Способ лазерной космической связи и комплекс для его осуществления

Способ лазерной космической связи и комплекс для его осуществления

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к системам лазерной космической связи и квантовой электронике. Изобретение предназначено для организации линий космической связи большой протяженности между космическим аппаратом, находящимся в дальнем космосе, и базовой станцией космической связи, находящейся на поверхности Земли, или на космическом аппарате на околоземной орбите.

Известны способы организации лазерной космической связи, аналогичные системам космической радиосвязи, заключающиеся в генерации электромагнитного излучения оптического диапазона длин волн - лазерного излучения, модуляции излучения информационным сигналом, направлении лазерного излучения с помощью оптической антенны-телескопа в сторону приемника-корреспондента, приеме лазерного излучения приемной оптической антенной, регистрации и демодуляции лазерного излучения с помощью фотодетектора, обладающего чувствительностью в диапазоне длин волн, соответствующем длине волны лазерного излучения лазерного генератора-передатчика [1]. К недостаткам данных открытых линий связи следует отнести малую по космическим масштабам дальность действия, что обусловлено ограниченной чувствительностью фотоприемников прямого фотодетектирования, а также низкой помехозащищенностью фотоприема вследствие широкой полосы чувствительности используемых фотоприемников.

Известны способы лазерной связи, использующие для регистрации принимаемого излучения методы гетеродинного приема (фотосмешения) сигналов оптического диапазона длин волн [2]. Данные методы гетеродинного приема обладают несколько более высокой чувствительностью по сравнению с методами прямого фотодетектирования оптических сигналов, однако имеют ряд существенных недостатков.

К недостаткам данного метода приема оптических информационных сигналов следует отнести прежде всего наличие собственных шумов лазерного гетеродина, препятствующих реализации высокой чувствительности приема оптических (лазерных) информационных сигналов. При этом при реализации системы дальней космической лазерной связи, характеризующейся большой величиной доплеровского сдвига частоты лазерного излучения, непосредственный прием лазерного излучения гетеродинным методом является неэффективным вследствие смещения величины промежуточной частоты сигналов фотосмешения на выходе оптического фотоприемника - преобразователя оптических частот - в область весьма высоких частот порядка единиц и десятков гигагерц, усиление которых с выхода фотоприемников на уровне предельной квантовой чувствительности невозможно. Вследствие ограниченной чувствительности данные методы лазерной космической связи характеризуются невысокой дальностью действия.

Известен способ приема и передачи информации оптическим сигналом [3], включающий генерацию, модуляцию, излучение и прием лазерных сигналов, подсчет интервалов времени между оптическими импульсами, определение значений текущих интервалов времени, вычитания константы и определения точных значений между текущим и предыдущим оптическими импульсами. К недостаткам данного способа следует отнести малую дальность действия систем лазерной связи на основе данного способа вследствие невозможности обеспечения предельной квантовой чувствительности при приеме оптических импульсов.

Известен способ приема и передачи информации оптическими сигналами [4], включающий прием оптических сигналов с помощью фотоприемников, задержку сигналов посредством оптической линии задержки, объединение и совместную обработку оптических сигналов. К недостаткам данного способа следует отнести невысокую чувствительность используемого метода прямого фотодетектирования оптических сигналов и соответственно малую дальность действия системы связи на основе данного способа.

В качестве прототипа выбран способ, реализованный по патенту [5] при осуществлении лазерной космической связи с использованием терминалов лазерной связи, устанавливаемых на базовой станции и на борту космического аппарата (КА).

