RU2610135C2 - Method for synthesis of fixed relative direction-finding characteristic of static amplitude sensor of faceted type of remote radiant flux source and device therefor - Google Patents
Method for synthesis of fixed relative direction-finding characteristic of static amplitude sensor of faceted type of remote radiant flux source and device therefor Download PDFInfo
- Publication number
- RU2610135C2 RU2610135C2 RU2016102812A RU2016102812A RU2610135C2 RU 2610135 C2 RU2610135 C2 RU 2610135C2 RU 2016102812 A RU2016102812 A RU 2016102812A RU 2016102812 A RU2016102812 A RU 2016102812A RU 2610135 C2 RU2610135 C2 RU 2610135C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- sensor
- modules
- hybrid
- passive
- radiation
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S1/00—Beacons or beacon systems transmitting signals having a characteristic or characteristics capable of being detected by non-directional receivers and defining directions, positions, or position lines fixed relatively to the beacon transmitters; Receivers co-operating therewith
- G01S1/02—Beacons or beacon systems transmitting signals having a characteristic or characteristics capable of being detected by non-directional receivers and defining directions, positions, or position lines fixed relatively to the beacon transmitters; Receivers co-operating therewith using radio waves
- G01S1/08—Systems for determining direction or position line
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S1/00—Beacons or beacon systems transmitting signals having a characteristic or characteristics capable of being detected by non-directional receivers and defining directions, positions, or position lines fixed relatively to the beacon transmitters; Receivers co-operating therewith
- G01S1/02—Beacons or beacon systems transmitting signals having a characteristic or characteristics capable of being detected by non-directional receivers and defining directions, positions, or position lines fixed relatively to the beacon transmitters; Receivers co-operating therewith using radio waves
- G01S1/04—Details
- G01S1/06—Means for providing multiple indication, e.g. coarse and fine indications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S3/00—Direction-finders for determining the direction from which infrasonic, sonic, ultrasonic, or electromagnetic waves, or particle emission, not having a directional significance, are being received
- G01S3/78—Direction-finders for determining the direction from which infrasonic, sonic, ultrasonic, or electromagnetic waves, or particle emission, not having a directional significance, are being received using electromagnetic waves other than radio waves
- G01S3/781—Details
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S3/00—Direction-finders for determining the direction from which infrasonic, sonic, ultrasonic, or electromagnetic waves, or particle emission, not having a directional significance, are being received
- G01S3/78—Direction-finders for determining the direction from which infrasonic, sonic, ultrasonic, or electromagnetic waves, or particle emission, not having a directional significance, are being received using electromagnetic waves other than radio waves
- G01S3/782—Systems for determining direction or deviation from predetermined direction
- G01S3/783—Systems for determining direction or deviation from predetermined direction using amplitude comparison of signals derived from static detectors or detector systems
Abstract
Description
Изобретение относится к области аэрокосмического приборостроения и касается дальнейшего совершенствования измерительных средств дистанционного зондирования позиции отдаленного источника лучистого потока, а именно статических амплитудных датчиков фасеточного типа - пассивный фотоэлектрический пеленгатор, участвующих в решении задач навигации, ориентации, стабилизации и контроля положения мобильных объектов по энергетическому центру Солнца или другого отдаленного источника иной интенсивности.The invention relates to the field of aerospace instrumentation and for the further improvement of measuring instruments for remote sensing the position of a distant source of radiant flux, namely, static amplitude sensors of the facet type — a passive photoelectric direction finder involved in solving problems of navigation, orientation, stabilization and position control of mobile objects in the solar energy center or another distant source of a different intensity.
В природной среде и фотонной измерительной технике фасеточное зрение играет доминирующую роль при решении задач навигации, ориентации, стабилизации мобильных объектов в окружающем их пространстве в силу широких его возможностей. Поэтому в аэрокосмической отрасли при создании инновационных продуктов технического зрения, а именно статических амплитудных датчиков фасеточного типа, решающих подобные задачи, предпочтительно следует идти по апробированному природой многовековому пути. Он заранее гарантирует им возможности дальнейшего совершенствования, качественного роста и миниатюризации, осталось только их выявить и в нужном направлении использовать.In the natural environment and photon measurement technique, facet vision plays a dominant role in solving the problems of navigation, orientation, and stabilization of mobile objects in the space surrounding them due to its wide capabilities. Therefore, in the aerospace industry, when creating innovative technical vision products, namely static facet type amplitude sensors that solve such problems, it is preferable to go along the centuries-old path tested by nature. It guarantees in advance the possibility of further improvement, quality growth and miniaturization, it remains only to identify them and use them in the right direction.
Следует особо отметить, что на сегодняшний день бортовой пассивный фотоэлектрический пеленгатор мобильного объекта, кроме всего прочего, обязан иметь минимальную массу, объем и энергопотребление, так как это актуально для «малого класса» перспективных аэрокосмических объектов - беспилотные пико-, нано- и микроаппараты, различного назначения, где перечисленные параметры играют определяющую роль. Именно указанная особенность и наблюдается у насекомых с фотопическими фасеточными глазами, где зрительная система построена на угломерном амплитудном анализе исходных сигналов, порождаемых излучением ориентира. Этого нет при геометрической проекции пучка лучей светила на фотонную линейку или матрицу при размещении их на плоскости по одной из осей прямоугольной системы координат мобильного объекта, как это обычно делают в камерных датчиках технического зрения, у которых отсутствует природный зрительный угловой аналог в отличие от статических фасеточных систем [1].It should be especially noted that today the on-board passive photoelectric direction finder of a mobile object, among other things, is required to have a minimum mass, volume and energy consumption, since this is relevant for the "small class" of promising aerospace objects - unmanned pico-, nano- and micro-devices, various purposes, where the listed parameters play a decisive role. It is this feature that is observed in insects with photopic faceted eyes, where the visual system is based on a goniometric amplitude analysis of the initial signals generated by landmark radiation. This is not the case when the beam of light from the beam is projected onto the photonic ruler or matrix when placed on a plane along one of the axes of the rectangular coordinate system of a mobile object, as is usually done in camera sensors of technical vision, which do not have a natural visual angular counterpart in contrast to static facet systems [1].
Теория пеленгации светила плоскостью с подвижной аэрокосмической платформы изложена в [2]. В ней при дистанционном измерении позиции светила определяющей функцией у статического амплитудного датчика фасеточного типа является его пеленгационная характеристика - зависимость величины выходного сигнала от угла их рассогласования на момент измерения им частей лучистого потока ориентира. Основные параметры статического датчика фасеточного типа, с точки зрения пеленгации светила плоскостью, это величины таких требуемых от него значений как: поле зрения, угловой рабочий диапазон (окно), нелинейность и точность - разрешение по углу в пределах окна пеленгационной характеристики [1].The theory of direction finding of a star by a plane from a mobile aerospace platform is described in [2]. In it, during remote measurement of the position of the star, the determining function of a facet-type static amplitude sensor is its direction-finding characteristic — the dependence of the output signal value on the angle of their mismatch at the time of measuring parts of the radiant landmark stream. The main parameters of the facet type static sensor, from the point of view of direction of the star by the plane, are the values of such values required from it as: field of view, angular working range (window), non-linearity and accuracy — angular resolution within the direction-finding characteristic window [1].
При реализации указанных параметров статическим амплитудным датчиком фасеточного типа предпочтительно в процессе строительства (синтезировании) его пеленгационной характеристики выполнять следующие положения [3]:When implementing these parameters with a static amplitude sensor of the facet type, it is preferable to carry out the following provisions [3] during the construction (synthesis) of its direction-finding characteristic [3]:
1. как функция она должна быть нечетно-симметричной;1. as a function, it should be odd-symmetric;
2. вблизи нулевого пеленга ее уровень должен стремиться к нулевому своему значению;2. near the zero bearing, its level should tend to its zero value;
3. уровень не должен зависеть от интенсивности входного лучистого потока отдаленного источника и от параметров датчика;3. the level should not depend on the intensity of the input radiant flux of a distant source and on the parameters of the sensor;
4. она должна иметь максимальный угловой рабочий диапазон (окно);4. it should have a maximum angular working range (window);
5. крутизна должна стремиться к максимуму.5. The steepness should strive to the maximum.
