Прибор регистрации объектов космического мусора

Барышев, Евгений Юрьевич

Прибор регистрации объектов космического мусора тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

Барышев, Евгений Юрьевич АВТОР

кандидата технических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Самара МЕСТО ЗАЩИТЫ

2014 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.01 КОД ВАК РФ

Автореферат по физике на тему «Прибор регистрации объектов космического мусора»

Автореферат диссертации на тему "Прибор регистрации объектов космического мусора"

На правах рукописи

Барышев Евгений Юрьевич

Прибор регистрации объектов космического мусора

01.04.01 - Приборы и методы экспериментальной физики

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

005552747

Самара-2014

005552747

Работа выполнена на кафедре радиотехники федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королева (национальный исследовательский университет)» (СГАУ).

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Сёмкин Николай Данилович Официальные оппоненты:

Кузнецов Павел Константинович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Электропривод и промышленная автоматика», директор НИИ проблем надежности механических систем федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Самарский государственный технический университет»;

Ложкин Леонид Дидимович, кандидат технических наук, доцент кафедры радиосвязи, радиовещания и телевидения федерального государственного образовательного бюджетного учреждения высшего профессионального образования «Поволжский государственный университет телекоммуникаций и информатики».

Ведущая организация: федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Самарский государственный университет», г. Самара.

Защита состоится 7 ноября 2014 г. в 12:00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.215.01, созданного на базе федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего образования «Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королёва (национальный исследовательский университет)», по адресу: 443086, г. Самара, Московское шоссе, д. 34.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке СГАУ и на сайте www.ssau.ru.

Автореферат разослан 12 сентября 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

к.т.н., профессор ¿^¿¿¿гили^^ В.Г. Шахов

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. Околоземное космическое пространство (ОКП) характеризуется рядом экстремальных воздействующих факторов, одним из которых являются частицы космического мусора, космической пыли природного и техногенного происхождения, что представляет реальную угрозу для штатного функционирования космических аппаратов (КА).

Регистрация таких объектов производится с помощью наземных систем-радиолокаторов, телескопов. Возможности указанных устройств, в связи с наличием флуктуации атмосферы, большой дальностью до объектов и наличием посторонних шумов, ограничены размерами наблюдаемых частиц порядка нескольких сантиметров. В связи с этим актуальным является возможность регистрации частиц в космических условиях, например оптическими или радиолокационными методами.

Однако решение такой задачи требует создания специализированного устройства, проведения соответствующих исследований и испытаний. Такие приборы могут быть установлены на борту космического аппарата в качестве побочной нагрузки или выполнены в виде космического аппарата специальной конструкции. Радиолокационная и оптическая аппаратура на космических аппаратах обычно предназначена и используется для решения задач, не связанных с регистрацией частиц космического пространства, поэтому для решения такой задачи необходима разработка соответствующих подходов, а также создание приборов специального конструктивного исполнения. Создание приборов регистрации частиц космического мусора, микрометеороидов в виде космического аппарата является перспективным направлением, позволяющим исследовать распределение космических объектов в ОКП, которые принципиально не регистрируются наземными устройствами. Заметный вклад в развитие техники для исследования характеристик космического мусора внесли отечественные учёные д.т.н. М. Д. Килик, д.т.н. П. Е. Эльясберг, член-корр. АН СССР Н. П. Бусленко, специалисты ОАО «НГЖ «СПП» к.т.н. В.П. Алешин, к.т.н. Е.А. Гришин, Д.Д. Новгородцев. В мире известны работы коллективов Ball Aerospace & Technologies Corp. (США), LaVision GmbH (ФРГ), фирмы из США Artium Technologies Inc. (основанной трудами W.D. Bachalo) по поиску космического мусора, контролю быстропротекающих процессов и характеристик микрочастиц. Также имеются работы В. Н. Винтаева, Н. Н. Ушаковой, В. А. Гришина, В.В. Еремеева, Б.А. Алпатова, А.А. Зенина, П.А. Князькова, профессора, доктора К. Schindler, доктора Т. Roesgen, Т. Svoboda, К. Zimmermann, J. Matas по стереоскопическому зрению и обработке информации с видеоисточников.

Работа выполнена в рамках договора с ФГУП ГНПРКЦ «ЦСКБ-Прогресс» (г. Самара) и по программе АВЦП «Развитие научного потенциала высшей школы».

Целью диссертационной работы является создание устройства регистрации частиц космического мусора и микрометеороидов, а также потоков низкоскоростных частиц техногенного происхождения.

Поставленная цель достигается путём решения следующих задач:

1. Расчёта динамики движения потоков пылевых частиц в окрестности космического аппарата.

2. Регистрации потоков низкоскоростных пылевых частиц и одиночных высокоскоростных космических объектов на основе физико-математических моделей.

