Исследование и моделирование термомеханических процессов для совершенствования прибора определения координат звезд тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.27.06, кандидат наук Разживалов Павел Николаевич

  • Разживалов Павел Николаевич
  • кандидат науккандидат наук
  • 2018, ФГАОУ ВО  «Национальный исследовательский университет «Московский институт электронной техники»
  • Специальность ВАК РФ05.27.06
  • Количество страниц 192
Разживалов Павел Николаевич. Исследование и моделирование термомеханических процессов для совершенствования прибора определения координат звезд: дис. кандидат наук: 05.27.06 - Технология и оборудование для производства полупроводников, материалов и приборов электронной техники. ФГАОУ ВО  «Национальный исследовательский университет «Московский институт электронной техники». 2018. 192 с.

Оглавление диссертации кандидат наук Разживалов Павел Николаевич

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ

1.1 Дистанционное зондирование Земли

1.2 Системы и данные дистанционного зондирования Земли

1.3 Приборы определения координат звезд. Принцип работы и устройство

1.4 Обзор современных приборов определения координат звезд

1.5 Анализ точностных характеристик приборов определения координат звезд

1.6 Выводы по Главе

ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ ТИПОВОЙ КОНСТРУКЦИИ ПРИБОРА ОПРЕДЕЛЕНИЯ КООРДИНАТ ЗВЕЗД

2.1 Определение основных параметров и разработка типовой компоновки ПОКЗ

2.2 Определение нового критерия для оценки точности ПОКЗ

2.3 Оценка влияния космического пространства

2.4 Исследование типовой конструкции ПОКЗ

2.5 Исследование типовой конструкции ПОКЗ с использованием системы автоматизированного проектирования Creo Parametric

2.6 Выводы по Главе

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ВНЕШНИХ И ВНУТРЕННИХ ФАКТОРОВ НА ТОЧНОСТЬ ПРИБОРА ОПРЕДЕЛЕНИЯ КООРДИНАТ ЗВЕЗД

3.1 Исходные положения и цели исследования

3.2 Расчет коэффициента конвективной теплоотдачи для контуров охлаждения ПОКЗ

3.3 Исследование влияния на точность ПОКЗ внешних факторов

3.3.1 Исследование влияния солнечного излучения на точность ПОКЗ

3.3.2 Исследование влияния вибрации на точность ПОКЗ

3.3.3 Исследование влияния линейного ускорения на точность ПОКЗ

3.3.4 Выводы по исследованию влияния внешних факторов на точность ПОКЗ

3.4 Исследование влияния на точность ПОКЗ внутренних факторов

3.4.1 Погрешность БФПУ: оценка полного шума ФПЗС

3.4.2 Погрешность БФПУ: оценка погрешности, возникающей под действием температурной деформации конструкции ПОКЗ

3.4.3 Погрешность оптического блока

3.5 Выводы по Главе

ГЛАВА 4. КОМПЛЕКС СПЕЦИАЛЬНОГО СТЕНДОВОГО ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ И ПРОВЕДЕНИЯ КОНТРОЛЬНЫХ ИСПЫТАНИЙ ПРИБОРА ОПРЕДЕЛЕНИЯ КООРДИНАТ ЗВЕЗД

4.1 Введение

4.2 Состав и функциональные возможности комплекса

4.2.1 Стенд-имитатор звездного неба

4.2.2 Установка измерения угловых координат

4.3 Принцип работы установки измерения угловых координат

4.4 Расчет предельной погрешности прибора определения координат звезд

4.5 Экспериментальные результаты испытания звездного датчика в составе измерительного комплекса

4.6 Алгоритм проектирования ПОКЗ

4.7 Выводы по Главе

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ

ПРИЛОЖЕНИЕ 1 - Расчет основных параметров прибора определения координат звезд ПРИЛОЖЕНИЕ 2 - Акты внедрения

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ СОКРАЩЕНИИ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИИ

КА - космический аппарат;

ДЗЗ - дистанционное зондирование Земли;

ФКП - федеральная космическая программа;

ПОКЗ - прибор определения координат звезд. В литературе встречаются и другие

варианты наименования данного прибора, например: звездный датчик (ЗД), астроприбор,

датчик ориентации по звездам, астродатчик, стар трекер, звездный прибор, звездный

координатор, оптико-электронный прибор ориентации и навигации КА;

ЭВТИ - экранно-вакуумная теплоизоляция;

БФПУ - блок фотоприемного устройства;

КТЛР - коэффициент термического линейного расширения;

САПР - система автоматизированного проектирования;

ФПЗС - фотоприбор с зарядовой связью;

КМОП - комплементарная структура металл-оксид-полупроводник; ЭРИ - электро-радио изделие;

СОТР - система обеспечения температурного режима;

ККТ - коэффициент конвективной теплоотдачи;

ДСЕ - детали и сборочные единицы;

РН - ракетоноситель;

ТЭМ - термоэлектрический модуль;

СИЗН - стенд-имитатор звездного неба;

УИУК - установка измерения угловых координат;

ПК - персональный компьютер;

ЗИП - запасные части, инструменты, принадлежности;

СКО - среднее квадратическое отклонение;

ПСК - приборная система координат;

ССК - сферическая система координат;

ТД - термодатчик;

Норб - высота орбиты, м;

ё - размер пикселя, мкм;

7 - случайная погрешность измерения положения фотоцентра изображения звезды в кадре, угл.с;

F - фокусное расстояние объектива, м; D - диаметр входного зрачка объектива, м; SNR - отношение сигнала к шуму;

T(х, t) - температура, зависящая от координаты вдоль ПОКЗ и времени, °С c( х) - линейная теплоемкость, Дж/К; Л(х) - коэф. линейной теплопроводности, Вт/м К; q(х) - объемная плотность теплового потока, Вт/м

- плотность прямого солнечного излучения, Вт/м2; qE - плотность собственного планетного излучения, Вт/м2;

As - оптический коэффициент, характеризующий поглощательную способность тела;

£внеш - оптический коэффициент, характеризующий степень черноты внешней поверхности ЭВТИ;

£пр - приведенная степень черноты для экранов ЭВТИ; Tw - температура внешней поверхности ЭВТИ, К;

Твн - температура внутренняя, под экранами ЭВТИ (температура объекта, защищенного ЭВТИ), К;

пэ - количество экранов ЭВТИ, шт.;

R3 - удельное термическое сопротивление ЭВТИ, К-м2/Вт; F - площадь поверхности объекта, защищенного ЭВТИ, м2;

Qэ - тепловой поток через ЭВТИ, Вт;

q:3 - плотность теплового потока через ЭВТИ, Вт/м2;

Апр - предельная погрешность ПОКЗ, угл.с.;

АI - погрешность от внешних факторов, угл.с.;

АII - погрешность блока электроники, угл.с.;

АIII - погрешность оптического блока, угл.с.;

Адоп ~ дополнительная погрешность, угл.с.;

Яг, Яи — общие термические сопротивления зоны I и зоны II соответственно, м •К/Вт; ^ — термическое сопротивление участка, м2-К/Вт; Як — термическое сопротивление контакта, м •К/Вт; ( — длина 1-го участка, м;

А1 — коэффициент теплопроводности материала 1-го участка, Вт/м-К; а15 а11 — тепловая проводимость I и II зоны соответственно, Вт/м2-К; ак — тепловая проводимость контакта, Вт/м2-К; ас — тепловая проводимость среды, Вт/м2-К; ам — тепловая проводимость материалов, Вт/м2-К;

Ас — коэффициент теплопроводности среды в зоне контакта, в нашем случае азота Вт/м-К;

У(Х) - зависимость, характеризующая форму выступа шероховатости;

Ам — приведенный коэффициент теплопроводности контактирующих материалов, Вт/м-К;

О - контактное давление, Н/м2;

7в — временное сопротивление разрыву или предел прочности, Н/м2; К - коэффициент заполнения профиля волн (шероховатости);

Ам1, Ам2 - коэффициенты теплопроводности контактирующих материалов, Вт/м-К; И1, Ь2 - высота шероховатостей контактирующих материалов, м;

^затяж - усилие затяжки винта, Н;

$конт - фактическая площадь контакта деталей, м2; п - количество винтов, шт;

Д^, Д/ц — разница температур между тепловыделяющей и теплоотводящей поверхностями зоны I и зоны II соответственно, К;

015 011 - тепловыделение зоны I и зоны II соответственно, Вт;

^ср1, $> л — усредненные значения площадей сечений зон I и II соответственно, м2;

йэт — эквивалентный диаметр, м;

17

гпотока~ площадь поперечного сечения потока, м ; Рс - периметр смачивания, м; Яе - число Рейнольдса; w0 - скорость потока, м/с;

S0 - расход теплоносителя, м3/с; Р - плотность, кг/м ;

V — кинематический коэффициент вязкости м /с; Рг - число Прандтля; ц - динамическая вязкость Па с; С - удельная теплоемкость Дж/кгК; X - коэффициент теплопроводности Вт/м К; № - число Нуссельта;

,ТХ

аккт = •—--коэффициент конвективной теплоотдачи,

Вт/м-К;

а

экв

Nпот — полный шум ФПЗС; Nф — фотонный шум;

N

п ' шум переноса заряда; — шум усилителя или АТС-шум;

Nт — темновой шум;

N3 — дробовой шум;

ПрИ — число фотоэлектронов;

£нф — неэффективность переноса заряда;

Пчп — число переносов;

пз количество переносимых зарядов;

к — постоянная Больцмана, Дж/К; е — заряд электрона, Кл; Т — абсолютная температура, К;

Свых - выходная емкость ФПЗС, пФ;

пт - среднее число темновых электронов; ]т — плотность темнового тока, А/м2; $э — площадь фоточувствительного элемента, м2; Тн — время накопления заряда, с;

т

с время считывания, с; ДТу - температура удвоения темнового тока, °С;

1т — темновой ток, А; у — тактовая частота, Гц;

Рс 5 ис полезный сигнал;

Рш, иш шум;

Nэ — число электронов, накопленных под действием полезного сигнала; Рд — дисторсия объектива;

Мэ — размер элемента ФПЗС, мкм; СО — полевой угол, град;

— неисключенная систематическая погрешность (НСП), угл.с.;

— случайная погрешность, угл.с.; N — число измерений (наблюдений); К1 — 1-ый результата измерения;

Ктеап — средний арифметический результат измерения;

Кст — угловые координаты, заданные на установке (стенде); СХ — координата по горизонтали точечного светового объекта; Р — координата по вертикали точечного светового объекта;

ВВЕДЕНИЕ

Рекомендованный список диссертаций по специальности «Технология и оборудование для производства полупроводников, материалов и приборов электронной техники», 05.27.06 шифр ВАК

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование и моделирование термомеханических процессов для совершенствования прибора определения координат звезд»

Актуальность

В настоящее время продолжается наращивание российской орбитальной группировки спутников дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) [1-5]. Совершенствуются технические характеристики съемочной аппаратуры. В рамках Федеральной космической программы (ФКП) на 2016-2025гг предусмотрено создание КА ДЗЗ сверхвысокого пространственного разрешения «Ресурс-ПМ». Данный КА будет оснащен бортовой целевой аппаратурой, обеспечивающей пространственное разрешение менее 40-50 см с высоты орбиты 700 км при точности привязки (координатной или пространственной) в 2-3 м [6].

