close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Бортовой оптико-электронный программно-аппаратный комплекс контроля баллистических характеристик космического мусора

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
Трещалин Андрей Петрович
БОРТОВОЙ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЙ
ПРОГРАММНО-АППАРАТНЫЙ КОМПЛЕКС КОНТРОЛЯ
БАЛЛИСТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК КОСМИЧЕСКОГО
МУСОРА
Специальность 05.11.13 - Приборы и методы контроля природной среды,
веществ, материалов и изделий
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Москва - 2016
2
Работа выполнена в Федеральном государственном автономном образовательном учреждении высшего образования «Московский физико-технический институт (государственный университет)».
доктор физико-математических наук,
Научный руководитель:
профессор
Кондранин
Тимофей
Владимирович
Официальные оппоненты:
Кузнецов
Владислав
Иванович
доктор технических наук, ФГКВОУ
ВПО «Военно-космическая академия
имени А.Ф. Можайского» Министерства обороны Российской Федерации,
начальник 34 отдела военного института
Соловьев Игорь Валерьевич
кан-
дидат технических наук, ФГУП «Московское опытно-конструкторское бюро
«Марс»», заместитель начальника отдела 241
АО «Российские космические систе-
Ведущая организация:
мы»
Защита состоится « » декабря 2016 г. в 14 часов 00 минут на заседании диссертационного совета Д 327.008.01 при Институте прикладной геофизики имени
академика Е.К. Федорова по адресу: 129128, г. Москва, ул. Ростокинская, д.9.
С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке ФГБУ
«ИПГ»
по
адресу:
129128,
г.
Москва,
ул.
Ростокинская,
д.9,
//../ − /
Автореферат разослан «
» октября 2016 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета
кандидат физ.-мат. наук
Е.Н.Хотенко
ℎ
:
3
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы.
С 1957 года было произведено более 5000 космических запусков, что привело
к тому, что на околоземной орбите в настоящее время находится более 22 000 отслеживаемых объектов с размерами более 10 см. Примерно 1000 из них находятся
в рабочем состоянии, остальные 94 % являются космическим мусором, то есть это
объекты, которые больше не выполняют никакой полезной функции. Около 64 %
регулярно отслеживаемых объектов являются фрагментами, образовавшимися в
результате взрывов и столкновений спутников или корпусов ракет. Кроме того, по
различным оценкам, на околоземных орбитах порядка 700 000 объектов размером
более 1 см и 170 миллионов объектов размером более 1 мм.
Относительные орбитальные скорости могут достигать 10 км/с, поэтому
объекты космического мусора даже размером 1 см могут серьезно повредить действующий космический аппарат (КА), а столкновение с объектом размером более
10 см приведет к катастрофическим разрушениям. Известен так называемый синдром Кесслера, смысл которого состоит в образовании нового неконтролируемого
«загрязнения» околоземного космического пространства (ОКП) осколками и/или
частицами, образующимися при столкновении вышедшего из строя спутника с
«мусором». По данным NASA на низких околоземных орбитах (300 - 2000 км) в
настоящее время находится значительное число как «мусорных» объектов, так и
«мертвых» спутников, достаточных для запуска этого синдрома. Оценки показывают, что с большой вероятностью в среднем каждые пять лет даже при условии
полного прекращения космических пусков будут происходить серьезные столкновения, а количество мусора будет расти. Поэтому данная проблема представляет
все большую угрозу для осуществления космической деятельности на орбите. В
частности, неконтролируемые объекты могут представлять серьезную опасность
для пилотируемых космических кораблей, в том числе для Международной Космической Станции (МКС).
Одним из способов прогнозирования, а, следовательно, и предотвращения
подобных опасных событий, является определение в режиме, максимально приближенном к реальному времени, баллистических характеристик орбиты таких
объектов. Существующие наземные международные (NORAD’s Space Detection
and Tracking System (SPADATS) и отечественные (CККП МО, РАН) системы контроля ОКП решают огромный круг задач из этой предметной сферы, используя
мощнейшие информационные ресурсы: наземные оптические и радиолокационные
4
обсерватории.
Если говорить о наземных системах, то значительный вклад в исследования
методов обработки информации, получаемой от оптоэлектронных приборов для
определения орбит объектов в ОКП внесли как российские ученые: Колесса А.Е,
Ким А.К., Лугуткин В.Н., Польских С.Д., Бельдюгин И.М., Дубошин Г.Н., Субботин М.Ф., Саваневич В.Е., Брюховецкий А.Б., так и зарубежные: Эскобал П.Р.,
Балк М.Б., Taff L.G., Hall D.L., Bate R. R., Mueller D. D., White J. E., Hartley R.,
Zisserman A. и многие др. Среди организаций, играющих ключевую роль в разработке упомянутых выше отечественных систем следует отметить ПАО «МАК
«Вымпел», ФГУП «НПО Астрофизика», АО «Концерн ВКО «Алмаз – Антей».