3. Обработки информации с устройства регистрации параметров движения потоков пылевых частиц.

4. Изучения характеристик потоков частиц с помощью устройства регистрации на основе теоретических и экспериментальных исследований.

5. Разработки макета конструкции бортового прибора регистрации объектов космического мусора.

Научная новизна.

1. На основе решения уравнений движения разработана методика расчёта динамики движения заряженных пылевых частиц в окрестности космического аппарата с учётом совокупности воздействующих сил на орбите полёта. Согласно результатам расчётов разработаны физико-математические модели процессов регистрации потоков низкоскоростных частиц в окрестности космического аппарата и одиночных высокоскоростных космических объектов во взаимосвязи с параметрами устройства регистрации в диапазоне размеров частиц от 10 мкм и космических объектов более 1 см, в диапазоне скоростей 0,1... 1 м/с и 0,1... 16 км/с соответственно.

2. На основе разработанного экспериментального стенда предложена методика проведения экспериментов по изучению параметров движения потоков низкоскоростных пылевых частиц в диапазоне скоростей 10... 1000 м/с, размеров 5...50 мкм и обработки информации с трёх ПЗС-матриц устройства регистрации.

3. Разработан проект прибора регистрации объектов космического мусора для фиксации параметров пылевых потоков низкоскоростных частиц в окрестности космического аппарата, микрометеороидов и одиночных космических объектов , в том числе космического мусора, на основе использования трёх приёмников излучения в виде ПЗС-матриц, расположенных на фиксированной базе относительно друг друга, системы ориентации и обработки информации, а также радиолинии и системы электропитания на основе солнечных батарей.

Практическая значимость работы состоит в создании конструктивного варианта детектора частиц космического мусора, полученные результаты позволяют внедрить в практику экспериментальных и теоретических исследований методики обработки информации с детекторов частиц, использовать наработки для дальнейшего совершенствования приборов регистрации космического мусора.

Методы исследования базируются на использовании дифференциального и интегрального исчисления, численных методов, эпиполярной геометрии, обработки видеоизображений, в том числе коррекции аберраций, прогнозирования.

Достоверность полученных результатов подтверждается расчётами, основанными на уравнениях движения, численных методах моделирования, а также совпадением результатов расчётов с экспериментальными данными.

На защиту выносятся:

1. Методика расчёта движения потоков заряженных пылевых частиц в окрестности космического аппарата и физико-математические модели процессов регистрации потоков пылевых частиц, одиночных высокоскоростных космических объектов и методика обработки информации с трёх ПЗС-матриц прибора.

2. Методика проведения экспериментов по регистрации характеристик потока низкоскоростных частиц.

3. Конструкция прибора регистрации объектов космического мусора

Апробация научных результатов. Основные результаты работы доложены на конференциях:

Международная конференция "Научные и технологические российские и зарубежные эксперименты на автоматических космических аппаратах "Фотон", "Бион": результаты, проблемы, перспективы", Самара, 2000г.; Научно-техническая конференция "Самара космическая", г. Самара, 18 мая 2001г.; VI Королёвские чтения, г. Самара, 2001г.; Всероссийский научно-технический семинар по управлению движением и навигации летательных аппаратов «Управление движением и навигация летательных аппаратов», г. Самара, 2002г.; Всероссийская научно-техническая конференция «Актуальные проблемы радиоэлектроники», г. Самара, 2003г.; II международная научно-техническая конференция «Физика и технические приложения волновых процессов», г. Самара, 7-13 сентября 2003г.; Всероссийская научно-техническая конференция «Актуальные проблемы радиоэлектроники и телекоммуникаций», г. Самара, 12.05-13.05.2005г.; V международная научно-техническая конференция «Физика и технические приложения волновых процессов», г. Самара, 11-17 сентября 2006г.; VI международная научно-техническая конференция «Физика и технические приложения волновых процессов», г. Самара, 17-23 сентября 2007г.; Всероссийская научно-техническая конференция «Актуальные проблемы радиоэлектроники и телекоммуникаций», г. Самара, 14.05-16.05.2008г.; VIII международная научно-техническая конференция «Физика и технические приложения волновых процессов», 15-18 сентября 2009г., Санкт-Петербург.; Всероссийская научно-техническая конференция «Актуальные проблемы ракетно-космической техники и её роль в устойчивом социально-экономическом развитии общества», Самара, 30 октября 2009г.; IX Международная научно-техническая конференция «Физика и технические приложения волновых процессов», г. Миасс, Челябинская обл, 13 -17 сентября 2010г.; Вторая международная конференция «Научные и технические эксперименты на автоматических КА и малых спутниках», 27-30 июня 2011г., Самара.; X международная конференция «Физика и технические приложения волновых процессов», г. Самара, Сентябрь 2011г.

