RESULTS OF 347K STATIC SUN SENSOR LABORATORY TESTING
- 作者: Pirogov M.G.1, Varlamov V.I.1, Tsymbal G.L.1, Strizhova N.M.1, Demeshko S.A.1, Galchinskiy D.N.1, Safronov K.P.1, Polkunov B.A.1, Gebgart A.Y.1
-
隶属关系:
- JSC “NPP “Geofizika-Kosmos”
- 期: 卷 14, 编号 6 (2013)
- 页面: 117-121
- 栏目: Articles
- URL: https://journals.eco-vector.com/2712-8970/article/view/503721
- ID: 503721
如何引用文章
全文:
详细
全文:
Статический прибор ориентации по Солнцу 347К разрабатывается по техническому заданию (ТЗ) ОАО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева» для использования в составе системы ориентации и стабилизации космических аппаратов (КА) на орбитах высотой от 500 км до 40 000 км. Прибор предназначен для измерения двух угловых координат направления на центр Солнца в приборной системе координат, связанной с посадочной плоскостью прибора [1]. Общий вид прибора представлен на рис. 1. Конструктивно прибор состоит из объектива, фо-топриемного устройства, устройства логического, блока питания, канала функционального контроля. Особенностью конструкции прибора 347К является новая особо широкоугольная оптическая система, обеспечивающая измерение углового положения Солнца в поле зрения, большем полусферы. 117 Вестник СибГАУ Оптическая схема представлена на рис. 2 и содержит объектив поз. 1, 2, 3, 4, узкополосный светофильтр поз. 5..7, фотоприемное устройство поз. 11 и канал функционирования поз. 8... 10 в виде светодиода поз. 9 и зеркально-призменной системы поз. 8, 10 с двумя прозрачными отверстиями. Рис. 2. Оптическая схема прибора 347К Следует отметить, что в данной схеме для реализации углового поля 2ω = 180° была разработана четырехлинзовая система [2], которая обеспечивает: - практическое постоянство диаметра кружка рассеяния для источника углового размера 2ω = 32' в пределах углового поля 2ω = 182° (00,12 мм ± 0,03 мм), что дает возможность минимизировать случайную погрешность определения энергетического центра изображения; - телецентрический ход лучей в пространстве изображений, вследствие чего минимизируется влияние дефокусировок, вызванных, например, термодеформациями, на положение энергетических центров изображений; - незначительное изменение освещенности по полю (не более 15 %). Оптическая схема допускает наличие в поле зрения прибора элементов конструкции КА с любым, в том числе зеркальным, отражением. Такие элементы конструкции КА должны быть описаны в «карте теней», которая хранится в перепрограммируемом ПЗУ прибора (производства компании «3D-plus») для дальнейшего программного запрета на обработку информации от упомянутых элементов. Наличие освещенной Солнцем Земли в поле зрения этого прибора не влияет на его работоспособность и характеристики. Принцип действия прибора заключается в проецировании изображения Солнца через специальную оптическую систему на многоэлементный фотоприемник - датчик с активными пикселями (производства компании «Cypress» [3]). После считывания электрических сигналов с указанного приемника и обработки его информации, в приборе определяются углы отклонения направления на центр Солнца в приборной системе координат. Информация об угловом положении Солнца в приборной системе координат, связанной с посадочной плоскостью изделия, формируется в виде направляющих косинусов в пределах рабочего поля зрения, имеющего значение от 0° до (91+2)° по зенитному углу и от 0° до 360° по азимутальному углу. Работа прибора характеризуется пятью режимами: инициализация, самотестирование, поиск, захват, слежение. При инициализации выполняется загрузка программ, установка параметров работы микроконтроллера, конфигурирование ПЛИС, загрузка паспортных параметров. В режиме поиска производится поиск источников излучения в поле зрения изделия. Если объектов больше 0, прибор переходит в режим захвата. В случае неудачного обнаружения изменяется порог и поиск производится снова. В режиме захвата выполняется отбор найденных объектов по критериям размера изображения и амплитуды. Если таких объектов нет или их более одного, корректируется время накопления с переходом в режим поиска. После выбора Солнца среди объектов устанавливается окно слежения. Затем устанавливается время накопления для обеспечения работы матрицы в линейном диапазоне сигналов. В режиме слежения выполняется цикл обработки «получение окна слежения; вычисление координат в приборной системе координат; коррекция времени накопления». Размер окна слежения -32^32 пикселя. В случае потери объекта происходит возврат в режим поиска. Самотестирование прибора выполняется после инициализации прибора или при неудачном обнаружении объектов в режиме поиска, а также по команде бортового цифрового вычислительного комплекса (БЦВК). В этом режиме контролируется исправность модуля обмена с БЦВК, проверяются ПЗУ и ОЗУ устройства логического. Включается встроенный имитатор. Окно слежения устанавливается в точку наблюдения имитатора. Вычисляются параметры изображения имитатора. Опрашиваются датчики температуры. По результатам опроса датчиков устанавливается минимальное и максимальное время накопления. Далее приведены основные характеристики прибора. Основные оптические характеристики Фокусное расстояние объектива Г 5,66 мм Угловое поле 2W 182° Спектральный диапазон 0,85-0,87 мкм Диаметр входного зрачка 1,19 мм Размер пятна рассеяния в пределах углового поля, мм 0,12±0,03 Изменение освещенности от центра к краю углового поля 15% 118 № 6(52). 