Содержание к диссертации
Введение 6
1 Анализ методов навигации низкоорбитальных спутников 13
1.1 Актуальность новых методов навигации низкоорбитальных
спутников на основе современных технологий обработки
данных 13
1.2 Анализ методов и оборудования, применяемых для навигации
низкоорбитальных спутников 15
-
Навигация с помощью ГЛОНАСС/ОРБ-приемника 15
-
Навигация с помощью магнетометра 17
-
Навигация с помощью звездного датчика 18
1.2.4 Определение ориентации с помощью слежения за
другими объектами солнечной системы 18
-
Навигация по наземным ориентирам 19
-
Состав навигационной системы 21
-
Преимущества оптоэлектронных методов обработки изображений 23
-
Корреляторы совместного преобразования и Вандер Люгта 26
-
Оптический коррелятор Вандер Люгта 26
-
Оптический коррелятор совместного преобразования 29
1.5 Элементы оптических корреляторов 31
Выводы 34
2 Концепция спутниковой оптоэлектронной системы навигации по
наземным ориентирам 36
2.1 Концепция спутниковой навигационной системы, использующей
оптоэлектронную навигацию по наземным ориентирам 36
2.1.1 Вариант 1 - система, реализующая принцип
максимального использования всего бортового
оборудования 36
2.1.2 Вариант 2 - система с отдельным высокоточным
датчиком ориентации 41
-
Концепция системы навигации по наземным ориентирам 44
-
Математическая модель формирования изображения спектра пространственных частот обрабатываемого изображения оптическим фурье-процессором 49
-
Математическая модель вычисления двумерной функции корреляции оптическим коррелятором совместного преобразования 52
-
Алгоритм моделирования коррелятора совместного преобразования 55
2.5.1 Моделирование получения изображения спектра фурье-
процессором 55
2.5.2 Моделирование работы коррелятора совместного
преобразования 57
Выводы 59
3 Навигация по наземным ориентирам 61
-
Параметры и обозначения 61
-
Ориентация спутника и системы координат, в которых она определяется 63
-
Широта, долгота спутника и система координат, в которой они определяются 66
-
Модель получения изображения земной поверхности камерой наблюдения Земли 71
3.4.1 Зависимость между земными координатами точки и ее 71
координатами на снимке
3.4.2 Зависимость между координатами центра наземного
ориентира на изображении с камеры и координатами
корреляционных пиков 74
3.5 Модель процесса определения местоположения и ориентации
спутника 77
3.5.1 Определение координат спутника при известной
ориентации 77
3.5.2 Определение координат и ориентации спутника 79
-
Алгоритм геометрического преобразования изображения наземного ориентира 81
-
Алгоритм создания тестовых изображений 84
-
Алгоритмы определения местоположения и ориентации спутника 86
-
База данных наземных ориентиров 86
-
Алгоритм определения местоположения и ориентации
спутника при отсутствии точной информации об
ориентации 89
3.9.3 Алгоритм определения местоположения спутника при
наличии точной информации об ориентации 93
Выводы 95
4 Экспериментальные результаты 96
-
Экспериментальная проверка программного обеспечения, моделирующего работу коррелятора совместного преобразования 96
-
Размеры и расположение изображений, использованных при моделировании 99
-
Исследование влияния искажений изображения на работу коррелятора 102
4.3.1 Результаты вычислительных экспериментов по
исследованию влияния искажений изображения на
работу коррелятора 102
4.3.2 Учет влияния искажений изображения, возникающих в
системе навигации по наземным ориентирам 108
4.4 Определение точности навигации 111
4.4.1 Значения параметров, выбранные для вычислительного
эксперимента по определению точности навигации 111
4.4.2 Точность определения местоположения спутника при
наличии точной информации об ориентации 112
4.4.3 Точность определения местоположения и ориентации
спутника по трем наземным ориентирам 113
Выводы 115
Заключение 117
Список литературы 119
Введение к работе
Актуальность темы исследования
В настоящее время наблюдается тенденция коммерциализации космоса, производятся разработка и запуск коммерческих спутников связи, наблюдения Земли. Кроме того, небольшие исследовательские спутники создаются университетами, научными организациями (например, Берлинским и Дрезденским техническими университетами). Большая часть таких спутников -низкоорбитальные. Несколько лет назад проекты создания группировок низкоорбитальных спутников мобильной связи (например, Iridium, Globalstar, Teledesik, Skybridge), которые должны были насчитывать от 48 до 100 и более спутников, считались весьма перспективными. Хотя эти проекты окончились неудачей, разработка группировок низкоорбитальных спутников связи не прекращена (пример - спутниковая система связи в воздухе Honeywell/Racal SCS-1000 Mini-M Aero SATCOM). Создание группировок спутников требует от производителей спутниковых систем перехода от производства одного к множеству спутников при жестких финансовых ограничениях. Поэтому создание недорогого малого низкоорбитального спутника становится особенно актуальной задачей. Для функционирования спутника бортовая навигация является критической задачей, требующей оптимизации по стоимости. Надежная и точная навигационная система необходима для поддержания на орбите и управления спутником, наведения бортового оборудования и географической привязки данных, полученных этим оборудованием.
