Размещено на http://www.allbest.ru/

Национальный исследовательский университет "МЭИ"

УДК: Институт АВТИ

Кафедра Управления и информатики

Направление 220400 Управление в технических системах

Магистерская диссертация

Разработка алгоритмического обеспечения многоколлиматорного поворотного стенда для тестирования датчиков звездной ориентации

Студент А-02-08 Рубан С.В.

Научный руководитель

профессор, д.т.н. Колосов О.С.

Допущена к защите

Зав. кафедрой доцент, к.т.н.

Шихин В.А.

Москва



Аннотация

датчик звездный ориентация алгоритм

Данная работа посвящена проблемам наземной отработки приборов звездной ориентации. Основной задачей является создание и введение в эксплуатацию нового стенда для наземной отработки датчиков звездной ориентации для обхода ограничений на применение существующих стендов, таких как ограниченные углы поворота прибора вокруг визирующей оси на стендах и невозможность имитации засветки дневного неба. Результатом работы будет введение в эксплуатацию нового стенда для наземной отработки с описанием алгоритмов работы, управления и проверок данного стенда.



Оглавление

Введение

Глава 1. Общие положения

1.1 Датчик звездной ориентации

1.1.1 История развития датчиков звездной ориентации

1.1.2 Что такое звездный датчик?

1.2 Наземная отработка датчиков звездной ориентации

1.2.1 Аппаратура для наземной отработки датчиков звездной ориентации

1.2.2 Статические имитаторы звезд

1.2.3 Стенд динамических испытаний

1.2.4 Мобильная модификация динамического стенда

1.2.5 Стенд испытаний датчиков звездной ориентации на реальном небе

1.2.6 Постановка задачи

Глава 2. Описание и работа многоколлиматорного поворотного стенда

2.1 Общие сведения о стенде СМП и его компонентах

• 2.1.1 Назначение многоколлиматорного поворотного птенда
• 2.1.2 Технические характеристики многоколлиматорного поворотного стенда
• 2.1.3 Устройство и работа
• 2.1.4 Описание и работа составных частей
• 2.1.5 Описание и работа ИЗНП
• 2.1.6 Блок засветки
• 2.1.7 Поворотный стол
• Глава 3. Алгоритмы управления СМП, СПО СМП
• 3.1 Системное программное обеспечение стенда СМП
• 3.1.1 Общие сведения
• 3.1.2 Программа управления ИЗНП
• 3.1.3 Программа управления ПП
• 3.1.4 Протокол обмена БУИС и ПК СМП
• 3.1.5 Программа для получения координат локализованных объектов
• 3.1.6 Программа для создания бортового каталога прибора
• 3.1.7 Программа сортировки локализованных объектов
• 3.2 Алгоритмы управления стенда СМП
• 3.2.1 Алгоритм предварительной настройки СМП
• 3.2.2 Алгоритм включения/выключения оборудования СМП
• 3.2.3 Алгоритм запуска и конфигурирования СПО СМП
• 3.2.4 Алгоритм демонтажа и монтажа блока засветки
• 3.2.5 Алгоритм проверки работоспособности ИЗНП
• 3.2.6 Алгоритм формирования рабочего звёздного каталога при работе с ИЗНП
• 3.2.7 Алгоритм проверки СМП в режимах штатной работы
• Глава 4. Анализ работы стенда СМП
• 4.1 Анализ четкости получаемых изображений звезд
• 4.1.1 Изображения и особенности звёзд ИЗНП
• 4.2 Определение точностных характеристик стенда СМП
• 4.2.1 Общие положения
• 4.2.2 Аналитическое определение точности СМП
• 4.2.3 Практическое определение точности стенда
• 4.3 Определение точности наведения поворотного стола
• 4.3.1 Подтверждение точностных характеристик СМП
• 4.3.2 Вращение прибора вокруг визирующей оси на 360°
• 4.3.3 Вращение прибора вокруг визирующей оси на 180°
• 4.3.4 Вращение прибора вокруг визирующей оси с шагом в 1°
• Заключение
• Литература


Введение

За последние пятьдесят лет человечество сильно продвинулось в вопросах изучения окружающего мира. В частности, большие прорывы произошли в области космонавтики. Выход за пределы атмосферы повлек за собой и появление новых проблем, задач, которые необходимо решать. Одной из таких задач стала ориентация космических аппаратов в безвоздушном пространстве. Вопрос определения положения объекта в космосе является гораздо более сложным, чем аналогичный для объекта на поверхности земли, так как здесь имеет место ориентация в трех осях координат, а сами ориентиры сложнее интерпретировать из-за наличия помех.

Основным решением этой проблемы является установка на космические аппараты специальных приборов - звездных датчиков ориентации. Они анализируют приходящий с объектива кадр звездного неба и сравнивают его с хранящимся в памяти звездным каталогом, устанавливая таким образом ориентацию космического аппарата относительно других космических объектов. Помимо звездных датчиков в сфере ориентации космических аппаратов также применяются их "младшие братья" - солнечные датчики. Как видно из названия, они позволяют определить положение космического аппарата относительно Солнца. Но по сравнению со звездными датчиками у них есть ряд ограничений, например, с помощью солнечных датчиков невозможно определение ориентации, если Земля заслоняет Солнце.

Перед вводом в эксплуатацию звездного датчика тот должен пройти через комплекс тестов и испытаний, которые определят его работоспособность. Фактически, тесты, проводимые с прибором, можно разделить на две группы: собственно, сами испытания и стендовые проверки корректности работы прибора после испытаний. Но эксплуатируемые на данный момент в ИКИ РАН стенды для проверки точности работы приборов имеют определенные ограничения на эксплуатацию. Для устранения этих ограничений по наземной отработке датчиков звездной ориентации было решено создать новый стенд, в основу функционирования которого положены другие принципы, что позволит устранить такие ограничения при наземной отработке приборов, как ограниченный угол поворота прибора вокруг своей оси и практическую сложность реализации отработки прибора по дневному небу (с имитацией засветки).



Глава 1. Общие положения

1.1 Датчик звездной ориентации

1.1.1 История развития датчиков звездной ориентации

В двадцатом веке человечество совершило несколько важных прорывов в исследовании окружающего мира, в частности в исследованиях космоса. Сначала в космос был запущен первый искусственный спутник, а затем полвека назад Юрий Алексеевич Гагарин стал первым человеком, совершившим полет в космическое пространство. Таким образом, человечество перешло от наблюдений космоса с поверхности Земли к наблюдению его изнутри.

