СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОРИЕНТАЦИИ ПО ИЗОБРАЖЕНИЯМ УЧАСТКОВ ЗВЕЗДНОГО НЕБА Российский патент 2023 года по МПК G01C21/24 

Изобретение относится к способам определения ориентации по координатам наблюдаемых звезд, преимущественно для навигационных целей. В частности, для космической навигации, путем определения положения космического аппарата относительно изображений звезд, наблюдаемых на небесной сфере в поле зрения звездного датчика.

С появлением космических аппаратов все более активно разрабатываются и совершенствуются средства и методы навигации по наблюдениям звезд, применявшиеся ранее в авиации. Главным локальным признаком для определения звезд всегда было опознавание известных созвездий по их форме и нахождение звезды по месту в нем. Традиционно для этого использовались известные навигационные созвездия (Воробьев Л.М. Астрономическая навигация летательных аппаратов. Изд. Машиностроение, 1968 г.).

Высокие скорости перемещения космических аппаратов диктуют высокие требования к оперативности и точности навигационных определений, особенно на начальном участке после выведения на орбиту, когда положение аппарата неизвестно и в случаях аварийной потере ориентации. Большое значение для повышения эффективности звездных определений имело появление датчиков с твердотельными матричными фотоприемниками, которые позволили фиксировать изображение участка звездного неба, а затем производить на нем измерения.

Сложность определения ориентации заключается в том, что в поле зрения прибора звездной ориентации попадают только несколько звезд, а их привязка к координатной системе и положение космического аппарата в момент наблюдения может быть неизвестна.

В настоящее время приборы звездной ориентации становятся основным средством космической навигации. Конструкция типичного звездного датчика ориентации содержит входную оптику, которая ограничивает поле зрения прибора, матричный фотоприемник и электронный блок определения ориентации с бортовым каталогом звезд (Федосеев В.И., Колосов М.П. Оптико-электронные приборы ориентации и навигации космических аппаратов М.: Логос, 2007 г.).

Основными недостатками применения звездных датчиков с матричным фотоприемником является геометрический предел точностных характеристик таких датчиков, который зависит от размера светочувствительного элемента применяемой матрицы, а также требование выбора достаточного размера поля зрения прибора, связанное с необходимым числом потенциально наблюдаемых в нем звезд, которые должны содержаться в бортовом каталоге.

Одной из важных задач, которую приходится решать при использовании матричных фотоприемников, определение координат фотоцентров изображений звезд. Получаемый результат зависит от размера элемента применяемого матричного фотоприемника, а также функции рассеяния точки используемой оптической системы. Для определения фотоцентра звезды пользуются различными вычислительными технологиями, например, (Осадчий И.С. Метод субпиксельного измерения координат изображений звезд для приборов астроориентации космического базирования. Журнал радиоэлектроники, 2015, №5).

По существующим оценкам необходимый объем бортового каталога существенно зависит от яркости используемых звезд, а также от размера поля зрения звездного датчика. А именно, уменьшение поля зрения дает увеличение углового разрешения датчика, но приводит к быстрому увеличению требуемого объема звездного бортового каталога из-за необходимости использования при этом менее ярких звезд. Например, при поле зрения 28 град требуется объем хранения 1000 Kbyte, при 20 град - 2000 Kbyte, при 10 град - 6000 Kbyte, а при 8 град - 8000 Kbyte (Liebe С.С. Star trackers for attitude determination. IEEE Aerospace and Electronic Systems Magazine, 1995, 10 (6) 10-16). Кроме того, при увеличении размера бортового каталога соответственно увеличивается и время поиска в нем необходимой информации.

Основные требования к приборам такого типа даны, например, в обзоре (Захаров А.И., Прохоров М.Е., Тучин М.С., Жуков А.О. Минимальные технические характеристики звездного датчика ориентации, необходимые для достижения заданной погрешности. Астрофизический бюллетень, 2013, том 68, №4).

Известны варианты решения задачи селекции звезд для решения проблемы ориентации космических аппаратов по звездам, а также обобщенное описание метода выбора звезд, основанного на критерии постоянства взаимных угловых расстояний.

