Оптимизация параметров системы ориентации по звездному полю тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

ВВЕДЕНИЕ.

1 АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР СИСТЕМ.

ОРИЕНТАЦИИ КЛА.

1.1 Понятие об ориентации космических АППАРАТОВ.

1.2 Виды систем ориентации.

1.3 Приборы ориентации по звездному полю.

1.4 Общие проблемы и тенденции развития

ОЭП ориентации.

1.5 Краткие выводы.

2 РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ОПТИМИЗАЦИИ

ПАРАМЕТРОВ ОЭП СИСТЕМЫ ОРИЕНТАЦИИ.

2.1 Функциональная структура обобщенной системы ориентации.

2.2 Разработка модели произвольного участка небесной сферы.

2.2.1 Солнце.

2.2.2 Земля, Луна и планеты.

Солнечной системы.

2.2.3 Звезды.

2.2.4 Частицы космической пыли. светящиеся частицы).

2.3 Разработка габаритно-энергетической модели системы ориентации.

2.4 Разработка математической модели изображения случайного звездного поля.

2.5 Определение среднеквадратической погрешности центра изображения звезды.

2.6 Принципы работы алгоритмов опознавания звездного неба.

2.7 Обоснование выбора метода оптимизации.

2.8 Краткие выводы.

3 РАЗРАБОТКА ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ МОДЕЛИ ЗВЕЗДНОЕО НЕБА.

ЗЛ Общие принципы построения вычислительной модели.

3.2 Создание удобного интерфейса для работы с каталогом.

3.3 Ввод характеристик и параметров звезд каталога.

3.4 Сортировка данных базы звездного неба.

3.5 Конвертация таблиц с данными в формат модулей Turbo Pascal.

3.6 База данных косинусов угловых расстояний.

3.7 Базы данных, выполненные в виде процедур Turbo Pascal.

3.8 Краткие выводы.

4ПРОВЕДЕНИЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ ПО ОПТИМИЗАЦИИ ПАРАМЕТРОВ ОЭП СИСТЕМЫ

ОРИЕНТАЦИИ.

4.1 Зависимость погрешности системы ориентации от блеска звезд.

4.2 Зависимость погрешности определения центра изображения звезды от параметров изображения.

4.3 Зависимость диаметра входного зрачка от величины видимого блеска звезд и параметров матрицы ПЗС.

4.4 Зависимость угла поля зрения от требований алгоритма опознавания.

4.5 Зависимость угла поля зрения от условия исключения влияния светящихся частиц на формирование изображения.

4.6 Зависимость фокусного расстояния от параметров матрицы ПЗС.

4.7 Краткие выводы.

5 РАЗРАБОТКА ПРИКЛАДНОМ ПРОГРАММЫ

ОПТИМИЗАЦИИ.

5.1 Принцип построения программы.

5.2 Описание программы.

5.3 Краткие выводы.

В современном мире полеты космических летательных аппаратов (КЛА) связаны с решением ряда научных и технических задач управления пространственной ориентацией и навигацией КЛА. Для их решения широко применяются оптико-электронные приборы (ОЭП) ориентации по звездам. С их помощью можно с высокой точностью определять такие данные, как, например, направление осей навигационной системы координат, углы и угловые скорости отклонения осей КЛА, координаты места относительно навигационной системы координат, а также осуществлять ориентацию КЛА и его бортовых приборов.

Развитие современной космической астрофизики требует решения указанных задач с погрешностью в несколько угловых секунд, а в перспективе - до долей угловой секунды.

Прецизионные датчики ориентации КЛА по одиночным звездам способны обеспечить такую погрешность. Но для правильной работы таких датчиков необходимо предварительное наведение их на выбранную звезду с погрешностью до 1°. Это требует дополнительного маневра КЛА. Следовательно, задача ориентации не может быть в этом случае решена при полностью произвольной и априори неизвестной начальной ориентации КЛА. Кроме того, с помощью датчика по одиночной звезде возможна ориентация только одной оси КЛА. Для ориентации других осей необходимы дополнительные аналогичные датчики.

Современные ОЭП ориентации КЛА по звездному полю на основе матриц приборов с зарядовой связью (ПЗС) способны решать задачу ориентации при произвольном положении КЛА. При этом один прибор позволяет производить ориентацию сразу по трем осям. Погрешность угловых измерений этим прибором достигает лишь 10", что тормозит широкое применение этих приборов в практике. Отсутствие методик определения параметров приборов ориентации КЛА по звездному полю затрудняют создание новых приборов такого класса, необходимых для решения задач, стоящих перед космической техникой.