Однако принципиальные ограничения наземных систем, связанные, в
первую очередь, с невозможностью круглосуточного наблюдения, негативным
влиянием атмосферы, географическими и геополитическими факторами и практической невозможностью оперативного доступа к событиям на орбите, делает необходимым включение в состав системы наблюдения за ОКП оптикоэлектронных систем космического базирования.
Существующие методы и алгоритмы разрабатывались в основном для наземных средств наблюдения. В то же время бортовая оптико-электронная аппаратура космических аппаратов (КА) существенно отличается как по своим характеристикам, так и по особенностям функционирования. К настоящему времени
исследования и технологии практического использования информации, получаемой от оптико-электронной аппаратуры космического базирования для решения
поставленной задачи, активно развиваются за рубежом. Проведено, как минимум, три успешных испытания экспериментальных спутников, предназначенных
для применения в составе космического сегмента систем слежения за ОКП. Это
оптико-электронная система SBV на аппарате SBX (США) (1996 г. - 2008 г.), первый спутник системы SBSS (США) (2010 г. - настоящее время) и система Sapphire
System (Канада) (2013 г. - настоящее время). Оптико-электронная аппаратура КА
Sapphire производит съемку заданного участка небесной сферы, сохраняет полученные серии снимков в бортовой памяти и передает по радиолинии наземной
станции во время очередного сеанса связи. Наземная компьютерная система осуществляет планирование наблюдений и последующую обработку этих наблюдений. Система реализует алгоритм обработки полученных с орбиты изображений,
осуществляет выделение объектов, распознавание звезд и вычисляет орбиты наблюдаемых объектов.
5
При этом современные системы контроля ОКП предъявляют к бортовой
оптико-электронной аппаратуре все более высокие требования, в частности расширение эффективного динамического рабочего диапазона по критерию сигнал/шум и автоматическое обнаружение и предварительное определение параметров орбит космического мусора на борту КА.
Таким образом,
Актуальность работы
обусловлена насущной необходи-
мостью в рамках глобальной проблемы создания отечественного космического сегмента контроля ОКП разработки экспериментального программно-аппаратного
комплекса на базе бортовой оптико-электронной аппаратуры и проведения космического эксперимента по обнаружению околоземных объектов и определению
их орбит.
Целью диссертационной работы
является разработка методов и алго-
ритмов предварительного определения орбит околоземных объектов по данным
оптико - электронной и навигационной аппаратуры КА и создание бортового программно - аппаратного комплекса контроля баллистических характкристик космического мусора.
Задачи исследования.
Для достижения поставленной цели было необхо-
димо решить следующие задачи:
1. Построить баллистико-информационную модель определения орбит по оптическим наблюдениям и данным навигационной системы КА для анализа
влияния возможных ошибок оптико-электронной и навигационной аппаратуры на достоверность и точность начальной оценки параметров движения
околоземных объектов;
2. Провести расчетно-теоретический анализ влияния ошибок данных, получаемых от обеих систем с целью определения границ применимости разрабатываемой технологии начальной оценки параметров движения околоземных
объектов и планирования реального космического эксперимента;
3. Разработать метод и алгоритм обнаружения и определения положения движущегося слабоконтрастного объекта в серии зашумленных кадров;
4. Разработать метод и алгоритм определения начальных параметров орбит
околоземных объектов непосредственно на борту КА;
5. На базе разработанных алгоритмов и оптико-электронного прибора - фотограмметрического блока (ФГМБ) разработки ЗАО НПО «Лептон» скомплек-
6
сировать программно-аппаратный блок, предназначенный для определения
начальных параметров орбит объектов в ОКП;
6. Провести отработку блока ФГМБ и верификацию алгоритмов в ходе космического эксперимента по летным испытаниям.
Учитывая тенденцию использования орбитальной группировки КА для повышения информативности космического сегмента контроля ОКП в диссертации в качестве самостоятельной задачи выполнено исследование возможности определения начальных параметров орбит объектов в использованием стереоскопической
съемки с двух КА.
Объектом исследования
является оптико-электронная и навигационная
аппаратура, устанавливаемая на реальном КА в сочетании с разрабатываемыми
алгоритмами.
Предметом исследования
является получение, анализ и обработка ин-
формации от оптико-электронной и навигационной аппаратуры реального КА для
определения орбит околоземных объектов.