Способ включает генерацию и модуляцию лазерного излучения в базовой станции и на борту КА, взаимную ориентацию (наведение) приемных и передающих оптических антенн, прием лазерного излучения, пространственный анализ - фильтрацию - принимаемого излучения - изображения наблюдаемого поля, разделение и совместную обработку разделенных изображений, регистрацию оптических сигналов методами прямого фотодетектирования. К недостаткам данного способа и системы лазерной космической связи на его основе следует отнести малую дальность действия по космическим масштабам, обусловленную относительно невысокой чувствительностью методов прямого фотодетектирования оптических сигналов, не позволяющих реализовать предельную квантовую чувствительность при организации лазерной космической связи данным способом. Дальность действия системы лазерной космической связи, как указано в [5], составляет L=40000 км, что позволяет организовать лазерную связь только в ближнем космосе с КА, обращающимися по околоземным орбитам. Следует отметить, что указанная в [5] скорость передачи информации достигается только в пределах указанной дальности L. На расстояниях, больших чем L такая скорость передачи информации не реализуется. Для космической связи со станцией на Луне и в пределах Солнечной системы такой способ построения лазерной связи является непригодным. Другим существенным недостатком данного способа и системы космической связи является низкая помехозащищенность, обуславливающая невозможность приема лазерных информационных сигналов в условиях сильной фоновой засветки, например, на фоне солнечного диска или на фоне излучения плазмы, окружающей КА при его посадке на Землю и входе в плотные слои атмосферы.

В качестве прототипа для комплекса лазерной космической связи, реализующего способ лазерной космической связи, выбрано устройство лазерной связи (терминал) по патенту [5], реализующему способ-прототип.

Достигаемым техническим результатом является следующее: повышение дальности действия комплекса лазерной космической связи, увеличение объемов и скорости передачи информации в системах лазерной космической связи между быстро движущимися космическими объектами, реализация предельной квантовой чувствительности при приеме широкополосных лазерных информационных сигналов в условиях дальней космической связи между движущимися объектами - космическими аппаратами (КА). Реализация лазерной космической связи при приеме лазерных сигналов на фоне солнечного излучения и излучения ярко светящихся космических объектов. Реализация непрерывной связи с космическим кораблем (КК) в момент времени его входа в плотные слои атмосферы и посадки на Землю через слой плазмы, окружающей КК.

Новый технический результат достигается следующим образом:

1. В известном способе, включающем последовательную генерацию и модуляцию лазерного излучения в базовой и бортовой частях комплекса, взаимную ориентацию передающих и приемных оптических антенн и взаимный прием лазерного излучения в базовой и бортовой частях комплекса, до генерации лазерного излучения в базовой части комплекса определяют скорость движения бортовой части комплекса относительно базовой части комплекса, определяют доплеровский сдвиг частоты Δf_d лазерного излучения от базовой части комплекса при его приеме в бортовой части комплекса, генерирование лазерного излучения в базовой части комплекса осуществляют со сдвигом оптической частоты Δf₁ на отрицательную величину доплеровского сдвига частоты Δf₁=-Δf_d, после приема этого лазерного излучения в бортовой части комплекса осуществляют его квантовое усиление, измеряют сдвиг оптической частоты Δv₂ принятого и усиленного лазерного излучения относительно эталонной оптической частоты f₀, генерацию лазерного излучения в бортовой части комплекса осуществляют со сдвигом оптической частоты Δf₂ на отрицательную величину измеренного сдвига оптической частоты Δν₂ принятого лазерного излучения Δf₂=-Δv₂, осуществляют дополнительную модуляцию генерируемого в бортовой части лазерного излучения величиной измеренного сдвига оптической частоты Δν₂, последующий прием и квантовое усиление лазерного излучения в бортовой части комплекса осуществляют со сдвигом центральной частоты f_ф2 полосы приема на величину измеренного сдвига Δν₂ оптической частоты принятого лазерного излучения, после приема лазерного излучения от бортовой части комплекса в базовой части комплекса осуществляют его квантовое усиление со сдвигом центральной частоты f_ф1 полосы приема на величину ранее измеренного доплеровского сдвига частоты Δf_d, измеряют сдвиг Δν₁ оптической частоты принятого и усиленного в базовой части комплекса лазерного излучения относительно эталонной оптической частоты f₀, в базовой части комплекса осуществляют демодуляцию принятого от бортовой части комплекса лазерного излучения и получают информацию о величине сдвига оптической частоты Δν₂, измеренного ранее в бортовой части комплекса, на основе полученных сдвигов оптической частоты Δν₁, Δν₂ определяют параметры режима лазерной космической связи ε₁, ε₂, по которым судят о качестве установленной лазерной космической связи и при выполнении условий:

ε₁≤0,01 и ε₂≤0,01

принимают решение об установлении штатного режима лазерной космической связи, при котором в базовой и бортовой частях комплекса осуществляют генерацию лазерного излучения и прием и квантовое усиление лазерного излучения с установленными ранее сдвигами оптических частот генерируемого лазерного излучения и со сдвигами центральных частот полос приема лазерного излучения.

