БОРТОВОЙ ТЕРМИНАЛ ЛАЗЕРНОЙ СВЯЗИ Российский патент 2025 года по МПК H04B10/118 H04B7/185 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Заявленное техническое решение, в общем, относится к области вычислительной техники, а, в частности, к бортовому терминалу лазерной связи.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Из уровня техники известен патент на полезную модель RU 194575 U1 «БОРТОВОЙ ВЫСОКОСКОРОСТНОЙ РАДИОПЕРЕДАТЧИК ДЛЯ НИЗКООРБИТАЛЬНЫХ МАЛЫХ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ ФОРМАТА CUBESAT», Общество с ограниченной ответственностью "Спутниковые инновационные космические системы" (ООО "СПУТНИКС"), опубл. 18.12.2019.

Данное решение описывает бортовой космический высокоскоростной радиопередатчик X-диапазона, предназначенный для передачи большого объема данных со скоростями свыше 1 Мб/сек и может быть использован в составе малых космических аппаратов формата CubeSat различного назначения. Бортовой высокоскоростной радиопередатчик для низкоорбитальных малых космических аппаратов формата CubeSat состоит из структурно разделенных цифрового и аналогового модулей. Модули механически соединены с корпусом-радиатором, осуществляющим механическое сопряжение с конструкцией малого космического аппарата формата CubeSat. Корпус-радиатор содержит основание и крышку для аналогового модуля. Электрическое сопряжение с бортовой аппаратурой реализовано на базе платформы OrbiCraft-Pro с информационной шиной UniCAN посредством электрического соединения цифрового и аналогового модулей через разъем, при этом цифровой модуль имеет в своем составе систему на кристалле и ЦАП, которые управляют работой аналогового модуля.

Недостатком известного решения в данной области техники является высокое потребление энергии, худшая помехозащищенность, меньшая битовая скорость и низкая скрытность связи -ввиду длин волн радиодиапазона.

Из уровня техники известен патент на изобретение US 10917173 В2 «Free-space optical communication module for small satellites Abstract», Massachusetts Institute of Technology, опубл. 09.02.2021.

Данное решение описывает модуль CubeSat для CubeSat, который содержит оптический генератор для генерации оптического сигнала для передачи на удаленный терминал; детектор для обнаружения оптического маяка с удаленного терминала; схему наведения, захвата и отслеживания (PAT), функционально связанную с детектором, для генерации первого управляющего сигнала на основе смещения оси визирования обнаруженного маяка; модуль точного наведения, оптически связанный с оптическим генератором, для приема оптического сигнала и, на основе первого управляющего сигнала, для направления оптического сигнала на удаленный терминал с диапазоном точности, который перекрывается с диапазоном точности модуля грубого наведения CubeSat, чтобы установить канал связи между CubeSat и удаленным терминалом, при этом набор компонентов в совокупности занимает объем не более 5 см ×10 см ×10 см, так что модуль CubeSat может использоваться с CubeSat размером 1 U или больше.

Недостатком известного решения в данной области техники является на порядок меньшая точность наведения терминала на наземную станцию, на порядок большая оптическая мощность, а значит и потребляемая электрическая мощность нисходящего канала.

Предлагаемое к рассмотрению техническое решение направлено на устранение недостатков современного уровня техники.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Технической задачей, на решение которой направлено заявленное техническое решение, является создание нового бортового терминала лазерной связи. Данный бортовой терминал лазерной связи предназначен для решения таких следующих задач:

- передача информации по оптическому каналу с малого космического аппарата (МКА) на наземную оптическую станцию (НС) «МКА-Земля» по нисходящей линии (downlink);

- передача информации по оптическому каналу «Земля-МКА» по восходящей линии (uplink).

- точное наведение для оптических каналов передачи данных «МКА-Земля»/«Земля-МКА»;

- измерение по оптическому пятну на матрице камеры от лазера-маяка с Земли углового рассогласования между осью наведения космического аппарата и оптической осью прибора.

Технический результат заключается в расширении арсенала технических средств решений такого назначения.

Дополнительным техническим результатом, достигающимся при решении данной проблемы, является быстрая передача данных между околоземной орбитой и Землей.

