Методы обработки графической информации для повышения точности приборов астроориентации космического базирования

На правах рукописиОсадчий Иван СергеевичМЕТОДЫ ОБРАБОТКИ ГРАФИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ТОЧНОСТИ ПРИБОРОВ АСТРООРИЕНТАЦИИКОСМИЧЕСКОГО БАЗИРОВАНИЯ05.13.01 – Системный анализ, управление и обработка информации(приборостроение)АВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата технических наукМытищи – 20152Работа выполнения в Федеральном государственном автономном образовательномучреждении высшего профессионального образования «Московский физикотехнических институт (государственный университет)»Научный руководитель:кандидаттехническихПузиков Денис Юрьевичнаук,Официальные оппоненты:Майорова Вера Ивановнадоктор технических наук, доцент, ГОУВПО «Московский государственныйтехнический университет имени Н.Э.Баумана»,профессоркафедры«Космические аппараты и ракетыносители»Соловьев Игорь Валерьевичкандидат технических наук, ФГУП«Московское опытно-конструкторскоебюро «Марс»», начальник отдела 241Ведущая организация:ФГКВОУ ВПО «Военно-космическаяакадемия имени А.Ф.

Можайского»Министерства обороны РоссийскойФедерацииЗащита состоится «18» декабря 2015 г. в 14 часов 00 минут на заседаниидиссертационного совета Д 212.146.04 на базе ФГБОУ ВПО «Московскийгосударственный университет леса» по адресу: 141005, Мытищи-5, Московскаяобласть, 1-я Институтская ул., д.1, МГУЛ, ауд. 1222.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Московскийгосударственныйуниверситетлеса»инасайтеhttp://www.mgul.ac.ru/info/uchsovet/disserts/D_212.146.04/osadchiy/Автореферат разослан «16» октября 2015 г.Ученый секретарьдиссертационного совета,канд. техн.

наук, доцент________________Тарасенко П. А.3ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темы исследованияВысокоточное поддержание ориентации космических аппаратов (КА) впроцессе их функционирования на орбите является необходимым для решения рядаважных прикладных задач: дистанционного зондирования Земли, контроляоколоземного пространства, развития глобальной системы позиционирования,детального изучения удаленных объектов Вселенной, оптической передачиинформации и т.д. Достижение требуемых характеристик точности и оперативностиизмерения ориентации в системах управления КА достигается с помощьюиспользования ряда гироскопических и оптико-электронных приборов, информациякоторыхкомплексируетсяНеобходимостьпримененияалгоритмаминаборабортовойвычислительнойизмерительныхприборовсистемы.приводиткувеличению конструктивной и алгоритмической сложности КА, их массы,габаритов, энергопотребления, и что не менее важно, времени и стоимостиизготовления.

При этом современная тенденция развития КА направлена наминиатюризацию и создание микро- и нано- спутников для решения целевых задач.Одними из приборов, обладающими наиболее универсальными свойствами итрадиционно используемыми в системах управления для автономного измеренияориентации, являются астродатчики (АД).

Принцип их работы, основанный навизировании группы звезд, позволяет производить измерение сразу трех угловповорота в инерциальной системе координат.Однако в связи с развитием космической отрасли и непрерывно возрастающейсложностью целевых задач характеристики существующих АД и, в первую очередь,точность ориентации не позволяют использовать их в качестве основного илиединственного измерительного прибора в составе систем управления КА.

При этомАДимеютвсетеоретическиеитехническиепредпосылкидляэтого.Совершенствование точностных характеристик астроприборов упростит системууправления, что позволит осуществить миниатюризацию аппаратов, и удовлетворитпотребности измерения ориентации современных прикладных задач космическойотрасли.4АктуальностьповышенияэффективностифункционированияАДкосмического базирования так же подтверждается как неугасающим интересом кнаучным исследованиям существующих российских и зарубежных производителей(ИКИ РАН, ОАО «НПП «Геофизика-Космос», МОКБ «МАРС», ЗАО «НПО«Лептон», НПП «ОПЭТКС», SODERN, Ball Aerospace, Jena-Optronik и др.), так ивозрастающим интересом новых компаний (ООО «Азмерит», СПУТНИКС, ISIS,OPC и др.), предлагающих собственные решения изготовления и модернизацииприборов данного типа.Можно выделить два подхода, направленных на увеличение точностиизмерений АД.

