Содержание к диссертации
Введение
1. Постановка технической задачи 21
1.1 Варианты построения интегрированной системы. 21
1.2 Структура резервного контура 25
1.3 Анализ неконтролируемых факторов сопровождающих работу резервного контура 33
1.4 Метод исследования работоспособности интегрированной системы. 38
1.5 Выводы по главе 1 39
2. Формирование состава моделей и алгоритмов резервного оптико-электронной контура интегрированной системы навигации и определения ориентации . 41
2.1 Математическая модель движения центра масс ИСЗ 42
2.2 Математическая модель движения вокруг центра масс ИСЗ 47
2.3 Математические модели измерений 51
2.4 Алгоритмы обработки угловых измерений 59
2.5 Исходные данные моделирования резервного контура 65
2.6 Результаты моделирования 68
2.7 Выводы по главе 85
3. Формирование моделей и алгоритмов для исследования режимов функционирования резервного контура в составе интегрированной системы 86
3.1 Математические модели и алгоритмы 87
3.2 Исходные данные для моделирования 103
3.3 Результаты комплексирования основного и резервного контуров 105
3.4 Результаты моделирования активной системы стабилизации 109
3.5 Результаты моделирования блока обработки изображения 115
3.6 Выводы по главе 117
Заключение 119
- Структура резервного контура
- Математическая модель движения центра масс ИСЗ
- Исходные данные моделирования резервного контура
- Результаты комплексирования основного и резервного контуров
Введение к работе
ВЛ Автономная навигация ИСЗ
Эффективность решения любой целевой задачи, возлагаемой на искусственный спутник Земли "(ИСЗ), связанной с ориентацией бортовой аппаратуры в заданном направлении, в частности, задач телекоммуникации и дистанционного зондирования, во многом зависит от точности работы систем навигации, ориентации и стабилизации, то есть, при прочих равных условиях, от точности определения параметров движения ИСЗ и обеспечения требуемого углового положения ИСЗ относительно направления на заданный объект.
В общем случае задача определения ориентации ИСЗ не решается без информации о положении и скорости ИСЗ, т.е. решенной задачи навигации, поэтому задачу навигации и определения ориентации следует рассматривать в целом как комплексную.
Решение задач навигации и определения ориентации применительно к ИСЗ подразумевает выполнение следующих основных операций:
• измерение навигационных параметров, то есть величин, явно или неявно связанных с компонентами вектора состояния ИСЗ, как правило, включающего или координаты и скорость его центра масс или параметры орбиты, которые непосредственно измерить невозможно;
• оценку и прогноз компонент вектора состояния ИСЗ;
• решение сопутствующих задач, в первую очередь, задачи оптимального планирования навигационных измерений [32].
Традиционно для решения задач навигации и определения ориентации используется специальная аппаратура, как правило, не предназначенная для каких-либо дополнительных функций. Подобный подход оправдан с точки зрения надежности функционирования ИСЗ в целом в особенности, если система навигации и определения ориентации содержит несколько дублирующих контуров. Использование узкоспециализированной аппаратуры приводит, кроме того, к повышению точности решения задач навигации и определения ориентации ИСЗ. С другой стороны, принятые меры обеспечения точности и надежности системы приводят к ухудшению таких показателей как габариты, масса, энергопотребление и, в конечном счете, стоимость системы.
В настоящее время наиболее распространенным способом навигации ИСЗ является использование измерений, проводимых с помощью наземных комплексов управления (НКУ) [19]. Недостатком данного подхода является необходимость поддержания сети наземных измерительных пунктов, размещенных по всей поверхности Земли, что требует значительных затрат или невозможно по политическим или иным причинам. К недостаткам этого метода можно отнести и его недостаточную масштабируемость с точки зрения количества поддерживаемых ИСЗ, что связано с ограниченностью пропускной способности каналов связи. Обойти эти ограничения возможно переносом части функций НКУ на борт ИСЗ, т.е. сделать систему навигации полностью или частично автономной, когда решение навигационной задачи осуществляется на основе данных, получаемых бортовой навигационной аппаратурой, работающей независимо от средств навигации и связи, находящихся на Земле, других небесных телах или на других ИСЗ.
Применительно к задаче определения ориентации ИСЗ на сегодняшний момент наибольшее распространение получили системы на основе оптико-электронных устройств, проводящих угловые измерения (звездные датчики различных типов, приборы ориентации на Землю и Солнце) и сочетание этих приборов с инерциальными системами. Построение систем навигации и определения ориентации на основе датчиков направления на Землю или Солнце приемлемо, если не требуется высокая точность работы систем вследствие низких точностных характеристик датчиков. Когда речь идет о точностях выше 0,1°, в частности, при наведении алпаратуры связи для поддержания постоянного информационного канала, такие системы применяться не могут Другим, широко используемым средством навигации и определения ориентации в настоящее время яаляются системы инерциальной и астроинерциальиой навигации. Подобные системы требуют периодического использования внешних источников навигационной информации как для юстировки навигационной аппаратуры, так и для периодической компенсации систематических погрешностей [68], Напомним, что общим недостатком всех вышеупомянутых систем является то, что используемая ими дорогостоящая аппаратура необходима только для навигации и определения ориентации и не может быть задействована в решении целевых задач.
На сегодняшний день одной из перспективных систем навигации ИСЗ является система, построенная на основе потребительской аппаратуры глобальных спутниковых радионавигационных систем (ГНС) ГЛОНАСС (Россия) [8] и GPS (США) [67]. Несмотря на то, что этот метод обладает высокой точностью определения навигационных параметров и, фактически, позволяет перейти от постоянного обслуживания каждого ИСЗ с помощью наземного комплекса управления к обслуживанию только созвездия навигационных ИСЗ, он имеет ряд недостатков, ограничивающих его широкое распространение. К таким недостаткам следует отнести неполную автономность и отсутствие гарантированной стабильности навигационного поля для всех потребителей. Вследствие этого такая система не может считаться достаточно надежной. В дополнение к этому, система определения ориентации, основанная на фазовых измерениях аппаратуры ГЛОНАСС/GPS, не всегда удовлетворяет заданным требованиям точности в первую очередь в силу ограничения на габариты ИСЗ и его антенной системы [55].
Таким образом, представляется актуальным создание интегрированной системы навигации и определения ориентации, использующей потребительскую аппаратуру ГЛОНАСС/GPS, и включающую для повышения надежности и точности системы в целом так называемый резервный контур, использующий для решения навигационной задачииные физические принципы.
В рамках данной работы понятие «интегрированная система рассматривается следующим образом:
1. решение задач навигации и определения ориентации формируется в результате интеграции (комплектования) выходных данных основного (ГЛОНАСС/GPS) и резервного контуров;
2. функции двух контуров реализуются единым бортовым вычислительным комплексом;
3. существуют режимы работы системы, обеспечиваемые функционированием лишь резервного контура, некоторые параметры которого определены предварительно по данным основного;
4. параллельно с интегрированной системой разрабатывается инструментальная среда для ее отработки и испытаний.
