Разработка и верификация математического обеспечения астроприборов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.01, кандидат технических наук Никитин, Андрей Владимирович

• Никитин, Андрей Владимирович
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Никитин, Андрей Владимирович

Содержание.

Введение.

Глава 1. Обзор основных разработок солнечных и звездных датчиков космического аппарата. Задачи математического обеспечения астроприборов.

1.1. Роль и место астроприборов на борту космического аппарата.

1.2 Обзор принципов работы основных типов солнечных датчиков.

1.3 Обзор принципов работы звездных датчиков.

1.4 Задачи прикладного математического обеспечения астроприборов.

Глава 2 Разработка прикладного математического обеспечения оптического солнечного датчика.

2.1 Выбор основных параметров оптического солнечного датчика.

2.2 Алгоритм расчета направления на Солнце.

2.3 Автоматическое определение оптимального времени накопления сигнала ПЗС-линейки.

2.4 Фильтрация данных ОСД.

2.5 Определение ориентации внутренней системы координат СД во внешней системе координат.

2.6 Геометрическая калибровка ОСД.

2.7 Натурные испытания ОСД.

Глава 3 Разработка прикладного математического обеспечения оптического звездного датчика.

3.1 Алгоритм определения инерциальной ориентации в темпе измерения угловой скорости.

3.2 Коррекция порога фрагментатора.

3.3 Определение параметров углового движения КА в приборной системе координат ОЗД.

3.4 Построение виртуального кадра.

3.5 Построение окон на изображении.

3.6 Определение фокусного расстояния и координат главной точки.

Глава 4 Верификация математического обеспечения астроприборов.

4.1. Стенд натурных испытаний ОСД.

4.2 Верификация математического обеспечения ОСД.

4.3 Динамический стенд испытаний ОЗД.

4.4 Верификация математического обеспечения ОЗД.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и верификация математического обеспечения астроприборов»

Актуальность проблемы

Задача построения и оптимизации основных параметров датчиков астроориентации КЛ на базе современных достижений в области технологии имеет непреходящую актуальность для космической техники.

В ИКИ РАН накоплен большой опыт разработки и эксплуатации астроприборов. Датчики звездной ориентации, разработанные в ИКИ РАН, управляют КА Ямал-100 с 1999г., Международной космической станцией с 2000г., двумя КА Ямал-200 с 2003г. В ближайшее время планируется запуск еще нескольких российских КА с приборами звездной и солнечной ориентации.

Среди задач, стоящих перед разработчиками звездных и солнечных приборов, в том числе и перед ИКИ важнейшими на данном этапе являются: повышение помехозащищенности, т.е. способности приборов нормально функционировать при наличии неблагоприятных факторов внешней среды; повышение быстродействия определения ориентации; повышение допустимой угловой скорости движения космического аппарата.

Основная роль в решении этих задач принадлежит математическому обеспечению. Задача обработки информации в астроприборах на первых этапах развития космонавтики решалась только с помощью аппаратных средств. Постепенно при ее решении начали использоваться вычислительные устройства. На современном уровне космической техники она решается при помощи сигнальных процессоров. Поэтому от математического обеспечения прибора зависит точность, помехоустойчивость и надежность решения задачи. В связи с непрерывно растущими требованиями к параметрам астроприборов нужно совершенствовать методы и алгоритмы математического обеспечения. Для анализа работы математического обеспечения проводится его верификация в условиях, максимально приближенных к условиям реальной эксплуатации прибора. Для создания таких условий разрабатываются специальные испытательные стенды.

С целью повышения конкурентоспособности разрабатываемых астроприборов возникает необходимость совершенствования алгоритмов математического обеспечения и их верификации.

Цель и задачи исследования

Целью исследования является достижение высоких показателей астроприборов за счет совершенствования алгоритмов математического обеспечения солнечных и звездных датчиков.

Для достижения цели решаются следующие задачи: повышение быстродействия звездного координатора; повышение помехозащищенности солнечного датчика и звездного координатора; повышение допустимой скорости углового движения КЛ для функционирования звездного и солнечного датчиков.

Научная //мшзш/заключается в том, что:

Разработано новое математическое обеспечение оптического солнечного датчика теневого типа с оптической кодирующей маской и ПЗС линейкой.