Первый из них заключается в совершенствовании составных частейприбора, таких как оптическая система или матричное фотоприемное устройство.Однако он сопряжен с высокой стоимостью разработок, сложностью исследований ипродолжительным временем наземных испытаний и к тому же не применим к ужефункционирующим на орбите астроприборам.Второй подход заключается в совершенствовании алгоритмических методовизмерения, пригодных для использования в составе уже созданных АД.

Именно засчет алгоритмического совершенствования возможно достижение максимальнойточности ориентации на той элементной базе, которая прошла апробацию летнойэксплуатацией и успешно применяется в составе КА.Анализ современных научно-исследовательских работ и научно-техническойлитературы основных исследователей в области проектирования АД (Аванесов Г.А.,Бессонов Р.В., Кузнецов В.И., Прохоров М.Е., Федосеев В.И., Eisnman A.R., LiebeC.C., Quine B.M. и др.) показал, что внимание авторов в значительной степенисфокусировано на совершенствовании и разработке новых конструктивныхрешений, и в меньшей степени на создании алгоритмических методов.

При этомнесмотря на достигнутые успехи и значительное развитие за последние годывычислительной техники, не получили должного развития вопросы, связанные ссистемным анализом, исследованием и развитием применяемых для измеренияориентации методов обработки графической информации.

Опыт создания данныхприборов показал, что недостаточно проработанный системный подход вынуждает5использовать существующие частные и зачастую не оптимальные решения припроектировании программно-алгоритмического комплекса. В результате снижаетсяэффективность использования оптической информации, получаемой АД из внешнейсреды, что в конечном итоге снижает точностные характеристики.Развитие системного подхода, совершенствование и разработка методовобработки графической информации позволит повысить точность измеренияориентации в уже созданных и эксплуатируемых конструктивных решениях без ихпереработки, тем самым способствуя развитию систем управления КА.

При этом непотребуется производить замены составных частей АД и значительно усложнятьпрограммно-алгоритмический комплекс обработки данных, что позволит достичьлучших показателей при не повышении рисков выхода из строя приборов и избавитотнеобходимостивдлительныхидорогостоящихисследованияхвновьразрабатываемых конструкций.В результате исследования требований целевых задач КА к ориентации,тенденций развития космической отрасли и проведения анализа литературы вкачестве объекта исследования были выбраны астродатчики космическогобазирования, а в качестве предмета исследования – совокупность существующих иразрабатываемых методов обработки графической информации в составе приборовданного типа. Проблемная ситуация применительно к выбранному направлениюхарактеризуется недостаточно проработанным системным подходом при наличиимножества частных решений для обработки графической информации и спецификойтребований к программно-алгоритмической системе приборов в результате ихкосмического базирования, в связи с чем затруднительно применение широкораспространенных оптимальных методов.Цель работыЦелью диссертационной работы является повышение точности измеренияориентации астродатчиков космического базирования без их конструктивнойпереработки и при сохранении основных технических характеристик.6Задачи исследованияВ соответствии с обозначенной целью в диссертационной работе былипоставлены следующие задачи:1.

Провести системный анализ применяемых в приборах астроориентациипринциповпостроенияалгоритмическихкомплексовобработкиграфической информации и определить пути повышения точностиизмерения ориентации.2. Сформировать требования к критичным элементам алгоритмическойсистемы с учетом специфики космического применения.3. Исследовать существующие решения и провести анализ их достоинств инедостатков с учетом предъявляемых требований.4. Разработать методы обработки графической информации на основевыявленных достоинств и недостатков существующих решений.5.