Личный вклад автора

Выносимые на защиту теоретические и экспериментальные результаты получены автором самостоятельно.

Публикации по теме диссертации

По теме диссертации опубликовано 26 научных работ, из них 9 статей в рецензируемых научных журналах и изданиях, рекомендованных ВАК, а также материалах 15 научных конференций, получено 2 патента РФ.

Основное содержание работы.

Во введении обосновывается выбор темы, раскрывается её актуальность, формулируются цель и задачи работы, изложены основные тезисы диссертационной работы.

В первой главе «Обзор современных устройств регистрации параметров объектов» проведён обзор литературы по имеющимся методам и приборам регистрации параметров пылевых объектов и космического мусора, рассмотрены достоинства и недостатки имеющихся методов, проведён анализ приборов и предложен метод, приемлемый для бортового исполнения.

Во второй главе «Моделирование процессов регистрации космических объектов» разработана математическая модель движения пылевых частиц в окрестности космического аппарата (КА) с учётом воздействующих сил гравитации Земли (в т.ч. нецентральности), Луны, КА, взаимодействия с магнитным полем Земли стандартной модели, атмосферы при движении по низкой орбите:

с1гхг р3хт ц38со ъ<ри 2 Л , 1С „Ра (г

гш

Ш (х, - хг)

%рггаА г

Ж г? /V 8р,гас/г [й У

МоЧ^та Нх с!хг ярггас11 Л

крггас1гг Ж

, Мб

-/-Г у,

^{у,- Уг)

Л2

Яз

11,5соъ<р . . ЗС -+ —5——эт 2р -

'Д л )

г]

8 рггас1 М? (г.

вт а крггас1ъг

Я.-

сЧ

(л/('.+ (у.-лУ+ (=.-»,)')"

где (х„ у„ г,) - искомые координаты частицы в абсолютной системе координат; (х5, у5, -координаты КА в абсолютной системе координат; гг, г5 — расстояние от центра Земли до центра частицы и КА; гаф, рг - радиус и плотность частицы; Ме, Мв — массы Земли и КА соответственно; Нх, Ну, № - составляющие напряженности магнитного поля по абсолютным осям; /- гравитационная постоянная; X, ср - широта и долгота частицы в гринвичской вращающейся системе координат.

Проведено численное моделирование данного движения, проанализированы результаты для их проработки при постановке экспериментов.

Результат расчета динамики разлёта частиц представлен на рисунке 1. Здесь изображены траектории движения 50 частиц, начальные условия для которых выбирались по равновероятному закону из диапазонов: для скорости — 0...10 м/с, для угла атаки - -90...+90°, для угла рыскания - 0...3600.

Как можно видеть из рисунка, частицы после вылета по направлению движения КА (по оси ох) тормозятся и начинают падать на Землю. Частицы, которые вылетели против движения КА тормозятся меньше и есть некоторый диапазон углов, в котором падения частиц на Землю не наблюдается. Результаты расчетов показывают, что скорости движения частиц относительно КА могут быть от 0 до 10 км/с.

Также проведено моделирование движения больших объектов, по результатам которых выявлено, что наклонения орбит распределены в случайном порядке, в связи с чем скорости объектов относительно наблюдателя на орбите могут меняться от 0 до 20 км/с. Рассмотрено влияние звёздного фона на процесс регистрации объектов.

Построены модели приёмника в случаях регистрации: —пылевых частиц, имеющих характеристики рассеяния излучения в соответствии с

Рисунок 1 - Результаты расчета динамики разлета частиц с поверхности КА

теорией Ми, ЬМиуи,х,т) а. , . . ;

^ \5\\в,х,т\ + р2(0,;с,т)| дв

—больших объектов, рассеивающих излучение осветителя системы или Солнца по

и . Г (в ?Л-Г* Е^С05 0 закону Ламберта ье л) ~ ;

— отдельных звёзд, испускающих собственное излучение с яркостью е 2,5

На базе эпиполярной геометрии разработана математическая модель восстановления трёхмерного положения объектов по изображениям на трёх плоских приёмниках видеокамер с учётом геометрических параметров элементов системы (рисунок 2).

Искомые координаты объекта (Хр, Yp, Zp) находятся по формулам: Хр= R1 cos o^+L;

Рисунок 2 - Геометрия расчета трех- Yp= sign(-yk) R1 -Jsin2a, - sin2y|; мерных координат объекта.

2 • L • sin a.

