Высокоточные звездные датчики для систем космической ориентацииНИР

Соисполнители НИР

ГАИШ МГУ Координатор
ИТМО Соисполнитель
НовГУ Соисполнитель

Источник финансирования НИР

ФЦП: Федеральная целевая программа, «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы

Этапы НИР

# Сроки Название
1 13 сентября 2010 г.-30 ноября 2010 г. Выбор направления исследований
Результаты этапа: 1 На этапе № 1 работ проведен поиск направления исследований для разработки и создания опытного образца высокоточного звездного датчика ориентации нового поколения и макета звездного датчика ориентации для высоких скоростей вращения. Указанные датчики должны иметь погрешности на порядок меньше ныне выпускаемых отечественных и зарубежных образцов. Датчик для высоких скоростей вращения должен функционировать при скоростях вращения до 10 градусов в секунду. По итогам этапа № 1 получены следующие результаты. 1.1. Проведен анализ научно-технической литературы, нормативно-технической документации и других материалов, по теме проекта. Основное внимание в ходе анализа было уделено описанию и сравнению технических характеристик большого числа звездных датчиков ориентации, выпускаемых сегодня в России и за рубежом, а также используемыми в них алгоритмами. 1.2. Проведено сопоставление ожидаемых показателей новой продукции после внедрения результатов НИР с существующими показателями изделий. Показано, что высокоточные датчики звездной ориентации будут иметь погрешность определения параметров ориентации в 10–30 раз меньше, чем у лучших выпускаемых сегодня устройств аналогичного назначения. Датчики звездной ориентации, рассчитанные на функционирование при высоких скоростях вращения космических аппаратов, будут сохранять работоспособность при угловых скоростях до 10º/c при определении параметров ориентации с погрешностями в 3–10 раз меньшими, чем у выпускаемых сегодня устройств. Частота обновления информации у обоих типов звездных датчиков ориентации будет не ниже 10 раз в секунду. 1.3. Проведены выбор и обоснование принятого направления исследований и способов решения поставленных задач. Показано, что для существенного повышения точности звездной ориентации необходимо: ̶ уменьшить угловой размер пикселя, для чего перейти к бóльшим фокусным расстояниям и меньшим полям зрения; ̶ производить измерения фотоцентров изображений звезд на ФППЗ матрице с точностью до 1/10 доли пикселя и лучше; для этого необходимо, чтобы изображение точечного источника (звезды) превышало размер пикселя во всем поле зрения датчика, а отношением сигнал/шум с которым регистрируются сигналы от звезд были намного больше единицы; ̶ для уменьшения неоднородности чувствительности ФППЗ матриц по полю необходимо использовать стандартные фотометрические процедуры калибровки изображения: учет горячих и холодных пикселей, вычитание байеса, приведение к плоскому полю. Указанные действия приводят к необходимости наблюдения более слабых звезд, чем те, что используются в современных звездных датчиках. Для регистрации таких звезд в звездных датчиках необходимо использовать оптические системы с большими апертурами. 1.4. Проведены патентные исследования. Выявлены результаты НИР, которые могут быть признаны объектами интеллектуальной собственности. 1.5. Разработан метод расчета оптимальной конструкции высокоточных звездных датчиков ориентации. На основе этого метода найдены несколько конструктивных вариантов звездного датчика ориентации с погрешностью 0,1" и частотой обновления информации 10 Гц. Габаритные размеры найденных конструкций сравнимы с размерами датчиков БОКЗ (производство ИКИ, Россия). 1.6. Разработан метод звездной ориентации в условиях больших скоростей вращения (больших смазов). В его основе – использование двух близко расположенных матриц ФППЗ с ортогональной ориентацией столбцов. В течение экспозиции каждая матрица функционирует в режиме с временной задержкой и накопление, добиваясь с помощью выбора частоты переноса максимальной компенсации смаза. Получаемые на этих матрицах ФППЗ изображения позволяют определять ориентацию при высоких скоростях вращения, при этом погрешность ориентации снижается незначительно по сравнению с медленным вращением. 1.7. Определены требования к приемникам излучения (матрицам ФППЗ) которые будут использоваться в создаваемых звездных датчиках. Устройством, удовлетворяющим этим требованиям, является микросхема CCD47–20 производства фирмы e2v Ltd. (Великобритания). 