Основными причинами неточной привязки данных ДЗЗ являются погрешности измерений параметров орбиты и погрешность ориентации космического аппарата [7]. За первую погрешность отвечают системы Глонасс/GPS, а за вторую - прибор определения координат звезд (ПОКЗ). Данные приборы также известны под другими наименованиями, например: звездный датчик, датчик или прибор астроориентации, датчик ориентации КА, датчик ориентации по звёздам и т.д. Результаты измерений этих систем и приборов учитываются при геометрической коррекции изображений. Тем самым обеспечивается их начальная привязка с точностью, определяемой точностью измерений параметров орбиты и углов ориентации. Таким образом, точность измерений ПОКЗ влияет на точность привязки изображений.

На сегодняшний день в научной литературе достаточно широко освещен вопрос о способах повышения точности и других эксплуатационных характеристик ПОКЗ [8-11]. Первый способ связан с модернизацией схемных решений и программно-математического обеспечения ПОКЗ, использованием новых электронных компонентов и использованием блочно-модульной архитектуры конструкции [12]. Другие способы связаны с использованием зеркальных узконаправленных объективов и новых композитных материалов [13]. Также известны способы, связанные с разработкой специального программного обеспечения для отработки ПОКЗ в составе лабораторного стендового оборудования [14, 15].

Однако на пути создания высокоточных ПОКЗ для перспективных систем ДЗЗ существуют нерешенные задачи, связанные с этапами разработки, производства и проведения контрольных испытаний эксплуатационных характеристик данных приборов. К основным из них можно отнести следующие:

- неоднозначные, упрощенные подходы к оценке точностных характеристик ПОКЗ;

- отсутствие оценки величины влияния на точность ПОКЗ температурных деформаций и других термомеханических процессов, вызванных внутренними и внешними факторами, которые приводят к дестабилизации положения приемного фоточувствительного элемента относительно оптической системы ПОКЗ;

- отсутствие документации и описания специального оборудование, которое используется в процессе производства ПОКЗ;

- отсутствие алгоритмов и методик для проведения контрольных испытаний ПОКЗ с целью подтверждения его эксплуатационных характеристик;

- отсутствие алгоритмов проектирования ПОКЗ.

В связи с вышеуказанным, важным является уточнение имеющихся подходов, путем выбора однозначного критерия для определения точностных характеристик ПОКЗ, поиск конструктивно-технологических решений при исследовании и моделировании термомеханических процессов в материалах и конструкции прибора с целью улучшения его эксплуатационных характеристик, а также разработка и модернизация специального оборудования, которое применяется в процессе производства ПОКЗ. Решение вышеперечисленных научно-технических задач позволит оснастить КА ПОКЗ, которые, работая в комплексе со съемочной аппаратурой, смогут обеспечить требуемые характеристики, указанные в ФКП на 2016-2025 гг. (пространственное разрешение менее 40-50 см, точность пространственной привязки 2-3м).

Решению данных проблем посвящена настоящая диссертационная работа, что и определяет ее актуальность.

Целью диссертационной работы Целью является исследование термомеханических процессов и поиск конструктивно-технологических решений для улучшения эксплуатационных характеристик ПОКЗ.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- Выполнить анализ существующих и перспективных КА ДЗЗ с целью определения основных параметров ПОКЗ;

- Определить составляющие предельной погрешности ПОКЗ;

- Провести оценку влияния космического пространства (тепловое излучение солнца, отраженное планетное излучение и др.) на ПОКЗ, с учетом его расположения на КА;

- Провести исследование и моделирование типовой конструкции ПОКЗ для формулирования конструктивно-технологических предложения в части модернизации ПОКЗ с целью улучшения его эксплуатационных характеристик;

- Провести исследования и моделирование термомеханических процессов в материалах и конструкции ПОКЗ под воздействием внешних (тепловой поток от солнца, вибрация, линейные ускорения) и внутренних (дисторсия объектива, температурная деформация) факторов с целью определения степени их влияния на точность прибора;

- Разработать комплекс специального оборудования для использования в процессе производства ПОКЗ;

- Разработать алгоритм проведения контрольных испытаний ПОКЗ с целью подтверждения его эксплуатационных характеристик;

- Разработать математическую модель предельной погрешности ПОКЗ;

- Разработать алгоритм проектирования ПОКЗ.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Предложено при разработке и исследовании физико-технологических принципов совершенствования ПОКЗ в качестве основного критерия точности прибора использовать предельную погрешность, что позволило, в отличии от существующих методик определения точности, получить более достоверные и полные результаты о величине погрешности ПОКЗ после завершения его производства.

2. Усовершенствована методика контроля углового положения ПОКЗ в составе комплекса специального оборудования на основе комбинации автоколлимационной и оптико-электронной методик контроля, что позволило уменьшить предельную погрешность прибора на этапе контрольных испытаний в процессе производства.

3. На основе проведенных исследований физико-технологических принципов совершенствования ПОКЗ, разработана математическая модель предельной погрешности прибора, описывающая особенности метода прямых измерений точечного светового объекта с учетом влияния температурной деформации, дисторсии оптической системы, дополнительной погрешности от элементов оборудования и погрешности от внешних факторов (солнечное излучение, вибрация, линейное ускорение). С помощью модели установлено, что основной вклад в предельную погрешность вносит неисключенная систематическая погрешность.

Практическая значимость работы заключается в следующем:

1. Разработаны комплекты конструкторской и технологической документации для промышленной технологии производства ПОКЗ.

2. Разработана конструкция комплекса специального оборудования, а также комплекты конструкторской и технологической документации.

3. Изготовлен комплекс специального оборудования, который применяется в процессе производства ПОКЗ, с целью подтверждения величины предельной погрешности прибора.

4. Проведена модернизация комплекса специального оборудования, для уменьшения величины предельной погрешности прибора.

5. Разработаны и внедрены алгоритмы испытания и проектирования ПОКЗ, которые позволяют сократить трудоемкость разработки аналогичных приборов и обеспечивают улучшение их эксплуатационных характеристик.

6. Изготовлен ПОКЗ, погрешность которого подтверждена по результатам контрольных испытаний в ходе производства и составляет 0,1 угл.с. (случайная составляющая), а предельное значение погрешности - 3 угл.с.

Реализация результатов работы.

Полученные результаты теоретических и экспериментальных исследований использованы:

- в производственной деятельности филиала АО «РКЦ «Прогресс» - НПП «ОПТЭКС» при выполнении СЧ ОКР «Прибор - ОЭК ЗД» по договору №ОП-473 от 10.07.2010г, что подтверждено актом внедрения;

- в учебном процессе подготовки бакалавров, обучающихся по направлению подготовки 11.03.03 «Конструирование и технология электронных средств» в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный институт электронной техники (технический университет)», по следующим дисциплинам: «Физико-химические основы технологии ЭВС»; «Технологические и защитные среды для производства изделий микро- и наноэлектроники». Использование результатов диссертации в учебном процессе подтверждено актом внедрения.

Методы исследования.

В диссертационной работе активно применяется пакет Creo Simulate (САПР Creo Parametric 2.0), позволяющий значительно сократить трудоемкость вычислений температурного поля ПОКЗ и других проводимых расчетов. Основной принцип решения -метод конечных элементов.

Основные положения, выносимые на защиту:

1) Предложено использовать предельную погрешность в качестве основного критерия, который характеризует точность ПОКЗ, а также учитывает влияние внешних и внутренних факторов, конструктивно-технологические особенности конструкции и теплофизические свойства используемых в конструкции материалов.

2) Разработана комбинированная методика расчета и моделирования процессов теплообмена и напряженно-деформированных состояний ПОКЗ, основанная на использовании расчетной величины термического сопротивления контакта при процессе моделирования конструкции прибора. Данная методика позволила улучшить сходимость результатов, полученных классическим путем с помощью построения математической модели распределения температуры по конструкции узла ПОКЗ и полученных с помощью САПР.

3) В ходе проведения исследования влияния внешних факторов на погрешность ПОКЗ, было установлено, что одно из самых сильных возмущающих явлений является солнечное тепловое излучение, которое воздействует на открытый участок бленды. Выявлен рекомендуемый интервал расхода теплоносителя и необходимая геометрия канала системы охлаждения для компенсации воздействия данного внешнего фактора.

4) Исследовано влияние внутренних термомеханических процессов на погрешность ПОКЗ. Установлена расчетная зависимость угловой погрешности ПОКЗ от режима охлаждения ФПЗС. Показано, что с понижением температуры на кристалле ФПЗС возрастает угловая погрешность ПОКЗ, что связано с конструктивно-технологическими особенностями реализованной в ПОКЗ системы охлаждения.

5) Разработан и изготовлен ПОКЗ с улучшенными эксплуатационными характеристиками: случайная составляющая погрешности имеет величину 0,1 угл.с. и менее, а предельная погрешность не превышает 3 угл.с. При этом установлено, что выход случайной погрешности за допустимые пределы в 0,1 угл.с. связаны с

попаданием светового потока от точечного источника света на дефектные области ФПЗС матрицы.

Достоверность результатов работы подтверждается:

- комплексом исследований с использованием современных средств компьютерного моделирования (САПР Creo Parametric 2.0);

- результатами, полученными в ходе испытания ПОКЗ;

- экспертизой Федеральной службы по интеллектуальной собственности РФ;

- актом внедрения результатов диссертационной работы на предприятии;

- обсуждениями на научно-технических конференциях и публикациями в периодических рецензируемых научных изданиях.

Апробация работы.

Статьи в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Разживалов, П. Н. Влияние тепловых воздействий на погрешность приборов астроориентации / П.Н. Разживалов, В.Д. Блинов. // Известия ВУЗов. Электроника, 2012. -№1(93). - С. 38-42.