Научная новизна работы
состоит в том, что в ней впервые:
1. Предложена математическая модель синтезирования информации, получаемой от оптико-электронной и навигационной систем КА для решения задачи
предварительного определения орбит околоземных объектов;
2. Выполнен расчетно-теоретический анализ влияния параметров спутниканаблюдателя и ошибок бортовых данных на достоверность и точность начального определения параметров орбит объектов;
3. Разработан алгоритм обнаружения движущегося слабоконтрастного объекта
и определения его координат на серии зашумленных изображений бортовой
оптико-электронной аппаратуры;
4. Разработан алгоритм начального определения параметров орбит околоземных объектов, предназначенный для работы на борту КА;
5. Впервые в отечественной практике проведена экспериментальная отработка
разработанного программно-аппаратного комплекса начального определения
орбит околоземных объектов в реальном космическом эксперименте.
Достоверность работы.
Достоверность полученных результатов подтвер-
ждается корректным использованием математического аппарата, результатами
7
компьютерного моделирования разработанных методов и алгоритмов, а также
результатами удовлетворительного согласия данных, полученных в космическом
эксперименте с данными объективного контроля.
Практическая
значимость
работы.
Предложенные в работе методы
и алгоритмы обработки информации позволили создать ряд аппаратных и
программных решений, внедренных в систему обработки информации оптикоэлектронных приборов космического базирования.
Внедрение результатов работы.
Разработанные в работе методы и ал-
горитмы обработки информации были использованы:
∙ в производстве ЗАО «НПО «Лептон» для совершенствования существующих
и проектирования новых оптико-электронных приборов космического базирования;
∙ в учебных курсах кафедры «Системы, устройства и методы геокосмической
физики» Московского физико-технического института.
Результаты работы, касающиеся исследования влияния дефектных пикселей на
ПЗС приемнике, компоновки фотограмметрического блока и методики проведения летных испытаний, использовались при реализации федеральной целевой
программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно- технологического комплекса России на 2014 - 2020 годы» (протокол
заседания Конкурсной комиссии, созданной приказом Минобрнауки России от 20
декабря 2013 г. № 1379, от 14 мая 2014 г. № 2014-14-576- 0053-3) в соответствии с
соглашением от 30 июня 2014 г. № 14.575.21.0028 между Минобрнауки России и
Московским физико-техническим институтом, уникальный идентификатор прикладных научных исследований RFMEFI57514X0028.
Соответствие
паспорту
специальности.
Диссертация соответствует
п.2 «Разработка и оптимизация методов расчета и проектирования элементов,
средств, приборов и систем аналитического и неразрушающего контроля с учетом особенностей объектов контроля» и п.6 «Разработка алгоритмического и
программно-технического обеспечения процессов обработки информативных сигналов и представление результатов в приборах и средствах контроля, автоматизация приборов контроля» паспорта научной специальности 05.11.13 - «Приборы
и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий».
На защиту выносятся следующие основные результаты и положения:
8
1. Модель обработки бортовой информации оптико-электронных и навигационных систем КА для решения задачи предварительного определения орбит
околоземных объектов;
2. Метод и алгоритм обнаружения и определения положения движущегося слабоконтрастного объекта в серии зашумленных кадров;
3. Алгоритм начального определения параметров орбит околоземных объектов по бортовым данным КА, предназначенный для применения в бортовой
оптико-электронной аппаратуре КА;
4. Макет бортового программно-аппаратного комплекса начального определения орбит околоземных объектов и результаты космического эксперимента.
Апробация работы.
Результаты работы докладывались на научных кон-
ференциях: 50-я научная конференция МФТИ ”Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук”, Долгопрудный, 2007 г.; 51-я научная конференция МФТИ ”Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук”,
Долгопрудный, 2008 г.; 54-я научная конференция МФТИ ”Проблемы фундаментальных и прикладных, естественных и технических наук в современном информационном обществе”, Долгопрудный, 2011 г.; 3-я Международная научнопрактическая конференция ”Новейшие исследования в современной науке: опыт,
традиции, инновации”, Москва, 2015 г.
Публикации.
Основные результаты диссертации опубликованы в 13 рабо-
тах. Из них 3 статьи опубликованы в научно-технических журналах РФ из перечня ВАК Минобразования.
Личный вклад автора.
Основные результаты, выносимые на защиту, по-
лучены автором лично. Во всех работах, выполненных в соавторстве, соискатель
непосредственно участвовал в постановке задач, обсуждении методов их решения,
получении и анализе результатов исследований.
Структура и объем диссертации.
Диссертационная работа состоит из
введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложения. Общий объем
работы составляет 146 страниц машинописного текста, 29 рисунков и 9 таблиц.
