Построитель местной вертикали с секущим типом сканирования

  Исходные  данные:

 

  Этапы выполнения: 

  

1. Построение  функциональной схемы, выбор и обоснование  элементов.
2. Габаритный и энергетический расчеты, расчет аберраций.
3. Расчет(построение) пеленгационной характеристики.
4. Оценка истинной погрешности построения вертикали.
5. Построение электронного канала обработки сигнала, расчет предусилителя, усилителя и детектора.
6. Конструктивная компановка прибора, выполнение чертежей деталей и узлов.
7. Оформление проекта(включая электронный вариант), подготовка к защите.

 
 

  Введение.

  4 октября 1957 года с запуском  первого ИСЗ родилось новое  направление в технике, связанное  с созданием искусственных небесных  тел – космических аппаратов.  Вместе с ним родилась и  дисциплина отвечающая за навигацию в космосе – космическая навигация, которая отвечает за определение координат положения КА.

    Навигацию различают на околопланетную и межпланетную. На начальном этапе космической техники навигационные измерения производили исключительно с помощью наземных средств, что позволяло производит достаточно точные измерения при простейшем составе, а главное при простоте и надежности бортовых систем. Но с ростом числа запусков КА пропускная способность наземных измерительных пунктов, что стимулировало развитие методов самоопределения пространственных координат. Одна из основных проблем навигации построение и выработка базисной системы координат, используемую в математических моделях описывающих движение КА. Для этой цели используют приборы, использующие естественные источники излучения.  По этому признаку выделяются три типа приборов:

• Звездные
• Земные
• Солнечные

    В данной работе рассматривается прибор относящийся к земным, по типу астроориентира, а точнее построитель местной вертикали(ПМВ) с секущим типом сканирования.Метод секущих использует контраст между земной поверхностью и космическим пространством. Сканирование идет в двух взаимно перпендикулярных плоскостях. На рис.1 показан сигнал снимаемый с ПИ. На ГОНе вырабатывается такой же сигнал если они не совпадают то вырабатывается сигнал рассогласования который передается на блок управления КА.

 

 
 

Траектория сканирования

ϕ 

Сигнал  на ПИ 

t₂ 

t₁ 

τ 

0

U

τ 

T 

t₂ 

t₁ 

τ 

0

U

τ 

T 

Сигнал  на ГОНе 

Сигнал  на ПИ 

t₂ 

t₁ 

τ 

0

U

τ 

T 

t₂ 

t₁ 

τ 

0

U

τ 

T 

Сигнал  на ГОНе 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

  Рис. 1.1 Принцип работы ПМВ с секущим типом сканирования

  T - период сканирования

  U – амплитуда сигнала

  t₁ и t₂ время начала и конца сигнала

  ϕ – угол рассогласования

  Когда сигал с ГОНа совпадает с сигналом от приемника излучения, т.е. плоскость КА перпендикулярно расположена по отношению к нормали к поверхности земли, на выходе устройства нет сигнала, если КА аппарат откланяется от вертикали то на выходе  детектора появляется сигнал пропорциональный углу отклонения от нормали. 

  Пункт 1: Построение функциональной схемы, выбор и обоснование элементов. 

  1.1 Выбор спектрального диапазона

  Земля как тип астроориентира может  выступать двояко в зависимости  от диапазона длин волн используемого  излучения, поэтому земные приборы  можно подразделить на приборы видимого диапазона и приборы инфракрасного(ИК) диапазона.

  В видимом диапазоне Земля представляется в виде либо светлого круглого диска, либо серпа, либо вообще не видна в  зависимости от угла Солнце-КА-центр  Земли. Это создает определенные ограничения в получении информации с прибора, работающего по Земле  в видимом диапазоне. В ИК-диапазоне  Земля представляет собой круглый  излучающий диск вне зависимости  от каких-либо условий, поэтому земные приборы ИК-диапазона свободны от ограничений в возможности получения  с них информации, благодаря чему они находят гораздо более  широкое применение , чем земные приборы видимого диапазона.

  Излучение Земли, наблюдаемой из космоса, в  той части ИК-диапазона, которая  используется в приборах ориентации(длина волны излучения ), представляет собой практически собственное излучение атмосферы и поверхности Земли. Влияние отраженного солнечного излучения в этом диапазоне пренебрежимо мало, т.к. оно сосредоточено на длинах волн менее 3 мкм. Поверхность облаков излучает как черное тело(ЧТ) с температурой облаков, поверхность Земли в спектральных окнах прозрачности атмосферы – как ЧТ с температурой поверхности Земли.

