Спутниковый дальномер с пассивным ретроотражением запросного радиосигнала Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

КОСМИЧЕСКИЕ УСЛУГИ

УДК 621.396.969.18

Б01 10.26732/2618-7957-2019-4-230-236

СПУТНИКОВЫЙ ДАЛЬНОМЕР С ПАССИВНЫМ РЕТРООТРАЖЕНИЕМ ЗАПРОСНОГО РАДИОСИГНАЛА

В. Е. Чеботарев1,2 Н, Ю. П. Саломатов2, В. С. Панько2, А. А. Ерохин2, Е. В. Кузьмин2, Р. О. Рязанцев2

1АO «Информационные спутниковые системы» им. акад. М. Ф. Решетнёва», г. Железногорск, Красноярский край, Российская Федерация 2 Сибирский федеральный университет, г. Красноярск, Российская Федерация

В перспективных проектах лунной информационно-навигационной обеспечивающей системы рассматривается использование спутникового дальномера для решения задачи баллистического обеспечения окололунных космических аппаратов. В настоящей работе рассмотрена математическая модель расчета радиолинии спутникового дальномера с пассивныт ретроотражением запросного радиосигнала от селенодезиче-ских пунктов. Модель позволяет выполнить расчет отношения «сигнал-шум» в отраженном радиосигнале и среднеквадратическое отклонение определения дальности от космического аппарата до пассивного ретрорадиоотражателя при различных условиях. В расчетах учитывается как отражение сигнала от ретрорадиоотражате-ля, так и от окружающего поверхностного лунного грунта. Рассмотрены различные типы ретрорадиоотражателя в виде комбинаций уголковых отражателей и в виде линзы Люнебурга. Выполнены расчеты радиолинии с использованием указанных типов ретрорадиоотражателей для разных значений высоты орбиты, частоты сигнала и других параметров. Показано, что при определенных значениях параметров радиолинии достигается значение среднеквадратического отклонения определения дальности порядка единиц метров и меньше как для линзы Люнебурга, так и для комбинированного уголкового отражателя. Окончательный выбор должен быть сделан с учетом их массы, а также возможностей трансформации ретрорадиоотражателя из транспортировочного в рабочее состояние.

Ключевые слова: космический аппарат, пассивный ретрорадиоотражатель, селеноде-зический пункт, дальномер, линза Люнебурга, уголковый отражатель.

Введение

В перспективных планах исследования и промышленного освоения Луны предусматривается создание на постоянной основе лунной информационно-навигационной обеспечивающей системы (ЛИНОС) длительного функционирования для обеспечения связью и навигацией мобильных транспортных средств на поверхности Луны и вблизи нее [1; 10].

Развертывание окололунной орбитальной группировки космических аппаратов (КА) ЛИНОС связано с необходимостью упреждающего размещения на поверхности Луны средств автоматического контура управления и баллисти-

Н chebotarev@iss-reshetnev.ru

© Чеботарев В. Е., Саломатов Ю. П., Панько В. С.,

Ерохин А. А., Кузьмин Е. В., Рязанцев Р. О., 2019

ческого обеспечения и, в первую очередь, размещения триангуляционной селенодезической сети пунктов (СДП) для баллистического обеспечения окололунной спутниковой группировки.

Триангуляционная селенодезическая сеть пунктов должна создаваться исходя из условия ее длительного использования в составе ЛИНОС [1; 10]. Поэтому СДП должны быть автономными, необслуживаемыми и иметь длительный срок эксплуатации. Этому принципу наиболее полно удовлетворяют СДП, оборудованные пассивными ретрорадиоотражателями запросных сигналов с КА ЛИНОС.

В данной статье исследованы вопросы реализации запросной схемы радиоизмерений дальности с использованием спутникового радиолокатора (СРЛ) и пассивных радиоотражателей (ПРО) из состава СДП, размещаемых на поверхности Луны.

