СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ИЗМЕРЕНИЯ УГЛОВЫХ КООРДИНАТ ЗВЕЗД Российский патент 2011 года по МПК G01C21/24 G01B11/26 

Изобретение относится к оптико-электронному приборостроению и может быть использовано в оптико-электронных приборах (ОЭП) ориентации по звездам, содержащих матричный фотоприемник с накоплением заряда.

Известен способ измерения угловых координат звезд оптико-электронным прибором ориентации по звездам путем проецирования на фоточувствительную поверхность приемника изображения участка звездного неба, измерения линейных координат изображений звезд на этой поверхности, проецирования на эту же фоточувствительную поверхность специальных калибрационных отметок, жестко связанных с базовой приборной системой координат и имеющих заранее известные угловые координаты в ней, путем измерения линейных координат этих отметок и последующего пересчета линейных координат звезд в их угловые координаты с учетом результатов измерений линейных координат калибрационных отметок (Kuzmin V.S., Fedoseev V.I., Zaeekin V.I. New generation of star sensors. Proc. SPIE, 2739-41, Acquisition, Tracking and Pointing X, 1996, vol.2739, Петрович В.А. Малогабаритный звездный датчик. Оптический журнал,1996, №7, с.48-49.) При этом базовая приборная система координат реализуется конструктивными элементами прибора - например, посадочной плоскостью, привалочными упорами, базовыми зеркалами и т.п. Такая процедура позволяет исключить влияние микродеформаций недостаточно стабильных элементов конструкции прибора (например, фотоприемника) на точность измерения.

Наиболее близкий к предлагаемому изобретению способ [Федосеев В.И., Колосов М.П. Оптико-электронные приборы ориентации и навигации космических аппаратов. Москва, Логос, 2007, с.156-160] включает проецирование через объектив звездного канала на фоточувствительную поверхность матричного приемника изображения участка звездного неба, измерение линейных координат изображения звезд на этой поверхности, последующее проецирование на эту же поверхность через объектив звездного канала специальных калибрационных отметок, формируемых коллиматором оптического канала эталона и жестко связанных с базовой приборной системой координат, заранее выполняемое точное измерение угловых координат калибрационных отметок в базовой приборной системе координат, измерение линейных координат этих калибрационных отметок и пересчет линейных координат звезд в угловые координаты базовой системы координат с учетом результатов измерений линейных координат калибрационных отметок.

Описанный известный способ имеет недостаток - при проецировании калибрационных отметок на приемник необходимо перекрывать оптический звездный канал с помощью затвора, так как в противном случае изображения звезд могут накладываться на изображения отметок и вносить погрешность в результат измерения их линейных координат. Использование амплитудной селекции сигнала калибрационных меток требует расширения динамического диапазона всего фотоэлектронного тракта, что во многих случаях затруднительно ввиду требуемого большого динамического диапазона для рабочих источников - звезд. Наличие в приборе электромеханического или оптического затвора ухудшает габаритно-массовые характеристики прибора, снижает надежность.

Цель изобретения - упрощение процесса измерения за счет исключения перекрывания звездного канала при проецировании калибрационных отметок.

Указанная цель достигается за счет того, что при проецировании калибрационных отметок изменяется режим экспонирования матричного приемника - время экспозиции уменьшается в К раз по сравнению с тем, которое используется при работе по звездам. Кратность уменьшения К и освещенность изображения калибрационных отметок выбираются так, чтобы сигнал фотоприемника от самой яркой рабочей звезды был в несколько раз меньше сигнала от калибрационных отметок и не влиял на результат измерения их координат. Таким образом получается, что при работе по калибрационным отметкам фотоприемник как бы «не видит» звезд.

В связи с чем предлагаемый способ измерения угловых координат звезд углоизмерительным звездным прибором, построенным на основе матричного фотоприемника с накоплением заряда, включает:

- проецирование на фоточувствительную площадку приемника через объектив изображения участка звездного неба;

- измерение линейных координат центров изображений звезд на фоточувствительной площадке приемника;

- проецирование на фоточувствительную площадку приемника через объектив специальных калибрационных меток, формируемых коллиматором канала геометрического эталона и жестко связанных с базовой приборной системой координат, реализуемой конструктивными элементами прибора;

- измерение линейных координат центров изображений калибрационных отметок на фоточувствительной поверхности приемника;

- пересчет линейных координат центров изображений звезд в угловые координаты звезд в базовой приборной системе координат с учетом результатов измерений линейных координат центров изображений калибрационных отметок и заранее известных их угловых координат.