2. Параметры режима установленной лазерной космической связи ε₁ и ε₂ определяют на основании следующих соотношений:

где Δν₁ и Δν₂ - величины сдвигов оптической частоты, измеренные соответственно в базовой (Δν₁) и в бортовой (Δν₂) частях комплекса;

Δf_d - величина доплеровского сдвига оптической частоты лазерного излучения, определение которого осуществлено в базовой части комплекса.

3. При невыполнении хотя бы одного из условий ε₁≤0,01 и ε₂≤0,01 в качестве величины доплеровского сдвига оптической частоты Δf_d используют сумму измеренных величин Δν₁, Δν₂ сдвигов оптической частоты:

4. Определение доплеровского сдвига оптической частоты Δf_d лазерного излучения от базовой части комплекса при приеме в бортовой части комплекса осуществляют в соответствии с формулой:

где с - скорость света, V₁ - скорость движения бортовой части комплекса относительно базовой части комплекса по направлению линии взаимного визирования, связывающей базовую и бортовую части комплекса; f₀ - оптическая частота лазерного излучения, генерируемого в базовой части комплекса и соответствующая оптической частоте рабочего квантового перехода активного вещества, используемого при осуществлении генерации лазерного излучения и при осуществлении квантового усиления лазерного излучения в базовой и бортовой частях комплекса.

5. В качестве эталонной оптической частоты f₀ лазерного излучения принимают оптическую частоту рабочего квантового перехода активного вещества, используемого при осуществлении генерации лазерного излучения и квантового усиления лазерного излучения в базовой и бортовой частях комплекса.

6. В комплекс лазерной космической связи (ЛКС), состоящий из идентичных базовой и бортовой частей, размещенных на разных космических аппаратах (КА), каждая из которых содержит приемную и передающую оптические антенны, установленные на базовом элементе и жестко с ним соединенные, опорно-поворотное устройство (ОПУ), кинематически соединенное с базовым элементом, оптический фильтр, первый и второй фотоприемные блоки (ФПБ), модулятор лазерного излучения с блоком управления, блок-источник информации и блок-получатель информации, блок управления комплекса, управляющий вход ОПУ, выходы первого и второго ФПБ, блока-получателя информации и блока-источника информации подключены к блоку управления комплекса, блок управления модулятором лазерного излучения подсоединен к блоку управления комплекса, в каждую из идентичных частей комплекса введены активный квантовый фильтр с перестройкой частоты (АКФПЧ), лазерный генератор с перестройкой частоты (ЛГПЧ), блок многоканальной лазерной связи, первый и второй блоки измерения оптической частоты, эталонный генератор лазерного излучения, блок определения параметров движения, первая и вторая линзы, три отражательных зеркала и шесть полупрозрачных зеркал, при этом оптический вход АКФПЧ связан с оптическим выходом приемной оптической антенны, оптический выход АКФПЧ связан с оптическим входом первого ФПБ через оптический фильтр, первое полупрозрачное зеркало и первую линзу, а с оптическим входом второго ФПБ через оптический фильтр, первое и второе полупрозрачные зеркала и вторую линзу, дополнительно оптический выход АКФПЧ связан с оптическими входами блока многоканальной лазерной связи и первого блока измерения оптической частоты через оптический фильтр и первое, второе, третье полупрозрачные зеркала и первое отражательное зеркало, оптический выход ЛГПЧ связан с оптическим входом передающей оптической антенны через модулятор лазерного излучения и с оптическим входом второго блока измерения оптической частоты посредством шестого полупрозрачного зеркала и третьего отражательного зеркала, оптический выход эталонного генератора лазерного излучения оптически связан со вторыми оптическими входами второго блока измерения оптической частоты, первого блока измерения оптической частоты посредством четвертого и пятого полупрозрачных зеркал и блока многоканальной лазерной связи через четвертое и пятое полупрозрачные зеркала и второе отражательное зеркало, при этом управляющие входы АКФПЧ и ЛГПЧ подсоединены к блоку управления, входы которого подключены к первому и второму блокам определения оптической частоты и к блоку многоканальной лазерной связи, выход блока определения параметров движения подсоединен к блоку управления и к выходу блока внешнего целеуказания.

