Основы проектирования и испытания оптико-электронных приборов астроориентации и навигации космических аппаратов

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ  
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное автономное образовательное  
учреждение высшего образования
«ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

А. А. ВЫБОРНОВ

ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И ИСПЫТАНИЯ  
ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ  
АСТРООРИЕНТАЦИИ И НАВИГАЦИИ  
КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ

Учебное пособие 

Ростов-на-Дону – Таганрог
Издательство Южного федерального университета
2019

УДК 681.2:629.78(075.8)
ББК 39.62я73
       В92

Печатается по решению кафедры информационных и измерительных 
технологий Института высоких технологий и пьезотехники  
Южного федерального университета  
(протокол № 9 от 26 марта 2019 г.)

Рецензенты:

доктор технических наук, доцент В. Л. Земляков;
кандидат технических наук, доцент К. Ю. Соломенцев

Выборнов, А. А. 
Основы проектирования и испытания оптико-электронных 
приборов астроориентации и навигации космических аппаратов : 
учебное пособие / А. А. Выборнов ; Южный федеральный университет. – Ростов-на-Дону ; Таганрог : Издательство Южного федерального университета, 2019. – 118 с.
ISBN 978-5-9275-3167-7

В учебном пособии на примере оптико-электронных приборов астроориентации и навигации показаны особенности их проектирования и испытаний. Учебное 
пособие предназначено для студентов, обучающихся по направлению «Приборостроение» и имеющих профиль подготовки по космическому приборостроению. 
Книга может также представлять интерес для специалистов, которые работают 
в области космического приборостроения, и для широкого круга читателей, интересующихся прикладной космонавтикой.
УДК 681.2:629.78(075.8)
ББК 39.62я73
ISBN 978-5-9275-3167-7

© Южный федеральный университет, 2019
© Выборнов А. А., 2019
© Оформление. Макет. Издательство 
Южного федерального университета, 2019

В92

ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие ...........................................................................................................5

Список сокращений ............................................................................................6

Глава 1. Классификация ОЭП астроориентации и навигации 
КА. Требования, предъявляемые к ОЭП .............................8

Глава 2. Структура современного ОЭП  
астроориентации и навигации КА .......................................12

Глава 3. Астрономические объекты – ориентиры  
и источники оптических помех  
для приборов ориентации и навигации КА ...................15

3.1. Звёзды ...................................................................................................15
3.2. Солнце ..................................................................................................19
3.3. Земля .....................................................................................................26
3.4. Луна ........................................................................................................32
3.5. Планеты Солнечной системы ....................................................33

Глава 4. Основные виды ОЭП астроориентации  
и навигации КА ................................................................................35

4.1. Приборы ориентации по звёздам.  
Общие принципы построения .................................................35
4.2. Приборы ориентации по Солнцу ............................................53
4.3. Приборы ориентации по Земле ...............................................60

Глава 5. Методы испытаний ОЭП астроориентации  
и навигации КА ................................................................................67

5.1.  Испытания на способность выполнить  
целевую задачу ................................................................................67
5.2.  Испытания на стойкость к ВВФ, обусловленные 
технологическими воздействиями,  
возникающими в процессе жизненного цикла ОЭП 
астроориентации и навигации КА .........................................78
5.3.  Испытания на стойкость к ВВФ,  
обусловленные воздействием среды, в которой 
осуществляется эксплуатация ..................................................89

Глава 6. Оборудование для проведения  
точностных испытаний ...............................................................95

6.1.  Стенд для настройки, проверки, юстировки,  
испытаний и определения погрешности  
измерений приборов ориентации по Солнцу  ................95
6.2.  Имитаторы звезды и фона видимого диапазона ............99
6.3.  Имитаторы излучения  
Земли – атмосферы – космоса  ............................................ 100

Глава 7. Источники света для имитации  
излучения Солнца ........................................................................104

Литература ..........................................................................................................114

