заявляемое изобретение направлено на совершенствование системы обнаружения и наведения на объекты космического мусора.

В большинстве способов и устройств, направленных на уничтожение космического мусора не описан процесс его обнаружения и наведения на него космического аппарата.

Так например, известно «Устройство и метод обнаружения космического мусора с помощью оптической системы, установленной на космическом аппарате» (патент Японии 2000-025700). Наблюдение и обнаружение обломков космического мусора на орбите осуществляют устройством обработки изображения, а параметры орбит объектов космического мусора вычисляют по следам их движения на дисплее.

Недостатком данного устройства и метода обнаружения космического мусора является необходимость обработки большого объема информации для селекции следа космического мусора на фоне следов перемещения изображения звезд за счет движения КА по орбите при ограниченном времени наблюдения обломков космического мусора на дисплее.

Из уровня техники известно устройство-аналог (патент РФ № 2456639), которое предназначено для использования в космической технике, в частности для регистрации микрометеороидов и заряженных частиц ионосферы. Сущность изобретения заключается в том, что устройство регистрации параметров микрометеороидов и космического мусора, содержащее мишень в виде четырех панелей солнечных батарей, соединенных между собой пленочной структурой металл-диэлектрик-металл, приемник ионов в виде шара, блок измерения, электромагниты, установленные по четыре штуки на каждую ось устройства и соединенные между собой последовательно, приемник ионов выполнен в виде четырех микроканальных пластин, каждая из которых расположена параллельно соответствующей панели солнечной батареи, с внешней стороны приемника ионов установлен датчик Солнца в виде ПЗС-матрицы, соединенный с блоком измерения, на передней поверхности блока управления установлена панель солнечной батареи, на боковых поверхностях установлены фотодиоды, а на обратной стороне его установлен фотодиод и антенна GPS-приемника, причем приемник ионов, пленочные структуры металл-диэлектрик-металл и фотодиоды соединены соответственно с блоками измерения ионов, проводимости пленочных структур и фототоков.

Недостатком изобретения является отсутствие возможности обнаруживать космический мусор на большом расстоянии и состоящий из композитных материалов.

Также известно устройство (патент РФ № 172272) в котором микрометеориты или пылевые частицы соударяется с внутренней стороной полусферической мишени и в результате ударной ионизации превращаются в слабоионизированный газ. Под действием электрического поля между полусферической мишенью и полусферической сеткой ионы газа ускоряются в направлении к центру полусферической мишени. В пространстве, ограниченном полусферической сеткой и заземленной сеткой, ионы движутся равномерно.

Поскольку фокус параболического отражателя совпадает с центрами полусферической мишени и полусферической сетки, то расстояние от любой точки поверхности мишени до фокуса параболического отражателя одинаково и все ионы проходят через фокус параболического отражателя, образовав при отражении коллинеарный поток, направленный в отверстие полусферической мишени. Далее ионы попадают в один из четырех тороидальных дефлекторов, образованных внутренними отклоняющими электродами и внешними отклоняющими электродами, и, пройдя через них, фиксируются приемниками ионов. Каждый тороидальный дефлектор настроен на свой диапазон масс, что обеспечивает более широкий динамический диапазон исследуемых масс ионов. Массовые спектры от отдельных приемников ионов отображаются блоком индикации.

Изобретение-аналог не позволяет обнаруживать крупные частицы на больших расстояниях и направленно на определение только массовой доли мельчайших частиц в анализируемом пространстве без возможности обеспечения наведения космического аппарата на объект космического мусора для захвата и уничтожения.

Известен «Метод наблюдения космического мусора» (патент Японии 2011 - 218834) в котором обнаружение космического мусора осуществляется с помощью подсветки лазерным лучом области пространства, наблюдаемой ПЗС-камерой, установленной на КА.

Недостатком данного метода является то, что наблюдаются только подсвеченные лазерным лучом объекты космического мусора без возможности их поиска в априорно известной области пространства.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному способу и выбранным в качестве прототипа является способ обнаружения и контроля космического мусора вблизи геостационарной орбиты (патент РФ № 2684253), в котором космический аппарат наблюдения размещают на околоземной орбите, снабжают системой угловой стабилизации и ориентации, системой электропитания, системой терморегулирования, аппаратурой передачи и приема данных, выполненной с возможностью осуществления связи с наземным пунктом приема информации, отличающийся тем, что космический аппарат размещают на орбите ниже геостационарной, а бортовую оптическую систему размещают на поворотной платформе и направляют в область геостационарной орбиты, при этом полосу обзора оптической системы вдоль геостационарной орбиты обеспечивают перенацеливанием мгновенного поля зрения этой системы в несколько дискретных положений путем ее вращения вокруг вектора орбитальной скорости космического аппарата, а в каждом дискретном положении производят съем изображения на фотоприемнике некоторой области вблизи геостационарной орбиты, при этом оптическую систему разворачивают вокруг оси, перпендикулярной плоскости орбиты космического аппарата, с угловой скоростью, равной угловой орбитальной скорости космического аппарата, в противоположном направлении, осуществляя таким образом остановку изображения звезд на фотоприемнике, а перенацеливание оптической системы в следующее дискретное положение осуществляют со средней угловой скоростью зависящей от времени перенацеливания и вертикальной ширины углового мгновенного поля зрения оптической системы.