Параметры и характеристики статического амплитудного датчика отнюдь не являются независимыми. Они не могут быть произвольно заданы или выбраны свободно. Поэтому в ряде случаев предпочтительны определенные компромиссы для решения им конкретной задачи или иные нетрадиционные подходы. Так, например, некоторые проблемы, на практике, можно разрешить путем образования в амплитудном датчике локальных, но более сложных, объединений, которые выполняют в нем уже иные специфические задания, например, формируют положенный вид его пеленгационной характеристики. Присуще, что такие технические решения обычно не очень сильно меняют параметры амплитудного датчика по массе, объему, энергопотреблению, несмотря на некоторую локальную элементную избыточность, и в этом их заслуга и целесообразность практического использования в настоящее время. Примером отмеченных выше действий может служить заявка автора на изобретение [3], где за счет малой аппаратной избыточности предельно увеличено рабочее окно амплитудного датчика фасеточного типа. Ниже патентуется еще одно из них.The parameters and characteristics of a static amplitude sensor are by no means independent. They cannot be arbitrarily set or freely selected. Therefore, in some cases, certain compromises are preferable for solving a specific problem or other unconventional approaches. So, for example, some problems, in practice, can be solved by forming local, but more complex, associations in the amplitude sensor that perform other specific tasks in it, for example, form the intended form of its direction-finding characteristic. It is inherent that such technical solutions usually do not very much change the parameters of the amplitude sensor in terms of mass, volume, energy consumption, despite some local elemental redundancy, and this is their merit and the practicality of practical use at the present time. An example of the above actions is the author’s application for the invention [3], where due to the small hardware redundancy the working window of the facet-type amplitude sensor is extremely increased. One of them is patented below.
В статических амплитудных датчиках фасеточного типа главным пассивным элементом, определяющим его параметры и характеристики, является детектор излучения. На сегодняшнем уровне технологического развития и совершенствования фотонных приемников в качестве детектора излучения, на практике, как правило, в бортовых фотоэлектрических пеленгаторах используются многослойные зонные полупроводниковые элементы с p-n и другими переходами - фотодиоды (ФД).In static amplitude sensors of the facet type, the main passive element determining its parameters and characteristics is a radiation detector. At the current level of technological development and improvement of photon detectors as a radiation detector, in practice, as a rule, on-board photoelectric direction finders use multilayer zone semiconductor elements with p-n and other transitions - photodiodes (PD).
Любое физическое тело, в том числе и ФД, отражает, поглощает, рассеивает и пропускает определенные спектральные составляющие, падающего на него излучения. Некоторая абсорбируемая ФД часть излучения в нем преобразуется в электрический ток. Но при этом исходные токи ФД не всегда удовлетворяют стоящей цели в статических амплитудных датчиках фасеточного типа. Требуются определенные действия над ними.Any physical body, including PD, reflects, absorbs, scatters and passes certain spectral components of the radiation incident on it. Some of the absorbed PD part of the radiation in it is converted into electric current. But at the same time, the initial PD currents do not always satisfy the goal in static amplitude sensors of the facet type. Certain actions are required on them.
В бортовых датчиках фасеточного типа, не подлежит сомнению, что целесообразен фотогальванический режим работы детектора (без напряжения смещения), при котором его внутренние шумы минимальны. От этого зависит разрешение по полю зрения фотоэлектрического пеленгатора. Кроме того, предпочтителен так называемый режим «генератора тока», когда внутреннее сопротивление ФД во много раз больше сопротивления его нагрузки в электрической цепи, что важно для достижения линейной пропорции между фототоком ФД и падающим на него лучистым потоком ориентира в статических амплитудных датчиках фасеточного типа [4].In on-board sensors of the faceted type, there is no doubt that the photovoltaic mode of operation of the detector (without bias voltage) is appropriate, at which its internal noise is minimal. The resolution over the field of view of the photoelectric direction finder depends on this. In addition, the so-called “current generator” mode is preferable when the internal resistance of the PD is many times greater than the resistance of its load in the electric circuit, which is important to achieve a linear proportion between the PD photocurrent and the radiant landmark stream incident on it in facet static amplitude sensors [ four].
Результаты работы ФД от падающего на него излучения и фототока в электрической цепи измерителя, как правило, на практике представлены вольтамперной зависимостью выходного напряжения от фототока и апертурной (угловой) характеристикой - зависимость тока от угла падения потока излучения на поверхность детектора, чувствительную к свету.The results of PD operation from incident radiation and photocurrent in the meter’s electric circuit, as a rule, are represented in practice by the current-voltage dependence of the output voltage on the photocurrent and the aperture (angular) characteristic — the dependence of the current on the angle of incidence of the radiation flux onto the detector surface, which is sensitive to light.
Из вольтамперной характеристики фотонного приемника следует, что в режиме «генератора тока» (короткого замыкания) выходное напряжение ФД на нагрузке близко к нулю. Оно не является доминирующим при решении стоящей задачи перед фотоэлектрическим пеленгатором, но сильно влияет на быстродействие измерителя. Для решения задачи более важен фототок ФД в режиме «короткого замыкания», который определяется в нем не только значением величины падающего потока излучения, но и физическими свойствами детектора излучения, а также формой его чувствительной поверхности - функциональная составляющая в фототоке фотонного приемника. Кроме того, следует особо отметить, что в режиме «короткого замыкания» ФД его фототок совсем не зависит от температуры, если пренебречь незначительным эффектом, вызванным изменениями времени жизни носителей тока в зонах и сопротивлением контактов детектора [2]. Что касается его чувствительной к фотонам поверхности, то с точки зрения детектирующих возможностей оптимальной формой для ФД считается фронтальная плоскость, имеющая наибольшую эффективную площадь для фотонов и косинусную зависимость тока от угла падения излучения на нее. ФД с фронтально-торцевой, полуцилиндрической или полусферической чувствительной поверхностью в энергетическом плане по эффективной площади уступают фронтально-плоской (планарной) форме. К тому же, она самая освоенная и отработанная в технологическом плане промышленностью, распространенная и доступная в приборостроительной сфере, что позволяет широко использовать планерные ФД в качестве базовых детекторов излучения в бортовых фотоэлектрических датчиках любого типа.From the current-voltage characteristics of the photon receiver, it follows that in the "current generator" (short circuit) mode, the output voltage of the PD at the load is close to zero. It is not dominant in solving the problem facing the photoelectric direction finder, but it strongly affects the speed of the meter. To solve the problem, the PD photocurrent in the “short circuit” mode is more important, which is determined not only by the value of the incident radiation flux, but also by the physical properties of the radiation detector and the shape of its sensitive surface — the functional component in the photocurrent of the photon receiver. In addition, it should be emphasized that in the “short circuit” mode of the PD, its photocurrent is completely independent of temperature, if we neglect the insignificant effect caused by changes in the carrier lifetime in the zones and the resistance of the detector contacts [2]. As for its photon-sensitive surface, from the point of view of detecting capabilities, the frontal plane, which has the largest effective area for photons and the cosine dependence of the current on the angle of incidence of radiation on it, is considered the optimal shape for the PD. PDs with a frontal-end, semi-cylindrical or hemispherical sensitive surface are inferior in energy terms to the frontally flat (planar) shape. In addition, it is the most developed and technologically advanced industry, widespread and available in the instrument-making industry, which allows the widespread use of glider photodiodes as basic radiation detectors in any type of on-board photoelectric sensors.
Апертурная характеристика современного планарного ФД без внешнего маскирования его чувствительной поверхности от падающего излучения на практике представляет собой четно-симметричную функцию и, как правило, принято считать, подчиняется, при ее рассмотрении, закону косинуса [2].The aperture characteristic of a modern planar PD without external masking of its sensitive surface from incident radiation in practice is an even-symmetric function and, as a rule, it is generally accepted that, when considered, it obeys the cosine law [2].
Сегодня типовой подход формирования пеленгационных характеристик статических амплитудных датчиков фасеточного типа на ФД в большинстве случаев сводится преимущественно к вычислению зависимости «DELTA/SIGMA», по которой определяется угловое положение отдаленного лучевого источника. Данное отношение описывает, как правило, способ определения приблизительной позиции лучистого источника амплитудным датчиком с помощью его относительной пеленгационной характеристики на плоскости измерения по одной из угловых осей прямоугольной системы координат мобильного объекта через следующее выражение:Today, the typical approach to the formation of direction-finding characteristics of facet-type static amplitude sensors on a PD in most cases comes down mainly to calculating the “DELTA / SIGMA” dependence, which determines the angular position of a distant radiation source. This relationship describes, as a rule, a method for determining the approximate position of a radiant source by an amplitude sensor using its relative direction-finding characteristic on the measurement plane along one of the angular axes of a rectangular coordinate system of a mobile object through the following expression:
(А1-А2)/(А1+А2), где А1 и А2 - амплитуды сигналов двух ФД [5].(A1-A2) / (A1 + A2), where A1 and A2 are the amplitudes of the signals of two PDs [5].
