Исследование и модернизация спутниковых лазерно-дальномерных систем

Постоянный рост требований к точности определения расстояний до искусственных спутников Земли (ИСЗ) в космической геодезии приводит к необходимости совершенствования средств измерений этого метода. Поскольку наши представления о геодинамических параметрах, структуре гравитационного поля Земли, характеристик возмущающих негравитационных сил и т. д. еще недостаточно полны, то получаемые при локации специальных геодинамических спутников высокоточные топоцентрические расстояния лежат в основе уточнения перечисленных факторов.

Методы лазерной локации являются эффективным средством при определении параметров вращения Земли: координат мгновенного полюса относительно международного условного начала и изменений скорости вращения вокруг оси. Это повышает их практическую и научную значимость. Между тем из более чем 70 станций мировой лазерной сети в нашей стране действуют 5−6 станций, оснащенных в основном лазерными спутниковыми дальномерами (ЛСД) второго поколения со средней квадратической погрешностью (СКП) измерения расстояний в пределах от 10 до 20 см [1]. Регулярная локация ИСЗ на ЛСД третьего поколения с точностью измерений, удовлетворяющей требованиям международной службы вращения Земли, проводится на станции в г. Комсомольск на Амуре [1].

С целью заполнения создавшегося «вакуума» средств лазерной локации может быть, например, возврат в процесс наблюдений спутниковых дальномеров первого поколения за счет их модернизации. Поэтому рассматриваемые в данной работе способы повышения точности измерений расстояний до ИСЗ на лазерном дальномере ЛД-2 1979 г. выпуска (СКП единичного измерения составляет 2,5 м, дальность действия — 3,5 тыс. км) [2], носят актуальный характер, а результаты выполненных исследований могут быть использованы для целей модернизации других ЛСД.

Цель работы. Главной целью научных исследований, выполненных в работе, является теоретическая и экспериментальная разработка способов и средств повышения точности измерений расстояний до ИСЗ. Поскольку на точность измерений основное влияние оказывает длительность зондирующего импульса и характеристики приемно-регистрирующего канала дальномера, то научные исследования, проводимые в диссертационной работе, направлены на решение следующих задач:

1) исследование физико-математической модели лазерной локации ИСЗ с целью выявления факторов, влияющих на точность измерения расстояний;

2) разработка и исследование алгоритмов расчета на ЭВМ суммарной погрешности измерения расстояний методом лазерной дальнометрии, с целью определения оптимальных путей модернизации приемного и передающего каналов дальномера;

3) исследование способов регистрации эхо-сигнала с целью уменьшения погрешности временной привязки;

4) разработка и исследование метода обработки поступающей во время локации ИСЗ неравноточной информации для учета влияния случайного изменения энергии эхо-сигнала на погрешность результатов измерений;

5) разработка и исследование оптико-электронных устройств опытного образца лазерного излучателя с целью сокращения длительности зондирующего импульса.

Актуальность работы обусловлена необходимостью в увеличении числа станций Российской лазерной сети, а также постоянно растущими требованиями к точности измерений дальностей действующими ЛСД со стороны потребителей информации о геодинамических параметрах и структуре гравитационного поля Земли.

Научная новизна заключена в разработках и исследованиях методов и средств повышения точности измерений ЛСД, связанных с модернизацией оптико-электронных узлов передающего и приемного каналов дальномера. При этом впервые:

1) разработан алгоритм для расчета на ЭВМ физико-математической модели лазерной локации ИСЗ, позволяющий оценить суммарную погрешность измерений при заданных параметрах зондирующего импульса и объекта локации;

2) выполнены исследования по точности способов временной привязки эхо-сигнала, получивших наибольшее распространение в системах регистрации современных ЛСД. В частности показано, что применение способа временной привязки к центру сигнала по следящему порогу существенно повышает точность регистрации по сравнению с традиционными методами;

3) разработан и исследован новый способ обработки поступающей во время лазерной локации ИСЗ неравноточной информации, в котором для каждой принятой лазерной посылки определяется вес измеренного значения дальности в зависимости от амплитуды эхо-сигнала, выделенного на нагрузке фотодетектора;

4) разработан и исследован квантовый генератор на иттрий алюминиевом гранате (ИАГ:Ш) с пассивной модуляцией добротности при использовании в резонаторе двух фототропных затворов на кристаллах литий фтор (Ш7). Получена генерация с улучшенными временными и энергетическими параметрами импульса;

5) разработан, изготовлен и исследован опытный образец компактного лазерного излучателя с параметрами: длительность импульса ти около 3 не, энергия импульса Еи около 0,2 Дж.

Практическая значимость работы.

Проведенные в рамках диссертационной работы исследования и полученные результаты позволили разработать:

1) опытный образец лазерного излучателя, предназначенный для модернизации спутниковых дальномеров первого и второго поколений;

2) усовершенствованную систему регистрации приемного канала дальномера, позволяющую производить регистрацию центра эхо-сигнала и измерять его энергию;

3) новый способ приема эхо-сигнала и обработки неравноточных данных лазерной локации ИСЗ, повышающий точность дальномерных измерений не менее чем в 1,5 раза.

