Разработка и верификация математического обеспечения астроприборов

• Автор: Никитин, Андрей Владимирович
• Шифр специальности: 01.04.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2004
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 154 с. : ил.

Глава 1. Обзор основных разработок солнечных и звездных датчиков космического аппарата. Задачи математического обеспечения астроприборов
1.1. Роль и место астроприборов на борту космического аппарата
1.2 Обзор принципов работы основных типов солнечных датчиков
1.3 Обзор принципов работы звездных датчиков
1.4 Задачи прикладного математического обеспечения астроприборов
Глава 2 Разработка прикладного математического обеспечения оптического солнечного датчика
2.1 Выбор основных параметров оптического солнечного датчика
2.2 Алгоритм расчета направления па Солнце
2.3 Автоматическое определение оптимального времени накопления сигнала ПЗС-линейки
2.4 Фильтрация данных ОСД
2.5 Определение ориентации внутренней системы координат СД во внешней системе координат
2.6 Геометрическая калибровка ОСД
2.7 Натурные испытания ОСД
Глава 3 Разработка прикладного математического обеспечения оптического звездного датчика
3.1 Алгоритм определения инерциальной ориентации в темпе измерения угловой скорости
3.2 Коррекция порога фрагментатора
3.3 Определение параметров углового движения КА в приборной системе координат ОЗД
3.4 Построение виртуального кадра
3.5 Построение окон на изображении
3.6 Определение фокусного расстояния и координат главной точки
Глава 4 Верификация математического обеспечения астроприборов
4.1. Стенд натурных испытаний ОСД
4.2 Верификация математического обеспечения ОСД
4.3 Динамический стенд испытаний ОЗД
4.4 Верификация математического обеспечения ОЗД
Приложение 1. Определение угловых смещений внутренней системы координат относительно внешней системы координат ОСД
Описание установки
Ориентирование осей внешней системы координат ОСД
Определение угловых смещений плоскости стекла ОСД относительно плоскости
основания
Приложение 2. Результаты верификации математического обеспечения
112.1 Определение инерциальной ориентации втемпе определения угловой скорости
112.2 Определение фокусного расстояния и координат главной точки
Заключение
Литература

Актуальность проблемы
Задача построения и оптимизации основных параметров датчиков астроориентации КЛ 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 1999г., Международной космической станцией с 2000г., двумя КА Ямал-200 с 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;
повышение допустимой 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 номощыо аппаратных средств. Постепенно при ее решении начали исполЕ>зоваться 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 астроприборов за счет совершенствования алгоритмов математического обеспечения солнечных и звездных датчиков.
Для достижения цели решаются следующие задачи:
повышение быстродействия звездного координатора;
повышение помехозащищенности солнечного датчика и звездного координатора;
повышение допустимой скорости углового движения КЛ для функционирования звездного и солнечного датчиков.
Научная новизна^заключается в том, что:
Разработано новое математическое обеспечение оптического солнечного датчика теневого типа с оптической кодирующей маской и ПЗС линейкой.
Разработана новая методика геометрической калибровки, натурных испытаний и определения взаимной ориентации внутренней и внешней систем координат оптического солнечного датчика.
Разработано современное математическое обеспечение оптического звездного датчика, работающего по полю звезд с ПЗС матрицей и сигнальным процессором.
Разработана новая методика уточнения фокусного расстояния и координат главной точки по изображению узлов контрольной сетки динамического стенда испытаний оптического звездного датчика.

Следующим шагом необходимо определтъ направление оси вращения
вектора Солнца. Для этого определим параметры вектора нормали к
полученной плоскости
І.-, = пьп,-п,т,
Н1» = -/іИі + Иі/і іи = Іііп,-ті.
Далее для определения прогноза необходимо определить угловую скорость движения аппарата. Для этого необходимо определить углы между парами векторов, накопленных в буфере: между первым и вторым, затем аналогично между вторым и третьим в соответствии со следующим выражением
саі9 = ІіІі+т,тг+пІп,
В результате будут получены два значения углов между парами векторов направления на Солнце. Зная моменты времени, в которые производились данные измерения, можно определить два значения угловых скоростей движения КА ,9
Для дальнейших вычислений по этим двум результатам определяется среднее значение угловой скорости. На начальном этапе работы фильтра, когда в буфере находятся только два значения вектора направления на Солнце, дальнейшие вычисления осуществляются без определения среднего значения угловой скорости.
Поскольку на столь малых интервалах времени угловую скорость движения КА можно считать постоянной, то закон изменения значений углов между векторами направления на Солнце можно считать линейным. Тогда, на основании полученного среднего значения угловой скорости движения КА можно определить угол между направлением вектора Солнца, полученным при последнем измерении и прогнозируемым значением
Л, ="•(?,-*,)