Список литературы включает 104 наименования.
Содержание работы.
Во введении
обоснована актуальность работы. Сформулированы цель ра-
боты и поставленные задачи, показаны научная новизна и практическая значи-
9
мость полученных результатов. Представлено краткое описание структуры работы.
В первой главе
приведен обзор основных методов начального определения
орбит космических объектов по оптическим наблюдениям. Также дано краткое
описание оптико-электронной и навигационной аппаратуры, устанавливаемой на
КА. Показано, что большинство опубликованных в открытой печати методов начального определения параметров орбит по оптическим наблюдениям базируется
на классических методах (Лапласа, Гаусса, Херрика-Гиббса) и ориентированы, в
первую очередь, на наземные оптические системы наблюдения. Для решения специальных задач с использованием данных также от наземных систем разработаны
методы (doudle R method, Ecsobal, 1965) и Гудинга (Gooding, 1993). Что касается
методов практически используемых в настоящее время в зарубежных системах
(Saphire), такие данные в открытой печати отсутствуют.
Учитывая, что в основе решаемой в диссертации задачи лежат оптические
наблюдения объектов с малыми временными интервалами, т.е. малоугловые наблюдения, разрабатываемые алгоритмы базируются на сочетании методов Гаусса
и Херрика-Гиббса.
Для расчета траекторий наблюдаемых тел необходимо знать положение наблюдателя и направление на объект в определенные моменты времени. На борту
КА источником этих данных служат звездные датчики системы ориентации, приемники системы глобального позиционирования и оптические сенсоры, в качестве
которых обычно используются видеодатчики на основе приборов с зарядовой связью.
Принцип работы ПЗС основан на возникновении, хранении и направленной
передаче зарядовых пакетов в потенциальных ямах, образующихся в приповерхностном слое полупроводника при приложении к электродам внешних электрических напряжений. ПЗС обладают весьма высоким квантовым выходом. В благоприятных условиях ПЗС в максимуме спектральной чувствительности обладают
квантовым выходом, достигающим 90%, а в среднем по всей области спектральной
чувствительности квантовый выход ПЗС составляет 50–60%.
В настоящее время существуют две действующие системы глобального позиционирования: ГЛОНАСС (РФ) и GPS (США). Принцип определения положения,
скорости и времени основан на измерения задержки распространения сигнала от
спутников до приемника. Орбиты организованы так, чтобы как минимум 4 спутника всегда были в прямой видимости из любой точки на поверхности Земли.
10
Во второй главе
исследуется влияние возможных ошибок, вносимых бор-
товой навигационной и оптико-электронной аппаратуры на точность начального определения орбит околоземных объектов. Для этого разработана физикоматематическая модель, включающая баллистическую модель, проективную модель оптико-электронной камеры и данные от бортового приемника глобального
позиционирования.
При рассмотрении баллистики пренебрегается влиянием на движение тела возмущающих воздействий: силы сопротивления или электромагнитных сил,
которые стремятся изменить траекторию движения тела, определяемую законами движения задачи двух тел. Также предполагается, что центральную планету
или фокус, относительно которого происходит движение, и рассматриваемое тело
можно трактовать как точечные массы.
Рис. 1: Взаимное положение КА и наблюдаемого объекта в единой системе координат
Схема взаимного положения космического аппарата и объекта в процессе
наблюдения показана на рис. 1. Здесь p - положение КА, r - положение объекта,
e
- единичные вектора от КА к объекту,  - расстояние от КА до объекта.
Для нахождения орбиты объекта по методам Гаусса (определение положе-
ния) и Херрика-Гиббса (определение скорости) необходимо иметь набор векторов
p
положения КА и набор единичных векторов
e
от КА к объекту в моменты
времени  .
Моменты времени  и векторы
p
на борту КА определяются с помощью
11
приемников систем глобального позиционирования ГЛОНАСС/GPS. Значения
векторов e вычисляются по кватерниону ориентации от звездного датчика и проективной модели камеры, установленной на КА.
Предполагается, что на этом этапе найдены координаты объекта на изображениях, полученных с помощью бортовой оптико-электронной аппаратуры в
моменты времени  . Проективная модель камеры связывает обобщенные координаты объекта на изображении
= [, , 1] и трехмерные координаты самого
объекта M = [, , ] в системе координат камеры:
m̃
(1)

˜ = AM,
Матрица  называется матрицей внутренних параметров камеры:
⎡
⎤
  0
⎢
⎥
A = ⎣ 0  0 ⎦
0 0 1
(2)
где (0 , 0 ) - координаты оптической оси в плоскости изображения;  и  отношение фокусного расстояния к физическим размерам пикселя по осям  и 
изображения;  - параметр, описывающий асимметрию осей изображения.