2. Разживалов, П. Н. Влияние термических факторов на точностные характеристики датчика астроориентации / П.Н. Разживалов, В.А. Лавренов // Известия ВУЗов. Электроника, 2013. - №2(100). - C. 91-92.

3. Тимошенков, С.П. Методика определения угловой погрешности звездного датчика с жидкостным охлаждением / С.П. Тимошенков, В.В. Калугин, П.Н. Разживалов // ФГУП «ВИМИ», межотраслевой научно-технический журнал «ОБОРОННЫЙ КОМПЛЕКС - научно-техническому прогрессу России», 2014. - №3(123). - С.54-59.

4. Бакланов, А.И. Результаты наземных испытаний высокоточного звездного датчика / А.И. Бакланов, П.Н. Разживалов [и др.] // ФГУП «ВИМИ», межотраслевой научно-технический журнал «ОБОРОННЫЙ КОМПЛЕКС - научно-техническому прогрессу России», 2016. - №2. - С.72-78.

5. Разживалов, П.Н.. Оценка влияния внешних факторов на точность звездного датчика / П.Н. Разживалов // ФГУП «ВИМИ», межотраслевой научно-технический журнал «ОБОРОННЫЙ КОМПЛЕКС - научно-техническому прогрессу России», 2017. - №3. -С.35-41.

Материалы научно-технических конференций:

1. Conference of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering (ElConRus2018), 2018г.

2. 13-ая Всероссийская научно-техническая конференция «Системы наблюдения, мониторинга и дистанционного зондирования Земли», Сочи, 2016г.

3. Международная научно-техническая конференция «Электроника-2015», МИЭТ, 2015г.

4. Photonic Fiber and Crystal Devices: Advances in Materials and Innovations in Device Application VIII, Proc. of SPIE, 2014г.

5. 4-ая всероссийская научно-техническая конференция «Современные проблемы определения ориентации и навигации космических аппаратов», Таруса, 2014г.

6. Ежегодная всероссийская научно-техническая конференция «Системы наблюдения, мониторинга и дистанционного зондирования Земли». (2012г., 2013г., 2014г.)

7. Молодежная конференция «Новые материалы и технологии в ракетно-космической и авиационной технике», Звездный городок, ФГБУ «НИИ ЦПК им. Ю.А. Гагарина», Москва, 2012г.

8. Ежегодная Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов "Мэ и Инф", МИЭТ. (2010г., 2011г., 2012г.)

9. VIII всероссийская научно-техническая конференция «Системы наблюдения, мониторинга и дистанционного зондирования Земли», 2011г.

10. II Всероссийская научно-техническая конференция «Актуальные проблемы ракетно-космической техники», 2011г.

Авторские свидетельства и патенты.

Пат. 167 298 Российская Федерация, МПК G01C 25/00, G01C 21/24. Измерительный комплекс для определения характеристик датчика ориентации / Тимошенков С.П.; Разживалов П.Н. [и др.]; заявитель и патентообладатель федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Национальный исследовательский университет «Московский институт электронной техники» (НИУ МИЭТ)-№2016130059; заявл. 22.07.2016; опубл. 27.12.2016, Бюл. №36.

Публикации по работе.

Основные положения диссертационной работы опубликованы в 20 печатных работах, в том числе 5 публикаций, входящих в перечень ВАК, 2 публикации в иностранном издании, 7 публикаций тезисов и докладов.

Получен патент «Измерительный комплекс для определения характеристик датчика ориентации» №167298 от 22.07.2016.

Заявка №065029 от 25.10.2017 - «Измерительный стенд для определения характеристик датчика ориентации».

Структура диссертации.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных результатов и выводов по работе, содержит 131 страницу, включая 54 рисунка, 23 таблицы и список литературы из 112 наименований. Объем приложения 1 составляет 58 страниц, включая 28 рисунков и 19 таблиц. Объем приложения 2 составляет 2 страницы.

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ 1.1 Дистанционное зондирование Земли

Понятие дистанционного зондирования появилось в XIX веке вслед за изобретением фотографии [16], а одной из первых областей, в которых стали применять этот метод, стала астрономия. Впоследствии, дистанционное зондирование начали использовать в военной области для сбора информации о противнике и принятия стратегических решений. Во время Гражданской войны в США фотоснимки, полученные с помощью неуправляемых летательных аппаратов, служили для наблюдения за перемещением войск, подвозом припасов, ходом фортификационных работ и для оценки эффекта артиллерийских обстрелов. В результате исследований, которые финансировались различными государствами, были разработаны технологии, позволившие создать сенсоры сначала для военных целей, а затем и для гражданского применения этого метода. После Второй мировой войны метод дистанционного зондирования стали использовать для наблюдения за окружающей средой и оценки развития территорий, а также в гражданской картографии. В 60-х годах XX века, с появлением космических ракет и спутников, дистанционное зондирование вышло в космос.

Новая эра дистанционного зондирования связана с пилотируемыми космическими полетами, разведывательными, метеорологическими и ресурсными спутниками. Первая телевизионная система, осуществляющая систематический обзор поверхности Земли в метеорологических целях, была установлена на американском космическом аппарате "Tiros-1" (рис.1.1), запущенном 1 апреля 1960 г. Первый отечественный ИСЗ аналогичного назначения "Космос-122" был выведен на орбиту 25 июня 1966г. С этого момента телевизионные системы наблюдения Земли из космоса получили широчайшее распространение. Сформировалось целое направление научно-технической деятельности, которое получило название - Дистанционное Зондирование Земли (ДЗЗ), по-английски Earth Remote Sensing [17].

1.2 Системы и данные дистанционного зондирования Земли

Под данными дистанционного зондирования понимаются в основном космические снимки или изображения, которые получаются в ходе наблюдения поверхности Земли

авиационными и космическими средствами, оснащёнными различными видами съемочной аппаратуры - системы ДЗЗ [16, 17]. Спектр использования изображений очень велик. Ниже приведены некоторые основные направления:

1. Землепользование и картографирование земельных ресурсов.

2. Исследования роста городов.

3. Сельское хозяйство.

4. Картографирование грунтовых вод.

5. Борьба с наводнениями.

6. Гидроморфологические исследования.

7. Картографирование пустующих земель.

8. Региональное планирование.

9. Борьба с природными катастрофами.

Таким образом, системы ДЗЗ используется для съемки больших площадей поверхности Земли в целях получения оперативной и актуальной информации о интересующем районе. При этом используется как обычный режим съемки -монохромный (черно-белый), так и мультиспектральный (цветной). Примеры космических изображений [18], полученных в ходе космической съемки системами ДЗЗ на борту КА, представлены на Рисунке 1.1 и Рисунке 1.2.

Рисунок 1.1 - монохромный космический снимок (Констанца, Румыния), выполненный съемочной аппаратурой «Геотон», КА «Ресурс-П», 2014г

Рисунок 1.2 - мультиспектральный космический снимок (Карлстад, Швеция), выполненный съемочной аппаратурой «Геотон», КА «Ресурс-П», 2014г

Как можно видеть по рисункам 1.1 и 1.2, полученные снимки имеют разный «масштаб». Это одна из важнейших характеристик систем ДЗЗ - пространственное разрешение [19]. Пространственное разрешение определяется размером наименьшего объекта, который поддается идентификации. Факторами, которые влияют на пространственное разрешение, являются: высота орбиты КА, размер фоточувствительных элементов съемочной аппаратуры и фокусное расстояние оптической системы.

Снимки по пространственному разрешению, определяемому размером наименьшего элемента земной поверхности, отображаемого на нем, дифференцируются на следующие категории:

Очень низкого разрешения - более 10 км;

Низкого - 1 - 10 км;

Среднего - 100 - 999 м;

Относительно высокого - 50 - 99 м;

Высокого - 20 - 29 м;

Очень высокого 1 - 19 м; Сверхвысокого разрешения - до 1 м.

На снимках низкого пространственного разрешения видны только крупные объекты. На снимках высокого разрешения можно различить мелкие детали объектов. Вот

еще несколько примеров данных ДЗЗ [19].

Рисунок 1.3 - город Арагама (Япония) до (вверху) и после цунами 11 марта 2011г (внизу) на спутниковых панхроматических снимках сверхвысокого разрешения

Рисунок 1.4 - усыхание Аральского моря: 1973 (А), 1999 (Б), 2004 (В) и 2013 гг. (Г) (по

материалам Google Earth, 2013)

Рисунок 1.5 - поля круглой формы в Саудовской Аравии, 2013г (по материалам Google

Earth)

Постоянное улучшение пространственного разрешения является основной тенденцией развития систем ДЗЗ, также, как и улучшение других важнейших характеристик КА ДЗЗ: полосы захвата, производительности съемки и точности пространственной привязки [20].

Пространственная привязка (в некоторых источниках используются также термины-аналоги: координатная привязка, геодезическая привязка) - это процесс присвоения каждому элементу изображения его географических или картографических координат. Таким образом, осуществляется привязка изображения к поверхности Земли. Данный процесс выполняется с помощью специальных ПО [21], на основе различных методов обработки изображений [22 - 25]. Результатом пространственной привязки и последующего этапа обработки являются: создание двумерных и трехмерных карт, атласов для целей картографирования и др.

В настоящее время продолжается наращивание российской орбитальной группировки спутников дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) [1-5]. В рамках Федеральной космической программы (ФКП) на 2016-2025гг, предусмотрено создание КА ДЗЗ сверхвысокого пространственного разрешения. Данный КА будет оснащен бортовой

целевой аппаратурой, обеспечивающей пространственное разрешение менее 40-50 см с высоты орбиты 700 км при точности пространственной привязки в 2-3м [6]. Таким образом, планируется улучшение основных характеристик КА ДЗЗ в 2-3 раза по сравнению с лучшим отечественным КА «Ресурс-П» [26], что одновременно позволит достичь характеристики мировых зарубежных лидеров создания КА ДЗЗ - США, Франции, Кореи [27-29]. Соответствующая сравнительная таблица представлена ниже.

