CC BY
91
РАЗРАБОТКА КАЗАХСТАНСКОГО ЗВЕЗДНОГО ДАТЧИКА
Елубаев Сулеймен Актлеуович
заведующий лабораторией имитационного моделирования и разработки космических систем, ДТОО «Институт космической техники и технологий»,
Республика Казахстан, г. Алматы E-mail: elubaev. s@istt. kz Тен Владимир Валентинович ведущий научный сотрудник, ДТОО «Институт космической техники и
технологий», Республика Казахстан, г. Алматы
E-mail: ten.v@istt.kz Альбазаров Бахытжан Шапагатович ведущий научный сотрудник, ДТОО «Институт космической техники и
технологий», Республика Казахстан, г. Алматы
E-mail: albazarov.b@istt.kz Сарсенбаев Ербол Ерикович старший научный сотрудник, ДТОО «Институт космической техники и
технологий», Республика Казахстан, г. Алматы
E-mail: sarsenbayev. e@isst. kz Алипбаев Куаныш Арингожаевич заместитель заведующего лабораторией, ДТОО «Институт космической техники и технологий», Республика Казахстан, г. Алматы
E-mail: alipbayev. k@istt. kz Шамро Александр Валентинович заведующий сектором, ДТОО «Институт космической техники и
технологий», Республика Казахстан, г. Алматы
E-mail: shamro. a@istt. kz Бопеев Тимур Маратович заведующий сектором, ДТОО «Институт космической техники и
технологий», Республика Казахстан, г. Алматы
E-mail: bopeyev. t@istt. kz
DEVELOPMENT OF STAR TRACKER OF KAZAKHSTAN
Suleimen Yelubayev
head of laboratory of space system simulation and development, AALR "Institute of space technique and technology ", Republic of Kazakhstan, Almaty
Vladimir Ten
leading researcher, AALR "Institute of space technique and technology", Republic of
Kazakhstan, Almaty Bakhytjan Albazarov
leading researcher, AALR "Institute of space technique and technology", Republic of
Kazakhstan, Almaty Erbol Sarsenbayev
senior researcher, AALR "Institute of space technique and technology ", Republic of
Kazakhstan, Almaty Kuanysh Аlipbayev
Created by DocuFreezer | www.DocuFreezer.com |
deputy head of the laboratory, AALR "Institute of space technique and technology",
Republic of Kazakhstan, Almaty Alexander Shamro
sector manager, AALR ".Institute of space technique and technology", Republic of
Kazakhstan, Almaty Timur Bopeyev
sector manager, AALR ".Institute of space technique and technology", Republic of
Kazakhstan, Almaty
АННОТАЦИЯ
В настоящее время в Казахстане уделяется большое внимание созданию самостоятельной космической отрасли. Запущено два спутника дистанционного зондирования Земли, ведутся проекты по разработке компонентов системы управления движением и навигации космических аппаратов. Одним из таких компонентов является звездный датчик, представляющий собой высокотехнологичный прибор для точного определения ориентации космического аппарата. В данной статье рассматриваются основные этапы его проектирования и разработки.
ABSTRACT
Great attention to the creation of an independent space industry is paid in Kazakhstan at present. Two satellites for Earth remote sensing were launched, projects on development of components for satellite's attitude determination and control system are carried out. Star tracker is one of such components. It is a high-tech device for accurate determination of satellite's attitude. This article discusses the basic stages of design and development of star tracker.
Ключевые слова: космический аппарат; звездный датчик; опытный образец.
Keywords: satellite; star tracker; prototype.
Введение
Создание космических систем дистанционного зондирования Земли является основной тенденцией развития космической отрасли в Казахстане.
Относительно недавно успешно произведен запуск двух казахстанских спутников ДЗЗ, разработанных совместно с французской компанией EADS Astrium и великобританской компанией Surrey Satellite Technology Ltd. В будущем в Казахстане планируется разрабатывать КА ДЗЗ своими силами. В связи с этим приобретает актуальность разработка собственных отечественных комплектующих и компонентов для спутников, одним из которых является звездный датчик.
Силами отечественных специалистов в Казахстане разрабатывается собственный звездный датчик. На первом этапе разработан его экспериментальный образец. Основной целью данного этапа является отработка основных режимов работы и программно-математического обеспечения звездного датчика, который имеет следующие характеристики: поле зрения — 20 градусов, точность определения ориентации в плоскости XY — 15 уг.сек., точность определения ориентации вокруг оптической оси Z — 50 уг.сек., частота обновления информации — 2 Гц, минимальный угол между оптической осью и Солнцем — 40 градусов, масса звездного датчика — 1,435 кг.
На следующем этапе на его основе планируется разработать опытный образец звездного датчика для последующего его использования на казахстанских космических аппаратах.
Определение требований и проектирование звездного датчика
Наибольшую трудность при создании звездного датчика представляет разработка бортового программного обеспечения. Поскольку звездный датчик должен позволять определять угловое положение космического аппарата с точностью до нескольких угловых секунд, то программное обеспечение должно определять координаты звезд с большой точностью, что накладывает определенные требования на основные компоненты звездного датчика: оптическую систему, детектор, блок электроники.