Разработана новая методика геометрической калибровки, натурных испытаний и определения взаимной ориентации внутренней и внешней систем координат оптического солнечного датчика.

Разработано современное математическое обеспечение оптического звездного датчика, работающего по полю звезд с ПЗС матрицей и сигнальным процессором.

Разработана новая методика уточнения фокусного расстояния и координат главной точки по изображению узлов контрольной сетки динамического стенда испытаний оптического звездного датчика.

Практическая значимость заключается в следующем:

Математическое обеспечение оптического солнечного датчика повысило его помехозащищенность при сохранении высокой точности определения солнечной ориентации в широком угле поля зрения.

Геометрическая калибровка, натурные испытания и определение взаимной ориентации внутренней и внешней систем координат оптического солнечного датчика позволили достичь и подтвердить высокие точностные характеристики при работе прибора в условиях близких к условиям его эксплуатации на борту КА.

Математическое обеспечение оптического звездного датчика позволило повысить быстродействие, помехозащищенность и допустимую угловую скорость работы звездных координаторов серии БОКЗ-М.

Методика уточнения фокусного расстояния и координат главной точки позволила повысить точность и надежность определения ииерциальной ориентации, а также уточнить параметры оптической системы стенда динамических испытаний после обработки изображений реального неба.

Основные положения, выносимые на защиту

Анализ влияния параметров углового движения космического аппарата и факторов космического пространства - заряженных частиц, газо-пылевой среды и естественных источников излучения на функционирование солнечных и звездных датчиков.

Задачи, стоящие перед математическим обеспечением солнечного и звездного датчика.

Разработанный алгоритм математического обеспечения оптического солнечного датчика

Разработанная методика геометрической калибровки ОСД, методика связи внешней и внутренней систем координат ОСД и методика натурных испытаний ОСД

Разработанный алгоритм математического обеспечения оптического звездного датчика

Разработанная методика определения фокусного расстояния и координат главной точки по изображению контрольной сетки на стенде динамических испытаний

Результаты верификации математического обеспечения солнечного датчика

Результаты верификации математического обеспечения оптического звездного датчика

Апробация работы

Рассмотренные результаты были использованы в рамках работ по созданию приборов ОСД и БОКЗ-М, выполняемых в ОФО ИКИ РАН.

На полезную модель ОСД, содержащую разработанное математическое обеспечение, выдано авторское свидетельство.

Основные положения диссертации опубликованы в 3-х печатных работах и в научно-технических отчетах Института космических исследований Российской академии наук.

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, библиографичечкого списка, включающего 20 наименований. Общий объем работы составляет 151 страницу. Работа содержит 69 рисунков и 8 таблиц.

Заключение диссертации по теме «Приборы и методы экспериментальной физики», Никитин, Андрей Владимирович

Выводы

1. В качестве технических средств верификации математического обеспечения ОСД используется стенд натурных испытаний ОСД. Стенд обеспечивает крепление испытуемого прибора и его повороты в горизонтальной и вертикальной плоскостях на заданные углы. Точность установки углов составляет 2 угловые секунды.

2. На основе поставленных задач проведена верификация математического обеспечения ОСД в условиях работы на реальном Солнце. В результате верификации подтверждается работоспособность математического обеспечения ОСД в составе прибора со следующими параметрами:

• ОСД сохраняет работоспособность и точность определения направления при наличии изображения четырех щелей из девяти.

• ОСД сохраняет свою работоспособность и точность при изменении углового положения Солнца

• ОСД обеспечивает быстродействие с частотой опроса 5 Гц

• Среднеквадратическая ошибка определения направления на Солнце составляет 1 угловую минуту.

3. В качестве технических средств верификации математического обеспечения ОЗД используется динамический стенд испытаний ОЗД. Стенд позволяет проектировать звезды в поле зрение ОЗД и имитировать их движение с заданной скоростью. Также существует возможность имитации одиночных и трековых помех, влияющих на прибор при протонных вспышках на Солнце и попадания мелких частиц, подсвеченных Солнцем в поле зрения прибора. Уточнение фокусного расстояния и координат главной точки видеокамеры ОЗД в поле зрения прибора осуществляется на стенде путем проектирования регулярной контрольной сетки.