7. Активный квантовый фильтр с перестройкой частоты (АКФПЧ) содержит последовательно установленные на оптической оси оптически связанные входную диафрагму, входное полупрозрачное зеркало, кювету с прозрачными входным и выходным окнами и активным веществом и блоком накачки, оптическую пластину с блоком позиционирования, акустооптический модулятор с блоком управления, выходное полупрозрачное зеркало, пьезоэлемент с блоком управления, соединенный с выходным полупрозрачным зеркалом, блок управления частотой спектральной линии, соединенный с кюветой с активным веществом, при этом управляющие входы блока накачки, блока позиционирования, блока управления акустооптическим модулятором, блока управления пьезоэлементом и блока управления частотой спектральной линии подсоединены к блоку управления комплекса.

8. Лазерный генератор с перестройкой частоты (ЛГПЧ) содержит последовательно установленные на оптической оси оптически связанные выходную диафрагму, полупрозрачное зеркало резонатора, кювету с активным веществом, блоком накачки, блок управления частотой генерации, соединенный с кюветой с активным веществом, оптическую пластину с блоком позиционирования, отражательное зеркало резонатора, при этом управляющие входы блока накачки, блока управления частотой генерации и блока позиционирования подсоединены к блоку управления комплекса.

9. Блок многоканальной лазерной связи содержит последовательно соединенные фотоприемник, первый усилитель промежуточной частоты, смеситель радиодиапазона с гетеродином, многоканальный усилитель промежуточных частот, многоканальный демодулятор, а также оптически связанные оптический аттенюатор и акустооптический модулятор, при этом вход оптического аттенюатора посредством отражательного зеркала и светоделителя оптически связан с оптическим входом фотоприемника, а вход акустооптического модулятора оптически связан с выходом эталонного генератора лазерного излучения посредством отражательного и полупрозрачного зеркал, управляющий электрический вход оптического аттенюатора и управляющий вход акустооптического модулятора подсоединены к выходу блока управления комплекса, выход многоканального демодулятора подключен ко входу блока управления комплекса.

10. Активный квантовый фильтр с перестройкой частоты (АКФПЧ) выполнен на основе волоконно-оптического квантового усилителя, содержащего активное оптическое волокно, вход которого через оптический разветвитель и первую волоконно-оптическую брэгговскую решетку оптически связан с входной линзой, а выход которого через вторую волоконно-оптическую брэгговскую решетку оптически связан с выходной линзой, второй вход оптического разветвителя подсоединен к блоку полупроводниковой лазерной накачки, первая и вторая волоконно-оптические брэгговские решетки (ВБР) подсоединены к блоку управления параметрами.

11. Лазерный генератор с перестройкой частоты (ЛГПЧ) содержит активное оптическое волокно, вход которого через первую волоконно-оптическую решетку оптически связан с блоком полупроводниковой лазерной накачки, а выход оптически связан через вторую волоконно-оптическую решетку с выходной линзой, первая и вторая волоконно-оптические решетки соединены с блоком управления параметрами.

12. Активный квантовый фильтр с перестройкой частоты (АКФПЧ) содержит полупроводниковый лазерный усилитель, сопряженный с оптическим волокном, оптический вход которого через оптический разветвитель и сопрягающие элементы связан с входной и выходной линзами, а оптический выход связан с волоконно-оптической брэгговской решеткой, подсоединенной к блоку управления параметрами.

На фиг.1 представлена схема состава и на фиг.2 схема организации связи комплекса лазерной космической связи (ЛКС) - далее просто комплекса, - реализующего предлагаемый способ лазерной космической связи.