Формирование указанным способом пеленгационной характеристики датчика на деле предусматривает действия по сложению двух сдвинутых относительно оптического центра и одновременно наложенных друг на друга, вдоль угловой оси, апертурных характеристик планарных детекторов излучения, включенных электрически параллельно, но по токам встречно. Практическое преимущество этого способа - его простота, а недостатки - ограниченный предел угла сектора обзора датчика, обычно плюс/минус 60 градусов, и низкое при этом угловое разрешение в рамках рабочего окна фотоэлектрического пеленгатора.The formation of the direction-finding characteristic of the sensor by the indicated method in fact involves actions to add two aperture characteristics of planar radiation detectors shifted relative to the optical center and simultaneously superimposed on each other along the angular axis, connected electrically in parallel, but countercurrently in currents. The practical advantage of this method is its simplicity, and the disadvantages are the limited limit of the angle of the sector of the sensor, usually plus /
«Детектор углового положения оптического источника», запатентованный в [5], как раз является показательным примером использования приведенной выше зависимости «DELTA/SIGMA» при построении амплитудного фотоэлектрического датчика фасеточного типа. Его отличительной и характерной особенностью от других фотоэлектрических пеленгаторов является использование в нем дополнительной перегородки между двумя фотонными детекторами для предотвращения перекрестного облучения их чувствительных поверхностей, исходящего от прозрачных пластин. К большому сожалению, хотя в патенте на «Детектор углового положения оптического источника» и использована перегородка в виде светонепроницаемой стенки, но ее роль только защитная от перекрестного облучения, рассеиваемого прозрачными пластинами, а не определяющая основные параметры бортового фотоэлектрического пеленгатора, что является еще одним его недостатком.The “detector of the angular position of an optical source”, patented in [5], is just a good example of using the “DELTA / SIGMA” dependence above when constructing an amplitude photoelectric sensor of the facet type. Its distinctive and characteristic feature from other photoelectric direction finders is the use in it of an additional partition between two photon detectors to prevent cross-irradiation of their sensitive surfaces emanating from transparent plates. Unfortunately, although the patent for the “Detector of the angular position of the optical source” used a partition in the form of a lightproof wall, its role is only protective against cross-radiation scattered by transparent plates, and not determining the main parameters of the onboard photoelectric direction finder, which is another disadvantage.
Автор настоящего изобретения заявляет, что пассивная стенка в статических амплитудных датчиках фасеточного типа после детектора излучения - главное функциональное звено в нем, является вторым по значимости строительным элементом фотоэлектрических пеленгаторов. Это проявляется тогда, когда с помощью маскирующих лучевой поток стенок формируются апертурные характеристики не «открытых» со всех сторон детекторов, а гибридных на их основе пассивных модулей, состоящих из планарного фотодиода и боковых вертикальных светонепроницаемых стенок, преобразующих излучение источника в фототок ФД уже иной зависимости при угловом определении положения источника излучения [6].The author of the present invention claims that the passive wall in the facet-type static amplitude sensors after the radiation detector, the main functional link in it, is the second most important building element of photoelectric direction finders. This is manifested when, using the walls masking the radiation flux, the aperture characteristics are formed not of “detectors” that are “open” on all sides, but of passive modules hybrid on their basis, consisting of a planar photodiode and lateral vertical opaque walls that convert the radiation of the source into the photocurrent of a photodiode in the angular determination of the position of the radiation source [6].
Согласно ранее заявленному автором изобретению «Способ и устройство формирования апертурной характеристики датчика угловой позиции отдаленного источника излучения» [6] в нем для этого устанавливают, по меньшей мере, две плоские стенки по бокам планарного фотодиода и ориентируют их поперек одной из угловых осей системы координат измерительного устройства. Таким образом, формируется гибридный пассивный модуль датчика светила. Здесь очень важно, что одной только высотой боковых стенок гибридного пассивного модуля можно задавать угловой сектор зрения датчика и величину нелинейности склонов его апертурной характеристики, а разностью высот стенок порождать асимметрию наклона ее слонов. Это позволяет использовать в датчике однотипные детекторы излучения с параметрами, имеющие некоторые отклонения, а их апертурные характеристики менять высотой стенок, что актуально при массовом производстве фотоэлектрических пеленгаторов.According to the invention claimed earlier by the author, “A method and apparatus for generating an aperture characteristic of the sensor of the angular position of a remote radiation source” [6], for this purpose, at least two flat walls are installed on the sides of the planar photodiode and they are oriented across one of the angular axes of the measuring coordinate system devices. Thus, a hybrid passive sensor module is formed. It is very important here that only the height of the side walls of the hybrid passive module can specify the angular sector of the sensor and the non-linearity of the slopes of its aperture characteristic, and the asymmetry of the slope of its elephants can be generated by the difference in the heights of the walls. This allows using the same type radiation detectors with parameters having some deviations in the sensor, and changing their aperture characteristics by the wall height, which is important in the mass production of photoelectric direction finders.
Разумеется, что уменьшение нелинейности склонов апертурной характеристики в гибридном пассивном модуле осуществляется за счет сужения углового сектора его зрения, но в этом его преимущество, так как открывает путь к синтезированию положенных пеленгационных характеристик датчиков фасеточного типа через образование более сложных из них конфигураций.Of course, the nonlinearity of the slopes of the aperture characteristic in the hybrid passive module is reduced by narrowing the angular sector of his vision, but this is his advantage, since it opens the way to synthesizing the desired direction-finding characteristics of facet-type sensors through the formation of more complex configurations.
Будем считать, что выше были изложены достаточно убедительные доводы для патентования изобретения: «Способ синтезирования положенной относительной пеленгационной характеристики статического амплитудного датчика фасеточного типа отдаленного источника лучистого потока и устройство, его реализующее» (далее - Способ…).We assume that the above were quite convincing arguments for patenting the invention: “A method for synthesizing the relative relative direction-finding characteristics of a static amplitude sensor of the facet type of a distant radiant flux source and a device that implements it” (hereinafter - the Method ...).
В качестве прототипа в нем взято за основу наиболее близкий по назначению и общим существенным признакам для способа и устройства реальный продукт - «Детектор углового положения оптического источника», запатентованный в [5]. Его главные недостатки ранее были уже описаны. Изобретение на Способ… направлено на устранение недостатков выбранного прототипа и дальнейшее совершенствование статических амплитудных датчиков фасеточного типа путем внедрения и использования в них гибридных пассивных модулей и локальной аппаратной избыточности, необходимой для автономного функционирования датчика.As a prototype, it takes as a basis the closest in purpose and general essential features for the method and device the real product - "Detector of the angular position of the optical source", patented in [5]. Its main shortcomings have already been described. The invention of the Method ... is aimed at eliminating the disadvantages of the selected prototype and further improving the static amplitude sensors of the facet type by introducing and using hybrid passive modules and local hardware redundancy necessary for the autonomous functioning of the sensor.
Суть патентуемого Способа… заключается в замене планарных ФД в датчике на гибридные модули, которые состоят из пассивного детектора излучения с фронтально-плоской чувствительной поверхностью и, по меньшей мере, пары тонких светонепроницаемых вертикальных стенок, расположенных по их бокам вдоль угловой оси прямоугольной системы координат датчика, а также синтезировании из этих модулей пеленгационных характеристик датчика.The essence of the patented Method ... is to replace planar PDs in the sensor with hybrid modules, which consist of a passive radiation detector with a frontally flat sensitive surface and at least a pair of thin opaque vertical walls located on their sides along the angular axis of the rectangular coordinate system of the sensor , as well as the synthesis of direction-finding characteristics of the sensor from these modules.
Синтезирование - образование более сложных соединений из исходных гибридных модулей - предусматривает в данном заявленном патенте следующие действия.Synthesis - the formation of more complex compounds from the original hybrid modules - provides for the following actions in this claimed patent.