В. Е. Чеботарев, Ю. П. Саломатов, В. С. Панько, А. А. Ерохин, Е. В. Кузьмин, Р. О. Рязанцев

Спутниковый дальномер с пассивным ретроотражением запросного радиосигнала

Проведено математическое моделирование отражения радиолокационного сигнала от ПРО и поверхности Луны с учетом свойств лунного грунта для различных высот орбит КА ЛИНОС.

1. Моностатические пассивные радиоотражатели

Рассмотрены различные варианты моностатических ПРО, обладающих свойством отражения в направлении прихода волны (ретроотражение) в верхней полусфере [2]:

• трехгранный уголковый отражатель (УО) и комбинации из нескольких УО;

• сферическая линза Люнебурга с отражателем.

Проведено моделирование эффективной площади рассеивания (ЭПР) и моностатической индикатрисы рассеяния (МИР), представляющей зависимость ЭПР от угла облучения 0.

На рис. 1-4 приведены результаты моделирования для случая: частота зондирующего радиосигнала равна 15 ГГц, площадь проекции ПРО вдоль вертикальной оси (0 = 0) равна 0,196 м2.

35

30

25

3 ш 20

ч.

с 15

£Г>

10

5

0

у Ч N \ |

V 1 1 1 11 / * ^ \1 \ \1 \ у

V 1

■

-90 -75 -60 -45 -30 -15

0 15

е. °

30 45 60 75 90

а б

Рис. 1. Модель (а) и рассчитанная МИР (б) трехгранного уголкового отражателя (сплошная линия - угол между гранями 90°, штриховая линия - угол между гранями 91°)

35

30

25

2 20

щ

ч

Сц С 15

СП

10

5

0

-90 -75 -60 -45 -30 -15 0 15 30 45 60 75 90

б

а

Рис. 2. Модель (а) и рассчитанная МИР (б) линзы Люнебурга с экраном

231

-90 -75 -60 -45 -30 -15 0 15 30 45 60 75 90 0, °

б

Рис. 3. Модель (а) и рассчитанная МИР (б) комбинации из 4 уголковых отражателей

а

[осмичЕскиЕ

АППАРАТЫ И

№ 4 (30) 2019

ТЕХНОЛОГИИ

232

Том 3

а б

Рис. 4. Модель (а) и рассчитанная МИР (б) комбинации из 4 уголковых отражателей с дополнительным центральным отражателем

Как видно из рис. 1, необходима точная реализация углового положения граней.

По равномерности МИР и максимальной величине ЭПР линза Люнебурга с экраном имеет преимущества (стабильно высокая ЭПР в широком секторе углов падения электромагнитной волны). Конструктивно линза Люнебурга сферического типа может быть изготовлена в виде коаксиального набора параллельных круглых осесимметрич-ных диэлектрических элементов переменной толщины, в котором каждый из элементов также симметричен относительно плоскости, перпендикулярной оси, а диаметр, толщина элементов и, соответственно, распределение эффективной диэлектрической проницаемости взаимосвязаны [3].

Проведена оценка массы тлю линзы Люнебурга без механизмов раскрытия для различных значений параметров (табл. 1).

Таблица 1

Конструктивные параметры линзы Люнебурга

№ Плотность материала ри, кг/дм3 Коэффициент заполнения а. Диаметр Dлю, м Масса тлю, кг

1 1,99 0,197 2 1644

2 1,99 0,197 1 206

3 1,99 0,197 0,5 26

4 1,99 0,197 0,4 13

Как видно из табл. 1, для сохранения приемлемой массы (с механизмами раскрытия) размер линзы Люнебурга должен быть небольшим - диаметр менее 0,5 м, что соответствует площади 0,196 м2.

Далее были проведены исследования в направлении создания комбинированного УО. В целях исключения провала диаграммы ПРО из 4-х УО (рис. 3) в секторе углов, близких к нормальному, рассмотрена комбинация из 4 УО и одним сверху. На рис. 4 показаны результаты расчета МИР для комбинации УО с соотношением сторон уголков 1,25. Как видно из рис. 4, диаграмма в зоне углов падения около ±60° заметно улучшилась по сравнению с 4-элементным УО, однако при таком

соотношении размеров УО не обеспечивается равномерная ЭПР.

