Введение к работе
Актуальность работы. В отраслях промышленности, связанных с разработкой ИИС, предназначенных для решения целевых задач наведения и навигации, одной из основных проблем является определение параметров коррекции движения управляемого объекта. Подобные измерительные задачи решаются при создании систем наведения и сопровождения объектов с помощью оптико-электронных систем, размещаемых на борту подвижных объектов, при производстве автоматических средств навигации и определения ориентации летательных аппаратов, а также при обеспечении точности движения автономных промышленных транспортных роботов. Похожие проблемы существуют в отраслях промышленности, занимающихся производством аэро-фото-видеоаппаратуры; визуальных, астрономических и медицинских приборов; систем военного назначения.
Анализ открытых источников показывает, что существующие методы определения параметров коррекции движения подвижных объектов имеют технологические и эксплуатационные ограничения, сужающие возможность выполнения целевых задач в условиях внешних эксплуатационных воздействий. В системах, устанавливаемых на борту подвижных объектов, используются методы инерциальной, спутниковой навигации, астронавигации и методы навигации по эталонным картам местности. По отдельности каждая из систем не в состоянии решать все задачи, при этом точность результата достигается применением громоздких вычислительных процедур и дорогостоящих технологических решений.
В аэрокосмических системах наблюдения достигнутый уровень точности ориентации носителя и отсутствие технической возможности реализации не позволяют обеспечить стабилизацию линии визирования на период проведения съёмки заданных объектов. Существует проблема создания бортовых автономных систем сигнатурного зондирования космических аппаратов (КА), имеющих в составе специализированную ИИС, способную определять изменения состояния объектов и других элементов наблюдаемой сцены в реальном масштабе времени и обладающую свойствами самонастройки и самокоррекции. Часть задач может решаться с помощью интегрированной системы, обеспечивающей автоматическое формирование параметров коррекции движения КА в режиме реального времени. Создание такой системы на основе современных достижений в области обработки изображений, новых принципов построения ИИС и накопленного опыта применения в системах наведения и навигации корреляционных алгоритмов является актуальной задачей.
Значительный теоретический вклад в развитие корреляционно-экстремальных методов и алгоритмов обработки изображений внесли отечественные и зарубежные учёные Красовский А.А., Тарасенко В.П., Порфирьев Л.П., Лазарев Л.П., Прэтт У.К., Ту Д., Фу К., Гонсалес Р., Белоглазов И.Н., Баклицкий В.К., Алпатов П.А., Буканов Ф.Ф., Сбродов В.В., Свиридов В.П. и др. Основное внимание в литературе уделено корреляционным, разностным алгоритмам и локальным методам, основанным на сегментации изображений. Практика использования ИИС, в которых реализованы эти методы и алгоритмы, подтвердила высокий уровень метрологических характеристик и быстродействия ИИС.
Объектом исследования является оптико-электронная информационно-измерительная система определения параметров коррекции движения для низкоорбитальных космических аппаратов (КА).
Предметом исследования являются метод и алгоритм определения параметров коррекции движения подвижного объекта по изменению положения произвольных ориентиров на формируемом приёмником изображении подстилающей поверхности.
Целью диссертационной работы является создание ИИС определения параметров коррекции движения для низкоорбитального КА, функционирующей в реальном масштабе времени на основе разработанного метода и алгоритма с использованием эталонных изображений подстилающей поверхности.
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе должны быть решены следующие задачи:
-
анализ существующих методов наведения, навигации и обоснование метода определения параметров коррекции движения подвижного объекта по изменению значений координат ориентиров на формируемом приёмником изображении подстилающей поверхности;
-
анализ влияния внешних условий на формирование оптического изображения и получение энергетических соотношений для выбранной модели наблюдения;
-
разработка математической модели, определяющей связь измеряемых основной навигационной системой параметров движения и доступных измерению координат элементов изображения подстилающей поверхности, формируемого приёмником;
-
разработка на основе предложенного метода определения параметров коррекции алгоритма, обеспечивающего работу ИИС в режимах обнаружения, наведения и стабилизации;
-
разработка структуры ИИС, функционирующей в реальном времени;
-
оценка общей погрешности, быстродействия аппаратной реализации ИИС, а также проведение математического, физико-математического моделирования и полунатурных экспериментов.
Научная новизна работы:
-
Комбинированный метод определения параметров коррекции движения подвижного объекта, базирующийся на измерении смещения элементов формируемого приёмником изображения, отличающийся тем, что измерения, проводимые в условиях мгновенного винтового и вращательного движения носителя, основаны на учёте базового расстояния от фокальной плоскости приемника изображения до центра масс носителя.
-
Модель движения элементов изображения, отличающаяся тем, что для установления связи параметров движения изображения и подвижного объекта проведён кинематический анализ механизма формирования изображения.
-
Алгоритм определения параметров для осуществления коррекции движения подвижного объекта, основанный на периодическом сравнении текущего и эталонного изображения ориентира подстилающей поверхности, отличающийся тем, что применён программно-адаптивный принцип формирования изображений эталонов опорных ориентиров из текущего изображения.
-
Оптико-электронная ИИС, структура которой отличается наличием арифметико-логического блока формирования параметров коррекции, функционирующего на основе предварительно записанных в память расчётных значений соответствия между изменением координат ориентира на текущем изображении и параметров ориентации носителя.