Заявленный технический результат достигается за счет бортового терминала лазерной связи, содержащего:

оптическую двунаправленную линзовую систему с динамически управляемым активным оптическим элементом коррекции направления пучков излучения, содержащую два спектрально разнесенных канала с системой автоподстройки оптической оси с помощью трипл призмы, следящего сенсора, а также с использованием микро электромеханического зеркального элемента управления направлением излучения для наведения и удержания направления информационного канала с малого космического аппарата (МКА) на наземную оптическую станцию (НС) и выполненную с возможностью осуществлять формирование диаграммы направленности излучения оптического информационного канала с МКА на НС по нисходящей линии и с НС на МКА по восходящей линии;

систему оптического маяка, предназначенную для точного наведения НС на МКА;

фотоприемный тракт, выполненный с возможностью регистрации оптического информационного канала между МКА и НС по восходящей линии;

лазерные источники с платами управления, предназначенные для формирования и модулирования монохроматического излучения требуемой энергетики для информационного канала и для канала системы наведения;

плата ПЛИС, выполненная с возможностью управления устройствами бортового терминала на МКА, в том числе для формирования и расшифровки информационных последовательностей каналов между МКА и НС;

и переходные платы для обеспечения питанием, соединения и преобразования интерфейсов устройств внутри бортового терминала с ПЛИС.

ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Реализация изобретения будет описана в дальнейшем в соответствии с прилагаемыми чертежами, которые представлены для пояснения сути изобретения и никоим образом не ограничивают область изобретения. К заявке прилагаются следующие чертежи:

Фиг.1 иллюстрирует внешний вид бортового терминала лазерной связи.

Фиг. 2 иллюстрирует структурную схему бортового терминала связи.

ДЕТАЛЬНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В приведенном ниже подробном описании реализации изобретения приведены многочисленные детали реализации, призванные обеспечить отчетливое понимание настоящего изобретения. Однако, квалифицированному в предметной области специалисту будет очевидно, каким образом можно использовать настоящее изобретение как с данными деталями реализации, так и без них. В других случаях хорошо известные методы, процедуры и компоненты не были описаны подробно, чтобы не затруднять понимание особенностей настоящего изобретения.

Кроме того, из приведенного изложения будет ясно, что изобретение не ограничивается приведенной реализацией. Многочисленные возможные модификации, изменения, вариации и замены, сохраняющие суть и форму настоящего изобретения, будут очевидными для квалифицированных в предметной области специалистов.

В заявленном решении бортовой терминал лазерной связи разработан для проведения и получения экспериментальных данных на низкой околоземной орбите для применения в малых космических аппаратах типа «Кубсат», ввиду чего имеет малые размеры, массу и энергопотребление (фиг. 1).

Кроме того, бортовой терминал лазерной связи предназначен для экспериментов по организации лазерной телеком связи, как по нисходящей линии (downlink, DL (2)), так и восходящей линии (uplink (1)) и систем точного наведения и стабилизации (в течение времени пролета) своего направления на НС.

Дополнительно бортовой терминал лазерной связи оснащен датчиками для снятия телеметрии от них для оценки состояния системы. Конструктивно бортовой терминал лазерной связи состоит из оптической двунаправленной линзовой системы с динамически управляемым активным оптическим элементом коррекции направления пучков излучения, содержащей два спектрально разнесенных канала с системой автоподстройки оптической оси с помощью трипл призмы, следящего сенсора, а также с использованием микро электромеханического зеркального элемента управления направлением излучения для наведения и удержания направления информационного канала с МКА на НС и выполненную с возможностью осуществлять формирование диаграммы направленности излучения оптического информационного канала с МКА на НС по нисходящей линии (2) и с НС на МКА по восходящей линии (1),

системой оптического маяка (3), предназначенной для точного наведения НС на МКА,

фотоприемным трактом, выполненным с возможностью регистрации оптического информационного канала между МКА и НС по восходящей линии (1),

платой ПЛИС (5), выполненной с возможностью управления устройствами бортового терминала на МКА, в том числе для формирования и расшифровки информационных последовательностей каналов между МКА и НС;

и переходными платами (7) для обеспечения питанием, соединения и преобразования интерфейсов устройств внутри бортового терминала с ПЛИС (5) (фиг. 2).