Результаты поиска оптимального соотношения размеров уголков позволили сформулировать рекомендацию: равномерная характеристика диаграммы МИР наблюдается при приблизительном равенстве длин ребер нижних и

е."

Рис. 5. МИР оптимального комбинированного уголкового ПРО с размером ребра нижнего уголка а = 1,7 м и верхнего уголка Ь = 1,62 м

2. Математическая модель радиолокационного канала с ПРО

Одной из центральных задач при выборе технического облика радиолокатора является разработка математической модели радиолокационного канала, которая должна обеспечить выбор частотного диапазона, полосы рабочих частот, поляризации и типа зондирующего сигнала спутникового радиолокатора при различных условиях, таких, как высота орбиты КА, угол облучения лунной поверхности и ширина диаграммы направленности (ДН) используемой антенны.

Описанная математическая модель была разработана и реализована в виде файла в среде MathCad. Она позволяет выполнять анализ типовых локационных импульсных радиосигналов (радиоимпульс, импульс с фазокодовой манипуляцией (ФКМ), импульс с линейной частотной модуляцией (ЛЧМ) [4; 5]) с использованием зависимостей средних и среднеквадратических значений ошибок измерения дальности (СКО) от отношения «сигнал/шум» (ОСШ) [6].

С помощью модели проведена серия вычислительных статистических экспериментов. При определении ОСШ учитывалось отражение сигнала как от ПРО на поверхности Луны, так и от окружающего лунного грунта [7] с учетом его электрофизических свойств [8; 9].

Результаты статистического вычислительного эксперимента по определению точности временного положения радиоимпульса на фоне шума (СКО) для типовых радиосигналов (длительность радиоимпульсов 6,2 мкс) показаны на рис. 6. Пунктирной линией показана зависимость, соответствующая радиоимпульсу, сплошной линией — ФКМ-радиоимпульсу, круглыми символами — ЛЧМ-радиоимпульсу.

N 6 127 255 511 1023 2047 4094

t, мкс 6,2 12,4 25 50 104 2-104 4-104

ОСШ, дБ -15 -18 -20 -24 -27 -30 -33

Как видно из табл. 2, при увеличении длины ПСП снижаются требования к необходимому отношению «сигнал/шум», при котором обеспечивается одинаковое (к примеру, 1,0 м) значение СКО измерения дальности. Однако при фиксированной полосе частот, а значит (при фиксированной тактовой частоте генератора кодирующей последовательности) при фиксированной длительности кодирующей последовательности, увеличение длины кодирующей последовательности может быть невозможным по причине существенного увеличения длительности зондирующего радиоимпульса.

Допустимые значения длины импульса ^и и паузы приведены в табл. 3. Там же помещены допустимые значения N и ОСШ из табл. 2. Полученные данные были использованы для выбора параметров радиолинии и СРЛ.

Таблица 3 Характеристики радиоимпульсов

ЦрШ, дБ

Рис. 6. Зависимость среднеквадратических значений ошибок измерения дальности от отношения «сигнал/шум»

Как видно из рис. 6, при использовании СКО в качестве основного показателя качества работы импульсного СРЛ, предпочтение следует отдать радиоимпульсам с внутриимпульсной модуляцией: ФКМ-импульсу, ЛЧМ-импульсу.

Проведены расчеты зависимости средне-квадратических значений ошибок измерения временного положения сигнального всплеска от отношения «сигнал/шум» (ОСШ) для различных значений длины полинома N псевдослучайной последовательности (ПСП) и длительности радиоимпульса

В табл. 2 представлена информация о величине ОСШ, обеспечивающая СКО в пределах 1 м в зависимости от N и

Таблица 2

Зависимости ОСШ от длительности радиоимпульса

Высота, км 200 800 2762

Радиус, км 1938 2538 4500

Дальность, км 857 1850 4155

i,„ MC 1,3 5,3 18,4

t„, MC 2,9 12,3 27,7

N 511 511 1023

ОСШ, дБ -24 -24 -27

3. Исследования параметров радиолинии с ПРО

С помощью модели, описанной в разделе 2, проведено моделирование радиолинии для различных условий: высота орбиты h, угол облучения ПРО спутником 90, рабочая частота f длина полинома ПСП N. Ширина ДН антенны СРЛ принята 2905 = 0,5°, излучаемая мощность P = 50 Вт.

