Материал: Разработка алгоритмического обеспечения многоколлиматорного поворотного стенда для тестирования датчиков звездной ориентации

Разработка алгоритмического обеспечения многоколлиматорного поворотного стенда для тестирования датчиков звездной ориентации

Национальный исследовательский университет "МЭИ"

УДК: Институт АВТИ

Кафедра Управления и информатики

Направление 220400 Управление в технических системах

Магистерская диссертация

Разработка алгоритмического обеспечения многоколлиматорного поворотного стенда для тестирования датчиков звездной ориентации

Студент А-02-08 Рубан С.В.

Научный руководитель

профессор, д.т.н. Колосов О.С.

Допущена к защите

Зав. кафедрой доцент, к.т.н.

Шихин В.А.

Москва

Аннотация

датчик звездный ориентация алгоритм

Данная работа посвящена проблемам наземной отработки приборов звездной ориентации. Основной задачей является создание и введение в эксплуатацию нового стенда для наземной отработки датчиков звездной ориентации для обхода ограничений на применение существующих стендов, таких как ограниченные углы поворота прибора вокруг визирующей оси на стендах и невозможность имитации засветки дневного неба. Результатом работы будет введение в эксплуатацию нового стенда для наземной отработки с описанием алгоритмов работы, управления и проверок данного стенда.

Оглавление

Введение

Глава 1. Общие положения

.1 Датчик звездной ориентации

.1.1 История развития датчиков звездной ориентации

.1.2 Что такое звездный датчик?

.2 Наземная отработка датчиков звездной ориентации

.2.1 Аппаратура для наземной отработки датчиков звездной ориентации

.2.2 Статические имитаторы звезд

.2.3 Стенд динамических испытаний

.2.4 Мобильная модификация динамического стенда

.2.5 Стенд испытаний датчиков звездной ориентации на реальном небе

.2.6 Постановка задачи

Глава 2. Описание и работа многоколлиматорного поворотного стенда

.1 Общие сведения о стенде СМП и его компонентах

2.1.1 Назначение многоколлиматорного поворотного птенда

.1.2 Технические характеристики многоколлиматорного поворотного стенда

.1.3 Устройство и работа

.1.4 Описание и работа составных частей

.1.5 Описание и работа ИЗНП

.1.6 Блок засветки

.1.7 Поворотный стол

Глава 3. Алгоритмы управления СМП, СПО СМП

.1 Системное программное обеспечение стенда СМП

.1.1 Общие сведения

.1.2 Программа управления ИЗНП

.1.3 Программа управления ПП

.1.4 Протокол обмена БУИС и ПК СМП

.1.5 Программа для получения координат локализованных объектов

.1.6 Программа для создания бортового каталога прибора

.1.7 Программа сортировки локализованных объектов

.2 Алгоритмы управления стенда СМП

.2.1 Алгоритм предварительной настройки СМП

3.2.2 Алгоритм включения/выключения оборудования СМП

.2.3 Алгоритм запуска и конфигурирования СПО СМП

.2.4 Алгоритм демонтажа и монтажа блока засветки

.2.5 Алгоритм проверки работоспособности ИЗНП

.2.6 Алгоритм формирования рабочего звёздного каталога при работе с ИЗНП

.2.7 Алгоритм проверки СМП в режимах штатной работы

Глава 4. Анализ работы стенда СМП

.1 Анализ четкости получаемых изображений звезд

.1.1 Изображения и особенности звёзд ИЗНП

.2 Определение точностных характеристик стенда СМП

.2.1 Общие положения

.2.2 Аналитическое определение точности СМП

.2.3 Практическое определение точности стенда

.3 Определение точности наведения поворотного стола

.3.1 Подтверждение точностных характеристик СМП

.3.2 Вращение прибора вокруг визирующей оси на 360°

.3.3 Вращение прибора вокруг визирующей оси на 180°

.3.4 Вращение прибора вокруг визирующей оси с шагом в 1°

Заключение

Литература

Введение

За последние пятьдесят лет человечество сильно продвинулось в вопросах изучения окружающего мира. В частности, большие прорывы произошли в области космонавтики. Выход за пределы атмосферы повлек за собой и появление новых проблем, задач, которые необходимо решать. Одной из таких задач стала ориентация космических аппаратов в безвоздушном пространстве. Вопрос определения положения объекта в космосе является гораздо более сложным, чем аналогичный для объекта на поверхности земли, так как здесь имеет место ориентация в трех осях координат, а сами ориентиры сложнее интерпретировать из-за наличия помех.

Основным решением этой проблемы является установка на космические аппараты специальных приборов - звездных датчиков ориентации. Они анализируют приходящий с объектива кадр звездного неба и сравнивают его с хранящимся в памяти звездным каталогом, устанавливая таким образом ориентацию космического аппарата относительно других космических объектов. Помимо звездных датчиков в сфере ориентации космических аппаратов также применяются их "младшие братья" - солнечные датчики. Как видно из названия, они позволяют определить положение космического аппарата относительно Солнца. Но по сравнению со звездными датчиками у них есть ряд ограничений, например, с помощью солнечных датчиков невозможно определение ориентации, если Земля заслоняет Солнце.

Перед вводом в эксплуатацию звездного датчика тот должен пройти через комплекс тестов и испытаний, которые определят его работоспособность. Фактически, тесты, проводимые с прибором, можно разделить на две группы: собственно, сами испытания и стендовые проверки корректности работы прибора после испытаний. Но эксплуатируемые на данный момент в ИКИ РАН стенды для проверки точности работы приборов имеют определенные ограничения на эксплуатацию. Для устранения этих ограничений по наземной отработке датчиков звездной ориентации было решено создать новый стенд, в основу функционирования которого положены другие принципы, что позволит устранить такие ограничения при наземной отработке приборов, как ограниченный угол поворота прибора вокруг своей оси и практическую сложность реализации отработки прибора по дневному небу (с имитацией засветки).

Глава 1. Общие положения

.1 Датчик звездной ориентации

1.1.1 История развития датчиков звездной ориентации

В двадцатом веке человечество совершило несколько важных прорывов в исследовании окружающего мира, в частности в исследованиях космоса. Сначала в космос был запущен первый искусственный спутник, а затем полвека назад Юрий Алексеевич Гагарин стал первым человеком, совершившим полет в космическое пространство. Таким образом, человечество перешло от наблюдений космоса с поверхности Земли к наблюдению его изнутри.

За последние 50 лет на околоземную орбиту было выведено множество искусственных спутников, созданных человеком.

По данным спутникового каталога NORAD сейчас на орбите нашей планеты находится ~16000 объектов размером более 10 сантиметров, две трети из которых составляют части разрушенных спутников, отработанные ступени ракет и предметы, потерянные во время работ в открытом космосе, и ~600000 объектов размером более 1 сантиметра. Это сильно усложняет проблему ориентации и навигации в безвоздушном пространстве, ведь в вакууме любое столкновение может иметь под собой фатальные последствия.

Таким образом, одной из важнейших задач при создании спутников стала его ориентация в открытом космосе. В конце 80-х годов прошлого века для ориентации космических аппаратов стали применяться широкопольные звездные датчики на базе ПЗС-матриц, определяющие ориентацию путем сравнения изображения наблюдаемого участка звездного неба с хранящимся в памяти бортового компьютера звездным каталогом.

Пионерами в области разработки датчиков звездной ориентации[1] принято считать французскую фирму SODERN, начавшую в 1985 году разработку звездного координатора SEID 12 для русско-французского проекта "Сигма". Конструктивно прибор состоял из двух блоков: оптического и блока электроники. Блок электроники имел 2 канала и мог взаимодействовать с двумя оптическими блоками. Впервые SEID 12 был установлен и запущен в космос в 1989 году на советском спутнике "Гранат" и отработал на орбите десять лет до закрытия проекта.

ИКИ АН и "Карл Цейес Йена" в середине 80-х годов разработали систему "Астро" для космической станции "Мир". Комплекс включал в себя три цифровые телевизионные камеры на базе ПЗС-матрицы, три электронных блока обработки звездных снимков и общий электронный блок комплекса. Система была установлена на станцию в 1989 году и проработала вплоть до закрытия проекта. Стоит отметить, что станция "Мир" была затоплена также по показателям системы "Астро".

В настоящее время за рубежом насчитывается более десяти производителей приборов звездной ориентации. Крупнейшие из них - это Sodern (Франция), Jena-Optronic (Германия), Galileo Avionica (Италия), Ball Aerospace (США), Goodrich (США), Terma (Дания, Германия, Нидерланды, Сингапур, США). Эти фирмы выпускают более 30 моделей звездных приборов разного типа и назначения.

В России одной из организаций, производящих звездные датчики ориентации для космических аппаратов является ИКИ РАН. Эти приборы получили название блок определения координат звезд (БОКЗ). С середины девяностых годов институтом было изготовлено более 60 приборов БОКЗ в различных модификациях, которыми были оснащены 14 космических аппаратов. В их числе Международная Космическая Станция, аппараты серии "Ямал", "БелКА" и "Ресурс-ДК".

Еще один российский производитель подобных приборов - это московское ОКБ "Марс",- с 2005 года изготовленными ими датчиками были оснащены два космических аппарата: "Монитор" и "Казсат". Но, в отличие от приборов БОКЗ, производимых ИКИ РАН, звездные датчики МОКБ "Марс" не являются автономными и используют для обработки данных вычислительные мощности бортовой ЭВМ[1].