Наиболее целесообразно, с точки зрения уменьшения состава бортового оборудования и уменьшения затрат в качестве навигационной аппаратуры резервного контура использовать целевую аппаратуру ИСЗ, например оптико-электронный комплекс наблюдения земной поверхности или магнитометры.
Применение для навигации целевой аппаратуры предполагает использование измерений параметров естественных физических полей Земли (гравитационное, рельеф, магнитное поле, изображение подстилающей поверхности). Попытки построить автономную систему навигации ЛА по геофизическим полям осуществлялись давно [4, 30], и если для атмосферных ЛА подобные системы были реализованы, то для ИСЗ они остались на уровне проектов и на сегодняшний день полностью автономных систем навигации и определения ориентации ИСЗ не существует. Их реализации препятствовал ряд причин. Во-первых, поле должно быть достаточно хорошо изучено; его характеристики должны быть предсказуемы в необходимый момент времени в необходимой области пространства с достаточной точностью, иными словами, должна существовать адекватная модель поля. Во-вторых, должна существовать возможность физически реализовать пригодную для использования на КА аппаратуру для измерения требуемых характеристик поля. В-третьих, алгоритмы обработки данных, полученных путем измерения параметров поля бортовой аппаратурой, должны быть реализуемы на борту и обеспечивать необходимую точность.
Рассмотрим, с учетом сказанного выше, возможные варианты построения автономных систем навигации.
Автономные системы навигации и определения ориентации на основе измерений магнитного поля Земли активно разрабатывались в последние годы во всем мире [48, 49, 52, 72, 73»76]. Как показали проведенные исследования этих систем, недостаточная изученность и нестабильность магнитного поля Земли и, как следствие, неточности моделей и большие погрешности измерений, проводимых магнитометрами, приводят к неточному определению параметров движения ИСЗ: положение оценивается с точностью до ста километров, а ориентация не лучше одного градуса.
Исследователями из NASA рассматривались различные варианты калибровки магнитометров, которые позволили, в конечном итоге, улучшить точность навигации и определения ориентации на порядок [48], Тем не менее, даже с учетом этих улучшений точность магнитометрических систем остается удручающе низкой. Следует заметить, что все приведенные выше исследования рассматривали спокойное магнитное поле Земли и не учитывали возможности магнитных штормов, что говорит об оптимистичности этих характеристик.
Анализ публикаций, посвященных навигации по изображениям подстилающей поверхности, например, [18, 35, 39, 44], показывает, что обычно детально рассматривается лишь одна из составляющих рассматриваемой задачи, связанная, как правило, с обработкой изображений. Например, в различных работах не учитываются особенности орбитального движения КА, характеристики аппаратуры, бортовых компьютеров, неконтролируемые факторы различной физической природы, влияющие на возможность и точность проведения измерений и т. д. Следствием такого подхода являются, как правило, завышенные оценки точности навигации КА или технически нереализуемые решения.
Построение автономной оптико-электронной системы только для решения задачи навигации по наземным ориентирам и исследование ее точности проводилось в диссертационной работе М.В. Якобсона [44], где была предложена система навигации, использующая оптико-электронную аппаратуру наблюдения звездного неба и земной поверхности с целью определения координат наземных ориентиров. Эта система позволяет определять положение ИСЗ в пространстве с точностью до единиц километров вдоль околокруговой орбиты в зависимости от состава бортовой аппаратуры, ее характеристик и сочетания неконтролируемых факторов.
Одно из достоинств и особенностей такой автономной системы навигации, а именно способность обходиться без информации об угловом движении ИСЗ вокруг своего центра масс, породило основной ее недостаток — невозможность определять параметры орбиты ИСЗ по одному ориентиру в кадре без дополнительной информации.
Попадание в поле зрения камеры трех и более ориентиров, необходимых для одной из конфигураций рассмотренных в [44], достаточно маловероятно и навигационные измерения становятся редким событием, что существенно сказывается на точности системы. Кроме того, для любых трех ориентиров существуют плоскости неоднозначности, в которых один результат измерений может соответствовать нескольким (до 4-х) различным положениям ИСЗ в этой плоскости [77]. Выбор истинного измерения на основе наблюдения трех ориентиров не представляется возможным. При совпадении плоскости орбиты с упомянутой плоскостью возможна серия ложных измерений, приводящая к срыву навигации. Следует заметить, что измерения проводятся под воздействием большого набора неконтролируемых факторов, влияющих на точность, и для получении серии ложных измерений плоскости не обязательног должны совпадать. Применение рекуррентных байесовских алгоритмов обработки измерений в данной ситуации не способно выправить ситуацию, поскольку после серии ложных измерений возможен длительный интервал прогноза (до трех витков). После этого прогноза проведение измерений, основанных на распознавании наземных ориентиров, будет невозможно из-за несовпадения эталонного изображения, выбираемого по результатам прогноза движения ИСЗ, с текущим изображением Еще одной особенностью системы, рассмотренной в [44], является требование о наличии на борту цифровой карты подстилающей поверхности или каталога наблюдаемых ориентиров. Эта особенность связана с методом формирования измерений и свойственна для любых вариантов указанной системы. В дополнение к трудностям формирования каталога, описанным в [44], необходимо заметить, что размер такого каталога зависит от множества факторов (векторный или растровый вид эталонов, разрешение, глубина цвета, контурные или площадные ориентиры, и т.п.). При самых скромных требованиях и самых компактных методах описания ориентиров и хранения эталонных изображений размер базы данных будет достигать сотен мегабайт, причем, чем выше требуется точность навигации, тем больше должен быть каталог.
Еще одним препятствием на пути формирования бортового каталога ориентиров может стать доступность и стоимость снимков земной поверхности» на основе которых будут создаваться эталонные изображения. Этот фактор может повлиять на стоимость системы в целом или привести к неравномерному распределению по земной поверхности зон наблюдения, содержащих ориентиры, что, в свою очередь, скажется на неравномерности проведения измерений и конечной точности навигации.
Иными словами, возможность создания подобной базы сопряжена с рядом факторов, перечисленных ниже, неучет которых существенным образом сказывается на точности решения задач навигации и определения ориентации:
• доступность информации для формирования базы данных,
• полнота охвата земной поверхности набором ориентиров,
• ограничение на размер бортовой базы данных,
• стабильность характеристик ориентиров,
• подбор данных для каждой конкретной орбиты.
Учитывая эти факторы, представляется очевидным, что не всегда возможно сформировать бортовую базу наземных ориентиров, удовлетворяющую заданным требованием. Поэтому в данной работе рассматривается схема функционирования резервного контура, позволяющая решать задачи навигации и определения ориентации без использования или с использованием ограниченной бортовой базы ориентиров, а именно схема, использующая обработку нескольких текущих (пакета) изображений [60].