Целью диссертационной работы является разработка и анализ методики оптимизации параметров системы ориентации по звездному полю и расчет на ее основе оптимальных оптических параметров ОЭП системы ориентации.

Для достижения поставленной задачи на основе баз данных звездного каталога должна быть разработана вычислительная модель звездного неба, на основании исследования которой будут численно получены зависимости оптимальных оптических параметров ОЭП системы ориентации от выбора матрицы ПЗС, алгоритма опознавания и угловой погрешности прибора ориентации. Для оптимизации оптических параметров целесообразно применение таблично-аналитического метода оптимизации.

Научная новизна работы заключается в следующем:

• разработана методика оптимизации параметров ОЭП системы ориентации, основанная на требованиях, предъявляемых к системе ориентации со стороны алгоритмов опознавания;

• разработана вычислительная модель звездного неба на основе баз данных звездного каталога и программных модулей преобразований этих баз данных;

• проведены вычислительные эксперименты с использованием вычислительной модели звездного неба и численно получены зависимости оптимальных оптических параметров ОЭП системы ориентации от выбираемых значений угловой погрешности прибора ориентации, матрицы ПЗС и алгоритма опознавания;

• разработана прикладная программа, позволяющая исследовать поведение и оптимизировать параметры ОЭП системы ориентации по звездному полю. Исходными данными к программе являются: угловая погрешность системы ориентации, количество звезд, участвующих в работе алгоритма опознавания и выбор матрицы ПЗС. На основе этих данных программа рассчитывает оптимальные оптические параметры ОЭП системы ориентации: угол поля зрения, фокусное расстояние и диаметр входного зрачка. Кроме этого, по геометрическим размерам матрицы ПЗС рассчитывается количество матриц, необходимых для того, чтобы полностью закрыть всю площадь изображения звездного неба.

Практическая ценность данной работы заключается в том, что предложенные методики определения оптимальных оптических параметров ОЭП системы ориентации КЛА по звездному полю позволяют формировать требования к оптической части прибора в зависимости от задаваемой угловой погрешности, выбранной матрицы ПЗС и выбранного количества звезд, используемых для опознавания. При этом прибор будет полностью будет адаптирован к действию алгоритма опознавания, основанному на сравнении угловых межзвездных расстояний. Предлагаемая методика повышения точности прибора ориентации на основе использования матрицы ПЗС позволяет в 3,.,5 раз уменьшить угловую методическую погрешность прибора от 2" до 5".

Основные результаты, выносимые на защиту:

• методика оптимизации оптических параметров ОЭП системы ориентации по звездному полю;

• методика, алгоритм и результаты расчета зависимости погрешности ОЭП системы ориентации от величины видимого блеска визируемых звезд;

• методика, алгоритм и результаты расчета угла поля зрения ОЭП системы ориентации с учетом захвата нужного количества звезд, необходимых для опознавания, в зависимости от величины видимого блеска визируемых звезд, алгоритмы и результаты данного расчета;

• методики и алгоритмы уменьшения угловой погрешности ОЭП системы ориентации и расчета методической погрешности прибора в зависимости от отношения сигнал/шум, количества элементов матрицы ПЗС, занимаемых изображением звезды, формы изображения звезды, функции распределения яркости в изображении звезды;

• методики и алгоритмы расчета диаметра входного зрачка объектива прибора ориентации в зависимости от видимого блеска звезд, используемых для ориентации, их спектрального класса и порогового потока матрицы ПЗС;

Работа по теме диссертации велась в рамках г/б НИР № 6.30.131.

Материалы диссертации докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах: Межд. НТК «Спутниковые системы связи и навигации» (Красноярск, 1997); НТК «Сибирское соглашение» (Новосибирск, 1997); Межд. НТК «Научные основы высоких технологий» (Новосибирск, 1997); НТК, посвященная 30летию оптического факультета СГГА (Новосибирск, 1996); Межд.

НТК «Сферы применения GPS-технологии» (Новосибирск, 1995.); научные конференции и семинары оптического факультета СГГА и

СибНИИОС.

Результаты работы изложены в следующих трудах:

1. Малинин В.В., Фалеев A.B. Обзор систем ориентации по звездному полю. - Вестник СГГА, 1997, вып.2, с. 196.202.

2. Малинин В.В., Фалеев A.B. Математическое обеспечение системы ориентации КЛА по звездному полю. - В кн.: Спутниковые системы связи и навигации/ Труды межд. Н.-т. конф., 30 сент.3 окт. 1997/ Том 1. - Красноярск: КГТУ, с.205.217.