Для изготовления оптической системы звездного датчика разработаны следующие требования: поле зрения — 20 градусов; диаметр входного зрачка — 25 мм; диаметр пятна рассеяния — 85 % энергии в 39 мкм [1, с. 237];
минимальный угол между направлениями оптической оси звездного датчика и на Солнце — 40 градусов; изображение каждой звезды должно быть дефокусировано в виде пятна диаметром 5—6 пикселей. Также определены требования к бленде, детектору и компонентам блока электроники звездного датчика.
В рамках проектирования звездного датчика с учетом полученных требований произведен выбор оптической схемы звездного датчика. Для этого были рассмотрены три варианта оптической системы, для каждого из которых с помощью программной системы ZEMAX исследовано изменение качественных характеристик оптических систем. В результате выбор был определен в пользу шестилинзовой оптической системы (рисунок 1), так как она позволяет компенсировать большинство аберраций, а значения основных качественных параметров оптической системы не уступают значениям данных параметров у других вариантов оптических систем. На основе полученных данных разработан чертеж конструкции объектива экспериментального образца звездного датчика.
Рисунок 1. Шестилинзовая оптическая система
Для проектирования бленды проведено моделирование в среде Matlab нежелательной засветки от Солнца для предельного угла его от оптической оси в 40 градусов (рисунок 2). При компьютерном моделировании для определения направления последующего после отражения хода луча использован метод Монте-Карло. Полученные результаты анализа моделирования позволили разработать чертеж конструкции бленды экспериментального образца звездного датчика.
Рисунок 2. Моделирование нежелательной засветки звездного датчика
Также на этапе проектирования звездного датчика были проведены работы по выбору его детектора и оборудования блока электроники. В качестве детектора экспериментального образца звездного датчика выбран КМОП-детектор CIS2051. При минимальном биннинге 2х2 пикселя (группировка пикселей в большие виртуальные пиксели) отношение сигнал — шум равно 7.91, чего более чем достаточно для уверенной фильтрации шумов и точного определения центроидов изображений звезд.
В качестве процессорного модуля блока электроники экспериментального образца звездного датчика рассматривалось три варианта — SBC 1651, Q6, Mars ZX3. В результате был выбран модуль Mars ZX3, который сочетает в себе двухядерный процессор ÂRM Cortex A9 и ПЛИС Artix-7. Процессор содержит необходимый объем памяти, кроме того связь ЦП и ПЛИС посредством высокоскоростной шины AMBA обеспечивает гибкую настройку системы и высокую пропускную способность данных.
Разработка звездного датчика
Оптическая система экспериментального образца звездного датчика полностью разработана своими силами в Институте космической техники и технологий (г. Алматы) и представлена на рисунке 3.
#
§ <!г
Рисунок 3. Оптическая система экспериментального образца звездного
датчика
Для изготовления линз оптической системы звездного датчика использовано оптическое стекло различных производителей. Для контроля качества полировки линз, соблюдения их геометрических параметров, точности установки элементов оптической системы было использовано следующее оборудование: теневой прибор, автоколлимационный радиусомер, прибор для измерения косины, толщиномер. Погрешности данного оборудования были следующие:
• теневой прибор — чувствительность к отклонению от сферической поверхности 1/50 длинны волны света;
• автоколлимационный радиусомер позволяет измерять радиус кривизны вогнутых поверхностей, с точностью порядка 0,02—0,05 мм;
• косиномер, для измерения разнотолщинности (косины) линзы по краю, имеет чувствительность метода порядка 3 мкм;
• толщиномер, для измерения толщины линзы на оси, имеет точность измерения 0,005—0,01 мм.
Измеренные величины, изготовленной оптической системы были введены в программном обеспечении Zemax и проведен анализ характеристик созданной системы (рисунок 4, 5). Анализ представленных рисунков показывает, что созданная система отвечает предъявляемым требованиям по размеру пятна рассеяния.
Верификация оптической системы экспериментального образца звездного датчика проводилась путем съемки ночного неба в условиях высокогорья (высота над уровнем моря около 2700 м) без влияния посторонней засветки. Съемка проводилась при различных выдержках: от 0,2 до 0,8 сек различных частей ночного неба. Проведен анализ полученных изображений звезд на их размер на фокальной плоскости. На рисунке 6 приводится функция рассеяния точки, соответствующая одной из звезд средней яркости.
3"
ф
ш """" •
.... ....
„„; •,„;
СОМР1СиРПТ1оТ| 1 "ОР"Т
Рисунок 4. Изображения точки в зависимости от угла поля зрения, получаемые созданной оптической системой
рвиуснкрмялс ниусЕыг РЗР
Рисунок 5. ФРТ на оси созданной оптической системы
Рисунок 6. ФРТ одной из звезд средней яркости. Интенсивность принимаемого излучения — ось Z, пикселя матрицы — плоскость ХУ
Бленда экспериментального образца звездного датчика изготовлена на основе анализа результатов моделирования хода лучей и приведена на рисунке 7.