За последние 50 лет на околоземную орбиту было выведено множество искусственных спутников, созданных человеком.

По данным спутникового каталога NORAD сейчас на орбите нашей планеты находится ~16000 объектов размером более 10 сантиметров, две трети из которых составляют части разрушенных спутников, отработанные ступени ракет и предметы, потерянные во время работ в открытом космосе, и ~600000 объектов размером более 1 сантиметра. Это сильно усложняет проблему ориентации и навигации в безвоздушном пространстве, ведь в вакууме любое столкновение может иметь под собой фатальные последствия.

Таким образом, одной из важнейших задач при создании спутников стала его ориентация в открытом космосе. В конце 80-х годов прошлого века для ориентации космических аппаратов стали применяться широкопольные звездные датчики на базе ПЗС-матриц, определяющие ориентацию путем сравнения изображения наблюдаемого участка звездного неба с хранящимся в памяти бортового компьютера звездным каталогом.

Пионерами в области разработки датчиков звездной ориентации[1] принято считать французскую фирму SODERN, начавшую в 1985 году разработку звездного координатора SEID 12 для русско-французского проекта "Сигма". Конструктивно прибор состоял из двух блоков: оптического и блока электроники. Блок электроники имел 2 канала и мог взаимодействовать с двумя оптическими блоками. Впервые SEID 12 был установлен и запущен в космос в 1989 году на советском спутнике "Гранат" и отработал на орбите десять лет до закрытия проекта.

ИКИ АН и "Карл Цейес Йена" в середине 80-х годов разработали систему "Астро" для космической станции "Мир". Комплекс включал в себя три цифровые телевизионные камеры на базе ПЗС-матрицы, три электронных блока обработки звездных снимков и общий электронный блок комплекса. Система была установлена на станцию в 1989 году и проработала вплоть до закрытия проекта. Стоит отметить, что станция "Мир" была затоплена также по показателям системы "Астро".

В настоящее время за рубежом насчитывается более десяти производителей приборов звездной ориентации. Крупнейшие из них - это Sodern (Франция), Jena-Optronic (Германия), Galileo Avionica (Италия), Ball Aerospace (США), Goodrich (США), Terma (Дания, Германия, Нидерланды, Сингапур, США). Эти фирмы выпускают более 30 моделей звездных приборов разного типа и назначения.

В России одной из организаций, производящих звездные датчики ориентации для космических аппаратов является ИКИ РАН. Эти приборы получили название блок определения координат звезд (БОКЗ). С середины девяностых годов институтом было изготовлено более 60 приборов БОКЗ в различных модификациях, которыми были оснащены 14 космических аппаратов. В их числе Международная Космическая Станция, аппараты серии "Ямал", "БелКА" и "Ресурс-ДК".

Еще один российский производитель подобных приборов - это московское ОКБ "Марс",- с 2005 года изготовленными ими датчиками были оснащены два космических аппарата: "Монитор" и "Казсат". Но, в отличие от приборов БОКЗ, производимых ИКИ РАН, звездные датчики МОКБ "Марс" не являются автономными и используют для обработки данных вычислительные мощности бортовой ЭВМ[1].

Таким образом, в данное время активно развиваются два направления датчиков, предназначенных для ориентации в космосе космических аппаратов: солнечные датчики, которые позволяют определять направление на центр видимого диска Солнца относительно строительных осей космического аппарата, и, собственно, звездные датчики, также называемые астродатчиками. Солнечные датчики имеют более простую структуру по сравнению со звездными и имеют ограничения на применение, так как зависят от Солнца. Таким образом, если Солнце будет скрыто каким-либо космическим объектом, ориентация солнечного датчика будет затруднена.

1.1.2 Что такое звездный датчик?

Звездный датчик предназначен для определения ориентации космического аппарата. Для определения ориентации звездный датчик регистрирует изображение звездного неба и, отождествляя наблюдающиеся звезды по звездным каталогам, определяет направление визирования и, следовательно, ориентацию космического аппарата в пространстве.

Звездный датчик (рис. 1), обычно, состоит из объектива и детектора, в роли которого, как правило, используется ПЗС-матрица. Это специализированная аналоговая интегральная микросхема, состоящая из светочувствительных фотодиодов, выполненная на основе кремния, использующая технологию ПЗС -- приборов с зарядовой связью.

Рисунок 1 - Звездный датчик БОКЗ-МФ



Использование звездных датчиков ориентации также сопровождается определенными трудностями, вызванными наличием большого количества источников помех, наличия засветки кадров, полученных датчиком, поступательного и вращательного движения космического аппарата и даже наличия микроскопических частиц пыли на объективе датчика. Это значит, что каждый звездный датчик нуждается в длительных и тщательных проверках и калибровках перед его вводом в эксплуатацию. Для наземной отработки звездных датчиков созданы несколько видов стендов, имитирующих условия ориентации прибора в открытом космосе.

1.2 Наземная отработка датчиков звездной ориентации

1.2.1 Аппаратура для наземной отработки датчиков звездной ориентации

Рано или поздно перед разработчиками приборов космического назначения встает вопрос о создании различного рода имитаторов, позволяющих в наземных условиях воссоздать те или иные факторы космического пространства. Использование таких имитаторов на стадии наземной отработки приборов позволяет проверить различные режимы функционирования приборов, устранить возникающие неполадки в их работе, отладить программно-алгоритмическое обеспечение. При этом необходимо, чтобы разработчики обеспечивали высокую степень достоверности моделирования на имитаторах воздействующих на прибор факторов.

Для проведения наземных испытаний в ИКИ РАН разработаны и созданы такие приборы, как статические имитаторы звезд, стенды динамических испытаний и их мобильные модификации.



1.2.2 Статические имитаторы звезд

Первый имитатор звезд (ИЗ), позволяющий спроецировать в поле зрения звездного прибора изображения точечных объектов, был разработан в ИКИ РАН в конце 90-х гг. прошлого века. Имитатор (рис. 2) представлял собой конструкцию, устанавливаемую на бленду прибора вместо технологической крышки. Внутри имитатора располагались металлическая пластина с пятью отверстиями в форме креста и светодиоды за каждым отверстием. При подаче питания светодиоды загорались, и в поле зрения прибора проецировалось пять точечных объектов.

