Введение к работе
Актуальность темы. Спектрофотометрические исследования и картографирование характеристик атмосферы, ионосферы и поверхности Земли с помощью получения изображений с космического аппарата (КА) становятся все более важным источником информации для решения ряда научных и практических задач геофизики, физики атмосферы, геологии, океанологии, климатологии и т.д., а также экологических проблем,связанных с загрязнением окружающей среды. В последнее десятилетие существенное развитие получили бортовые изображающие системы дистанционной диагностики процессов, происходящих в атмосфере Земли и планет, и мониторинга характеристик их поверхности. Методики такой диагностики в зависимости от конкретных направлений исследований основываются на получении на борту КА мгновенных изображений либо монохроматических (в конкретных длинах волн, соответствующих конкретным эмиссиям атмосферы) с помощью изображающих камер, либо мультиспектральных (в различных диапазонах отраженного солнечного света) с помощью видеоспектрометров.
У каждого из этих направлений исследований и мониторинга есть свои специфические экспериментальные особенности. Однако общим для них является получение с изображающих приборов, больших объемов данных и необходимость передачи на Землю максимума информации, которая в них содержится, при имеющихся ограничениях телеметрического тракта. Этого можно достичь, используя высокоэффективные алгоритмы сжатия данных на борту КА в реальном времени и проводя гибкое и адаптивное управление экспериментами, включающее анализ научных данных на борту при большом объеме сопутствующих вычислений.
Поэтому разработка информационно-измерительных систем (ИИС) для автоматизации работ' при проведении спектрофотометрических исследований как на пилотируемых космических аппаратах, так и на автоматических ИСЗ является актуальной научно-технической задачей.
Цель и задачи работы. Целью работы является разработка и создание "интеллектуальной" информационно-измерительной системы для автоматизации спектрофотометрических исследований и экспериментов на борту ИСЗ, которая должна обеспечивать сбор, обработку и выбор наиболее информативной части данных, получаемых от научных приборов для передачи их на Землю, с учетом ограничений
характеристик командной линии и телеметрической системы сбора и передачи данных.
Для достижения этой цели на первом этапе была разработана автономная ИИС для проведения эксперимента с интерферометром и фотометром "Босра" на борту ОС "МИР", которая должна была обеспечить при участии космонавта в управлении экспериментом решение следующих задач:
-проведение эксперимента в различных режимах: в автоматическом, когда режим работы интерферометра выбирается по величине разности скорости счета фотонов в максимуме и минимуме интерференционной картины, и в ручном, когда режим работы устанавливается космонавтом-оператором по этому же признаку, определяемому им по цифровой индикации на пульте управления прибором;
-повышение чувствительности измерительных каналов, детекторы которых построены на фотоумножителях. Для этой цели был использован ряд методов и создзн предварительный малошумящий усилитель;
-обеепечение записи регистрируемых данных измерений на компакт-кассете цифрового магнитофона, встроенного в КИС прибора "Босра";
-разработка аппаратных средств и программного обеспечения (ПО) для наземной обработки данных и получения научных результатов.
ИИС прибора "Босра" и ее программное _обесдснияс—со-дг.;:і;' ийтором-совместно с коллегами из ИКИ РАН в лабораториях Центра научных исследований и разработок (ЦНИР) в городе Дамаске в рамках подготовки научной программы совместного советско-сирийского полета в 1987 г. Сборка, физическая настройка и испытания прибора в целом были проведены при участии специалистов ИКИ и ОКБ ИКИ.
На втором этапе работы были разработаны структура и лабораторный макет ИИС, предназначенной для обслуживания выскоинформативного изображающего комплекса "Диагноз" и ряда других научных приборов, устанавливаемых на борту автоматических ИСЗ. Эта работа проводилась по техническому заданию, подготовленному автором совместно с коллегами из ИКИ РАИ, а технический проект к создание лабораторного макета системы осуществлялись автором к его коллегами в лабораториях ЦНИР'.
