|
Основные направления развития наземных оптоэлектронных средств контроля космического пространства США
Подполковник В. Дятлов
В связи с активным освоением приземного космического пространства значительно увеличилось количество космических объектов (КО) искусственного происхождения, которые являются либо функционирующими космическими аппаратами (КА), выполняющими задачи военного или коммерческого характера, а в большинстве случаев имеющими двойное назначение, либо космическим мусором (КА, прекратившие функционирование, их фрагменты, отработавшие ступени ракет-носителей и т.п.). Данные КО находятся на различных околоземных орбитах с наклонениями от 0 до 180° и высотами вплоть до геостационарных, при этом часть активных космических аппаратов может осуществлять маневры, целью которых может быть коррекция орбиты или ее изменение, в том числе и для оказания воздействия на другие КА.
В систему контроля космического пространства военно-воздушных сил США (СККП, US SSN - Space Surveillance Network) Spacetrack («Спейстрэк») входят оптоэлектронные станции (ОЭС) ККП системы GEODSS (Ground-Based Electro-Optical Deep Space Surveillance) и оптоэлектронный комплекс распознавания (ОЭКР) космических объектов MOTIF (Maui Optical Tracking and Identification Facility). В качестве дополнительных источников информации о КО в США используются ОЭС AMOS (Air Force Maui Optical Station) в составе комплекса MSSS (Maui Space Surveillance Site), оптический полигон (ОП) «Старфайр» (Starfire Optical Range, SOR), опытный мобильный оптоэлектронный комплекс (МОЭК) SHOTS (Stabilized High-Accuracy Optical Tracking System), а также ряд других оптоэлектронных средств. Управление СККП осуществляется из центра контроля космического пространства (ЦККП, SSC - Space Surveillance Center, гора Шайенн, штат Колорадо) космического командования ВВС США. Специалисты ЦККП ведут общий каталог КО, включающий примерно 9 450 объектов (по состоянию на 30 ноября 2004 года).
Оптоэлектронные средства ККП используются для наблюдения за искусственными КО на всех этапах их существования: запуска, пассивного орбитального полета и маневра, разрушения и сгорания при входе в атмосферу или при столкновении с такими же объектами. При этом сигналы от КО на указанных этапах вызываются различными физическими явлениями, поэтому наблюдение за ними проводится с помощью средств, которые отличаются как по техническим характеристикам, в частности рабочей области спектра, так и по способу базирования (наземные, космические). Наземные ОЭС используются главным образом для наблюдения на этапах пассивного орбитального полета и маневра, а оптические средства космического базирования - на всех этапах их существования.
Ниже рассматриваются основные оптоэлектронные средства СККП США.
Наземная система GEODSS, являющаяся основой оптической части американской СККП, предназначена для контроля космического пространства с целью оперативного обнаружения, сопровождения и распознавания КО, находящихся на околоземных орбитах высотой до 40 000 км на всех наклонениях, получения координатной информации (КИ) с выдачей ее на ЦККП (ЗЦККП) и некоординатной (фотометрической) информации (НКИ) с выдачей ее в объединенный аналитический центр стратегического командования США (USSTRATCOM Joint Intelligence Center), а также для ведения частного каталога КО.
 В ее состав входят три оптоэлектронные станции, развернутые в Сокорро (штат Нью-Мексико), на о-вах Мауи и Диего-Гарсия. В Сокорро расположена также экспериментальная ОЭС лаборатории им. Линкольна Массачусетского технологического института (рис.1). На посту Морон (Испания) размещена четвертая ОЭС - MOSS (Moron Optical Surveillance System), которая находится в опытной эксплуатации и предназначена для перекрытия мертвых зон стационарных ОЭС. Основой этой станции является транспортируемый 0,56-м (диаметр главного зеркала) телескоп (рабочая область спектра видимая (380-780 нм); фокусное расстояние 1,30 м; проницающая способность не хуже 12,m0; габаритные размеры модуля с телескопом 6,1 х 2,44 м). В качестве приемного устройства (ПрУ) с 1997 года используется опытная ПЗС-видеокамера CCID-10 с матрицей 1024x1024 пикселя, разработанная лабораторией им. Линкольна.