С учетом того, что положение имитатора относительно поля зрения прибора было точно известно и не менялось во времени, с помощью имитатора проверялась правильность работы оптико-электронного тракта прибора в режиме регистрации точечных объектов, их локализации и определения энергетических центров яркостей.

Следующей модификацией ИЗ являлось устройство, конструктивно аналогичное представленному на рис. 2, но функционально более совершенное. Модифицированная версия имитатора включала светодиод, слайд с изображением точечных источников и коллиматорный объектив. Слайд представлял собой изображение участка небесной сферы, угловой размер которого соответствовал угловому полю зрения прибора. Звезды разных звездных величин отображались на слайде разными по площади объектами белого цвета, фон слайда был черным.

При подаче питания на светодиод слайд подсвечивался, прошедший через него световой поток попадал в коллиматорный объектив, на выходе которого формировался параллельный световой пучок от каждого точечного объекта.

В результате на объектив прибора, как и в случае работы по звездам реальной небесной сферы, приходил параллельный поток от каждого из подсвеченных точечных объектов на слайде.

При работе с таким имитатором звезд реализовывалась возможность проверки правильности работы не только оптико-электронного тракта прибора, но и отладки его программно-алгоритмического обеспечения.

Рисунок 2 - Имитатор звезд

В настоящее время разработана еще одна модифицированная версия такого имитатора звезд (рис. 3), который будет использоваться не только как средство для отладки, но и как технологическая защитная крышка.

Перед отправкой прибора на предприятие-заказчик на него будет устанавливаться имитатор, который в процессе перемещения прибора будет выполнять роль защитной крышки, предохраняющей бленду от загрязнений.

Одновременно с этим при проведении работ по входному контролю прибора и прочих регламентных проверок на имитатор будет подаваться питание, и в поле зрения прибора будет проецироваться изображение участка небесной сферы. Имитатор будет демонтирован с прибора после проведения всех необходимых регламентных работ и установки прибора на космический аппарат.

Рисунок 3 - Модифицированный имитатор звезд

Основным достоинством описанных в настоящем разделе имитаторов является относительная простота, что позволяет их использовать на различных этапах проверки работоспособности прибора как на предприятии-разработчике, так и у заказчика. В то же время описанные имитаторы имеют ограниченные функциональные возможности и не позволяют проводить отработку штатных режимов функционирования приборов в полном объеме.

Для выполнения работ по отладке режимов работы приборов в условиях, максимально приближенных к реальным, в ИКИ РАН был разработан специальный стенд, позволяющий моделировать светооптическую обстановку и динамику движения прибора в процессе его функционирования на космическом аппарате.

1.2.3 Стенд динамических испытаний

В отличие от статических имитаторов звезд, на так называемом динамическом стенде реализована возможность моделирования движения точечных объектов в поле зрения прибора.

Принцип действия стенда, внешний вид которого представлен на рис. 4, заключается в замене при испытаниях прибора звезд небесной сферы их изображениями, выведенными на экран расположенного в поле зрения прибора жидкокристаллического монитора.

Рисунок 4 - Стенд динамических испытаний

Тестируемый прибор жестко закрепляется при установке на стенд, и моделирование перемещения его поля зрения по небесной сфере в процессе орбитального движения космического аппарата осуществляется за счет изменения изображений участков звездного неба, выводимых на экран монитора.

Вывод изображений звезд на экран монитора реализуется с помощью специального программного обеспечения, которое использует данные каталога звезд, охватывающего всю небесную сферу.

При моделировании на стенде звездного неба происходит пересчет сферических координат звезд на небесной сфере в прямоугольные координаты проекций звезд на плоскость экрана монитора, формирование графического изображения и его вывод на экран монитора.

Повторение описанного цикла с заданной частотой позволяет реализовать перемещение участка небесной сферы по экрану монитора в поле зрения неподвижно закрепленного прибора.

Кристаллическая структура экрана монитора обусловливает дискретность изменения координат изображений звезд. Для имитации плавного изменения положения изображений звезд в поле зрения прибора координаты звезд пересчитываются и выводятся на экран монитора несколько раз в секунду.

Для воспроизведения визуальной обстановки космического пространства на стенде реализуется оптическое удаление изображения небесной сферы от прибора в бесконечность с применением коллиматора, расположенного на оптической скамье между монитором и прибором так, что монитор находится в его фокальной плоскости.

На выходе коллиматора от каждого изображения звезды формируется параллельный пучок света, регистрируемый прибором.

Схема моделирования движения небесной сферы на стенде представлена на рисунке 5.

Рисунок 5 - Моделирование небесной сферы на стенде

Помимо моделирования динамики движения тестируемого прибора, обуславливаемой движением КА по орбите, программное обеспечение стенда дает возможность моделирования воздействия динамики системы управления КА, при котором к вектору угловой скорости добавляются дополнительные составляющие по трем осям.

Кроме того, моделирование перемещения поля зрения прибора по небесной сфере осуществляется с учетом матрицы взаимной ориентации системы координат (СК) прибора относительно системы координат космического аппарата.

Имитация работы системы управления КА заключается в моделировании движения поля зрения прибора относительно геоцентрической системы координат в заданном направлении. При этом может быть выбран один из двух режимов изменения углового положения поля зрения:

- режим переориентации, при котором происходит однократный поворот на заданный угол в заданном направлении

- режим периодических колебаний, при котором моделируется периодический поворот поля зрения прибора на требуемый угол.

Из сказанного следует, что стенд предоставляет широкий диапазон возможностей при моделировании процесса движения поля зрения прибора по небесной сфере с учетом расположения прибора на конкретном космическом аппарате, движущемся по заданной орбите.

С целью повышения достоверности реализации условий космического пространства, при которых звездному датчику приходится решать задачу определения параметров астроориентации, в программном обеспечении стенда заложена возможность моделирования ряда помеховых факторов внешней среды, в частности, протонов космического пространства, частиц собственной внешней атмосферы (СВА, см. рис. 5) космического аппарата, неравномерной засветки поля зрения.