На этом этапе решались следующие задачи:
-разработка системы управления работой измерительного
тракта (выбор длительности экспозиции и скважности получения
изображений, защита детекторов от ярких засветок,
термосі абилизация отдельных узлов, считывание и оцифровка данных с ПЗС-матриц);
-выбор структуры системы центрального процессора (СЦП) и элементной базы, используемой для ее построения, с целью получения необходимой производительности ИИС:
-разработка высокоэффективных алгоритмов сжатия данных изображений;
-разработка алгоритмов расчета координат центра масс спутника, подножной точки магнитной силовой линии ка высоте изображения и текущей ориентации спутника для обеспечения адаптивного выбора режима работы научной аппаратуры;
-разработка комплекса мер по повышению надежности аппаратных средств и ПО.
Для обеспечения необходимой производнтельност" ИИС разработана структура, основанная на использовании универсального цифрового сигнального процессора (ЦСП) типа TMS320C-30 фирмы' Texas Instrument, внутренняя архитектура и набор команд которого ориентированы на выполнение параллельных операций. Этот процессор выполняет операции умножения и сложения одновременно за 60 не. Такие характеристики процессора позволяют реализовать процесс сжатия данных по выбранным алгоритмам и проведение вычислений сопутствующих параметров. Кроме того, для повышения эффективности работы ЦСП в состав ИИС входят специально разработанные: два входных процессора, осуществляющих автономно сбор данных с детекторов изображающих приборов; выходкой процессор для автономного обмена данными между ИИС и телеметрической системой ИСЗ, а также система сбора аналоговых данных, рассчитанная на 16 входов (с расширением до 32). Для всех этих разработок были использованы программируемые -логические элементы (ПЛЭ) третьего поколения фирм Altera и Xilinx. ПЛЭ также использовались при создании схемы декодирован»:! адресов микросхем буферов и системной памяти, состоящей из двух банков оперативного запоминающего устройства [ОЗУ) по 1 Мбайту каждый с временем доступа 35 не к двух банков постоянного запоминающего устройства (ПЗУ) по 256 кбайт каждый.
Для создания программного обеспечения с целью устранения избыточности данных изображений был проведен детальный анализ методов и алгоритмов сжатия данных. На основе этого анализа для реализации в ИИС комплекса "Диагноз" были выбраны алгоритмы двумерного дискретного косинусного преобразования, позволяющие проводить преобразование матриц исходных изображений, разбивая их на блоки переменных размеров (4*4, 8*8 и 16*16 пикселов) в зависимости от выбранного режима работы изображающих приборон.
При разработке алгоритмов сжатия были учтены вычислительные возможности применяемого в ИИС цифрового сигнального процессора, который выполняет операции умножения и сложения в одной команде.
Суть этих алгоритмов заключается в ' следующем: заранее рассчитывается матрица коэффициентов С а в зависимости от выбранного размера блоков преобразования, например, 8*8 . или 16*16 пикселов, и запоминается в ОЗУ. Затем выполняется первое матричное умножение и транспонирование полученной матрицы. После этого транспонированная матрица умножается на матрицу коэффициентов С 0 і и результат кодируется в соответствии с выбранным алгоритмом.
Исследования алгоритмов сжатия (на лабораторном макете в
ЦНИР) на тестовых изображениях, с размерами 256*192 пикселов (8
бит для каждого пиксела) аали следующие результаты: число
операций умножения-сложения для изображения с блоками 8*8
пикселов - 811008 операций, а для изображения с блоками 16*16
пикселов - 1622016.
Для кодирования блоков преобразованных изображений разработаны алгоритмы, которые базируются на оценке величин членов этих' блоков. Сначала блок N*N членов делится на подблоки размером ЛЬМ членов. Первый подблок не кодируется и передается без изменений, а остальные кодируются в зависимости от абсолютной величины наибольшего члена подблока и наличия в нем нулевых строк.
Для расчетов текущих координат центра масс спутннха, его ориентации и вычисления координат подкожной точки силовой линии геомагнитного поля, на которой находится спутник, с помощью трассирования на высоту свечения используются алгоритмы, разработанные ранее в ИКИ РАН и адаптированные автором для бортовой реализации.