Для синтезирования пеленгационной характеристики датчика берут, как правило, четное число гибридных пассивных моделей, по меньшей мере два, объединяют их диоды электрически параллельно, но по фототоку встречно. Выстраивают последовательно апертурные характеристики модулей на плоскости вдоль из одной угловых осей прямоугольной системы координат датчика, располагая их на его гранях таким образом, чтобы токовая функциональная зависимость выходного сигнала соответствовала фактическому угловому рассогласованию оптической оси датчика с энергетическим центром светила, а также имела в себе признак направления на ориентир. При этом понятно, что необходимая зависимость в выходном сигнале датчика будет наступать только тогда, когда гибридные пассивные модули ориентированы между собой под заранее заданным углом относительно оптического центра вдоль одной из осей прямоугольной системы координат бортового пеленгатора, а в качестве признака направления выступает сама полярность его текущего сигнала.To synthesize the direction-finding characteristic of the sensor, as a rule, an even number of hybrid passive models is taken, at least two, their diodes are combined electrically in parallel, but countercurrently in the photocurrent. The aperture characteristics of the modules are arranged sequentially on a plane along one of the angular axes of the rectangular coordinate system of the sensor, placing them on its faces so that the current functional dependence of the output signal corresponds to the actual angular mismatch of the optical axis of the sensor with the energy center of the star, and also has a sign of direction to the landmark. It is clear that the necessary dependence in the output signal of the sensor will occur only when the hybrid passive modules are oriented at a predetermined angle relative to the optical center along one of the axes of the rectangular coordinate system of the side direction finder, and the polarity of its current one acts as a sign of direction signal.
Практически указанные действия сводится к простой угловой стыковке и фиксации на нулевом уровне сформированных под конкретные углы амплитудных характеристик гибридных модулей, имеющих разную полярность. Несомненно, что все действия и операции в датчике полностью правомерны, так как любая пара сформированных и состыкованных гибридных пассивных модулей является всегда одной из локальных пеленгационных характеристик в секторе зрения датчика фасеточного типа без каких-либо наложений их между собой в пределах обзорного его диапазона.In practice, these actions come down to a simple angular docking and fixing at zero level of the amplitude characteristics of hybrid modules formed at specific angles with different polarity. Undoubtedly, all actions and operations in the sensor are completely legitimate, since any pair of formed and docked hybrid passive modules is always one of the local direction-finding characteristics in the sector of vision of the facet type sensor without any overlapping between them within its overview range.
Именно в этом заключаются отличительные признаки патентуемого Способа… от признаков выбранного прототипа, где работа ФД требует обязательно реализации условий, необходимых для наложения их апертурных характеристик и наличия из-за этого маскирующих перегородок между ними.It is in this that the distinguishing features of the patented Method lie ... from the features of the selected prototype, where the PD operation requires the implementation of the conditions necessary for applying their aperture characteristics and the presence of masking partitions between them.
Таким образом, Способ… имеет совсем иные технические приемы и действия, когда за счет не очень большего числа гибридных пассивных модулей, используемых в датчике фасеточного типа, можно с их помощью выполнять различные перечисленные выше положения, необходимые для решения конкретной задачи, и получить при этом минимальные параметры по массе, объему и энергопотреблению.Thus, the Method ... has completely different technical methods and actions, when due to the not very large number of hybrid passive modules used in the facet type sensor, they can be used to perform various of the above provisions necessary to solve a specific problem, and get minimum parameters for mass, volume and power consumption.
Относительные измерения - измерение отношения величины к одноименной величине, играющей роль единицы, или измерения величины по отношению к одноименной величине, принимаемой за исходную [7]. Их значимость для измерительных средств дистанционного зондирования позиции отдаленного источника лучистого потока заключается в том, что они позволяют устранить недостатки абсолютных измерений - необходимость исходного энергетического постоянства источника излучения при определении его положения датчиком. Кроме того, относительные измерения также существенно уменьшают влияние вариаций параметров внешней среды и датчика на конечные результаты работы статического пеленгатора [3].Relative measurements - measuring the ratio of a quantity to a quantity of the same name playing the role of a unit, or measuring a quantity in relation to a quantity of the same name taken as the initial one [7]. Their significance for measuring instruments for remote sensing the position of a distant source of radiant flux is that they eliminate the disadvantages of absolute measurements - the need for the initial energy constancy of the radiation source when determining its position by the sensor. In addition, relative measurements also significantly reduce the effect of variations in the parameters of the external environment and the sensor on the final results of the static direction finder [3].
Практическая реализация относительных измерений в фотоэлектрических пеленгаторах, изготовленных на основе структур фасеточного типа, выполняется по замыслу автора изобретения аналого-цифровым преобразователем. В этом варианте на главный вход аналого-цифрового преобразователя поступают сигналы от детекторов излучения, а на вход для опоры подается сигнал текущего значения масштабного фактора, формирование которого осуществляется с помощью основных или дополнительных фотонных приемников пеленгатора, которые охватывают собой секторы обзора соседних детектирующих элементов. [3, 4].The practical implementation of relative measurements in photoelectric direction finders made on the basis of facet type structures is carried out as designed by the inventor with an analog-to-digital converter. In this embodiment, signals from radiation detectors are fed to the main input of the analog-to-digital converter, and the signal for the current value of the scale factor is supplied to the input for support, the formation of which is carried out using the main or additional photonic direction-finder receivers, which encompass the viewing sectors of neighboring detecting elements. [3, 4].
Сам по себе патентуемый Способ… полностью соответствует условиям изобретательского уровня, так как применим для построения различных видов статических пеленгаторов фасеточного типа, определяющих позицию не только Солнца, но и других отдаленных источников излучения, имеющих отличные от него энергетические параметры. Кроме того, он позволяет создавать устройства, которые одновременно измеряют направления на энергетические центры нескольких светящихся ориентиров, если последние попадают по отдельности в поля зрения локальных угловых секторов, находящихся в пределах обзорного диапазона пеленгатора. Его спектральные возможности и диапазон длин детектируемых лучевых волн определяются исключительно только выбором фотонных приемников излучения, так как в нем нет оптических селективных элементов на пути излучений, падающих на них. Очень важно, что окно обзорного диапазона таких устройств может быть задано в пределах от 10 и до 360 градусов. Только высота вертикальных стенок гибридных пассивных модулей и общее количество детекторов излучения в статическом пеленгаторе являются лимитирующими факторами при построении подобных устройств, реализующих патентуемый Способ… с различными для них требованиями. Он открывает новый путь к созданию высокоточных датчиков позиции энергетических центров лучистых источников с большим обзорным окном, вплоть до 360 градусов, которые работают в реальном масштабе времени, ограниченным используемой элементной базой и ее электропотреблением, что актуально сейчас.The patented Method by itself ... fully complies with the conditions of an inventive step, as it is applicable for constructing various types of facet-type static direction finders that determine the position of not only the Sun, but also other distant radiation sources having energy parameters different from it. In addition, it allows you to create devices that simultaneously measure directions to the energy centers of several luminous landmarks, if the latter fall individually into the field of view of the local angular sectors within the viewing range of the direction finder. Its spectral capabilities and the range of detected wavelengths are determined solely by the choice of photon radiation detectors, since it does not have optical selective elements in the path of the radiation incident on them. It is very important that the window of the overview range of such devices can be set in the range from 10 to 360 degrees. Only the height of the vertical walls of the hybrid passive modules and the total number of radiation detectors in the static direction finder are limiting factors in the construction of such devices that implement the patented Method ... with different requirements for them. It opens up a new path to the creation of high-precision position sensors of the energy centers of radiant sources with a large viewing window, up to 360 degrees, which operate in real time, limited by the used elemental base and its power consumption, which is relevant now.
Наконец, Способ… позволяет строить автономные статические пеленгаторы, когда в нем имеются гибридные многозонные каскадные детектирующие элементы. Верхние независимые зоны таких фотонных элементов генерируют фототоки от падающего на них излучения источника, которые необходимы для формирования сигналов масштабного фактора в датчике, чтобы реализовать им относительные измерения. В то время как нижние зоны ФД обеспечивают электроэнергией местный источник питания пеленгатора, необходимой для его независимости от мобильного объекта, за исключением размещения последнего на нем.Finally, the Method ... allows you to build autonomous static direction finders, when it has a hybrid multi-zone cascading detecting elements. The upper independent zones of such photonic elements generate photocurrents from the source radiation incident on them, which are necessary for generating scale factor signals in the sensor in order to realize relative measurements for them. While the lower zones of the PD provide electric power to the local power source of the direction finder, which is necessary for its independence from the mobile object, except for placing the latter on it.