Имитация воздействия протонов на тестируемый прибор, в результате которого на получаемых изображениях регистрируются помеховые звездоподобные объекты, так называемые "ложные звезды", реализуется путем вывода на экран монитора световых помех.

При этом имитируются как точечные помехи, вызванные фронтальными воздействиями протонов на прибор, так и помехи в форме вытянутых треков, вызванные прохождением протонов через ПЗС-матрицу прибора под большими углами к его оптической оси.

Моделируемые частицы СВА представляют собой объекты произвольной формы, перемещающиеся по экрану монитора с заданными скоростями на фоне движущейся небесной сферы.

Для имитации на стенде ситуации, при которой за счет попадания в поле зрения прибора Солнца, Луны, Земли или света, отразившегося от зеркальных конструкций КА, может наблюдаться повышенный или неравномерный фон на полученном прибором изображении, в программное обеспечение заложена возможность добавления фоновой компоненты изображения, выводимого на экран монитора. При этом моделируемая засветка может быть как равномерной, так и равномерно изменяющейся.

1.2.4 Мобильная модификация динамического стенда

С развитием и миниатюризацией средств отображения информации и вычислительных систем появилась возможность создать динамический имитатор звезд, обладающий массово-габаритными характеристиками, сопоставимыми с аналогичными характеристиками звездных датчиков.

Первая модификация такого имитатора была разработана на базе мини-ноутбука Sony VAIO VGN UX-180P, представленного на рисунке 6.

Рисунок 6 - Ноутбук Sony VAIO VGN UX-180Р

Несмотря на скромные размеры, мини-ноутбук является достаточно производительным и может быть использован для моделирования движения участков небесной сферы и отображения их на собственном экране.

Экран мини-ноутбука имеет разрешение в 1024Ч600 элементов, что сопоставимо с разрешением жидкокристаллических мониторов, используемых на динамических стендах ИКИ РАН.

При использовании коллиматора (устройство для получения параллельных пучков лучей света или частиц) с фокусным расстоянием около 100 мм имитатор не превышает по размерам и массе звездный датчик, для тестирования которого он предназначен.

Конструкция имитатора, объединяющая мини-ноутбук и коллиматор, имеет посадочные места, позволяющие устанавливать ее непосредственно на бленду тестируемого прибора. Также возможен вариант, когда тестируемый прибор устанавливается сверху на конструкцию имитатора.

Интерфейсные окна программного обеспечения, позволяющие задать параметры моделирования, отображаются на экране мини-ноутбука, доступ к которому может быть осуществлен одним из двух способов.

Первый способ подразумевает прямой доступ к мини-ноутбуку и работу непосредственно с его клавиатурой. Этот способ требует снятия боковой крышки конструкции имитатора и является достаточно трудоемким.

Альтернативой ему служит второй способ, при котором осуществляется удаленный доступ к программному обеспечению имитатора с использованием протокола беспроводной связи WiFi.

При наличии встроенной или внешней антенны WiFi на управляющем компьютере (в роли которого, например, целесообразно использовать компьютер контрольно-испытательной аппаратуры тестируемого прибора) можно установить беспроводную связь между этим компьютером и мини-ноутбуком имитатора.

В этом случае доступ к программам мини-ноутбука может быть осуществлен через управляющий компьютер, на экране монитора которого будет отображаться рабочий стол мини-ноутбука.

Таким образом, используя беспроводную связь, можно выполнять разовые обращения к мини-ноутбуку имитатора с целью задания требуемых параметров, запуска и останова режима моделирования, при этом само моделирование будет осуществляться непосредственно на мини-ноутбуке имитатора.

Режим управления имитатором по беспроводной связи позволяет создавать комплексные стенды для одновременной отработки приборов различного типа [1].

1.2.5 Стенд испытаний датчиков звездной ориентации на реальном небе

Фактически, стенд представляет собой переносную двухосную поворотную платформу, выставляемую на крыше здания ИКИ РАН, и консоль оператора с установленной на ней КИА звездного датчика.

Звездный датчик закрепляется на поворотной платформе, после чего проводится его тестирование: определение ориентации прибора по реальному звездному небу, используя предварительно загруженные на прибор бортовые каталоги.

Главной проблемой пользования стендом испытаний на реальном небе является малое количество безоблачных дней в году в условиях местного климата.

Работа же со стендом при наличии облаков на небе невозможна.

1.2.6 Постановка задачи

Как можно видеть, существующие стенды динамических испытаний датчиков звездной ориентации обладают определенными ограничениями в применении.

Используемые стенды не позволяют в полном объёме отрабатывать два типа приборов:

- приборы с интегрированными датчиками угловых скоростей (ДУС);

- приборы, работающие с высоким уровнем фона и/или с суммированием кадров (работа по звездному небу днём).

Отработка таких видов приборов на стенде испытаний на реальном небе имеет ограничения по погодным условиям: ~70 ясных дней и ночей в год. Еще одна сложность заключается в наличии атмосферной рефракции (до 35') и рассеянии света в атмосфере над городом.

Отработка приборов на стендах динамических испытаний затруднена в связи с ограниченным углом поворота (до ±5°) и сложностью одновременного искусственного моделирования изображения звезды и фона дневного неба.

Таким образом, исходя из существующих на данный момент стендов и особенностей их эксплуатации появилась необходимость в разработке стенда, позволяющего:

- одновременно совмещать перемещение звёзд и физическое вращение прибора для отработки приборов с интегрированными ДУС;

- получать изображение звёзд, близкое к реальным на дневном небе для отработки приборов ориентации по дневному небу.



Глава 2. Описание и работа многоколлиматорного поворотного стенда

2.1 Общие сведения о стенде СМП и его компонентах

2.1.1 Назначение многоколлиматорного поворотного стенда

Многоколлиматорный поворотный стенд (СМП) предназначен для проведения автономных испытаний и проверок функционирования звездных датчиков (ЗД) на предприятии-изготовителе.

СМП имитирует часть нереального звездного неба.

В качестве источников излучения имитирующих звёзды используются лазерные модули с лучами низкой расходимости. Модули закреплены на панорамном цилиндрическом экране с горизонтальной разверткой 170 ° (рисунки 7-9).

Лазерные модули предусматривают возможность юстировки для наведения луча лазера и фокусировки в поле зрения ЗД, закрепленного на поворотной платформе в центре стенда.