Возможно построение системы автономной навигации с использованием камеры и одного или двух широкопольных звездных датчиков, при этом достаточно использовать лишь один распознанный ориентир. Однако, введение в систему звездного датчика (дорогостоящего прибора предназначенного специально для определения ориентации) с целью решения только задачи навигации представляется неоправданным. Очевидно, что наличие на борту ИСЗ какой-либо системы определения ориентации необходимо в любом случае длл ориентации целевой аппаратуры и обеспечения требуемой точности обработки изображений. Заметим, что на основе одного или двух звездных датчиков, возможно построение самостоятельной системы навигации и определения ориентации [23].
Как уже указывалось выше, в данной работе предлагается использование оптико-электронного оборудования наблюдения земной поверхности как части интегрированной системы, в результате чего появляются следующие возможности:
• уменьшение нагрузки на НКУ путем реализации автономной навигации ИСЗ;
• уменьшение состава дополнительной бортовой аппаратуры (за счет исключения аппаратуры, предназначенной для решения только задачи навигации и ориентации);
• повышение надежности функционирования ИСЗ» на которых используется данная технология навигации, в целом;
• повышение оперативности обнаружения и распознавания стихийных бедствий (например, лесных пожаров, извержений вулканов, наводнений) и других интересующих объектов (например, автомобилей или судов) или локальных изменений (например, строящихся объектов) на получаемых изображениях в сочетании с высокоточным определением их координат;
• существенное уменьшение объема передаваемой на Землю информации при : увеличении ее эффективности и информативности (за счет проводимой на борту обработки изображений).
При этом к бортовой аппаратуре предъявляются минимальные дополнительные требования, поскольку интегрированная система предполагает наличие бортового вычислительного комплекса повышенной мощности, способного обрабатывать изображения в реальном масштабе времени. Заметим, что во многих случаях он уже имеется на оснащенных аппаратурой наблюдения земной поверхности ИСЗ, где используется для решения целевых задач.
В то же время, рассматриваемому контуру присуши следующие недостатки:
• построение контура целесообразно только на тех ИСЗ, которые имеют на борту аппаратуру наблюдения земной поверхности, работающую в качестве полезной нагрузки. Разумность установки такой аппаратуры на борту ИСЗ только для решения задач автономной навигации» весьма сомнительна и, вероятно, в таких случаях более целесообразно рассмотреть возможность использования других методов навигации;
• при любом варианте реализации контура предъявляются высокие требования к мощности (прежде всего, быстродействию и объему памяти) бортового компьютера;
• точность навигации сильно зависит от характеристик оптико-электронной аппаратуры;
• необходимо проведение калибровки аппаратуры дистанционного зондирования с использованием внешних источников информации до начала работы резервного контура в автономной режиме;
• в некоторых случаях необходимо разделение ресурсов целевой аппаратуры между решением целевой задачи и функциями, необходимыми для решения задач навигации;
• точность, обеспечиваемая данным методом, сравнительно невысока (положение оценивается с точностью от нескольких сот метров до единиц километров, а ориентация от единиц угловых минут до одного градуса).
Однако, несмотря на перечисленные недостатки, рассматриваемая технология автономной навигации представляется весьма перспективной. Дело в том, что часть недостатков фактически представляет собой ограничения на использование рассматриваемого метода, присущие в той или иной степени любой технологии.
Другая часть недостатков, связанная с точностью, может быть преодолена. На сегодняшний момент область электроники, связанная с устройствами получения цифрового изображения, переживает значительный рост, что проявляется в появлении высокоточных чувствительных элементов с невысокой стоимостью. Можно предположить, что в самом ближайшем будущем зависимость точности навигации по наземным ориентирам от аппаратуры получения изображения будет играть второстепенную роль. Мощность бортового компьютера при современном уровне развития вычислительной техники тоже отходит на второй план.
Использование оптико-электронной аппаратуры для навигации и определения ориентации не в качестве отдельной системы, а как резервного контура интегрированной системы, использующей ГЛОНАСС/GPS технологии, позволяет провести калибровку оптико-электронной аппаратуры, в результате чего можно существенно повысить точность работы резервного контура.
В связи со сказанным выше, обсудим основные объективные предпосылки к созданию резервного контура автономных систем навигации ИСЗ, а именно, состояние и тенденции развития современных систем ИСЗ и систем оптического дистанционного зондирования земной поверхности,
В.2 Состояние и тенденции развития спутниковых систем
В последнее время развитие космических систем во многом определяется двумя факторами: с одной стороны, сокращаются государственные ассигнования в космическую отрасль, причем не только в России, но, в той или иной степени, во всех ведущих космических державах; с другой стороны, активно развиваются коммерческие космические системы, причем к ИСЗ и спутниковым системам предъявляются все более высокие требования, выполнение которых оказывается возможным только за счет быстрого прогресса в различных областях науки и техники. Рассмотрим, каким образом эти обстоятельства влияют на развитие ИСЗ и спутниковых систем.
В настоящее время на орбите функционирует несколько систем, состоящих из большого количества ИСЗ, планируется развернуть еще несколько подобных систем, прежде всего, систем связи (например, системы Гонец, Globalstar, Iridium, Teledesic и другие [71, 75]). При создании таких систем, с одной стороны, серийное производство ИСЗ, составляющих систему, позволяет уменьшить стоимость каждого ИСЗ, вместе с тем, такие многоспутниковые системы значительно увеличивают нагрузку на НКУ. Вследствие этого в последнее время активно ведется исследование возможности решения на борту ИСЗ, входящих в состав многоспутниковых систем, части задач, традиционно решаемых НКУ [39, 57], в том числе, задачи навигации.
Одновременно постоянно увеличивается время активного функционирования ИСЗ на околоземной орбите, достигая для разрабатываемых в настоящее время ИСЗ 7 — 15 лет, необходимость чего вызвана высокой стоимостью развертывания новых систем, замены вышедших из строя спутников, а также миграции пользователей с одной системы на.другукх Понятно, что для обеспечения такого времени функционирования необходимо радикальное увеличение надежности ИСЗ, что достигается не только повышением надежности отдельных компонентов, но и увеличение избыточности бортовых систем ИСЗ, Для этого может использоваться как обычное горячее или холодное резервирование, то есть использование принципиально одинаковых приборов для обеспечения резервирования, так и альтернативные структурные решения, в том числе с использованием оборудования, основанного на других физических принципах. При этом в истории космонавтики уже есть примеры использования целевой аппаратуры для решения несвойственных ей задач, например, имели место прецеденты использования научной аппаратуры (телескопа) взамен вышедшего из строя звездного датчика и магнитных катушек научных приборов для решения задач определения ориентации и стабилизации.
