Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по разным специальностям Pages:     ||

На правах рукописи

Никитин Андрей Владимирович

РАЗРАБОТКА И ВЕРИФИКАЦИЯ МАТЕМАТИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ АСТРОПРИБОРОВ

Специальность 01.04.01 - Приборы и методы экспериментальной физики

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

МОСКВА - 2004

Работа выполнена в Институте космических исследований

Российской академии наук (ИКИ РАН)

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Аванесов Г.А. (ИКИ РАН)

Официальные оппоненты:

д.т.н. Трифонов Ю.В. (ВНИИЭМ)

к.т.н. Суханов К.Г. (НПО им. Лавочкина)

Ведущее предприятие:

Ракетно-космическая корпорация Энергия (г.Королев)

Защита диссертации состоится л апреля 2004 г. в __ часов на заседании диссертационного совета Д.002.113.01 в Институте космических исследований по адресу 117997, Москва, ул. Профсоюзная, 84/32, 2-й подъезд, конференц-зал

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИКИ РАН.

Автореферат разослан л марта 2004 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 002.113.01

к.ф.-м.н. Акимов В.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы

Задача построения и оптимизации основных параметров датчиков астроориентации космических аппаратов (КА) 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 1999 г., Международной космической станцией - 2000 г., двумя КА Ямал-200 - 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;
• функционирование прибора в условиях более высокой 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 солнечных и звездных датчиков за счет совершенствования алгоритмов их математического обеспечения. Для достижения цели решаются следующие задачи:

• повышение быстродействия звездного координатора;
• повышение помехозащищенности солнечного датчика и звездного координатора;
• функционирование звездного и солнечного датчиков при повышении скорости углового движения КА.

Научная новизна заключается в том, что:

• Разработано математическое обеспечение оптического солнечного датчика (МО ОСД) щелевого типа с оптической кодирующей маской и ПЗС-линейкой.
• Разработана методика геометрической калибровки, натурных испытаний и определения взаимной ориентации внутренней и внешней систем координат оптического солнечного датчика.
• Разработано математическое обеспечение оптического звездного датчика (МО ОЗД) c ПЗС-матрицей и сигнальным процессором.
• Разработана методика уточнения фокусного расстояния и координат главной точки оптического звездного датчика по изображению узлов контрольной сетки.

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 инерциальной ориентации.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Проведенный 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.
2. Разработанные требования к математическому обеспечению солнечного и звездного датчиков.
3. Разработанное программно-алгоритмическое обеспечение оптического солнечного датчика.
4. Разработанная методика геометрической калибровки ОСД, методика связи внешней и внутренней систем координат ОСД и методика натурных испытаний ОСД.
5. Разработанное программно-алгоритмическое обеспечение звездного координатора.
6. Разработанная методика определения фокусного расстояния и координат главной точки по изображению контрольной сетки на стенде динамических испытаний.
7. Результаты верификации математического обеспечения солнечного датчика.
8. Результаты верификации математического обеспечения звездного координатора.

Апробация работы

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

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

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

В ближайшее время планируется запуск нескольких российских КА с приборами звездной и солнечной ориентации.

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка, включающего 29 наименований. Общий объем работы составляет 154 страницы. Работа содержит 69 рисунков и 8 таблиц.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи работы, раскрыта научная новизна и практическая ценность работы.

В первой главе в первом разделе указана роль и место астроприборов на борту космического аппарата, во втором и третьем разделах выполнен обзор принципов работы солнечных и звездных датчиков. Приведена классификация основных типов солнечных и звездных датчиков (рис.1).

Датчик с щелевой маской на ПЗС-линейке разрабатывается в ИКИ РАН.Он предназначен для определения направления на Солнце и состоит из щелевой маски с тремя прямолинейными щелями и ПЗС-линейки. Крайние щели образуют с центральной щелью угол в 45. ПЗС-линейка используется для регистрации прошедшего через такую маску солнечного света. По положению на ПЗС-линейке освещенных участков бортовой вычислительной системой КА определяется направление на Солнце.

Звездный прибор с ПЗС-матрицей и сигнальным процессором также разрабатывается в ИКИ РАН. Он предназначен для прецизионных определений инерциальной ориентации космического аппарата и представляет собой телевизионную камеру с процессором.

В четвертом разделе выполнен анализ помеховых факторов, влияющих на работу астроприборов:

1. Высокая угловая скорость вращения космического аппарата.
2. Протонные вспышки на Солнце.
3. Световые помехи в поле зрения астроприбора.
4. Естественные источники излучения в поле зрения астроприбора.
5. Элементы конструкции КА в поле зрения астроприбора.
6. Изменение яркости источника излучения.