Рисунок 7 - Идеология работы стенда

Лазерные модули имеют возможность уменьшения интенсивности лазерного луча средствами широтно-импульсной модуляции (ШИМ).

СМП позволяет отрабатывать приборы с интегрированными датчиками угловых скоростей и приборы, работающими с высоким уровнем фона и/или с суммированием кадров (работа по дневному звёздному небу). Работа со стендом не накладывает таких ограничений, как малое количество ясных дней и ночей в году для отработки приборов на реальном небе, и, в отличие от других стендов, имеет широкий угол поворота и позволяет легко имитировать фоновую засветку дневного неба.

СМИ имитирует фон дневного неба одновременно с изображением звёзд. Имитация фоновой засветки дневного неба происходит с помощью блока засветки (БЗ), позволяющего имитировать засветку в видимом (жёлтый цвет) и в ИК диапазонах.

Поскольку СМИ имитирует нереальное звездное небо, перед началом испытаний ЗД необходимо составить астрометрический каталог и загрузить его в испытуемый прибор.

Рисунок 8 - Общий вид СМП с установленным ЗД

Рисунок 9 - СМП (вид сверху) с установленным ЗД

2.1.2 Технические характеристики многоколлиматорного поворотного стенда

СМП обеспечивает реализацию следующих основных функциональных возможностей:

- имитацию части нереального звездного неба при помощи имитатора звёздного неба панорамного (ИЗНП);

- установку и вращение испытуемого ЗД вокруг одной из осей при помощи поворотного стола;

- имитацию фона дневного звёздного неба при помощи блока засветки;

- возможность отработки приборов с ДУС путём вращения вокруг визирной оси при помощи имитатора звездного неба вертикального (ИЗНВ).

ИЗНП моделирует звёздное небо со следующими характеристиками:

- моделирование нереальной части звёздного неба размером 16 ° на 170 °;

- моделирование 64 звезд;

- имитация звезд от 8й до 3й звездной величины;

- наличие минимум четырёх звёзд в поле зрения 16Ч16° на любом участке имитируемого звёздного неба;

Поворотный стол обеспечивает:

- вращение ЗД вокруг одной оси с помощью поворотного стола;

- осуществление поворота ЗД вокруг собственной оси на скоростях от 1ґґ до 10° в секунду;

- осуществлять поворот ЗД на угол 360°;

- осуществлять поворот ЗД с ускорением 70°;

- осуществлять поворот с грузом на поворотной платформе до 20 кг;

- посадочная плита поворотного стола ЗД обеспечивает три варианта крепления испытуемого ЗД для обеспечения вращения вокруг каждой из ортогональных осей ЗД.

Блок засветки обеспечивает:

- имитация засветки дневного неба

- равномерность

- яркость

- длины волн

- потребление.

ИЗНВ обеспечивает:

- возможность отработки приборов с ДУС путём вращения вокруг визирной оси;

- возможность отработки определения ориентации ЗД по участку реального звездного неба;

- изменяемую яркость подсветки звёзд по 255 градациям яркости.

СМП изготовлен в климатическом исполнении УХЛ группы 1.1 по ГОСТ PB 20.39.301-98 и предназначен для работы при воздействии следующих факторов:

- температура окружающей среды (23 ± 3) С;

- атмосферное давление (750 ± 25) мм рт. ст.;

- относительная влажность воздуха до 80% при температуре плюс 25єС.

Питание СМП осуществляется от электрической сети общего назначения переменного однофазного тока напряжением (220 ± 20) В, частотой 50/60 Гц, соответствующей ГОСТ 29322-92.

СМП установлен в чистом помещении, где в воздухе поддерживаются в определённом заданном диапазоне размер и число на кубический метр мелких частиц. Чистое помещение имеет 7 класс чистоты ГОСТ Р ИСО 14644-2010, которому соответствуют следующие ограничения по мелким частицам в воздухе:

- 352000 частиц размерами, превышающими 0,5 мкм;

- 83200 частиц размерами, превышающими 1 мкм;

- 2930 частиц размерами, превышающими 5 мкм.



2.1.3 Устройство и работа

СМП имеет блочную структуру.

Составные части СМП соединяются между собой информационными кабелями и кабелями электрического питания.

Испытуемый ЗД устанавливается на СМП и подключается к собственной контрольно-измерительной аппаратуре (КИА). Структурная схема СМП при испытаниях ЗД приведена на рисунке 10.

СПО СМП, установленное на ПК СМП осуществляет обмен информацией с блоками СМП, формирует управляющие команды, обрабатывает, анализирует и выводит на экран ПК СМП поступающую с СМП информацию, посылает команды на коммутацию и снятие питания с ПС и ИЗНП.

Поскольку расположение лазерных модулей ИЗНП не соответствует реальному рисунку звёздного неба, перед началом работ со звездным датчиком необходимо составить звездный каталог. Звездный каталог представляет собой текущее положение лазерных модулей на панорамном стенде в описании для ПО ЗД. Таким образом, проводя дальнейшие проверки для ЗД возможно будет оценить его точностные характеристики и корректность работы.

Рисунок 10 - Структурная схема СМП при проверке ЗД



2.1.4 Описание и работа составных частей

Составные части СМП приведены в 2.1.2.

ИЗНП предназначен для проверки имитации звёздного неба и представляет собой цилиндрический экран с 64-я лазерными модулями, имитирующими изображения точечных источников излучения. Подробное описание ИЗНП в 1.2.2.

Поворотный стол предназначен крепления и вращения закреплённых на ней ЗД и блока засветки вокруг вертикальной оси панорамного экрана ИЗНП, моделирую тем самым перемещение прибора по звёздному небу.

Контроллер ПП предназначен для управления движением поворотной платформы, задания необходимых угловых скоростей, ускорений, задания границ для поворота.

БЗ предназначен для имитации дневной засветки. При этом сохраняется возможность работы прибора по звёздам ИЗНП.

БУИС предназначен для управления лазерными модулями ИЗНП. БУИС осуществляет снятие и подачу питания на лазерные модули, управление интенсивностью лазерного луча, включением и выключением секторов и/или линий лазерных модулей, а также управлением блоком засветки. Лазерные модули стенда разбиты на 8 линий, содержащих по 8 случайно расположенных лазерных модулей каждая и на 8 секторов, включающих в себя 8 последовательных модулей. То есть 1-й сектор включает в себя 1-8 лазерные модули, 2-й сектор - 9-16 модули и т.д.