Несмотря на миниатюризацию в области электроники, размер «больших» спутников (с массой более 1 Т-) постоянно увеличивается из-за возрастания функциональных возможностей, что связано с ростом массово—габаритных характеристик и энергопотребления значительной части целевой аппаратуры, необходимостью повышения надежности, в том числе путем увеличения степени резервирования, и другими причинами. В то же время, все более широко применяются малые спутники, как правило разрабатываемые и применяемые для отработки инновационных технологий, а также для решения различных задач научного и прикладного характера. Во многом в связи с развитием малых спутников в последнее время появился термин «система минимального состава», под которой понимается система, в которой традиционные задачи, например, задача навигации ИСЗ, решаются значительно уменьшенным (по сравнению с традиционным) составом оборудования. К таким системам можно отнести, упоминавшиеся выше, системы на основе магнитометров в качестве дешевого и легкого оборудования, позволяющего определять параметры движения центра масс и углового движения ИСЗ как в сочетании с другими бортовыми приборами (например, гироскопами), так и самостоятельно, что позволит свести состав системы навигации к минимуму путем создания безгироскопной системы автономной навигации и ориентации ИСЗ [75].
По сравнению с другими технологиями, прогресс в области вычислительной техники носит «взрывной» характер. Так, если процессоры БЦВК, используемые в настоящее время, имеют мощность менее 1 МОПС, то для разрабатываемых ИСЗ используются бортовые цифровые вычислительные машины (БЦВМ) с процессорами, имеющими быстродействие до сотен МОПС и более [69, 70]. Весьма характерным примером современного БЦВК является БЦВК малого ИСЗ (около 100 кг) PROBA [74]. В состав этого БЦВК входят универсальный процессор с быстродействием 10 МОПС и 2 МФЛОПС и 32-битный сигнальный процессор с быстродействием 15 МОПС и 45 МФЛОПС для обработки изображений на борту. При этом массово-габаритные характеристики БЦВК стремительно уменьшаются [69, 70].
Аналогичными темпами развивается и память. На сегодняшний момент существуют микросхемы оперативной памяти включающие в себя 256 Мбит, На современных ИСЗ уже есть прецеденты использования бортовой памяти объемом 90 Гбит [62]. .
Из сказанного выш следует, что актуальность разработки методов автономной навигации резко возрастает в настоящее время в связи с разработкой многоспутниковьгх низкоорбнтальных систем, для создания которых привлекаются не только государственные средства, но и средства промышленно-финансовых структур. При этом, в связи с активным развитием БЦВМ представляется возможным и целесообразным разрабатывать системы, активно использующие обработку информации на борту, в том числе и системы навигации, основанные на бортовой обработке изображений земной поверхности.
Рассмотрим основные тенденции развития систем получения изображения земной поверхности. Наиболее заметной тенденцией в развитии таких систем является увеличение разрешающей способности, которая для перспективных коммерческих систем составляет единицы метров [54, 62].
Известно, что создание оборудования, обладающего одновременно высоким разрешением и большим полем зрения, сопряжено с большими технологическими трудностями. Так, в настоящее время реально используются линейные приборы с зарядовой связью (ПЗС) размерностью не более нескольких тысяч элементов и матричные ПЗСД каждая из сторон которых также содержит не более нескольких тысяч элементов [53, 62]. Радиометры и другое бортовое оборудование, построенное на принципах, отличных от используемого в ПЗС, позволяют получать аналогичное соотношение, т. е. до нескольких тысяч элементов по ширине поля зрения. Вследствие этого при полосе обзора 1000 —2000 км и более, необходимой для организации глобального мониторинга земной поверхности с приемлемой частотой повторного наблюдения заданного участка земной поверхности, разрешение составляет от нескольких сот метров до нескольких километров. При использовании же разрешения порядка единиц — десятков метров, необходимого для детального анализа изображения, например, распознавания объектов, поле зрения не превышает десятков —сотен километров. В последнее время все более популярным становится решение этого противоречия следующим образом. На борту устанавливается два прибора для наблюдения земной поверхности, один из которых — низкого разрешения — используется для глобального обзора, а другой — высокого разрешения с возможностью перенацеливания по нормали к плоскости орбиты в пределах полосы обзора первого — для детального наблюдения. При наличии на борту средств оперативного автоматического анализа изображения такая комбинация оборудования позволит первым прибором обнаружить интересующий объект, а вторым — осуществить его детальную съемку с целью идентификации и определения координат на том же пролете [51]. Такой подход предполагается использовать, например, на ИСЗ пожарного мониторинга НОМОС [43] и FIRES [45]. В обеих системах постоянный обзор местности осуществляется оборудованием низкого разрешения. При этом полученные данные обрабатываются на борту и, в случае необходимости, на интересующие участки земной поверхности наводится аппаратура высокого разрешения» Такой подход позволяет получить детальный снимок обнаруженного объекта (в упомянутых случаях — пожара) при первом пролете над ним, в то время как для любой традиционной системы дистанционного зондирования интервал между обнаружением и детальной съемкой составляет от нескольких часов до нескольких дней [22].
Кроме того, использование матричных ПЗС в камере высокого разрешения позволяет получить в течение короткого промежутка времени подряд несколько снимков одного участка поверхности Земли. Это обстоятельство позволяет проводить пакетную обработку снимков и может существенно улучшить точность бортовой навигационной системы по наблюдениям земной поверхности вследствие увеличения избыточности измерений.
Еще одной тенденцией развития космических систем дистанционного зондирования является возможность осуществлять часть операций по обработке информации, в частности, изображений, на борту ИСЗ с целью уменьшения требований, предъявляемых к аппаратуре передачи данных на НКУа и повышения качества передаваемой информации» Эта возможность появилась в последние годы благодаря повышению вычислительной мощности БЦВК. В настоящее время во многих странах ведутся работы по повышению эффективности использования бортовой аппаратуры наблюдения земной поверхности путем выполнения значительной части операций по обработке снимков на борту ИСЗ.
Кроме упомянутых выше систем НОМОС и FIRES и ИСЗ PROBA, примерами успешного применения данного подхода являются малые ИСЗ Iconos, Quick Bird, принадлежащих Space Imaging, и серия микроспутников UoSAT, разрабатываемых в Университете Суррей (Великобритания) [53, 54]. Путем использования обработки полученных изображений на борту, включающего автоматическое "отбраковывание" изображений по критерию информативности, выбор оператором интересующих снимков по уменьшенным изображениям и сжатие передаваемых изображений, удалось добиться увеличения количества передаваемых на Землю снимков в 3 — 5 раз, причем с повышенной долей качественных снимков.
Таким образом, развитие систем дистанционного зондирования в сочетании с ростом возможностей по обработке полученных изображений на борту создают реальные предпосылки для использования изображений не только по целевому назначению (для решения задач дистанционного зондирования), но и в других целях, например, для решения задач навигации и определения ориентации.
В.З Кратная характеристика диссертационной работы
Как показал приведенный выше анализ состояния и тенденций развития современных космических систем, систем дистанционного зондирования и оптических средств навигации, исследования в области разработки автономных интегрированных систем навигации и определения ориентации ИСЗ в настоящее время представляются весьма актуальными.