Согласно предлагаемому способу лазерную космическую связь устанавливают между базовой частью комплекса и бортовой частью комплекса. Базовая часть комплекса является основной и установлена на поверхности Земли или расположена на базовом космическом аппарате (БКА), вращающемся на околоземной орбите. Бортовая часть комплекса расположена на борту второго космического аппарата (КА2), находящегося в дальнем космосе, например в районе планеты Марс. Базовая и бортовая части комплекса имеют идентичный состав.

На фиг.1 представлена блок-схема базовой (бортовой) части комплекса, где обозначены следующие элементы:

1. Приемная оптическая антенна.

2. Базовый элемент.

3. Опорно-поворотное устройство (ОПУ).

4. Передающая оптическая антенна.

5. Активный квантовый фильтр с перестройкой частоты (АКФПЧ).

6. Оптический фильтр.

7. Первая и вторая - поз.8 - линзы.

9. Первый фотоприемный блок.

10. Второй фотоприемный блок.

11. Блок многоканальной лазерной связи.

12. Первый блок измерения оптической частоты.

13, 14, 15. Первое, второе и третье полупрозрачные зеркала.

16. Первое отражательное зеркало.

17. Эталонный генератор лазерного излучения.

18. Второе отражательное зеркало.

19, 20. Четвертое и пятое полупрозрачные зеркала.

21. Лазерный генератор с перестройкой частоты (ЛГПЧ).

22. Второй блок измерения оптической частоты.

23. Шестое полупрозрачное зеркало.

24. Третье отражательное зеркало.

25. Блок управления комплекса.

26. Блок определения параметров движения.

27. Блок-получатель информации.

28. Блок-источник информации.

29. Блок внешнего целеуказания (не входит в состав комплекса).

30. Модулятор лазерного излучения с блоком управления 31.

32. Платформа космического аппарата.

На фиг.2 представлена схема организации лазерной космической связи между базовой и бортовой частью комплекса, реализующей способ лазерной космической связи.

На фиг.2 обозначены следующие элементы:

2-1. Базовая часть комплекса.

2-2. Бортовая часть комплекса.

2-3. Базовый космический аппарат (БКА) (носитель) или поверхность Земли.

2-4. Второй космический аппарат, несущий бортовую часть комплекса.

2-5, 2-6. Передающая и приемная оптические антенны базовой части комплекса.

2-7, 2-8. Приемная и передающая оптические антенны бортовой части комплекса.

2-9, 2-10. Блоки определения параметров движения в базовой и бортовой частях комплекса.

2-11, 2-12. Опорно-поворотные устройства (ОПУ) в базовой и бортовой частях комплекса.

2-13, 2-14. Аппаратные блоки в базовой и бортовой частях комплекса.

2-15, 2-16. Несущие конструкции в базовой и бортовой частях комплекса (базовые элементы). Базовая часть комплекса может также быть установлена на земной поверхности.

На фиг.3 приведена блок-схема лазерного генератора с перестройкой частоты (ЛГПЧ), который содержит следующие элементы:

3-1. Кювета с активным веществом.

3-2. Блок накачки.

3-3. Блок управления частотой генерации.

3-4. Полупрозрачное и отражательное 3-5 зеркала резонатора.

3-6. Оптическая пластина с блоком позиционирования 3-7.

3-10. Выходная диафрагма.

На фиг.4 приведена блок-схема активного квантового фильтра с перестройкой частоты (АКФПЧ), который содержит следующие элементы:

4-1. Кювета с прозрачными входным и выходным окнами и активным веществом.

4-2. Блок накачки.

4-3. Блок управления частотой спектральной линии.

4-4. Входное полупрозрачное зеркало.

4-5. Выходное полупрозрачное зеркало.

4-6. Пьезоэлемент с блоком управления 4-7.

4-8. Оптическая пластина с блоком позиционирования 4-9.

4-10. Акустооптический модулятор с блоком управления 4-11.

4-12. Входная диафрагма.

4-13. Выходная диафрагма.

В ограничительной части формулы изобретения на комплекс (устройство), реализующий предлагаемый способ, ряд элементов, присутствующих в устройстве-прототипе, вынесен в отдельные блоки. К таким элементам относятся следующие:

1. Оптический фильтр поз.6, фиг.1 в устройстве-прототипе входил в состав фотоприемных блоков 9, 10.