3. Малинин В.В., Фалеев A.B. Оптико-электронные системы ориентации по звездному полю. - Оптический журнал, 1996, №10, с.28.,31.

4. Малинин В.В., Фалеев A.B. Определение центра изображения звезд. - В кн.: Научные основы высоких технологий/ Том 1. Автоматика. Электроника. - Новосибирск: НГТУ, 1997, 16.18.

5. Малинин В.В., Фалеев A.B. Энергетический расчет систем ориентации по звездному полю. - В кн.: Научные основы высоких технологий/ Том 1. Автоматика. Электроника. -Новосибирск: НГТУ, 1997, с.19.,21.

6. Малинин В.В., Фалеев A.B. Методика повышения точности определения центра изображения звезд на фотоматрице. - В кн.: Тезисы докл. НТК, поев. 30-летию оптического факультета. -Новосибирск: СГГА, 1996, с. 17.

7. Малинин В В., Фалеев A.B. Методика создания универсальной системы астроориентации космических аппаратов. - В кн.: Сферы применения GPS-технологии/ Тезисы докл. междун. конф. - Новосибирск: СГГА, 1995.

8. Малинин В.В., Фалеев В.А . Математическая модель системы ориентации КЛА по звездному полю. - В кн.: Третий сибирский конгресс по прикладной и индустриальной математике (ИНПРИМ-98)/ Тезисы докладов. Часть 3. - Новосибирск: ИМ СО РАН, 1997, с. 114.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В процессе работы над диссертацией были получены следующие основные результаты:

• разработана методика оптимизации оптических параметров ОЭП системы ориентации на основе анализа математических моделей блоков, входящих в систему ориентации;

• разработана вычислительная модель звездного неба на основе баз данных звездного каталога;

• проведены вычислительные эксперименты, позволившие установить численно следующие зависимости:

- допустимой угловой погрешности прибора ориентации от величины видимого блеска звезд, используемых для ориентации;

- диаметра входного зрачка объектива прибора ориентации от видимого блеска звезд, используемых для ориентации, и порогового потока матрицы ПЗС;

- угла поля зрения прибора ориентации в зависимости от количества распознаваемых звезд и величины видимого блеска этих звезд;

- линейной погрешности определения центра тяжести изображения звезды от отношения сигнал/шум, размера изображения и функции освещенности в изображении;

• разработана прикладная программа, позволяющая исследовать поведение и оптимизировать параметры ОЭП системы ориентации по звездному полю. Исходными данными к программе являются: угловая погрешность системы ориентации, количество звезд, участвующих в работе алгоритма опознавания и выбор матрицы ПЗС. На основе этих данных программа рассчитывает оптимальные оптические параметры ОЭП системы ориентации: угол поля зрения, фокусное расстояние и диаметр входного зрачка. Кроме этого, по геометрическим размерам матрицы ПЗС рассчитывается количество матриц, необходимых

100 для того, чтобы полностью закрыть всю площадь изображения звездного неба.

1. Земляков В.А., Чибисов В. А. Широкопольные приборы ориентации по Солнцу // Оптический журнал. 1996. - №7. С. 5758.

2. Инженерный справочник по космической технике./Под ред. A.B. Солодова, М.: Воениздат, 1977. 430 с.

3. Черемухин Г.С.,Чибисов В.А., Земляков В.А. Космические прецизионные приборы ориентации по Солнцу // Оптический журнал. 1998. - №8. С. 80-82.

4. Глебович Л.А., Певунчиков И.В. Перспективные схемы построения инфракрасных приборов ориентации по Земле // Оптический журнал.-1998. №8. С.76-79.

5. Райгородецкий А.З. Повышение точности ориентации ИСЗ полетной калибровкой прибора по Земле на низких орбитах // Оптический журнал. 1998. - №8. - С.22-27.

6. Кузьмин B.C., Федосеев В.И., Жилин Б.П., Коптев A.A., Романовский А.Б., Никифорова Е.В. Помехозащищенность приборов звездной ориентации, установленных на космических аппаратах "Фобос" // Оптический журнал.- 1998.- №8. С.4-8.

7. Кузьмин B.C., Федосеев В.И. Оптико-электронные приборы ориентации и навигации космических аппаратов: опыт разработки, проблемы и тенденции // Оптический журнал. 1996. - №7. - С.4 - 9.

8. Изнар А.Н., Павлов A.B., Федоров Б.Ф. Оптико-электронные приборы космических аппаратов. М.: Машиностроение,1972,-368 с.

9. Карелин А.Ю. Обеспечение точности калибровки угломерных оптических приборов космических аппаратов по звездам // Оптический журнал. 1996. - №7- - С. 18-22.