Рисунок 7. Экспериментальный образец звездного датчика с блендой
Программно-математическое обеспечение экспериментального образца звездного датчика базируется на алгоритмах предварительной обработки изображения, распознавания звезд и определения ориентации. Его общая схема приведена на рисунке 8.
Исходное изображение
Бинаризация
В
Фильтрация Р Локализация псевдозвезд Т. Определен« с центроидов
Ц
Определени с порогов].[х значений Т1, Т2
аИа,Ье1а,
датгпа
Определение ориентации з вездного датчика Т тек 110ИСК 1!Х соответствия в звездном каталоге в Определение их угловых расстояний Т * тек 11остроение очередной триады псевдозвезд
Т И6К
Рисунок 8. Общая схема программно-математического обеспечения
звездного датчика
Получение исходного изображения производится на основе обработки выходных данных детектора звездного датчика. В результате изображение представляет собой матрицу пикселей с интенсивностью в определённом диапазоне длин волн.
После получения исходного изображения производится его бинаризация, которая представляет собой процесс преобразования исходного изображения в бинарное. Для проведения бинаризации используются пороговые значения бинаризации, которые вычисляются динамически для каждого полученного изображения, позволяют исключить на изображении излишнюю информацию и выделить контуры объектов.
На следующем этапе после бинаризации производится фильтрация изображения с помощью медианного фильтра [2, с. 234], в результате которой на бинарном изображении исключаются шумы и дефекты изображения.
Далее производится локализация псевдозвезд, которая заключается в выделении связанных областей путем обхода изображения специальной маской. После этого производится определение центроидов псевдозвезд (координаты их центров).
Здесь необходимо отметить, что бинаризация, фильтрация и локализация псевдозвезд выполняется на ПЛИС, так как они представляют собой операции, требующие высоких вычислительных мощностей.
После того, как на изображении выделены псевдозвезды и сформирован массив их центроидов, он отправляется в центральный процессор, где производится распознавание псевдозвезд путем их сопоставления со звездным каталогом. Как правило, распознавание производится по каким-либо конфигурациям псевдозвезд. В данном случае для распознавания используется три псевдозвезды (Тек). При этом для каждой пары псевдозвезд, входящих в тройку, рассчитываются угловые расстояния (в), которые сопоставляются с угловыми расстояниями звезд в звездном каталоге с помощью метода К-вектор [3, с. 450], который прошел успешную проверку на космических аппаратах и имеет намного лучшее быстродействие по сравнению с традиционными методами поиска, например, методами бинарного поиска.
В результате проведения распознавания становятся известны координаты трех звезд в системе координат звездного датчика и соответствующие им инерциальные координаты в звездном каталоге. Определение ориентации звездного датчика в инерциальной системе координат производится на базе соотношения, связывающего координаты распознанных звёзд в поле зрения звёздного датчика и соответствующие им координаты звезд в звездном каталоге.
Для тестирования программно-математического обеспечения звездного датчика разработан программный имитационный комплекс, позволяющий имитировать процесс получения изображения звездным датчиком с учетом помех и шумов, обусловленных работой детектора и погрешностями оптической системы, а также с учетом динамики самого звездного датчика. Данный программный имитационный комплекс позволил сравнить ориентацию звездного датчика, полученную с помощью его программного обеспечения с ориентацией звездного датчика, полученной с помощью модели динамики звездного датчика, заложенной в имитационный комплекс. В результате сравнения проведена оценка точности определения ориентации звездного датчика с помощью его программного обеспечения. Точность определения ориентации оптической оси звездного датчика составила 18,5673 уг.сек, точность определения угла поворота вокруг оптической оси — 21,4973 уг.сек.
Данные показатели соответствуют требованиям к звездному датчику и тем самым свидетельствуют об адекватности работы его программного обеспечения, что дает основание для его использования на экспериментальном образце звездного датчика. Заключение
В статье рассмотрены основные этапы разработки экспериментального образца звездного датчика для космических аппаратов. Результаты проведенных испытаний свидетельствуют о приемлемом качестве изготовления и работы программного обеспечения экспериментального образца звездного датчика, что дает основание использовать его в качестве основы для разработки опытного образца звездного датчика.
Список литературы:
1. Молдабеков М.М., Елубаев СА., Алипбаев К.А., Бопеев Т.М., Сухенко А.С. Разработка оптической системы звездного датчика для космических аппаратов // Материалы Международной научной конференции «Решетневские чтения». Красноярск, 12—14 ноября 2013 г. — С. 237—238.
2. Методы компьютерной обработки изоражений / Под ред. В.А. Сойфера 2-е изд., испр. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2003. — 784 с.
3. Mortari D. K-vector range searching techniques // Adv. Astronaut. Sci. — 2000. — № 105. — Р. 449—464.