2. Модулятор лазерного излучения поз.30, фиг.1 с блоком управления 31 в устройстве-прототипе входил в состав лазерного генератора (лазерный генератор с устройством модуляции лазерного излучения).

3. Блок управления комплекса поз.25, фиг.1 в устройстве-прототипе входил в состав модуля фотоприемных устройств - фотоприемный блок.

Принцип действия предлагаемого способа лазерной космической связи заключается в следующем. Лазерную связь устанавливают между базовой (поз.2-1 на фиг.2) и бортовой (поз.2-2) частями комплекса, установленными соответственно на базовом космическом аппарате (БКА) 2-3 и на втором космическом аппарате 2-4 бортовой части комплекса. Космические аппараты находятся в космическом пространстве и движутся под действием сил тяготения Солнца и планет.

Расстояние между первым и вторым космическими аппаратами (КА) может достигать от нескольких единиц до десятков астрономических единиц (а.е.), где 1 а.е.=150·10⁶ км - равно среднему расстоянию от Земли до Солнца. Лазерная связь на таких дальних расстояниях может быть реализована за счет использования в приемных устройствах специального узкополосного лазерного (квантового) усилителя, обладающего предельной квантовой чувствительностью, ограниченной квантовой природой электромагнитного излучения. Реализация предельной квантовой чувствительности в оптическом и ближнем инфракрасном диапазоне позволяет обеспечить устойчивый прием лазерного информационного сигнала при уровне энергии, соответствующем наличию на входе приемной оптической антенны 2-3 фотонов на один бит передаваемой информации, что позволяет полностью использовать высокие потенциальные возможности лазерного излучения и лазерных систем связи при передаче больших объемов информации.

Указанный высокочувствительный лазерный усилитель с предельной квантовой чувствительностью, получивший наименование активный квантовый фильтр (АКФ) [6, 7], наряду с высокой чувствительностью обладает достаточно узкой полосой приема и квантового усиления лазерного излучения, достигающей величины Δν₀≈0,01 обратных сантиметров [см^-1], что по масштабам оптического диапазона является весьма малой величиной. Вследствие этого основной проблемой при осуществлении лазерной космической связи на основе АКФ является проблема компенсации доплеровского сдвига оптической частоты лазерного излучения, возникающего вследствие взаимного движения космических аппаратов, между которыми осуществляется связь, со скоростями, достигающими первой или второй космической скорости. При этом собственно доплеровский сдвиг в оптическом диапазоне существенно превышает аналогичный сдвиг частоты в радиодиапазоне и может составлять величину до ~ 10 Ггц (10¹⁰ Гц).

Для решения поставленной задачи и осуществления дальней космической лазерной связи на основе высокочувствительных АКФ в условиях больших величин доплеровского смещения оптической частоты принимаемых лазерных излучений осуществляют следующие операции.