где R1 =

sin(7i - a, - a3)

y = arctg -

Zp= R1 cos y;

; L - база системы; f - фокусное

'л/хк12 + Ук2

расстояние объективов; хкь хк3, ук - координаты частиц в ПЗС-матрице в метрических единицах;

Jyk2 + f2 , А

л - arctg —--1—, при хк, < 0;

|хк,|

п ,

—, при хк, = 0;

t л/ук2 + f2 . л

arctg ¡-¡—, при хк, > 0;

|хк,|

J yk2 + f2

arctg ¡-¡—, при xk3 < 0;

|xk3|

^, при xk3 = 0;

„ Vyk2 + f2 , n

n - arctg —--¡—. при xk3 > 0;

|xk3|

Совокупность трехмерных координат частиц для данного момента времени образует кадр. На данном этапе производится отбор объектов, которые интересуют исследователя с помощью параметров дальности и размера.

Далее описывается процесс вычисления векторов скорости объектов на основе выборочной обработки кадров в связи с прямолинейностью движения практически всех исследуемых объектов и для снижения нагрузки на вычислительные средства. Предложена методика обработки троек кадров, расположенных близко друг к другу в тройке и большим временным промежутком между тройками (рисунок 3).

Приведены расчёты, обосновывающие выбор частоты кадров и времени между тройками кадров, показывающие эксплуатационные характеристики системы -

разрешение в пространстве по трём осям в зависимости от применяемых матриц и объективов (рисунок 4), базы, а также других характеристик системы.

| № кадра | 11 21 3 I

\9\ ИИ 1211221

1411421 1461 1811821 |901

Ух, • Ухг + Уу, • Ууг + Кг, • Кг2

д/^12 + + • ^УхI + Уу\ + Уг\

Рисунок 3 - Отбор кадров для расчёта скорости, юоо

0,01

юоооо

0,1 1 10 100 1000 10000 —♦—(±<=6 м км, 1=7 мм -ш- сЬс=9мкм, f=7мм

-й— с!х=6мкм, МООмм х с1х=6мкм, м

Рисунок 4 - Зависимость размера проекции пикселя от размера пикселя и фокусного расстояния объектива.

Также представлены расчёты дальности работы системы в зависимости от базы и фокуса.

0 2 4

Фокусное расстояние, м

-гтт, 1=0,2 -гтах, 1=0,2

■гтт, 1_=5 ■гтах, 1_-5

База системы, м -2т*п, f=0,007 -Ы—7.т1п, Н -гтах, ¡=0,007 -в-гтах, ¡=3

Рисунок 5 - Зависимость максимальной и минимальной дальности от фокусного расстояния и базы системы.

Плоскость ХУ У,м

750 500

-750 -500

250 ф ®

-250

-500 -750

о»

Плоскость Х2

400000

А. к

3^0000

200800 а

# ф

18(5000

Х,м ->

-600 -400 -200 200 400

Рисунок 6 - Сравнение расчётного и исходного распределения объектов (А - объект, о - расчёт).

Ошибка по X, % 20

Ошибка по у, 20 10 5 2 1 0.5

Ошибка по г, % 20

2.5 5 7.5 10 12.5 15 17.5 20

7.5 10 12.5 15 17.5 20

Рисунок 7 - Ошибки определения координат объектов по осям.

Далее приведены результаты моделирования в следующих условиях: в качестве объекта исследования используются 100 пылевых частиц, распределённых по равномерному закону по всей области зрения камер, расположенных на расстоянии 20 см друг от друга, камеры формата 640x480, оптика с фокусом 7 мм, входной зрачок 3 мм, скорости частиц случайные по равномерному закону по всем координатам. В результате этого процесса получены Рисунок 8 - Статистическая ошибка опре-данные, приведённые на рисунках 6, деления скорости частиц по результатам мо-7, 8. делирования для различных объемов облака

В результате моделирования (для каждого объема обрабатывалось по 5 получена корреляция результатов с случайных облаков).

исходными данными на уровне 0,8-0,9 как по положению объектов, так и по скоростям. Ошибки по скоростям определяются большей частью ошибками определения координат, которые редко превышают 10%.

В третьей главе «Экспериментальное моделирование прибора регистрации объектов космического мусора» приведены результаты экспериментальных работ, проведённых с целью подтверждения возможности практической реализации прибора. Для этого проводились следующие эксперименты:

Эксперимент 1 - подтверждение возможности регистрации рассеянного на пылевых частицах излучения - определение чувствительности;

Эксперимент 2 - наличие пылевых частиц в космическом пространстве;

Эксперимент 3 - подтверждение работоспособности алгоритмов при обработке реальных изображений: определение трёхмерных координат и определение скорости объектов.

Эксперименты 1 и 3 проводились на лабораторных стендах, эксперимент 2 -на борту КА «Фотон-М» №2 в рамках эксперимента «Чистота».