10. Рабовский Е.А. Физические параметры излучения небесных тел и оптико-электронные устройства для определения ориентации KJIA // Исследование космического пространства. 1972. - Т.З, М.: Итоги науки и техники. - С. 7 - 57.

11. Ивандиков Я.М. Оптико-электронные приборы для ориентации и навигации космических аппаратов. М.: Машиностроение, 1979, 200 с.

12. Малинин В.В., Фалеев А.В. Оптико-электронные системы ориентации по звездному полю. Оптический журнал, 1996, №10, С.28.31.

13. Пат. США, кл.250 203, N 3499156, (РЖ, 1971, 6.62.325 П). Evans D.S., Steiner W.L., Bushnell R.H. Celestial matching system for attitude stabilization and position determination.

14. Пат. США, кл. 250 209, N 3436547. Campbell M.E. Pattern recognition system employing time-sequence signals.

15. Пат. США, кл.250 -203, N 3488504. Lowen I.B., Maxwell M.S. Spacecraft attitude detection system by stellar reference.

16. Salomon P.M., Gross W.S.// AIAA Paper. N 76 116.AIAA 14-th Aerospace Sciences Meeting, Washington, D.C January, 1976.

17. Петрович В.А. Малогабаритный звездный датчик // Оптический журнал. -1996. №7. - С.48 - 49.

18. Секен К., Томпсет М. Приборы с переносом заряда. М.: Мир, 1978,360 с.

19. Зиман Я.JI., Красиков В.А. Алгоритм опознавания звезд на снимках.// Аэрокосмическое исследование Земли: Обработка видеоинформации на ЭВМ. М.:Наука, 1978, с.79 86.

20. Аванесов Г.А., Алексашин Е.П. и др. Математическое обеспечение определения ориентации КА по изображениям звездного неба.// Оптико электронные приборы в космических экспериментах. М.: Наука, 1983, с. 124 - 157.

21. Purll D.J., Allnutt A.J., Smith I.A. Evaluation of image dissector tubes and CCD image sensors for high accuracy star sensor applications. In: Proc. of AOCS Conf. Noordvijk, 3-6 Oct., 1977, p. 349 - 358.

22. Арутюнов B.A., Сорокин O.B. Способы дискретизации изображения в линейных фоточувствительных ПЗС // Оптический журнал.- 1998.- № 9. С. 3-6.

23. Карелин А.Ю. Повышение точности астроизмерительных широкопольных приборов с ПЗС-матрицами // Оптический журнал. -1998.-№8. С. 46-50.

24. Черкасов Ю.А., Захарова Н.Б., Александрова Е.Л. Фототермопластическая регистрация полутоновых изображений: технологические исследования минимизации дефектов носителя информации // Оптический журнал. -1999.- №1. С. 32- 39.

25. Болтарь К.О., Бовина Л.А., Сагинов Л.Д., Стафеев В.И., Гибин И.С., Малеев В.М. Тепловизор на основе "смотрящей" матрицы из CdO,2HgO,8Te формата 128x128 // Прикладная физика.- 1999.- №2. С. 59-63.

26. Аванесов Г.А., Балебанов В.М., Зиман Я.Л. Выбор параметров аппаратуры оперативного определения ориентации КА по изображениям звезд.// Оптико электронные приборы в космических экспериментах. М.: Наука, 1983, с.158 - 172.

27. Колосов М.П., Лысюк Ю.В. Анализ нерасстраиваемых оптических систем угломеров с неподвижной линией визирования // Оптический журнал. 1998.- № 8. - С. 61-65.

28. Колосов М.П. Оптика адаптивных угломеров. М: ООО "СКАН-1", 1997. -412 с.

29. Колосов М.П. Оптические методы исключения влияния нарушения геометрической схемы угломеров на их точность // Оптический журнал. 1996. - №7. - С. 35 - 37.

30. Федосеев В.И., Карелин А.Ю., Короткова Е.К. Калибровка угломерных оптических приборов космических аппаратов по звездам // Оптический журнал. 1995. - № 9. - С. 26-31.

31. Абакумов В.М. Особенности измерения угловых координат звезд прецизионными оптико-электронными системами // Оптический журнал. 1996. - №7. - С.43 - 47.

32. Grossman S.B., Emmons R.B.// Optical Engineering, 1984, Vol. 23, N2, p. 167- 176.

33. Егоров E.B., Хмыров A.B.// Электронная техника, Сер. 10. Микроэлектронные устройства. 1981, Вып. 3 (27), с. 46 58.