  При выборе спектрального диапазона  работы прибора необходимо учитывать  тот факт, что при работе в ИК диапазоне собственного излучения  планеты можно с достаточно высокой  точностью определять интенсивность  падающего излучения. Т.к. при переходе от планеты или её атмосферы к  космическому пространству горизонт определяется по градиенту интенсивности именно инфракрасного излучения, для работы построителя наиболее пригодны спектральные диапазоны с наиболее устойчивыми  характеристиками. Наиболее приемлемы: область полосы поглощения углекислого  газа 14,8-15,4 мкм и вращательной полосы поглощения водяного пара 30,8-33,5мкм.

  Однако  использование этих диапазонов сопряжено  с трудностями технического выполнения прибора. Кроме того, сужение спектрального  диапазона неизбежно приводит к  уменьшению общего количества энергии, поступающей на вход прибора. Поэтому  для ИКВ в основном используется интегральное излучение в диапазоне 3-12 мкм и 7-30 мкм.

  В полосах поглощения атмосферы излучение  соответствует излучению ЧТ при  температуре стратосферы. Благодаря  тому, что температурные условия  на различных высотах и характер облачности постоянно изменяются как  на поверхности Земли, так и во времени, энергетическая яркость наблюдаемых  из космоса участков Земли представляет собой случайную функцию пространственных координат и времени. Эта яркость  может меняться в несколько раз (до 3-4 раз) в зависимости от положения  точки на поверхности Земли, времени  и длины волны используемого  излучения.

  Согласно  экспериментальным исследованиям, проведенным с помощью установленной на спутниках аппаратуры (в частности, на советских КА «Космос-45» и «Космос-65»), были получены вероятностные характеристики этой случайной функции.  

  Согласно  этим данным, средняя спектральная светимость Земли в диапазоне  длин волн λ=7-26 мкм на широтах от -65С до +65С составляет 2.06 мВт/(см²мкм), однако сильно изменяется в зависимости от длины волны[8].

    В соответствии с рекомендациями  преподавателя выберем температуру излучения Земли равной 300К. По закону смещения Вина можно определить длину волны максимальной энергии излучения: 

  

  Т.к. высота полета 1000км излучения исходящего от планеты более чем достаточно и можно выбрать диапазон не лежащий в максимуме излучения Земли, что даст нам лучшую помехозащищенность от прямого солнечного излучения.

  Спектр  излучения Земли

   На рисунке 1.2 представлен спектр излучения Земли 
 
 
 
 
 

   Рис. 1.2 Кривая излучения Земли за пределами атмосферы. Кривая АЧТ  при температуре 288К дает приближенный характер излучения земной поверхности. 
 
 
 

  Рис. 1.2а Кривая пропускания атмосферы в области 0,6 — 14 мкм

  Выбор оптического диапазона  определяет тип ПИ и светофильтров. На рисунке  1.2а изображены полосы пропускания атмосферы. Земная поверхность неоднородна по своему составу, и поэтому излучение от поверхности неодинаково по всей видимой площади(водный поверхности, леса, пустыни, снежный покров). Для расчета данной работы выберем диапазон там где излучение поверхности Земли и слоев атмосферы максимально(см. рис. 1.2), т.е.  от 10 до 12 мкм, т.к. на него приходится максимум излучения поверхности земли. В качестве светофильтра будем использовать ИК-ZnS, т.к. у него наименьший коэффициент преломления и необходимая полоса пропускания и достаточно большой коэффициент поглощения входное окно будет изготовлено из ZnSe с нанесенными на него с обоих сторон просветляющих покрытий(см. таблицу 1.1).

  Табл. 1.1

 
 
 
 
 
 

    
 
 
 
 
 

Рис. 1.3 Спектр пропускания окна из CVD-ZnSe (толщина 10 мм). 
 
 
 
 
 

Рис. 1.4 Спектры пропускания образцов из ИК-ZnS и МС-ZnS (толщина образцов указана в мм).

   Материал для просветляющих покрытий выбираем с максимальным коэффициентом пропускания в нужном нам диапазоне. В качестве покрытия будем использовать просветляющее покрытие в выбранном нами диапазоне 10-12мкм.

 
 
 
 
 
 
 

Рис. 1.5 Просветляющее покрытие BaF₂ на 10.9 микрона на подложке из ZnSe, угол падения 0°.

  τ_п.п.=0.995, n_п.п.=1.55

 

  В качестве материала для подложки зеркала выберем стекло марки К8, в качестве отражающего покрытия выберем золото. Спектр отражения данного элемента показан на рисунке 1.6 

    

  Рис. 1.6 Спектр отражения зеркала с  золотым покрытием 

  τ_з=0.99 

  В качестве материала для собирающей линзы выбираем  ZnSe. 

  Таким образом, выбранный спектральный диапазон:   
 

  1.2 Выбор приемника  излучения

  Приемник  будем выбирать по следующим объективным  критериям:

• по спектральному диапазону
• по постоянной времени
• температура работы