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

  Выбирать  приемник при первоначальном расчете  будем из критерия соответствия максимума  чувствительности приемника выбранному диапазону и конечно же габариты, преимущество отдается приемникам без системы охлаждения. Так же важную роль играют его механические характеристики, т.к. КА подвергается сильнейшим механическим воздействиям, а именно вибрациям и многократным перегрузкам, немаловажную роль играет и его постоянство параметров во времени. Постоянная времени приемника должна быть гораздо меньше постоянной времени прибора.

  По  установленным критериям подешел только один тип приемников, пироэлектрические приемники: 
 
 
 
 
 
 

  1.2 Оптическая схема  прибора

  При проектировании ПМВ выбор оптической схемы играет важнейшую роль. Подбирать  схему будем от самой простой  с дальнейшим усложнением.

  Плюсы данной схемы:

• Простота
• Весь входящий поток падает на ПИ
• Увеличенная частота сканирования

Линза из ZnS

Сканирующий элемент

Усилитель

ПИ

К счетно-решающему  устройству

В систему управления

Входное окно из ZnSe

  Рис. 1.7 Оптическая схема

  Излучение падает на зеркальный «барабан». Барабан вращается вокруг своей оси, в момент когда плоскость зеркала расположена под необходимым углом для создания освещенности на ПИ, оптический контакт ГОНа замыкается и на его выходе формируется прямоугольный сигнал. Непосредственно после барабана расположен объектив, изготовленный из германия, просветляющее покрытие нанесено на в материал для входного окна , на входе устройства стоит германиевое окно, которое обрезает спектр падающего излучения.

Отверстия в  диске

На Рис. 1.7а представлена схема задания оптических импульсов в генераторе опорных напряжений. В диске жестко скрепленным с зеркальным барабанов и сидящих на одной оси, сделаны прорези, через которые  проходит поток создаваемый фотодиодом, далее поток регистрируется фотоприемником. Сигнал с фотоприемника усиливается, стандартизуется и передается на синхронный детектор. 
 
 
 
 
 
 

  Рис. 1.7а Схема ГОНа 

  1.3 Функциональная схема

1-й канал

Приемное устройство

ГОН

Привод

Усилитель

В систему управления

Триггер

Шмитта

Синхронный детектор

2-й канал

Приемное устройство

ГОН

Привод

Усилитель

В систему управления

Триггер

Шмитта

Синхронный детектор

  Рис. 1.8 Принципиальная схема работы ПМВ(с секущим типом сканирования)

  На  функциональной схеме изображен  принцип работы прибора. Излучение  собирается и передается оптикой  на ПИ, непосредственно к приводу  присоединен оптический ключ, выступающий  в роли ГОНа. Сигнал с ПИ идет на усилитель. Сигнал с усилителя идет на систему обработки, туда же идет и сигнал с ГОНа, где обрабатывается и выдается результат, в виде угла отклонения от нормали.

Модулятор

1-й канал

Приемное устройство

Источник излучения

Усилитель

На синхронный детектор управления

Триггер

Шмитта

2-й канал

Источник излучения

Приемное устройство

Усилитель

Триггер

Шмитта

На синхронный детектор управления

На рис. 1.8а представлена принципиальная схема работы ГОНа. В качестве генератора импульсов используем оптопару(источник излучения+приемник), задавать сигнал будет диск с со сделанными в нем прорезями. 
 
 
 
 
 
 

  Рис. 1.8а Принципиальная схема работы ГОНа

  Пункт 2. Габаритный и энергетический расчеты, расчет аберраций:

2.1 Расчет поля зрения прибора.

D

R_З

H_атм.

α

А

В

С

О 

H

2β

Рис. 2.1 Рабочее  положение ПМВ с секущим типом  сканирования

КА аппарат  совершает полет на высоте 1000 км, его мгновенное поле зрения 2β, а поле зрения 2α.

Для расчетов примем высоту атмосферы H_атм.=60км.

Найдем половину углового размера земли с атмосферой: 
 

α=1.061рад.

Найдем мгновенное поле зрения прибора:

2β=

2β=0.033 рад.

Рассчитаем мгновенное пространственное поле зрения прибора:

Ω=πβ²=π

Ω=

2.2 Расчет КПД оптики.

_{КПД оптики найдем по формуле}

_{, где}

_{ρз – коэффициент отражения зеркала, ρз=0.99}

_{τсф – коэффициент пропускания светофильтра, τсф=0.73}

ρ_френ - коэффициент френелевского отражения входного окна и линзы прибора с учетом применения просветляющего покрытия (при нормальном падении света), ρ_френ=9*10^-3

КПД оптической системы в данном приборе будет  равен:

- коэффициент отражения колеблющегося  зеркала;

- коэффициенты отражения коэффициент  отражения зеркального барабана  покрытого золотым отражающим  напылением ;

 – коэффициент френелевского  отражения входного окна прибора  с учетом применения просветляющего  покрытия (при нормальном падении  света):

- коэффициент пропускания просветляющего  покрытия, берем равным 1, т.к. толщина мала

- коэффициент пропускания входного  окна из ZnSe

- коэффициент пропускания конденсора из ZnS

В таблице 2.1 указаны  основные параметры материалов оптической системы 

Табл. 2.1

2.3 Определение яркости  Земли

  Поверхность Земли имеет температуру около 300К и излучает в основном в диапазоне волн 5-20 мкм. Земля не является АЧТ.

  Значение  яркости определим из графика, изображенного  на рис. 2.2: возьмем среднее значение яркости в диапазоне  .

  Рис. 2.2 Ожидаемое значение спектральной энергетической яркости для трех углов визирования  . с.ш., зима, суша, солнечное освещение отсутствует.  

  Получаем:

  Где - рабочий спектральный диапазон, мкм;

    мкм

  2.4  Расчет диаметра  входного зрачка 

                                         О

ФЭП

         L              

     Необходимо  найти величину входного зрачка прибора, чтобы количества излучения было достаточно для его заполнения с  определенным уровнем 

     Т.к. поле зрения прибора гораздо меньше угловых размеров Земли, то проведем энергорасчет по протяженному излучателю:

Поток, упавший  на приемник излучения должен в несколько  раз превышать его пороговый  поток:

Поток, упавший на входной зрачок прибора , где

- диаметр входного зрачка

- площадь входного зрачка

 L - яркость Земли

- КПД оптической системы

- телесный угол 

- коэффициент модуляции

- коэффициент использования  приемника (т.к не весь поток используется ПИ)

Пороговый поток найдем как ,где