Таблица 1.1 - Характеристики современных КА ДЗЗ

Характеристика КА Ресурс-П (Россия) Kompsat-5 (Корея) Pleiades (Франция) World-View-4 (США) Перспективный КА (Россия)

Год запуска №1 - 2013 №2 - 2014 №3 -2016 2013 1А - 2012 1В - 2014 2016 2020-2025

Масса, кг 6275 1400 970 2087 -

Ширина полосы 38,6 5 20 13,1 -

съемки, км

Пространственное <1 1 0,5 0,25-0,3 <0,4

разрешение, м

Точность

пространственной <15 <12 4,5 <3 <3

привязки, м

Основными причинами неточной привязки данных ДЗЗ являются погрешности измерений параметров орбиты и погрешность ориентации космического аппарата [7]. За первую погрешность отвечают системы Глонасс/GPS [30, 31], а за вторую - приборы определения координат звезд, см. раздел 1.3. Результаты измерений этих систем и приборов учитываются при геометрической коррекции изображений, тем самым обеспечивается их начальная привязка с точностью, определяемой точностью измерений параметров орбиты и углов ориентации. Таким образом, точность измерений прибора определения координат звезд влияет на точность привязки изображений.

1.3 Приборы определения координат звезд. Принцип работы и устройство

Стоит сразу отметить, что термин прибор определения координат звезд не единственный, который применим к прибору, о котором далее пойдет речь в диссертационной работе. Данный прибор имеет также следующие названия, которые используются в различных литературных источниках: звездный датчик, астроприбор,

датчик ориентации по звездам, астродатчик, стар трекер, звездный прибор, звездный координатор, оптико-электронный прибор ориентации и навигации КА. Чтобы не запутаться в терминологии и для упрощения восприятия работы, примем один единственный термин в качестве основного - прибор определения координат звезд (ПОКЗ). ПОКЗ - это прибор из состава КА, который является чувствительным элементом системы ориентации.

Развитие космической техники во многом связано с совершенствованием систем управления КА. В связи с высокими и постоянно возрастающими требованиями к точности систем управления, а также из-за необходимости обеспечения автономности их функционирования, в качестве приборов первичной информации используется ПОКЗ, определяющие угловое положение аппарата относительно астрономических источников излучения (астроориентиров) - звезд, Солнца, планет [32]. Таким образом, ПОКЗ является чувствительным элементом системы ориентации КА.

Основными задачами, которые решаются ПОКЗ, являются [32, 33]:

- определение собственной ориентации в пространстве и, следовательно, аппарата на котором он установлен;

- наведение некоторого устройства, установленного на КА, в заданное направление;

- повышение точности пространственной привязки получаемых изображений.

Рассмотренные задачи на любом КА решаются в условиях его эксплуатации - на

определенной космической орбите, по доступным для наблюдения звездам, при наличии мешающих излучений различного рода, конструктивных ограничений конкретного типа КА, его энергетических, динамических и других характеристик. С учетом вышеизложенного к современным приборам ориентации и навигации КА предъявляется комплекс достаточно сложных технических требований, основными из которых являются [32]:

- высокая точность угловых измерений;

- необходимая чувствительность - способность работать по излучению тех звезд, которые обеспечивают проведение требуемых измерений;

- помехоустойчивость - устойчивость к воздействию различных помеховых излучений как естественного, так и искусственного происхождения;

- функционирование при различных движениях КА со значительными угловыми скоростями и ускорениями;

- выполнение набора сложных функций - поиск и обнаружение звезд, их селекция на фоне помех, слежение, точное измерение угловых координат, распознавание групп звезд и определение трехосной ориентации;

Похожие диссертационные работы по специальности «Технология и оборудование для производства полупроводников, материалов и приборов электронной техники», 05.27.06 шифр ВАК

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Разживалов Павел Николаевич, 2018 год

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Дворкин, Б.А. Новейшие и перспективные спутники дистанционного зондирования Земли [Текст] / Б.А. Дворкин, С.А. Дудкин // ГЕОМАТИКА. - 2013 - №2. -С.16-36.

2. Государственная корпорация по космической деятельности «РОСКОСМОС» [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://www.roscosmos.ru (2017).

3. Российские космические системы [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://russianspacesystems.ru (2017).

4. Государственный космический научно-производственный центр имени М.В. Хруничева [Электронный ресурс]. - Режим доступа http://www.khrunichev.ru (2017).

5. Объединенная ракетно-космическая корпорация [Электронный ресурс]. - Режим доступа http://www.rosorkk.ru (2017).

6. Интервью с В.А. Заичко, заместителем начальника Управления автоматических космических комплексов и систем Федерального космического агентства [Текст] // ГЕОМАТИКА. - 2015. - №2(27). - С.12-22.

7. Злобин, В.К. Обработка аэрокосмических изображений [Текст] / В.К. Злобин, В.В. Еремеев. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2006. - 288 с.

8. Современные проблемы ориентации и навигации космических аппаратов: сборник трудов всероссийской научно-технической конференции. Россия, Таруса, 22-25 сентября 2008г [Текст]. - М.: Ротапринт ИКИ РАН, 2009. - 580 с.

9. Современные проблемы ориентации и навигации космических аппаратов: сборник трудов второй всероссийской научно-технической конференции. Россия, Таруса, 13-16 сентября 2010г [Текст]; [под ред. Г.А. Аванесова]. - М.: Ротапринт ИКИ РАН, 2011. - 374 с.

10. Современные проблемы ориентации и навигации космических аппаратов: сборник трудов третьей всероссийской научно-технической конференции. Россия, Таруса, 10-13 сентября 2012г [Текст]; [под ред. Г.А. Аванесова]. - М.: Ротапринт ИКИ РАН, 2013. - 375 с.

11. Современные проблемы ориентации и навигации космических аппаратов: сборник трудов четвертой всероссийской научно-технической конференции. Россия, Таруса, 811 сентября 2014г [Текст]; [под ред. Г.А. Аванесова]. - М.: Ротапринт ИКИ РАН, 2015. - 360 с.

12. Анализ современного состояния и перспектив развития приборов звездной ориентации семейства БОКЗ [Текст] / Г.А. Аванесов [и др.] // ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. - 2015. - Т.58, №1. - С.3-13.

13. Стекольщиков, О.Ю. Конструктивные особенности узкопольного звездного датчика ГАИШ МГУ с зеркальным объективом [Текст] / О.Ю. Стекольщиков, А.И. Захаров, М.С. Тучин // Современные проблемы ориентации и навигации космических аппаратов: сборник трудов третьей всероссийской научно-технической конференции. Россия, Таруса, 10-13 сентября 2012г; [под ред. Г.А. Аванесова]. - М.: Ротапринт ИКИ РАН, 2013. - С. 69-79.

14. Имитаторы звездного неба для наземной отработки датчиков звездной ориентации [Текст] / Г.А. Аванесов [и др.] // Современные проблемы ориентации и навигации космических аппаратов: сборник трудов всероссийской научно-технической конференции. Россия, Таруса, 22-25 сентября 2008г. - М.: Ротапринт ИКИ РАН, 2009. - С. 372-386.

15. Разработка стенда для тестирования программно-математического обеспечения звездного датчика [Текст] / С.А. Елубаев [и др.] // Современные проблемы ориентации и навигации космических аппаратов: сборник трудов четвертой всероссийской научно-технической конференции. Россия, Таруса, 8-11 сентября 2014г; [под ред. Г.А. Аванесова]. -М.: Ротапринт ИКИ РАН, 2015. - С. 228-234.

16. Воробьева, А.А. Дистанционное зондирование Земли [Текст]: учебно-методическое пособие / А.А. Воробьева. - СПб. : НИУ ИТМО, 2012. - 168 с.

17. Бакланов, А.И. Системы наблюдения и мониторинга [Текст] / А.И. Бакланов // «Бином. Лаборатория знаний» - М. - 2009. - 231 с.

18. Российские космические системы: Научный центр оперативного мониторинга Земли [Электронный ресурс]. - Режим доступа http://www.ntsomz.ru (2017).

19. Сутырина, Е.Н. Дистанционное зондирование земли: учеб. пособие [Текст] / Е.Н. Сутырина. - Иркутск: Изд-во ИГУ, 2013. - 165 с.

20. Бакланов, А.И. К вопросу о пространственном разрешении и точности привязки изображений космических систем наблюдения высокого разрешения [Текст] / А.И. Бакланов // ГЕОМАТИКА. - 2010 - №3. -С.25-30.

21. Свидзинская, Д.В. Основы QGIS: учеб. пособие [Текст] / Д.В. Свидзинская, А.С. Бруй. - Киев: Изд-во КНУ, 2014. - 83 с.

22. Цифровая Обработка изображений в информационных системах: учеб. пособие [Текст] / И.С. Грузман [и др.]. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2000. - 168 с.

23. Елисеев, В.М. Формирование пространственно-привязанных локальных ГИС для целей картографирования: учеб. пособие [Текст] / В.М. Елисеев, О.В. Гаврилова. - М.: РУДН, 2008. - 162 с.

24. Краснопевцев, Б.В. Фотограмметрия: учеб. пособие [Текст] / Б.В. Краснопевцев. -М.: УПП «Репрография» МИИГАиК, 2008. - 160 с.

25. Безменов, В.М. Фотограмметрия. Построение и уравнения аналитической фототриангуляции: учеб. пособие [Текст] / В.М. Безменов. - Казань: КГУ, 2009. - 86 с.

26. Архипов, С.А. Гиперспектральная аппаратура для КА «Ресурс-П» и перспективы её модернизации [Текст] / С.А. Архипов, В.М. Линько, А.И. Бакланов // Материалы Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы ракетно-космической техники и ее роль в устойчивом социальном развитии общества». Самара. —2009. — С. 186.

27. Earth Observation Portal. [Электронный ресурс] - Режим доступа: https://directory.eoportal.org/web/eoportal/satellite-missions/v-w-x-y-z/worldview-4 (2017).

28. Earth Observation Portal [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://directory.eoportal.org/web/eoportal/satellite-missions/p/pleiades (2017).

29. Earth Observation Portal [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://directory.eoportal.org/web/eoportal/satellite-missions/pag-filter/-/article/kompsat5 (2017).

30. Глобальная спутниковая радионавигационная система ГЛОНАСС [Текст] / В.Н. Харисова [и др.]. - М.: ИПРЖР, 1998. - 400 с.

31. Дворкин, Б.А. Развитие и современное состояние спутниковых навигационных систем и сервисов. Интеграция технологий ДЗЗ и ГНСС [Текст] / Б.А. Дворкин // ГЕОМАТИКА. - 2010 - №2. -С.12-18.

32. Федосеев, В.И. Оптико-электронные приборы ориентации и навигации космических аппаратов: учеб. пособие [Текст] / В.И. Федосеев, М.П. Колосов. - М.: Логос, 2007. - 248 с.

33. Современные датчики звездной ориентации [Текст] / М.Е. Прохоров [и др.] // 38-ая международная студенческая научная конференция «Физика Космоса»: труды конференции. - Екатеринбург: Изд-во УрФУ, 2009. - С.170-186.