Первая-третья ОЭС оснащены тремя телескопами, два из которых 1,0-м кассегреновской схемы, предназначенные для обнаружения и сопровождения высокоорбитальных КО с малой угловой скоростью - на геосинхронных и на высокоэллиптических орбитах вблизи апогея (рабочая область спектра видимая; фокусное расстояние 2,18 м; угол поля зрения 2,1°; проницающая способность не хуже 19,ш0), и один 0,4-м телескоп Шмидта (рабочая область спектра видимая; фокусное растояние 0,76 м; угол поля зрения 6,0°; проницающая способность не хуже 10,m0), предназначенный для работы по низкоорбитальным КО на орбитах с высотами до 5 000 км с высокими угловыми скоростями. ОЭС на о. Диего-Гарсия укомплектована тремя 1,0-м телескопами.
В конце 1990-х годов система GEODSS подверглась глубокой модернизации, включавшей следующие мероприятия:
• замена приемных устройств (ПрУ) на основе приемных телевизионных трубок (ПТТ) детектирующей аппаратурой на базе ПЗС-матриц по программе Deep STARE (Deep-space Surveillance Technology Advancement & Replacement for Ebsicons), начатой в декабре 2003 года;
• комплектование телескопов высокоскоростными контроллерами, аппаратно совместимыми как с существующими ПрУ, так и с теми, которые будут разрабатываться;
• установка новых высокопроизводительных вычислительных средств на ОЭС, построенных на принципе открытой архитектуры с широким применением коммерческих элементов - технология COTS (Commercial-on-the-shelf);
• модернизация программно-алгоритмического обеспечения;
• ввод в строй центра оптического управления, контроля и связи OC3F (Optical Command, Control and Communications Facility), расположенного на АвБ Эдварде (штат Калифорния), что привело к возрастанию пропускной способности системы GEODSS на 10-15 проц.
 Под управлением OC3F возможна передача поставленной задачи по проводке КО от одной ОЭС к другой, в зависимости от местных астроклимати-ческих условий, при этом информация о КО на данном проходе не теряется. В перспективе планируется передать под управление OC3F разрабатываемые транспортируемые и мобильные ОЭС.
В настоящее время лабораторией им. Линкольна на базе экспериментальной ОЭС проводятся научно-исследовательские работы по повышению проницающей способности 0,38-м телескопов Шмидта в целях использования их для наблюдения за КО на геосинхронных и высокоэллиптических орбитах в апогее. В этих целях разработана и проходит испытания ПЗС-видеокамера CCID-16 с матрицей 2 560x1960 пикселей (квантовая эффективность 0,66 проц.; чувствительность 16,2 мВ; время считывания кадра меньше соответствующего показателя у обычных ПЗС-видеокамер более чем в 3,5 раза) и быстродействующей фотометрической матрицей 32 х 32 пикселя ОЭКР MOTIF расположен совместно с ОЭС GEODSS на о. Мауи и предназначен для поиска, сопровождения и распознавания КО, находящихся на околоземных орбитах высотой до 40 000 км, получения К и НКИ и выдачи ее потребителям. Работа ОЭКР возможна только в темное время суток. Основой комплекса являются два 1,2-м телескопа кассегреновской схемы, установленных на одной полярной монтировке на противоположных сторонах полярной оси на общую ось склонений (рис. 3).
Телескоп В29 имеет заднее фокусное расстояние 0,73 м (29 дюймов, рабочий диапазон спектра - дальняя ИК-область (8-20 мкм); фокусное расстояние 24,6 м, угол поля зрения 0,11°; проницающая способность не хуже 17,m0) и предназначен прежде всего для сбора фотометрических данных. Световая энергия, принятая оптической системой, направляется многопозиционным вторичным зеркалом на приемник контрастного фотометра или инфракрасного радиометра. В телескопе применена 1 двухапертурная система обнаружения MATS (MOTIF Acquisition Telescope System) с тремя полями зрения, выбираемыми коммутатором, и проекцией визирной сетки. В состав системы, установленной на внешней стороне основной трубы телескопа, входит собственный телескоп меньших размеров, чем основной. Визирные оси обоих телескопов параллельны.