Матрица вращения
B,
связывающая систему координат камеры и геоцен-
трическую систему координат, выражается через кватернион ориентации
[, , , ] от звездного датчика:
⎡
⎤
1 − 2 2 − 2 2 2 − 2
2 + 2
⎢
⎥
B = ⎣
2 + 2 1 − 2 2 − 2 2 2 − 2 ⎦
2 − 2
2 + 2 1 − 2 2 − 2 2
q
=
(3)
Тогда набор единичных векторов направления от КА к объекту находится
по формуле:
e
⃦
⃦
−1
⃦.
= ⃦B−1
A
m̃


(4)
Представленная модель была реализована в среде MATLAB. Алгоритм работы модели представлен на рис. 2. Результаты представлены на рис. 3.
В качестве иллюстрации работоспособности алгоритма на рис. 3 (слева) показана зависимость вероятности неправильного определения орбиты от величины ошибок исходных данных. Из полученных графиков следует, что чем больше
расстояние от наблюдателя до объекта, тем меньше вероятность неправильного
определения орбиты.
12
Рис. 2: Алгоритм работы модели определения орбит
Рис. 3: Зависимость вероятности неправильного определения орбиты от ошибки
определения угловых координат (слева) и зависимость ошибки определения расстояния до объекта от интервала времени между наблюдениями(справа)
13
На рис. 3 (справа) показана зависимость точности предварительного определения параметров орбиты объекта от интервала времени между наблюдениями.
Видно, что ошибка обратно пропорциональна квадрату интервала времени между
наблюдениями.
В третьей главе
приводится описание метода и алгоритмов обнаружения
объектов и определения их относительных координат по серии изображений, полученных в оптико-электронной аппаратуре, установленной на КА.
Оптический сигнал, отраженный от фрагментов космического мусора,
оставляет на видеосенсоре протяженный след. То есть энергия полезного сигнала
оказывается размазанной по многим пикселям. В результате возникает необходимость регистрации малоконтрастных объектов при малых величинах отношения
сигнал/шум(ОСШ). Существующие методы обнаружения и определения координат космических объектов на изображениях, полученных с помощью матричного
видеосенсора, представлены на рис. 4.
Рис. 4: Методы нахождения движущихся объектов на изображениях, полученных
с помощью матричного видеосенсора
В аппаратных методах используется различные способы увеличения времени накопления сигнальной составляющей, так как увеличение времени накопления в  раз улучшает ОСШ в
√
 раз. Однако для их работы требуется априорная информация о направлении и скорости движения объекта, а при начальном
14
определении орбит она неизвестна.
Однокадровые программные методы не дают существенного улучшения
ОСШ по сравнению с многокадровыми. В последних применяется логическое накопление кадров. Если  - число суммируемых кадров, то отношение сигнал/шум
√
¯
улучшается пропорционально , так как среднее значение сигнальной ком
¯ ∼  , а среднеквадратичное отпоненты в результирующем изображении 
√
клонение  ∼ . При этом в реальности увеличение значения ОСШ будет
несколько меньше за счет влияния шумов считывания. Существующие методы
логического накопления кадров предполагают перебор всех возможных скоростей
видимого движения объекта, что требует в свою очередь колоссальных вычислительных ресурсов и потому их практическая реализация возможна только на
земле.
Предлагаемый метод не требует априорного знания скорости движения объекта и не предполагает процедуры перебора возможных значений. Учитывая специфику работы оптико-электронного преобразователя, изображение траектории
на последовательности кадров будет представлять собой прямую пунктирную линию. Предлагаемый метод можно разделить на 3 ключевых этапа:
Детектирование траектории движения. Траектория исследуемого объек-
та рассматривается как непрерывная линия, поиск которой производится по всей
площади видеоизображения. Для определения на изображении линии, по которой
проходит трек исследуемого объекта, воспользуемся преобразованием последовательности кадров ПЗС-матрицы в пространство Радона.
∫︁
∞
∫︁
∞
(, )( −  cos  −  sin )
(, ) =
−∞
(5)
−∞
При этом за параметры линии, соответствующей треку, будем принимать такие
параметры пространства Радона 0 ≤  ≤ , − ≤  ≤  , величина ячейки
которых максимальна.
Оценка скорости движения. Для найденного положения трека на видео-
изображении производится расчет скорости движения объекта в плоскости ПЗСматрицы с учетом реальной формы трека. Выделенный трек исследуемого объекта имеет периодическую структуру в виде пунктирной линии на последовательности изображений за счет специфики работы ПЗС-матрицы. Скорость движения
данного объекта можно вычислить как отношение периода трека к времени получения одного кадра. Так как время фиксировано, то необходимо найти период
трека.
