А. С. Шишкин (оао «Газпром космические системы», Королев) Программное наведение оптической аппаратуры малого космического аппарата дистанционного зондирования на объект съемки 1 Представлено решение



Скачать 90.77 Kb.
Дата07.11.2012
Размер90.77 Kb.
ТипРеферат
УДК 623.465.32
Р.В. Федулов, А.С. Шишкин

(ОАО «Газпром космические системы», Королев)
Программное наведение оптической аппаратуры

малого космического аппарата

дистанционного зондирования на объект съемки1
Представлено решение задачи наведения оптической аппаратуры спутника дистанционного зондирования для различных видов съемки. Приведен метод расчета трассы съемки с учетом несферичности Земли. Предложен алгоритм вычисления кватерниона ориентации и угловой скорости аппарата для режима целевого функционирования с учетом требуемого направления и величины скорости бега изображения.
Введение
В работе рассматривается спутник дистанционного зондирования с аппаратурой оптико-электронного сканирования, работающей в режиме накопления информации. Для малого космического аппарата (МКА) должен быть предусмотрен ряд режимов ориентации, которые задаются требованиями, диктуемыми аппаратурой дистанционного зондирования. Учет всех требований определяет содержание задачи управления наведением и ориентацией.

Пересчет географических координат цели в декартовы. Будем считать, что Земля имеет форму эллипсоида вращения. Декартовы координаты (xц, yц, zц) объекта съемки выражаются через географическую широту φц, долготу λц и высоту над уровнем океана hц по известным формулам [3, 7]:




(1)

где

a = 6378,137 км – экваториальный радиус Земли;

b = 6356,751 км – полярный радиус Земли;



Для последующих расчетов будем использовать только декартовы координаты цели (xц, yц, zц), которые будем записывать в виде одного вектора , и декартовы координаты МКА.

Расчет трассы съемки. Если в режимах кадровой, площадной и стереоскопической съёмки целевой объект представляет собой отдельный кадр, полностью попадающий в поле зрения камеры, или совокупность кадров, между которыми осуществляется перенацеливание целевой аппаратуры, то в режиме маршрутной съёмки целевой объект может представлять собой сложный маршрут.
Исходные данные на маршрутную съёмку задаются в виде координат узловых точек и векторов, определяющих направление скорости бега изображения. Под бегом изображения понимается специально организуемое угловое движение МКА и оптической аппаратуры такое, что имеет место движение изображения снимаемой поверхности в фокальной плоскости аппаратуры в строго заданном направлении (по столбцам матрицы) и с з
аданной скоростью.
Рассмотрим алгоритм задания гладкой кривой, проходящей через узловые точки c известными координатами в WGS84 и заданными в этих точках касательными к этой кривой (рис. 1). Наиболее целесообразным представляется задание интерполирующей кривой в виде сплайна третьего порядка с заданными в узловых точках значениями его производной (сплайн Эрмита) [5].

Для системы точек в пространстве построение интерполирующих сплайнов третьей степени осуществляется следующим образом. Пусть – семейство точек в WGS84, – векторы касательных в заданных точках. Требуется построить гладкую кривую, проходящую через эти точки, касательные в которых совпадают с заданными. Искомые сплайны зададим в виде параметрических уравнений:




(2)

Положим: tk=0, tk+1=1 для каждого промежутка [tk;tk+1]. На концах промежутка [tk;tk+1] должны выполняться соотношения:





(3)

Решая полученные системы уравнений, найдём искомые коэффициенты:





(4)

При построении полученных сплайнов полагаем, что t принимает значения из интервала [0; 1] на каждом промежутке.

Расчет декартовых координат и скорости МКА будет осуществляться двумя способами:

  1. Быстрый – по усредненным кеплеровым элементам (TLE, Two-Line Element set). В этом случае координаты и скорость спутника определяются в ИСК;

  2. Точный – по измерениям GPS/ГЛОНАСС с фильтрацией. В этом случае координаты и скорость спутника определяются в WGS84.

Положение ОСК в WGS84. На рис. 2 схематично изображены используемые системы координат и связывающие их кватернионы.

Положение осей ОСК в WGS84 описывается следующим образом:





(5)

где

– радиус-вектор спутника в WGS84;

– скорость спутника в WGS84.

Зная положение осей ОСК в WGS84, можно найти кватернион, определяющий положение ОСК в WGS84 [1]:

,

(6)

где



– вектор конечного поворота.