К недостаткам известного технического решения-прототипа можно отнести:

отсутствие возможности обнаружения объектов на больших расстояниях;

отсутствие возможности наблюдения за объектами космического мусора находящимися с противоположных сторон от космического аппарата;

отсутствие возможности управления точностью сканирования в зависимости от предполагаемых линейных размеров объекта космического мусора;

отсутствие возможности определения рельефа объекта космического мусора;

отсутствие возможности определения дальности до объекта космического мусора;

отсутствие возможности селекции объектов космического мусора по дальности в области поиска;

обнаружение космического мусора только на геосинхронных по отношению к космическому аппарату орбитах.

Раскрытие изобретения

Технический результат предлагаемого изобретения заключается в повышении точности и скорости обнаружения и наведения космического аппарата на объекты космического мусора.

Задача, которую решает предлагаемый способ, заключается в обнаружении космическим аппаратом и наведении космического аппарата на объекты космического мусора.

Для решения задачи обнаружения космическим аппаратом и наведения космического аппарата на объекты космического мусора с использованием лазерного сканирования пространства, предлагается способ, заключающийся в том, что:

предварительно устанавливают на космический аппарат 4 поворотных оптических камеры высокого разрешения обеспечивающих круговой обзор;

предварительно устанавливают на космический аппарат лазерные дальномеры по числу необходимого количества одновременно сопровождаемых объектов космического мусора;

получают на борту космического аппарата от системы слежения с Земли примерные параметры орбит объектов космического мусора и их линейные размеры;

размещают космический аппарат поиска и сбора космического мусора на орбите вблизи объектов космического мусора;

производят поиск объектов комического мусора посредством кругового обзора оптическими камерами высокого разрешения;

производят с борта космического аппарата сканирование космического пространства лазерными дальномерами по спирали с размером шага равным половине линейного размера объекта космического мусора в направлении от центра обнаруженных оптическими камерами объектов или в направлении предполагаемого размещения объектов космического мусора, полученного с Земли, причем размер шага спирали определяют в точке предполагаемого размещения объекта космического мусора в зависимости от дальности до него;

выделяют отдельный лазерный дальномер для каждого обнаруженного объекта космического мусора для уточняющего сканирования его линейных размеров и рельефа;

формируют на борту космического аппарата карту расположения объектов космического мусора с фиксацией дальности, линейного размера и рельефа для последующей селекции при сближении для уничтожения;

производят постоянное круговое сканирование пространства оптическими камерами и лазерными дальномерами при сближении космического аппарата с объектом космического мусора с целью обнаружения новых и уточнения параметров обнаруженных объектов космического мусора.

«Промышленная применимость» способа обусловлена наличием возможности реализовать его путем размещения на борту космического аппарат специализированного оборудования, такого как оптические камеры и поворотные лазерные дальномеры, устанавливаемого в аналогах преимущественно в одном экземпляре.

Сопоставление заявленного Способа обнаружения объектов космического мусора и наведения на них космического аппарата с использованием лазерного сканирования пространства и прототипа показывает, что заявленный способ существенно отличается от прототипа.

Общие признаки заявляемого способа и прототипа:

1. Получают на борту космического аппарата со средств наблюдения расположенных на Земле предполагаемые параметры размещения объектов космического мусора.

2. Размещают космический аппарат вблизи предполагаемой орбиты нахождения объектов космического мусора.

3. Обнаруживают объекты космического мусора с использованием оптических камер.

4. Сближают космический аппарат с объектом космического мусора выбранного для уничтожения.

Отличительные признаки предлагаемого решения.

1. Предварительно устанавливают на космический аппарат 4 поворотных оптических камеры высокого разрешения обеспечивающих круговой обзор.

2. Предварительно устанавливают на космический аппарат лазерные дальномеры по числу необходимого количества одновременно сопровождаемых объектов космического мусора.

3. Производят поиск объектов комического мусора посредством кругового обзора оптическими камерами высокого разрешения.