Принцип выбора операций для распознавания групп звезд основывается на вычислении угловых расстояний между звездами в наблюдаемой группе и сравнении этих расстояний с таковыми же, но определенными для звезд из каталога. При этом реализуют процесс перебора и сравнения для каждой пары наблюдаемых звезд определяемого углового расстояния с расстояниями между звездами, полученными из каталога (Иванов А.В., Пашенцев Д.Ю., Тишкин Р.В. Алгоритмы идентификации звездных узоров в задаче уточнения элементов внутреннего ориентирования. Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета, 2012, №4).

Отбор звезд для распознавания может осуществляться на основании критерия максимального правдоподобия путем перебора всех возможных сочетаний. (Кружилов И.С., Шамаев О.Ю. Алгоритм селекции звезд по постоянству угловых расстояний. Программные продукты и системы. №3, 2009 г.). Авторы сами подчеркивают трудоемкость выполнения и сложность реализации такого подхода.

Технология распознавания звезд на основе перебора составленных ими треугольников подробно описана также в (Соловьев И.В. Алгоритмы оценки ориентации и угловой скорости космического аппарата с помощью звездного датчика. Авиакосмическое приборостроение №7, 2013 г.).

Основным недостаткам подобных технических решений является необходимость перебора большого числа звезд бортового каталога и неопределенность времени необходимого для получения навигационных данных в конкретной ситуации. Существуют также случаи невозможности получения результата сравнений при переборе из-за наличия существенных ошибок в сравниваемых данных

Известен также способ определения ориентации по изображениям участков звездного неба и измерениям межзвездных расстояний, не требующий перебора звезд бортового каталога. Он заключается в том, что предварительно составляют и запоминают бортовой каталог координат звезд, ограничивая выбор звезд звездной величиной, отображаемой используемой системой наблюдения. Затем в процессе определения ориентации формируют изображение участка звездного неба, выбирают наиболее яркую звезду в центральной части поля зрения, выбирают соседние с ней звезды. Далее определяют попарные расстояния на изображении от выбранной центральной звезды до выбранных соседних звезд, а затем сравнивают измеренные на полученном изображении расстояния между звездами с расстояниями, полученными из бортового каталога. При совпадении всех этих расстояний отождествляют выбранную центральную звезду на изображении с соответствующей звездой из каталога и определяют ориентацию, учитывая положение этой звезды на изображении в приборной системе координат. При этом каждую звезду при составлении бортового каталога дополнительно характеризуют значениями расстояний до двух ближайших к ней звезд и расстоянием между самими этими звездами или до трех ближайших к ней звезд и по результатам этих определений формируют трех-координатное признаковое пространство. В процессе определения ориентации, для выбранной на изображении звезды, по указанным измеренным расстояниям определяют положение этой звезды в признаковом пространстве, а затем по ее каталожным координатам на звездном небе определяют ее положение и находят ориентацию аппарата. (Патент РФ 2638077 Способ определения ориентации по изображениям участков звездного неба. G01C21/24).

Основным недостатком известных способов определения ориентации по изображениям участков звездного неба является противоречие требований, а именно, необходимость увеличения размера поля зрения для гарантированного наблюдения прибором необходимого числа звезд требуемой яркости приводит к уменьшению углового разрешения на элемент фотоприемника, следовательно, и снижению точности определения направления. С другой стороны, чем меньше угол поля зрения при том же фотоприемнике, тем выше точность определения координат. Однако, число наблюдаемых ярких звезд в поле зрения при этом будет недостаточно для определения ориентации, а использование звезд меньшей яркости (большей звездной величины) требует значительного увеличения необходимого объема хранения бортового каталога и приводит к соответствующему увеличению времени и усложнению процедур поиска.

Для повышения точности навигационных определений было предложено выполнять циклические многократные наблюдения звезд. При этом навигационные параметры космического аппарата (КА) определяют при статической обработке измерительной информации за мерный участок. В каждом цикле дополнительно уточняют углы ориентации КА. (Патент РФ 2171969. Способ уточнения параметров движения центра масс КА. G01C21/24). Недостаток многократных измерений и статистического вычислительного подхода для оперативности получения ориентации при высоких скоростях перемещения КА очевиден.