4. На основе поставленных задач проведена верификация математического обеспечения ОЗД по таблице локализованных объектов в условиях приближенных к условиям полета на борту КА с угловой скоростью 120 угл.сек./с. Верификация проводилась на ясном звездном небе совместно с волоконно-оптическим гироскопом и на динамическом стенде ОЗД. В результате верификации подтверждается работоспособность математического обеспечения ОЗД со следующими параметрами:

• математическое обеспечение сохраняет свою работоспособность в условиях воздействия 60 одиночных и 15 трековых помех при угловой скорости движения 120 угл. сек./с.

• точность определения ииерциальной ориентации составляет аху = 2 угл. сек.; а7=20 угл. сек.

• точность определения пространственного положения угловой скорости составляет аху = 1 угл. сек./с; а7=10 угл. сек/с, при частоте определения инерциалыюй ориентации 0.3 Гц.

5. На основе поставленных задач проводилась верификация процедуры уточнения фокусного расстояния и координат главной точки по контрольной сетке. В результате верификации подтвердилась се работоспособность со следующими параметрами:

• точность определения фокусного расстояния составила сг=8 мкм

• максимальная дисторсия объектива не превысила 3 мкм

• в качестве координат главной точки видеокамеры при угле поля зрения 8° при расчетах допустимо считать центральный элемент ПЗС матрицы.

Заключение

В представленной работе были получены следующие результаты:

1. Разработано математическое обеспечение оптического солнечного датчика, позволяющего повысить его помехозащищенность за счет обработки сигналов от кодирующей маски с тремя троированными щелями и обеспечивающее определение направления на Солнце при угле поля зрения 120x60° с точностью а<1 угл.мин. Математическое обеспечение ОСД реализовано в виде программного обеспечения, прошиваемого в память сигнального процессора ОСД

2. Для определения геометрических параметров, описывающих взаимное положение ПЗС линейки, кодирующей маски и посадочного места прибора, разработана методика геометрической калибровки датчика и методика определения взаимной ориентации внутренней системы координат и системы координат посадочного места на борту КА. Геометрические параметры используются в МО ОСД для определения направления на солнце в системе координат посадочного места.

3. Диссертантом для верификации программного обеспечения ОСД разработана методика натурных испытаний оптического соленечного. В ходе натурных испытаний получены результаты, подтверждающие работоспособность программного обеспечения с точностью ст<1 угл.мин при работе на реальном Солнце.

4. Разработано математическое обеспечение оптического звездного датчика, позволяющее повысить его помехозащищенность, быстродействие (до 10 Гц) и допустимую угловую скорость до 30 угл.мин./с с сохранением точности вычислений ах>><5 угл. сек. за счет определения инерциальной ориентации в темпе измерений угловой скорости по соседним изображениям звезд. Разработанное математическое обеспечение ОСД планируется использовать в очередной модификации звездного координатора БОКЗ-М.

5. Разработана методика определения элементов внутреннего ориентирования оптического звездного датчика по изображениям узлов контрольной сетки, проектируемых на стенде динамических испытаний в поле зрения прибора.

6. При верификации математического обеспечения ОЗД по координатам энергетических центров изображений звезд оценивалась точность измерений угловой скорости движения КА и точность определения параметров инерциальной ориентации. Анализ результатов показал работоспособность разработанного математического обеспечения и приемлемые точностные параметры. При этом точность, характеризуемая среднеквадратическим отклонением углов, определения инерциальной и взаимной ориентации составила при угловом вращении вокруг осей ОХ и ОУ ст<3 угл. сек., а при вращении вокруг оси Ъ а<20 угл. сек.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Никитин, Андрей Владимирович, 2004 год

1. Иваидиков Я.М. Оптические приборы наведения и ориентации космических аппаратов М.: Машиностроение, 1979 -208 с.

2. Аванесов Г.А., Никитин A.B., Форш A.A., Оптический солнечный датчик, //Известия ВУЗов. Приборостроение 2003, Т.46 №4, с70-73

3. Кочетков В.И. Управление ориентацией космических аппаратов астрономическими методами

4. Изнар А.Н., Павлов A.B., Федоров Б.Ф Оптико-электронные приборы космических аппаратов М.: Машиностроение, 1977 -368с

5. Квазиус Г., Маккэплес Ф. Проектирование систем астронавигации М.: Изд-во Мир, 1970 -304с

6. Устройство слежения за звездами с диссектором в качестве чувствительного элемента (обзор) //Вопросы ракетной техникиЮ 1968 №12, с57-71

7. Катис П.П. Автоматическое сканирование М.: Машиностроение, 1969-520с.