Полученные зависимости СКО измерения дальности от различных параметров для линзы Люнебурга диаметром 0,5 м приведены на рис. 7-9. Длина ПСП здесь и в дальнейших расчетах задается равной N = 511 для высоты орбиты менее 800 км, и N = 1023 для большей высоты, в связи с чем на графике рис. 7 присутствует скачок в значении СКО.

Как видно из рис. 7-9, линза Люнебурга диаметром 0,5 м применима при высоких частотах f= 27 ГГц) и низких орбитах (менее 800 км), а требуемая мощность передатчика практически не зависит от высоты.

Далее приведены зависимости СКО измерения дальности от различных параметров для комбинированных уголковых ПРО с оптимальным

233

[осмичЕскиЕ

АППАРАТЫ И

№ 4 (30) 2019

ТЕХНОЛОГИИЕ

234

гг

Рис. 7. СКО от высоты орбиты при разных

частотах, угол облучения 90 = 10°

100

10

ь = 200 км = 800 км = 2762 км

1,

10

20

30

40

е.;

Рис. 8. СКО в зависимости от угла облучения 90 при разных орбитах, частота / = 27 ГГц

Рис. 9. Зависимость СКО от мощности передатчика при разной высоте орбиты для диаметра линзы 0,5 м и частоты / = 27 ГГц

Том 3

соотношением ребер: нижнего уголка а = 1,7 м и верхнего уголка Ь = 1,62 м (рис. 10 и 11). Для достижения требуемой СКО потребовалось уменьшить ширину ДН антенны СРЛ до значения 0,5° и 0,13°.

Рис. 10. СКО в зависимости от угла облучения при разных орбитах. Комбинированный уголковый ПРО (а = 1,7 м, Ь = 1,62 м, /= 27 ГГц, 200,5 = 0,2°)

Рис. 11. СКО в зависимости от угла облучения при

разных орбитах. Комбинированный уголковый ПРО (а = 1,7 м, Ь = 1,62 м, /= 27 ГГц, 200,5 = 0,13°)

4. Выбор параметров спутникового локатора

Для обеспечения СКО измерения дальности порядка единиц метров для рассматриваемых орбит сформулированы обобщенные характеристики измерительной радиолинии с ПРО (табл. 4).

Таблица 4

Обобщенные характеристики измерительной радиолинии с ПРО

Высота орбиты к, км 200 800 2760

Ширина ДН антенны СРЛ Д00.5, ° 0,5 0,2 0,13

Частота радиосигнала/ ГГц 27 27 27

Мощность радиосигнала Р, Вт 50 50 50

Длительность пакета импульсов, мс 1,3 5,3 18,4

Длина полинома ПСП N 511 511 1023

Заключение

Приведенные результаты показывают, что в рамках предложенной в [1; 10] концепции возможно достижение СКО определения дальности менее 1 м на достаточно низких орбитах и при использовании сравнительно узкой ДН антенны СРЛ.

В качестве ПРО могут быть выбраны как линза Люнебурга, так и комбинированный уголковый отражатель, окончательный выбор должен быть сделан с учетом массы ПРО, а также возможностей трансформации ПРО из транспортировочного в рабочее состояние. 235

Полученные результаты использованы при проектировании ЛИНОС в рамках СЧ НИР «Вызов-Перспектива 5».

Список литературы

[1] Чеботарев В. Е., Звонарь В. Д., Грицан О. Б., Внуков А. А. Концепция построения триангуляционной селено-дезической сети // Исследования наукограда. №2(8). 2014. С. 4-9.