Результаты работы могут быть использованы при геодинамических исследованиях и метрологическом обеспечении траекторных измерений (средства вооружения и военная техника).

Достоверность научных положений, изложенных в диссертации, подтверждена результатами моделирования на ЭВМ и данными натурных экспериментов на изготовленном образце лазерного излучателя.

Апробация работы.

Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на:

1) Международной научно-технической конференции «Современные проблемы геодезии и оптики», посвященной 65-летию СГГА-НИИГАиК, 23−27 ноября 1998 г.;

2) научно-технической конференции преподавателей СГГА «Современные проблемы геодезии и оптики», 24−27 апреля 2000 г.;

3) регулярных научно-технических семинарах «Методы и средства лазерной спутниковой дальнометрии» СНИИМ, Новосибирск, 1998;2000 гг.

Основные положения, выносимые на защиту.

1) математическая модель процесса лазерной локации ИСЗ, позволяющая оценить суммарную погрешность измерений при заданных параметрах ЛСД;

2) способ обработки данных локации, учитывающий энергию каждой принятой лазерной посылки;

3) способ получения улучшенных характеристик лазерного излучения в резонаторе с пассивной модуляцией добротности при использовании в его оптической схеме двух фототропных затворов;

4) разработка оптико-электронных узлов и конструкции опытного образца лазерного излучателя для модернизации спутниковых дальномеров первого и второго поколений.

Заключение

.

В рамках диссертационной работы были проведены научные исследования и получены практические результаты:

1) проведен сравнительный обзор основных существующих средств и методов определений геодинамических параметров Земли и дана оценка роли и места лазерной спутниковой дальнометрии в космической геодезии;

2) проведен сравнительный анализ современного уровня развития средств лазерной локации ИСЗ в России и за рубежом, в результате которого показана целесообразность восстановления и усовершенствования лазерно-дальномер-ных систем первого поколения типа ЛД-2, «Сажень» и др.;

3) выполнено исследование погрешностей временной привязки эхо-сигнала для методов, получивших наибольшее распространение в системах регистрации современных лазерно-дальномерных систем, и даны рекомендации к их выбору в зависимости от условий проведения наблюдений;

4) на основании анализа результатов математического моделирования на ЭВМ процесса лазерной локации ИСЗ разработана и исследована новая методика обработки поступающей во время наблюдений неравноточной информации с учетом энергии отдельной лазерной посылки, позволяющая уменьшить погрешность результатов измерений приблизительно в 1,5 раза по сравнению с традиционными способами;

5) выполнено исследование модели погрешностей ЛСД с учетом параметров модернизированного спутникового дальномера ЛД-2, показавшее принципиальную возможность использования этого инструмента для целей локации геодинамических ИСЗ;

6) сделано предложение об использовании в приемном канале дальномера радиоэлектронного устройства, функция которого должна состоять в измерении амплитуды принятого эхо-сигнала, что позволяет определить вес измерения в зависимости от энергии лазерной посылки;

7) разработана и исследована оптическая схема квантового генератора с использованием двух фототропных затворов, позволившая существенно улучшить энергетические и временные параметры светового импульса для метода.

•5 1 пассивной модуляции добротности на кристалле ИАГ: М размером 8×100 мм;

8) разработан, изготовлен и внедрен компактный лазерный излучатель, генерирующий высокоэнергетические (Е, а 0,25 Дж) световые импульсы длительностью около 3,3 не на длине волны 0,532 мкм;

Улучшение характеристик передающего и приемного каналов дальномера за счет практического внедрения результатов проведенных исследований позволяет достигнуть погрешности измерений расстояний модернизированным спутниковым дальномером ЛД-2 от 5 до 8 см для низкоорбитальных и от 10 до 15 см для высокоорбитальных ИСЗ.

Таким образом, модернизация дальномеров первого и второго поколений по предлагаемой в диссертационной работе методике, позволяет при минимальных финансовых затратах значительно уменьшить погрешность измерения расстояний до низкоорбитальных ИСЗ до уровня, сравнимого с погрешностью измерений лазерно-дальномерных систем третьего поколения.

Следует признать, что полученные в диссертационной работе результаты были бы невозможны без активной поддержки и помощи со стороны: директора Сибирского НИИ Метрологии Черепанова В. Я., руководителя отдела «времени и частоты» Толстикова А. С., руководителя лаборатории «астрономического определения времени» Могильницкого Б. С. и других сотрудников этой лаборатории.

В заключение автор выражает глубокую благодарность научным руководителям заслуженному метрологу РФ, доктору технических наук, профессору Юношеву Л. С. и заслуженному деятелю науки РФ, доктору физико-математических наук, профессору Мещерякову Н. А. за чрезвычайно интересную тему диссертационного исследования, многочисленные советы и обсуждения существа проделанной работы.