Двунаправленная линзовая система с динамически управляемым активным оптическим элементом коррекции направления пучков излучения является комплексным объектом для формирования требуемой диаграммы излучения оптического информационного канала «МКА-Земля» (downlink (2)) на своем выходе для обеспечения заявленной скорости передачи данных с одной стороны и для решения задачи точного наведения информационного канала «МКА-Земля» на НС с другой.

• Следящий сенсор предназначен также для задачи наведения информационного канала «МКА-Земля» на НС;

• Система оптического маяка (3) предназначена для точного наведения НС на МКА;

• Фотоприемный тракт предназначен для регистрации оптического информационного канала «Земля-МКА» (uplink (1));

• Лазерные источники с платами управления (4) предназначены для формирования и модулирования монохроматического излучения требуемой энергетики для информационного канала и для канала системы наведения;

• Плата Плис (5) предназначена для управления устройствами на борту, в том числе для формирования и расшифровки информационных последовательностей каналов МКА-Земля и Земля-МКА соответственно;

• Переходные платы (6, 7) служат для обеспечения питанием устройств внутри бортового терминала лазерной связи, тем самым позволяя устройствам выполнять поставленные технические задачи.

Двунаправленная линзовая система с динамически управляемым активным оптическим элементом коррекции направления пучков излучения совмещает в себе два спектрально разнесенных канала с системой авто подстройки оптической оси с помощью трипл призмы, а также с использованием микро электромеханического зеркального элемента управления направлением излучения.

Наличие специальных узкополосных фильтров как в линзовой системе, так и в фотоприемном тракте позволяет существенно улучшить соотношение сигнал\шум. Узкополосные оптические спектральные фильтры, также известные как интерференционные фильтры. Интерференционные фильтры могут обеспечивать ширину полосы пропускания или подавления до 0,1-0,15 нм из диапазона 500 нм. Мировые производители фильтров: Optogama, Altechna, Thorlabs, Edmund, semrock и другие. Применение в конструкции линзовой системы, фотоприемного тракта и системе оптического маяка сплава на основе нержавеющей стали позволяет минимизировать разность температурных коэффициентов расширения оптики и металла, тем самым обеспечивая стабильность оптических характеристик в широком диапазоне температур, а также надежность конструкции.

Ниже приведена работа заявленного решения.

При пролете над НС (аппаратурой для приема и передачи оптического сигнала) бортовой терминал лазерной связи задействует систему оптического маяка (3) и включает маяк (3) 532 нм, а именно лазерный источник с платой управления, узел которого состоит из полупроводникового лазерного диода LD2 соответствующей длины волны, управляющего драйвера D2 и линзы С2, формирующей пучок необходимых геометрических размеров.

За передачу оптического телеком-сигнала по каналу «МКА-Земля» (downlink (2)) отвечает полупроводниковый лазерный диод 852 нм, а именно лазерный источник с платой управления LD1, излучение с которого через коллиматор С1 заводится в телескоп Т, формирующий пучок, подаваемый на НС. Управление диодом обеспечивает драйвер D1.

Прием телеком-сигнала «Земля-МКА» (uplink (1)) обеспечивается фотоприемным трактом, который состоит из приемника 808 нм APD, пучок на котором фокусируется линзой С3, предварительно пройдя фильтр F2.

Отслеживая положение этого пучка, НС обеспечивает точное наведение на спутник. В свою очередь, НС испускает опорный лазерный сигнал 671 нм, по которому уже спутник ориентируется на НС. Происходит это следующим образом: пучок 671 нм попадает в двунаправленную линзовую систему, а именно линзовый телескоп Т, которым сжимается и направляется через MEMS-зеркало FSM, дихроичное зеркало DMLP и фильтр F1 на CMOS-камеру. FSM в реальном времени наклоняется таким образом, чтобы пучок лазера-маяка (3) с Земли всегда оказывался в целевой точке сенсора камеры. Значения необходимых углов наклона FSM, несущие информацию о неточности взаиморасположения спутника и НС, через драйвер зеркала DM и платы обработки и коммутации подаются в систему управления МКА для корректировки ориентации МКА.