15
Представим найденные отсчеты на видеоизображении, относящиеся к треку
исследуемого объекта, как одномерный массив  , содержащий  значений. Тогда
автокорреляционная функция будет выражаться следующим образом:
−1
1 ∑︁
() =
()( − ),

 = 0, . . . ,  − 1.
(6)
=0
Для нахождения периода надо вычислить преобразование Фурье полученной автокорреляционной последовательности (). Преобразование Фурье будет выражаться следующим образом:
 () =
−1
∑︁
2

()  ,
−
 = 0, . . . ,  − 1,
(7)
=0
где  () – комплексные амплитуды синусоид (гармоник), на которые разлагается
вычисленная автокорреляционная последовательность. Самая большая ненулевая
гармоника будет соответствовать периоду трека исследуемого объекта. В результате использования преобразования Фурье от автокорреляционной функции удается снизить воздействие шумовой составляющей, что приводит к уменьшению вероятности ложного определения и повышает точность вычисления периода трека
исследуемого объекта.
Поиск начального положения объекта. На основе найденного трека объек-
та и его скорости производится расчет начального положения в последовательности кадров. Поиск начального положения объекта на найденном треке является
родственной по отношению к классической задаче в области обработки сигналов: определение задержки отраженного сигнала радара. В задаче определения
начального положения объекта на изображении вдоль траектории временной задержке соответствует смещение вдоль траектории, передаваемому сигналу – модель видимого движения.
По найденной скорости видимого движения с учетом особенности структуры
последовательности ПЗС кадров и используя в качестве функции рассеяния точки
гауссиану вычисляется ожидаемое изображение движущегося объекта.
( − 0 − 0 )2
∑︁ −
2 2
Δ.
 () =

(8)

Для определения положения объекта на найденной траектории, находим
16
корреляцию полученного шаблона и массива яркостей точек вдоль прямой
 () =
−1
∑︁
() ( − ),
 = 0, . . . ,  − 1.
(9)
=0
Положение объекта находится по максимуму корреляции.
Для исследования, оценки работоспособности и определения минимального
соотношения сигнал/шум по предлагаемому методу была разработана модель в
среде MATLAB. Моделирование поступающих на вход данных производилось для
вариантов изображений с разными ОСШ.
На Рисунке 5 представлена зависимость вероятности фатальной ошибки
(слева) и среднеквадратичной ошибки определения координат объекта (справа)
от отношения сигнал/шум. Для сравнения приведены результаты, полученные по
методу, основанному на пороговой обработке.
Рис. 5: Зависимость вероятности фатальной ошибки (слева) и среднеквадратичной ошибки определения координат объекта (справа) от отношения сигнал/шум
Четвертая глава.
В главе проведено обобщение полученных в предыдущих
главах результатов и их экспериментальная отработка в условиях реального космического эксперимента. Разработан и изготовлен программно-аппаратный комплекс (ПАК), предназначенный для летных испытаний в составе КА МКА-ФКИ
(ПН-1). В состав ПАК входят:
∙ специализированное оптико-электронное устройство фотограмметрический
блок (ФГМБ), в разработке которого автор принимал непосредственное участие
∙ программное обеспечение для программируемой логической интегральной
микросхемы (ПЛИС)
17
∙ магистральный последовательный интерфейс для приема команд управления
и передачи телеметрии
∙ высокоскоростной последовательный интерфейс для передачи целевой информации на наземную станцию
∙ алгоритм предварительного определения параметров орбит космического мусора, реализованный в цифровом сигнальном процессоре
Изначально ФГМБ предназначался для отработки научно-технических решений создания перспективной ОЭА в реальных космических условиях. Учитывая возможности ТТХ ФГМБ (табл. 1) автором диссертации было предложено
использовать этот прибор для решения основной диссертационной задачи: летной
отработки алгоритмов обнаружения и начального определения параметров орбит
околоземных объектов.
Основные технические параметры блока ФГМБ приведены в табл. 1, его
внешний вид показан на рис. 7, а блок-схема представлена на рис. 6
Таблица 1: Основные технические параметры блока ФГМБ
Наименование параметра
Ед. изм.