1.8. Заключен договор на поставку выбранного типа приемников излучения (матриц ФППЗ CCD47–20, производства e2v Ltd.). 2. Оценка полноты решения поставленных задач Итоги работ, проведенных на этапе № 1, показывают, что выбранное направление исследований позволяет полностью решить все задачи сформулированные в ТЗ (раздел 4). 3. Результаты исследований могут быть использованы для высокоточной ориентации КА и ЛА, при разработке новых типов приборов и систем для ориентации в космосе и на Земле, а также в метеорологии, в системах контроля космического пространства и дистанционного зондирования Земли, для систем высоконаправленной космической лазерной связи и для активной стабилизация оптических систем высокого разрешения. 4. Оценка новизны полученных решений и научно-технического уровня выполненного этапа НИР. 4.1. Для создания высокоточного звездного датчика ориентации при медленном вращении предложено решение, представляющее собой набор известных способов повышения качества функционирования звездного датчика. Эти рекомендации не содержит принципиально новых элементов, однако их совокупность позволяет создать устройство, обладающее принципиально новым набором характеристик – в 10–30 раз меньшей погрешностью определения ориентации и высокой частотой опроса. 4.2. Для создания звездного датчика ориентации при высоких скоростях вращения предложено принципиально новое решение. Патентный поиск показывает, что предложенная конструкция является оригинальной и не имеет аналогов в патентных базах. 4.3. Для повышения частоты опроса звездных датчиков, т.е. для ускорения обработки кадров, предполагается использовать новые, более сложные алгоритмы управления и считывания матриц ФППЗ. 4.4. Предлагаемые решения не имеют аналогов среди серийно выпускаемых сегодня звездных датчиков ориентации. 4.5. Научно-технический уровень результатов выполненного этапа НИР превышает лучшие отечественные и мировые достижения в данной области. 5. Полученные результаты будут использованы для модернищации и создания новых курсов лекций по астрофотометрии, по навигации и ориентации в космосе, и по современным космическим технологиям для студентов кафедр «Астрофизики и звездной астрономии» и «Прикладной астрономии» физического факультета МГУ. Изменения будут внесены в учебные программы курсов 2011-2012 гг.
2 1 января 2011 г.-30 июня 2011 г. Эскизное проектирование датчиков ориентации
Результаты этапа: 1 На этапе № 2 работ. По итогам этапа № 2 получены следующие результаты. 1.1 Разработана эскизная документации на экспериментальный образец высокоточного звездного датчика ориентации. 1.2 Разработана эскизная документация на макет звездного датчика ориентации для высоких скоростей вращения. 1.3 Разработана документация на стенд для испытаний звездных датчиков ориентации. 1.4 Разработан звездный каталог для стенда. 1.5 Разработан алгоритм выделения звездных конфигураций в условиях помех при различных скоростях вращения звездного датчика. 2 Оценка полноты решения поставленных задач – проведены расчеты оптической схемы звездных датчиков ориентации. Рассчитанная оптическая система является системой Ричи-Кретьена и содержит два гиперболических зеркала и двухлинзовый компенсатор из радиационно-стойкого стекла; – составлен обзор современных материалов, применяемых для изготовления оптических элементов, в частности зеркал, для использования в условиях космоса; – выявлено, что наиболее стойкими к термическим аберрациям материалами для зеркал оптической системы телескопа являются кремний и карбид кремния. Итоги работ, проведенных на этапе № 2, показывают, что. 3 Результаты исследований могут быть использованы: ̶ - для высокоточной ориентации КА и ЛА; ̶ - для контроля космического пространства; ̶ - для метеорологии; ̶ - для дистанционного зондирования Земли; ̶ - для систем космической лазерной связи; - ̶ для активной стабилизации оптических систем высокого разрешения; - для разработки новых типов приборов ориентации в космосе и на Земле. 4 Оценка новизны полученных решений и научно-технического уровня выполненного этапа НИР. 4.1 Для создания высокоточного звездного датчика ориентации предложено решение, представляющее собой набор известных способов повышения качества функционирования звездного датчика. Эти рекомендации позволяет достичь требований ТЗ, т.е. создать устройство, обладающее в 10–30 раз меньшей погрешностью определения ориентации и высокой частотой опроса. 4.2 Для высокоточного датчика разработана катадиоптрическая (зеркально-линзовая) оптическая система, обладающая большой апертурой и небольшими аберрациями при малых габаритах. 