При этом

- при проецировании калибрационных отметок и измерении линейных координат центров их изображений время накопления сигнала в приемнике устанавливают в К раз меньше, чем при работе по звездам;

- величина кратности уменьшения времени накопления К и освещенность изображений калибрационных отметок заранее выбираются так, чтобы при этом сигнал на выходе приемника от самой яркой рабочей звезды был меньше сигнала от калибрационных отметок;

- при обработке сигналов в электронном тракте выполняют дополнительно амплитудную селекцию сигналов калибрационных отметок по критерию превышения заранее выбранного порогового уровня, превышающего сигнал от самой яркой звезды.

Предлагаемое устройство измерения угловых координат звезд содержит:

бленду, канал геометрического эталона (КГЭ), выполненный в виде коллиматорного блока с осветителем, формирующего изображения калибрационных меток, и элемента ввода, осуществляющего ввод изображения калибрационных меток в объектив,

объектив,

матричный фотоприемник с накоплением заряда, фоточувствительная площадка которого расположена в фокальной плоскости объектива,

блок аналоговой обработки и аналого-цифрового преобразования (АЦП), вход которого подключен к выходу фотоприемника,

блок цифровой обработки и управления, вход которого подключен к выходу блока аналоговой обработки и АЦП, а первый выход - ко входу коллиматорного блока с осветителем,

и блок управления работой матричного фотоприемника, выходы которого подключены к управляющим входам матричного фотоприемника, а вход - ко второму выходу блока цифровой обработки и управления,

При этом в устройство дополнительно введен блок формирования изменяемого времени экспозиции, вход которого соединен с третьим выходом блока цифровой обработки и управления, а выход - с матричным фотоприемником,

блок цифровой обработки и управления включает последовательно установленные: амплитудный селектор сигналов, являющийся входом блока цифровой обработки и управления, блок выделения полезных сигналов из помех, блок распознавания звезд и вычислительное устройство определения угловых координат звезд с учетом координат калибрационных меток КГЭ, а также блок синхронизации, который управляет работой коллиматорного блока с осветителем, формирователем команд переключения экспозиции матричного фотоприемника, вычислительным устройством и блоком управления работой матричного фотоприемника, причем первый и второй выходы блока синхронизации являются, соответственно, первым и вторым выходами блока цифровой обработки и управления, его третий выход связан со входом формирователя команд переключения экспозиции матричного фотоприемника, а четвертый - со вторым входом вычислительного устройства.

Предпочтительно, чтобы элемент ввода был выполнен в виде зеркально-призменного блока.

Предпочтительно, чтобы вычислительное устройство включало запоминающее устройство, которое может быть выполнено в виде энергонезависимой памяти или в виде любого другого типа памяти.

Предпочтительно, чтобы осветитель коллиматорного блока был выполнен в виде, по меньшей мере, одного светодиода.

Предлагаемый способ измерения в целом реализуется следующим образом. При проектировании прибора в его конструкцию закладывается возможность проецирования на фоточувствительную площадку приемника специальных калибрационных отметок, жестко связанных с базовой приборной системой координат и включаемых по мере необходимости. При изготовлении прибора угловые координаты этих отметок в базовой системе координат измеряются с высокой точностью и записываются в память вычислительного устройства прибора. При работе прибора по звездам на фоточувствительную площадку приемника через объектив звездного канала проецируется участок звездного неба. Производится измерение линейных координат изображений звезд на чувствительной площадке матричного приемника. Затем включаются калибрационные отметки и их изображение проецируется на ту же фоточувствительную площадку. Одновременно время экспозиции матричного приемника уменьшается в К раз по сравнению с тем, каким оно было при работе по звездам. Освещенность на приемнике в изображении калибрационных отметок и величина К заранее выбираются так, чтобы сигнал приемника от калибрационных отметок был в несколько раз больше сигнала от самой яркой звезды. При обработке сигнала от калибрационных меток в электронном тракте прибора производится их амплитудная селекция по признаку превышения порога, величина которого больше, чем сигнал от звезд. При соблюдении этих условий выполняют измерение линейных координат калибрационных отметок на рабочей площадке матричного приемника. Далее осуществляют пересчет измеренных линейных координат звезд в угловые их координаты в базовой системе координат с учетом результатов измерения линейных координат калибрационных отметок и результатов выполненных заранее измерений угловых координат этих отметок.