Значение
Масса
Угловое разрешение
Пространственное разрешение (с высоты 820 км)
Угол зрения
Диагональ
Частота кадров
Уровень квантования АЦП
Максимальная наблюдаемая звездная величина
кг
1,9
1’
120
20∘ х15∘
25∘
13
12
6,5M
Длительность непрерывной съемки
Потребление в режиме съемки
Номинальный ток потребления
сек
Вт
мА
м
Гц
бит
80
5,1
190
Представленный программно аппаратный комплекс проходил проверку в ходе летных испытаний прибора ФГМБ, установленного на малом космическом аппарате МКА-ФКИ (ПН1). Спутник был выведен на солнечно-синхронную круговую орбиту высотой 815 км с наклонением 98,9 градусов 22 июля 2012 г.
Летные испытания проводились в период с июля 2012 г. по май 2013 г. В
ходе испытаний периодически производилась съёмка околоземного пространства
18
Рис. 6: Блок-схема прибора ФГМБ
Рис. 7: Внешний вид прибора ФГМБ
с последующим сбросом целевой информации по высокоскоростному радиоканалу
на наземную станцию. Полученные данные, представляющие собой серию снятых
прибором ФГМБ на борту КА кадров вместе с априорной информацией о време-
19
ни, положении, скорости и ориентации КА, использовались для отработки программной части комплекса. Для этого был создан полный аналог прибора ФГМБ,
установленного на КА. Серии кадров с борта КА записывались в энергонезевисимую память прибора, производилась обработка в цифровом сигнальном процессоре, результаты обработки записывалась обратно в память и после завершения
всех операций по высокоскоростному интерфейсу передавались в компьютер для
анализа результатов вычислений.
Были получены предварительные параметры орбит для нескольких серий
изображений. По этим данным производилась идентификация обнаруженных
объектов и оценивалась ошибка определения орбит. Дополнительно для получения независимой оценки данные, полученные в сеансе съемки околоземного пространства, были переданы в Институт прикладной математики им. М.В.Келдыша
РАН . Баллистический Центр ИПМ выполнял оперативные работы по баллистико - навигационному обеспечению полета КА МКА-ФКИ (ПН1) и по полученным
данным провел независимые расчеты. В результате были идентифицированы объекты, попавшие в поле зрения во время сеанса съемки, а также определены параметры орбит этих объектов. Результаты сравнения параметров орбит, полученных
с помощью разработанного ПАК, и полученным из данных объективного контроля, представлены в табл. 2.
Таблица 2: Сравнение вычисленных с помощью разработанного ПАК предварительных значений параметров орбиты объекта №1 с данными объективного контроля
Параметр
Положение, x (км)
Положение, y (км)
Положение, z (км)
Скорость, x (км/с)
Скорость, y (км/с)
Скорость, z (км/с)
Точное
значение
-173.5
1171.1
7072.8
7.1204
-1.6038
0.6200
Оценка параметра
-171.9
1160.6
7075.4
7.3451
-1.7930
0.6752
Полученная
ошибка
-1.5
10.5
-2.6
-0.2247
0.1892
-0.0552
Расчетная
ошибка
24.3
24.3
24.3
0.386
0.386
0.386
Сравнение найденных с помощью разработанного ПАК параметров орбит
объектов и данных объективного контроля позволяет сделать вывод о том, что
ошибка определения параметров лежит в пределах полученных ранее оценок.
20
В пятой главе
в качестве самостоятельной задачи исследована возмож-
ность увеличения точности определения орбит при построении группировки спутников. Оцениваются ошибки определения параметров орбит при синхронной съемке с двух КА, движущихся по одной орбите на некотором расстоянии друг от
друга. С использованием аппарата эпиполярной геометрии, разработаны метод
и алгоритм, реализованные в среде MATLAB, позволяющие определить трехмерные координаты объекта по данным оптических датчиков, установленных на двух
КА. Блок-схема алгоритма представлена на рис. 8.
Рис. 8: Алгоритм работы модели синхронной съемки
На рис. 9 представлена полученная оценка точности определения трехмерных координат объекта.
Из анализа данных следует, что точность повышается на 2 порядка по сравнению с методом определения орбит по данным одного КА.
В
Заключении
приведены результаты, полученные в работе:
1. Построена модель начального определения орбит по бортовым данным КА,
позволяющая найти вероятность определения орбит и точность найденных
параметров орбит в зависимости от точности исходных данных. Получен-
21
Рис. 9: Точность определения координат объекта в зависимости от ошибок определения местоположения (слева) и ошибки определения угловых координат (справа)
спутников-наблюдателей
ная модель может применяться при определении требований к параметрам
оптико-электронной и навигационной аппаратуры КА в зависимости от поставленных задач.
2. Разработаны метод и алгоритм обнаружения и определения положения движущегося малоконтрастного объекта на серии зашумленных кадров, основанный, в отличие от существующих, на статистической обработке изображений
с использованием преобразований Радона, Фурье и корреляционного анализа.