Телескоп В37 (1,2-м) имеет заднее фокусное расстояние 0,94 м (37 дюймов, рабочий диапазон спектра видимый; фокусное расстояние 19,8 м, угол поля зрения 0,17°; проницающая способность не хуже 17,m0). У него две монтажные поверхности - боковая и тыльная. Двухпозиционное переключающееся третичное зеркало, расположенное между первичным и вторичным зеркалом, в позиции под углом 45° направляет световой луч в отверстие в боковой монтажной поверхности, в позиции 0° не перекрывает ход луча к тыльной. Переключение позиций может осуществляться в течение единиц секунд. Телескоп В37 используется при сопровождении объектов с низким уровнем освещенности, для чего в качестве ПрУ применена высокочувствительная телекамера LLLTV (Low Light Level TV camera), входящая в состав системы формирования изображения MAIS (MOTIF Advanced Imaging System) и установленная на тыльной монтажной поверхности.
Параллельность визирных осей телескопов достигается путем коррекции положения визирной оси В37, который является вторичным в MOTIF. Данные для исправления стробизма содержатся в компьютерной модели монтировки и откалиброваны с использованием данных наблюдений за звездами.
Комплекс контроля космического пространства MSSS (о. Мауи, входящий в группу Гавайских о-вов) предназначен для контроля космического пространства с целью обнаружения, сопровождения и распознавания КА, находящихся на околоземных орбитах, получения координатной и некоординатной информации, ведения частного каталога КО, проведения научно-исследовательских работ.
Этот комплекс расположен на высоте 3 000 м в кратере вулкана Халеакала. Средствами AMOS являются усовершенствованная оптоэлек-тронная система AEOS (Advanced Electro-Optical System) на основе 3,6-м телескопа, оснащенного системами активной и адаптивной оптики; 1,6-м телескоп; 0,8-м лазерная приемопередающая установка (ЛППУ) BD/T; 0,6-м лазерная передающая установка (ЛПУ) LBD, а также высокопроизводительный вычислительный центр МНРСС (Maui High Performance Computing Center), научно-исследовательские лаборатории, центр обработки и передачи данных.
3,6-м телескоп AEOS кассегреновс-кой схемы (рабочий диапазон спектра видимый, ИК; фокусное расстояние 726 м, наибольший угол поля зрения 300 мкрад, проницающая способность не хуже 20,ш0) установлен на двухосную азимутальную монтировку (U-образная вилка на азимутальной базе), позволяющую изменять угол места в пределах от -15 до 90° и азимут в диапазоне 0-360°. Основными ПрУ AEOS являются: телекамера видимой области оптической части спектра; ИК-камеры, входящие в систему формирования изображений, что в совокупности с адаптивной оптической системой (АОС) дает возможность получать высококачественные изображения КО в ночное время.
АОС позволяет выравнивать и стабилизировать волновой фронт прошедшего сквозь атмосферу излучения, а также получать в фокусе телескопа четкое изображение КО или выводить с Земли в космос остро сфокусированный луч лазера. Для анализа изображения в АОС используется яркая опорная звезда, свет которой делится матрицей анализатора волнового фронта на сотни каналов и в каждом из них регистрируется с частотой около 1 кГц. Звезда должна располагаться на небе вблизи изучаемого объекта, так как изопланатический угол в видимой области спектра не может превышать нескольких угловых секунд. Излучение звезд на большем угловом расстоянии от объекта наблюдений проходит через другие турбулентные вихри и не несет никакой информации об искажениях в его изображении. Малый изопланатический угол в видимом диапазоне ограничивает возможность работы телескопа с адаптивной оптикой небольшими участками неба вблизи ярких звезд. При работе средства в ИК-диапазоне ограничения не такие жесткие, то есть изопланатический угол возрастает до десятков угловых секунд и форма волнового фронта при большей длине волны изменяется медленнее, а следовательно, эти изменения легче учитывать. Но даже при наблюдениях в ближней ИК-области, на длине волны около 2,2 мкм, вероятность найти подходящую опорную звезду (не слабее 12—13m) на угловом расстоянии меньше изопланатического угла от объекта наблюдений составляет всего 0,5-1 проц. Вследствие этого наблюдать с помощью АОС можно лишь окрестности ярких звезд, планет и сейфертовских галактик (то есть галактик со звездоподобными ядрами), что составляет очень малую часть небосвода.
