Система калибровки и тестирования звездного датчика ориентирования Российский патент 2024 года по МПК G01C25/00 

Изобретение относится к области оптико-электронного приборостроения, в частности к системам для испытания малогабаритного звездного датчика (МЗД) АЗДК-1 в лабораторных условиях.

Из уровня техники известен имитатор звездного неба, предназначенный для проверки работоспособности, отладке и калибровке телевизионных камер, предназначенных для астроориентации летательного аппарата в лабораторных условиях. Данное устройство содержит источник света, коллиматорный объектив, связанный с датчиком астроориентации и пластину, установленную в фокальной плоскости коллиматорного объектива, в отверстия пластины вставлены оптические волокна, образуя вместе с пластиной оптоволоконный излучатель, причем количество оптических волокон определяется числом имитируемых звезд в изображении, при этом выход источника света соединен с жилами оптоволокна, а вход - с блоком регулировки яркости (патент RU 155206 U1, 27.09.2015).

Известен также комплекс наземной отработки систем ориентации и навигации космического аппарата (КА), состоящий из интерфейса управления с системой коммутации и связи, динамического модуля в виде вращающейся платформы с возможностью поворота по трем взаимно перпендикулярным осям, имитатора Солнца и имитаторов небесных тел, в том числе Земли, отличающийся тем, что комплекс содержит систему моделирования полета КА в космическом пространстве, систему визуализации, систему моделирования нештатных ситуаций, систему моделирования природных помех, систему управления имитаторами, имитатор сигналов спутниковых навигационных систем, внешние интерфейсы связи, причем имитаторы небесных тел содержат имитаторы звездного неба, планет и Луны, а интерфейс управления связан с системой визуализации, система моделирования нештатных ситуаций и система моделирования природных помех связаны с системой моделирования полета КА в космическом пространстве, которая взаимосвязана с интерфейсом управления и внешними интерфейсами связи и связана с системой управления имитаторами, связанной с имитаторами звездного неба, с динамическим модулем, с имитаторами Солнца и имитаторами планет, в том числе Земли и Луны, и с имитаторами сигналов спутниковых навигационных систем (RU 129082 20.06.2013).

Техническая проблема заключается в расширении арсенала испытательных стендов.

Технический результат заключается в обеспечении возможности тестирования и калибровки звездного датчика ориентирования (АЗДК-1) в лабораторных условиях.

Указанный технический результат достигается в системе калибровки и тестирования звездного датчика ориентирования, содержащей модуль формирования команд, соединенный с оптико-динамическим стендом (ОДС), закрепляемым на звездном датчике ориентирования и выполненным с возможностью формирования изображения звездного неба без вращения, с произвольным вращением, с имитацией движения по орбите, преобразования изображения в систему параллельных пучков с выходным зрачком, совпадающим с выходным зрачком объектива звездного датчика ориентирования, при этом ОДС выполнен в виде моноблока.

Дополнительная особенность заключается в том, что ОДС содержит OLED-матрицу, а также объектив, корпус которого содержит цилиндрическую центрирующую часть, линзы и корректирующий фильтр.

Дополнительная особенность заключается в том, что модуль формирования команд включает базы данных каталога звезд и шаблонов, блок выбора космических аппаратов и настройки отображения звезд, блок выбора небесных тел формирующего угловой радиус небесных тел Солнечной системы в угловых секундах и их звездной величины, блок ориентирования, блок движения по орбите, блок рандомизации ориентации и угловой скорости.

Дополнительная особенность заключается в том, что содержит защитный бокс для размещения в нем ОДС.

Дополнительная особенность заключается в том, что ОДС содержит узел крепления объектива

Дополнительная особенность заключается в том, что ОДС содержит направляющие обкладки для крепления ОДС к звездному датчику ориентирования.

Изобретение поясняется на графических материалах, где на Фиг.1 - внешний вид ОДС.

Фиг.2 - Внешний вид имитатора звездного неба ОДС-1 в рабочем положение на МЗД АЗДК-1.

Фиг.3 - Статичный кадр. Изображение с фотоприемника МЗД АЗДК-1.

Фиг.4 - Кадр при вращении с угловой скоростью 3°/сек. Изображение с фотоприемника МЗД АЗДК-1.

Фиг.5 - Случайные треки на угловой скорости 1°/с, синие линии - треки из ОДС, красные точки - измерения МЗД АЗДК-1.

Заявленное изобретение предназначено для использования в качестве основного прибора калибровки и проверки работы малогабаритного звездного датчика АЗДК-1. ОДС формирует изображение звездного неба на миниатюрном OLED дисплее (микродисплей) и преобразует его в систему параллельных пучков с выходным зрачком, совпадающим с входным зрачком объектива АЗДК-1. ОДС совмещается с АЗДК посредством направляющих обкладок, одеваемых на корпус бленды АЗДК-1. Обкладки с установленным между ними АЗДК-1 закрепляются тремя винтами, расположенными на корпусе ОДС.