Расчет кватерниона программной ориентации в ОСК. Кватернион будем искать как произведение двух кватернионов в параметрах Родрига-Гамильтона, записанных в прямом порядке [1, 4]:

,

(7)

где

– кватернион наведения, т.е. поворота продольной оси целевой аппаратуры от направления вдоль оси к направлению на объект съемки;

– кватернион разворота МКА в фокальной плоскости.

Разворот в фокальной плоскости необходим для расположения столбцов матрицы целевой аппаратуры по направлению скорости бега изображения .

Расчет кватерниона наведения. Кватернион наведения продольной оси целевой аппаратуры на объект съемки запишем в тригонометрическом виде:

,

(8)

где

θ – угол поворота оси целевой аппаратуры МКА от оси к направлению на объект съемки;

– единичный вектор, задающий ось поворота МКА на угол θ (на рис. 3 направлен на наблюдателя).




Единичный вектор найдется из очевидного из рис. 3 соотношения:

,


(9)

где

;

– радиус-вектор спутника, определяемый по данным систем GPS/ГЛОНАСС или по усредненным кеплеровым элементам (TLE, Two-Line Element set).

Угол θ найдется из скалярного произведения векторов и по формуле:

,


(10)

Соотношения (9) и (10) определяют величины, необходимые для вычисления кватерниона (8).

Система координат наведения. Определим систему координат наведения как трехмерный правый базис ось которого повернута относительно оси на угол θ. Оси системы координат наведения в ОСК можно получить, используя кватернион (8), с помощью соотношений [1, 4]:





(11)

Расчет кватерниона разворота в фокальной плоскости. Кватернион разворота МКА в фокальной плоскости для расположения столбцов матрицы целевой аппаратуры по направлению скорости бега изображения будем искать для того момента, когда ось целевой аппаратуры МКА уже направлена на объект съемки (рис. 4). Запишем его в тригонометрическом виде:

,

(12)

где

φ – угол поворота МКА в фокальной плоскости (вокруг оси оптической аппаратуры);

– единичный вектор, перпендикулярный фокальной плоскости.

Единичный вектор найдется по формуле:



(13)

где определяется из первого уравнения системы (11).

Для определения φ найдем сначала – проекцию на фокальную плоскость. Как видно из рис. 4, определится по формуле:



(14)

где χ – угол между и вектором в момент съемки, определяемый из скалярного произведения векторов и :




(15)





Угол φ найдется из скалярного произведения векторов и :




(16)

где определяется из второго уравнения системы (11).

Расчет угловой скорости системы координат наведения. Как было сказано выше, кватернион программного наведения найдется как произведение кватернионов (8) и (12). Полученный кватернион – переменный. Изменение кватерниона определяется кинематическим уравнением:



(17)

где

– угловая скорость системы координат наведения в осях связанной с аппаратом системы координат .

Отсюда можем выразить :



(18)

где

– кватернион программной ориентации (19).

К скорости добавится – дополнительная угловая скорость МКА, обусловленная требованием обеспечить заданную скорость бега изображения, что является следствием использования в оптической аппаратуре матрицы с временной задержкой накопления. Эту дополнительную скорость определим в следующем разделе.

Определение программной угловой скорости. Определим теперь – программную угловую скорость – необходимую угловую скорость МКА в связанной системе координат в момент съемки:



(19)

где

– угловая скорость системы координат наведения в осях связанной с аппаратом системы координат;

– дополнительная угловая скорость МКА, обусловленная требованием обеспечить заданную скорость бега изображения. Она вычисляется по формуле:

,


(20)

все величины которой определены выше.


Заключение
В работе представлена кинематическая схема решения задачи наведения оптической аппаратуры спутника дистанционного зондирования для различных видов съемки. Приведен метод расчета трассы съемки на поверхности учетом несферичности Земли. Предложен алгоритм вычисления кватерниона ориентации и угловой скорости аппарата для режима целевого функционирования с учетом требуемого направления и величины скорости бега изображения. Данный материал позволяет сформировать алгоритм управления угловой стабилизацией КА при выполнении съемки.
Литература


  1. Бранец В.Н. Лекции по теории бесплатформенных навигационных систем управления. – М: МФТИ, 2009.

  2. Бранец В.Н., Шмыглевский И.П. Применение кватернионов в задачах ориентации твердого тела. – М: Наука, 1973.

  3. Севастьянов Н.Н., Бранец В.Н., Федулов Р.В. Лекции по теории систем управления движением, ориентации и навигации космических аппаратов. – Томск: ТГУ, 2012.

  4. Амелькин Н.И. Кинематика и динамика твердого тела. – М: МФТИ, 2000.