Обосноватьвыборметодовобработкиспомощьютеоретическихисследований и имитационного моделирования.6. Провестиэкспериментальнуюпроверкувыбранныхрешенийдляповышения точности измерения ориентации астродатчиков космическогобазирования.Методология и методы исследованияПри выполнении поставленных в диссертационной работе задач былииспользованыметодысистемногоанализа,численногомоделирования,математической статистики, теорий принятия решения и обнаружения сигнала,прикладного программирования.Положения, выносимые на защитуНа защиту выносятся следующие положения:1.

Структурная модель обработки графической информации для решениязадачипредварительногоизображений звезд.обнаруженияиопределенияконтуров72. Методобработкиобнаруженияиграфическойопределенияинформацииконтуровдляпредварительногоизображенийзвездмалойконтрастности.3. Метод обработки графической информации для устойчивой оценкипараметров распределения фона изображения при наличии правостороннихвыбросов.4. Метод аналитического вычисления координат энергетических центровизображений звезд.Научная новизна состоит в том, что впервые предложены:1. Структурнаямодельпроцессапредварительногообнаруженияиопределения контуров изображений звезд, позволяющая производитьнезависимое совершенствование математического и алгоритмическогообеспечения составных элементов.2.

Метод адаптивного усечения сортированной по возрастанию выборки дляустойчивой оценки параметров нормального распределения при наличииправосторонних выбросов. Данный метод обладает эффективностью более80%, что в 3 раза выше аналогичных решений, и большей в 2,5 разаустойчивостью к выбросам при меньших на 20% вычислительных затратах.3. Метод адаптивного порога детектирования по локальному кластеруотсчетов произвольной формы для обнаружения и определения контуровслабоконтрастных изображений звезд.

Данный метод позволяет повыситьвероятность обнаружения в 1,3 раза при сохранении вероятности ложногосрабатывания и повысить вероятность достоверного определения границизображений звезд на 20%.4. Метод линеаризации задачи измерения координат энергетических центровизображений звезд, использующий аппроксимацию формы пятна рассеяниядвумерной обобщенной функцией распределения ошибок.

Данный методпозволяет снизить систематическую ошибку измерения координат до 30%по сравнению с результатами, получаемыми при использовании наиболеепопулярного метода взвешенных сумм.8Достоверность результатовДостоверность полученных в ходе работы результатов исследованияподтверждаетсякорректнымиспользованиемматематическогоаппарата,проведением экспериментов численного моделирования для получения первичныхоценок,сопоставлениемполученныхданныхсранееопубликованнымирезультатами других исследователей, проведением ряда натурных испытаний спомощьюмакетаастродатчикаирезультатамиэкспериментовобработкивидеоданных, полученных от функционирующего на орбите оптико-электронногоприбора космического базирования.Практическая значимость работыПредложенные в работе математические и алгоритмические описания методовобработки графической информации позволили создать ряд аппаратных ипрограммныхастродатчиковрешений,внедренныхкосмическоговсистемубазирования.обработкиПолученныеинформациирешениясделаливозможным повышение точностных характеристик ряда приборов без ихконструктивной переработки, что, в свою очередь, сократило финансовые затратына модернизацию.Внедрение результатов работыРазработанные аппаратные и программные решения на основе предложенныхв работе математических и алгоритмических описаний методов обработкиграфической информации были использованы: впроизводствеЗАО«НПО«Лептон»длясовершенствованиясуществующих и проектирования новых программно-алгоритмическихсистем обработки графической информации приборов астроориентации; в научной работе студентами и аспирантами кафедры «Системы,устройства и методы геокосмической физики» Московского физикотехнического института; в приборах «Астрол-17-1», входящих в систему управления КА,разрабатываемого АО «ВПК «НПО машиностроения»;9 при выполнении соглашения №14.575.21.0028 от 30.06.2014 г., уникальныйидентификаторприкладныхнаучныхисследований(проекта)RFMEFI57514X0028.Апробация работыОсновные результаты работы прошли апробацию на следующих научныхконференциях: 17-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференциястудентов и аспирантов "Микроэлектроника и информатика - 2010", г.