Сравнение изложенных подходов, приемов и действий не только с прототипом, но и с другими техническими возможностями и средствами по части реализации ими устройств дистанционного зондирования позиций источников лучистого потока - статические амплитудные датчики фасеточного типа, не позволило выявить в них признаки, аналогичные патентуемым решениям. Следовательно, их можно считать существенными и новыми, позволяющими далее ими совершенствовать статические пассивные средства дистанционного зондирования позиции различных по интенсивности источников излучения.Comparison of the stated approaches, techniques and actions not only with the prototype, but also with other technical capabilities and means in terms of their implementation of remote sensing devices for the positions of the radiant flux sources - static amplitude facet type sensors, did not allow revealing signs similar to patented solutions in them. Therefore, they can be considered significant and new, allowing them to further improve the static passive means of remote sensing positions of radiation sources of different intensities.
Для демонстрации реализации нового способа в данном случае патентуется только одно из устройств. Дело в том, что построение устройства, реализующего Способ…, является вариационной задачей, так как конкретные требуемые параметры статического пеленгатора фасеточного типа сильно взаимосвязаны между собой. Например, чтобы создать «точный датчик Солнца» с окном зрения в 10 градусов, необходим, в конструктивном плане, несколько иной подход, чем построить «пеленгатор светила» с окном обзорного диапазона в 120-160 градусов. Поэтому, если очень надо иметь измерительный прибор с минимальными строительными параметрами по массе, объему и потреблению, а также исходя из его архитектурного дизайна, то очевидно, что по своему содержанию и форме конкретные устройства, исполняющие различные требования, выдвигаемые к статическому пеленгатору и реализующие Способ…, могут существенно отличаться друг от друга. Однако по сути Способа…, по функциональному и внутреннему строению частей устройства все они одинаковы.To demonstrate the implementation of the new method in this case, only one of the devices is patented. The fact is that the construction of a device that implements the Method ... is a variational problem, since the specific required parameters of the facet-type static direction finder are highly interconnected. For example, in order to create an “accurate solar sensor” with a 10-degree viewport, a constructive plan requires a slightly different approach than constructing a “direction finder” with a viewing range window of 120-160 degrees. Therefore, if it is very necessary to have a measuring device with minimum construction parameters in terms of weight, volume and consumption, as well as on the basis of its architectural design, it is obvious that, in terms of their content and shape, specific devices that fulfill various requirements put forward by a static direction finder and implement the Method ... may vary significantly. However, in essence of the Method ..., in the functional and internal structure of the parts of the device, they are all the same.
Общие отличительные признаки всех возможных устройств, реализующих Способ…, например, по отношению к выбранному прототипу следующие:General distinguishing features of all possible devices implementing the Method ..., for example, with respect to the selected prototype are as follows:
- отсутствие оптических элементов и отдельного вычислителя, например, бортового компьютера;- lack of optical elements and a separate computer, for example, an on-board computer;
- наличие гибридных пассивных модулей, заменяющих планарные ФД, которые собой не затеняют друг друга;- the presence of hybrid passive modules replacing planar PDs that do not obscure each other;
- многофункциональное назначение аналого-цифрового преобразователя в них с целью:- multifunctional purpose of the analog-to-digital converter in them with the aim of:
- смены формы представления аналоговых сигналов в цифровой вид;- change the presentation of analog signals in digital form;
- получения текущего значения позиции источника отдаленного излучения в виде кода через отношение амплитуд сигналов, поданных на его входы.- receiving the current value of the position of the source of remote radiation in the form of a code through the ratio of the amplitudes of the signals supplied to its inputs.
Для новизны изобретения перечисленного вполне достаточно.For the novelty of the invention, the above is sufficient.
Технический результат предпочтительного варианта патентуемого устройства, реализующего Способ…, достигается путем создания одноосного датчика фасеточного типа, содержащий аналого-цифровой преобразователь, по меньшей мере, два измерительных гибридных пассивных детектирующих модуля, соединенных с аналого-цифровым преобразователем посредством преобразователей «ток-напряжение», инвертора и двух сумматоров, которые облучаются потоком отдаленного источника и расположены в разных плоскостях под углом друг к другу, при этом в датчике с помощью третьего гибридного пассивного детектирующего модуля в сочетании с преобразователем «ток-напряжение» и сумматора, куда подаются также сигналы от двух исходных боковых гибридных модулей, при одновременном облучении источником всех его модулей, формируется сигнал масштабного фактора, необходимый для функционирования аналого-цифрового преобразователя, выступающего как измерителя отношений или делителя напряжения с цифровым выходом, что позволяет ему иметь однозначную зависимость величины выходного сигнала от угла рассогласования оптической оси датчика с энергетическим центром отдаленного источника излучения на момент измерения устройством частей лучистого потока ориентира.The technical result of a preferred embodiment of a patented device that implements Method ... is achieved by creating a uniaxial facet type sensor containing an analog-to-digital converter, at least two measuring hybrid passive detecting modules connected to the analog-to-digital converter via current-voltage converters, inverter and two adders, which are irradiated by a stream of a distant source and are located in different planes at an angle to each other, while in the sensor with by the power of a third hybrid passive detecting module in combination with a current-voltage converter and an adder, which also receives signals from two initial side hybrid modules, while the source of all its modules is irradiated, a signal of a scale factor necessary for the operation of the analog-to-digital converter is generated, acting as a ratio meter or voltage divider with a digital output, which allows it to have an unambiguous dependence of the output signal on the angle mismatch anija optical axis of the sensor with energy center distant radiation source device at the time of measuring parts landmark radiant flux.
В предпочтительном варианте реализации патентуемого устройства его конструкция включает в себя основание, три одинаковых гибридных детектирующих модуля, образующие с основанием усеченную призму с сечением в форме равнобедренного четырехугольника со скошенными равными углами, прилегающими к основанию. При этом линейные электронные элементы устройства размещаются с двух сторон на плоской монтажной плате, находящейся во внутренней полости датчика, представляющей собой усеченный по бокам вариант параллелепипеда.In a preferred embodiment of the patented device, its design includes a base, three identical hybrid detecting modules, forming with a base a truncated prism with a cross section in the shape of an isosceles quadrangle with beveled equal angles adjacent to the base. In this case, the linear electronic elements of the device are placed on two sides on a flat circuit board located in the internal cavity of the sensor, which is a truncated version of the parallelepiped on the sides.
В альтернативной конструкции патентуемого устройства - двухосный вариант датчика фасеточного типа - оно включает в себя основание, пять одинаковых гибридных пассивных детектирующих модулей, образующие с основанием четырехгранную усеченную пирамиду с равными углами, прилегающими к основанию. При этом удвоенный комплект линейных электронных элементов устройства, аналогично предпочтительному варианту датчика, располагается также внутри его конструктивного массива.In an alternative design of the patented device - a biaxial version of a facet type sensor - it includes a base, five identical hybrid passive detecting modules, forming a tetrahedral truncated pyramid with equal angles adjacent to the base. At the same time, a doubled set of linear electronic elements of the device, similar to the preferred sensor variant, is also located inside its structural array.
Для лучшего понимания патентуемого изобретения далее приводятся его схемы, характеристики, общий вид устройства и их описание.For a better understanding of the patented invention, its schemes, characteristics, general view of the device and their description are given below.
Фиг. 1 - Схема одноосного устройства, реализующего Способ…, где:FIG. 1 - Diagram of a uniaxial device that implements the Method ..., where:
X0YZ - трехосная прямоугольная система координат устройства с осями в метрах; Ф0Ψ - двухосная прямоугольная система координат с осями в градусах; OA - ось амплитуд фототока детектора излучения в миллиамперах;X0YZ - triaxial rectangular coordinate system of the device with axes in meters; Ф0Ψ - biaxial rectangular coordinate system with axes in degrees; OA is the axis of the amplitudes of the photocurrent of the radiation detector in milliamps;
1 - фундаментальная посадочная плоскость мобильного объекта; 2 - вид сечения устройства по координатным осям: минус 0Х, 0Х и 0Z; 3, 4, 5 - планарные детекторы излучения; 6, 7, 8, 9, 10, 11 - вертикальные светонепроницаемые стенки по бокам детекторов излучения; 12 - монтажная плата для электронных компонент устройства; 13, 14, 15, 16 - электронные элементы, размещенные на монтажной плате устройства; 17, 18, 19 - сектора измерения гибридных пассивных детектирующих модулей устройства; φ - угловое положение источника излучения; β - угол между боковой гранью конструктива устройства, где с внешней стороны размещается и фиксируется детектор излучения, и его основанием в трехосной прямоугольной системе его координат; h - высота вертикальной стенки; b - ширина или длина чувствительной поверхности планарного детектора излучения; α - угол маскирования излучения тенью, падающей на детектор излучения от боковых светонепроницаемых вертикальных стенок.1 - fundamental landing plane of a mobile object; 2 is a sectional view of the device along the coordinate axes: minus 0X, 0X and 0Z; 3, 4, 5 - planar radiation detectors; 6, 7, 8, 9, 10, 11 — vertical opaque walls on the sides of radiation detectors; 12 - circuit board for electronic components of the device; 13, 14, 15, 16 - electronic elements located on the circuit board of the device; 17, 18, 19 — measurement sectors of hybrid passive detecting modules of the device; φ is the angular position of the radiation source; β is the angle between the side face of the device construct, where the radiation detector is placed and fixed on the outside and its base in a triaxial rectangular coordinate system; h is the height of the vertical wall; b is the width or length of the sensitive surface of the planar radiation detector; α is the angle of masking radiation by a shadow incident on the radiation detector from the lateral opaque vertical walls.