Начію-техкнчкскап новизна. Правильность выбранных технических решений первой из разработанных систем была подтверждена при выполнении эксперимента "Босра" на борту ОС "МИР" по время полета совместного советско-сирийского экипажа в 1987 г. В эксперименте "Босра" удалось провести прямые измерения температуры нейтральной компоненты верхней атмосферы Т в области южного овала полярных сияний с помощью интерферометра Фабри-Перо.
Полуавтоматическая ИИС интерферометра "Босра" обеспечила активное участие космонавта-оператора в управлении экспериментом на основе разработанных оригинальных программ для встроеннь..: в прибор микропроцессора и пульта управлення с дисплеями, а также сбор данных с детекторов прибора и их запись на кассете компактного цифрового магнитофона через специально разработанный интерфейс.
Управление экспериментом и измерения проводились в двух различных режимах:
- в автоматическом, когда мода сканирования интерферометра устанавливается по заданному алгоритму,
в ручном - космонавт сам устанавливает н изменяет требуемую моду сканирования, наблюдая в процессе эксперимента за скоростью поступления зарегистрированных импульсов, выводимой на устройство индикации пульта управления, или по указаниям экспериментатора с Земли.
Вторая из разработанных автором - автоматическая ИИС предназначена для комплекса "Диагноз". Этот комплекс включает ряд изображающих приборов:
-для исследований характеристик магнитосферно-ионосферных процессов, отображающихся в полярных сияниях, с высоким пространственным и временным разрешением;
-для исследования и мониторинга состояния слоносферы и. других экологических характеристик атмосферы;
Научно-техническая новизна разработанной для этого комплекса ИИС по сравнению, например, с ИИС, использованной в самом последнем из реализованных в области исследований ионосферно-магнитосферных процессов канадско-европейском проекте FREJA (спутгик запущен в октябре 1992 г.), заключается в том. что ИИС комплекса "Диагноз" позволяет проводить сбор данных с шести детекторов изображающих приборов независимо от центрального процессора (ЦП), корреляционный анализ между
данными изображений и данными других научных приборов и необходимые для этого анализа навигационные расчеты. Кроме того, структура ИИС допускает подключение массовой памяти (в виде двух жестких дисков) через интерфейс SCSI для обеспечении набора серии изображений и возможности работы комплекса по "признакам" (например, по градиентам интенсивности эмиссий в одних и тех же областях пространства).
Идеология информационно-измерительной системы проекта "Диагноз" построена так, чтобы она была способна обрабатывать и передавать через телеметрический канал на Землю одновременно цифровые потоки от трех изображающих камер, либо от двух видеоспектромстров. ИИС может также воспринимать в реальном времени данные от ряда других приборов комплекса научной аппаратуры, нацеленных на непосредственные измерения плазменных характеристик вблизи спутника, и проводить корреляционный анализ этих данных с информацией в получаемых изображениях картины свечения верхней атмосферы, с целью выбора приоритетных участков изображений и передачи их на Землю без потерь информации.
При скважности получения изображений один раз в секунду и при работе двух изображающих приборов одновременно максимальный поток данных будет - 800 кбайг/с на неосвещенной части орбиты и 300 кбайт/с - на освещенной.
Поток данных, снимаемый с приборов комплекса "Диагноз", записывается на бортовом магнитофоне телеметрической системы ИГД „ характеристик!'—каторсгс~;:а:;—по— скорость —заїшси,—їак~и—по объему памяти меньше необходимых примерно в 10 раз.
