Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Функциональная зависимость между показателями качества информации ДЗЗ и параметрами космической платформы 18
1.1. Способы получения информации ДЗЗ, целевые задачи КА ДЗЗ 18
1.2. Периодичность наблюдения и целевое назначение КА 20
1.3. Параметры качества космической информации ДЗЗ 20
1.4. Связи между требованиями к космической информации ДЗЗ и характеристиками бортовой космической платформы 26
1.4.1. Периодичность наблюдения - Тип орбиты 26
1.4.2. Пространственное разрешение - Высота орбиты - Стабильность высоты орбиты - Коррекция орбиты 28
1.4.3. Пространственное разрешение - Стабилизация положения осей КА на орбите во время съемки - Определение углового положения осей КА 31
1.4.4. Пространственное разрешение - Конструкция КА 37
1.5. Требования к космической платформе со стороны ракеты-носителя 39
Глава 2. Космические аппараты ДЗЗ: анализ и классификация, особенности построения 43
2.1. Анализ и классификация КА ДЗЗ по совокупному критерию пространственного разрешения, полосы захвата и периодичности наблюдения земной поверхности 43
2.1.1. Космические аппараты ДЗЗ для глобального наблюдения ( класс «Г» ) 44
2.1.2. Космические аппараты ДЗЗ для регионального наблюдения (класс «Р») 45
2.1.3. Космические аппараты ДЗЗ для детального наблюдения ( класс «Л» ) 46
2.2. Особенности построения КА ДЗЗ 57
2.2.1. Бортовой информационный комплекс и служебная платформа. 57
2.2.2. Комплекс географической привязки информации и его место в составе КА 58
3. Алгоритмы проектирования космического аппарата ДЗЗ на базе системного анализа соответствия ее характеристик требованиям бортового информационного комплекса 65
3.1. Алгоритмы проектирования космического аппарата ДЗЗ 65
3.2. Компоновка КА средствами САПР и решение на ее базе отдельных задач проектирования 77
3.2.1. Создание трехмерной модели КА и его космической платформы 78
3.2.2. Создание оптической схемы КА ( анализ полей обзора оптических приборов и зон радиовидимости АФУ ) 84
3.2.3. Создание силовой схемы КА ( прочностной расчет ) 89
4. Результаты реализации алгоритмов проектирования КА 100
4.1. Проектирование унифицированной космической платформы (УКП) класса «мини»для КАДЗЗ 100
4.1.1. Анализ КА ДЗЗ на базе единой космической платформе 100
4.1.2. Концепция создания унифицированной космической платформы 101
4.1.3. Назначение, состав и особенности унифицированной космической платформы УМКП-800 104
4.1.4. Основные тактико-технические характеристики УМКП-800 107
4.1.5. Массово-энергетическая сводка УКП 108
4.1.6. Компоновочная схема УМКП-800 109
4.1.7. Функциональная схема УМКП-800 112
4.1.8. Основные ограничения при создании КА на базе УМКП-800 115
Космические аппараты, разработанные на базе УМКП-800 116
4.2.1. КА гидрометеорологического мониторинга Земли «Метеор-М» 116
4.2.2. КА детального природоресурсного мониторинга Земли «Ресурс-02Д» 119
4.2.3. КА обзорного природоресурсного мониторинга Земли «Ресурс-02С» 122
4.2.4. КА детального экоприродного мониторинга Земли «Сеперх» 125
Решение отдельных задач 128
4.3.1. Поверочная компоновка КА «Ресурс-01» №3 и КА «Электро» 128
4.3.2. Моделирование задач отделения микроспутников "FASAT-Bravo" и TMSAT от КА «Ресурс-01» №4 131
4.3.3. Моделирование процесса работы корректирующей двигательной установки на КА «Электро» 133
Заключение 134
Литература 137
Приложение 1. Задачи дистанционного зондирования Земли и основные требования к информации для их решения 141
Приложение 2. Систематизация задач ДЗЗ в зависимости от требований, предъявляемых к информации 150
Приложение 3. Оптимизация выбора рядов пространственного разрешения для различных областей спектра длин волн 154
- Пространственное разрешение - Стабилизация положения осей КА на орбите во время съемки - Определение углового положения осей КА
- Комплекс географической привязки информации и его место в составе КА
- Создание оптической схемы КА ( анализ полей обзора оптических приборов и зон радиовидимости АФУ )
- Назначение, состав и особенности унифицированной космической платформы УМКП-800
Пространственное разрешение - Стабилизация положения осей КА на орбите во время съемки - Определение углового положения осей КА
Любой прибор, осуществляющий сканирование полосы обзора по Земле, измеряет поток собственной или отраженной радиации Земли, с разрешением определяемым пространственным углом мгновенного поля зрения. Эти измерения позволяют воспроизвести в изображении картину распределения яркости, характеризующую объект наблюдения. Однако полученная картина распределения яркостей содержит интегральную ошибку, влияющую на достоверность получаемой информации и включающую в себя ошибки самого информационного прибора, ошибку ориентации КА, на конструкции которого установлена аппаратура, и ошибки, возникающие в результате тепловой деформации рамы и неточности установки прибора на этой раме.
