Введение к работе
Актуальность и степень разработанности темы исследования. С развитием космической отрасли, все более актуальным становится вопрос об изучении планет Солнечной системы. Особое место занимает проблема изучения и освоения Луны. В настоящее время планируется осуществление значительного количества программ освоения этого космического объекта. При совершении межпланетных перелетов, одной из главных задач становится обеспечение мягкой посадки космического аппарата. В состав современных отечественных систем спуска на Землю входят пороховые двигатели мягкой посадки, которые включаются непосредственно перед приземлением, снижая скорость аппарата до величины, соответствующей допустимой силе удара о поверхность. Условия посадки на Луну серьезно отличаются от земных по причине разницы влияния гравитационных полей, отсутствия лунной атмосферы, высокого фона радиационного излучения, состава грунта. Следовательно, способ посадки спускаемого аппарата, используемый в земных условиях, может быть не пригоден на Луне.
Таким образом, в настоящее время назрела необходимость определение оптимального метода измерения высоты спускаемого аппарата над лунной поверхностью. В настоящей работе проводится анализ существующих методов и систем измерения высоты, а также рассмотрено влияние на них природных особенностей Луны. Исходя из этого была предложена модель измерительной системы, объединяющая в себе радиоволновый и фотонный способы измерения высоты с помощью нейронной сети.
Цель настоящего исследования состоит в разработке методического и
алгоритмического обеспечения системы измерения параметров движения
спускаемого аппарата над лунной поверхностью с помощью
комплексирования методов радиоволновой и фотонной высотометрии.
Задачи исследования.
-
Разработка математической модели фотонной измерительной системы и исследование характеристик рассеянного лунной поверхностью потока фотонов.
-
Разработка нейросетевого алгоритма измерения параметров движения спускаемого аппарата: высоты, скорости спуска и углов наклона.
-
Разработка метода и алгоритма адаптации процедур измерения к составу грунта подстилающей поверхности.
-
Получение оценок погрешностей измерения параметров движения спускаемого аппарата.
-
Выполнение экспериментов и оценка результатов разработки.
Научная новизна работы.
-
Математическая модель фотонной измерительной системы, позволяющая получать оценки зависимостей интенсивности регистрируемых гамма-квантов от высоты, угла наклона спускаемого аппарата и состава грунта подстилающей поверхности.
-
Нейросетевой алгоритм обработки сигнала фотонной измерительной системы для измерения параметров движения спускаемого аппарата над лунной поверхностью.
-
Нейросетевой алгоритм адаптации фотонной измерительной системы к составу грунта лунной поверхности на основе комплексирования радиолокационной и фотонной измерительных систем.
Теоретическую значимость работы составляет следующие
положения:
-
Математические и компьютерные модели взаимодействия фотонов с подстилающей поверхностью при различном пространственном расположении системы, позволяющие исследовать алгоритмы измерения параметров движения.
-
Нейросетевой метод и алгоритм измерения высоты, скорости и угла наклона спускаемого аппарата над лунной поверхностью, адаптирующийся к составу грунта подстилающей поверхности.
Практическая значимость работы заключается в следующем:
-
Разработано программное обеспечение для моделирования сигналов фотонной измерительной системы, в процессе спуска на поверхность Луны при различных вариантах геометрии расположения источника и приемников излучения.
-
Разработано программное обеспечение для обработки сигналов в фотонной измерительной системе с целью определения высоты, скорости и углов наклона спускаемого аппарата на основе адаптации к составу грунта лунной поверхности.
Методология и методы исследования.
В диссертационной работе использованы методы теории измерений, метрологии, атомной физики, теории вероятностей, математического моделирования, искусственного интеллекта.
На защиту выносятся следующие положения:
-
Математическая модель фотонной измерительной системы позволяет на начальных этапах проектирования в земных условиях настраивать параметры алгоритма измерения высоты, скорости и угла наклона аппарата, спускаемого на лунную поверхность при заданной геометрии расположения источника и приемников излучения.
-
Нейросетевой метод позволяет выполнять измерение параметров движения спускаемого аппарата на малых высотах над поверхностью Луны.
3. В условиях неопределенности состава грунта предложенный нейросетевой метод позволяет выполнять адаптацию к показаниям радиолокационной измерительной системы, полученным на относительно больших высотах.
Достоверность научных и практических результатов обеспечивается корректным применением обоснованных методов исследования и непротиворечивостью результатов моделирования результатам испытаний опытного образца.
Апробация работы.
Результаты работы были рассмотрены и одобрены на следующих конференциях:
международной научно-практическая конференция «Измерения в современном мире - 2013», Санкт-Петербург, Политехнический университет;
10-ой Международной конференции «Современные математические и вычислительные методы в метрологии и испытаниях - АМСТМ 2014», 2014 г., Санкт-Петербург, ВНИИМ им. Д.И. Менделеева;
V Всероссийской научно-практической конференция с международным участием «Измерения в современном мире-2013», 2014 г., Санкт-Петербург, Политехнический университет;
XIII Всероссийской научной конференции «Нейрокомпьютеры и их применение», 2015, Москва; Московский городской психолого-педагогический университет (ГБОУ ВПО МГППУ);
молодежной научно-технической конференции «Инновационный Арсенал молодежи», 2013 г., 2014 г., 2015 г., 2017 г. Санкт-Петербург, ФГУП «КБ Арсенал».
Публикации.
По теме диссертации опубликовано 9 работ:
две статьи в научно-технических журналах, рекомендуемых ВАК;
одна статья в научно-техническом журнале, индексируемая в базе данных Scopus;
семь статей опубликованы в прочих изданиях.
Программное обеспечение зарегистрировано в реестре Федеральной службе по интеллектуальной собственности (Роспатента): свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2017612192.
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и приложения. Общий объем диссертации составляет 129 страниц, в тексте имеется 39 рисунков, 15 таблиц, список литературы содержит 100 наименование.