34. Дятлов, С.А. Обзор звездных датчиков ориентации космических аппаратов [Текст] / С.А. Дятлов, Р.В. Бессонов // // Современные проблемы ориентации и навигации космических аппаратов: сборник трудов всероссийской научно-технической конференции. Россия, Таруса, 22-25 сентября 2008г. - М.: Ротапринт ИКИ РАН, 2009. - С. 11-31.

35. Компания Ball Aerospace [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.ball.com/aerospace/markets-capabilities/capabilities/technologies components/star-trackers (2017).

36. Компания Sodern [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.sodern.com/website/fr/ref/Optroniques_215.html (2017).

37. Компания Jena Optronik [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.jena-optronik.de/en/aocs/astro-aps.html (2017).

38. Компания Terma [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://www.terma.com/capabilities/space-systems (2017).

39. АО "НПП" Геофизика-Космос" [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.geofizika-cosmos.ru/napravleniya-deyatelnosti/optiko-elektronnye-pribory-orientacii-i-navigacii-kosmicheskih-apparatov/napravlenie-1.html (2017).

40. Многоголовый звездный датчик 348К. Результаты наземной экспериментальной отработки [Текст] / А.Ю. Карелин [и др.] // Вестник СибГАУ. - 2014. - №4(56). - С. 167-172.

41. Аванесов, Г.А. Анализ современного состояния и перспектив развития приборов звездной ориентации семейства БОКЗ [Текст] / Г.А. Аванесов, Р.В. Бессонов, А.А. Форш, М.И. Куделин // Изв. Вузов. Приборостроение. - 2015. - Т.58, №1. - С. 3-13.

42. Earth Observation Portal [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://directory.eoportal.org/web/eoportal/satellite-missions/t/tacsat-2 (2017).

43. Gunter' s Space Page [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://space.skyrocket.de/doc_sdat/mitex-a.htm (2017).

44. Aerospace Research Central [Электронный ресурс]. - Режим допуска: https://arc.aiaa.org/doi/abs/10.2514Z6.2007-5434 (2017).

45. Институт Космических Исследований [Электронный ресурс]. - Режим допуска: http://www.iki.rssi.ru (2017).

46. Кондратьева, Т.В. Моделирование параметров движения космических аппаратов и внешних условий космического пространства в процессе наземных испытаний звездных координаторов [Текст] / Т.В. Кондратьева - М.: Ротапринт ИКИ РАН, 2005. - 21 с.

47. Кондратьева, Т.В. Точность координатной привязки видеоданных камер МСУ-100/50 КА «Метеор-М» №1 [Текст] / Т.В. Кондратьева, А.В. Никитин, И.В. Полянский // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. - 2013. - Т.10, №3. -С. 160-175.

48. Особенности построения и функционирования приборов астроориентации БОКЗ со встроенными датчиками угловой скорости [Текст] / Р.В. Бессонов [и др.] // Современные проблемы ориентации и навигации космических аппаратов: сборник трудов всероссийской научно-технической конференции. Россия, Таруса, 22-25 сентября 2008г. - М.: Ротапринт ИКИ РАН, 2009. - С. 32-40.

49. Аванесов, Г.А. Анализ современного состояния и перспектив развития приборов звездной ориентации семейства БОКЗ [Текст] / Г.А. Аванесов, Р.В. Бессонов, А.А. Форш, М.И. Куделин // Современные проблемы ориентации и навигации космических аппаратов: сборник

трудов всероссийской научно-технической конференции. Россия, Таруса, 8-11 сентября 2014г; [под ред. Г.А. Аванесова]. - М.: Ротапринт ИКИ РАН, 2015. - С. 6-20.

50. Стекольщиков, О.Ю. Конструктивные особенности узкопольного звездного датчика ГАИШ МГУ с зеркальным объективом [Текст] / О.Ю. Стекольщиков, А.И. Захаров, М.Е. Прохоров // Современные проблемы ориентации и навигации космических аппаратов: сборник трудов всероссийской научно-технической конференции. Россия, Таруса, 10-13 сентября 2012г; [под ред. Г.А. Аванесова]. - М.: Ротапринт ИКИ РАН, 2013. - С. 69-79.

51. Воронков, С.В. Средства наземной отладки астроприборов в составе комплексных стендов [Текст] / С.В. Воронков, Б.С. Дунаев, А.В. Никитин, В.А. Шамис // Современные проблемы ориентации и навигации космических аппаратов: сборник трудов второй всероссийской научно-технической конференции. Россия, Таруса, 13-16 сентября 2010г; [под ред. Г.А. Аванесова]. - М.: Ротапринт ИКИ РАН, 2011. - С. 207-214.

52. Трофимов, С.П. Лабораторный стенд для отработки алгоритмов определения ориентации и навигации, основанных на обработке видеоизображений объектов и звездного неба [Текст] / С.П. Трофимов, Д.С. Иванов, Д.О. Нуждин, М.Ю. Овчинников // Современные проблемы ориентации и навигации космических аппаратов: сборник трудов второй всероссийской научно-технической конференции. Россия, Таруса, 13-16 сентября 2010г; [под ред. Г.А. Аванесова]. - М.: Ротапринт ИКИ РАН, 2011. - С. 215-225.

53. Дегтярев, А.А. Разработка лабораторного стенда для отработки макета звездной камеры / А.А. Дегтярев, С.С. Ткачев, Д.А. Мыльников // Современные проблемы ориентации и навигации космических аппаратов: сборник трудов второй всероссийской научно-технической конференции. Россия, Таруса, 13-16 сентября 2010г; [под ред. Г.А. Аванесова]. - М.: Ротапринт ИКИ РАН, 2011. - С. 226-238.

54. Клюшников, М.В. Звездный датчик и его использование для полетной фотограмметрической калибровки оптико-электронной аппаратуры дистанционного зондирования Земли [Текст]: дис. ... канд. тех. наук: 05.13.05 / М.В. Клюшников; Моск. Физико-Технический Институт (гос. ун-т). - Москва, 2003. - 116 с.

55. Прохоров, М.Е. Расчет оптимальных характеристик оптической системы и матричного приемника излучения звездного датчика ориентации по его тактико-техническим характеристикам [Текст] / М.Е. Прохоров, А.И. Захаров, М.С. Тучин // Современные проблемы ориентации и навигации космических аппаратов: сборник трудов всероссийской научно-технической конференции. Россия, Таруса, 10-13 сентября 2012г; [под ред. Г.А. Аванесова]. -М.: Ротапринт ИКИ РАН, 2013. - С. 80-90.

56. Захаров, А.И. Минимальные технические характеристики звездного датчика ориентации, необходимые для достижения заданной погрешности [Текст] / А.И. Захаров, М.Е. Прохоров, М.С. Тучин, А.О. Жуков // Астрофизический бюллетень. - 2013. - Т.68, №4. - С. 507520.

57. Гущин, В.Н. Основа устройства космических аппаратов: Учебник для вузов [Текст] / В.Н. Гущин. - М.: Машиностроение, 2003. - 272 с.

58. Королев, С.И. Системы обеспечения теплового режима космических аппаратов: учеб. пособие [Текст] / С.И. Королев. - СПб: Изд-во Балт. гос. техн. ун-т., 2006. - 100 с.

59. Цаплин, С.В. Основы теплообмена космических аппаратов [Текст] / С.В. Цаплин, С.А. Болычев, А.Е. Романов. - Самара: Изд-во «Самарский университет», 2013. - 287 с.

60. Лавренов, В.А. Исследование и совершенствование оптико-электронного преобразователя для системы дистанционного зондирования Земли [Текст]: дис. ... канд. тех. наук: 05.27.06 / В.А. Лавренов; Национальный исследовательский университет МИЭТ. -Москва, 2017. - 128 с.

61. Михеев, М.А. Основы теплопередачи: Изд. 2-е, стереотип [Текст] / М.А. Михеев, И М. Михеева. - М.: Изд-во «Энергия», 1977. - 344 с.

62. Дульнев, Г.Н. Тепло- и массообмен в радиоэлектронной аппаратуре: учебник для вузов по спец. «Конструир. и произв. радиоаппаратуры» [Текст] / Г.Н. Дульнев. - М.: Высш. шк., 1984. - 247 с.

63. Савин, И.К. Теоретические основы теплотехники (Краткий курс). Ч. II. Теплопередача: учеб. пособие [Текст] / И.К. Савин. - Петрозаводск: Изд-во ПетрГУ, 2008. - 172 с.

64. Бухмиров, В.В. Тепломассообмен: учеб. пособие [Текст] / В.В. Бухмиров. -Иваново: ФГБОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина», 2014. - 360 с.

65. Шлыков, Ю.П. Контактное термическое сопротивление [Текст] / Ю.П. Шлыков, Е.А. Ганин, С.Н. Царевский. - М.: Изд-во «Энергия», 1977. - 328 с.

66. Попов, В.М. Теплообмен в зоне контакта разъемных и неразъемных соединений [Текст] / В.М. Попов. - М.: Изд-во «Энергия», 1971. - 216 с.

67. Исаченко, В.П. Теплопередача: 3-е изд., перераб. и доп. [Текст] / В.П. Исаченко, В.А. Осипова, А.С. Сукомел. - М.: Изд-во «Энергия», 1975. - 488 с.

68. Карслоу, Г. Теплопроводность твердых тел [Текст] / Г. Карслоу, Д. Егер. - М.: Изд-во «Наука», 1964. - 488 с.

69. Винты с цилиндрической головкой классов точности А и В. Конструкция и размеры [Текст]: ГОСТ 1491-80. -Введ. 1982-01-01. - М.: Изд-во стандартов, 1980. - 7 с.

70. Прокат сортовой, калиброванный, со специальной отделкой поверхности из углеродистой качественной конструкционной стали [Текст]: ГОСТ 1050-88. - Введ. 1991.01.01. - М.: Изд-во стандартов, 1988. - 30 с.

71. Моменты затяжек болтов, винтов и шпилек. Общие требования [Текст]: ОСТ 1 00017-89. - Введ. 1990.01.01. -1989. - 24 с.

72. Соединения резьбовые. Способы и виды предохранения от самоотвинчивания [Текст]: ОСТ 4Г 0.019.200. - Введ. 1979.07.01. -1978. - 39 с.

73. Анурьев, В.И. Справочник конструктора-машиностроителя: в 3 т. [Текст] / В.И. Анурьев. - М.: Изд-во «Машиностроение», 2001. - 3 т.