Ошибку ориентации визирной оси можно условно разделить на две составляющие
Составляющая, приводящая практически к постоянному угловому смещению визирной оси относительно ее номинального положения
Составляющая, носящая характер относительно быстрых колебаний визирной оси относительно номинального положения.
Если первая составляющая может привести только к систематической ошибке при определении географического положения наблюдаемого объекта, то вторая практически искажает получаемое изображение наблюдаемого объекта, т.е. по существу влияет на геометрическое разрешение. Влияние колебаний на качество изображений было эмпирически исследовано и было определено, что смещение двух соседних пикселов изображения на величину большую чем 1/3-1/2 пиксела приводит к потере разрешения прибора.
Компенсация первой составляющей - систематической ошибки осуществляется при наземной обработке за счет привязки информации к реперным точкам, определения величины систематической ошибки и ее последующая компенсация путем введения поправки в алгоритм математической обработки информации.
Значительно сложнее дело обстоит с составляющей имеющей характер случайной ошибки. Для ее минимизации накладываются достаточно жесткие требования на систему ориентации и стабилизации корпуса КА ( СОК ), входящую в состав бортовой космической платформы. Рассмотрим более внимательно этот вопрос.
На качество изображения ( точность воспроизведения яркостной картины объекта наблюдения ) влияет значение углового размера мгновенного поля зрения ( МПЗ ). Если этот угол стремится к нулю, то точность воспроизведения яркостной картины объекта будет наилучшей. Необходимая точность стабилизации КА при этом определяется требованиями точности воспроизведения яркостной картины. Это требование можно выразить следующим неравенством:
Рассмотрим следующую модель процесса съемки с КА, которая является наиболее вероятной по статистическим данным:
Сканирование ( без учета наложенных колебаний ) осуществляется путем равномерного прямолинейного движения МПЗ, имеющего форму квадрата ( прямоугольника ), по плоскости XY, изображающей объект наблюдения, параллельно оси строчной развертки X.
Наложенное колебание является гармоническим и вызывает соответствующее перемещение МПЗ параллельно оси X и параллельно оси Y. В обоих случаях амплитуда и частота наложенных колебаний одна и та же.
Сканируемая плоскость XY имеет переменную яркость, которая изменяется по гармоническому закону - в функции X или в функции Y в соответствии с ориентацией наложенного колебания. Минимальное значение яркости принимаем равным нулю, а максимальное - единице. Первоначально рассмотрим случай, когда яркость объекта изменяется в функции X. Предполагая, что сигнал на выходе радиометра пропорциональный элементарному потоку излучения при произвольном X выражается в виде:
Аналогичное выражение получаем для функции Y.
При наложении на космическую платформу колебаний положения визирной оси в плоскости XY для каждого дискретного измерения будут отклоняться от номинальных на величину 2Udk sin coKt где 2Шк- амплитуда наложенного колебания, сок - угловая частота наложенного колебания.
Таким образом,
отклонение сигнала за счет наложенного колебания вдоль оси X при п-ом измерении в нечетной строке определяется по формуле.