Традиционные спутниковые автономные навигационные системы используют отдельное оборудование для определения местоположения и ориентации, а также дублирование оборудования на случай отказа. Такие системы обеспечивают высокую точность, доступность и операционную свободу, но обладают высокой стоимостью, большими энергопотреблением, массой, размерами. Поэтому для недорогого спутника целесообразно создание навигационной системы, использующей другой принцип построения.
При проектировании спутника Дрезденского технического университета показано, что применение подхода к построению навигационной системы, основанного на принципе максимального использования всего бортового оборудования, который реализуется путем уменьшения общего числа устройств и замены аппаратного резервирования (дублирования) функциональным резервированием на основе интеграции информации (information fusion) из нескольких источников, позволяет уменьшить общую стоимость реализации функции навигации. При этом камера наблюдения Земли, первоначально не предназначавшаяся для навигационных целей, применяется для навигации по наземным ориентирам.
Распознавание изображений наземных ориентиров на изображениях, полученных с борта космического аппарата, является сложной задачей для спутникового бортового компьютера, что объясняется большими размерами изображений, а также большим количеством обрабатываемых наземных ориентиров. Для задач обработки изображений на борту космического аппарата характерна ограниченность доступных вычислительных ресурсов. Применение оптоэлектронного устройства - оптического коррелятора - для распознавания изображений наземных ориентиров позволит освободить ресурсы бортового компьютера для решения других задач, повысить производительность и точность навигации.
Цель диссертационной работы
Разработка информационной системы обработки изображений для оптоэлектронной спутниковой навигации по наземным ориентирам.
Основные задачи исследования
Анализ существующих навигационных систем низкоорбитальных спутников, выбор состава и принципов построения навигационной системы.
Создание концепции системы навигации по наземным ориентирам с помощью оптического коррелятора.
Разработка математической модели процесса навигации по наземным ориентирам и алгоритмов, ее реализующих.
8 4) Разработка информационной системы обработки изображений и исследование с ее помощью характеристик навигационной системы.
Методы исследования
Основные результаты диссертационной работы получены с использованием методов обработки изображений (анализа трехмерных сцен), фурье-оптики, корреляционного анализа, математического моделирования.
На защиту выносятся
Концепция оптоэлектронной спутниковой системы навигации по наземным ориентирам.
Математическая модель процесса оптоэлектронной навигации по наземным ориентирам.
Алгоритмическое обеспечение для моделирования процесса оптоэлектронной навигации по наземным ориентирам.
Результаты экспериментального исследования характеристик системы оптоэлектронной навигации по наземным ориентирам с помощью разработанной информационной системы.
Научная новизна работы
Разработана концепция спутниковой системы навигации по наземным ориентирам на основе бортовой обработки изображений с камеры наблюдения Земли, отличающаяся тем, что с целью освобождения ресурсов бортового компьютера, повышения производительности и точности навигации для распознавания изображений наземных ориентиров применяется оптический коррелятор совместного преобразования
Разработана математическая модель процесса оптоэлектронной навигации по наземным ориентирам, отражающая получение изображения земной поверхности камерой наблюдения Земли, процесс определения местоположения и ориентации спутника, отличающаяся тем, что с целью оценки точности навигации и чувствительности к искажениям изображений
9 учитывается влияние навигационных параметров на координаты корреляционных пиков.
Разработано алгоритмическое обеспечение для моделирования процесса оптоэлектроннои навигации по наземным ориентирам, включающее алгоритмы моделирования работы оптического коррелятора совместного преобразования, формирования тестовых изображений Земной поверхности, геометрического преобразования изображений наземных ориентиров, определения местоположения и ориентации спутника на основе измерения координат корреляционных пиков.