Фиг. 2 - Схема электрическая принципиальная одноосного устройства, реализующего Способ…, где:FIG. 2 is a schematic electrical diagram of a uniaxial device that implements the Method ..., where:
3, 4, 5 - гибридные пассивные детектирующие модули ГФМ1, ГФМ2, ГФМ3; 13 - преобразователи ток-напряжение; 14, 15 - инвертор напряжения и сумматоры в устройстве; 16 - аналого-цифровой преобразователь с внешней опорой.3, 4, 5 - hybrid passive detecting modules GFM1, GFM2, GFM3; 13 - current-voltage converters; 14, 15 - voltage inverter and adders in the device; 16 - analog-to-digital Converter with an external support.
Фиг. 3 - «Трехмерные» апертурные характеристики гибридных пассивных детектирующих модулей, входящих в состав одноосного устройства, реализующего Способ…, где:FIG. 3 - "Three-dimensional" aperture characteristics of hybrid passive detecting modules that are part of a uniaxial device that implements the Method ..., where:
Фиг. 3а - апертурная характеристика в пределах сектора измерения 17 бокового гибридного пассивного модуля, состоящего из детектора 3 и двух боковых стенок 6, 7, изображенная в прямоугольной системе координат по осям: минус 0Ф, плюс, минус 0Ψ, 0A; Фиг. 3б - апертурная характеристика в пределах сектора измерения 18 центрального гибридного модуля, состоящего из детектора 4 и двух боковых стенок 8, 9, изображенная в прямоугольной системе координат по осям: плюс, минус 0Ф и 0Ψ 0A; Фиг. 3в - апертурная характеристика в пределах сектора 19 противоположного бокового гибридного модуля, состоящего из детектора 5 и двух боковых стенок 10, 11, изображенная в прямоугольной системе координат по осям: 0Ф, плюс, минус 0Ψ, 0A.FIG. 3a - aperture characteristic within the
Фиг. 4 - Пеленгационная характеристика устройства, реализующего Способ…, на входе аналого-цифрового преобразователя, изображенная в двухосной прямоугольной системе координат устройства по осям 0Ф, 0A - ее первая четверть, и минусы 0Ф, 0A - ее третья четверть.FIG. 4 - Bearing characteristic of a device that implements the Method ..., at the input of an analog-to-digital converter, depicted in a biaxial rectangular coordinate system of the device along the axes 0Ф, 0A is its first quarter, and cons 0Ф, 0A is its third quarter.
Фиг. 5 - Фрагменты апертурных характеристик устройства визуализированных, в пределах первой четверти двухосной прямоугольной системы координат устройства, где:FIG. 5 - Fragments of the aperture characteristics of the device visualized within the first quarter of the biaxial rectangular coordinate system of the device, where:
1 - фрагмент апертурной характеристики ГФМ1 - точка 17 на Фиг. 2;1 - a fragment of the aperture characteristic of HFM1 — point 17 in FIG. 2;
2 - фрагмент апертурной характеристики ГФМ2 - точка 18 на Фиг. 2;2 - a fragment of the aperture characteristic of the GFM2 -
3 - фрагмент апертурной характеристики сигнала масштабного фактора - точка «вх. опор.» у аналого-цифрового преобразователя на Фиг. 2.3 - a fragment of the aperture characteristic of the signal of the scale factor - the point "in. supports. ”at the analog-to-digital converter in FIG. 2.
4 - предельное значение величины сигнала масштабного фактора на входе аналого-цифрового преобразователя.4 - the limit value of the magnitude of the signal of the scale factor at the input of the analog-to-digital Converter.
Фиг. 6 - Фрагменты пеленгационных характеристик на выходе датчиков фасеточного типа, визуализированные в пределах первой четверти двухосной прямоугольной системы координат устройств, где:FIG. 6 - Fragments of direction-finding characteristics at the output of the faceted type sensors, visualized within the first quarter of the biaxial rectangular coordinate system of the devices, where:
1 - фрагмент пеленгационной характеристики патентуемого устройства, реализующего Способ…, изображенной в первой четверти двухосной прямоугольной системы координат датчика;1 is a fragment of the direction-finding characteristic of a patented device that implements the Method ... depicted in the first quarter of a biaxial rectangular coordinate system of the sensor;
2 - фрагмент пеленгационной характеристики «идеального» датчика, изображенной в первой четверти его двухосной прямоугольной системы координат;2 - a fragment of the direction-finding characteristic of the “ideal” sensor depicted in the first quarter of its biaxial rectangular coordinate system;
3 - фрагмент пеленгационной характеристики устройства, взятого в качестве прототипа, которая изображена в первой четверти двухосной прямоугольной системы координат.3 is a fragment of a direction-finding characteristic of a device taken as a prototype, which is depicted in the first quarter of a biaxial rectangular coordinate system.
Фиг. 7 - Фрагменты характеристик относительных погрешностей датчиков фасеточного типа в пределах первой четверти двухосной прямоугольной системы координат устройств, где:FIG. 7 - Fragments of the characteristics of the relative errors of the facet type sensors within the first quarter of the biaxial rectangular coordinate system of the devices, where:
1 - фрагмент относительной погрешности патентуемого устройства, реализующего Способ…;1 is a fragment of the relative error of a patented device that implements the Method ...;
2 - фрагмент относительной погрешности устройства, взятого в качестве прототипа;2 - a fragment of the relative error of the device, taken as a prototype;
3, 4, 5 - значения величин пределов, в которых находятся визуализируемые погрешности устройств.3, 4, 5 - the values of the limits in which the visualized errors of the devices are located.
Фиг. 8 - Внешние виды спереди и сверху двухосного варианта устройства, реализующего Способ…, где:FIG. 8 - External views of the front and top of a biaxial version of the device that implements the Method ..., where:
1 - фундаментальная посадочная плоскость мобильного объекта;1 - fundamental landing plane of a mobile object;
2 - вид корпуса двухосного устройства, реализующего Способ…;2 - view of the housing of a biaxial device that implements the Method ...;
20, 21, 22, 23, 24 - гибридные пассивные детектирующие модули;20, 21, 22, 23, 24 - hybrid passive detecting modules;
25 - вид, в качестве примера, одной из двадцати стенок гибридного пассивного детектирующего модуля.25 is a view, by way of example, of one of twenty walls of a hybrid passive detecting module.
Перейдем к описанию патентуемого устройства, условно приняв за исход: парадигму физики, источник излучения - Солнце, две прямоугольные системы координат с взаимно компланарно-ориентированными осями.We proceed to the description of the patented device, conventionally taking as the outcome: the physics paradigm, the radiation source is the Sun, two rectangular coordinate systems with mutually coplanar oriented axes.