Известны также многочисленные способы комплексирования звездных датчиков с другими приборами определения ориентации. Например, с датчиками солнечной ориентации, определения направления на земной центр, инерционными датчиками. Однако, они имеют существенно меньшую точность определений, чем звездные датчики. Эти точности представлены ниже в таблице (Toloei, A., Zahednamazi, М., Ghasemi R. et al. A comparative analysis of star identification algorithms. Astrophys Space Sci. 2020, 365, 63).

Поэтому, обеспечивая решение вспомогательных задач, комплексирование с ними не может дать требуемого увеличения точности определения ориентации по звездам, увеличивая при этом сложность и время выполнения анализа данных.

Известны способы увеличения обзора звездного неба за счет применения нескольких одновременно работающих однотипных датчиков ориентированных в разных направлениях для увеличения поля обзора. Например, комплекс из трех ориентированных под небольшим углом друг к другу звездных датчиков АСТРО (совместная разработка ИКИ РАН и Карл Цейс Йена, ГДР) проработал весь срок функционирования станции Мир и использовался для ее вывода в место затопления. (Аванесов Г.А., Зиман Я.Л., Красиков В.А. и др. Алгоритмы определения ориентации КА по бортовым астроизмерениям. Известия вузов Приборостроение, 2003, №4).

Предложена модель виртуального звездного прибора, реализующая интегральную обработку измерений двух звездных приборов (Рябогин Н.В. Разработка и исследование прецизионной системы информационного обеспечения бортового комплекса управления космическим аппаратом научного назначения. Дисс. ктн МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва, 2017).

Подробные экспериментальные исследования точности для двух и четырех синхронно работающих звездных датчиков изложены в (Аванесов Г.А., Бессонов Р.В., Куркина А.Н и др. Оценка точности определения ориентации космического аппарата по измерениям нескольких звездных датчиков БОК3-М60. Препринты ИПМ им. М.В. Келдыша. 2014. №10).

Такие решения дают некоторый положительный эффект за счет увеличения области обзора звездного неба и числа измерений. Однако, применение однотипных датчиков, имеющих одинаковую точность угловых определений, не обеспечивают необходимого увеличения точности определения ориентации, зато существенно усложняют технологию и увеличивают время обработки данных.

Исследование алгоритмов нахождения фотоцентров матричного изображения звезд показывает, что все оценки положения центра изображения звезды, сделанные с помощью стандартно используемых методов обработки, оказываются смещенными. Ошибка имеет нелинейный характер и наиболее сильно проявляется для слабых звезд. Систематическая ошибка определения центра изображения объекта складывается из двух компонент. Первая составляющая этой ошибки связана с дискретностью матричного фотоприемника, вторая компонента - с ограниченностью обрабатываемой области считывания сигнала, его обрезанием. (Никифоров М.Г., Захаров А.И. Систематические и случайные ошибки положения фотоцентров звезд на матричных фотоприемниках. Вторая Всероссийская научно-техническая конференция «Современные проблемы определения ориентации и навигации космических аппаратов» Таруса, 13-16 сентября 2010 года).

Целью предлагаемого технического решения является повышение точности определения ориентации по изображениям участков звездного неба.

Прототипом предлагаемого решения, наиболее близким по технической сущности и составу выполняемых операций, принят способ определения ориентации по изображениям участка звездного неба по (Патент РФ 2638077 МПК G01C 21/02, G01C 21/24 // Бюллетень изобретений №35, 2017 г.).

В предлагаемом решении может использоваться и другой известный способ определения ориентации по изображениям участка звездного неба, однако, технология прототипа дает самый быстрый и надежный результат из известных решений.

Для определения ориентации по изображениям участка звездного неба предварительно составляют и запоминают бортовой каталог координат звезд, ограничивая выбор звезд звездной величиной отображаемой используемой системой наблюдения, при этом каждую звезду характеризуют значениями расстояний между ближайшими звездами, по результатам этих определений формируют признаковое многомерное координатное пространство, координаты которого используют в качестве адреса в бортовом каталоге для данной звезды, по которому находят ее пространственные координаты на небе.