Целью данной работы является формирование облика резервного контура, использующего аппаратуру наблюдения земной поверхности, в составе интегрированной системы навигации и определения ориентации, использующей в качестве основных средств навигации ГЛОНАСС/GPS технологии. В рамках данной работы понятие «облик» включает:
• структуру контура и его место в интегрированной системе, состав бортовой аппаратуры, ее возможные сочетания и режимы работы,
• состав моделей и алгоритмов, обеспечивающих решение задачи навигации, включая ориентацию, как резервным контуром, так и всей системы в целом, с учетом влияния широкого спектра неконтролируемых факторов.
• характеристики резервного контура системы навигации и определения ориентации, включая априорную оценку точности навигации и ориентации, а также пределы применимости рассматриваемой технологии и требования к параметрам ИСЗ и апоаратуры.
В Главе 1 «Постановка технической задачи» сформулирована задача формирования резервного контура как части интегрированной системы, использующей ГЛОНАСС/GPS технологии. Проведен анализ особенностей контура, являющихся следствием формирования навигационных параметров на основе результатов обработки изображений. Предложена схема формирования навигационных углов на основе анализа изображений подстилающей поверхности (как единичного изображения, так пакета кадров). Разработаны возможные схемы реализации, как данного контура, так и интегрированной системы в целом. Проведен анализ неконтролируемых факторов, присутствующих в рассматриваемой задаче, предложены методы их учета и компенсации их влияния на точность процесса навигации.
В Главе 2 ((Формирование состава моделей и алгоритмов резервного оптико-электронного контура интегрированной системы навигации и определения ориентации» определен состав моделей, необходимых для решения задач навигации и определения ориентации резервным контуром, а также их математическая форма. Разработаны модели угловых измерений для различных конфигураций бортового навигационного оборудования. Рассмотрены модели неконтролируемых факторов влияющих на возможность и точность проведение измерений. Определены возможные алгоритмы обработки угловых измерений, применимых к решению рассматриваемой задачи. Приведены результаты исследования (по методу имитационного моделирования) точности самостоятельного функционирования резервного контура в зависимости от характеристик бортовой аппаратуры, параметров орбиты ИСЗ и широкого спектра неконтролируемых факторов.
В Главе 3 «Формирование моделей и алгоритмов для исследования режимов функционирования резервного контура в составе интегрированной системы» сформированы алгоритмы, позволяющие совместно обрабатывать информацию от основного и резервного контуров с целью компенсации систематических ошибок резервного контура и повышения точности интегрированной системы в целом» Рассмотрены различные схемы совместной обработки информации от контуров. Показаны пределы применения технологии комшіексирования по отношению к данной задаче. Выявлены зависимости эффективности комплектования от параметров бортовой аппаратуры и неконтролируемых факторов. Сформированы модели активной системы стабилизации на основе двигателей-маховиков. Разработан алгоритм системы управления ориентацией и стабилизацией, использующий информацию резервного контура- Исследовано влияние активной системы стабилизации на точность функционирования резервного контура. Показано, что возможно построение активной системы управления ориентацией и стабилизацией ИСЗ на основе информации от резервного контура. Сформированы модели и алгоритмы для совместного имитационного моделирования резервного контура и блока обработки изображений, в ходе которого были выявлены дополнительные ограничения на применение рассматриваемого резервного контура. Было также показано, что использование дополнительной информации от блока обработки изображений о повороте текущего изображения относительно эталонного может существенно улучшить оцениваемость угла рысканья.
В результате исследований, проведенных в данной работе, получены следующие новые научные результаты:
1. сформирован облик резервного оптико-электронного контура в составе автономной интегрированной системы навигации и определения ориентации, использующей ГЛОНАСС/GPS технологии, для малого ИСЗ;
2. предложены конкретные варианты реализации как интегрированной системы в целом, так и ее резервного контура;
3. проведены классификация и анализ неконтролируемых факторов различной природы, определяющих, в конечном счете, точность решения задач навигации и определения ориентации резервным контуром, а также предложены методы учета и компенсации влияния этих факторов, в том числе с целью получения гарантированных оценок точности;
4. создан инструментарий, включающий математические модели угловых измерений, учитывающие неконтролируемые факторы различной физической природы, и алгоритмы обработки этих измерений для различных конфигураций бортового навигационного оборудования;
5. разработан специ&тизированный программный комплекс, предназначенный для исследования характеристик автономной интегрированной системы навигации ИСЗ путем имитационного моделирования процессов ее функционирования;
6. показано, что для ИСЗ, оснащенных оборудованием наблюдения . земной поверхности с разрешением порядка десятков — сотен метров и находящихся на околокруговых орбитах высотой 500 — 900 км, рассматриваемый метод позволяет получить гарантируемую точность решения задачи навигации (в смысле максимальной ошибки навигации) не хуже единиц километров, а задачи определения ориентации не хуже одного градуса при наихудших сочетаниях неконтролируемых факторов. Проведен анализ поведения ошибок навигации и определения ориентации во времени; исследовано влияние параметров орбиты, характеристик аппаратуры и неконтролируемых факторов различной природы на точность навигации в установившемся режиме;
7. показано, что совместная обработка информации от основного и резервного контуров позволяет оцепить и компенсировать систематические ошибки последнего, а также улучшить точность определения ориентации интегрированной системой более чем в два раза;
8. показана возможность построения активной системы управления ориентацией и стабилизацией ИСЗ на основе информации от резервного контура;
9. показано, что использование пакетной обработки изображений позволяет повысить точность резервного контура и уменьшить размер бортового каталога ориентиров;
10. предложены рекомендации и ограничения по составу аппаратуры, по архитектуре, составу бортовых моделей и алгоритмов резервного контура.
Работа выполнена в Московском Авиационном Институте (Государственном техническом университете) под руководством профессора М. Н. Красилыцикова.
Апробация работы. Работы по тематике данной диссертации проводились в рамках научно-исследовательских работ, финансируемых Министерством Образования России и фондом INTAS [33,36-38]. Промежуточные результаты исследований докладьшались автором на V-ой всероссийской конференции, Москва, МАИ, май 1999, VI-ой всероссийской конференции, Москва, МАИ, май 2002, 4-ой международной конференции Европейского космического агентства (ESA) по системам управления и контроля, Нордвик, Нидерланды, октябрь 1999, на конференции в впатории, июль 2000, 51-ом Конгрессе Международной Астронавтической Федерации (МАФ), Бразилия, октябрь 2000, SO-ом Конгрессе МАФ, Амстердам, 1999, и были опубликованы в соответствующих трудах или сборниках тезисов, а также в журналах «Полет» №3,2000г. и «Известия РАН, Теория и системы управления» №2, март-апрель 2001г [5,24-26,23,29,59,65].
Практическая значимость. Велись совместные работы с рядом российских и зарубежных университетов, имеющие своей целью реализацию автономной системы навигации по наземным ориентирам на ИСЗ, создаваемом Техническим университетом г. Дрезден (Германия) [55,75].
