Радиостроение. 2021; : 13-35
Методы математического моделирования в проектировании бортовых лазерных локационных систем космических аппаратов
https://doi.org/10.36027/rdeng.0321.0000195Аннотация
Для выполнения операций сближения и стыковки космических аппаратов (КА) необходимо обнаружение и измерение координат пассивного КА с помощью бортовых средств активного КА. Для этой цели кроме радиотехнических систем используются лазерные локационные системы (ЛЛС). Процесс проектирования бортовых ЛЛС для перспективных КА в настоящее время усложняется и требует учета многих факторов.
Авторами была разработана программа для персональных ЭВМ, предназначенная для оценки возможностей бортовых ЛЛС КА, работающих в импульсном режиме, при работе по близкорасположенным или удаленным космическим объектам, имеющим диффузно рассеивающую поверхность, а также снабженными уголковыми отражателями. Программа также позволяет рассчитать параметры ЛЛС, обеспечивающие безопасность для органов зрения при случайном облучении в спектральном диапазоне 0,81…1,5 мкм согласно требованиям, устанавливаемым ГОСТ Р 50723-94.
Энергия импульса подсветки и расходимость зондирующего пучка определяют дальность ЛЛС и дистанцию безопасного наблюдения, которые являются важнейшими показателями, характеризующими возможности бортовых ЛЛС. Для одновременного обеспечения наилучших характеристик по дальности и безопасности ЛЛС, необходимо решить задачу многокритериальной оптимизации.
В работе решена задача многокритериальной оптимизации для максимальной дальности ЛЛС и дистанции безопасного наблюдения с использованием множеств Парето, применение которых позволяет избежать неопределенности при выборе значимости критериев.
Полученные результаты показывают, что предложенные методы могут успешно применяться при разработке бортовых ЛЛС КА.
Список литературы
1. Lehr C.G. Laser tracking systems // Laser applications / Ed. by M. Ross. N.Y.: Academic Press, 1974. Vol. 2. P. 13.
2. Lowrey D.O., Adelman S. A 10.6 micron radar for space rendezvous and docking // 1975 Wescon professional program: Western electronic show and convention (San Francisco, CA, USA, September 16-19, 1975): Technical papers. Vol. 19. 1975. Pp. 9.1/1–9.1/7.
3. Flom T. Spaceborne laser radar // Applied Optics. 1972. Vol. 11. No. 2. Pp. 291- 299. DOI: 10.1364/AO.11.000291
4. Федосеев В.И. Автоматическая лазерная система контроля параметров сближения кооперируемых космических аппаратов // Оптический журнал. 1996. № 7. С. 66-70.
5. Christian J.A., Hinkel H., Maguire S., D’Souza C.N., Patangan M. The sensor test for Orion RelNav risk mitigation (STORRM) development test objective // AIAA Guidance, navigation and control conf. (Portland, OR, USA, August 8-11, 2011): Papers. AIAA, 2011. DOI: 10.2514/6.2011-6260
6. Roux Y., Da Cunha P. The GNC measurement system for the automated transfer vehicle. Режим доступа: http://www.issfd.org/ISSFD_2004/papers/P1010.pdf (дата обращения 30.09.2021).
7. Лазерная локация / И.Н. Матвеев, В.В. Протопопов, И.Н. Троицкий, Н.Д. Устинов; под ред. Н.Д. Устинова. М.: Машиностроение, 1984. 272 с.
8. Малашин М.С., Каминский Р.П., Борисов Ю.Б. Основы проектирования лазерных локационных систем: учеб. пособие. М.: Высшая школа, 1983. 207 с.
9. Лазерная дальнометрия / Л.А. Аснис, В.П. Васильев, В.Б. Волконский и др.; под ред. В.П. Васильева и Х.В. Хинрикус. М.: Радио и связь, 1995. 256 с.
10. Назаров В.Н., Балашов И.Ф. Энергетическая оценка импульсных лазерных дальномеров. Режим доступа: http://de.ifmo.ru/bk_netra/start.php?bn=27 (дата обращения 2.10.2021).
11. Мирошников М.М. Теоретические основы оптико-электронных приборов: учеб. пособие. 3-е изд. СПб.: Лань, 2010. 704 с.
12. Аллен К.У. Астрофизические величины: справочник: пер. с англ. М.: Мир, 1977. 446 с. [Allen C.W. Astrophysical quantities. 3rd ed. L.: Athlone Press, 1973. 310 p.].
13. Основы импульсной лазерной локации: учеб. пособие / В.И. Козинцев, М.Л. Белов, В.М. Орлов и др.; под ред. В.Н. Рождествина. 2-е изд. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2010. 571 с.
14. Ставров А.А., Поздняков М.Г. Импульсные лазерные дальномеры для оптико-локационных систем // Доклады БГУИР. 2003. Т. 1. № 2 . С. 59–65.
15. Измаилов А.Ф., Солодов М.В. Численные методы оптимизации: учеб. пособие. М.: Физматлит, 2003. 300 с.
16. Черноруцкий И.Г. Методы оптимизации в теории управления: учеб. пособие. СПб.: Питер, 2004. 256 с.