Результаты моделирования показывают, что разработанный алгоритм сохраняет работоспособность при меньших значениях отношения сигнал/шум по
сравнению с существующими алгоритмами. При этом выигрыш в отношении
сигнал/шум составляет как минимум 5 дБ.
3. Разработан алгоритм автоматического нахождения начальных параметров орбит околоземных объектов, предназначенный для работы в оптикоэлектронной аппаратуре, устанавливаемой на борту КА. Результаты моделирования, а также сравнение результатов обработки данных, полученных
с борта КА, и данных объективного контроля подтверждают корректность
работы алгоритма.
4. Разработан аппаратно-программный комплекс обработки данных бортовых
оптико-электронных сенсоров для начального определения орбит космического мусора. Проведены успешные летные испытания аппаратуры в составе
КА МКА-ФКИ (ПН1).
5. Построена модель определения орбит по данным синхронной съемки с двух
22
КА. Результаты моделирования показывают, что для низких околоземных
орбит по сравнению с методом определения орбит по данным одного КА,
точность повышается на 2 порядка. Таким образом показано, что можно существенно повысить эффективность работы системы слежения за околоземным пространством путем создания космической группировки из нескольких
спутников.
ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
Публикации в изданиях, включенных в перечень ВАК РФ:
1. Трещалин А.П. Применение оптико-электронной аппаратуры космических аппаратов для предварительного определения параметров орбит околоземных объектов // Труды МФТИ. - 2012. - Т. 4, № 3. - С. 122-131.
2. Трещалин А.П., Осадчий И.С,. Богданов В.П. Определение положения быстро движущегося малоконтрастного объекта на зашумленном изображении // Журнал радиоэлектроники: электронный журнал. 2014. №3. URL:
http://jre.cplire.ru/iso/mar14/7/text.pdf
3. Иванов Н.А., Митин Е.В., Лобанов О.В., Пашук В.В., Прыгунов М.О.,
Богданов В.П., Осадчий И.С., Трещалин А.П. Влияние интенсивности ионизирующего излучения на распределение темнового тока в пикселях ПЗС-матриц //
Вопросы атомной науки и техники. Серия "Физика радиационного воздействия
на радиоэлектронную аппаратуру". 2014. №1. С.49-51.
Публикации в других изданиях:
4. Кочин А.В., Трещалин А.П. Определение координат быстро движущегося объекта с использованием низкоскоростных видеокамер // Журнал научных
публикаций аспирантов и докторантов. - 2008. - №6.
5. Трещалин А.П., Кочин А.В. Определение трехмерных координат быстро движущегося объекта по видеопотокам от двух камер // Журнал научных
публикаций аспирантов и докторантов. - 2008. - №8.
6. Дубовецкий А.З., Трещалин А.П. Методы восстановления тактовой синхронизации в современных системах передачи данных // Труды XLVI научной
конференции МФТИ. - 2003. - С.5.
7. Трещалин А.П., Дубовецкий А.З. Новые методы устранения межсимвольных искажений в системах связи // Труды XLVI научной конференции МФТИ. 2003. - С.5.
8. Трещалин А.П. Определение координат быстро движущегося объекта с
помощью медленных видеокамер // Труды 50-й научной конференции МФТИ. -
23
2007. - С.10.
9. Трещалин А.П. Определение трехмерных координат быстро движущегося
объекта по видеопотокам от двух камер // Труды 51-й научной конференции
МФТИ. - 2008. - С.15.
10. Трещалин А.П., Дубовецкий А.З. Устранение межсимвольных искажений в системах с многоуровневой амплитудно-импульсной модуляцией // Электронный журнал "Исследовано в России". - 2004. - С.605.
11. Чередин В.Б., Григорьев А.А., Дубовецкий А.З., Трещалин А.П. Современные модемы для передачи телемеханических данных // Современные технологии автоматизации. - 1997. - №1. - С.74.
12. Трещалин А.П. Предварительное определение параметров орбит околоземных объектов с помощью бортовой аппаратуры космических аппаратов //Труды 54-й научной конференции МФТИ «Проблемы фундаментальных и прикладных естественных и технических наук в современном информационном обществе».
Аэрофизика и космические исследования. - М.: МФТИ - 2011. - С.33.
13. Осадчий И.С., Трещалин А.П. Классификация методов предварительного обнаружения изображений звезд для приборов астроориентации космического
базирования. // Тезисы 3-й международной научно-практической конференции
«Новейшие исследования в современной науке: опыт, традиции, инновации», 2015
г., Москва, Научно-издательский центр «Открытие».
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа