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

Основным достоинством описанных в настоящем разделе имитаторов является относительная простота, что позволяет их использовать на различных этапах проверки работоспособности прибора как на предприятии-разработчике, так и у заказчика. В то же время описанные имитаторы имеют ограниченные функциональные возможности и не позволяют проводить отработку штатных режимов функционирования приборов в полном объеме.

Для выполнения работ по отладке режимов работы приборов в условиях, максимально приближенных к реальным, в ИКИ РАН был разработан специальный стенд, позволяющий моделировать светооптическую обстановку и динамику движения прибора в процессе его функционирования на космическом аппарате.

.2.3 Стенд динамических испытаний

В отличие от статических имитаторов звезд, на так называемом динамическом стенде реализована возможность моделирования движения точечных объектов в поле зрения прибора.

Принцип действия стенда, внешний вид которого представлен на рис. 4, заключается в замене при испытаниях прибора звезд небесной сферы их изображениями, выведенными на экран расположенного в поле зрения прибора жидкокристаллического монитора.

Рисунок 4 - Стенд динамических испытаний

Тестируемый прибор жестко закрепляется при установке на стенд, и моделирование перемещения его поля зрения по небесной сфере в процессе орбитального движения космического аппарата осуществляется за счет изменения изображений участков звездного неба, выводимых на экран монитора.

Вывод изображений звезд на экран монитора реализуется с помощью специального программного обеспечения, которое использует данные каталога звезд, охватывающего всю небесную сферу.

При моделировании на стенде звездного неба происходит пересчет сферических координат звезд на небесной сфере в прямоугольные координаты проекций звезд на плоскость экрана монитора, формирование графического изображения и его вывод на экран монитора.

Повторение описанного цикла с заданной частотой позволяет реализовать перемещение участка небесной сферы по экрану монитора в поле зрения неподвижно закрепленного прибора.

Кристаллическая структура экрана монитора обусловливает дискретность изменения координат изображений звезд. Для имитации плавного изменения положения изображений звезд в поле зрения прибора координаты звезд пересчитываются и выводятся на экран монитора несколько раз в секунду.

Для воспроизведения визуальной обстановки космического пространства на стенде реализуется оптическое удаление изображения небесной сферы от прибора в бесконечность с применением коллиматора, расположенного на оптической скамье между монитором и прибором так, что монитор находится в его фокальной плоскости.

На выходе коллиматора от каждого изображения звезды формируется параллельный пучок света, регистрируемый прибором.

Схема моделирования движения небесной сферы на стенде представлена на рисунке 5.

Рисунок 5 - Моделирование небесной сферы на стенде

Помимо моделирования динамики движения тестируемого прибора, обуславливаемой движением КА по орбите, программное обеспечение стенда дает возможность моделирования воздействия динамики системы управления КА, при котором к вектору угловой скорости добавляются дополнительные составляющие по трем осям.

Кроме того, моделирование перемещения поля зрения прибора по небесной сфере осуществляется с учетом матрицы взаимной ориентации системы координат (СК) прибора относительно системы координат космического аппарата.

Имитация работы системы управления КА заключается в моделировании движения поля зрения прибора относительно геоцентрической системы координат в заданном направлении. При этом может быть выбран один из двух режимов изменения углового положения поля зрения:

-   режим переориентации, при котором происходит однократный поворот на заданный угол в заданном направлении

-   режим периодических колебаний, при котором моделируется периодический поворот поля зрения прибора на требуемый угол.

Из сказанного следует, что стенд предоставляет широкий диапазон возможностей при моделировании процесса движения поля зрения прибора по небесной сфере с учетом расположения прибора на конкретном космическом аппарате, движущемся по заданной орбите.

С целью повышения достоверности реализации условий космического пространства, при которых звездному датчику приходится решать задачу определения параметров астроориентации, в программном обеспечении стенда заложена возможность моделирования ряда помеховых факторов внешней среды, в частности, протонов космического пространства, частиц собственной внешней атмосферы (СВА, см. рис. 5) космического аппарата, неравномерной засветки поля зрения.

Имитация воздействия протонов на тестируемый прибор, в результате которого на получаемых изображениях регистрируются помеховые звездоподобные объекты, так называемые "ложные звезды", реализуется путем вывода на экран монитора световых помех.

При этом имитируются как точечные помехи, вызванные фронтальными воздействиями протонов на прибор, так и помехи в форме вытянутых треков, вызванные прохождением протонов через ПЗС-матрицу прибора под большими углами к его оптической оси.