Для самодиагностики оптической системы (двунаправленной линзовой системы) в ее составе присутствует уголковый отражатель R, расположенный за шторкой SH. В режиме самодиагностики шторка SH открывается, а лазерный диод LD1 испускает слабый сигнал, который, переотражаясь от дихроичного зеркала DMLP и отражателя R, фокусируется на сенсоре CMOS-камеры. По сдвигу этого пятна на сенсоре относительно начального положения можно судить об уводе оптической оси от заданной ранее целевой точки.

Плата ПЛИС (5) является управляющей и организует логику работы всех узлов прибора через платы обработки и коммутации. Актуальная и стартовая версии программы работы прибора записаны на картах памяти MicroSD.

Заявленный бортовой терминал лазерной связи имеет техническую реализацию, изготовлен, настроен, протестирован на Земле, запущен в открытое околоземное пространство в составе МКА Импульс-1 и частично протестирован при проведении летных испытаний.

В настоящих материалах заявки было представлено предпочтительное осуществление заявленного технического решения, которое не должно использоваться как ограничивающее иные частные воплощения его реализации, которые не выходят за рамки испрашиваемого объема правовой охраны и являются очевидными для специалистов в соответствующей области техники.

Заявленное изобретение относится к области связи, в частности к бортовому терминалу лазерной связи. Технический результат заключается в расширении арсенала технических средств решений такого назначения. Предложен бортовой терминал лазерной связи, содержащий: оптическую двунаправленную линзовую систему с динамически управляемым активным оптическим элементом коррекции направления пучков излучения, содержащую два спектрально разнесенных канала с системой автоподстройки оптической оси с помощью трипл призмы, следящего сенсора и с использованием микроэлектромеханического зеркального элемента управления направлением излучения для наведения и удержания направления информационного канала с малого космического аппарата (МКА) на наземную оптическую станцию (НС) и выполненную с возможностью осуществлять формирование диаграммы направленности излучения оптического информационного канала с МКА на НС по нисходящей линии и с НС на МКА по восходящей линии; систему оптического маяка, предназначенную для точного наведения НС на МКА; фотоприемный тракт, выполненный с возможностью регистрации оптического информационного канала между МКА и НС по восходящей линии; лазерные источники с платами управления, предназначенные для формирования и модулирования монохроматического излучения требуемой энергетики для информационного канала и для канала системы наведения; плату ПЛИС, выполненную с возможностью управления устройствами бортового терминала на МКА, в том числе для формирования и расшифровки информационных последовательностей каналов между МКА и НС; и переходные платы для обеспечения питанием, соединения и преобразования интерфейсов устройств внутри бортового терминала с ПЛИС. 2 ил.

Бортовой терминал лазерной связи, содержащий:

оптическую двунаправленную линзовую систему с динамически управляемым активным оптическим элементом коррекции направления пучков излучения, содержащую два спектрально разнесенных канала с системой автоподстройки оптической оси с помощью трипл призмы, следящего сенсора, а также с использованием микроэлектромеханического зеркального элемента управления направлением излучения для наведения и удержания направления информационного канала с малого космического аппарата (МКА) на наземную оптическую станцию (НС) и выполненную с возможностью осуществлять формирование диаграммы направленности излучения оптического информационного канала с МКА на НС по нисходящей линии и с НС на МКА по восходящей линии;

систему оптического маяка, предназначенную для точного наведения НС на МКА;

фотоприемный тракт, выполненный с возможностью регистрации оптического информационного канала между МКА и НС по восходящей линии;

лазерные источники с платами управления, предназначенные для формирования и модулирования монохроматического излучения требуемой энергетики для информационного канала и для канала системы наведения;

плату ПЛИС, выполненную с возможностью управления устройствами бортового терминала на МКА, в том числе для формирования и расшифровки информационных последовательностей каналов между МКА и НС;

и переходные платы для обеспечения питанием, соединения и преобразования интерфейсов устройств внутри бортового терминала с ПЛИС.