74. Физические величины: Справочник / А.П. Бабичев и др. ; Под. ред. И.С. Григорьева, Е.З. Мейлихова. - М.: Изд-во «Энергоатомиздат», 1991. - 1232 с.

75. PTC [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.ptc.com (2017).

76. Румянцев, А.В. Метод конечных элементов в задачах теплопроводности: учебное пособие [Текст] / А.В. Румянцев. - Калининград.: Калинингр. ун-т, 1995. - 170 с.

77. Розин, Л.А. Метод конечных элементов [Текст] / Л.А. Розин // Соросовский образовательный журнал. - 2000. - Т.6, №4. - С. 120-127.

78. Бухмиров, В.В. Расчет коэффициента конвективной теплоотдачи (основные критериальные уравнения): Методические указания к выполнению практических и лабораторных работ [Текст] / В.В. Бухмиров. - Иваново.: ИГЭУ им. Ленина, 2007. - 39 с.

79. Морковин, А.В. Теплоносители для тепловых труб и наружных гидравлических контуров систем терморегулирования автоматических и пилотируемых космических аппаратов [Текст] / А.В. Морковин, А.Д. Плотников, Т.Б. Борисенко // Журнал «Космическая техника и технологии». - 2015. - №3(10). - С. 89-99.

80. Тимошенков, С.П. Методика определения угловой погрешности звездного датчика с жидкостным охлаждением [Текст] / С.П. Тимошенков, В.В. Калугин, П.Н. Разживалов // ФГУП «ВИМИ», межотраслевой научно-технический журнал «ОБОРОННЫЙ КОМПЛЕКС -научно-техническому прогрессу России», 2014. - №3(123). - С.54-59.

81. Error angle determination of the star sensor with liquid cooling / N. Korobova, P. Razzhivalov et al. // Photonic Fiber and Crystal Devices: Advances un Materials and Innovations in Device Application VIII, Proc. of SPIE Vol. 9200, 920015, 2014.

82. Маламед, Е.Р. Конструирование оптических приборов космического базирования: учеб. пособие [Текст] / Е.Р. Маламед. - СПб.: НИУ ИТМО, 2002. - 291 с.

83. Тушенцова, Е.Н. Термоэлектрический модуль (ТЭМ) [Текст] / Е.Н. Тушенцова Е.Н. // ФГБОУ ВПО «МГТУ им. Н.Э. Баумана», электронный журнал «Молодежный научно-технический вестник», 2012. - Эл. №ФС77-51038/486318.

84. Шостаковский, П. Разработка термоэлектрических систем охлаждения и термостатирования с помощью компьютерной программы KRYOTHERM [Текст] / П. Шостаковский // Журнал «Компоненты и технологии», 2010. - №7. - С.128-135.

85. Шостаковский, П. Разработка термоэлектрических систем охлаждения и термостатирования с помощью компьютерной программы KRYOTHERM [Текст] / П. Шостаковский // Журнал «Компоненты и технологии», 2010. - №9. - С. 113-120.

86. Горбачев, А.А. Твердотельные матричные фотопреобразователи и камеры на их основе: учеб. пособие [Текст] / А.А. Горбачев, В.В. Коротаев, С.Н. Ярышев. - СПб.: НИУ ИТМО, 2013. - 98 с.

87. Усанов, Д.А. Видеотехнологии автоматизированного контроля: учеб. пособие для студентов физ. фак. [Текст] / Д.А. Усанов, Ал.В. Скрипаль, Ан.В. Скрипаль, А.В. Абрамов . -Саратов.: СГУ им. Чернышевского, 2010. - 101 с.

88. Головкин, С.В. Координатный детектор с разрешением 2-10мкм на основе приборов с зарядовой связью [Текст] / С.В. Головкин, В.И. Рыкалин. - Серпухов.: ИФВЭ, 1980. - 23 с.

89. Неизвестный, С.И. Приборы с зарядовой связью - основа современной телевизионной техники. Основные характеристики ФПЗС [Электронный ресурс] / С.И. Неизвестный, О.Ю. Никулин. - Режим доступа: https://www.yumpu.com/xx/document/view/19517193/ (2017)

90. Никитин, В.В. Параметры телевизионных камер. Шумы [Электронный ресурс] / В.В. Никитин, А.К. Цицулин. - Режим доступа: http://www.security-bridge.com/biblioteka/knigi_po_bezopasnosti/televidenie/shumy/ (2017)

91. Першин, Н.Н. Разработка телевизионных систем защиты территорий и помещений [Электронный ресурс] / Н.Н. Першин, Н.Р. Рахимов. - Режим доступа: http://works.doklad.ru/view/V4Oi9BuH-3Q/5.html (2017)

92. Физическая энциклопедия: стробоскопические приборы - яркость / глав. ред. А.М. Прохоров. - М.: Научное изд-во «Большая Российская энциклопедия», 1998. - 691 с.

93. Бокшанский, В.Б. Расчет характеристик фоточувствительных приборов с зарядовой связью: учебно-методическое пособие [Текст] / В.Б. Бокшанский, В.Е. Карасик. - М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2001. - 54 с.

94. Филиппова, О.В. Разработка комбинированной светозащитной бленды звездного датчика [Текст] / О.В. Филиппова // Современные проблемы ориентации и навигации космических аппаратов: сборник трудов второй всероссийской научно-технической конференции. Россия, Таруса, 13-16 сентября 2010г; [под ред. Г.А. Аванесова]. - М.: Ротапринт ИКИ РАН, 2011. - С. 248-260.

95. Филиппова, О.В. Оптимизация конструкции светозащитной бленды прибора звездной ориентации [Текст] / О.В. Филиппова, Р.В. Бессонов, Г.А. Аванесов // Современные проблемы ориентации и навигации космических аппаратов: сборник трудов всероссийской научно-технической конференции. Россия, Таруса, 10-13 сентября 2012г; [под ред. Г.А. Аванесова]. - М.: Ротапринт ИКИ РАН, 2013. - С. 257-279.

96. Афанасенков, Ю.М. О возможности применения сотовой бленды в звездном датчике [Текст] / Ю.М. Афанасенков // Современные проблемы ориентации и навигации космических аппаратов: сборник трудов всероссийской научно-технической конференции. Россия, Таруса, 10-13 сентября 2012г; [под ред. Г.А. Аванесова]. - М.: Ротапринт ИКИ РАН, 2013. - С. 280-289.

97. Стенд для исследования эффективности бленд на основе горизонтального солнечного телескопа ГАИТТТ [Текст] / Байгуттуев, А.А. [и др.] // Современные проблемы ориентации и навигации космических аппаратов: сборник трудов всероссийской научно-технической конференции. Россия, Таруса, 8-11 сентября 2014г; [под ред. Г.А. Аванесова]. -М.: Ротапринт ИКИ РАН, 2015. - С. 221-227.

98. Грамматин, А.П. Расчет и автоматизация проектирования оптических систем. учеб. пособие [Текст] / А.П. Грамматин, Г.Э. Романова, О.Н. Балаценко. - СПб.: НИУ ИТМО, 2013. - 128 с.

99. Баева, Ю.В. Моделирование теплового режима и термоаббераций малогабаритного космического телескопа [Текст] / Ю.В. Баева, А.В. Демин, С.И. Ханков, С.И. Жуков // Журнал «Изв. Вузов. Приборостроение», 2012. - Т.55, №9. - С.68-74.

100. Латыев, С.М. Компенсация погрешностей в оптических приборах [Текст] / С.М. Латыев. - СПб.: Изд-во «Машиностроение», 1985. - 248 с.

101. Савицкий, А.М. Принципы построения оптических систем термостабилизированных телескопов ДЗЗ [Текст]: автореф. дис. на соис. учен. степ. канд. тех. наук (05.11.07) / А.М. Савицкий; СПб НИУ ИТМО. - СПб., 2012. - 24 с.

102. Бунтов, Г.В. Методы объективного контроля точностных характеристик звездного датчика / Г.В. Бунтов [и др.] // Современные проблемы ориентации и навигации космических

аппаратов: сборник трудов всероссийской научно-технической конференции. Россия, Таруса, 811 сентября 2014г; [под ред. Г.А. Аванесова]. - М.: Ротапринт ИКИ РАН, 2015. - С. 246-253.

103. Абакумов, В.М. Результаты натурных испытаний прибора ориентации по звездам 329К [Текст] / В.М. Абакумов, В.В. Куняев, В.А. Овчинников, В.И. Федосеев // Современные проблемы ориентации и навигации космических аппаратов: сборник трудов второй всероссийской научно-технической конференции. Россия, Таруса, 13-16 сентября 2010г; [под ред. Г.А. Аванесова]. - М.: Ротапринт ИКИ РАН, 2011. - С. 70-78.

104. Аванесов, Г.А. Результаты натурных испытаний прибора звездной ориентации БОКС-М60/1000 [Текст] / Г.А. Аванесов, Р.В. Бессонов, В.Ю. Дементьев, Е.А. Мысник // Современные проблемы ориентации и навигации космических аппаратов: сборник трудов всероссийской научно-технической конференции. Россия, Таруса, 10-13 сентября 2012г; [под ред. Г.А. Аванесова]. - М.: Ротапринт ИКИ РАН, 2013. - С. 180-190.

105. Дроздова, Т.Ю. Методика и результаты отработки программно-алгоритмического обеспечения оптических солнечных датчиков [Текст] / Т.Ю. Дроздова, А.В. Никитин // Современные проблемы ориентации и навигации космических аппаратов: сборник трудов всероссийской научно-технической конференции. Россия, Таруса, 22-25 сентября 2008г. - М.: Ротапринт ИКИ РАН, 2009. - С. 409-420.

106. Аванесов, Г.А. Результаты отработки программного обеспечения прибора звездной ориентации БОКС-60/1000 на стенде динамических испытаний [Текст] / Г.А. Аванесов, Р.В. Бессонов, В.Ю. Дементьев // Современные проблемы ориентации и навигации космических аппаратов: сборник трудов всероссийской научно-технической конференции. Россия, Таруса, 10-13 сентября 2012г; [под ред. Г.А. Аванесова]. - М.: Ротапринт ИКИ РАН, 2013. - С. 169-179.

107. Real-Time Hardware-in-the-Loop Tests of Star Tracker Algorithms / Giancarlo Rufino, Domenico Accardo, Michele Grassi et al. // International Journal of Aerospace Engineering, 2013.