  5. Алберг Дж., Нильсон Э., Уолш Дж. Теория сплайнов и ее приложения. – М: Мир, 1972.

  6. Kelso T.S. Orbital Coordinate systems, Part II // Satellite Times, November/December 1995.

  7. Kelso T.S. Orbital Coordinate systems, Part III // Satellite Times, January/February 1996.


Текст доклада согласован с научным руководителем.
Зам. генерального конструктора по науке В.Н. Бранец

д.ф.-м.н., профессор

1 Работа выполнена под научным руководством д.ф.-м.н., профессора В.Н. Бранца.


Похожие:

А. С. Шишкин (оао «Газпром космические системы», Королев) Программное наведение оптической аппаратуры малого космического аппарата дистанционного зондирования на объект съемки 1 Представлено решение iconОптимизация схем выведения космического аппарата на высокие рабочие орбиты
Работа выполнена на кафедре «Космические системы и ракетостроение» Московского авиационного института
А. С. Шишкин (оао «Газпром космические системы», Королев) Программное наведение оптической аппаратуры малого космического аппарата дистанционного зондирования на объект съемки 1 Представлено решение iconДанные дистанционного зондирования со спутника Ресурс-дк
«Союз-У» с космодрома Байконур. Спутник входит в состав оперативного космического комплекса детального оптико-электронного наблюдения...
А. С. Шишкин (оао «Газпром космические системы», Королев) Программное наведение оптической аппаратуры малого космического аппарата дистанционного зондирования на объект съемки 1 Представлено решение iconУправление ориентацией и стабилизация малого космического аппарата с учетом упругих свойств объекта
Розглядається задача управління орієнтацією та стабілізація малого космічного апарату з приєднаними пружними елементами. Проаналізовані...
А. С. Шишкин (оао «Газпром космические системы», Королев) Программное наведение оптической аппаратуры малого космического аппарата дистанционного зондирования на объект съемки 1 Представлено решение iconEarsc: представитель дистанционного зондирования в Европе «Наблюдение за Землей очень важно для общества»
В этой статье Пол Камун, председатель earsc, рассказывает о целях и деятельности организации, а также отвечает на вопрос, почему...
А. С. Шишкин (оао «Газпром космические системы», Королев) Программное наведение оптической аппаратуры малого космического аппарата дистанционного зондирования на объект съемки 1 Представлено решение iconРуководство пользователя электронной торговой площадкой ОАО «Газпром нефть»
«Электронная торговая площадка» предназначена для проведения торгов по продаже нефтепродуктов ОАО «Газпром нефть»
А. С. Шишкин (оао «Газпром космические системы», Королев) Программное наведение оптической аппаратуры малого космического аппарата дистанционного зондирования на объект съемки 1 Представлено решение iconФархутдинов Н. М
Автоматизация сбора геопространственных данных мировых каталогов для Региональной системы Дистанционного зондирования Земли икит...
А. С. Шишкин (оао «Газпром космические системы», Королев) Программное наведение оптической аппаратуры малого космического аппарата дистанционного зондирования на объект съемки 1 Представлено решение iconСистемы, оборудование и компоненты
Бортовая аппаратура (и ее компоненты) ла, разработанная для дистанционного зондирования
А. С. Шишкин (оао «Газпром космические системы», Королев) Программное наведение оптической аппаратуры малого космического аппарата дистанционного зондирования на объект съемки 1 Представлено решение icon«Что за прелесть эти книги!»
«Образовательный центр» ОАО «Газпром», Куракова Татьяна Евгеньевна, воспитатель группы продленного дня ноу сош «Образовательный центр»...
А. С. Шишкин (оао «Газпром космические системы», Королев) Программное наведение оптической аппаратуры малого космического аппарата дистанционного зондирования на объект съемки 1 Представлено решение iconОтчета ОАО «Газпром нефть»
Утверждение годовой бухгалтерской отчетности ОАО «Газпром нефть» за 2010 год, в том числе Отчета о прибылях и об убытках
А. С. Шишкин (оао «Газпром космические системы», Королев) Программное наведение оптической аппаратуры малого космического аппарата дистанционного зондирования на объект съемки 1 Представлено решение iconОтчета ОАО «Газпром нефть»
Утверждение годовой бухгалтерской отчетности ОАО «Газпром нефть» за 2011 год, в том числе Отчета о прибылях и об убытках
Разместите кнопку на своём сайте:
ru.convdocs.org


База данных защищена авторским правом ©ru.convdocs.org 2016
обратиться к администрации
ru.convdocs.org