ПК СМП предназначен для:

- управления поворотным столом путём обмена данными с контроллером ПП посредством стандартного интерфейса USB;

- управления ИЗНП, ИЗНВ и блоком засветки путём обмена данными посредством стандартного интерфейса USB через переходник USB2СОМ;

- аппаратной поддержки СПО.

Сетевой фильтр предназначен для подключения к промышленной сети общего назначения переменного однофазного тока напряжением (220 ± 20) В, частотой 50/60 Гц, соответствующей ГОСТ 29322-92, электрического оборудования, входящего в состав СМП;

Кабельная сеть включает в себя кабели, предназначенные для соединения составных частей СМП.

Оптический стол Thorlabs служит для размещения на нем основных блоков СМП. Оптический стол представляет собой стальную столешницу 1,9 х 0,9 метра с расположенный на ней сеткой крепежных отверстий для крепления блоков стенда, установленную на гасящие вертикальные и горизонтальные колебания ножки. Для гашения колебаний в ножках стола предусмотрена специальная система пневматической изоляции.

2.1.5 Описание и работа ИЗНП

ИЗНП (рисунки 11-12) имеет следующие характеристики:

- моделирование нереальной части звёздного неба размером 16° на 170°;

- моделирование 64 звезд;

- имитация звезд от 8й до 3й звездной величины;

- наличие минимум четырёх звёзд в поле зрения 16Ч16° на любом участке имитируемого звёздного неба;

- длина волны излучения лазерных модулей: 650 нм;

- диаметр пучка излучения: 5 мм;

- питание БУИС 220 В;

- частота модуляции сигналов лазерных модулей: ? 200 кГц;

- ток, потребляемый лазерным модулем: ?120 мА;

- расхождение пучка излучения лазерного модуля: 1.0 мрад;

- выходная мощность излучения лазерного модуля: 4 мВт;

Конструктивно ИЗНП состоит из цилиндрического экрана, на котором размещаются лазерные модули, выступающие в роли формирователей изображений в поле зрения ЗД.

ИЗНП выполнен на базе источников KLM-M650-4-5, формирующих узкоколлимированный пучки лазерного излучения длиной волны 650 нм и диаметром 5 мм. Характеристики лазерных модулей приведены в таблице 1. Общий вид и габариты - на рисунках 13 и 14.

Таблица 1 - Технические характеристики лазерных модулей KLM-M650-4-5

Характеристика	Значение
Выходная мощность излучения (мВт)	4.0/16.0 кВт
Длина волныизлучения (нм)	650 нм
Выходной диаметр пучка излучения (мм)	5 мм
Расходимость пучка излучения	1.0 мрад
Рабочая дистанция	10 м
Коллиматор	стеклянный
Количество линз коллиматора	три с просветлением
Режим работы	непрерывный с внешней модуляцией
Частота модуляции	? 500 кГц
Напряжение питания	5 В
Потребляемый ток	? 120 мА
Диапазон рабочих температур	(-10..+40) °C
Диапазон температур хранения	(-40..+80) °C
размер корпуса	Ш 16*45 мм
Материал корпуса	латунь
Длина выводов	100 мм

Рисунок 11 - Общий вид ИЗНП



Рисунок 12 - Общий вид БУИС

Рисунок 13 - Общий вид лазерных модулей

Рисунок 14 - Габаритные размеры и устройство лазерных модулей

Управление яркостью свечения лазерных модулей происходит с помощью ШИМ, то есть путем управления подаваемым на лазерные модули напряжением. При изменении подаваемого на лазерные модули напряжения изменяется их яркость.

Лазерные модули стенда разбиты на 8 линий, содержащих по 8 случайно расположенных лазерных модулей каждая и на 8 секторов, включающих в себя 8 последовательных модулей. То есть 1-й сектор включает в себя 1-8 лазерные модули, 2-й сектор - 9-16 модули и т.д.

Управление лазерными модулями осуществляется при помощи БУИС.

ИЗНП подключается к БУИС. Управление ИЗНП осуществляется при помощи СПО СМП.



2.1.6 Блок засветки

Блок засветки (рисунок 15) предназначен для имитации дневной засветки изображений звезд на видеотракте ЗД. Конструкция блока засветки позволяет имитировать засветку как в видимой области частотного спектра, так и в ИК области излучения. Также возможна работа одновременно с засветкой и в ИК, и видимой области излучения.

При работе с ЗД для уменьшения общей интенсивности излучения на фотодетекторе ЗД используют следующие фильтры:

- НС-11 толщиной 3,2 мм для работы с АВУ;

- ТС-3 и НС-9 для работы с БОКЗЗ-МФ.

Конструктивно блок засветки состоит из модуля светодиодной подсветки, светофильтра, оптического стекла с низкой клиновидностью и каркаса для крепления вышеуказанных деталей (рисунок 16).

Рисунок 15 - Общий вид блока засветки



Рисунок 16 - Блок засветки

Принцип работы блока засветки заключается в том, что к лучам от лазерных модулей, пропущенным через светофильтр и оптическое стекло с низкой клиновидностью, добавляется излучение от светодиодной подсветки, и вместе они поступают на фотодетектор испытуемого прибора.

Оптическое стекло с низкой клиновидностью не вносит искажений в проходящие через него лучи от лазерных модулей ИЗНП.

Интенсивностью излучателей блока засветки можно управлять с помощью СПО СМП. СПО СМП предусматривает возможность гибкой подстройки с использованием 255 градаций интенсивности излучения в ИК области и в области видимого излучения.

2.1.7 Поворотный стол

Поворотный стол (рисунок 17) состоит из поворотной платформы, привода поворотной платформы, контроллера поворотной платформы и посадочной платформы и позволяет осуществлять вращение поворотной платформы с закрепленным на ней ЗД вокруг вертикальной оси.

Поворотная платформа представляет собой стальную платформу с расположенными на ней отверстиями для крепления блока засветки посадочной платформы.