На чертеже представлена функциональная схема устройства, реализующего предлагаемый способ.

Устройство содержит:

- объектив 2 с блендой 1;

- канал геометрического эталона, выполненный в виде коллиматорного блока 14 с осветителем, формирующего изображения калибрационных отметок, и элемента ввода 15, выполненного, например, в виде зеркально-призменного блока, осуществляющего ввод изображения калибрационных отметок в объектив;

- матричный фотоприемник с накоплением заряда 4;

- блок аналоговой обработки сигналов фотоприемника и аналого-цифрового преобразования 5;

- блок цифровой обработки и управления 6, включающий блок выделения полезных сигналов из помех 9, блок распознавания звезд 10, вычислительное устройство определения угловых координат звезд с учетом координат калибрационных отметок 11, блок синхронизации 12, формирователь команд переключения экспозиции 7 и амплитудный селектор 8;

- блок управления работой матричного приемника 13;

- блок формирования изменяемого времени экспозиции 3.

Последний блок введен специально для формирования одного из двух значений времени экспозиции фотоприемника по командам соответствующего формирователя 7 из блока цифровой обработки и управления 6.

Устройство работает следующим образом. В начале работы на фоточувствительную площадку приемника 4 через объектив 2 проецируется участок звездного неба. Сигналы звезд через блок аналоговой обработки 5 поступают в блок цифровой обработки и управления 6, где производится их амплитудная селекция от помех, распознавание, а в вычислительном устройстве 11 - измерение линейных координат их изображений на чувствительной площадке матричного приемника 4 и запоминание. Затем по сигналу из синхронизатора 12 блока цифровой обработки и управления 6 включается осветитель коллиматорного блока калибрационных отметок 14 и их изображение проецируется на ту же фоточувствительную площадку. Одновременно по сигналу из синхронизатора 12 через формирователь команд переключения экспозиции 7 и блок формирования изменяемого времени экспозиции 3 экспозиция матричного приемника уменьшается в К раз по сравнению с тем, какой она была при работе по звездам. Освещенность на приемнике в изображении калибрационных отметок и величина К заранее выбираются так, чтобы сигнал приемника от калибрационных отметок был больше сигнала от самой яркой звезды.

При обработке сигнала от калибрационных меток в амплитудном селекторе 8 производится их амплитудная селекция по признаку превышения порога, величина которого больше, чем сигнал от звезд. При соблюдении этих условий в вычислительном устройстве 11 по сигналу из синхронизатора 12 выполняют измерение линейных координат калибрационных отметок на рабочей площадке матричного приемника. Далее, также по сигналу синхронизатора 12, в вычислительном устройстве 11 осуществляют пересчет измеренных линейных координат звезд в угловые их координаты в базовой системе координат с учетом результатов измерения линейных координат калибрационных отметок и результатов выполненных заранее измерений угловых координат этих отметок. Угловые координаты звезд выдаются на выход прибора. Блок управления работой матричного приемника 13 постоянно синхронизируется сигналом синхронизатора 12 из блока цифровой обработки и управления 6.