отклонение сигнала за счет наложенного колебания вдоль оси Y при п-ом измерении в строке определяется по формуле.
Проведенный анализ расчетных значений коэффициентов искажения Ки для различных значений dx и di показал, что его допустимое значение 0,5 имеет место, если амплитуда угловых колебаний КА не превышает 1/3 от углового размера МПЗ прибора. Если применить это требование к КА, к его системе ориентации и стабилизации корпуса КА, то реализация этого требования на современном техническом уровне весьма затруднительна.
Решение этой проблемы лежит в нескольких направлениях:
Дальнейшее совершенствование системы ориентации и стабилизации КА с целью достижения более высоких характеристик в части стабилизации осей КА в пространстве на период съемки.
Периодическое определение углового положения осей КА во время проведения сеанса съемки со скважностью, обеспечивающей математический анализ процесса колебаний, и с последующей нормализацией изображения на Земле ( или в космосе - при наличии обработки на борту КА ) в соответствии с этим процессом.
Применение информационной аппаратуры с электронным методом сканирования ( вместо механического ), что обеспечивает отсутствие возмущающих моментов со стороны прибора.
Применение методов компенсации возмущающих моментов в случае механических способов сканирования.
Применение отработанной во ВНИИЭМ системы ориентации и стабилизации КА, построенной на базе инфракрасного датчика вертикали с точностью ориентации на Землю не хуже 6 угл.мин., датчика угловых скоростей и двигателей маховиков, обеспечивающих точность стабилизации осей КА не хуже 5x10"4 угл.град/с обеспечивает необходимые требования, предъявляемые со стороны информационной аппаратуры с геометрическим разрешением 20 м и хуже. Для информационной аппаратуры с разрешением лучше 20 м требуются более точные датчики и более быстродействующие исполнительные механизмы, что на современном этапе достаточно сложно добиться.
В этом случае для компенсации ошибки в состав бортового информационного комплекса включается комплекс географической привязки, обеспечивающий контроль положения осей КА в процессе проведения съемки Земли со скважностью 2-4 сек с последующей передачей этой информации на наземный комплекс приема и обработки информации. Полученная информация является инструментом частичной компенсации случайной составляющей ошибки.
Опыт ВНИИЭМ, основанный на работах академиков А.Г.Иосифьяна, Н.Н.Шереметьевского, ученых Д.М.Вейнберга, Г.Л.Людина, О.М.Мирошника, И.А.Вевюрко, доказал возможность решения проблемы уменьшения возмущающих факторов, приходящих на конструкцию КА со стороны информационных и служебных приборов, и создания систем ориентации и стабилизации корпуса КА с характеристиками, обеспечивающими качество получаемой информации.
Комплекс географической привязки информации и его место в составе КА
Комплекс географической привязки информации ( КГПИ ) решает две основные задачи:
Задачу предварительной привязки космической информации к географической системе координат Земли.
Задачу контроля положения осей КА во время сеанса проведения съемки Земли с последующей передачей информации на наземный комплекс приема. Более подробно этот вопрос был рассмотрен в разд. 1.4.3.
Учитывая, что данный комплекс является принципиально новым для КА ДЗЗ, практически еще ни разу не устанавливался на КА, в настоящее время находится в стадии разработки в Институте Космических Исследований РАН по ТЗ, выданному НПП ВНИИЭМ для КА «Сепехр», рассмотрим область его применения, состав, принципы работы и место в структуре КА.
Практически любое использование космических данных о земной поверхности требует их предварительной привязки к географической системе координат. Географическая привязка необходима для отождествления земных объектов и явлений с их полученными с КА изображениями, по которым в процессе тематической обработки определяется состояние этих объектов и явлений. Простейшим видом координатной привязки является определение географических координат тех или иных объектов. Часто задачей географической координатной привязки является нанесение на полученные изображения земной поверхности сетки меридианов и параллелей. Наиболее объемным видом привязки является не только нанесение координатной сетки, но и преобразование анализируемого изображения в проекцию и масштаб топографической карты.
Именно преобразование в проекцию и масштаб топографической карты получаемых изображений позволит их использовать при создании цифровых моделей местности, представленных координатами элементов местности и характеристиками этих элементов, полученных в результате тематической обработки космической информации и записанных цифровым кодом.