Учитывая ограничения телеметрического тракта для передачи больших объемов информации, с целью устранения избыточности данных изображений с минимальными потерями на систему возлагается либо выбор наиболее важных участков изображений для передачи их без потерь, либо выбор алгоритмов сжатия для передачи всего поля изображения, либо их комбинация. Для этого необходимо в реальном времени проводить обработку на борту всего потока данных, поступающих с детекторов изображающих монохроматических камер, видеоснектрометров и с другой научной аппаратуры, установленной на ИСЗ. Процесс обработки включает:
- сжатие данных изображений с потерями и без потерь;
- нормирование интенсивности излучения одного и того же
участка, зарегистрированной при наблюдениях его под разными
углами в ряде последовательных изображений;
проведение корреляционного, анализа данных с изображающих камер и данных другой научной аппаратуры, в состав которой входят: магнитометр, измеритель электрического поля; волновой комплекс в широком диапазоне частот; анализаторы распределений потоков электронов и ионов на основе нижеследующих расчетов:
расчет параметров орбиты по полученным с Земли исходным данным (дата, tQ, XQ, Y0. Z0, Vx. Vy, Vz> S);
расчет мгновенной ориентации спутника по трем его' осям на основе данных, получаемых от солнечного датчика, магнитометра, датчиков инфракрасной вертикали и датчиков угловых скоростей;
расчет положения подножной точки магнитной силовой линии на высоте свечения на основе расчета прогноза орбиты, модели магнитного поля и программы трассирования;
вычисление привязки конкретных элементов изображения к точке с заданными географическими координатами (сферическая геометрия).
Значительный объем вычислений, которые необхо-имо проводить на борту, потребовал разработки оптимальной структуры системы бортового процессора и использования процессора высокой' вычислительной мощности (быстродействие, объем адресуемой памяти). В ИИС хомплекса "Диагноз" структура системы бортового процессора (СБП) основана на использовании универсального цифрового сигнального процессора, а также специально разработанных входных н выходных процессоров с использованием ПЛЭ. Каждый из двух входных процессоров рассчитан на сбор и предварительную обработку данных с двух детекторов: изображающих камер и видеоспектрометров без участия центрального процессора, а выходной процессор предназначен для передачи обработанных данных из системной памяти в бортовое регистрирующее устройство. (БРУ) телеметрической системы спутника автономно, не занимая время центрального процессора.
Разработанный контроллер интерфейса для обмена данными между ИИС и телеметрической системой ИСЗ с применением программируемых логических элеменов позволяет адаптировать ИИС к телеметрическим системам конкретных ИСЗ с помощью программных средств, не меняя аппаратных.
Учитывая ограничения характеристик командного тракта по количеству команд, закладываемых на борі во время сеанса связи,
я -
в структуре ИИС предусмотрены ресурсы, необходимые для формирования полного набора команд для функционирования комплекса, с использованием кодовых слов режима, которые передаются на борт.
В рамках построения и разработки этой ИИС были найдены следующие новые научно-технические решения:
-разработанная структура ИИС позволяет наращивать число изображающих приборов до шести без изменения аппаратных средств:
-использование в составе ИИС входного процессора, построенного на базе ПЛЭ третьего и четвертого поколений, выпускаемых рядом . ведущих западных фирм, обеспечивает без участия центрального процессора сбор и первичную обработку данных, снимаемых с детекторов изображающих приборов независимо от параметров ПЗС-матриц, используемых в этих детекторах (например, размеров матрицы), времени экспозиции и скважности получения изображений. При этом алгоритмы первичной обработки можно менять путем перепрограммирования ПЛЭ во время полета;
-разработанная структура и вычислительные мощности ИИС (применяется сигнальный процессор третьего поклення типа T.VLS320C-30 фирмы Texas Instrument) позволяют провести б реальном времени пространственно-временной коррелляцнонный анализ информации, полученной в изображениях с распределениями характеристик, плазмы, измеряемых одновременно вблизи спутника;
-разработанный выходной процессор в составе ИИС с использованием ПЛЭ позволяет реализовать любой интерфейс для обмена данными между ИИС и телеметрической снетемой—сдухника-без— участия центрального процессора;
-структура ИИС допускает включение в ее состав дополнительной массовой памяти (в виде двух жестких дисков через контроллер интерфейса SCSI) для обеспечения набора серии изображений-с целью адаптивного выбора режима работы комплекса;
-разработанная система сбора аналоговых сигналов с использованием б качестве контроллера ПЛЭ позволяет провести сбор аналоговых сигналов и их оцифровку без участия центрального процессора.
Основные положення н результаты работы, представляемые к защите:
- Создание полуавтоматической ИИС для прибора "Босра", с которым были проведены эксперименты на борту пилотируемой ОС "/ЛИР".