ПРЕДИСЛОВИЕ

Учебное пособие является второй частью ранее изданного пособия «Оптико-электронные приборы астроориентации и навигации космических аппаратов», посвящённого вопросам, связанным с особенностями условий эксплуатации ОЭП астроориентации.
В книге конспективно рассмотрен широкий круг вопросов, связанных с проектированием, изготовлением и испытаниями оптико-электронных приборов астроориентации и навигации космических аппаратов. Кратко описаны основные принципы построения оборудования 
для проведения настройки и испытаний ОЭП.
В существующих учебных пособиях основной акцент сделан на 
методики расчёта оптических систем ОЭП астроориентации и навигации, но вместе с тем упущен целый ряд важнейших вопросов их 
разработки, технологии изготовления и эксплуатации. В настоящем 
издании предпринята попытка восполнить данный пробел. Необходимость написания этого пособия также объясняется большой степенью 
труднодоступности и рассредоточенности материала по различным 
источникам.
Материал книги представлен таким образом, что любой заинтересованный читатель не затратит больших усилий, чтобы понять существо излагаемых вопросов. Однако из-за разнообразия информации, 
освещаемой в различных разделах книги, возможно, не все главы 
будут одинаково понятны и интересны для всех читателей. Поэтому 
в конце книги дана расширенная библиография для тех, кто захочет 
ознакомиться с излагаемой темой более основательно и глубоко. 
Автор выражает глубокую благодарность коллегам, которые оказали помощь при работе над рукописью, а также читателям, которые 
высказали свои замечания по тексту ранее изданной книги.
Пожелания и замечания направлять по адресу:
344090, Ростов-на-Дону, ул. Мильчакова, 10, кафедра «Информационные и измерительные технологии» Южного федерального 
универ ситета. 

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

АИК  
– автоматизированный измерительный комплекс
АСК  
– автоматизированная система контроля
АСУ  
– автоматизированная система управления
АЧТ 
– абсолютно чёрное тело
БА 
– бортовая аппаратура
БКС 
– бортовая кабельная сеть
БО 
– блок оптический
БП 
– блок питания
БПОС 
– блок предварительной обработки сигналов
БЦОС 
– блок цифровой обработки сигналов
БЦЭВК  – бортовой цифровой электронно-вычислительный комплекс
БЭ 
– блок электронный
ВВФ 
– внешние воздействующие факторы
ГКИ 
– галактическое космическое излучение
ЗИП 
– запасные части, инструменты, приспособления
ИЗАК 
– имитатор излучения Земли – атмосферы – космоса
ИК 
– инфракрасный
ИКПМВ – инфракрасный построитель местной вертикали
КА 
– космический аппарат
КПА 
– контрольно-проверочная аппаратура
ИСЗ 
– искусственный спутник Земли
ОС 
– оптическая система
ОЭП 
– оптико-электронный прибор
ПО 
– программное обеспечение
ПОЗ 
– прибор ориентации по Земле
ПОЗв 
– прибор ориентации по звёздам
ПОС 
– прибор ориентации по Солнцу

Список сокращений

ПрИ 
– предварительные испытания
ПСИ 
– приёмо-сдаточные испытания
ПЭВМ 
– персональная электронно-вычислительная машина
РН 
– ракета-носитель
РОС 
– радиационные одиночные сбои
САС 
– срок активного существования
СВА 
– собственная внешняя атмосфера
СВЧ 
– сверхвысокая частота
СИО 
– система исполнительных органов
СК 
– система координат
СКИ 
– солнечное корпускулярное излучение
СПУ 
– спектральная плотность ускорения
ССА 
– система спускаемых аппаратов
СУ 
– система управления
СУД 
– система управления движением
СЭП 
– система энергопитания
ТЗ 
– техническое задание
ТЗЧ 
– тяжёлая заряженная частица
ТК 
– точка контраста
ТУ 
– технические условия
УФ 
– ультрафиолетовый
ФПУ 
– фотоприёмное устройство
ФЭП 
– фотоэлектронный преобразователь
ШСВ 
– широкополосная случайная вибрация
ЭВТИ 
– экранно-вакуумная теплоизоляция
ЭМС 
– электромагнитная совместимость
ЭО 
– эксплуатирующая организация
ЭРД 
– электрические ракетные двигатели
ЭРИ 
– электрорадиоизделия
ЭСР 
– электростатический разряд
ЯР 
– ядерный реактор