108. Методические указания по работе с электронным тахеометром 3Та5Р2 [Текст] / Сост. Б.Н. Черданцев. - Томск: Изд-во ТГАСУ, 2010. - 34 с.

109. Фесенко, А.В. Визуальные и оптико-электронные автоколлиматоры А.В. Фесенко, В.Н. Боровицкий // Журнал «Технология и конструирование в электронной аппаратуре». - 2012. - №6 - С. 49-52.

110. Кирилловский, В.К. Оптические измерения. Часть 3. Функциональная схема прибора оптических измерений. Типовые узлы. Оптические измерения геометрических параметров: учеб. пособие [Текст] / В.К. Кирилловский. - СПб.: НИУ ИТМО. - 2005. - 67 с.

111. Фокин, С.А. Обработка результатов измерений физических величин: учеб. пособие для лабораторного практикума по физике / С.А. Фокин, А.М. Бармасова, М.А. Мамаев. - СПб.: РГГМУ. - 2009. - 58 с.

112. Измерения прямые однократные. Оценивание погрешностей и неопределенности результата измерения [Текст]: ГОСТ Р 50.2.038-2004 - Введ. 2004.10.27. - М.: Изд-во стандартов, 2011. - 11 с.

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

РАСЧЕТ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ПРИБОРА ОПРЕДЕЛЕНИЯ КООРДИНАТ ЗВЕЗД

СОДЕРЖАНИЕ

1. ЦЕЛЬ РАСЧЕТА.................................................................................................3

2. РАСЧЕТ ВРЕМЕНИ НАКОПЛЕНИЯ.......................................................................3

3. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ПРИБОРА................................................................6

3.1 РАСЧЕТ СИГНАЛА НАКОПЛЕННОГО ФОТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ РЕЖИМАХ РАБОТЫ ПРИБОРА.....................................................6

3.2 РАСЧЕТ КОЛИЧЕСТВА ЗАРЕГИСТРИРОВАННЫХ ЗВЕЗД ПРИ РАЗЛИЧНЫХ РЕЖИМАХ РАБОТЫ ПРИБОРА................................................................................15

4. ТОЧНОСТНОЙ РАСЧЕТ ПРИБОРА......................................................................23

4.1 ОЦЕНКА ТОЧНОСТНЫХ ПАРАМЕТРОВ ПРИБОРА...............................................23

4.2 ОЦЕНКА ТОЧНОСТИ РАСПОЗНОВАНИЯ ЕДИНИЧНОЙ ЗВЕЗДЫ............................52

4.3 ОЦЕНКА ТОЧНОСТИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ОРИЕНТАЦИИ ПО ПАРЕ РАСПОЗНАННЫХ ЗВЕЗД......................................................................................55

4.4 ОЦЕНКА ДОСТИЖИМОЙ ТОЧНОСТИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ОРИЕНТАЦИИ......................................................................................................56

5. ВЫВОДЫ........................................................................................................58

1. ЦЕЛЬ РАСЧЕТА

Для определения основных параметров прибора определения координат звезд (ПОКЗ) необходимо провести расчет времени накопления, энергетический и точностной расчеты, входящие в этап эскизного проектирования ПОКЗ.

Целью энергетического и точностного расчета является определение количества звёзд, регистрируемых ПОКЗ; определение проницающей способности прибора в зависимости от времени накопления и географической широты наблюдаемого участка небесной сферы; определение точностных параметров ПОКЗ.

Расчет проводился с учетом ожидаемых характеристик разрабатываемой ФПЗС матрицы и характеристик разрабатываемого объектива.

2. РАСЧЕТ ВРЕМЕНИ НАКОПЛЕНИЯ

Время накопления определяется исходя из параметров ПОКЗ (фокусное расстояние объектива, параметры орбиты, формат ФПЗС), из допустимой величины «смаза» изображения («смаз» - фотографический дефект, нечеткость изображения, вызванная движением объекта съемки или аппарата при экспонировании) с учетом возможных угловых скоростей вращения платформы КА, а соответственно и звездного датчика, и параметров орбиты.

Исходные параметры ПОКЗ и их значения:

Б = 200 мм - фокусное расстояние объектива,

ё = 12 мкм - размер элемента ФПЗС.

Параметры орбиты:

Н = 350 - 1500 км.

Угловая скорость вращения платформы КА в задачах ДЗЗ складывается из естественного орбитального движения и дополнительного тангажного замедления. Таким образом, для вычисления диапазона возможных угловых скоростей необходимо привязаться к КА с конкретными параметрами.

В режиме «съемка» скорость бега изображения в фокальной плоскости оптико-электронного комплекса должна составлять не более 90 мм/с. Для обеспечения такой скорости необходимо тангажное замедление. С учетом тангажного замедления угловую скорость вращения КА в инерциальной системе координат можно оценить по формуле:

,У V, ч 180

пл — ( пст _сди_\ .__I пл

а~(НГ • (1)

О

V = V ,--2-

пст орб „ ТТ • (2)

+ Н орб

У , О - Мз

орб <1Я3 + Норб ' (3)

_ О - М__1 180

^орб о^нр; • о^б • (4)

где - скорость подспутниковой точки;

Уорб - орбитальная скорость КА;

Усди - скорость движения изображения в фокальной плоскости;

Уорб - высота орбиты;

(Оорб - угловая скорость, соответствующая движению КА при котором оптическая ось телескопа в каждый момент времени направлена на центр Земли;

= 6371 - радиус земли, км;

О = 6,67 -1011 - гравитационная постоянная, м с кг ; М: = 5, 98 -10 - масса Земли, кг.

Угловая скорость, вычисленная по формуле (4), является именно оценкой данной величины, т.к. не учтено собственное движение земли. Однако, не зная точных параметров орбиты учесть собственное движение земли не представляется возможным.

Возможные времена накопления представлены в таблице №2.1.

Угловая скорость, °/сек Величина «смаза», пикселей Время накопления, мс Примечание

0.93 0.5 1.8 Соответсвует Норб = 350км, Усди =90мм/с

1 3.7

2 7.4

0.065 0.5 26.4 Соответсвует Норб = 350км, естественное движение КА

1 52.9

2 105.8

0.54 0.5 3.2 Соответсвует Норб = 500км, Усди =90мм/с

1 6.4

2 12.7

0.063 0.5 27.3 Соответсвует Норб = 500км, естественное движение КА

1 54.6

2 109.1

0.28 0.5 6.1 Соответсвует Норб = 700км, Усди =90мм/с

1 12.3

2 24.6

0.061 0.5 28.2 Соответсвует Норб = 700км, естественное движение КА

1 56.4

2 112.7

0.091 0.5 18.9 Соответсвует Норб = 1000км, Усди =90мм/с

1 37.8

2 75.6

0.057 0.5 30.2 Соответсвует Норб = 1000км, естественное движение КА

1 60.3

2 120.6

0.052 0.5 33.1 Соответсвует Норб = 1500км, Усди =60мм/с

1 66.1

2 132.2

3. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИМ РАСЧЕТ ПРИБОРА

3.1 РАСЧЕТ СИГНАЛА НАКОПЛЕННОГО ФОТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ РЕЖИМАХ РАБОТЫ ПРИБОРА

Задачей энергетического расчета является определение количества звёзд, регистрируемых ПОКЗ, и проницающей способности датчика в зависимости от времени накопления (см. раздел 2) и географической широты наблюдаемого участка небесной сферы. Под проницающей способностью ПОКЗ понимается звезда спектрального класса О наибольшей звёздной величины, регистрируемая прибором.

Звезда считается зарегистрированной, если максимальный сигнал в элементе светового

пятна, сформированного на матрице фотоприёмника, удовлетворяет соотношению:

Сигнал

-> 30

Шум

Значение шума было принято равным 50 электронам.

Для полихроматического излучения спектральный состав определяется типом источника. Спектральная плотность потока излучения звезды описывается моделью абсолютно чёрного тела (АЧТ), имеющего температуру Т (формула Планка):

27ТНС 2 1

Я (Л, Т ) = —^---1-

Я5 ехр(Нс / ЛкТ) -1 , (5)

где:

^(Л, Т) - спектральная плотность излучения, [Вт / м • мкм];

Т - абсолютная температура звезды, [К];

с = 3 108 - скорость света, [м/с];

Н = 6,625 • 10-34 - постоянная Планка, Джс];

к = 1,38 -10-23 - постоянная Больцмана, [Дж/К\.

В звёздном каталоге, по которому происходит идентификация звёзд, приводится спектральный класс и визуальная звёздная величина ту, однозначно определяющие фотометрическую освещённость от этой звезды (за атмосферой). Температура, звезды, используемая в формуле (1.2), определялась исходя из спектрального класса. Связь спектрального класса звезды с температурой приведена в таблице 2.2.

Спектральный класс О В А Б О К М

Температура, К 40000 20000 8500 6800 5500 4250 2750

Зная коэффициент пропускания объектива Т , эффективный диаметр объектива, спектральную квантовую эффективность фотоприёмника Т](Л) и функцию видности глаза V(Л), можно получить суммарное количество фотоэлектронов в пятне, образованном на

фотоприёмнике звездой звёздной величины ту :

Л*

| Я(Л, Т) -^(л) - т(л) -Лс1Л

1 1 л

N...

П -Е>2е11

4

к - с 683

10.т - т0

Л4

| Я(Л, Т) -У (Л)с1Л

2,5 (6)

Л

где:

Nsum - суммарный накопленный заряд, выраженный в количестве фотоэлектронов,

к -

время накопления,

Веу - эффективный диаметр объектива, равный 100 мм,

Я (Л, Т ) - спектральная плотность излучения звезды, рассчитанная по формуле (5), Л = ° 42мкм - нижняя спектральная граница функции видности глаза, Л = ^1мкм - верхняя спектральная граница функции видности глаза,, Л3 = 0,5мкм - нижняя спектральная граница объектива, Л4 = 0,8мкм - верхняя спектральная граница объектива, тУ - визуальная звёздная величина звезды,

тп

13, 75 - звёздная величина источника, создающего освещённость 1 люкс,

Т(Л) - спектральный коэффициент пропускания оптики, Л(Л) - спектральная квантовая эффективность,

V(А) - функция видности глаза.

Ожидаемая спектральная квантовая эффективность матрицы ФПЗС приведена на рисунке 2.1.

Рисунок 2.1 - Спектральная квантовая эффективность

Для определения проницающей способности прибора необходимо знать, какая часть энергии, найденной по формуле (2), попадает в каждый пиксель из пятна рассеяния. Расчёт проводился при условии, что пятно рассеяния объектива имеет распределение в виде функции Гаусса:

. ехП(_(* )2+(у )2)

) (3)

р =

2 пс

2 С

где:

с - дисперсия распределения, ^ - математическое ожидание.