Для обеспечения функционирования комплекса лазерной космической связи осуществляют взаимную ориентацию передающих и приемных оптических антенн базовой и бортовой частей комплекса, в результате чего взаимное расположение базовой 2-1, фиг.2 и бортовой 2-2 частей комплекса устанавливают таким, как оно показано на фиг.2. Взаимную ориентацию осуществляют с помощью опорно-поворотных устройств 2-11, 2-12, а также путем маневрирования и ориентации космических аппаратов 2-3, 2-4. При этом данные о положении космического аппарата 2-4 относительно базового КА 2-3 и соответственно данные о положении базового КА 2-3 относительно КА 2-4 получают от блока внешнего целеуказания 29 и от блока 26 определения параметров движения. Блок 29 представляет собой специализированное устройство памяти, например, на основе персонального компьютера, в который закладываются исходные данные о параметрах траектории движения обоих космических аппаратов 2-3, 2-4, а также сведения о моментах времени начала движения КА 2-3, 2-4 по заданной траектории. Указанные данные закладываются в блок 29 внешнего целеуказания оператором или эти данные передают в блок 29 по специальному радиоканалу связи в виде телеметрической информации. Далее в блоке определения параметров движения 26 на каждом из космических аппаратов 2-3, 2-4 для заданного момента времени t₀ начала установления космической связи определяют местоположение соответствующего КА 2-3 или 2-4 на его траектории движения, определяют также далее местоположение КА на небесной сфере относительно другого КА и соответственно направление в пространстве на соответствующий КА 2-3 или 2-4 относительно другого КА. Эта информация и позволяет осуществить взаимную ориентацию оптических антенн базовой и бортовой частей комплекса. После этой операции осуществляют определение скорости движения V₁ бортовой части комплекса относительно базовой части комплекса. Данную операцию осуществляют в базовой части комплекса (поз.2-1, фиг.2) в блоке определения параметров движения 26 базовой части комплекса. В состав блока 26 входит электронно-вычислительная машина (ЭВМ), в которой на основе поступившей из блока 29 информации о параметрах траектории движения первого и второго КА, а также о моменте времени t₀ - начале установления связи и моменте текущего времени от системы точного времени определяют скорость движения V₁ КА 2-4 относительно КА 2-3 по направлению линии взаимного визирования космических аппаратов, которая представляет собой прямую линию, связывающую напрямую базовую и бортовую части комплекса. На фиг.2 линия взаимного визирования представлена в виде отрезка O₁-О₂. Блок системы точного времени также входит в состав блока 26 определения параметров движения. На фиг.2 в виде вектора V₁ показана скорость движения бортовой части комплекса 2-2 в системе координат, связанной с базовой частью комплекса, в которой базовая часть комплекса является неподвижной. Таким образом, скорость V₁ является радиальной скоростью движения бортовой части комплекса относительно базовой части комплекса и обуславливает наличие доплеровского сдвига несущей оптической частоты при осуществлении лазерной связи между базовой и бортовой частями комплекса. Далее в блоке 26 базовой части комплекса осуществляют определение доплеровского сдвига оптической частоты Δf_d лазерного излучения от базовой части комплекса при его приеме в бортовой части комплекса по следующей формуле:

где V₁ - измеренная ранее скорость движения бортовой части комплекса относительно базовой части комплекса по направлению линии взаимного визирования, связывающей базовую и бортовую части комплекса; с - скорость света; f₀ - оптическая частота лазерного излучения, генерируемого в базовой части комплекса и излучаемого по линии визирования O₁-O₂, фиг.2 - в направлении бортовой части комплекса. При сближении базовой и бортовой частей комплекса в формуле (1) скорость V₁ имеет положительный знак. При удалении бортовой части комплекса V₁ имеет отрицательный знак.

Таким образом, произведенное измерение доплеровского сдвига оптической частоты по формуле (1) представляет собой такой сдвиг оптической частоты, который будет иметь место при осуществлении лазерной связи между базовой и бортовой частями комплекса, движущимися с относительной радиальной скоростью V₁ и при использовании для связи лазерного излучения с оптической частотой f₀.

Далее осуществляют генерацию лазерного излучения в базовой части комплекса со сдвигом оптической частоты Δf₁ на отрицательную величину полученного выше (ранее) доплеровского сдвига частоты Δf₁=-Δf_d. В результате оптическая частота f_Г1 генерируемого излучения в базовой части комплекса равна:

Здесь и далее индекс «единица» означает принадлежность величины частоты (f) к базовой части комплекса, а индекс «два» означает соответственно принадлежность величины частоты или сдвига частоты к бортовой части комплекса.

В случае удаления бортовой части комплекса от базовой части доплеровский сдвиг согласно (1) имеет отрицательный знак, а генерируемая оптическая частота f_Г1 согласно (2) превышает исходную оптическую частоту f₀ лазерного перехода используемого рабочего вещества лазерного генератора на величину модуля доплеровского сдвига частоты |Δf_d|:

Сдвиг оптической частоты в базовой части комплекса осуществляют одновременно с генерацией лазерного излучения с помощью лазерного генератора с перестройкой частоты (ЛГПЧ) поз.21 на фиг.1. Управляющий сигнал в цифровой форме поступает в ЛГПЧ 21 с выхода блока управления 25 базовой части комплекса. В блок управления 25 информация о величине доплеровского сдвига Δf_d поступает с выхода блока 26 определения параметров движения. В блоке управления 25 данная информация преобразуется в специальный код управления ЛГПЧ 21 и в заданный момент времени поступает на управляющий вход ЛГПЧ 21.