8. Чемоданов Б.К. и др. Астроследящие системы М.¡Машиностроение, 1977-304с

9. Кирилова Ю.В. Зарубежные космические объекты ГОНТИ-1, 1974 -354с.

10. Ю.Бажинов И.К., Ястребов В.Д. Навигация в совместном полетекосмических кораблей «Союз» и «Аполлон» М.:Наука, 1978-224с.

11. ЬРазыграев А.П. Основы управления полетом космических аппаратов и кораблей М.: Машиностроение, 1977 -232с.

12. Романтьев Н.Ф., Хрулов Е.В. Астрономическая навигация пилотируемых космических кораблей М.: Машиностроение, 1977г.

13. З.Васильев М.П. и др. «Салют» на орбите М.: Машиностроение, 1973-160с.

14. Бажинов И.К., Гаврилов В.П., Ястребов В.Д. и др. Навигационное обеспечение полета орбитального комплекса «Салютб» «Союз» -«Прогресс» М.:Наука1985-376с.ъ

15. Фарел, Лилестренд Навигационная система для космических летательных аппаратов. //Электроника, 1966, №6 с.33-44.

16. Аванесов Г.А., Зиман Я.Л., Полянский И.В., Форш А.А. телевизионные звездные координаторы (краткий обзор) Пр-2038, 2001. 14с

17. Мурзин B.C. Введение в физику космических лучей. М.:Изд-во МГУ, 1988 -320с.

18. Г.Корн, Т.Корн Справочник по математике для научных работников и инженеров М.:Наука, 1984-832с.

19. Н.А. Белова Курс сферической астрономии М.:Недра, 1971-183с.

20. Аванесов Г.А., Зиман Я.Л., Красиков В.А., Снеткова Н.И., Собчук В.Г., Форш А.А. Алгоритмы определения ориентации космического аппарата по бортовым астроизмерениям //Известия ВУЗов. Приборостроение, 2003,Т.46,№4, стр.31-37.

21. Абалакин В.К. Краснорылов И.И. Плахов Ю.В. Геодезическая астрономия и астрометрия. Справочное пособие М.: «Картгеоцентр»-«Геодезиздат», 1996.-435 стр., ил.

22. Yuri F. Knizhnikiv and A.V. Nikitin.

23. Cartographic representation of the Velosity Field for a mountain glacier"f Ц

24. Proceeding of the 18 ICA/ACI International Cartographic Conference,

25. Stockholm, Sweden 23-27 June 1997, Pages: 294-298.

26. Ю.Ф. Книжников, А.В. Никитин «Компьтерный способ картографического отображения скоростного поля горного ледника»

27. Доклады 1-й всероссийской научной конференции по картографии,

28. Москва, 7-10 октября 1997, С.465-468

29. Kuzmin A. Nikitin A. Automatic control point detection for image registration using an iterative approach

30. Proceeding of the Sixth International Conference in Central Europe on Computer

31. Graphics and Visualisation, Univercity of West Bohemia, PIzen, Czech Republic,

32. February 9-13, 1998, P/l-P/2

33. Yu. A. Poskonin, N. B. Revzina, A. V. Nikitin, E. P. Belyavskiy and A. P. Elchin. Star Sensor Thermal Mode In Flight. //Proceeding of the 30th International Conference on Environmental Systems Toulouse, France July 1013,2000 ^

34. P.I I. Гельман, A.B. Никитин, М.Ю.Никитин «Об учете дисторсии при обработке видеоизображений»

35. Геодезия и картография 2000г. №11 С. 19-22

36. А.В. Никитин, M.IO. Никитин, A.JI. Лунц, В.А. Льготин, Б.Л.Егоров «Оценка динамики береговых зон при аэросъемке цифровыми камерами» //Геодезия и картография 2001г. №10 с.29-32

37. A.c. 23980 РФ. Система определения ориентации космического аппарата по Солнцу/Аванесов Г.А., Дунаев Б.С., Зарецкая Е.В., Зиман Я.Л., Куделин М.И., Никитин A.B., Форш А.А Опуб. в Государственном Реестре полезных моделей 20.06.2002.