Затем, в процессе определения ориентации получают изображение участка звездного неба, выбирают звезду в центральной части поля зрения и так же выполняют измерения межзвездных расстояний со звездами в окрестности этой звезды на изображении участка звездного неба, после чего по этим полученным измерениям определяют положение искомой точки в признаковом пространстве и находят ее координаты в бортовом каталоге, а по записанным в каталоге ее пространственным координатам определяют ориентацию, учитывая положение этой звезды на изображении в приборной системе координат.

Недостатком прототипа является ограничение точности получаемой ориентации дискретными геометрическими характеристиками фотоприемной матрицы и выбором поля зрения датчика ориентации, не связанным с требованиями повышения точности определения ориентации.

Сущность предлагаемого способа определения ориентации по изображениям участка звездного неба заключается в том, что получают одновременно два изображения звездного неба при одном и том же направлении визирования, но с разным размером поля зрения и угловым разрешением. Одно с широким полем зрения, второе с узким полем, но более высоким разрешением.

Предварительно, для каждого из этих изображений формируют свой бортовой каталог звезд, ограниченный по звездной величине требованием, зависящим от выбранной величины поля зрения, а именно рабочий каталог с яркими звездами для изображений с широким полем зрения и архивный, полный каталог всех наблюдаемых менее ярких звездам для вторых изображений, получаемых с узким полем зрения.

В процессе наблюдения первое изображение получают с широким поля зрения, выбирают на нем группу звезд в центральной части поля зрения, измеряют их координаты на изображении и определяют попарные расстояния между ними, а затем сравнивают измеренные на полученном изображении расстояния между звездами с расстояниями, полученными из рабочего бортового каталога, а при совпадении этих расстояний отождествляют со звездами из этого каталога и определяют ориентацию, учитывая их положение на изображении в приборной системе координат, как это выполняют в прототипе.

Для второго изображения с узким полем зрения в процессе ориентации сначала формируют временный оперативный бортовой каталог, путем выборки из архивного бортового каталога данных звезд для области неба с направлением ориентации полученным по первому изображению и ограниченной полем зрения второго изображения.

Затем, на втором изображении также выбирают группу звезд в центральной части поля зрения, измеряют их координаты на изображении и определяют попарные расстояния между ними, а затем сравнивают измеренные на полученном изображении расстояния между звездами с расстояниями, полученными из временного оперативного каталога, а при совпадении этих расстояний отождествляют со звездами из этого каталога и определяют уточненную ориентацию.

Можно выполнить процедуру ориентации любым известным в аналогах способом, но операции прототипа обеспечивают наиболее эффективное решение по надежности и скорости определения ориентации.

Выполнена экспериментальная проверка осуществимости предлагаемого технического решения. По реальным изображениям звездного неба полученных с фотоприемной матрицей размером 1280x960 пикселей были выполнены все этапы предлагаемого способа.

Были получены два изображения одного и того же участка звездного неба в одном направлении визирования, первый с широким полем зрения, около 20 градусов, и второй узким полем зрения, около 0.7 градуса. Точность ориентации визирных осей двух кадров в эксперименте составила около 1.5 градуса, при этом область звездного неба узкопольного изображения целиком содержится внутри области широкопольного изображения.

Предварительно было составлено два каталога звезд. Первый, рабочий каталог для изображений с широким полем зрения состоит из 2500 ярких звезд до 5.6-й звездной величины. Второй, архивный, полный каталог для изображений с указанным узким полем зрения содержит около 2500000 звезд до 12-й звездной величины.

По первому полученному изображению с широким полем зрения (созвездие Кассиопеи) и рабочему каталогу, по технологии прототипа были идентифицированы наблюдаемые на изображении звезды и определены координаты центра кадра (Хс, Yc).

На фиг. 1a представлено полученное изображение звездного неба на первом кадре с широким полем зрения, а на фиг. 1б представлена схема участка звездного неба в том же масштабе.

Второй кадр изображения с угловым размером около 0.7 градуса в созвездии Кассиопеи, получен в том же направлении оси визирования, что и первый кадр.

На фиг. 2а представлено полученное изображение звездного неба на втором кадре с узким полем зрения, а на фиг. 2б представлена схема участка звездного неба в том же масштабе.