Таким образом, ЛГПЧ 21 генерирует (формирует) лазерное излучение, оптическая частота f_Г1 которого соответствует величине, указанной в формулах (3;2). Сформированное в базовой части комплекса лазерное излучение с выхода ЛГПЧ 21 поступает на оптическую антенну 4, фиг.1 и поз.2-5, фиг.2 и далее излучается в сторону бортовой части комплекса, поз.2-2 на фиг.2.

Далее в бортовой части комплекса осуществляют прием этого излучения с помощью оптической приемной антенны, поз.1 на фиг.1 и соответственно поз.2-7 на фиг.2. После приема лазерного излучения оно поступает от оптической приемной антенны 1 на вход АКФПЧ 5, фиг.1, в котором осуществляют квантовое усиление принятого лазерного излучения в пределах полосы приема и квантового усиления АКФПЧ с центральной (средней) частотой f_ф2 полосы приема АКФПЧ, равной вначале частоте f₀ квантового перехода лазерной среды (рабочего вещества) АКФПЧ и лазерного генератора ЛГПЧ 21 в невозмущенном состоянии: f_ф2=f₀. Данная оптическая частота квантового перехода определяет также оптическую частоту f₀ эталонного генератора 17 лазерного излучения.

Далее в бортовой части комплекса измеряют сдвиг Δν₂ оптической частоты принятого и усиленного лазерного излучения относительно эталонной оптической частоты f₀ эталонного генератора 17 лазерного излучения. Для этого усиленное принятое лазерное излучение с выхода АКФПЧ 5 через оптический фильтр 6 и полупрозрачные зеркала 13, 16 поступает на вход первого блока измерения оптической частоты 12. Одновременно на второй вход блока 12 поступает лазерное излучение от эталонного генератора 17 лазерного излучения с эталонной оптической частотой f₀. Лазерное излучение поступает через полупрозрачные зеркала 19 и 20. Первый блок измерения оптической частоты 12 осуществляет измерение сдвига Δν₂ оптической частоты, информация о котором в цифровой форме поступает далее с выхода блока 12 на вход блока управления комплекса 25, в качестве которого использована, например, стандартная ЭВМ (или персональный компьютер). Величина измеренного сдвига Δν₂ оптической частоты равна

где f_пр2 - оптическая частота принятого лазерного излучения, которая определяется оптической частотой лазерного излучения, сформированного и излученного базовой частью комплекса f_Г1 (2) и величиной реального доплеровского сдвига

Здесь V_R - реальная величина скорости перемещения бортовой части комплекса относительно базовой части комплекса. В общем случае измеренная ранее скорость V₁ движения бортовой части комплекса относительно базовой части комплекса может отличаться от реальной скорости V_R вследствие наличия ошибок в оценке величины V₁ скорости относительного движения бортовой части и базовой частей комплекса по траекторным измерениям, проведенным ранее в базовой части комплекса.

Величина f_пр2 равна

В результате величина измеренного сдвига Δν₂ (4) с учетом (5) и (6) равна:

Второе слагаемое в (7) является величиной второго порядка малости и далее будет опущено. Таким образом, величина измеренного сдвига Δν₂ оптической частоты характеризует ошибку в определении доплеровского сдвига частоты в базовой части комплекса (1), обусловленную возможной неточностью в первичном определении скорости V₁ движения бортовой части комплекса относительно базовой части комплекса. Измеренную в бортовой части комплекса величину сдвига Δν₂ оптической частоты используют далее для компенсации указанной возможной ошибки определения скорости движения V₁. Для этого генерацию лазерного излучения в бортовой части комплекса осуществляют со сдвигом оптической частоты Δf₂ на отрицательную величину измеренного сдвига оптической частоты Δν₂ лазерного излучения, принятого от базовой части комплекса:

Информация об измеренной величине Δν₂ поступает с выхода первого блока измерения оптической частоты 12 в блок управления комплекса 25 и далее в соответствующий момент времени на управляющий вход ЛГПЧ 21. При этом блок управления 25 формирует управляющий сигнал, обеспечивающий сдвиг генерируемой