Для определения чувствительности создана специальная светопроницаемая камера, внутренняя поверхность которой выполнена в виде двух слоев черной ворсистой ткани для снижения отражения света осветителя от стенок камеры. В верхней крышке имеется отверстие, в которое сыпались калиброванные частицы корунда диаметром 15...30 мкм с помощью электровибратора. В другой стенке камеры

Рисунок 9 - Результаты экспериментов по оценке чувствительности устройства при различной мощности лампы подсветки: а - 10 Вт; 6-5 Вт.

Рисунок 10 - Датчик ДП, установленный на К А «Фотон-М» №2.

установлены источник света и твердотельная телевизионная камера. Телекамера через плату видеоинтерфейса сопрягалась с компьютером. В качестве источника света использовались фотолампы мощностью 100 Вт и 200 Вт, а затем вспышка. Рабочая камера имела размеры 0,8*0,8*2 м. В результате проведённого эксперимента выявлено большое влияние отражения света от стенок камеры на результаты, что позволяет сделать вывод о возможности регистрации таких частиц в натурных условиях.

Эксперимент по подтверждению наличия пылевых частиц в космическом пространстве проводился на борту КА «Фотон-М» №2. Датчик был разработан автором в сотрудничестве с коллективом лаборатории аэрокосмического приборостроения СГАУ и успешно отработал во время полёта КА. Данный прибор является многопараметрическим - содержит кварцевые весы, оптический дат-

чик пыли, датчик солнца и термометр.

По результатам послеполётной обработки данных с датчика выявлено:

— в процессе начального участка полета наблюдается снижение массы кварца (десорбция осевших веществ), особенно при нагреве датчика Солнцем;

— количество пылевых частиц в окрестности КА довольно велико - при размере зоны измерения порядка 1 см2 зарегистрированы десятки частиц различных размеров за 8 часов работы датчика.

Работоспособность алгоритмов эксперимента 3 проверялась на стенде, показанном на рисунке 11.

Рисунок 11 - Фотография стенда (цифрами отмечены регулировочные винты). Разработана методика регулировки камер с целью наибольшего соответствия эпиполярной геометрии, проведена съёмка тестового объекта (рисунок 12).

№ АХ, % ДУ, % AZ, %

1 -2,3 1,0 -5,1

2 1,7 7,3 0,4

3 3,6 9,2 3,6

4 7Д 5,8 5,3

5 -0,2 5,1 4,7

6 0,1 -6,8 4,3

7 -1,0 2,0 1,2

Рисунок 12 - Изображения для расчёта положения объектов. Таблица 1 - Ошибки регист- Полученные результаты показали полное соот-

рации координат объектов ветствие с модельным распределением ошибок (таблица 1).

Следующим этапом эксперимента является проверка работы прибора с движущимися объектами и определение их скорости. В связи с низким быстродействием имеющегося оборудования (компьютер с четырёхядерным процессором Intel ¡7 частотой 3,2 МГц и ОЗУ 2,8 ГБ) работа была разделена на 2 этапа: запись видео с камер в реальном времени (30 кадров

в секунду) с регистрацией времени съёмки и обработка полученного видео. Был отснят видеофрагмент с падающей гирляндой, которая подтормаживалась подвесом таким образом, что скорость падения была равномерной (примерно 0,3 м/с).

Как показано на рисунке 13 стендом длительно сопровождалось 5 объектов. При этом исходный трек объекта не полностью сопровождён, что может быть исправлено подбором последовательности обрабатываемых кадров. С другой стороны, при ограничении задачи регистрации объекта только замером его вектора скорости данная работа может быть излишней - и без этого видна довольно хорошая сходимость результатов вычислений модуля скорости с исходными данными (см. таблицу 2).

Из рисунка 13 также видно, что алгоритм не учитывает появление новых объектов, которые входят в поле зрения устройства регистрации после начального набора данных.

В третьей главе также приведён анализ погрешностей прибора, выявлены границы его возможностей исходя из приемлемых погрешностей результатов. В связи с тем, что прибор является многопараметрическим датчиком, его погрешности разделены для каждого параметра (размер, положение, скорость). Погрешность определения положения объекта в плоскости XOY

Рисунок 13 — Треки объектов (обозначены квадратами) на фоне общей картины объектов, обнаруженных устройством.

Таблица 2

№ Тнач, с Ткон, с |V|, м/с

9 0,14 1,029 0,38

7 0,14 1,029 0,34

6 0,14 1,029 0,33

3 0,14 0,452 0,29

1 0,14 0,576 0,26

i + z

рассчитывается по формуле Д = 5—-—, где 5 - размер пикселя ПЗС-матрицы, f — фокусное расстояние видеокамеры, Z - координата объекта. Погрешность по оси OZ - AZ = Z I— ' ГД6 ^ — база стереосистемы. Приведённые формулы показы-

вают зависимость от базы прибора только погрешности дальности, погрешность по X и Y зависит от фокуса, размера пикселя и текущей дальности.