В состав ОДС входят:

- корпус;

- печатные платы со смонтированными электрорадиоизделиями (ЭРИ), включая излучающую OLED-матрицу;

- объектив;

- узел крепления объектива;

- защитная крышка;

- направляющие обкладки;

- блок питания;

- соединительный кабель HDMI;

- кабель настройки и питания через USB.

ОДС устанавливается непосредственно на бленду АЗДК-1 с помощью направляющих обкладок и фиксируется тремя стопорными винтами.

Основными режимами работы ОДС являются:

- режим отображения звезд без вращения;

- режим отображения звезд с произвольным вращением;

- режим отображения звезд с имитацией движения по орбите.

Дополнительными режимами работы являются:

- режим засветки;

- режим отображения шаблонов.

Взаимодействие составных частей ОДС:

- на OLED-матрице формируется изображение (звездного неба, засветки и т.д.), матрица расположена в фокусе объектива;

- объектив строит выходной зрачок диаметром 16 мм на расстоянии, совпадающем с входным зрачком АЗДК-1, когда ОДС установлен на бленду АЗДК1;

- направляющие обкладки служат для установки ОДС на бленду АЗДК 1 и предотвращения повреждения ножей светозащитной бленды АЗДК 1.

Инструменты для работы с ОДС не требуются.

Для уменьшения габаритов ОДС, а также для обеспечения наилучшего совмещения с АЗДК-1, прибор выполнен в виде цилиндра.

В качестве излучателя в ОДС используется OLED-матрица. Матрица имеет следующие параметры:

- размерность 1280×1024 пикселей;

- размер пикселя 9,3×9.3 мкм;

- контраст 1:10000, яркость 100 Кд/м²;

- цвет излучения - белый;

- покровное стекло толщиной 0,2 мм.

ОДС штатно питается при помощи адаптера с ~230В на =5В. Также существует возможность подавать питание через USB разъем. Переключение питания производится рычажком на плате питания, расположенной в крышке корпуса прибора. Для доступа к рычажку необходимо развинтить крепежные винты корпуса. Подача команд управления от модуля формирования задач и настройка самого микродисплея также осуществляется через USB, посредством передачи команд в виде пакетов уровня приложения через TCP сокеты в локальной сети или через VPN.

Объектив состоит из корпуса с центрирующей цилиндрической частью и присоединительной резьбой C-Mount, пяти линз, корректирующего фильтра (нейтрального поглощающего стекла).

Фиксация объектива в узле крепления осуществляется контргайкой.

Объектив не содержит подвижных частей.

Модуль формирования задач содержит:

1. Базу данных каталога звезд.

2. Блок выбора космических аппаратов и настройки отображения звезд, выполненного с возможностью формирования расчетного углового радиуса космического аппарата и его звездной величины.

3. Блок выбора небесных тел формирующего угловой радиус небесных тел Солнечной системы в угловых секундах и их звездной величины.

4. Блок ориентирования, задающий ориентации в виде:

- 3-х углов ориентации: прямое восхождение (RA) и склонение (DE) оси визирования (ось Z) и угла поворота (оси Y) относительно направления на полюс;

- кватерниона ориентации;

- совмещение систем координат ОДС и МЗД АЗДК-1, чтобы кватернионы, выдаваемые датчиком и задаваемые в ОДС, совпадали.

5. Блок движения по орбите, переключающий режим вращения ОЗД из произвольного вращения в движение по орбите. Поле зрения задается 3-мя углами относительно направления, совпадающего с вектором скорости аппарата на орбите (при нулевых углах рысканья, тангажа и крена ось визирования Z смотрит по направлению вектора скорости, ось X перпендикулярна плоскости орбиты), а также задает направление (RA, DE) и величину угловой скорости в режиме произвольного вращения.

6. Блок рандомизации ориентации и угловой скорости управляет режимом случайного изменения ориентации и угловой скорости. Этот режим необходим при тестировании малогабаритного звездного датчика АЗДК-1 на работоспособность по всему небу. Интервал смены ориентации задает период, через который будет задано новое случайное значение ориентации. Интервал смены угловой скорости аналогично задает период, через который изменяется угловая скорость.

7. База данных шаблонов содержит режимы работы ОЗД, отличные от вывода звездного поля, а именно:

- вывод сетки точек (однопиксельные точки максимальной яркости с равномерным шагом), или стрелок, обозначающих оси ориентации X (двойная стрелка) и Y (одинарная стрелка);

- режим произвольных точек.

Пример осуществления изобретения

С помощью имитатора звездного неба ОДС выполняются функциональные испытания МЗД АЗДК-1. Функциональные испытания состоят из следующих тестов:

• точностный тест на статичных кадрах звездного поля;

• случайные треки при вращении с угловой скоростью 1°/с;

• случайные треки при вращении с угловой скоростью 3°/с;

• имитация движения КА по орбите.

Для выполнения функциональных испытаний ОДС помещается на бленду МДЗ АЗДК-1 с помощью специальных штатных обкладок и закрепляется на ней установочными винтами.