Radio Engineering. 2021; : 13-35
Mathematical Modeling Methods in Designing Onboard Laser-Ranging Systems of Spacecraft
https://doi.org/10.36027/rdeng.0321.0000195Abstract
To perform rendezvous and docking of spacecraft (SC), it is necessary to detect and measure the coordinates of a passive space vehicle (SV) using the onboard aids of an active SV. For this purpose, in addition to radio engineering systems, laser-ranging systems (LRS) are used. A designing process of the onboard LRS for promising spacecraft is currently becoming more complicated and requires taking into account a lot of factors.
The authors have developed the PC software to assess capabilities of onboard pulse LRS of spacecraft when working on the nearby or distant space objects that have a diffusely scattering surface, as well as are equipped with the corner reflectors. The software also allows us to calculate the LRS parameters, which, according to GOST R 50723-94, ensure eye-safety in the spectral range of 0.81 ... 1.5 microns in case of accidental irradiation.
The energy of the intensifier pulse and the divergence of a sensing beam determine the LRS range and the distance of eye-safe observation, which are the most important indicators to characterize the onboard LRS capabilities. To ensure the best LRS range and safety characteristics simultaneously, it is necessary to solve the problem of multi-criteria optimization.
The paper solves the problem of multi-criteria optimization for the maximum LRS range and the eye-safe observation distance by Pareto sets the use of which allows us to avoid uncertainty in choosing a significance of criteria.
The results obtained show that the proposed methods can be successfully applied in designing onboard LRS of spacecraft.
References
1. Lehr C.G. Laser tracking systems // Laser applications / Ed. by M. Ross. N.Y.: Academic Press, 1974. Vol. 2. P. 13.
2. Lowrey D.O., Adelman S. A 10.6 micron radar for space rendezvous and docking // 1975 Wescon professional program: Western electronic show and convention (San Francisco, CA, USA, September 16-19, 1975): Technical papers. Vol. 19. 1975. Pp. 9.1/1–9.1/7.
3. Flom T. Spaceborne laser radar // Applied Optics. 1972. Vol. 11. No. 2. Pp. 291- 299. DOI: 10.1364/AO.11.000291
4. Fedoseev V.I. Avtomaticheskaya lazernaya sistema kontrolya parametrov sblizheniya kooperiruemykh kosmicheskikh apparatov // Opticheskii zhurnal. 1996. № 7. S. 66-70.
5. Christian J.A., Hinkel H., Maguire S., D’Souza C.N., Patangan M. The sensor test for Orion RelNav risk mitigation (STORRM) development test objective // AIAA Guidance, navigation and control conf. (Portland, OR, USA, August 8-11, 2011): Papers. AIAA, 2011. DOI: 10.2514/6.2011-6260
6. Roux Y., Da Cunha P. The GNC measurement system for the automated transfer vehicle. Rezhim dostupa: http://www.issfd.org/ISSFD_2004/papers/P1010.pdf (data obrashcheniya 30.09.2021).
7. Lazernaya lokatsiya / I.N. Matveev, V.V. Protopopov, I.N. Troitskii, N.D. Ustinov; pod red. N.D. Ustinova. M.: Mashinostroenie, 1984. 272 s.
8. Malashin M.S., Kaminskii R.P., Borisov Yu.B. Osnovy proektirovaniya lazernykh lokatsionnykh sistem: ucheb. posobie. M.: Vysshaya shkola, 1983. 207 s.
9. Lazernaya dal'nometriya / L.A. Asnis, V.P. Vasil'ev, V.B. Volkonskii i dr.; pod red. V.P. Vasil'eva i Kh.V. Khinrikus. M.: Radio i svyaz', 1995. 256 s.
10. Nazarov V.N., Balashov I.F. Energeticheskaya otsenka impul'snykh lazernykh dal'nomerov. Rezhim dostupa: http://de.ifmo.ru/bk_netra/start.php?bn=27 (data obrashcheniya 2.10.2021).
11. Miroshnikov M.M. Teoreticheskie osnovy optiko-elektronnykh priborov: ucheb. posobie. 3-e izd. SPb.: Lan', 2010. 704 s.
12. Allen K.U. Astrofizicheskie velichiny: spravochnik: per. s angl. M.: Mir, 1977. 446 s. [Allen C.W. Astrophysical quantities. 3rd ed. L.: Athlone Press, 1973. 310 p.].
13. Osnovy impul'snoi lazernoi lokatsii: ucheb. posobie / V.I. Kozintsev, M.L. Belov, V.M. Orlov i dr.; pod red. V.N. Rozhdestvina. 2-e izd. M.: Izd-vo MGTU im. N.E. Baumana, 2010. 571 s.
14. Stavrov A.A., Pozdnyakov M.G. Impul'snye lazernye dal'nomery dlya optiko-lokatsionnykh sistem // Doklady BGUIR. 2003. T. 1. № 2 . S. 59–65.
15. Izmailov A.F., Solodov M.V. Chislennye metody optimizatsii: ucheb. posobie. M.: Fizmatlit, 2003. 300 s.
16. Chernorutskii I.G. Metody optimizatsii v teorii upravleniya: ucheb. posobie. SPb.: Piter, 2004. 256 s.
