Методы обработки графической информации для повышения точности приборов астроориентации космического базирования (1025362)
Текст из файла
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.
Характеристики
Тип файла PDF
PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.
Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
