Введение к работе
2 Актуальность проблемы
В ближайшие 10-15 лет количество космических аппаратов (КА) на околоземных орбитах возрастет до нескольких сот, что связано, в первую очередь, с созданием низкоорбитальных коммуникационных систем. При поддержании столь многочисленной орбитальной группировки целесообразно перенести на борт КА решение части задач, традиционно решаемых наземным комплексом управления, в частности, задачи навигации. Спутниковые глобальные навигационные системы (ГНС) позволяют решить эту задачу, однако с целью обеспечения резервирования и оптимизации состава навигационной аппаратуры представляется актуальным проводить исследования в области создания систем автономной навигации КА на основе естественных физических полей, в том числе местности. Под «местностью» в данной работе понимается совокупность рельефа и вида покрытия подстилающей поверхности (вода, трава, лес, город и т. д.).
К преимуществам местности как навигационного поля следует отнести то обстоятельство, что поверхность Земли изучена лучше, чем ее физические поля в околоземном пространстве, а также то, что в качестве прибора для измерения характеристик поля (то есть, в данном случае получения изображения участка земной поверхности) может быть использовано оптоэлектронное оборудование наблюдения земной поверхности, установленное на борту в качестве полезной нагрузки.
Проведенный в работе анализ состояния и тенденций развития спутниковых систем, в том числе бортовых компьютеров и систем дистанционного зондирования земной поверхности, показал, что разработка систем навигации, основанных на бортовой обработке изображений земной поверхности, в настоящее время представляется весьма актуальной с точки зрения не только целесообразности, но и технической реализуемости.
В случае реализации систем навигации такого рода на КА, оснащенных оборудованием наблюдения земной поверхности, появляется возможность уменьшения нагрузки на наземный комплекс управления, уменьшения состава дополнительной бортовой аппаратуры (в соответствии с концепцией «систем навигации минимального состава», весьма актуальной в связи со все большим распространением малых КА), повышения оперативности обнаружения и распознавания объектов на получаемых изображениях в сочетании с определением их координат, существенного уменьшения объема передаваемой на Землю информации при увеличении ее информативности.
Диссертационная работа выполнялась в рамках научно-исследовательских работ, финансируемых Российским космическим агентством, Министерством общего и профессионального образования России, программы «Космические системы», гранта фонда INTAS (Бельгия).
Цель работы
Целью работы является формирование облика автоматических систем автономной навигации КА на основе анализа данных, получаемых с помощью бортовой аппаратуры наблюдения земной поверхности.
В рамках данной работы понятие «облик» включает:
состав и структуру системы навигации, а также функциональную схему взаимодействия элементов бортового оборудования, входящих в ее состав;
состав и вид моделей и алгоритмов, обеспечивающих решение задачи навигации;
характеристики автоматической системы навигации по наземным ори
ентирам (НО), включая априорную оценку точности навигации, а также
пределы применимости рассматриваемой технологии и требования к па
раметрам КА и аппаратуры.
Научная новизна
Сформирован облик автоматической системы автономной навигации с учетом особенностей процесса навигации, являющихся следствием формирования навигационных параметров по результатам обработки изображений, а также широкого спектра неконтролируемых факторов различное физической природы.
Развит подход к синтезу систем автономной навигации по наземные ориентирам, состоящий в определении навигационных углов на основе результатов обработки изображений подстилающей поверхности совместнс с ее эталонными изображениями и последующей статистической обработк упомянутых навигационных углов с целью уточнения вектора состоянш КА. Предложены конкретные варианты реализации таких систем, характе ризующиеся различным составом бортового оборудования.
Создан инструментарий для анализа характеристик систем навигацш КА по наземным ориентирам, синтеза систем такого рода и формировали* требований к КА, бортовой аппаратуре и алгоритмам навигации, вклю чающий модели движения и угловых измерений с учетом неконтролируе мых факторов, а также алгоритмы для решения задачи навигации.
Определены характеристики точности систем навигации по наземныл ориентирам в зависимости от параметров орбиты, характеристик аппара туры и ограничений на проведение измерений.
Сформулированы требования к характеристикам КА и аппаратуры.
На защиту выносятся: 1". Варианты состава и структуры автоматической системы автономної
навигации по наземным ориентирам. 2. Комплекс моделей и алгоритмов, обеспечивающих решение задачі навигации.
3. Результаты исследования характеристик систем навигации КА по наземным ориентирам. Практическая значимость
Наиболее перспективной реализация предлагаемого метода представляется на КА, оснащенных оптоэлектронным оборудованием наблюдения земной поверхности, следующих классов:
на КА, входящих в состав многоспутниковых глобальных телекоммуникационных систем, в качестве резервной системы навигации;
на малых экспериментальных КА как с целью проведения дальнейших исследований данного метода навигации, так и в качестве основной или резервной системы навигации;
на различных КА дистанционного зондирования в качестве основной или резервной системы навигации.
Кроме того, предлагаемый метод навигации может быть использован: « на автоматических межпланетных станциях для навигации по ориентирам на поверхности других планет;
на КА, находящихся на орбитах выше 2000 км, где искусственное поле ГНС имеет большую дискретность;
на спускаемых аппаратах для уточнения параметров движения перед входом в атмосферу.
Результаты диссертационной работы использованы при разработке проекта малого КА, создаваемого Техническим университетом г. Дрезден (Германия), и в рамках проекта INTAS-96-2156 «Автономная навигация низкоорбитального КА с использованием методов комплексирования информации».
Разработанный программный комплекс внедрен в учебный процесс в Московском Государственном авиационном институте (каф. 604, 704) и в Уфимском Государственном авиационном техническом университете.
Методы исследования
Стохастические модели и алгоритмы обработки измерений основаны на теории марковских процессов. Априорная оценка точности навигации и ее зависимость от параметров КА и бортовой аппаратуры были получены путем численного моделирования процесса автономной навигации с учетом неконтролируемых факторов различной физической природы.
Апробация работы
Основные положения диссертационной работы докладывались на:
45-м Конгрессе Международной Астронавтической Федерации (IAF), г. Иерусалим (Израиль), 1994;
3-м Симпозиуме МАИ/ПАКУ «Проблемы автоматического управления», г. Пекин (Китай), і995;
46-м Конгрессе Международной Астронавтической Федерации (IAF), г. Осло (Норвегия), 1995;
Всероссийской конференции «Проблемы совершенствования робототех-нических и интеллектуальных систем летательных аппаратов», г. Москва, 1996; - ';
6-й Конференции выпускников Международного космического университета (ISU), г. Хьюстон (США), 1997;
4-м Симпозиуме МАИ/ПАКУ «Проблемы автоматического управления», г. Москва, 1997.
Публикация результатов исследования , .
Основные результаты диссертации изложены в 6 печатных работах.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы (85 наименований) и двух приложений. Работа изложена на 116 страницах, включая 41 рисунок и 2 таблицы.