Затем, из архивного, полного каталога звезд, составленного для наблюдений с узким полем зрения, отбирались звезды для области звездного неба с координатами центра определенными по изображению на первом кадре и ограниченной угловым размером второго изображения, по которым был сформирован временный оперативный (динамический) каталог для второго полученного изображения.

Временный оперативный каталог для изображения на втором кадре был составлен из звезд архивного каталога до 12-й величины, находящихся на расстоянии 0.35 градуса от определенного первым кадром центра и содержит 41 звезду.

На данном кадре по технологии прототипа было идентифицировано 9 звезд, что позволяет существенно уточнить ориентацию (ранее полученные координаты центра кадра первого изображения).

На фиг. 3 показана схема расположения наблюдаемого участка звездного неба в созвездии Кассиопеи.

Экспериментальная проверка показала, что изображение с узким полем зрения позволяет определять ориентацию со значительно большей точностью, чем та которую позволяет определять первое (с широким полем зрения) изображение, соответствующая точности прототипа.

Таким образом, предложенная технология способа позволяет повысить точность определения ориентации по изображению звездного неба, а скорость идентификации остается высокой, так как все необходимые операции, составление временного каталога и идентификация обоих кадров изображений также выполняется, в соответствии с операциями прототипа, без перебора данных каталога звезд.

Предлагаемый двухэтапный способ определения ориентации по наблюдению участка звездного неба обеспечивает существенное повышение точности ориентации, но при этом не требует введения новых сложных процедур, а основывается на ранее используемой эффективной технологии определений звездной ориентации без перебора бортового каталога.

Изобретение относится к способам определения ориентации по координатам наблюдаемых звёзд, в частности, для космической навигации. Сущность заявленного способа определения ориентации по изображениям звездного неба состоит в следующем. Получают одновременно два изображения участка неба в одном направлении визирования с разным угловым разрешением, а также широким и узким полем зрения. Предварительно составляют рабочий бортовой каталог ярких звезд для наблюдений с широким полем зрения и архивный, полный, каталог всех звезд, наблюдаемых с узким полем зрения, ограниченных для него допустимой звездной величиной. Определяют сначала ориентацию по изображениям с широким полем зрения, отождествляя звезды на нем с данными рабочего бортового каталога известным путем. Затем формируют временный оперативный каталог для изображения с узким полем зрения, выбирая из архивного, полного, каталога звезды для участка звездного неба с центром, полученным из ориентации изображения с широким полем зрения и ограниченного полем зрения изображения с узким полем зрения. После чего определяют уточненную ориентацию, отождествляя тем же способом звезды на изображении с узким полем зрения с данными сформированного временного оперативного каталога для этого изображения. Техническим результатом предлагаемого способа является повышение точности ориентации без перебора данных бортового каталога звёзд. 3 ил.

Способ определения ориентации по изображениям участков звездного неба, заключающийся в том, что предварительно составляют рабочий бортовой каталог звезд, а в процессе определения ориентации формируют изображение участка звездного неба, выбирают на нем группу звезд в центральной части поля зрения, измеряют их координаты на изображении и определяют попарные расстояния между ними, а затем сравнивают измеренные на полученном изображении расстояния между звездами с расстояниями, полученными из рабочего бортового каталога, а при совпадении этих расстояний отождествляют со звездами из этого каталога и определяют ориентацию, учитывая их положение на изображении в приборной системе координат, отличающийся тем, что одновременно с получением первого изображения получают второе изображение звездного неба с узким углом поля зрения, но более высоким разрешением, при этом наблюдение выполняют в том же направлении, что и при получении первого изображения, но предварительно составляют для изображений с узким углом поля зрения архивный, полный, каталог звезд допустимой звездной величины, а затем в процессе определения ориентации составляют для полученного второго изображения временный оперативный каталог звезд, для чего выбирают из архивного бортового каталога звезды, которые попадают в область неба, положение которой задают координаты ориентации, полученные по первому изображению, а размер выбираемой области неба ограничивают полем зрения второго изображения, выполняют на втором изображении измерения координат группы звезд в центральной части поля зрения, определяют попарные расстояния между ними, а затем сравнивают измеренные на этом изображении расстояния между звездами с расстояниями, полученными из временного оперативного каталога, а при совпадении этих расстояний отождествляют со звездами из этого каталога и определяют уточненную ориентацию.