Цифровые карты открывают широкие возможности для автоматической обработки данных ДЗЗ на вычислительных средствах. При этом, в частности, легко и надежно выполняется идентификация и совместная обработка разных данных ДЗЗ. Ценным достоинством цифровых карт является возможность отображать на них цифровым кодом характеристики земных объектов, важные для решения тех или иных конкретных задач, но трудно изображаемых графическим способом.
Географическую координатную привязку космической информации принципиально можно осуществить двумя способами:
по их элементам внутреннего и внешнего ориентирования.
по снятым с карты координатам тех или иных точечных объектов ( реперных точек ) опознанных на получаемых изображениях.
Необходимо отметить, что последний способ применим не для всякого района, не для всякой космической информации и не для получения экспресс информации в случае быстроразвивающихся событий. Опознание специалистами на снимках реперных точек легко осуществляется визуально, но его автоматизация является весьма сложной и кропотливой задачей. Поэтому когда требуется осуществить координатную привязку полученных данных в реальном или квазиреальном времени одновременно со съемкой земной поверхности необходимо определить элементы внешнего ориентирования получаемых данных. При этом определение элементов внешнего ориентирования и материалов съемки земной поверхности должны быть привязаны к системе единого времени.
Если указанные условия выполняются, то задача координатной привязки получаемых данных может решаться оперативно при их приеме на земле или, при необходимости, на борту КА, если предусмотреть на нем необходимые вычислительные мощности.
В подавляющем большинстве случаев оперативную координатную привязку целесообразно осуществлять на земле. Выполнять координатную привязку на борту КА имеет смысл только в тех случаях, когда ставится задача решать в реальном времени ту или иную тематическую задачу и оперативно непосредственно со спутника транслировать на землю результаты ее обработки. Это относится в первую очередь к таким объектам наблюдения, как пожары, наводнения, последствия землетрясений и др., которые можно классифицировать как зоны чрезвычайных ситуаций, требующих получение полной информации быстро и на местах их расположения. При этом еще раз следует отметить, что такое решение потребует наличия на борту весьма сложного аппаратно-программного комплекса и запоминающего устройства большой емкости.
Принимая во внимание последнее, предлагается на первом этапе ввода в схему КА КГПИ большую часть расчетов, обеспечивающих географическую привязку космической информации осуществлять при ее обработке на земле.
На последующих этапах развития космических систем ДЗЗ и бортовых технически средств целесообразно всю обработку перенести на борт с целью повышения оперативности использования информации в условиях, требующих минимизации времени ее обработки и доведения до потребителя.
В состав КГПИ входят:
Аппаратура спутниковой навигации ( АСН ), обеспечивающая периодическое определение в реальном времени местоположение КА ( X, Y, Z ) в географической системе координат, скорость изменения его положения ( X,Y,Z ), а также гринвичское время их определений. Ошибка определения гринвичского времени не превышает 10 мкс. Точность определения положения КА на орбите характеризуется среднеквадратическими погрешностями измерения координат и составляющих скорости движения центра масс КА и зависит от количества визируемых в процессе сеанса навигационных КА.
Датчики угловых скоростей ( ДУС ), обеспечивающие измерение угловых скоростей КА по его трем строительным осям с точностью до 0,6 угл.сек/ с.
Звездный координатор, обеспечивающий определения в реальном масштабе времени данных об инерциональной ориентации КА
Процессор координатной привязки информации, обеспечивающий проведение расчетов координатной привязки информации по данным трех датчиков.
Предлагаемая концепция оперативного решения задачи координатной привязки предусматривает определение на борту КА и передачу на землю в потоке видеоинформации ДЗЗ в реальном времени данных о местоположении и ориентации КА.
От приемника АСН с определенной временной дискретностью ( в 1 или 2 с ) поступают данные о гринвичском времени Тдсн, координатах КА - Хдсн , YACH , ZACH , в географической системе координат в моменты Тдсн и скоростях изменений этих координат - Хасн,7асн,1асн по осям географической системы.