Патентуемое устройство статического пеленгатора фасеточного типа по своей сути довольно просто (Фиг. 1). Оно включает в одноосном исполнении три гибридных пассивных модуля, которые имеют фронтально-плоскую чувствительную поверхность своих детекторов излучения 3, 4, 5. Из них два боковых гибридных пассивных модуля 3, 5, ориентированных под углом друг к другу вдоль одной из осей прямоугольной системы координат пеленгатора, необходимы для определения позиции излучающего источника. Третий гибридный пассивный модуль 4, располагаемый над ними и ориентированный своей чувствительной поверхностью перпендикулярно оптической оси пеленгатора, в сторону его обзорного поля, где излучает источник - Солнце, необходим в устройстве для формирования сигнала масштабного фактора, подаваемого на опорный вход аналого-цифрового преобразователя (Фиг. 2). Указанные модули 3, 4, 5 являются по существу построения единственными функциональными звеньями датчика, которые отвечают за формирование его пеленгационной характеристики, так как все остальные электронные элементы 13, 14, 15, 16 - линейные четырехполюсники. Это демонстрирует Фиг. 2. Особых пояснений о работе устройства, при наличии Фиг. 1 и Фиг. 2, не требуется.The patented device of a facet type static direction finder is inherently quite simple (Fig. 1). It includes, in a uniaxial design, three hybrid passive modules that have a frontally flat sensitive surface of their
Взяв за основу изложенный материал в [6], а в качестве облучателя датчика Солнце, можно фототоки гибридных пассивных модулей в точках 17, 18 и 19 (Фиг. 1 и Фиг. 2), при условии равенства параметров всех трех гибридных пассивных модулей, описать как:Based on the material presented in [6], and as the irradiator of the Sun sensor, it is possible to describe the photocurrents of hybrid passive modules at
- для центрального ГФМ2,- for the central GFM2,
-для бокового ГФМ1,- for lateral GFM1,
- для бокового ГФМ3, где:- for lateral GFM3, where:
Es - облученность (Вт/м2);E s - irradiation (W / m 2 );
А - фотоэлектрический параметр детектора излучения, равный - k*s*b2, у которого:A is the photoelectric parameter of the radiation detector, equal to k * s * b 2 , in which:
k - квантовая эффективность детектора излучения;k is the quantum efficiency of the radiation detector;
s - крутизна при нормальном падении на детектор лучистого потока, которая соответствует его токовой чувствительности (А/Вт);s is the slope during normal incidence of the radiant flux on the detector, which corresponds to its current sensitivity (A / W);
b - длина одной из чувствительных сторон детектора излучения (м);b is the length of one of the sensitive sides of the radiation detector (m);
cos(φ), cos(ψ) и sin(φ) - Угловые зависимости фототока детектора излучения от падающего на него потока излучения источника;cos (φ), cos (ψ) and sin (φ) - Angular dependences of the photocurrent of the radiation detector on the incident radiation flux of the source;
β - угол между основаниями датчика и детектора излучения;β is the angle between the bases of the sensor and the radiation detector;
φ, ψ - угловые положения проекций потока источника излучения между оптической осью датчика (нормалью к фундаментальной посадочной плоскости мобильного объекта) и направлением проекций потока излучения по осям прямоугольной системы координат устройства;φ, ψ are the angular positions of the projections of the radiation source flux between the optical axis of the sensor (normal to the fundamental landing plane of the mobile object) and the direction of the projections of the radiation flux along the axes of the rectangular coordinate system of the device;
* - знак умножения.* - a sign of multiplication.
Функции фототоков: I1(φ,ψ) - 17, I2(φ,ψ) - 18, I3(φ,ψ) - 19 на выходе гибридных пассивных модулей ГФМ1, ГФМ2, ГФМ3 (Фиг. 1 и Фиг. 2) визуализированы на Фиг. 3 как: а-17, б-18, в-19.Photo current functions: I 1 (φ, ψ) - 17, I 2 (φ, ψ) - 18, I 3 (φ, ψ) - 19 at the output of the hybrid passive modules GFM1, GFM2, GFM3 (Fig. 1 and Fig. 2 ) visualized in FIG. 3 as: a-17, b-18, c-19.
Угловое положение источника лучистого потока по оси φ в цифровом виде определяется аналого-цифровым преобразователем 16, на «позиционный» вход которого поступает биполярный сигнал, линейно сформированный инвертором и сумматором, при подаче на них сигналов I1(φ,ψ) и I3(φ,ψ), преобразованных в напряжения преобразователями «ток-напряжение» 13, показанных на Фиг. 3.The angular position of the radiant flux source along the φ axis in digital form is determined by an analog-to-
Для определения устройством углового положения источника лучистого потока по оси φ в нем используют иную пеленгационную характеристику, которая отлична от хорошо известной функции отношения DELTA/SIGMA, реализованной в выбранном прототипе [5]. Подобно прототипу ее выражение для патентуемого изобретения может быть записано как:To determine the angular position of the source of the radiant flux along the φ axis, the device uses another direction-finding characteristic that is different from the well-known DELTA / SIGMA ratio function implemented in the selected prototype [5]. Like the prototype, its expression for the patented invention can be written as:
h/b=tgα - коэффициент маскирования излучения тенью, падающей на детектор излучения от боковых светонепроницаемых вертикальных стенок, равных по высоте.h / b = tgα is the coefficient of masking the radiation by a shadow incident on the radiation detector from the lateral opaque vertical walls of equal height.
Визуальная картина биполярного сигнала (I1-I3), но не разностного его значения, показана на Фиг. 4. Отличие суммы однополярных сигналов (I1+I2+I3) в знаменателе отношения (4) - масштабный фактор датчика - от I1 и 13 обрисованы на Фиг. 5, где они представлены фрагментарно в первой четверти квадранта по оси φ, чтобы нагляднее видеть различия их форм и вариации амплитуд.A visual picture of the bipolar signal (I 1 -I 3 ), but not its differential value, is shown in FIG. 4. The difference in the sum of unipolar signals (I 1 + I 2 + I 3 ) in the denominator of the ratio (4) —scale factor of the sensor — from I 1 and 1 3 are depicted in FIG. 5, where they are presented fragmentarily in the first quarter of the quadrant along the φ axis in order to more clearly see the differences in their shapes and amplitude variations.
Если исходить из того, что все относительно, то результаты построений трех вариантов (1 - синтезированной, 2 - идеальной; 3 - взятой за прототип) пеленгационных характеристик различных датчиков, представленных на Фиг. 6, для окна сектора измерений 120 градусов однозначно в наглядной форме подтверждают преимущество патентуемого способа и устройства, его реализующего, перед вариантом, использованным в прототипе.Based on the fact that everything is relative, the results of the construction of three options (1 - synthesized, 2 - ideal; 3 - taken as a prototype) direction-finding characteristics of various sensors presented in Fig. 6, for the window of the sector of measurements of 120 degrees unambiguously clearly illustrate the advantage of the patented method and the device that implements it, over the option used in the prototype.
Действия, направленные на получение положительного результаты в патентуемом изобретении, предусматривают увеличение крутизны и линейности склонов апертурных характеристик гибридных пассивных модулей датчика, а также исключение за счет амплитудных потерь формы, характерной для прототипа, его относительной пеленгационной характеристики.The actions aimed at obtaining positive results in the patented invention include increasing the steepness and linearity of the slopes of the aperture characteristics of hybrid passive sensor modules, as well as eliminating due to amplitude losses of the form characteristic of the prototype, its relative direction-finding characteristics.
Кроме того, нововведением в нем является использование иного, более эффективного, масштабного фактора. Это позволило, как отображено на Фиг. 7, понизить погрешность измерений 1 в секторе 120 градусов почти на порядок по отношению к выбранному прототипу 2, а также приблизить среднюю пеленгационную чувствительность в рабочем окне датчика к значению, близкому к идеальному варианту, представленному на Фиг. 6.In addition, an innovation in it is the use of another, more effective, large-scale factor. This allowed, as shown in FIG. 7, to reduce the
Что касается построения двухосного устройства, реализующего Способ…, то здесь нет особых сложностей. Берем пять гибридных пассивных модулей, имеющих вертикальные светонепроницаемые стенки одинаковой высоты, располагаем и фиксируем их на ребрах, усеченной сверху, четырехгранной пирамиды 2, внутри которой размещаем парную электронику датчика. Общий облик моноблочного двухосного устройства и его ориентировочные размеры, при чувствительной площади ФД в один квадратный сантиметр, приведены на Фиг. 8.As for the construction of a biaxial device that implements the Method ..., there are no particular difficulties. We take five hybrid passive modules with vertical opaque walls of the same height, arrange and fix them on the edges truncated from above, a
Определение координаты источника лучистого потока по углу места осуществляется в нем так же, как и при измерении азимутальной координаты, описанной выше (Фиг. 1). Отличие состоит в том, что при определении угла места и азимута используется один общий центральный модуль 20. Следовательно, в двухосном устройстве формируются два ортогональных набора модулей: 20, 21, 23 - азимутальный набор и 20, 22, 24 - набор для угла места. Кроме того, планарные детекторы модулей закрыты вертикальными стенками 25 со всех их четырех боковых сторон. Такое конструктивное решение позволяет легко реализовать моноблочный вариант двухосного устройства с минимальными для него массой и объемом, что и демонстрирует Фиг. 8.The determination of the coordinates of the radiant flux source from the elevation angle is carried out in it in the same way as when measuring the azimuthal coordinate described above (Fig. 1). The difference is that when determining the elevation angle and azimuth, one common
Источники информацииInformation sources
1. Глазков В.Д. «Фасеточные солнечные датчики и их возможности» // Всерос. научно-технич. конф. «Современные проблемы определения ориентации и навигации космических аппаратов». Россия, Таруса, 13-16 сент. 2010: Сб. тр. М.: ИКИ РАН, 2011. С. 160-173 (Сер. «Механика, управление и информатика».1. Glazkov V.D. “Faceted solar sensors and their capabilities” // Vseros. scientific and technical. conf. "Modern problems of determining the orientation and navigation of spacecraft." Russia, Tarusa, September 13-16. 2010: Sat tr M.: IKI RAS, 2011. S. 160-173 (Ser. "Mechanics, control and computer science".