Привод поворотной платформы осуществляет вращение поворотной платформы в соответствии с командами, посылаемыми ему контроллером поворотной платформы;

Контролер поворотной платформы осуществляет прием команд с ПК СМП, преобразование их в команды для привода поворотной платформы и передачу их приводу. Контроллер позволяет осуществлять поворот платформы с заданной скоростью, на заданный угол, осуществлять циклическое движение платформы или движение по заданной траектории.

Посадочная платформа служит для закрепления на ней звездного датчика в вертикальном положении и крепится на поворотную платформу.



Глава 3. Алгоритмы управления СМП, СПО СМП

3.1 Системное программное обеспечение стенда СМП

3.1.1 Общие сведения

СПО СМП предназначено для работы в 32-разрядной операционной среде Windows XP и включает в себя два приложения с многооконным интерфейсом, одно из которых предназначено для управления ИЗНП. а другое - поворотным столом.

Описание элементов интерфейса программы управления ИЗНП представлено на рисунке 18, описание элементов интерфейса программы управления ПП представлено на рисунках 19 и 20.

3.1.2 Программа управления ИЗНП

Основными элементами интерфейса программы управления ИЗНП являются:

- блок управления засветкой, позволяющий изменять параметры яркости ИК и желтой засветок и получать информацию о текущем состоянии яркости засветки;

- блок управления лазерными модулями ИЗНП, который позволяет изменять яркость лазерных модулей стенда и получать информацию о текущей яркости, как для отдельной линии лазерных модулей, так и для всех линий одновременно;

- блок управления секторами ИЗНП, позволяющий включать и выключать отдельные сектора с лазерными модулями ИЗНП;

панель истории команд, на которую выводятся все команды, посланные на БУИС.

Изменение яркости лазерных модулей и засветки выполняется либо перетягиванием соответствующего ползунка на нужное значение, либо ручным вводом нужного значения яркости в соответствующее поле с последующим нажатием на кнопку " Изменить". По нажатию на кнопку "Получить" на панель истории команд выводится последняя команда, относящаяся к этой линии лазерных модулей, либо блоку засветки.

Для включения/выключения отдельных секторов необходимо выбрать состояние нужного сектора в блоке управления секторами и нажать кнопку "Изменить". По умолчанию при запуске БУИС включаются все сектора. Для включения всех секторов необходимо нажать кнопку "Вкл. все", для выключения - "Выкл. все".

3.1.3 Программа управления ПП

Основными элементами интерфейса программы управления ПП являются:

- блок задания входных и выходных величин, в котором осуществляется определение файлов для загрузки угловых скоростей и для записи данных;

- блок ручного управления поворотом, позволяющий осуществлять ручное управление поворотной платформой, изменять скорость поворота и устанавливать значение конечной точки поворота;

- блок циклического движения, позволяющий осуществлять движение платформы по заготовленной заранее программе;

- панель истории команд, на которую выводятся все команды, посланные на Контроллер ПП.

В качестве входных величин в программу может быть загружена предварительно составленная программа движения на определенных угловых скоростях, вида:

<Секундная метка> <угловая скорость>,

где секундная метка задается с точностью до десятых, угловая скорость задается в угловых секундах.

В качестве выходных величин выступают графики угловых скоростей и ускорений. Выходная величина сохраняется в предварительно заданный файл. Для записи данных в файл необходимо нажать кнопку "Запись данных" блока задания входных и выходных величин. Также возможно задание интервала съема данных (по умолчанию 1000 мс).

В блоке ручного управления возможно выполнение следующих действий:

- осуществление поворота ПП по часовой стрелке на заданный угол по нажатию кнопки "Влево";

- осуществление поворота ПП против часовой стрелки на заданный угол по нажатию кнопки "Вправо";

- движение к заданному заранее начальному положению платформы из любого положения по нажатию кнопки "Home";

- остановка любого движения платформы по нажатию кнопки "Стоп";

- задание угла поворота и скорости поворота ПП.

Блок циклического движения позволяет осуществлять циклическое движение ПП и движение ПП по заданной траектории. Для движения по заданной траектории необходимо предварительно загрузить таблицу угловых скоростей в блоке задания входных и выходных величин, задать количество циклов, частоту управления и скважность. Для циклического движения необходимо задать количество циклов и время остановки.

Окно "Настройка" программы управления ПП позволяет производить грубую и тонкую установку начального положения для поворотной платформы. Для фиксации текущего положения в качестве начального необходимо нажать кнопку "Установить центр".



Рисунок 18 - Основное окно программы управления ИЗНП

Рисунок 19 - Основное окно программы управления ПП

Рисунок 20 - Окно "Настройка" программы управления ПП

3.1.4 Протокол обмена БУИС и ПК СМП

Протокол определяет состав информации, используемые форматы сообщений и данных, а также правила взаимодействия БУИС и компьютера.

Обмен информацией между БУИС и ПК СМП осуществляется двоичным цифровым последовательным кодом по линии связи стандарта USB2СОМ.

С момента подачи электропитания БУИС выполняет инициализацию и подает питание на лазерные модули. По истечении 1 с после формирования внутренней команды на подачу питания на лазерные модули, БУИС запускает подпрограмму "Тест излучателей" тестового включения лазерных модулей и светодиодного осветителя. Через несколько секунд подпрограмма "Тест излучателей" завершается и, не снимая питания с лазерных модулей, БУИС переходит рабочее состояние.

ВНИМАНИЕ

ДО ЭТОГО МОМЕНТА БУИС НЕ РЕАГИРУЕТ НА КОМАНДЫ, ПОСЫЛАЕМЫЕ ЕМУ С ПК СМП.

В СМП присутствуют 64 лазерных излучателя, а также 2 светодиодных осветителя, в каждом из которых присутствуют желтый и ИК спектральный каналы. Лазерные излучатели распределены по 8-ми линиям и 8-ми секторам. Для каждой линии излучателей предусмотрена регулировка мощности лазерного излучения. Для каждого сектора предусмотрена возможность отключения. Для светодиодных излучателей предусмотрена независимая регулировка яркости желтого и ИК спектральных каналов, а также возможность переключения между двумя светодиодными излучателями с помощью команды из компьютера.

ПК СМП пересылает на БУИС команды для управления излучателями стенда в виде двух однобайтных слов.