На защиту выносятся следующие основные положения диссертационной работы:
1. варианты состава и структуры резервного оптико-электронного контура в составе автономной интегрированной системы навигации и определения ориентации малого ИСЗ;
2. комплекс моделей и алгоритмов, обеспечивающих .решение задач навигации и определения ориентации резервным контуром, как в автономном режиме, так и в составе интегрированной системы;
3. результаты исследования характеристик резервного контура в составе интегрированной системы навигации и определения ориентации малого ИСЗ.
Структура резервного контура
Как показал приведенный выше анализ состояния и тенденций развития современных космических систем, систем дистанционного зондирования и оптических средств навигации, исследования в области разработки автономных интегрированных систем навигации и определения ориентации ИСЗ в настоящее время представляются весьма актуальными.
Целью данной работы является формирование облика резервного контура, использующего аппаратуру наблюдения земной поверхности, в составе интегрированной системы навигации и определения ориентации, использующей в качестве основных средств навигации ГЛОНАСС/GPS технологии. В рамках данной работы понятие «облик» включает: структуру контура и его место в интегрированной системе, состав бортовой аппаратуры, ее возможные сочетания и режимы работы, состав моделей и алгоритмов, обеспечивающих решение задачи навигации, включая ориентацию, как резервным контуром, так и всей системы в целом, с учетом влияния широкого спектра неконтролируемых факторов. характеристики резервного контура системы навигации и определения ориентации, включая априорную оценку точности навигации и ориентации, а также пределы применимости рассматриваемой технологии и требования к параметрам ИСЗ и апоаратуры.
В Главе 1 «Постановка технической задачи» сформулирована задача формирования резервного контура как части интегрированной системы, использующей ГЛОНАСС/GPS технологии. Проведен анализ особенностей контура, являющихся следствием формирования навигационных параметров на основе результатов обработки изображений. Предложена схема формирования навигационных углов на основе анализа изображений подстилающей поверхности (как единичного изображения, так пакета кадров). Разработаны возможные схемы реализации, как данного контура, так и интегрированной системы в целом. Проведен анализ неконтролируемых факторов, присутствующих в рассматриваемой задаче, предложены методы их учета и компенсации их влияния на точность процесса навигации.
В Главе 2 ((Формирование состава моделей и алгоритмов резервного оптико-электронного контура интегрированной системы навигации и определения ориентации» определен состав моделей, необходимых для решения задач навигации и определения ориентации резервным контуром, а также их математическая форма. Разработаны модели угловых измерений для различных конфигураций бортового навигационного оборудования. Рассмотрены модели неконтролируемых факторов влияющих на возможность и точность проведение измерений. Определены возможные алгоритмы обработки угловых измерений, применимых к решению рассматриваемой задачи. Приведены результаты исследования (по методу имитационного моделирования) точности самостоятельного функционирования резервного контура в зависимости от характеристик бортовой аппаратуры, параметров орбиты ИСЗ и широкого спектра неконтролируемых факторов.
В Главе 3 «Формирование моделей и алгоритмов для исследования режимов функционирования резервного контура в составе интегрированной системы» сформированы алгоритмы, позволяющие совместно обрабатывать информацию от основного и резервного контуров с целью компенсации систематических ошибок резервного контура и повышения точности интегрированной системы в целом» Рассмотрены различные схемы совместной обработки информации от контуров. Показаны пределы применения технологии комшіексирования по отношению к данной задаче. Выявлены зависимости эффективности комплектования от параметров бортовой аппаратуры и неконтролируемых факторов. Сформированы модели активной системы стабилизации на основе двигателей-маховиков. Разработан алгоритм системы управления ориентацией и стабилизацией, использующий информацию резервного контура- Исследовано влияние активной системы стабилизации на точность функционирования резервного контура. Показано, что возможно построение активной системы управления ориентацией и стабилизацией ИСЗ на основе информации от резервного контура. Сформированы модели и алгоритмы для совместного имитационного моделирования резервного контура и блока обработки изображений, в ходе которого были выявлены дополнительные ограничения на применение рассматриваемого резервного контура. Было также показано, что использование дополнительной информации от блока обработки изображений о повороте текущего изображения относительно эталонного может существенно улучшить оцениваемость угла рысканья.
В результате исследований, проведенных в данной работе, получены следующие новые научные результаты: 1. сформирован облик резервного оптико-электронного контура в составе автономной интегрированной системы навигации и определения ориентации, использующей ГЛОНАСС/GPS технологии, для малого ИСЗ; 2. предложены конкретные варианты реализации как интегрированной системы в целом, так и ее резервного контура; 3. проведены классификация и анализ неконтролируемых факторов различной природы, определяющих, в конечном счете, точность решения задач навигации и определения ориентации резервным контуром, а также предложены методы учета и компенсации влияния этих факторов, в том числе с целью получения гарантированных оценок точности; 4. создан инструментарий, включающий математические модели угловых измерений, учитывающие неконтролируемые факторы различной физической природы, и алгоритмы обработки этих измерений для различных конфигураций бортового навигационного оборудования; 5. разработан специ&тизированный программный комплекс, предназначенный для исследования характеристик автономной интегрированной системы навигации ИСЗ путем имитационного моделирования процессов ее функционирования; 6. показано, что для ИСЗ, оснащенных оборудованием наблюдения . земной поверхности с разрешением порядка десятков — сотен метров и находящихся на околокруговых орбитах высотой 500 — 900 км, рассматриваемый метод позволяет получить гарантируемую точность решения задачи навигации (в смысле максимальной ошибки навигации) не хуже единиц километров, а задачи определения ориентации не хуже одного градуса при наихудших сочетаниях неконтролируемых факторов. Проведен анализ поведения ошибок навигации и определения ориентации во времени; исследовано влияние параметров орбиты, характеристик аппаратуры и неконтролируемых факторов различной природы на точность навигации в установившемся режиме;
Математическая модель движения центра масс ИСЗ
В данной главе сформулирована постановка технической задачи формирования облика резервного контура интегрированной системы навигации и определения ориентации ИСЗ, включая методику формирования навигационных параметров на основе результатов обработки изображений с учетом технических ограничений и анализа неконтролируемых факторов.
Суть предлагаемой методики решения задачи навигации состоит в следующем: на Земле на основе априорных данных формируется каталог наземных ориентиров, «привязанных» к гринвичской системе координат; в процессе полета периодически формируются текущее (полученное с помощью аппаратуры наблюдения) и эталонное (формируемое с помощью бортового компьютера) изображения подстилающей поверхности; текущее изображение хранится в памяти в течение нескольких последующих измерений для пакетной обработки; полученные текущее и эталонное изображения обрабатываются с целью идентификации одноименных элементов и определения их координат на текущем изображении; пакет текущих снимком обрабатывается с целью нахождения их взаимной привязки; на основе результатов обработки изображений формируются навигационные углы; навигационные углы обрабатываются совместно с текущей оценкой вектора состояния КА с целью ее уточнения. Выделены две основные составляющие задачи навигации по наземным ориентирам: задача обработки изображений, которая подробно не рассматривается в данной работе, и задача навигации по информации, полученной в результате обработки изображений.
Предложены конкретные варианты реализации рассматриваемой технологии, характеризующиеся различным составом оборудования и структурой системы.
В ходе анализа неконтролируемых факторов различной природы показано, что в рамках данной технической задачи лишь для некоторых из них могут быть построены адекватт ные стохастические модели (прежде всего это касается факторов, определяющих возможность проведения наблюдений), однако, в то же время, для многих НФ (в первую очередь, ошибок угловых измерений) построение адекватных стохастических моделей при имеющемся уровне априорной информации не представляется возможным, а потому необходим их учет при моделировании исходя из условия их наихудшего влияния на точность процесса навигации. Формирование состава моделей и алгоритмов резервного оптико-электронной контура интегрированной системы навигации и определения ориентации. Как уже указывалось выше, К силу сложности обсуждаемой проблемы, обус;иж.іешюн широким спектром Е1-:нокгро.гшр см.к;х факторов разнородны по своей физической приколе (случайных и неопределенных) наиболее лчстру-аиБным подходом для её решения является имні анионное моделирование процесса футпатасшированш! интегрированной системы на-витании и определения ориентации по всех возможных режимах. Функциональная с\сма, шпзкхлрирующая такой подход для резервного электронного) контура шггегркрошшной системы, приведена на рисунке 2,\. так называемые модепи внешней среды, генерирующие «истинные» .значения компонент вектора состояния И Сі. «нелнниые» значення н;жиг анионных параметров и возмущеах называемые «сортовые» модели и алгоритма, задачей которых является нСКЦро-изйедевне проиееса функционирования собственно интегрированной системы навигации и определения. Кроме того, существует третья группа алгоритмов, задачей которой ЯЕПШЖЯ анализ ре-зугп.татоеі моделирования в соответствия с методом Монте-Карло. Предложенный подход является развитие?.! КОКЦЄІЩИИ, сформированной в предт.!души;\ исследованных ЇЗІ..36-38]. Оеооевностыо разработанного подхода является предшааление работы оптико-электронного устройства и алгоритмов обработки информации, поступающей от этого устройства, в виде «черного» ящика, о котором известны только статистические характеристики точности обработки изображения. Таким образом, алгоритмы обработки изображений и оптико-электронная аппаратура являются для навигационной системы частью «внешней» среды и в качестве результатов их функционирования использовались только статистические характеристики этих устройств и алгоритмов. Это позволило эмулировать их работу и получить результаты распознавания с учетом всего спектра факторов, влияющих на точность. Вероятности проведения наблюдений и распознавания наземных ориентиров моделировалась отдельно, исходя из эвристических моделей неконтролируемых факторов, влияющих на эти вероятности. В качестве алгоритмов обработки измерений (алгоритмов навигации и определения ориентации) использовались рекуррентные байесовские алгоритмы — различные модификации фильтра Калмана. Опыт показывает [32], что апостериорные дисперсии ошибок оценок полученные в результате работы алгоритмов калмановского типа не являются адекватными в смысле соответствия ошибок оценок их апостериорным дисперсиям. Поэтому для получения и анализа всех результатов и зависимостей, приводимых в этой работе, проводилась статистическая обработка невязок между параметрами «истинного» движения и их оценками «на борту» ИСЗ, сформированных в результате имитационного моделирования по методу Монте-Карло с помощью данного комплекса имитационного моделирования. Таким образом, в настоящей главе с помощью приведенного подхода проводится исследование: принципиальных возможностей построения и функционирования, минимального состава аппаратуры, необходимого набора моделей и алгоритмов, достижимой приемлемой точности резервного оптико-электронной контура навигации и определения ориентации.
Исходные данные моделирования резервного контура
В ходе исследования, описанного во второй главе, были выявлены характеристики резервного контура без учета взаимодействия с другими функциональными блоками ИСЗ: основным контуром, активной системой стабилизации и системой обработки изображений. Другие функциональные блоки рассматривались как «черный» ящик, если их влияние невозможно было исключить. Предполагалось, что от них поступают данные необходимые для функционирования резервного контура и, известны статистические характеристики этих данных, так рассматривался, например, блок обработки изображений. Если резервный контур мог функционировать без взаимодействия с функциональным блоком, то такой блок не рассматривался вообще, как, например, основной контур или активная система стабилизации. Исследование резервного контура будет не полным, если оставить без внимания процессы взаимодействия контура с другими блоками ИСЗ,
В ходе исследования, описанного во второй главе, было выявлено, что фактором, наихудшим образом влияющим на точность резервного контура интегрированной системы навигации и определения ориентации, является систематическая ошибка юстировки оптико-электронной аппаратуры относительно осей ИСЗ. Величину этого неконтролируемого фактора невозможно измерить или оценить на борту ИСЗ, основываясь только данных самого резервного контура интегрированной системы. Поэтому предлагается использовать информацию от основного контура интегрированной системы для оценки и уменьшения влияния этого неконтролируемого фактора, иными словами осуществить калибровку оптико-электронной аппаратуры (режим 1, описанный в Главе 1).
Кроме того, в ходе исследования, описанного во второй главе, была выявлена особенность резервного контура, также в значительной мере определяющая точность его-работы: длительные интервалы прогноза между измерениями, в первую очередь существенно влияющие на точность оценки орбитального движения ИСЗ, С целью устранения этого недостатка и анализа влияния точности оценки орбитального движения на точность оценки ориентации предлагается использовать режим комплексирования интегрированной системы (режим 3, описанный в Главе 1).
В предыдущих главах исследовалась точность работы резервного контура системы навигации и определения ориентации в различных режимах при условии, что система стабилизации пассивна, т.е. мы можем оценивать ориентацию, но не можем ею управлять. Тем не менее, существует ряд задач, для которых необходимо проведение угловых маневров ИСЗ: наведение целевой аппаратуры, переориентация двигателей для коррекции орбиты, ориентаг ция солнечных батарей и т.п. Поэтому необходимо рассмотреть взаимодействие представленной интегрированной системы навигации и определения ориентации с активной системой стабилизации, ее применимость к задачам активного управления ориентацией ИСЗ и потенциальную точность в данных условиях.
Следующими по значению факторами, влияющими на точность резервного контура, по результатам исследования описанного во второй главе, являются характеристики оптико-электронной системы наблюдения земной поверхности и алгоритмов обработки изображения, иными словами, блока получения и обработки изображения. Блок обработки изображений для извлечения эталонного изображения из базы данных и коррекции текущего изображения использует данные о положении и ориентации ИСЗ. Поэтому представляется необходимым рассмотреть совместное функционирование блока обработки изображения и системы навигации с целью более точного выявления их влияния друг на друга.