4.3 Для создания звездного датчика ориентации при высоких скоростях вращения предложено принципиально новое решение не имеющее аналогов в патентных базах. 4.4 Для повышения частоты опроса фотоприемных устройств звездных датчиков, т.е. для ускорения обработки кадров, разработаны принципиально новые, более сложные алгоритмы управления матричными ФППЗ. 4.5 Предложенные решения не имеют аналогов среди серийно выпускаемых сегодня ЗД. 4.6 Научно-технический уровень результатов выполненного этапа НИР превышает лучшие отечественные и мировые достижения в данной области. 5 Полученные результаты НИР будут использоваться при чтении спецкурсов «Основы астрофотометрии» и «Методы ориентации и навигации в пространстве» на кафедрах «Астрофизики и звездной астрономии» и «Прикладной астрономии» Физического факультета МГУ в 2011 г. Спецкурсы включены в учебные планы кафедр.
3 1 июля 2011 г.-30 ноября 2011 г. Изготовление и испытания датчиков
Результаты этапа: 1 Итоги этапа № 3 работ По итогам этапа № 3 получены следующие результаты. 1.1 Разработана рабочая конструкторская документации на экспериментальный образец высокоточного звездного датчика ориентации (ВЗД). 1.2 Изготовлен экспериментальный образец ВЗД. 1.3 Изготовлен макет звездного датчика ориентации для высоких скоростей вращения (ЗДВС). 1.4 Разработана программа и методика испытаний ВЗД. 1.5 Разработана программа и методика испытаний ЗДВС. 1.6 Изготовлены стенды для испытаний звездных датчиков ориентации. 1.7 Проведены испытания экспериментального образца ВЗД. Испытания выявили некоторые недостатки программного обеспечения экспериментального образца. Доработка образца будет проведена согласно календарному плану ГК № 14.740.11.0153 от «13» сентября 2010 г. на этапе № 4 НИР. 2 Оценка полноты решения поставленных задач Задачи, запланированные в текущем этапе НИР, выполнены полностью. 3 Использование результатов исследований Высокоточные звездные датчики, экспериментальный образец которых был создан на этом этапе, могут применяться: – для высокоточной ориентации космических аппаратов и летательных аппаратов; – для контроля космического пространства; – для метеорологии; – для дистанционного зондирования Земли; – для систем космической лазерной связи; – для активной стабилизации оптических систем высокого разрешения; – для разработки новых типов приборов ориентации в космосе и на Земле. 4 Оценка новизны полученных решений и научно-технического уровня выполненного этапа НИР. 4.1 Высокоточный звездный датчик ориентации, изготовленный на этом этапе, сочетает известные способы повышения качества функционирования звездных датчиков. Созданное устройство обладает в 10–30 раз меньшей погрешностью определения ориентации и высокой частотой опроса. 4.2 Для высокоточного датчика изготовлена катадиоптрическая (зеркально-линзовая) оптическая система, обладающая большой апертурой и небольшими аберрациями при малых габаритах. 4.3 Для создания звездного датчика ориентации при высоких скоростях вращения создан электронно-программный макет. 4.4 Для повышения частоты опроса фотоприемных устройств звездных датчиков, т.е. для ускорения обработки кадров, разработаны принципиально новые, более сложные алгоритмы управления матричными фоточувствительными приборами с переносом заряда (ФППЗ). 4.5 Созданный образец не имеет аналогов среди серийно выпускаемых сегодня ЗД. 4.6 Научно-технический уровень результатов выполненного этапа НИР превышает лучшие отечественные и мировые достижения в данной области. 5 Полученные результаты НИР будут использоваться при чтении спецкурсов «Основы астрофотометрии» и «Методы ориентации и навигации в пространстве» на кафедрах «Астрофизики и звездной астрономии» и «Прикладной астрономии» Физического факультета МГУ в 2011–2012 учебном году. Спецкурсы включены в учебные планы кафедр. Чтение курса «Методы ориентации и навигации в пространстве» (М.Е.Прохоров) проводится в осеннем семестре 2011 г., курса «Основы астрофотометрии» (А.В.Миронов) – будет идти в весеннем семестре 2012 г.
4 1 января 2012 г.-15 ноября 2012 г. Доработка датчиков ориентации по результатам испытаний. Обобщение и оценка результатов исследований.