Показано, что в связи с существенной неопределённостью параметров отражения реального объекта наблюдения, несмотря на известные характеристики падающего солнечного излучения и легко рассчитываемого угла падения, невозможно определить размеры объекта с какой-либо точностью. Данный параметр может быть представлен лишь оценочно.

В четвертой главе «Конструктивные особенности построения прибора» рассмотрены характеристики возможного носителя - космического аппарата микрокласса с гравитационной и магнитной стабилизацией.

Приведены расчёты переходных процессов при различных алгоритмах разворачивания конструкции КА. Описаны как конструкторские, так и схемотехнические подходы к разработке прибора, показаны обобщённые алгоритмы обработки информации в отдельных звеньях системы.

Прибор рассчитан на применение оптики с фокусом 12 мм, база прибора - 0,959 м, при этом минимальное расстояние работы прибора -2 м, максимальное - 480 м. Матрицы с частотой 3000 кадров в секунду позволяют регистрировать объекты, имеющие скорость до 3,9 км/с.

Для каждого элемента предложены возможные варианты его реализации на базе Рисунок 14 - Спутник с развёрну-современных ЭРИ и модулей. Для снижения той гравитационной штангой, массогабаритных характеристик в качестве

ПЗС-матриц могут применяться микросхемы фирмы CMOSIS, которые содержат в себе встроенное 12-ти разрядное АЦП и генератор всех необходимых для работы ПЗС частот, имеющий вход для внешней синхронизации. В качестве объективов могут применяться стандартные фотообъективы, оптимизированные по параметрам к конкретному применению системы. Также при применении устройства для быстро-летящих объектов может применяться высокоскоростная камера фирмы NAC Image Technology Inc. с частотой до 1 000 000 кадров в секунду.

Логические схемы предварительной обработки и расчёта кадров (ЛСПО и ЛСРК) реализуются на базе ПЛИС фирмы Xilinx серий Virex-7, позволяющих реализовать большой объём программного кода (выполняемого в реальном времени), имея в своём составе до 2 млн. логических элементов. Проработка необходимого объёма логических элементов может дать снижение потребления ЛСПО и ЛСРК в 67 раз в случае применения серии Artix-7.

Генератор

Видеокамера 1 I

Видеокамера 2

Видеокамера 3

С луж ОЗУ

......И.

Источник питания

БПОП2Т

ПУОД

Модуль управления, обработки и хранения

массивы выходных

ту данных

►|Еуф 03У|

Рисунок 15 - Схемное решение прибора.

Инжектор твёрдых частиц

Электростатический ускоритель

Обработка данных

Экспериментальная камера V

4»:

Рисунок 16 - Схема отработки прибора при регистрации частиц в ускорителе.

Процессорная система ПУОД реализована на модуле Тион-Про-270 фирмы ЗАО "Завод Электрооборудования", позволяющему распаковывать видео с разрешениями до 800x600, с возможностью установки Windows СЕ 5.0, Windows СЕ 6.0, Linux и встроенным интерфейсом Ethernet 10/100Mbit.

Отработка прибора производится в электростатическом ускорителе твёрдых частиц по схеме, показанной на рисунке 16. В связи с большой скоростью частиц в устройстве применяются высокоскоростные камеры. Имитация различного направле-

ния пролета частиц производится с помощью держателя устройства, имеющего возможность наклона по трём осям и замера положения. Обработка данных проводится совместно с данными датчиков ускорителя и измеренного положения держателя, что позволяет откалибровать устройство по главным параметрам.

Полученные при экспериментах данные показывают низкие возможности современных ЭВМ при обработке видео. Имеющееся на рынке программное обеспечение позволяет генерировать кластерные структуры на основе компьютеров общего применения, в том числе и на подобных Тион-Про-270. Применение кластеризации при построении системы обработки информации может позволить как увеличить быстродействие системы, так и повысить её надёжность.

Основные результаты работы.

3. Разработан проект прибора регистрации объектов космического мусора для фиксации параметров пылевых потоков низкоскоростных частац в окрестности космического аппарата, микрометеороидов и одиночных космических объектов , в том числе космического мусора, на основе использования трёх приёмников излучения в виде ПЗС-

матриц, расположенных на фиксированной базе относительно друг друга, системы ориентации и обработки информации, а также радиолинии и системы электропитания на основе солнечных батарей.

Основные положения диссертации нашли отражения в следующих публикациях

Публикации в реферируемых журналах и изданиях, рекомендуемых ВАК

1. Барышев, Е. Ю. Модель системы измерения параметров пылевых частиц собственной внешней атмосферы космического аппарата [Текст]. / Е. Ю. Барышев, К. Е. Воронов, Н. Д. Семкин // Метрология. - 2004. - N 9. - С. 17-28.