2. Воробьев Л.М. «Астрономическая навигация летательных аппаратов». М.: Издательство «Машиностроение», 1968.2. Vorobyov L.M. "Astronomical navigation of aircraft." M .: Publishing house "Engineering", 1968.
3. Заявка на изобретение RU 2014139839 А от 02.10.2014.3. Application for invention RU 2014139839 A dated 02.10.2014.
4. Ишанин Г.Г., Челибанов Г.Г. «Физические основы работы фотодиодов в фотогальваническом и фотодиодном режимах». Известия Вузов. Приборостроение. 2012. Т. 55, №4.4. Ishanin G.G., Chelibanov G.G. "The physical basis of the work of photodiodes in photovoltaic and photodiode modes." University News. Instrument making. 2012.V. 55, No. 4.
5. «Детектор углового положения оптического источника», Патент RU 2399063, 16/12/2008.5. "The detector of the angular position of the optical source",
6. Заявка на изобретение RU 2015118194 от 15.05.2015.6. Application for the invention RU 2015118194 from 05.15.2015.
7. Большая советская энциклопедия (БСЭ, 1926-1990).7. The Great Soviet Encyclopedia (TSB, 1926-1990).
Claims (11)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016102812A RU2610135C2 (en) | 2016-01-28 | 2016-01-28 | Method for synthesis of fixed relative direction-finding characteristic of static amplitude sensor of faceted type of remote radiant flux source and device therefor |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016102812A RU2610135C2 (en) | 2016-01-28 | 2016-01-28 | Method for synthesis of fixed relative direction-finding characteristic of static amplitude sensor of faceted type of remote radiant flux source and device therefor |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2016102812A RU2016102812A (en) | 2016-06-10 |
| RU2610135C2 true RU2610135C2 (en) | 2017-02-08 |
Family
ID=56115018
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2016102812A RU2610135C2 (en) | 2016-01-28 | 2016-01-28 | Method for synthesis of fixed relative direction-finding characteristic of static amplitude sensor of faceted type of remote radiant flux source and device therefor |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2610135C2 (en) |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0180512A2 (en) * | 1984-10-22 | 1986-05-07 | R.A.T.P. REGIE AUTONOME DES TRANSPORTS PARISIENS Etablissement public à caractère industriel et commercial | Apparatus for localizing and marking a light-emitting object |
| RU2088949C1 (en) * | 1994-08-16 | 1997-08-27 | Войсковая часть 51105 | Gear finding angular position of pulse source of optical radiation |
| WO2001020361A1 (en) * | 1999-09-13 | 2001-03-22 | Geissler Michael Paul Alexande | Optical angle sensor for use in a position and/or attitude determination system |
| RU2393496C2 (en) * | 2008-03-31 | 2010-06-27 | Открытое акционерное общество "Всероссийский научно-исследовательский институт транспортного машиностроения" | Method and device to take bearing to optical radiation point source |
| RU2399063C1 (en) * | 2008-12-16 | 2010-09-10 | Корпорация "САМСУНГ ЭЛЕКТРОНИКС Ко., Лтд." | Optical source angular position sensor |
| KR20130074548A (en) * | 2011-12-26 | 2013-07-04 | 영남대학교 산학협력단 | Apparatus and method for estimating location of an optical source by circular pd array |
| RU2526218C1 (en) * | 2013-03-27 | 2014-08-20 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт космических исследований Российской академии наук (ИКИ РАН) | Glazkov apparatus for determining angular position of light source and glazkov method for operation thereof |
-
2016
- 2016-01-28 RU RU2016102812A patent/RU2610135C2/en active
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0180512A2 (en) * | 1984-10-22 | 1986-05-07 | R.A.T.P. REGIE AUTONOME DES TRANSPORTS PARISIENS Etablissement public à caractère industriel et commercial | Apparatus for localizing and marking a light-emitting object |
| RU2088949C1 (en) * | 1994-08-16 | 1997-08-27 | Войсковая часть 51105 | Gear finding angular position of pulse source of optical radiation |
| WO2001020361A1 (en) * | 1999-09-13 | 2001-03-22 | Geissler Michael Paul Alexande | Optical angle sensor for use in a position and/or attitude determination system |
| RU2393496C2 (en) * | 2008-03-31 | 2010-06-27 | Открытое акционерное общество "Всероссийский научно-исследовательский институт транспортного машиностроения" | Method and device to take bearing to optical radiation point source |
| RU2399063C1 (en) * | 2008-12-16 | 2010-09-10 | Корпорация "САМСУНГ ЭЛЕКТРОНИКС Ко., Лтд." | Optical source angular position sensor |
| KR20130074548A (en) * | 2011-12-26 | 2013-07-04 | 영남대학교 산학협력단 | Apparatus and method for estimating location of an optical source by circular pd array |
| RU2526218C1 (en) * | 2013-03-27 | 2014-08-20 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт космических исследований Российской академии наук (ИКИ РАН) | Glazkov apparatus for determining angular position of light source and glazkov method for operation thereof |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| WO 2001020361 A1, 22.03/2001. * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2016102812A (en) | 2016-06-10 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US7315781B2 (en) | System and method for determining orientation based on solar positioning | |
| WO2018072722A1 (en) | Reaction location positioning method and device | |
| US7924415B2 (en) | Apparatus and method for a light direction sensor | |
| Baccani et al. | The MIMA project. Design, construction and performances of a compact hodoscope for muon radiography applications in the context of archaeology and geophysical prospections | |
| Post et al. | A low-cost photodiode sun sensor for CubeSat and planetary microrover | |
| ES2827957T3 (en) | Apparatus and method for non-invasive inspection of solid bodies using muon imaging | |
| RU2610135C2 (en) | Method for synthesis of fixed relative direction-finding characteristic of static amplitude sensor of faceted type of remote radiant flux source and device therefor | |
| RU2526218C1 (en) | Glazkov apparatus for determining angular position of light source and glazkov method for operation thereof | |
| Pierrottet et al. | Characterization of 3-D imaging lidar for hazard avoidance and autonomous landing on the Moon | |
| Bolshakov et al. | Array-based digital sun-sensor design for CubeSat application | |
| JP2009210280A (en) | Azimuth sensor device | |
| RU2509290C2 (en) | Method to determine two angular coordinates of glowing reference point and multiple-element photodetector for its realisation | |
| Liebe et al. | Design, qualification, calibration and alignment of position sensing detector for the NuSTAR space mission | |
| Allgeier et al. | Design and analysis of a coarse sun sensor for pico-satellites | |
| RU2603825C2 (en) | Detector of position of remote source of radiant flux and method of determination with it | |
| Beilicke et al. | First flight of the X-ray polarimeter X-Calibur | |
| Petrukhin et al. | NEVOD as a test facility for future neutrino telescopes | |
| Wang et al. | Cmos sensor for sun tracking | |
| Adnane et al. | Sun sensor design for full field of view coverage | |
| Novikov et al. | Stokes parameters spectral distortions due to the Sunyaev-Zel’dovich effect and an independent estimation of the CMB low multipoles | |
| Bolshakov | Digital sun sensor design for nanosatellite applications | |
| RU2602399C1 (en) | Method and device for formation of remote radiation source angular position sensor aperture characteristics | |
| Khokhlov et al. | Testing the new QSM-6M optical module with the NEVOD Cherenkov water detector | |
| Donati | Photonic Instrumentation: Sensing and Measuring with Lasers | |
| RU2569072C2 (en) | Angle of rotation sensor |