Результаты этапа: 1 Итоги этапа № 4 работ По итогам этапа № 4 получены следующие результаты. 1.1 Проведены фотометрические испытания экспериментального образца высокоточного звездного датчика ориентации (ВЗД). Получены исходные данные для алгоритмов ВЗД. 1.2 Проведен анализ результатов испытаний на стендах. Выяснена необходимость доработки программно-математическое обеспечение (ПО) в части определения первоначальной ориентации без априорных данных (режим восстановления ориентации). 1.3 Доработано ПО экспериментального образца ВЗД. 1.4 Доработанное ПО загружено в экспериментальный образец ВЗД и протестировано. 1.5 Проведены испытания макета звездного датчика для высоких скоростей вращения (ЗДВС). 1.6 Проанализированы результаты испытаний. Выяснено, что ЗДВС может функционировать полноценно лишь при известной приблизительной скорости вращения датчика. 1.7 Доработано ПО макета ЗДВС. 2 Оценка полноты решения поставленных задач 2.1 На четвертом этапе НИР анализировались результаты испытаний экспериментального образца ВЗД (испытания были проведены на предыдущем этапе). Испытания показали, что предложенный в эскизном проекте алгоритм не обеспечивает заявленного времени определения начальной ориентации. Были предложены другие алгоритмы, основанные на сравнении угловых расстояний между объектами в кадре и навигационными звездами в БКНЗ. Дополнительные испытания этих алгоритмов показали высокую достоверность определения начальной ориентации. Однако эти алгоритмы существенно различаются по времени выполнения. В результате предпочтение было отдано более быстрому алгоритму, использующему дополнительно информацию о блеске навигационных звезд и объектов в кадре. 2.2 На четвертом этапе НИР были проанализированы данные, полученные в ходе фотометрических испытаний ВЗД. При анализе был применен новый метод обработки фотометрических данных, позволяющий одновременно и согласовано определять коэффициент усиления и шум считывания канала усиления/преобразования ПЗС, также его пиксельные характеристики: байес и темновой ток. В результате была отмечена зависимость коэффициента усиления и байеса ПЗС от частоты считывания. 2.3 На четвертом этапе НИР были проведены испытания макета звездного датчика ориентации при высоких скоростях вращения. В результате было обнаружено: ― разработанные стенды не позволяют произвести испытания одновременно оптической и гироскопической частей ЗДВС; ― определение угловой скорости вращения на высоких скоростях вращения (более 1/с) без априорной информации от гироскопов средствами только оптической части ЗДВС невозможно; ― определение начальной ориентации ЗДВС при высоких скоростях вращения (более 1/с) требует разработки специальных алгоритмов, отличных от таковых для ВЗД. Для совместных испытаний оптической и гироскопической частей ЗДВС проведены натурные испытания. Анализ этих испытаний будет проведен на следующем этапе (согласно пункту 5.2 КП). 2.4 Задачи, запланированные в текущем этапе НИР, выполнены полностью. 3 Использование результатов исследований Высокоточные звездные датчики, экспериментальный образец которых был создан на этом этапе, могут применяться: – для высокоточной ориентации космических аппаратов и летательных аппаратов; – для контроля космического пространства; – для метеорологии; – для дистанционного зондирования Земли; – для систем космической лазерной связи; – для активной стабилизации оптических систем высокого разрешения; – для разработки новых типов приборов ориентации в космосе и на Земле. 4 Оценка новизны полученных решений и научно-технического уровня выполненного этапа НИР. 4.1 Были предложены и испытаны новые алгоритмы, основанные на сравнении угловых расстояний между объектами в кадре и навигационными звездами в БКНЗ. Эти алгоритмы обладают высокой вероятностью верного определения начальной ориентации при низкой вероятности ложного отождествления. 4.2 Предложена новая методика согласованного определения коэффициента усиления и дисперсии шума считывания ПЗС, а также значений байеса и темнового тока для каждого пикселя. Предложенная методика позволяет ускорить проведение испытаний и повысить достоверность результата. 4.3 Созданные экспериментальный образец ВЗД и макет ЗДВС не имеет аналогов среди серийно выпускаемых сегодня в РФ и за рубежом ЗД. 4.4 Научно-технический уровень результатов выполненного этапа НИР превышает лучшие отечественные и мировые достижения в данной области. 5 Полученные результаты НИР будут использоваться при чтении спецкурсов «Основы астрофотометрии» и «Методы ориентации и навигации в пространстве» на кафедрах «Астрофизики и звездной астрономии» и «Прикладной астрономии» Физического факультета МГУ в 2012 учебном году. Спецкурсы включены в учебные планы кафедр. Подведены итоги НИР.

Статьи по НИР

Патенты по НИР