Глава 1 
 
КЛАССИФИКАЦИЯ ОЭП АСТРООРИЕНТАЦИИ 
И НАВИГАЦИИ КА.  
ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К ОЭП 

Существующие 
системы 
классификации 
оптико-электронных 
приборов (ОЭП) астроориентации и навигации космических аппаратов (КА) носят условный характер, однако они помогают разобраться 
в их многообразии.
Возможно деление ОЭП астроориентации и навигации КА по используемому астроориентиру: 
 –
приборы ориентации по Земле (ПОЗ);
 –
приборы ориентации по излучению какой-либо планеты;
 –
приборы ориентации по Солнцу (ПОС);
 –
приборы ориентации по зодиакальному свету;
 –
приборы ориентации по отдельным звёздам;
 –
приборы ориентации по звёздным полям;
 –
приборы, использующие рентгеновское излучение пульсаров;
 –
комбинированные приборы, осуществляющие возможность ориентации по двум (и более) разным астроориентирам одновременно, имеющие встроенные гироскопы или получающие дополнительную информацию о пространственном положении КА от других датчиков, например от датчиков угловых скоростей.
Кроме того, существует система деления ОЭП астроориентации и 
навигации КА на группы по используемому спектру излучения:
 –
приборы, использующие ИК-излучение планет; 
 –
приборы, использующие видимый диапазон спектра;
 –
приборы, использующие УФ-излучение;
 –
приборы, использующие рентгеновское излучение пульсаров.

Глава 1. Классификация ОЭП астроориентации и навигации КА. Требования, предъявляемые к ОЭП

Также возможна система деления ОЭП астроориентации и навигации КА на классификационные группы по поколению элементной 
базы, применённой в приборе. Причём, помимо исторического аспекта, она имеет и прикладное значение, так как:
 –
до сих пор используются приборы, выполненные на элементной 
базе предыдущих поколений;
 –
в современных разработках применяются ЭРИ предыдущих поколений, поскольку они обладают высокой радиационной стойкостью.
По признаку, который характеризуется поколением применяемой 
элементной базы, имеется следующая условная классификация приборов:
 –
первое поколение – реле и электромеханические устройства;
 –
второе поколение – лампы;
 –
третье поколение – полупроводники;
 –
четвёртое поколение – полупроводниковые интегральные микросхемы.
Приборы первых четырёх поколений, как правило, имеют:
 –
один или несколько одноэлементных фотоприёмников;
 –
аналоговый выход;
 –
подвижные механические части.
Большинство современных приборов может быть отнесено к пятому поколению, которое характеризуется:
 –
наличием многоэлементных фотоприёмников (линеек, матриц);
 –
наличием микропроцессоров для обработки информации;
 –
наличием цифрового выхода для обмена информацией с бортовым цифровым электронно-вычислительным комплексом (БЦЭВК);
 –
отсутствием подвижных механических частей – приборы, как правило, полностью статические.
Следует отметить, что в некоторых случаях в приборах пятого поколения полностью избежать подвижных частей не удаётся. Например:
 –
многие звёздные приборы имеют электромеханические подвижные шторки для защиты фотоприёмника от воздействия излучения Солнца;
 –
в приборах применяются матрицы, лишённые электронного затвора, что требует наличия электромеханических устройств, обе

Основы проектирования и испытания оптико-электронных приборов астроориентации и навигации космических аппаратов