Каждая отдельная команда устанавливает либо яркость отдельной линии излучателей, либо комбинацию включенных секторов, либо производит запрос текущих параметров из БУИС (яркости одной из линий, либо комбинации включенных секторов).

Первый байт определяет тип передаваемой команды, а второй - значение для этой команды. Перечень значений битов в первом байте команды приведен в таблице 2.

Таблица 2 - Значения битов в первом байте команды

№ бита	Значение бита	Описание
7	0	Команда на изменение параметров излучателей, которые указываются битами 0, 1, 2, 4 и 5.
	1	Запрос текущего значения параметров излучателей, которые указываются битами 0, 1, 2, 4 и 5.
6	Х	Не используется, может иметь любое состояние
5 - 4	00	Яркость линии лазерных излучателей
	01	Включение секторов лазерных излучателей
	10	Яркость светодиодных осветителей
3	Х	Не используется, может иметь любое состояние
2 - 0	Если битами 4 и 5 выбраны линии лазерных излучателей, то
	000	лазерные излучатели на линии №1
	001	лазерные излучатели на линии №2
	010	лазерные излучатели на линии №3
	011	лазерные излучатели на линии №4
	100	лазерные излучатели на линии №5
	101	лазерные излучатели на линии №6
	110	лазерные излучатели на линии №7
	111	лазерные излучатели на линии №8
	Если выбран битами 4 и 5 светодиодный осветитель, то:
	000	желтый спектральный канал в осветителе LA
	001	ИК спектральный канал в осветителе LA
	010	желтый спектральный канал в осветителе LB
	011	ИК спектральный канал в осветителе LB

Если в первом переданном байте содержалась команда на установку яркости, то во втором байте содержится значение яркости, либо отдельной линии, либо светодиодного осветителя. Это значение может находиться в диапазоне от 0 до 255.

Если в первом байте содержалась команда на включение секторов, то второй байт представляет собой комбинацию включенных секторов. В этом случае биты, содержащиеся во втором байте, соответствуют комбинации включенных секторов, согласно приведенной в таблице 3.

Таблица 3 - Значения битов в комбинации включенных секторов

№ бита	Значение бита	Описание
7	0	8-ой сектор: выключен
	1	8-ой сектор: включен
6	0	7-ой сектор: выключен
	1	7-ой сектор: включен
5	0	6-ой сектор: выключен
	1	6-ой сектор: включен
4	0	5-ый сектор: выключен
	1	5-ый сектор: включен
3	0	4-ый сектор: выключен
	1	4-ый сектор: включен
2	0	3-ий сектор: выключен
	1	3-ий сектор: включен
1	0	2-ой сектор: выключен
	1	2-ой сектор: включен
0	0	1-ый сектор: выключен
	1	1-ый сектор: включен

3.1.5 Программа для получения координат локализованных объектов

Данная программа предназначена для обработки кадров, полученных с использованием КПА звездного датчика при работе со стендом СМП.

Вид главного окна программы представлен на рисунке 21.

Рисунок 21 - Главное окно программы для получения координат локализованных объектов

Главное оно программы состоит из главного меню программы и поля для выведения результатов обработки кадров. Также по окончании обработки кадров результаты сохраняются в отдельный файл.

Рисунок 22 - Меню "Файл" программы для получения координат локализованных объектов

Вкладка "файл" главного меню содержит подпункты:

- "Открыть и обработать кадры" - по выбору этого подпункта пользователю предоставляется возможность выбрать файлы для обработки, после чего происходит их обработка и вывод результатов;

- подпункты "Открыть папку…" - по выбору этих подпунктов происходит открытие папки с отчетами или кадрами;

- "Выход" - по выбору этого подпункта происходит зактрытие программы обработки.

Пункт главного меню "настройка" вызывает окно настроек программы для получения координат локализованных объектов, аналогичное изображенному на рисунке 23:

Рисунок 23 - Вкладки окна "Настройка" программы для получения координат локализованных объектов



Вкладка "Кадр" окна настроек позволяет указать размер обрабатываемого кадра в пикселях, выбрать темновой кадр и задать параметры обработки кадра.

Вкладка "Локализация" окна настроек позволяет задать параметры локализации звезд на кадрах:

- установить размер окна фильтрации в пикселях;

- задать коэффициент порогового значения яркости;

- задать минимальное и максимальное число элементов в локализованных звездах;

- задать минимальную яркость локализованных объектов;

- задать максимальное количество локализованных объектов на кадре.

3.1.6 Программа для создания бортового каталога прибора

Данная программа предназначена для создания бортового каталога прибора по информации, полученной в результате обработки кадров с помощью программы для получения координат локализованных объектов.

Вид главного окна программы представлен на рисунке 24.

Рисунок 24 - Главное окно программы для создания бортового каталога прибора

Главное меню программы содержит две вкладки: "Каталог" и "Просмотр". Вкладка "Каталог" включает в себя два подпункта: "Создать…" и "Открыть…"

Рисунок 25 - Вкладка "Каталог" главного окна программы для создания бортового каталога прибора

Пункт "Создать…" позволяет создать новый файл бортового каталога прибора, а пункт "Открыть…" - открыть уже существующий файл каталога.

При выборе пункта "Создать…" появляется окно "Исходные данные", аналогичное изображенному на рисунке 25, позволяющее задать параметры создаваемого каталога, такие как:

- размер кадров, снятых прибором, в пикселях;

- фокусное расстояние прибора в миллиметрах;

- размер элемента матрицы прибора (пикселя) в миллиметрах;

- задать порог минимальной яркости пикселя;

- задать минимальное число элементов в звезде.

Также на этой вкладке выбирается файл с исходными данными о локализованных объектах по кадрам.

Рисунок 26 - Окно "Исходные данные" программы для создания бортового каталога прибора

Вкладка "Просмотр" аналогична рисунку 26 и содержит три подпункта:

- "Звездная карта", при выборе которого открывается окно с отображением звездной карты бортового каталога, полученной в результате обработки файла локализованных объектов, аналогично рисунку 27;

- "Параметры ориентации", при выборе которого открывается окно с отображением параметров ориентации бортового каталога, полученных в результате обработки файла локализованных объектов аналогично рисунку 28;

- "Параметры распознавания" , при выборе которого открывается окно с отображением параметров распознавания бортового каталога, полученных в результате обработки файла локализованных объектов, аналогично рисунку 29.