Моделируемые частицы СВА представляют собой объекты произвольной формы, перемещающиеся по экрану монитора с заданными скоростями на фоне движущейся небесной сферы.

Для имитации на стенде ситуации, при которой за счет попадания в поле зрения прибора Солнца, Луны, Земли или света, отразившегося от зеркальных конструкций КА, может наблюдаться повышенный или неравномерный фон на полученном прибором изображении, в программное обеспечение заложена возможность добавления фоновой компоненты изображения, выводимого на экран монитора. При этом моделируемая засветка может быть как равномерной, так и равномерно изменяющейся.

.2.4 Мобильная модификация динамического стенда

С развитием и миниатюризацией средств отображения информации и вычислительных систем появилась возможность создать динамический имитатор звезд, обладающий массово-габаритными характеристиками, сопоставимыми с аналогичными характеристиками звездных датчиков.

Первая модификация такого имитатора была разработана на базе мини-ноутбука Sony VAIO VGN UX-180P, представленного на рисунке 6.

Рисунок 6 - Ноутбук Sony VAIO VGN UX-180Р

Несмотря на скромные размеры, мини-ноутбук является достаточно производительным и может быть использован для моделирования движения участков небесной сферы и отображения их на собственном экране.

Экран мини-ноутбука имеет разрешение в 1024Ч600 элементов, что сопоставимо с разрешением жидкокристаллических мониторов, используемых на динамических стендах ИКИ РАН.

При использовании коллиматора (устройство для получения параллельных пучков лучей света или частиц) с фокусным расстоянием около 100 мм имитатор не превышает по размерам и массе звездный датчик, для тестирования которого он предназначен.

Конструкция имитатора, объединяющая мини-ноутбук и коллиматор, имеет посадочные места, позволяющие устанавливать ее непосредственно на бленду тестируемого прибора. Также возможен вариант, когда тестируемый прибор устанавливается сверху на конструкцию имитатора.

Интерфейсные окна программного обеспечения, позволяющие задать параметры моделирования, отображаются на экране мини-ноутбука, доступ к которому может быть осуществлен одним из двух способов.

Первый способ подразумевает прямой доступ к мини-ноутбуку и работу непосредственно с его клавиатурой. Этот способ требует снятия боковой крышки конструкции имитатора и является достаточно трудоемким.

Альтернативой ему служит второй способ, при котором осуществляется удаленный доступ к программному обеспечению имитатора с использованием протокола беспроводной связи WiFi.

При наличии встроенной или внешней антенны WiFi на управляющем компьютере (в роли которого, например, целесообразно использовать компьютер контрольно-испытательной аппаратуры тестируемого прибора) можно установить беспроводную связь между этим компьютером и мини-ноутбуком имитатора.

В этом случае доступ к программам мини-ноутбука может быть осуществлен через управляющий компьютер, на экране монитора которого будет отображаться рабочий стол мини-ноутбука.

Таким образом, используя беспроводную связь, можно выполнять разовые обращения к мини-ноутбуку имитатора с целью задания требуемых параметров, запуска и останова режима моделирования, при этом само моделирование будет осуществляться непосредственно на мини-ноутбуке имитатора.

Режим управления имитатором по беспроводной связи позволяет создавать комплексные стенды для одновременной отработки приборов различного типа [1].

.2.5 Стенд испытаний датчиков звездной ориентации на реальном небе

Фактически, стенд представляет собой переносную двухосную поворотную платформу, выставляемую на крыше здания ИКИ РАН, и консоль оператора с установленной на ней КИА звездного датчика.

Звездный датчик закрепляется на поворотной платформе, после чего проводится его тестирование: определение ориентации прибора по реальному звездному небу, используя предварительно загруженные на прибор бортовые каталоги.

Главной проблемой пользования стендом испытаний на реальном небе является малое количество безоблачных дней в году в условиях местного климата.

Работа же со стендом при наличии облаков на небе невозможна.

.2.6 Постановка задачи

Как можно видеть, существующие стенды динамических испытаний датчиков звездной ориентации обладают определенными ограничениями в применении.

Используемые стенды не позволяют в полном объёме отрабатывать два типа приборов:

-   приборы с интегрированными датчиками угловых скоростей (ДУС);

-   приборы, работающие с высоким уровнем фона и/или с суммированием кадров (работа по звездному небу днём).

Отработка таких видов приборов на стенде испытаний на реальном небе имеет ограничения по погодным условиям: ~70 ясных дней и ночей в год. Еще одна сложность заключается в наличии атмосферной рефракции (до 35’) и рассеянии света в атмосфере над городом.