С помощью разработанной информационной системы проведено экспериментальное исследование характеристик системы оптоэлектроннои навигации по наземным ориентирам: сравнение работы моделирующего программного обеспечения и макета оптического коррелятора; изучение влияния искажений изображений на корреляцию; определение точности навигации.
Практическая ценность работы
Математическая модель процесса оптоэлектроннои навигации по наземным ориентирам и разработанные на ее основе алгоритмы позволяют оценивать характеристики разных вариантов навигационной системы Реализующая эти алгоритмы информационная система способна оказать поддержку при проектировании системы оптоэлектроннои навигации спутника. Алгоритмы определения местоположения и ориентации по наземным ориентирам на основе измерения координат корреляционных пиков могут быть использованы для навигации на борту спутника.
В результате экспериментального исследования с помощью разработанного программного обеспечения информационной системы показана возможность применения системы навигации по наземным ориентирам на спутнике, проведены оценки ее характеристик, выявлены ограничения на
10 применение системы, сформулированы рекомендации по формированию изображений наземных ориентиров.
Реализация результатов работы
Основные результаты диссертационной работы использованы в международном проекте INTAS 96-2156 «Автономная навигация низкоорбитального космического аппарата с использованием технологии information fusion», в ГНТП «Наукоемкая техника и технологии для машиностроения Республики Башкортостан» по теме №7.3.1 «Дистанционное зондирование с использованием гибридных оптоэлектронных устройств и лазеров». Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе на кафедре телекоммуникационных систем УГАТУ.
Апробация работы
Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях: республиканской научно- практической конференции «Техника на пороге XXI века» (Уфа, 1999), 5-й международной конференции «Системный анализ и управление космическими комплексами. Исследование и освоение космоса в наступающем веке» (Евпатория, 2000), международной научно-технической конференции «Проблемы техники и технологии телекоммуникаций» (Уфа, 2000), международном семинаре «The 2nd International Workshop on Computer Science and Information Technologies CSIT'2000» (Янгантау, 2000), международном конгрессе «52nd International Astronautical Congress» (Тулуза, 2001), 5-й международной конференции «Распознавание-2001» (Курск, 2001), международной молодежной научно-технической конференции «Интеллектуальные системы управления и обработки информации» (Уфа, 2001), международном симпозиуме «Аэрокосмические приборные технологии» (Санкт Петербург, 2002), 3-й международной научно-технической конференции «Проблемы техники и технологии телекоммуникаций» (Уфа, 2002), республиканской научно-технической конференции «Машиноведение, конструкционные материалы и технологии» (Уфа, 2002).
Публикации
Основные результаты работы отражены в 14 научных публикациях: 4 статьях, 2 докладах и 8 тезисах докладов на международных и российских конференциях.
Краткое содержание работы
В первой главе на основе анализа существующего навигационного оборудования низкоорбитальных спутников показано, что традиционные навигационные системы, использующие отдельное оборудование для определения местоположения и ориентации спутника, а также дублирование оборудования, обладают высокой стоимостью, большими энергопотреблением, массой, размерами. Применение подхода к построению навигационной системы, основанного на принципе максимального использования всего бортового оборудования позволяет уменьшить общую стоимость реализации функции навигации. Показано, что в составе такой навигационной системы целесообразно использование оптоэлектронной навигации по наземным ориентирам.
Во второй главе представлены концепция спутниковой навигационной системы, использующей оптоэлектронную навигацию по наземным ориентирам, а также концепция системы навигации по наземным ориентирам помощью оптического коррелятора, относящейся к резервному навигационному оборудованию низкоорбитального спутника. Приведен алгоритм моделирования вычисления двумерной функции корреляции оптическим коррелятором совместного преобразования.
В третьей главе разработаны математическая модель процесса оптоэлектронной навигации по наземным ориентирам, алгоритмы навигации. Описаны используемые системы координат, параметры и обозначения. Представлены зависимость между земными координатами точек земной поверхности и их координатами на снимке, алгоритмы геометрического
12 преобразования изображений наземных ориентиров, создания тестовых изображений, алгоритмы определения местоположения и ориентации спутника.
В четвертой главе в результате сравнения работы моделирующего программного обеспечения и макета оптического коррелятора подтверждена согласованность рассчитанных с использованием разработанной информационной системы и полученных экспериментально спектров и корреляционных изображений тестовых изображений земной поверхности, а также координат корреляционных пиков. Проведено исследование влияния искажений изображения на работу коррелятора, определены пределы допустимых искажений изображения, представлены результаты вычислительного эксперимента по определению точности навигации.