спечивающих обновление информации на фоточувствительных 
площадках матриц.
ОЭП астроориентации и навигации могут быть также разделены 
по виду выходных сигналов: 
 –
приборы с аналоговыми выходными сигналами;
 –
приборы с цифровыми выходными сигналами;
 –
комбинированные приборы, имеющие как цифровые, так и аналоговые выходы одновременно.
Ещё один классификационный признак – наличие или отсутствие 
подвижных механических частей.
По этому признаку ОЭП астроориентации и навигации КА можно 
выделить следующие группы:
 –
динамические приборы, которые имеют в своём составе электрические двигатели или другие электромеханические устройства, 
предназначенные для осуществления сканирования, модулирования светового потока, автоподстройки поля зрения и т. п. (т. е. 
подвижные части);
 –
статические приборы, имеющие в своём составе современные 
многоэлементные фотоприёмники и, как правило, выполненные 
на современной элементной базе, имеющие цифровой выход и не 
нуждающиеся в наличии подвижных механических частей. 
По отношению к системе энергопитания (СЭП) КА приборы астроориентации и навигации можно разделить на две группы:
 –
приборы, потребляющие накопленную на борту КА электроэнергию и условно называемые активными;
 –
приборы, использующие для питания своих систем энергию излучения астроориентира и не потребляющие энергию СЭП КА. 
Они условно называются пассивными. В основном это приборы, 
использующие в качестве астроориентира и источника питания 
Солнце.
ОЭП астроориентации и навигации КА можно также разделить на 
две группы по признаку охлаждения фотоприёмного устройства (ФПУ):
 –
приборы, использующие фотоприёмник, охлаждаемый до криогенных температур. Эти ОЭП обладают обнаружительной способностью, на порядки превосходящей обнаружительную способность приборов, имеющих неохлаждаемые фотоприёмники;

Глава 1. Классификация ОЭП астроориентации и навигации КА. Требования, предъявляемые к ОЭП

 –
приборы, использующие фотоприёмник, который не нуждается в 
криогенном охлаждении. Большинство отечественных ОЭП астроориентации и навигации КА не используют криогенно охлаждаемые фотоприёмники из-за высокой конструктивной сложности 
систем охлаждения и, соответственно, цены.
Конструктивно ОЭП астроориентации и навигации КА исполняются 
в виде моноблока, а возможны конструкции, где изделия разделены 
на несколько блоков. Современная элементная база позволяет строить 
ОЭП исключительно по моноблочной схеме. Однако если в прошлом 
веке исполнение прибора по схеме, включающей в себя несколько 
блоков, диктовалось массогабаритными характеристиками применённой элементной базы – отсутствием возможности разместить ОЭП 
астроориентации и навигации на КА в отведённом для него объёме, 
то в настоящее время приборы разбивают на блоки из других соображений:
 –
для минимизации помехового влияния ИК-излучения электронных блоков на ОС;
 –
для компенсации кинетических моментов в случае наличия вращающихся частей в ОЭП;
 –
для получения требуемого момента инерции КА. 
Также ОЭП астроориентации и навигации КА классифицируются 
по способу установки на КА:
 –
приборы, которые устанавливаются на подвижные платформы, в 
том числе гиростабилизированные;
 –
приборы, которые устанавливаются на жёсткие неподвижные поверхности КА [9; 10; 11; 16; 21; 29; 30; 31].

Глава 2 
 
СТРУКТУРА СОВРЕМЕННОГО ОЭП  
АСТРООРИЕНТАЦИИ И НАВИГАЦИИ КА

Появление многоэлементных фотоприёмников, современной элементной базы и цифровых СУД КА привело к возникновению единой 
унифицированной структурной формулы построения ОЭП астроориентации и навигации КА, которую можно представить как сумму следующих слагаемых:
1) 
оптическая система (ОС) – предназначена для преобразования изображения астроориентира к виду, удобному для построения его проекции на чувствительной поверхности многоэлементного фотоприёмника, а также для минимизации воздействия оптических помех; 
2) 
фотоприёмник (в современных ОЭП астроориентации и навигации КА, 
как правило, многоэлементный) – предназначен для преобразования 
энергии электромагнитного излучения астроориентира в соответствующем спектральном диапазоне в электрическую энергию в границах 
изображения астроориентира на его чувствительной поверхности;
3) 
блок предварительной обработки сигналов (БПОС) – предназначен для считывания в определённой последовательности сигналов с фотоприёмника (с каждого элемента многоэлементного 
фотоприёмника), их усиления и преобразования к виду, удобному 
для дальнейшей цифровой обработки; 
4) 
блок цифровой обработки сигналов (БЦОС) – предназначен для 
вычисления по заданному алгоритму направления на геометрический центр астроориентира и передачи результатов расчёта в 
БЦЭВК с целью осуществления соответствующих режимов работы 
СУД КА (ориентации, стабилизации, навигации);
5) 
программное обеспечение – неотъемлемая составная часть ОЭП 
астроориентации и навигации КА и предназначено для реализации алгоритма вычисления координат геометрического центра