Методы исследований основаны на использовании теорий и положений измерительной техники, цифровой обработки сигналов, оптико-электронных систем, фотограмметрии, теоретической механики, теории статистических решений, аналитической геометрии, а также разделов математического анализа и математических методов обработки эксперимента.
Основные теоретические и практические выводы диссертации подтверждены результатами моделирования на ЭВМ и экспериментальными исследованиями макетных и стендовых образцов.
Практическая значимость:
-
Метод позволяет за счёт изменения входных параметров модифицировать его для решения задач стабилизации пространственного положения подвижного объекта при сближении с другим подвижным или неподвижным объектом, возникающих, например, при стыковке КА или осуществлении мягкой посадки КА на исследуемую поверхность.
-
Модель движения элементов изображения, формируемого приёмником, позволяет устанавливать связь параметров изображения с параметрами ориентации подвижного объекта, осуществляющего сложное составное движение.
-
Алгоритм работы ИИС, адаптирующийся к изменениям условий наблюдения, позволяет автоматически формировать команды замкнутого управления для обеспечения стабилизации пространственного положения подвижного объекта.
-
Аппаратно-программная реализация интегрируемой ИИС, предполагающая использование минимального количества вычислительных операций и отсутствие процедур определения значений наклонной дальности до опорного ориентира местности, позволяет организовать функционирование комплексной навигационной системы в реальном времени.
На защиту выносятся:
-
Метод определения параметров коррекции движения подвижного объекта, основанный на учёте изменения положения ориентиров на формируемом приёмником изображении подстилающей поверхности.
-
Математическая модель, определяющая связь доступных измерению параметров изображения подстилающей поверхности с известными параметрами движения подвижного объекта.
-
Алгоритм формирования сигналов коррекции движения КА, обеспечивающий работу ИИС в режимах обнаружения, наведения и стабилизации.
-
Структура оптико-электронной ИИС, предназначенной для определения в реальном времени параметров коррекции движения КА по формируемым приёмником текущим изображениям подстилающей поверхности.
-
Результаты оценок быстродействия, анализа погрешностей, компьютерного моделирования и экспериментальных исследований ИИС.
Реализация и внедрение результатов работы осуществлены при разработке по заказу ФГУП ГНП РКЦ «ЦСКБ-Прогресс» (г. Самара) информационно-измерительного комплекса многоцелевой космической системы наблюдения малого КА и бортового комплекса целевого управления малого КА. Также ФГУП ГНП РКЦ «ЦСКБ-Прогресс» (г. Самара) используются результаты диссертации, полученные при проведении следующих фундаментальных научно-исследовательских работ (ФНИР), выполняемых по постановлению директивных органов:
-
Разработка методики и алгоритмов оценки статистических характеристик при обработке космической информации. НТО по ФНИР. Шифр темы: «Самара 2», х/д 84/98, Самара, 1998 г.
-
Анализ и исследование алгоритмов опознавания в реальном масштабе времени и возможности создания быстродействующего датчика опознавания наземных ориентиров. НТО по ФНИР. Шифр темы: «Основа-СУД – СГТУ», х/д 84/00, Самара, 2000 г.
-
Проведение исследований обеспечения создания датчика целеуказаний для автоматической поворотной платформы точного наведения целевой аппаратуры малого КА многоцелевой космической системы наблюдения, сбора и передачи информации. НТО по ФНИР. Шифр темы: «Волга», х/д 101/01, Самара, 2001 г.
-
Разработка принципов построения многоконтурной системы управления поворотной платформы точного наведения целевой аппаратуры КА на базе датчика целеуказаний. НТО по ФНИР. Шифр темы: «Волга», х/д 351/02, Самара, 2002 г.
-
Разработка и оценка эффективности принципов построения бортового комплекса целевого управления малыми КА с использованием датчиков целеуказаний, местоположения и ориентации. Отчет по НИР. Шифр темы: «Волга», х/д 129/03, Самара, СамГТУ, 2003 г.
Результаты диссертации используются в учебном процессе кафедры «Электронные системы и информационная безопасность» ФБГОУ ВПО СамГТУ в курсах «Оптико-электронные системы средств дистанционного зондирования», «Телекоммуникационные технологии».
Апробация работы. Результаты работы докладывались, обсуждались и были одобрены на международных, всероссийских и межвузовских научно-технических конференциях, в том числе на XVIII Санкт-Петербургской международной конференции по интегрированным навигационным системам (Санкт-Петербург, 2011), III Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы информационной безопасности. Теория и практика использования программно-аппаратных средств» (Самара, 2010), IХ Всероссийской научно-практической конференции «Компьютерные технологии в науке, практике и образовании» (Самара, 2010), V Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы информационной безопасности. Теория и практика использования программно-аппаратных средств» (Самара, 2011), III Международной научно-технической конференции «Информационные, измерительные и управляющие системы (ИИУС-2012)» (Самара, 2012), VI Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы информационной безопасности. Теория и практика использования программно-аппаратных средств» (Самара, 2012), V Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Математическое моделирование, численные методы и информационные системы» (Самара, 2013).
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 11 печатных работ, в том числе 4 статьи в изданиях из перечня, рекомендуемого ВАК РФ.
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов, выводов и списка литературы из 252 наименований. Общий объем – 165 страниц, 7 таблиц, 54 рисунка, 7 фотографий.