Таким образом, в данное время активно развиваются два направления датчиков, предназначенных для ориентации в космосе космических аппаратов: солнечные датчики, которые позволяют определять направление на центр видимого диска Солнца относительно строительных осей космического аппарата, и, собственно, звездные датчики, также называемые астродатчиками. Солнечные датчики имеют более простую структуру по сравнению со звездными и имеют ограничения на применение, так как зависят от Солнца. Таким образом, если Солнце будет скрыто каким-либо космическим объектом, ориентация солнечного датчика будет затруднена.

.1.2 Что такое звездный датчик?

Звездный датчик предназначен для определения ориентации космического аппарата. Для определения ориентации звездный датчик регистрирует изображение звездного неба и, отождествляя наблюдающиеся звезды по звездным каталогам, определяет направление визирования и, следовательно, ориентацию космического аппарата в пространстве.

Звездный датчик (рис. 1), обычно, состоит из объектива и детектора, в роли которого, как правило, используется ПЗС-матрица. Это специализированная аналоговая интегральная микросхема <#"786256.files/image001.gif">

Рисунок 1 - Звездный датчик БОКЗ-МФ

Использование звездных датчиков ориентации также сопровождается определенными трудностями, вызванными наличием большого количества источников помех, наличия засветки кадров, полученных датчиком, поступательного и вращательного движения космического аппарата и даже наличия микроскопических частиц пыли на объективе датчика. Это значит, что каждый звездный датчик нуждается в длительных и тщательных проверках и калибровках перед его вводом в эксплуатацию. Для наземной отработки звездных датчиков созданы несколько видов стендов, имитирующих условия ориентации прибора в открытом космосе.

.2 Наземная отработка датчиков звездной ориентации

.2.1 Аппаратура для наземной отработки датчиков звездной ориентации

Рано или поздно перед разработчиками приборов космического назначения встает вопрос о создании различного рода имитаторов, позволяющих в наземных условиях воссоздать те или иные факторы космического пространства. Использование таких имитаторов на стадии наземной отработки приборов позволяет проверить различные режимы функционирования приборов, устранить возникающие неполадки в их работе, отладить программно-алгоритмическое обеспечение. При этом необходимо, чтобы разработчики обеспечивали высокую степень достоверности моделирования на имитаторах воздействующих на прибор факторов.

Для проведения наземных испытаний в ИКИ РАН разработаны и созданы такие приборы, как статические имитаторы звезд, стенды динамических испытаний и их мобильные модификации.

.2.2 Статические имитаторы звезд

Первый имитатор звезд (ИЗ), позволяющий спроецировать в поле зрения звездного прибора изображения точечных объектов, был разработан в ИКИ РАН в конце 90-х гг. прошлого века. Имитатор (рис. 2) представлял собой конструкцию, устанавливаемую на бленду прибора вместо технологической крышки. Внутри имитатора располагались металлическая пластина с пятью отверстиями в форме креста и светодиоды за каждым отверстием. При подаче питания светодиоды загорались, и в поле зрения прибора проецировалось пять точечных объектов.

С учетом того, что положение имитатора относительно поля зрения прибора было точно известно и не менялось во времени, с помощью имитатора проверялась правильность работы оптико-электронного тракта прибора в режиме регистрации точечных объектов, их локализации и определения энергетических центров яркостей.

Следующей модификацией ИЗ являлось устройство, конструктивно аналогичное представленному на рис. 2, но функционально более совершенное. Модифицированная версия имитатора включала светодиод, слайд с изображением точечных источников и коллиматорный объектив. Слайд представлял собой изображение участка небесной сферы, угловой размер которого соответствовал угловому полю зрения прибора. Звезды разных звездных величин отображались на слайде разными по площади объектами белого цвета, фон слайда был черным.

При подаче питания на светодиод слайд подсвечивался, прошедший через него световой поток попадал в коллиматорный объектив, на выходе которого формировался параллельный световой пучок от каждого точечного объекта.

В результате на объектив прибора, как и в случае работы по звездам реальной небесной сферы, приходил параллельный поток от каждого из подсвеченных точечных объектов на слайде.

При работе с таким имитатором звезд реализовывалась возможность проверки правильности работы не только оптико-электронного тракта прибора, но и отладки его программно-алгоритмического обеспечения.

Рисунок 2 - Имитатор звезд

В настоящее время разработана еще одна модифицированная версия такого имитатора звезд (рис. 3), который будет использоваться не только как средство для отладки, но и как технологическая защитная крышка.

Перед отправкой прибора на предприятие-заказчик на него будет устанавливаться имитатор, который в процессе перемещения прибора будет выполнять роль защитной крышки, предохраняющей бленду от загрязнений.

Одновременно с этим при проведении работ по входному контролю прибора и прочих регламентных проверок на имитатор будет подаваться питание, и в поле зрения прибора будет проецироваться изображение участка небесной сферы. Имитатор будет демонтирован с прибора после проведения всех необходимых регламентных работ и установки прибора на космический аппарат.

Рисунок 3 - Модифицированный имитатор звезд