[2] Кобак В. О. Радиолокационные отражатели. М. : Советское радио, 1975. 248 с.

[3] Рязанцев Р. О., Саломатов Ю. П. Устройство для фокусировки типа «Линза Люнеберга». Пат. № 2485646, Российская Федерация, 2013, бюл. № 17.

[4] Справочник по радиолокации / Под ред. М. И. Сколника; В 2 кн. Кн. 2. М. : Техносфера, 2014. 680 с.

[5] Верба В. С., Неронский Л. Б., Осипов И. Г., Турук В. Э. Радиолокационные системы землеобзора космического базирования. М. : Радиотехника, 2010. 680 с.

[6] Ширман Я. Д., Манжос В. Н. Теория и техника обработки радиолокационной информации на фоне помех. М. : Радио и связь, 1981. 416 с.

[7] Смирнов В. М., Юшкова О. В., Марчук В. Н., Дутышев И. Н., Чернышев Б. В., Лаптев М. А. Исследование поверхности и строения грунта Луны многоцелевым радиофизическим комплексом РЛК-Л в проекте «Луна-Ресурс» // Всероссийские Армандовские чтения. Современные проблемы дистанционного зондирования, радиолокации, распространения и дифракции волн : материалы VII Всерос. научной конференции. Муром. 2017. С. 124-128.

[8] Слюта Е. Н. Физико-механические свойства лунного грунта (Обзор) // Астрономический вестник. 2014. Т. 48. № 5. С. 358-382.

[9] Юшкова О. В., Кибардина И. Н., Исаева Л. П. Особенности отражения радиоволн от слоя реголита // Сверхширокополосные сигналы в радиолокации, связи и акустике : материалы Всероссийской научной конференции. Муром. 2015. С. 22-25.

[10] Косенко В. Е., Звонарь В. Д., Чеботарев В. Е. Лунная информационно-навигационная обеспечивающая система / Актуальные вопросы проектирования АКА для фундаментальных и прикладных научных исследований. Химки, ФГУП «НПО имени С.А. Лавочкина», 2015. С. 323-329.

THE SATELLITE DISTANCE RADIOMETER WITH A PASSIVE RETROREFLECTION OF A REQUEST RADIO SIGNAL

V. E. Chebotarev1,2, Yu. P. Salomatov2, V. S. Panko2, A. A. Erokhin2, E. V. Kuzmin2, R. O. Ryazantsev2

1 JSC Academician M. F. Reshetnev Information Satellite Systems, Zheleznogorsk, Krasnoyarsk region, Russian Federation 2 Siberian Federal University, Krasnoyarsk, Russian Federation

In prospect projects of the lunar information and navigation support system, the using of a satellite range finder for solving the problem of ballistic support of near-moon spacecrafts is

Продолжение табл. 4

Диаметр антенны СРЛ, м 1,3 3,3 5,0

СКО измерения дальности с для

угла облучения 90 = 10°, м

• уголкового ПРО, размер 0,1 0,2 0,7

ребра 1,7/1,6 м

• линзы Люнебурга, диа- 2,5 4,0 6,7

метр 0,5 м

Рабочая зона обзора ПРО (углы

падения), °

• уголкового ПРО ±80° ±80° ±80°

• линзы Люнебурга ±90° ±90° ±90°

[осмичЕскиЕ

АППАРАТЫ 1Л_№ 4 (зо) 2019

ТЕХНОЛОГИИ 1ШШ5Ш Том 3

т

considered. In this paper we consider a mathematical model for calculating the radio line of a satellite rangefinder with passive retro reflection of the requested radio signal from selenodet-ic points. The model allows the calculation of the signal-to-noise ratio in the reflected radio signal and the standard deviation of the determination of the distance from the spacecraft to the passive radio retroreflector under various conditions. The calculations take into account both the reflection of the signal from the radio retroreflector and from the surrounding surface lunar soil. Various types of radio retroreflectors in the form of combinations of corner reflectors and in the form of a Luneburg lens are considered. The calculations of the radio line using the indicated types of retro radio reflectors for different values of the orbit height, signalfrequency and other parameters are performed. It is shown that, at certain values of the parameters of the radio line, the standard deviation of the determination of the range of the order of units of meters and less is achieved both for the Luneburg lens and the combined angular reflector. The 236 final choice should be made taking into account their mass, as well as the possibilities of trans-

forming the radio retroreflector from transportation to working condition.