В звездном координаторе в отдельные моменты t3K с заданным интервалом 3 - 4 с производится съемка звездного неба и по полученным снимкам определяется инерциальная ориентация КА.
Используя данные ДУС, интегрируя их, определяют изменения ориентации осей КА в инерциальной системе координат - Дах, Аау, Aaz, происходящие за промежутки времени, с момента экспонирования звездного неба t3K до очередного момента tj.
В момент tj в реальном времени определяется и передается на Землю данные о положении и ориентации КА, а также гринвичское звездное время S; определения и сброса указанных данных.
Алгоритм обработки вышеперечисленных данных и определения в реальном времени искомых параметров включает расчеты:
Гринвичского звездного времени S
Координат КА Xi, Yi, Zi в географической системе координат в момент Si
Элементов ориентации КА в географической или орбитальной системах координат.
Создание оптической схемы КА ( анализ полей обзора оптических приборов и зон радиовидимости АФУ )
Объемная компоновка КА является основой для создания оптической схемы изделия.
Оптическая схема КА или контрольная схема полей обзора комплектующих КА приборов служебного и научного назначения разрабатывается с целью выявления критических зон (попадание в область луча элементов конструкции и блоков).
Под критической зоной понимается такое место в компоновке КА, где зазор между полем обзора и элементом конструкции менее критического значения, выбираемого конструктором по изделию на основе математического анализа, условий работы и специальных требований или где величину зазора невозможно оценить по проекциям компьютерной модели компоновки КА на 3 плоскости.
Конструктором ПЭВМ дополняется "библиотека блоков" ТМ с полями обзора. Поле обзора представляется в виде поверхностной, трехмерной объемной модели луча построенной и размещенной по данным габаритного чертежа. На рис. 3.11 представлен ТМ блока ПМВ с полем зрения, моделированным в виде луча.
Выявление критических зон производится индивидуально для каждого блока следующим образом:
- в компоновке КА заменяется ТМ блока на ТМ блока с полем обзора;
- рассматриваются проекции объемной компоновки КА на 3 плоскости с целью выявления критических зон ( рис. 3.12 ).
При наличии таких критических зон проводится дополнительное исследование, при котором находится оптимальный ракурс обзора (смотрим по образующей поверхности поля обзора), который дает однозначное представление о наличии зазора между лучом и элементом конструкции или затенение луча. Величина - зазора ( рис. 3.13 ) или затенение луча ( рис. 3.14 ) оценивается численно путем автоматизированной простановки размеров средствами AutoCAD или SolidWorks.
На основе анализа критических зон разрабатываются рекомендации по перемещению оптического блока или доработки внедряющегося элемента конструкции (если затенение поля обзора недопустимо) для устранения критической зоны. После проведения корректировки документации и доработки конструкции корректируется ТММ элемента конструкции, корректируется объемная компоновка изделия проводится дополнительный анализ поля обзора.
Назначение, состав и особенности унифицированной космической платформы УМКП-800
Унифицированная космическая платформа ( УКП ) предназначена для обеспечения живучести КА в течение заданного срока активного существования, размещения на ней бортового информационного комплекса ( БИК ) и обеспечения требуемых условий его функционирования:
Обеспечение энергопотребления
Обеспечение точности ориентации на снимаемый объект.
Обеспечение стабилизации КА во время съемки.
Обеспечение периодичности съемки одного и того же объекта.
Обеспечение терморежима работы.
Обеспечение «чистоты» полей обзора оптических и радиоизлучающих элементов.
Управление циклограммами работы БИКа.
Обеспечение перехода на резервные комплекты аппаратуры.
Обеспечение сбора и передачи телеметрической информации о состоянии информационной аппаратуры.
Обеспечение навигационной привязки снимаемой информации к географическим координатам.
Основными особенностями УМКП-800 является высокое насыщение ее электромеханическими устройствами ( Двигатели-маховики, система сброса кинематического момента, инфракрасный датчик вертикали, привод солнечных батарей ), которые обеспечивают высокую точность ориентации и стабилизации космической аппарата, а также возможность изменения оси визирования информационных систем по заранее заданным программам.
Состав УМКП-800 приведен в таблице 4.1