Отработка приборов на стендах динамических испытаний затруднена в связи с ограниченным углом поворота (до ±5°) и сложностью одновременного искусственного моделирования изображения звезды и фона дневного неба.

Таким образом, исходя из существующих на данный момент стендов и особенностей их эксплуатации появилась необходимость в разработке стенда, позволяющего:

-        одновременно совмещать перемещение звёзд и физическое вращение прибора для отработки приборов с интегрированными ДУС;

-        получать изображение звёзд, близкое к реальным на дневном небе для отработки приборов ориентации по дневному небу.

Глава 2. Описание и работа многоколлиматорного поворотного стенда

.1 Общие сведения о стенде СМП и его компонентах

.1.1 Назначение многоколлиматорного поворотного стенда

Многоколлиматорный поворотный стенд (СМП) предназначен для проведения автономных испытаний и проверок функционирования звездных датчиков (ЗД) на предприятии-изготовителе.

СМП имитирует часть нереального звездного неба.

В качестве источников излучения имитирующих звёзды используются лазерные модули с лучами низкой расходимости. Модули закреплены на панорамном цилиндрическом экране с горизонтальной разверткой 170 ° (рисунки 7-9).

Лазерные модули предусматривают возможность юстировки для наведения луча лазера и фокусировки в поле зрения ЗД, закрепленного на поворотной платформе в центре стенда.

Рисунок 7 - Идеология работы стенда

Лазерные модули имеют возможность уменьшения интенсивности лазерного луча средствами широтно-импульсной модуляции (ШИМ).

СМП позволяет отрабатывать приборы с интегрированными датчиками угловых скоростей и приборы, работающими с высоким уровнем фона и/или с суммированием кадров (работа по дневному звёздному небу). Работа со стендом не накладывает таких ограничений, как малое количество ясных дней и ночей в году для отработки приборов на реальном небе, и, в отличие от других стендов, имеет широкий угол поворота и позволяет легко имитировать фоновую засветку дневного неба.

СМИ имитирует фон дневного неба одновременно с изображением звёзд. Имитация фоновой засветки дневного неба происходит с помощью блока засветки (БЗ), позволяющего имитировать засветку в видимом (жёлтый цвет) и в ИК диапазонах.

Поскольку СМИ имитирует нереальное звездное небо, перед началом испытаний ЗД необходимо составить астрометрический каталог и загрузить его в испытуемый прибор.

Рисунок 8 - Общий вид СМП с установленным ЗД

Рисунок 9 - СМП (вид сверху) с установленным ЗД

2.1.2 Технические характеристики многоколлиматорного поворотного стенда

СМП обеспечивает реализацию следующих основных функциональных возможностей:

-   имитацию части нереального звездного неба при помощи имитатора звёздного неба панорамного (ИЗНП);

-   установку и вращение испытуемого ЗД вокруг одной из осей при помощи поворотного стола;

-   имитацию фона дневного звёздного неба при помощи блока засветки;

-   возможность отработки приборов с ДУС путём вращения вокруг визирной оси при помощи имитатора звездного неба вертикального (ИЗНВ).

ИЗНП моделирует звёздное небо со следующими характеристиками:

-   моделирование нереальной части звёздного неба размером 16 ° на 170 °;

-   моделирование 64 звезд;

-   имитация звезд от 8й до 3й звездной величины;

-   наличие минимум четырёх звёзд в поле зрения 16Ч16° на любом участке имитируемого звёздного неба;

Поворотный стол обеспечивает:

-   вращение ЗД вокруг одной оси с помощью поворотного стола;

-   осуществление поворота ЗД вокруг собственной оси на скоростях от 1ґґ до 10° в секунду;

-   осуществлять поворот ЗД на угол 360°;

-   осуществлять поворот ЗД с ускорением 70°;

-   осуществлять поворот с грузом на поворотной платформе до 20 кг;

-   посадочная плита поворотного стола ЗД обеспечивает три варианта крепления испытуемого ЗД для обеспечения вращения вокруг каждой из ортогональных осей ЗД.

Блок засветки обеспечивает:

-   имитация засветки дневного неба

-   равномерность

-   яркость

-   длины волн

-   потребление.

ИЗНВ обеспечивает:

-   возможность отработки приборов с ДУС путём вращения вокруг визирной оси;

-   возможность отработки определения ориентации ЗД по участку реального звездного неба;

-   изменяемую яркость подсветки звёзд по 255 градациям яркости.

СМП изготовлен в климатическом исполнении УХЛ группы 1.1 по ГОСТ PB 20.39.301-98 и предназначен для работы при воздействии следующих факторов: