Файл: Козелкин В.В. Основы инфракрасной техники учебник.pdf

система с Солнцем в начале координат — так называемая гелио­ центрическая система (рис. 10.1). Расстояние от космического корабля до Солнца может быть определено ИК-аппаратурой, из­ меряющей видимый диаметр или величину излучения Солнца. Действительно, облученность, создаваемая Солнцем в данной точке пространства, обратно пропорциональна квадрату расстоя­ ния между источником и облучаемой поверхностью [см. фор­

мулу (1. 15)], а угловые раз­ меры Солнца связаны с рас­ стоянием D следующей за­ висимостью:

и ВС, т .е. положение космического корабля в пространстве. Создание бортовых навигационных систем космического ко­

рабля с ИК-следящими устройствами позволяет определять по­ ложение небесных светил в выбранной системе координат. ИКизлучение светил, улавливаемое оптическими координаторами, преобразуется в электрические сигналы, пропорциональные по­ ложению светила. Полученные данные могут быть преобразо­ ваны счетно-решающими устройствами в координаты корабля. Эти данные, поступая в систему автоматического регулирова­ ния, могут ориентировать положение и курс корабля в прост­ ранстве.

Приборы, предназначенные для автоматического измерения координат места и курса космического летательного аппарата по расстоянию и взаимному расположению небесных светил, назы­ ваются астроориентаторами. Астроориентаторы могут определять положение космического корабля несколькими методами: путем измерения расстояний до трех небесных тел, углов между направ­ лениями на центры трех небесных тел или расстояния до одного небесного тела и определения углов на центры двух других не­ бесных тел (см. рис. 10.1).

274

Блок-схема астроориентатора для определения положения космического корабля по трем светилам — Солнцу и двум пла­ нетам — представлена на рис. 10.2. Астроориентатор имеет три фотоэлектрические следящие системы Т\, Т2, Т3, определяющие

расстояния Dit D2, D3 до центров трех небесных светил Ои

0 2, 0 3 .

Расстояния определяются путем измерения угловых размеров дисков небесных тел или определения интенсивности пх излуче-

Р н с . 10.2. Б л о к -с х ем а а с т р о о р и ен т а т о р а

нпя. Сигналы от следящих систем, пропорциональные расстоя­ ниям Du D2, D3, подаются в вычислитель Bi координат места ле­ тательного аппарата. В этот же вычислитель поступают изменя­ ющиеся во времени координаты центров светил с вычислитель­ ного устройства В2 и данные точного времени с генератора ста­ бильной частоты Г. Полученные в результате измерения и вы­ числений текущие координаты космического корабля в гелиоцен­ трической системе координат .v, у, z можно воспроизводить ука­ зателем курса или вводить в систему управления полетом для сравнения фактической орбиты с расчетной и исправления в слу­ чае необходимости траектории движения.

Используемые в настоящее время приборы для космической навигации и ориентации можно разделить на три основные группы:

—приборы для ориентации по планетам, называемые пост­ роителями местной вертикали,

—приборы для ориентации по Солнцу, которые называются датчиками солнечной ориентации,

—приборы для ориентации по звездам, называемые звезд­ ными датчиками.

В искусственных спутниках Земли одним из основных нави­ гационных приборов является ИК-датчик (указатель) гори­ зонта. ИК-датчик горизонта служит для ориентации спутника на орбите относительно горизонта Земли. Датчик может быть ис­

пользован также для измерения расстояния от космического ко­ рабля до намеченной планеты путем определения угловых раз­ меров ее диска. ИК-датчпк горизонта является устройством, сле­ дящим за положением края диска (линии горизонта) планеты; при этом используется собственное температурное излучение планеты, позволяющее наблюдать ее диск с любой стороны не­ зависимо от положения Солнца. Так, например, температура Земли, наблюдаемой с орбиты спутника, равна 250 К, а окружа­ ющий Землю фон космоса имеет температуру около 4 К. Такой резкий перепад температур позволяет применить для ИК-датчи- ка горизонта сравнительно несложную ИК-спстему, следящую за положением края земного диска.

Для надежной работы ИК-датчиков горизонта очень важно правильно выбрать спектральную характеристику приемника из­ лучения. Дело в том, что зеркальное отражение солнечного из­ лучения от водных и снежных поверхностей, облаков, а также резкая граница между освещенной и неосвещенной сторонами Земли могут давать ложные сигналы, искажающие данные о по­ ложении истинной линии горизонта. Поэтому желательна рабо­ та приемника в диапазоне длин волн более 7 мкм, где Солнце излучает менее 1% энергии, например, в окне пропускания зем­ ной атмосферы 7—14 мкм. Влияние рассеянного и отраженного излучения Солнца может быть исключено применением длинно­ волновых пропускающих фильтров, срезающих излучение с дли­ ной волны короче 7 мкм. Кроме того, использование НК-области спектра с диапазоном волн более 7 мкм обеспечит работу ИКдатчика горизонта, не зависимую от времени суток.

В навигационных системах датчики горизонта обычно и с п о л ь ­ з у ю т д л я определения местной вертикали, т. е. направления па центр планеты из точки, в которой находится спутник или косми­ ческий корабль в данный момент времени. Одни из возможных способов построения местной вертикали по ИК-излученшо пла­ неты показан на рис. 10.3. После зрения приемника ИК-излуче- ния перемещается в вертикальной плоскости, просматривая го­ ризонт сканирующим лучом (СЛ).

При прохождении поля зрения через линию горизонта резко изменяется тепловое излучение, вследствие чего на выходе дат­ чика горизонта появляется электрический импульс. Небольшое колебание оси датчика Оу относительно края горизонта вызыва­ ет серию электрических импульсов. Сравнивая фазы этих им­ пульсов с опорным импульсом, можно получить данные о поло­ жении сканирующего устройства, отслеживающего линию гори­ зонта, относительно оси АОА', жестко связанной с корпусом ле­ тательного аппарата (угол yi). Второй такой же приемник прос­ матривает горизонт с противоположной стороны, давая значе­

ние угла у!. Биссектриса двугранного угла, образованного плос­ костями, проходящими через оси этих датчиков (<уОу') и центр

276

масс летательного аппарата, определяет положение плоскости, проходящей через центр планеты и летательный аппарат.

Еще два аналогичных датчика (на рис. 10.3 не показаны) просматривают горизонт в перпендикулярной плоскости по ли­ нии ли', выдавая значения углов уо и -\'2 между касательными к

линии горизонта и осью аппарата в этой плоскости, определяя вторую плоскость, проходящую через центр планеты и летатель­ ный аппарат. Пересечение обеих плоскостей дает положе­ ние местной вертикали 00\.

Так как положение опорной вертикали летательного аппа­ рата 0.4 известно, то не пред­ ставляет труда определить углы отклонения осп летатель­ ного аппарата относительно местной вертикали (3j и (32:

Pi=4 - (vi—Yi);

на рис. 10.4, а показывает работу построителя в одной плоско­ сти. При помощи зеркал 2, 4 и линз 10 на приемники ИК-нзлуче- ния 7 проектируется небольшая часть энергии ИК-излучения. краевых сегментов земного диска. Зеркало 2 приводится в ко­ лебательное движение электромагнитным приводом 1. При ко­ лебаниях проекция сегментов земного диска начинает синхронно перемещаться относительно чувствительной площадки приемни­ ков излучения, т. е. производится сканирование горизонта Земли у диаметрально противоположных краев. Если изображение Земли не сцентрировано с оптической осью системы, электриче­ ские импульсы с диаметрально противоположных приемников будут отличаться по длительности друг от друга. Электронное устройство сравнивает длительность импульсов от каждой пары приемников и формирует выходной сигнал, пропорциональный смещению изображения от оптической оси.

Амплитуда колебания зеркал регулируется автоматически. Когда объект выходит из поля зрения, амплитуда возрастает для обеспечения поиска. При малых или нулевых сигналах ошнб-

277

кп амплитуды колебании зеркал уменьшаются, что позволяет повысить точность в определении направления на центр земного шара.

Возможны п другие способы построения местной вертикали по ИК-излученшо Земли. Положение местной вертикали можно определить при помощи двух одинаковых сканирующих уст­ ройств, просматривающих земной диск узким лучом от одного края до другого в двух взаимно перпендикулярных направлениях (рис. 10.5). Круговое сканирование пространства, осуществляется при помощи вращающихся зеркал пли призм. За один оборот зеркала линия визирования датчика будет дважды пересекать линию горизонта. При переходе линии визирования через гори­ зонт приемники излучения будут вырабатывать импульсные сиг­ налы. Сравнение фазы этих сигналов с положением опорного

импульса позволяет получить сигналы рассогласования, пропор­ циональные углам между перпендикулярами АА' к центрам хорд, соединяющих точки пересечения линий визирования с линией горизонта (точки х, х' и у, у') и осью летательного аппарата 00', которая должна совпадать с местной вертикалью.

Возможное конструктивное оформление датчика для постро­ ения местной вертикали сканированием в двух направлениях по­

278