Способ включает проецирование на фоточувствительную площадку фотоприемника через объектив изображения участка звездного неба и калибрационных меток, измерение линейных координат центров изображений звезд и линейных координат центров изображений калибрационных отметок на фоточувствительной площадке фотоприемника и пересчет линейных координат центров изображений звезд в угловые координаты звезд в базовой приборной системе координат с учетом результатов измерений линейных координат центров изображений калибрационных отметок. При проецировании калибрационных отметок и измерении линейных координат центров их изображений время накопления сигнала в фотоприемнике устанавливают в К раз меньше, чем при работе по звездам. Величина кратности уменьшения времени накопления К и освещенность изображений калибрационных отметок выбираются так, чтобы сигнал на выходе фотоприемника от самой яркой рабочей звезды был меньше сигнала от калибрационных отметок. Дополнительно выполняют амплитудную селекцию сигналов калибрационных отметок по критерию превышения заранее выбранного порогового уровня. Устройство содержит бленду, канал геометрического эталона (КГЭ), объектив, матричный фотоприемник с накоплением заряда, фоточувствительная площадка которого расположена в фокальной плоскости объектива, блок АЦП, блок цифровой обработки и управления и блок управления работой матричного фотоприемника. В устройство дополнительно введен блок формирования изменяемого времени экспозиции. Блок цифровой обработки и управления включает амплитудный селектор сигналов, блок выделения полезных сигналов из помех, блок распознавания звезд, блок синхронизации и вычислительное устройство определения угловых координат звезд с учетом координат калибрационных отметок КГЭ. Технический результат - упрощение процесса измерения за счет исключения перекрывания звездного канала при проецировании калибрационных отметок. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ измерения угловых координат звезд углоизмерительным звездным прибором, построенным на основе матричного фотоприемника с накоплением заряда, включающий:
проецирование на фоточувствительную площадку фотоприемника через объектив изображения участка звездного неба;
измерение линейных координат центров изображений звезд на фоточувствительной площадке фотоприемника;
проецирование на фоточувствительную площадку фотоприемника через объектив калибрационных отметок, формируемых коллиматором канала геометрического эталона и жестко связанных с базовой приборной системой координат, реализуемой конструктивными элементами прибора;
измерение линейных координат центров изображений калибрационных отметок на фоточувствительной поверхности фотоприемника;
пересчет линейных координат центров изображений звезд в угловые координаты звезд в базовой приборной системе координат с учетом результатов измерений линейных координат центров изображений калибрационных отметок и заранее известных их угловых координат, отличающийся тем, что
при проецировании калибрационных отметок и измерении линейных координат центров их изображений время накопления сигнала в фотоприемнике устанавливают в К раз меньше, чем при работе по звездам;
величина кратности уменьшения времени накопления К и освещенность изображений калибрационных отметок заранее выбираются так, чтобы при этом сигнал на выходе фотоприемника от самой яркой рабочей звезды был меньше сигнала от калибрационных отметок;
при обработке сигналов в электронном тракте выполняют дополнительно амплитудную селекцию сигналов калибрационных отметок по критерию превышения заранее выбранного порогового уровня, превышающего сигнал от самой яркой звезды.

2. Устройство измерения угловых координат звезд содержит:
бленду, канал геометрического эталона (КГЭ), выполненный в виде коллиматорного блока с осветителем, формирующего изображения калибрационных отметок, и элемента ввода, осуществляющего ввод изображения калибрационных отметок в объектив,
объектив,
матричный фотоприемник с накоплением заряда, фоточувствительная площадка которого расположена в фокальной плоскости объектива,
блок аналоговой обработки и аналого-цифрового преобразования (АЦП), вход которого подключен к выходу фотоприемника,
блок цифровой обработки и управления, вход которого подключен к выходу блока аналоговой обработки и АЦП, а первый выход - ко входу коллиматорного блока с осветителем,
и блок управления работой матричного фотоприемника, выходы которого подключены к управляющим входам матричного фотоприемника, а вход - ко второму выходу блока цифровой обработки и управления, отличающееся тем, что в устройство дополнительно введен блок формирования изменяемого времени экспозиции, вход которого соединен с третьим выходом блока цифровой обработки и управления, а выход - с матричным фотоприемником, блок цифровой обработки и управления включает последовательно установленные:
амплитудный селектор сигналов, являющийся входом блока цифровой обработки и управления, блок выделения полезных сигналов из помех, блок распознавания звезд и вычислительное устройство определения угловых координат звезд с учетом координат калибрационных отметок КГЭ, а также блок синхронизации, который управляет работой коллиматорного блока с осветителем, формирователем команд переключения экспозиции матричного фотоприемника, вычислительным устройством и блоком управления работой матричного фотоприемника, причем первый и второй выходы блока синхронизации являются соответственно первым и вторым выходами блока цифровой обработки и управления, его третий выход связан со входом формирователя команд переключения экспозиции матричного фотоприемника, а четвертый - со вторым входом вычислительного устройства.

3. Устройство измерения угловых координат звезд по п.2, отличающееся тем, что элемент ввода выполнен в виде зеркально-призменного блока.

4. Устройство измерения угловых координат звезд по п.2, отличающееся тем, что вычислительное устройство включает запоминающее устройство.

5. Устройство измерения угловых координат звезд по п.4, отличающееся тем, что запоминающее устройство выполнено в виде энергонезависимой памяти или в виде любого другого типа памяти.

6. Устройство измерения угловых координат звезд по п.2, отличающееся тем, что осветитель коллиматорного блока выполнен в виде, по меньшей мере, одного светодиода.