Перед началом функциональных испытаний после закрепления ОДС на бленде звездного датчика, посредством блока ориентирования модуля формирования задач, выполняется юстировка ОДС и измерение кватерниона смещения дисплея относительно фотоприемника звездного датчика, для дальнейшего учета этой систематической ошибки.

При выполнении точностного теста на дисплей имитатора звездного неба ОДС подаются статичные кадры случайных участков звездного неба (из базы данных каталога звезд и базы данных шаблонов). Длительность подачи статичного кадра составляет около 20 минут. Пример статичного кадра представлен на Фиг. 3.

После испытания звездного датчика на статических кадрах выполняется испытание на кадрах при вращении с угловой скоростью 1°/с и 3°/с. Блок рандомизации ориентации и угловой скорости управляет режимом случайного изменения ориентации и угловой скорости ОЗД. Этот режим необходим при тестировании малогабаритного звездного датчика АЗДК-1 на работоспособность по всему небу. Интервал смены ориентации задает период, через который будет задано новое случайное значение ориентации. Интервал смены угловой скорости аналогично задает период, через который изменяется угловая скорость.

Кадр при вращении с угловой скоростью в 3°/с показан на Фиг.4. Видно, что звезды на кадре уже обладают заметным смазом величиной в несколько пикселей. На основе статичных кадров выполняется определение случайных отклонений в системе координат прибора.

Тест при вращении с угловой скоростью 1°/с и 3°/с выполняется около 3-4 часов. В ходе теста каждые 20 минут происходит случайная смена участка звездного неба (кадра) и направления вращения (трека). Результаты одного из функциональных испытаний МЗД АЗДК-1 на случайных треках вращения с угловой скоростью 1°/с представлены на фиг. 5. Голубой линией на фиг.5 отмечены теоретические значения компонентов кватерниона, красной - значения компонентов кватерниона, полученные с помощью МЗД АЗДК-1.

Завершающим функциональным испытанием звездного датчика является имитация с помощью ОДС-1 движения по заданной орбите (данные орбиты индивидуальны и задаются блоком выбора космических аппаратов и настройки отображения звезд для формирования расчетного углового радиуса космического аппарата и его звездной величины и блоком движения по орбите, переключающим режим вращения ОЗД из произвольного вращения в движение по орбите). Как правило, испытание МЗД АЗДК-1 при движении по орбите выполняется около 5-6 часов, что соответствует 3-4 виткам орбитального движения звездника в составе космического аппарата.

Имитация звездного неба в ОДС-1 выполняется на основе нескольких звездных каталогов из базы данных каталога звезд, выбираемых в зависимости от решаемой задачи.

Отметим, что заявленное изобретение обладает следующими функциями:

• яркость и гамма-коррекция для изображений звезд;

• выбор звездного каталога;

• выбор типа и яркости фоновой засветки;

• выбор орбиты космического аппарата для имитации орбитального движения;

• выбор начальных условий для равномерного вращения;

• включение случайных изменений ориентации и угловой скорости.

Изобретение относится к области оптико-электронного приборостроения, в частности к системам для испытания малогабаритного звездного датчика (МЗД) АЗДК-1 в лабораторных условиях. Система калибровки и тестирования звездного датчика ориентирования содержит модуль формирования команд, соединенный с оптико-динамическим стендом (ОДС), закрепляемым на звездном датчике ориентирования и выполненным с возможностью формирования изображения звездного неба без вращения, с произвольным вращением, с имитацией движения по орбите, преобразования изображения в систему параллельных пучков с выходным зрачком, совпадающим с выходным зрачком объектива звездного датчика ориентирования, при этом ОДС выполнен в виде моноблока. Технический результат – обеспечение возможности тестирования и калибровки звездного датчика ориентирования в лабораторных условиях. 5 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Система калибровки и тестирования звездного датчика ориентирования, содержащая модуль формирования команд, соединенный с оптико-динамическим стендом (ОДС), закрепляемым на звездном датчике ориентирования и выполненным с возможностью формирования изображения звездного неба без вращения, с произвольным вращением, с имитацией движения по орбите, преобразования изображения в систему параллельных пучков с выходным зрачком, совпадающим с выходным зрачком объектива звездного датчика ориентирования, при этом ОДС выполнен в виде моноблока.

2. Система по п. 1, отличающаяся тем, что ОДС содержит OLED-матрицу, а также объектив, корпус которого содержит цилиндрическую центрирующую часть, линзы и корректирующий фильтр.

3. Система по п.1, отличающаяся тем, что модуль формирования команд включает базы данных каталога звезд и шаблонов, блок выбора космических аппаратов и настройки отображения звезд, блок выбора небесных тел, формирующий угловой радиус небесных тел Солнечной системы в угловых секундах и их звездной величины, блок ориентирования, блок движения по орбите, блок рандомизации ориентации и угловой скорости.

4. Система по п.1, отличающаяся тем, что содержит защитный бокс для размещения в нем ОДС.

5. Система по п.1, отличающаяся тем, что содержит узел крепления объектива.

6. Система по п.1, отличающаяся тем, что содержит направляющие обкладки для крепления ОДС к звездному датчику ориентирования.