4. Производят с борта космического аппарата сканирование космического пространства лазерными дальномерами по спирали с размером шага равным половине линейного размера объекта космического мусора в направлении от центра обнаруженных оптическими камерами объектов или в направлении предполагаемого размещения объектов космического мусора, полученного с Земли, причем размер шага спирали определяют в точке предполагаемого размещения объекта космического мусора в зависимости от дальности до него.

5. Выделяют отдельный лазерный дальномер для каждого обнаруженного объекта космического мусора для уточняющего сканирования его линейных размеров и рельефа.

6. Формируют на борту космического аппарата карту расположения объектов космического мусора с фиксацией дальности, линейного размера и рельефа для последующей селекции при сближении для уничтожения.

7. Производят постоянное круговое сканирование пространства оптическими камерами и лазерными дальномерами при сближении космического аппарата с объектом космического мусора с целью обнаружения новых и уточнения параметров обнаруженных объектов космического мусора.

Таким образом, заявленный способ обнаружения объектов космического мусора и наведения на них космического аппарата с использованием лазерного сканирования пространства, представляет собой спутниковую систему, позволяющую повысить скорость обнаружения объектов космического мусора и точность наведения на них с целью последующего уничтожения.

Применение заявленного способа позволяет:

обеспечить возможность обнаружения объектов космического мусора на больших расстояниях, за счет использования лазерного дальномера;

обеспечить возможность наблюдения за объектами космического мусора находящимися с противоположных сторон от космического аппарата (возможность кругового обзора), за счет использования нескольких поворотных лазерных дальномеров размещенных по периметру космического аппарата;

обеспечить возможность управления точностью сканирования в зависимости от предполагаемых линейных размеров объекта космического мусора, за счет изменения размеров шага спирали, определяющей траекторию сканирования;

обеспечить возможность определения рельефа объекта космического мусора, за счет использования лазерных дальномеров;

определять дальность до объекта космического мусора, за счет использования лазерных дальномеров;

обеспечить возможность селекции объектов космического мусора по дальности в области поиска, за счет вращения по спирали лазерного дальномера и разделения объектов по признаку отличия по дальности;

обеспечить возможность обнаружения космического мусора не только на геосинхронной по отношению к космическому аппарату орбите, за счет использования нескольких оптических камер высокого разрешения и лазерных дальномеров, размещенных по периметру космического аппарата.

Изобретение относится к методам и средствам обнаружения и идентификации объектов космического мусора (ОКМ) в околоземном космическом пространстве. На борту космического аппарата (КА) получают с Земли предварительные параметры орбит и геометрии ОКМ. На орбите вблизи ОКМ размещают КА поиска и сбора ОКМ. Производят поиск ОКМ четырьмя поворотными камерами высокого разрешения при круговом обзоре области ОКМ. Формируют на борту КА карту расположения ОКМ для их последующей селекции. Производят с борта КА сканирование пространства лазерными дальномерами по спирали с размером шага в половину линейного размера ОКМ в направлении от центра обнаруженных или предполагаемых (по данным с Земли) ОКМ. Отдельным лазерным дальномером сканируют обнаруженный ОКМ для уточнения его линейных размеров и рельефа. Описанные операции производят постоянно, фиксируя новые и уточняя параметры обнаруженных ОКМ. Технический результат заключается в повышении точности и оперативности обнаружения и наведения КА на ОКМ.

Способ обнаружения объектов космического мусора (КМ) и наведения на них космического аппарата (КА) с использованием лазерного сканирования пространства, заключающийся в том, что получают на борту КА от системы слежения с Земли примерные параметры орбит объектов КМ и их линейные размеры, размещают КА поиска и сбора КМ на орбите вблизи объектов КМ, производят поиск объектов КМ посредством кругового обзора оптическими камерами высокого разрешения, формируют на борту КА карту расположения объектов КМ с фиксацией дальности, линейного размера и рельефа для последующей их селекции при сближении для уничтожения, отличающийся тем, что предварительно устанавливают на КА четыре поворотных оптических камеры высокого разрешения, обеспечивающих круговой обзор, предварительно устанавливают на КА лазерные дальномеры по числу необходимого количества одновременно сопровождаемых объектов КМ, производят с борта КА сканирование космического пространства лазерными дальномерами по спирали с размером шага, равным половине линейного размера объекта КМ в направлении от центра обнаруженных оптическими камерами объектов КМ или в направлении предполагаемого размещения объектов КМ, полученного с Земли, причём размер шага спирали определяют в точке предполагаемого размещения объекта КМ в зависимости от дальности до него, выделяют отдельный лазерный дальномер для каждого обнаруженного объекта КМ для уточняющего сканирования его линейных размеров и рельефа, производят постоянное круговое сканирование пространства оптическими камерами и лазерными дальномерами при сближении КА с объектом КМ с целью обнаружения новых и уточнения параметров обнаруженных объектов КМ.