Дополнительно, следует заметить, что рассматриваемая задача имеет ряд особенностей, отличающих ее от других задач наблюдения, обработки изображения и распознавания объектов. Во-первых, это неточное знание ракурса съемки объекта и, следовательно, невозможность провести полную предварительную коррекцию текущего изображения перед работой алгоритмов распознавания. Во-вторых, это наличие между подстилающей поверхностью и наблюдателем облачности, которая может частично или полностью закрывать наблюдаемый участок местности. Выявление облачности в кадре при наличии мультиспектральной камеры является достаточно простой задачей. Задачу распознавания не полностью видимого объекта на сегодняшний день нельзя считать полностью решенной. В рамках рассматриваемой в данной работе проблемы наибольший интерес представляет влияние этих факторов на классические методы обработки изображений.
Результаты комплексирования основного и резервного контуров
Эти полученные результаты привели к необходимости вводить в схему блока обработки изображений алгоритмы, выявляющие свойства наблюдаемых объектов инвариантные к Мб повороту. Эти алгоритмы позволили до проведения привязки изображений выявить неточность компенсации ошибки оценивания крена и довернуть эталонное изображение па тре буемый угол. Полное совпадение характеристик текущего и эталонного изображений ориентира возможно только при отсутствии ошибок в расчетах ракурса (ошибок оценки положения и ориентация ИСЗ). В данной работе проблема компенсации указанного расхождения проводилась следующим образом. На основе результатов полученных в ходе исследования, описанного во второй главе данной работы, рассчитывались априорные точностные характеристики системы навигации и определения ориентации» На основе этих характеристик вычислялись максимальные возможные расхождения (допуски) при определении признаков связанной области для текущих параметров бортовой аппаратуры, орбиты и ориентации. Если несовпадение признаков связанной области на текущем и эталонном изображении не превышали допусков, то выдвигалась гипотеза «совпадения» и принималось решение о проверке этой гипотезы корреляционно экстремальными алгоритмами.
Дополнительно, характеристики ориентиров инвариантные к повороту позволили более точно и гораздо меньшими вычислительными затратами определить угол поворота текущего изображения относительно эталонного, позволило ввести в вектор измерений угол д? (см. Главу І).-Моделирование этого угла по методике использованной в Главе 2 не было проведено, поскольку статистические характеристики этого вида привязки изображений сильно зависят от вида и размеров привязываемых областей, что невозможно было промоделировать, используя указанный подход. минут.
Следует заметить, что возможность использования инвариантных к повороту характеристик ориентиров зависит от наличия в кадре облачности. Если незакрытая облачностью часть ориентира отличается от эталона по своим признакам больше чем на выше указанный допуск, то принимается решение о несовпадении сравниваемых ориентиров. Исследования показали, что для этого достаточно закрыть более 10 процентов площади ориентира.
Все вышесказанное относительно инвариантных к повороту признаков и облачности имеет, место только при распознавании ориентиров. При пакетной обработке изображений можно изначально воспользоваться свободными от облачности участками изображения.
Иными словами, если в начальный момент работы резервного контура априорная оценка ориентации получена с ошибками больше одного градуса, то возможно использовать только пакетную обработку изображений, а распознавание ориентиров может не дать положительных результатов до тех пор пока ошибки не снизятся.
В Главе 3 сформированы необходимые математические модели и алгоритмы, обеспечивающие функционирование интегрированной системы навигации и определения ориентации при различных схемах работы и составах оборудования. Показаны результаты исследования функционирования интегрированной системы по методу имитационного моделирования и продемонстрирована возможность улучшения характеристик работы как резервного контура за счет калибровки, так и основного за счет использования информации от оптико-электронных устройств. Проведенное моделирование подтвердило предположение о том, что дополнительная информация от приемника ГЛОНАСС/GPS позволяет оценить величину систематической ошибки резервного контура и уменьшить ее влияние на точность определения ориентации резервной системой. Результаты моделирования показати, что ошибки оценки ориентации резервной системой на основе камеры не превышают 0,5 градуса, а на основе звездного датчика 5 угловых минут даже в наихудшем случае. Показана возможность повышения точности оценивания ориентации основным контуром при использовании информации от резервного контура. Сочетание многоканального приемника ГЛОНАСС/GPS для оценки положения и аппаратуры наблюдения земной поверхности для определения ориентации позволяет оценивать ориентацию с ошибками, не превышающими 7 угловых минут. Следует отметить, что сочетание приемника ГЛОНАСС/GPS для оценки положения и оптико-электронной аппаратуры для оценки ориентации, показало наилучшие точностные характеристики из всех рассматриваемых систем и, возможно, является оптимальным составом навигационного оборудования для малого ИСЗ, Проведено имитационное моделирование, продемонстрировавшее принципиальную возможность построения активной системы управления ориентацией и стабилизацией ИСЗ на основе информации от резервного контура, В ходе исследования были выявлены точностные характеристики такой системы и их зависимость от широкого спектра неконтролируемых факторов, параметров ИСЗ, и характеристик бортового оборудования-Результаты моделирования показали, что ошибки оценки ориентации резервной системой на основе камеры не превышают 0,5 градуса даже при наихудшем сочетании неконтролируемых факторов. Проведено совместное имитационное моделирование резервного контура и блока обработки изображений, в ходе которого были выявлены дополнительные ограничения на применение рассматриваемого резервного контура. Было показано, что использование дополнительной информации от блока обработки изображений о повороте текущего изображения относительно эталонного может существенно улучшить оцениваемость угла рысканья и сделать точность оценивания ориентации в целом не хуже двадцати угловых минут. В результате проведенных исследований получены следующие основные результаты. 1. Сформирован облик резервного контура автономной интегрированной системы на вигации и определения ориентации, включая состав и структуру контура, состав и вид моде лей и алгоритмов, обеспечивающих решение задач навигации и определения ориентации, и оценку характеристик системы для малых ИСЗ, оснащенных оптоэлектронным оборудовани ем наблюдения земной поверхности с разрешением порядка десятков — сотен метров и на ходящихся на околокруговых орбитах высотой 500 — 900 км. При этом показано, что, в зависимости от параметров орбиты, характеристик ИСЗ и бортового оборудования, достигается точность решения задачи навигации (в смысле максимальной ошибки навигации) от нескольких сотен метров до единиц километров, а точность определения ориентации лежит в пределах от единиц угловых минут до одного градуса. 2. Проведены классификация и анализ неконтролируемых факторов различной природы, влияющих как на возможность проведения измерений, так и на их точность, и определяющих» в конечном счете, точность работы резервного контура. Предложены методы учета этих факторов. На основе анализа неконтролируемых факторов показано, что в рамках данной задачи лишь для некоторых из них могут быть построены адекватные стохастические модели, прежде всего, это касается факторов, определяющих возможность проведения наблюдений. В то же время, для многих факторов построение адекватных стохастических моделей при имеющемся уровне априорной информации не представляется возможным, а потому необходим их учет при моделировании исходя из условия их наихудшего влияния на точность процесса навигации.