Коэффициент концентрации энергии в каждом пикселе находится интегрированием (3) по х, у в пределах пикселя и делением на общую энергию в пятне.

При определении количества регистрируемых звёзд использовалось распределение звёзд по звёздным величинам, приведённое в таблице 2.3. В таблице представлена зависимость плотности звезд от звездной величины на галактических широтах 40° и 90°.

Галактическая широта Звёздная величина

4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

40° 0,0089 0,0275 0,0851 0,2455 0,69 1,99 5,49 14,79 37,15 87,09 190,54

90° 0,006 0,02 0,06 0,18 0,5 1,38 3,54 9,12 21,3 48,97 102,3

Время накопления определяется исходя параметров самого ПОКЗ, из допустимой величины «смаза» изображения с учетом возможных угловых скоростей вращения платформы КА, а соответственно и ПОКЗ. Возможные времена накопления, соответствующие различным возможным режимам работы КА, представлены в таблице 2.4

Таблица 2.4 Варианты режимов работы КА и соответствующие им величины времени

накопления и «смаза» изображения

Угловая скорость, °/сек Величина «смаза», пикселей Время накопления, мс

0.5 1.8

0.93 1 3.7

2 7.4

0.5 3.2

0.54 1 6.4

2 12.7

0.5 6.1

0.28 1 12.3

2 24.6

0.5 18.9

0.091 1 37.8

2 75.6

0.5 26.4

0.065 1 52.9

2 105.8

В целях большей наглядности и удобства использования результатов, расчет проводился для следующего набора времен накопления (таблица 2.5).

Таблица 2.5 Округленные значения времени накопления и «смаза» изображения, используемых в дальнейших расчетах

Время накопления, мс Величина «смаза», пикселей

7.5 2

10 2

12.5 2

16 2

20 2

25 2

25 1

25 0.5

30 2

30 1

30 0.5

38 1

50 1

75 2

100 2

Под размером пятна рассеяния подразумевается диаметр пятна Б, связанный с дисперсией распределения Гаусса соотношением (4):

В = 6 С (4)

Оценка количества звёзд, регистрируемых ПОКЗ, проводилась для времен накопления, соответствующих всем возможным режимам работы прибора.

При расчете определялась величина среднего количества звезд Кср, регистрируемая ПОКЗ, и величина количества звезд Кгар, регистрируемая с вероятностью не менее 99%. В предположении, что величина регистрируемого количества звезд подчиняется распределению Пуассона, гарантированное количество звёзд (для вероятности 99,7%) рассчитывается по формуле:

N = N - 3 N (5)

гар ср V ср (5)

Результаты расчёта количества регистрируемых звезд и проницающей способности датчика для различных времён накопления приведены в таблицах 2.6 ^ 2.10

Таблица 2.6 - Среднее количество регистрируемых звезд на галактической широте 90о.

Тнак, МС «Смаз», пикселей Количество зарегистрированных звезд с сигналом в центральном пикселе изображения не менее (электронов)

500 1000 2000 4000 10000

7.5 2 7.51 3.17 1.55 0.30 0

10 2 10.69 4.50 2.05 0.74 0

12.5 2 13.89 5.97 2.58 1.25 0.03

16 2 18.32 8.14 3.42 1.65 0.04

20 2 23.37 10.69 4.511 2.05 0.34

25 2 29.83 13.89 5.97 2.58 0.73

25 1 30.47 14.20 6.12 2.64 0.76

25 0.5 37.94 17.69 7.83 3.30 1.17

30 2 36.56 17.06 7.51 3.17 1.13

30 1 37.36 17.42 7.70 3.29 1.15

30 0.5 46.71 21.59 9.79 4.11 1.53

38 1 48.94 22.57 10.29 4.33 1.59

50 1 67.04 30.47 14.20 6.12 2.09

75 2 102.91 47.15 21.78 9.89 3.17

100 2 139.07 65.59 29.83 13.89 4.50

Таблица 2.7 - Гарантированное количество регистрируемых звезд на галактической широте 90о.

Тнак, МС «смаз», пикселей Количество зарегистрированных звезд с сигналом в центральном пикселе изображения не менее (электронов)

500 1000 2000 4000 10000

7.5 2 0 0 0 0 0

10 2 0.88 0 0 0 0

12.5 2 2.71 0 0 0 0

16 2 5.48 0 0 0 0

20 2 8.87 0.88 0 0 0

25 2 13.44 2.71 0 0 0

25 1 13.91 2.89 0 0 0

25 0.5 19.46 5.07 0 0 0

30 2 18.42 4.67 0 0 0

30 1 19.02 4.90 0 0 0

30 0.5 26.21 7.66 0.41 0 0

38 1 27.95 8.32 0.66 0 0

50 1 42.48 13.91 2.89 0 0

75 2 72.48 26.55 7.78 0.49 0

100 2 103.69 41.29 13.44 2.71 0

Таблица 2.8 - Среднее количество регистрируемых звезд на галактической широте 40о.

Тнак, МС «Смаз», пикселей Количество зарегистрированных звезд с сигналом в центральном пикселе изображения не менее (электронов)

500 1000 2000 4000 10000

7.5 2 10.53 4.52 2.02 0.40 0

10 2 14.75 6.44 2.79 0.96 0

12.5 2 19.02 8.46 3.62 1.63 0.04

16 2 25.04 11.37 4.89 2.17 0.05

20 2 32.02 14.75 6.44 2.79 0.44

25 2 41.01 19.02 8.46 3.62 0.96

25 1 41.90 19.44 8.66 3.71 0.98

25 0.5 52.31 24.18 10.95 4.70 1.52

30 2 50.39 23.32 10.53 4.52 1.46

30 1 51.51 23.82 10.77 4.62 1.49

30 0.5 64.51 29.56 13.56 5.89 2.00

38 1 67.60 30.90 14.21 6.19 2.09

50 1 92.92 41.90 19.44 8.66 2.85

75 2 145.00 65.11 29.82 13.68 4.52

100 2 200.65 90.87 41.01 19.02 6.44

Таблица 2.9 - Гарантированное количество регистрируемых звезд на галактической широте 40о.

Тнак, МС «Смаз», пикселей Количество зарегистрированных звезд с сигналом в центральном пикселе изображения не менее (электронов)

500 1000 2000 4000 10000

7.5 2 0.79 0 0 0 0

10 2 3.22 0 0 0 0

12.5 2 5.94 0 0 0 0

16 2 10.03 1.25 0 0 0

20 2 15.04 3.23 0 0 0

25 2 21.80 5.94 0 0 0

25 1 22.48 6.21 0 0 0

25 0.5 30.61 9.45 1.02 0 0

30 2 29.09 8.83 0.79 0 0

30 1 29.98 9.18 0.93 0 0

30 0.5 40.41 13.25 2.51 0 0

38 1 42.94 14.23 2.90 0 0

50 1 64.01 22.48 6.21 0 0

75 2 108.88 40.91 13.44 2.59 0

100 2 158.16 62.28 21.80 5.94 0

Таблица 2.10 - Расчетные значения звездных величин, которые обеспечивают в наиболее ярком

пикселе в изображении звезды указанный сигнал

Тнак, МС «Смаз», пикселей звездная величина, обеспечивающая в наиболее ярком пикселе в изображении звезды сигнал не менее (электронов)

500 1000 2000 4000 10000

7.5 2 6.1379 5.3853 4.6327 3.8802 2.8853

10 2 6.4502 5.6977 4.9451 4.1925 3.1977

12.5 2 6.6925 5.9399 5.1874 4.4348 3.4399

16 2 6.9605 6.2080 5.4554 4.7028 3.7080

20 2 7.2028 6.4502 5.6977 4.9451 3.9502

25 2 7.4451 6.6925 5.9399 5.1874 4.1925

25 1 7.4660 6.7134 5.9608 5.2082 4.2134

25 0.5 7.6786 6.9260 6.1735 5.4209 4.4260

30 2 7.6430 6.8905 6.1379 5.3853 4.3905

30 1 7.6639 6.9113 6.1588 5.4062 4.4113

30 0.5 7.8766 7.1240 6.3714 5.6188 4.6240

38 1 7.9206 7.1680 6.4154 5.6629 4.6680

50 1 8.2185 7.4660 6.7134 5.9608 4.9660

75 2 8.6379 7.8853 7.1327 6.3802 5.3853

100 2 8.9502 8.1977 7.4451 6.6925 5.6977

3.2 РАСЧЕТ КОЛИЧЕСТВА ЗАРЕГИСТРИРОВАННЫХ ЗВЕЗД ПРИ РАЗЛИЧНЫХ

РЕЖИМАХ РАБОТЫ ПРИБОРА

Для гарантированной регистрации и распознования звезд, необходимо чтобы максимальный сигнал в элементе светового пятна, сформированного на матрице фотоприёмника, удовлетворял соотношению:

Сигнал

> 30

(6)

Шум

Нижний порог распознавания находится на уровне сигнал/шум = 6, при этом точность определения координат резко падает, и существенным образом зависит от расположения светового пятна относительно дискретной структуры матрицы.

На стадии разработки невозможно точно указать эквивалентный уровень шума. Эквивалентной уровень шума зависит от шумовой составляющей темнового сигнала, от шума фонового сигнала, от шума считывания сигнала, от шума тракта обработки сигнала и т.д. Однако для оценки количества зарегистрированных звезд необходимо провести оценку эквивалентного уровня шума.

Основными источниками шума являются шум считывания, и шум фонового сигнала. Шум считывания зависит от частоты работы выходного регистра, и для рабочих частот у наиболее современных ФПЗС матриц шум считывания находится на уровне 20е. Исходя из технологического уровня отечественной промышленности, шум выходного устройства следует ожидать на уровне 40-80е. В расчете рассмотрены следующие значения шума выходного устройства: 40е, 50е, 60е, 80е.

Фоновый сигнал можно оценить по формуле:

Nfon = f^ • d2 • kbl f E(A) • rj(A) • r(A) • AdA

h • С J0 (7)

Обратите внимание, представленные выше научные тексты размещены для ознакомления и получены посредством распознавания оригинальных текстов диссертаций (OCR). В связи с чем, в них могут содержаться ошибки, связанные с несовершенством алгоритмов распознавания. В PDF файлах диссертаций и авторефератов, которые мы доставляем, подобных ошибок нет.