2. Барышев, Е.Ю. Многопараметрический преобразователь параметров низкоскоростных частиц в окрестности космического аппарата [Текст]. / Е.Ю. Барышев, Н.Д. Семкин // Физика волновых процессов и радиотехнические системы. - 2005. -Том 8 - №1 - С. 109-115.

3. Барышев, Е.Ю. Результаты замеров характеристик внешней атмосферы космического аппарата «Фотон-М» [Текст]. / Е.Ю. Барышев, Н.Д. Семкин, К.Е. Воронов // Физика волновых процессов и радиотехнические системы. - 2006. - Том 9 - №2 -С. 79-81.

4. Семкин, Н.Д. Восстановление информации с оптического датчика пылевой компоненты собственной внешней атмосферы космического аппарата [Текст]. / Н.Д. Семкин, К.Е. Воронов, Е.Ю. Барышев // Измерительная техника. - 2009 - №5 - С. 32-35.

Semkin, N. D. Régénération of information from optical sensors of the dust component of the natural outer atmosphère of a space vehicle [Текст]. / N. D. Semkin, К. E. Voronov, E. Yu. Baryshev // Measurement Techniques. - May 2009 - Volume 52 - Issue 5. - PP. 487-493.

5. Семкин, Н.Д. Бортовая оптическая система сбора информации об объектах космического мусора [Текст]. / Н.Д. Семкин, Е.Ю. Барышев, А. М. Телегин // Авиакосмическое приборостроение - 2009 - №7 - С.11-17.

6. Семкин, Н. Д. Оптическая система сбора информации о пылевой компоненте космического аппарата и объектах космического мусора [Текст]. / Н.Д. Семкин, Е.Ю. Барышев, А. М. Телегин // Прикладная физика. - 2010 - №1 - С. 94-99.

7. Барышев, Е. Ю. Система регистрации параметров движения мелких и крупных объектов в космических условиях [Текст]. / Е. Ю. Барышев, Н. Д. Семкин // Измерительная техника. - 2010 - № 5 - С. 29-33.

Baryshev, E.Yu. A system of recording the motion parameters of large and small objects under the conditions of outer space [Текст]. / E.Yu. Baryshev, N.D. Semkin // Measurement Techniques - September 2010 - Volume 53. - Issue 5 - PP. 502-509.

8. Барышев, Е.Ю. Экспериментальное моделирование системы регистрации объектов космического пространства [Текст]. / Е.Ю. Барышев, Н.Д. Семкин, К.Е. Воронов // Физика волновых процессов и радиотехнические системы. - 2013 - Т. 16 -№1. - С. 98-103.

9. Барышев, Е.Ю. Экспериментальное моделирование системы регистрации объектов космического пространства [Текст] / Е.Ю. Барышев, Н.Д. Сёмкин, К.Е. Воронов // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета им. академика С.П. Королёва (национального исследовательского университета). 2013. №2 (40). С. 154-163.

Патенты и авторские свидетельства Ю.Описание полезной модели к патенту № 58 695 Российская федерация, МПК G01C 3/00 (2006.01). Детектор пылевых частиц [Текст]. Семкин Н. Д., Барышев Е. Ю.; заявитель и патентообладатель Самарский гос-ный аэрокосмический ун-т им. ак. С.П. Королева (СГАУ) - № 2006120935/22; заявл. 13.06.2006; опубл. 27.11.2006, Бюл. №33 - 1с.: ил.

11.Пат. на изобретение № 2 454 628 Российская федерация, МПК G01C 3/00 (2006.01), G01C 21/24 (2006.01). Устройство регистрации частиц космического мусора и микрометеороидов [Текст]. Семкин Н. Д., Любимов В. В., Абрашкин В. И., Калаев М. П., Телегин А. М., Барышев Е. Ю.; заявитель и патентообладатель Самарский гос-ный аэрокосмический ун-т им. ак. С.П. Королева (СГАУ) - № 2011127027/28; заявл. 30.06.2011; опубл. 27.06.2012, Бюл. № 18 - 8с.: 2 ил.

Материалы конференций

12.Помельников, P.A. Результаты экспериментальных исследований влияния высокоскоростных микрочастиц на элементы конструкции КА [Текст]. / P.A. Помельни-ков, C.B. Ротов, Е.Ю. Барышев И Сборник тезисов докладов международной конференции "Научные и технологические российские и зарубежные эксперименты на автоматических космических аппаратах "Фотон", "Бион": результаты, проблемы, перспективы", Самара, 2000. С. 86.

13.Барышев, Е.Ю. Прибор для исследования низкоскоростных пылевых частиц в окрестности КА «Фотон-М» [Текст]. / Е.Ю. Барышев, Н.Л. Богоявленский // VI Королёвские чтения. Тезисы докладов. Том 2. Самара, 2001. С. 42.