Создание новой автоматической ИИС, обеспечивающей возможность проведения спектрофотометрических экспериментов с многоцелевым комплексом изображающих приборов нового поколения ("Диагноз") и с другой научной аппаратурой на борту ИСЗ "МЕТЕОР-ЗМ".
Разработка структуры этой ИИС, в состав которой входят: входные процессоры, система центрального процессора, построенная на цифровом сигнальном процессоре типа TMS320C-30 третьего поколения, - а также разработка програмних средств, которые позволяют получить максимальный объем информации из зарегистрированных на борту данных в рамках ограничений бортовой телеметрической системы.
-Разработка целевых высокоэффективных алгоритмов и программ сжатия данных изображений, расчета орбиты, ориентации спутника, трассирования вдоль магнитной силовой линии н анализа на борту данных приборов для диагностики характеристик плазмы. и околоспутинкового пространства, которые позволяют ИИС комплекса "Диагноз" устранить избыточность данных н-эбражений с минимальными потерями информации.
Рекомендации по использованию ИИС "Диагноз". ИИС позволяет' использовать изображающий комплекс "Диагноз" на автоматических ИСЗ различных типов (вращающихся или ориентированных на Землю с трехосной стабилизацией). Разработанный контроллер интерфейса формирует управляющие сигналы интерфейса (стандарт MIL STD-1553B США), используемого на ИСЗ "МЕТЕОР-ЗМ" для обмена данными между научной аппаратурой и телеметрической системой ИСЗ. В случае установки комплекса на ИСЗ с другой телеметрической системой потребуется только перепрограммировать контроллер в соответствии с типом применяемого интерфейса. Функциональные возможности ИИС не фиксированы, что позволяет использовать ее для решения, широкого спектра научных задач, где требуются большие вычислительные мощности для ввода и обработки больших потоков данных.
Личный вклад «штора. Автор принимал непосредственное участие в:
-разработке н создании ИИС прибора "Босра" для измерений на борту ОС "МИР" контура линии АбЗООХ с помощью конфокального интерферометра Фабри-Перо и интенсивности этой линии с помощью фотометра;
-разработке ПО ИИС прибора "Босра" для проведения сбора и предварительной обработки данных в автоматизированном режиме и активного участия космонавта в управлении экспериментом;
-разработке и создании прибора для чтения ленты с информацией, записанной во время эксперимента "Босра" с целью ввода данных в ЭВМ и обработки полученных данных;
-разработке ИИС изображающего комплекса "Диагноз", создании ее макета и проведении испытаний;
-разработке алгоритмов сжатия и кодирования данных изображений, а также алгоритмов,предназначенных для управления экпери-ментом и уточнения режимов работы приборов комплекса "Диагноз".
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на научных семинарах в 1988-1993 годах: по результатам, полученным в проекте "МАРЕД" во время совместного советско-сирийского полета (г. Москва, 1988 г.), на 40-й сессии международной астронавтической федерации (г. Малага, Испания, 1989 г.), на 3-ей международной научно-технической конференции "Деловые люди и хозяйственное освоение космоса" (г. Москва, 1993 г.), на научных семинарах лабораторий прикладной физики и проектирования электронных систем Центра научных исследований и разработок (г. Дамаск, САР, 1990-1991 гг.), на совместном научном семинаре лаборатории .физики магнитосферпых процессов и комплексного отдела ИКИ РАН (г. Москаа, 1992 г.).
Материалы диссертации были доложены на следующих семинарах:
^на науаном семинаре Исследовательского института""
электроники н прикладной физики Центра научных исследований и разработок (г.Дамаск, декабрь 1992 г.);
-на совместном научном семинаре отдела солнечно-земных связей и комплексного отдела ИКИ-РАН (г.- Москва, май 1993 г.);
Ост.; iue результаты и выводы, приведенные в диссертации, опубликованы в шести работах.
Объем н структура диссертации. Диссертация состоит из
введения, четырех глав и заключения, содержит Л У С страниц
машинописного текста. ^~. рисунков, $ таблиц, список
цитированной литературы из ^/YO наименований и fy9 страниц приложений.
- И -