34. Андреев А.Л., Кузнецов В.И., Пашков B.C.// Техника средств связи. Сер. Техника телевидения. 1984. Вып. 6, с. 58 70.

35. Dzilvelis A.A. Celestial map matching for space navigation/ In: Conf. Proc. Nat. Winter Convent. Military Electron. Los Angeles, (Cal.), 1963, vol. 2, p. 13-25.

36. Campbell M.E. A celestial orientation system based on star pattern recognition. J. Spacecraft and Rockets, 1965, vol.2, № 6, p. 962-963.

37. Зиман Я.Л., Томилова A.A. Определение ориентации КА по снимкам звезд. Космические исследования, 1969, т.7, вып.2, с. 291 -298.

38. Осипик В.А., Федосеев В.И. Математическое моделирование алгоритмов опознавания группы звезд // Оптический журнал. -1996. №7. - С.10 - 14.

39. Ежов О.М. Сравнительный анализ алгоритмов обнаружения звезд для приборов ориентации с матрицами ПЗС // Оптический журнал.- 1998.- №8. С.56-60.

40. Интерполяционные алгоритмы определения положения центра изображения объекта с помощью ПЗС / И.Р.Иванкин, В.С.Пашков, Т.Ю.Фисенко, Ю.М.Эвентаве // Техника средств связи. Сер. Техника телевидения. 1986. Вып.4. С. 37-43.

41. Данилов Д.В., Пашков B.C. Влияние смаза на точность оценки координат изображения // Изв. ВУЗов. Приборостроение. 1997. Т.40. №2. С. 62-64.

42. Ежов О.М. Моделирование процессов формирования и обработки сигнала в звездном приборе с матричным фотоприемником // Оптический журнал. 1996. - №7. - С.ЗО - 34.

43. Источники и приемники излучения: Учебное пособие для студентов оптических спеиальностей вузов / Г.Г. Ишанин, Э.Д. Панков, А.Л. Андреев, Г.В.Полыциков. СПб.: Политехника, 1991. - 240 с.

44. П.И. Бакулин, Э.В. Кононович, В.И. Мороз. Курс общей астрономии.- М.:Наука, 1974. 512 с.

45. Атлас звездного неба./ Под ред. Абалкина B.K. М.:Академия наук СССР. Всесоюзное астрономо-геодезическое общество, 1991 г. 80 с.

46. Goss W.C. "The Mariner Spacecraft star sensors" Appl.Opt., 1970, 9, №5, p.1056 1067.

47. А.И. Лазарев, А.Г. Николаев, E.B. Хрунов. Оптические исследования в космосе. Л.: Гидрометеоиздат, 1979. 237 с.

48. П.И. Климук, И.А. Забелина, В.А. Гоголев. Визуальные наблюдения и загрязнение оптики в космосе. Л.: Машиностроение, 1983.-224 с.

49. Якушенков Ю.Г. Теория и расчет ОЭП и С. М.: Советское радио. 1980 г.-260 с.

50. Осипик В.А., Федосеев В.И. Алгоритмы автоматического распознавания групп звезд на борту космического аппарата // Оптический журнал. 1998.-№8. С.32-40.

51. A.A. Попов. Программирование в среде СУБД FoxPro 2.0. Построение систем обработки данных. М.: Радио и связь, 1995. -352 с.

52. Малинин В.В., Фалеев A.B. Определение центра изображения звезд. В кн.: Научные основы высоких технологий/ Том 1. Автоматика. Электроника. - Новосибирск: НГТУ, 1997, 16.18.

53. Малинин В.В., Фалеев A.B. Математическое обеспечение системы ориентации КЛА по звездному полю. В кн.: Спутниковые системы связи и навигации/ Труды межд. Н.-т. конф., 30 сент.З окт. 1997/Том 1. - Красноярск: КГТУ, с.205.,217.107

54. Справочник фотографа /Меледин А.Б., Журба Ю.И., Анцев В.Г. и др. М.: Высшая школа, 1990. - 288 с.

55. Волосов Д.С. Фотографическая оптика. М.: Искусство, 1978. -543 с.

56. Малинин В.В., Фалеев A.B. Энергетический расчет систем ориентации по звездному полю. В кн.: Научные основы высоких технологий/ Том 1. Автоматика. Электроника. - Новосибирск: НГТУ, 1997, с.19.21.

57. Малинин В.В., Фалеев В.А . Математическая модель системы ориентации KJIA по звездному полю. В кн.: Третий сибирский конгресс по прикладной и индустриальной математике (ИНПРИМ-98)/ Тезисы докладов. Часть 3. - Новосибирск: ИМ СО РАН, 1997, с.114.108