Также сформулированы задачи математического обеспечения, решаемые в работе:

1. Повышение быстродействия определения ориентации
2. Функционирование в условиях более высокой угловой скорости движения КА
3. Повышение помехозащищенности по отношению к световым помехам и протонному излучению

Рис. 1. Классификация солнечных и звездных датчиков для определения ориентации КА

Во второй главе рассмотрено математическое обеспечение оптического солнечного датчика.

В первом разделе рассмотрен способ повышения помехозащищенности оптического солнечного датчика щелей за счет троирования щелей кодирующей маски. Также приведены методика и результаты расчета оптимального фокусного расстояния и ширины щели кодирующей маски. Рассмотрены принципы идентификации и отбраковки щелей, положенные в основу разрабатываемого математического обеспечения оптического солнечного датчика.

Во втором разделе второй главы представлена функциональная схема (рис.2) оптического солнечного датчика и описана общая структура алгоритма расчета направления на Солнце (см.рис.3).

Рис. 2. Функциональная схема ОСД

Обработка сигналов с ПЗС линейки и определение направления на Солнце включает следующие этапы:

1. Экспонирование и первичная обработка изображений ПЗС-линейки.
2. Выделение кластеров и их обработка.
3. Отождествление кластеров.
4. Расчет направления на Солнце.

Экспонирование и первичная обработка сигналов с ПЗС-линейки выполняется с целью получения цифровых изображений щелей кодирующей маски, пропорциональных яркости, создаваемой солнечным излучением видимого диапазона. На этапе первичной обработки определяются оптимальное время накопления, уровень пороговой отсечки, наличие видеосигнала.

При выделении и обработке кластеров выполняется группировка элементов ПЗС-линейки по кластерам, которые определяются как последовательность элементов со значением сигнала выше уровня порога. Для каждого кластера вычисляются: координата энергетического центра, ширина и максимальное значение сигнала в кластере, коэффициент асимметрии.

Отождествление кластеров выполняется с целью установить соответствие между координатами энергетических центров кластеров и порядковым номерами щелей на кодирующей маске. Оно заключается в поиске групп кластеров, идентификации кластеров в каждой группе, идентификации групп, отбраковки кластеров и вычислении координат центров групп.

Расчет направления на Солнце основан на математическом описании хода лучей в модели двухщелевого датчика. При вычислениях учитывается взаимное положение кодирующей маски и ПЗС-линейки, а также преломление световых лучей в стекле ПЗС-линейки. Затем проводится вычисление направления в системе координат посадочного места.

В третьем разделе представлен алгоритм автоматического подбора времени накопления, позволяющий сохранять точность вычисления направления на Солнце при изменении яркости источника излучения.

В четвертом разделе рассмотрен алгоритм фильтрации данных, позволяющий повысить помехозащищенность и точность прибора.

В пятом разделе рассмотрена методика определения матрицы ориентации внутренней и внешней системы координат прибора, которая используется для перехода от внутренней системы координат к системе координат, связанной с посадочными местами КА.

В шестом разделе рассматривается методика геометрической калибровки ОСД, которая позволяет учитывать взаимное положение оптического элемента и ПЗС-линейки ОСД с целью повышения точности определения направления на Солнце. Среднеквадратическая ошибка углового положения Солнца при этом учете составит 1 угл. мин. В противном случае ошибка определения направления на Солнце на краю поля зрения достигает двух градусов.

В седьмом разделе рассмотрена методика натурных испытаний, которая проводится с целью проверки работоспособности прибора и его математического обеспечения при наблюдении за реальным Солнцем. Для оценки точности сравнивается направление, вычисленное прибором, с направлением, полученным по зафиксированному московскому времени, прямому восхождению и склонению Солнца.

В третьей главе рассмотрено математическое обеспечение оптического звездного датчика. В первом разделе предложены пути повышения допустимой угловой скорости, помехозащищенности и быстродействия определения ориентации, а также приводится общая структура алгоритма определения ориентации. Предлагается определить инерциальную ориентацию, опираясь на параметры углового движения космического аппарата, путем обработки изображения с ПЗС-матрицы в двух каналах (рис. 4).

Рис. 4 Функциональная схема построения ОЗД

Канал определения угловой скорости может быть реализован как оптическим так и гироскопическим путем. Оптический путь состоит в обработке соседних изображений звезд, а гироскопический - в непосредственном измерении величины проекции вектора угловой скорости КА на ось чувствительности гироскопа. В данной главе описан оптический путь реализации канала измерения угловой скорости. При этом рассмотрен способ повышения его быстродействия и помехозащищенности.

Pages:     ||    Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по разным специальностям