14.Помельников, P.A. Результаты экспериментальных исследований влияния высокоскоростных микрочастиц на элементы конструкции КА [Текст]. / P.A. Помельни-ков, C.B. Ротов, Е.Ю. Барышев // Сборник трудов научно-технической конференции "Самара космическая", Самара, 2001. С. 74-82.

15.Барышев, Е.Ю. Система измерения параметров пылевой компоненты собственной внешней атмосферы космического аппарата [Текст]. / Е.Ю. Барышев, Н.Л. Богоявленский, Н.Д. Семкин //Управление движением и навигация летательных аппаратов: Сб. тр. X Всерос. научн.-техн. семинара по управлению движением и навигации летательных аппаратов. - Самара, 2002. С. 84-86.

16.Барышев, Е.Ю. Прибор для регистрации частиц в окрестности космических аппаратов [Текст]. / Е.Ю. Барышев, HJL Богоявленский //Актуальные проблемы радиоэлектроники. Материалы Всероссийской науч.-техн. конф. - Самара, 2003. С.24-26.

17.Барышев, Е.Ю. Система регистрации пылевой компоненты собственной внешней атмосферы космических аппаратов [Текст]. / Е.Ю. Барышев, Н.Л. Богоявленский // Физика и технические приложения волновых процессов, II международная научно-техническая конференция, Самара, 2003. С. 26-29.

18.Барышев, Е.Ю. Система измерения параметров движения пылевых частиц в окрестности космического аппарата [Текст]. / Е.Ю. Барышев, Н.Д. Семкин //Актуальные проблемы радиоэлектроники и телекоммуникаций: Материалы всероссийской научно-технической конференции, Самара, 2005. С. 65-67.

19.Семкин, Н.Д. Результаты измерения параметров внешней атмосферы космического аппарата «Фотон-М» №2 [Текст]. / Н.Д. Семкин, К.Е.Воронов, Е.Ю. Барышев, C.B. Петрунин // Физика и технические приложения волновых процессов, V международная научно-техническая конференция, Самара, 2006. С. 35-38.

20.Барышев, Е.Ю. Система регистрации параметров движения частиц, находящих-,\_ ся в окрестности космического аппарата [Текст]. / Е.Ю. Барышев, Н.Д. Семкин // Физика и технические приложения волновых процессов, Международная научно-техническая конференция, Самара, 2007. С. 42-43.

21.Барышев, Е.Ю. Результаты замеров характеристик внешней атмосферы космического аппарата «Фотон-М» [Текст]. / Е.Ю. Барышев, Н.Д. Семкин, К.Е. Воронов // Актуальные проблемы радиоэлектроники и телекоммуникаций: Материалы всероссийской научно-технической конференции, Самара, 2008. С. 26-27.

22.Барышев, Е.Ю. Бортовая информационная система регистрации космического мусора [Текст]. / Е.Ю. Барышев, Н.Д. Семкин // VIII международная научно-техническая конференция «Физика и технические приложения волновых процессов» Материалы конференции, Санкт-Петербург, 2009. С. 255.

23.Барышев, Е.Ю. Система регистрации параметров движения частиц, находящихся в окрестности КА [Текст]. / Е.Ю. Барышев, Н.Д. Семкин // Всероссийская научно-техническая конференция «Актуальные проблемы ракетно-космической техники и её роль в устойчивом социально-экономическом развитии общества», Самара, 2009. С. 372.

24.Барышев, Е.Ю. Система измерения параметров пылевой компоненты собственной внешней атмосферы космического аппарата [Текст]. / Е.Ю. Барышев, Н.Д. Семкин // Физика и технические приложения волновых процессов IX Международная научно-техническая конференция, 13 -17 сентября 2010 года, Миасс, Челябинская обл., 2010. С. 42-43.

25.Барышев, Е.Ю. Экспериментальная отработка элементов прибора для регистрации микрометеороидов и частиц космического мусора. [Текст]. / Е.Ю. Барышев, Н.Д. Семкин // Вторая международная конференция «Научные и технические эксперименты на автоматических К А и малых спутниках», 27-30 июня, Самара, 2011. С. 295.

26.Барышев, Е.Ю. Отработка методов и приборов для регистрации микрометеоритов и частиц космического мусора на наземных имитаторах. [Текст]. / Е.Ю. Барышев, Н.Д. Семкин // X международная конференция «Физика и технические приложения волновых процессов», Самара, 2011. С. 251.

Подписано в печать 05.09.14г. Тираж 100 экз. Отпечатано с готового оригинал-макета в СГАУ. 443086, Россия, г. Самара, Московское шоссе, 34