Keywords: spacecraft, passive radio retroreflector, selenodesic point, distance meter, Lune-

burg lens, corner reflector.

References

[1] Chebotarev V. E., Zvonar D. V., Gritsan O. B., Vnukov A. A. Concept of triangulation selenodesy network design // The Research of the Science City, 2014, no. 2, pp. 4-9.

[2] Kobak V. O. Radiolokacionnye otrazhateli [Radar reflectors]. Moscow, Soviet Radio, 1975. 248 p. (In Russian)

[3] Ryazantsev R. O., Salomatov Yu. P. Ustrojstvo dlya fokusirovki tipa «Linza Lyuneberga» [Device for focusing of the Luneberg lens type]. Patent RU 2485646, 2013, bulletin no. 17. (In Russian)

[4] Skolnik M. I. Spravochnikpo radiolokacii [Handbook of Radar]. Moscow, Technosphere, 2014. 680 p. (In Russian)

[5] Verba V S., Neronsky L. B., Osipov I. G., Turuk V. E. Radiolokacionnye sistemy zemleobzora kosmicheskogo bazirovaniya [Radar-tracking systems for space-based land survey]. Moscow, Radio Engineering, 2010. 680 p. (In Russian)

[6] Shirman Ya. D., Manzhos V N. Teoriya i tekhnika obrabotki radiolokacionnoj informacii na fone pomekh [Theory and technique of processing radio-location information against a background of interference]. Moscow, Radio and communication, 1981. 416 p. (In Russian)

[7] Smirnov V. M., Yushkova O. V., Marchuk V. N., Dutyshev I. N., Chernyshev B. V., Laptev M. A. Issledovanie poverhnosti i stroeniya grunta Luny mnogocelevym radiofizicheskim kompleksom RLK-L v proekte «Luna-Resurs» [Study of the surface and soil structure of the moon by the multi-purpose radio-physical complex RLK-L in the project «Luna-Resource»] // Vserossijskie Armandovskie chteniya. Sovremennye problemy distancionnogo zondirovaniya, radiolokacii, rasprostraneniya i difrakcii voln [All-Russian Armand readings. Modern problems of remote sensing, radar, wave propagation and diffraction]: proceedings of the VII All-Russian Scientific Conference. Murum, 2017, pp. 124-128. (In Russian)

[8] Slyuta E. N. Fiziko-mekhanicheskie svojstva lunnogo grunta (Obzor) [Physical and mechanical properties of lunar soil (Review)] // Astronomical Bulletin, 2014, vol. 48, no. 5, pp. 358-382. (In Russian)

[9] Yushkova O. V., Kibardina I. N., Isaeva L. P. Osobennosti otrazheniya radiovoln ot sloya regolita [Features of the reflection of radio waves from the regolith layer] // Sverhshirokopolosnye signaly v radiolokacii, svyazi i akustike [Ultra-wideband signals in radiolocation, communication and acoustics]: materials of the All-Russian Scientific Conference. Murom, 2015, pp. 22-25. (In Russian)

[10] Kosenko V. E., Zvonar V. D., Chebotarev V. E. Lunnaya informacionno-navigacionnaya obespechivayushchaya sistema [Lunar information and navigation support system] / Aktual'nye voprosy proektirovaniya AKA dlya fundamental'nyh i prikladnyh nauchnyh issledovanij [Actual problems of AKA design for fundamental and applied scientific research]. Khimki, FSUE «S. A. Lavochkina», 2015, pp. 323-329. (In Russian)