Для снятия этого ограничения разработана и в настоящее время используется технология генерации лазерным излучением опорной «искусственной звезды» - LGS (Laser Guide Star), или маяка, который «располагается» вблизи наблюдаемого КО и помогает зондировать атмосферу. Для создания маяка используется лазер непрерывного действия с выходной мощностью порядка десятков Ватт, настроенный на частоту резонансной линии натрия (обычно на линию D2Na).
Луч фокусируется на высоте около 90 км, где присутствует естественный слой воздуха толщиной около 10 км, обогащенный натрием, свечение которого возбуждается лазерным лучом. Физический размер светящейся области составляет около 1 м, что с расстояния в 100 км воспринимается как объект с угловым диаметром около 1 с с визуальным блеском 9-10m. Нюанс в том, что яркость лазерной звезды зависит от размеров облака возбужденных атомов натрия. Угловые размеры яркой лазерной звезды могут превысить изопланатический угол, и тогда работа АОС будет невозможна.
АОС, установленная на AEOS, является опытным образцом для изучения возможностей ее применения на телескопах с размером апертуры более 10 м. Она включает в себя следующие основные элементы: анализатор волнового фронта, преобразователь волнового фронта, деформируемое стеклянное зеркало с внешним отражающим покрытием (толщина 2 мм, 941 пьезокристаллический привод, элементарное перемещение ±2 мкм), ПЗС-видеокамеру видимого диапазона. По заключению американских специалистов пока такая станция мало подходит для проведения астрономических наблюдений, но ограничения связаны с недостаточно совершенными технологиями.
При проведении работ по КО системой активной оптики компенсируется воздействие гравитационного поля Земли на главное зеркало. Его геометрическая форма калибруется 84 осевыми и 48 радиальными приводами, которые используют данные датчиков контроля геометрии зеркала.
1,6-м телескоп кассегреновской схемы (рабочий диапазон спектра видимый, ИК; фокусное расстояние 25 м, угол поля зрения 0,1°, проницающая способность не хуже 17,m0) установлен на полярной монтировке и выполнен в виде закрытой трубы, на которой снаружи имеются тыльная и боковая монтажные поверхности. На тыльную монтажную поверхность возможна подвеска приборов массой до 600 кг, на боковую сторону - до 200 кг, при этом осуществляется статическая балансировка каждый раз, когда изменяется масса или положение приборов. В телескопе применены двухапертурная система обнаружения AATS (AMOS Acquisition Telescope System) и широкодиапазонный инфракрасный комплекс приемных устройств GEMINI (Generalized Multi-Wave Infrared Instrument), который позволяет сопровождать КО и получать их изображение в дневное время. GEMINI установлен на боковой монтажной поверхности и имеет в своем составе собственный телескоп меньших размеров, чем основной. Визирные оси обоих телескопов параллельны.
0,8-м ЛППУ может сопровождать совместно с другими телескопами или независимо от них два низкоорбитальных КО одновременно, а также осуществлять подсвет их лазерным лучом при конъюнктивной работе с приемниками главных телескопов MSSS или измерять дальность до выбранной цели.
0,6-м ЛПУ используется совместно с телескопами MSSS для подсветки целей и измерения дальности до них. Кроме того, конструкция ЛПУ позволяет научно-исследовательским организациям устанавливать их собственный квантово-оптический генератор (КОГ) в подкупольном пространстве и задействовать существующую оптику для проведения программ с определенной лазерной установкой.
(окончание следует)
"Зарубежное военное обозрение" 2006 №1
Смотрите также
|