2013 Информационный интерфейс прибора - по ГОСТ Р 52070-2003 (MIL 1553). Период обновления выходной информации: - 1 сек в режиме поиска, при отсутствии Солнца в поле зрения; - 0,2 сек в режиме слежения, при наличии Солнца в поле зрения. В режиме начальной солнечной ориентации, при угловых скоростях вращения КА до 0,6°/с по всем трем осям, расчетная суммарная погрешность измерения координат не превышает 4 угл. мин., в режиме закрутки, при угловых скоростях вращения КА до 4°/с по всем трем осям, - 6 угл. мин. Ожидаемая погрешность измерения угловых координат с учетом параметров геометрической калибровки в режиме угловой стабилизации КА - не более 1 угл. мин. (3σ) в пределах рабочего поля зрения. Прибор должен функционировать с сохранением всех характеристик при температуре от -30 до 40 °С, а также после воздействия на него (в выключенном состоянии) температуры на посадочном месте в диапазоне от -40 до 50 °С. Диапазон рабочего напряжения электропитания -от 25 до 28 В при потреблении не более 4 Вт. Все конструкционные материалы и элементная база прибора - отечественные, за исключением двух вышеупомянутых элементов. Конструктивные меры, принятые в приборе, обеспечивают его радиационную стойкость к дозовым эффектам и воздействию тяжелых заряженных частиц, соответствующую пригодности прибора для эксплуатации в составе КА на любых околоземных орбитах в диапазоне высот от 500 до 40 000 км в течение 15 лет. Целью лабораторно-отработочных испытаний являлось подтверждение правильности принятых при разработке прибора 347К конструктивных, схемотехнических решений для реализации требований технического задания и конструкторской документации. Испытания проводились в соответствии с программой ЛОИ в три этапа. На первом этапе проверялось функционирование сборочных единиц, отрабатывались методики настройки и проверки плат электронного блока прибора. Второй этап ЛОИ предусматривал проведение следующих работ с прибором: - отработка программного обеспечения изделия; - проверка работоспособности изделия при изменении напряжения питания; - измерение реального токопотребления изделия, а также величин пускового тока и помех, создаваемых изделием по цепи питания; - отработка взаимодействия изделия с бортовым цифровым вычислительным комплексом (БЦВК), проверка правильности функционирования изделия в соответствии с «Протоколом информационного обмена между изделием 347К и БЦВК КА»; - отработка взаимодействия изделия с системой контроля автоматизированного оптического стенда в части измерения и выдачи информации о координатах источника излучения. Экспериментальные работы по исследованию энергетических и точностных характеристик прибора 347 К в рабочем диапазоне температур и освещённостей проводились на третьем этапе ЛОИ. Проверки выполнялись на автоматизированном точностном оптическом стенде. Целью проводимых экспериментальных работ являлось: - определение размеров, формы и энергетических параметров изображения имитатора Солнца на фотоприемной матрице в пределах поля зрения; - определения рабочих параметров фотоприемной матрицы (времени накопления и коэффициента усиления) для приёма сигналов от имитатора Солнца во всём рабочем диапазоне освещённостей; - исследование погрешностей измерения координат в рабочем диапазоне температур от -30 до 40°С. Приведем наиболее значимые результаты исследований прибора 347 К, полученные на третьем этапе ЛОИ. Исследования распределения сигналов в изображении имитатора Солнца проводились с целью определение геометрических и энергетических параметров изображения Солнца в плоскости фотоприемной матрицы. На основании полученных данных были определены оптимальные режимы работы матрицы, а также необходимость доработки оптической системы и программного обеспечения изделия 347 К. На рис. 3 приведены распределения сигналов в изображении имитатора Солнца с уровнем освещенности Е = 60000 лк для центра поля зрения. Для заданного уровня освещенности оптимальный режим работы матрицы достигался при коэффициенте усиления Кус = 2 и времени накопления = 4 строки. Для освещенностей Е = 120 000 лк и 180 000 лк оптимальный режим работы матрицы достигался соответственно при времени накопления = 2,5 строки и = 1,5 строки. Рис. 3. Распределение сигналов в изображении имитатора Солнца с уровнем освещенности Е = 60 000 лк для следующих параметров фотоприемной матрицы: 2 - = 2 строки, Кус = 2 - недостаточное (слабое) усиление; 4 - 4ак = 4 строки, Кус = 2 - оптимальный (линейный) режим, 8 - = 8 строк, Кус = 2 - насыщение; 10 - = 10 строк, Кус = 2 - сильное насыщение 119 Вестник СибГАУ Следует отметить, что время накопления матрицы может задаваться целым числом строк, что для малых значений этого параметра приводит к «грубому» управлению формой и распределением сигналов в пятне изображения: так для освещенности 120 000 лк вместо /нак = 2,5 можно установить /нак = 2 или /нак = 3 строки, что вызовет или недостаточное усиление или насыщение сигнала в пятне изображения. При условии уменьшения коэффициента пропускания оптической системы в 5 раз оптимальному режиму работы матрицы Кус = 2 будет соответствовать диапазон времени экспозиции 6-20 строк, что позволит более точно управлять формой и распределением сигналов в пятне изображения, автоматически подстраиваясь под возможные изменения факторов эксплуатации. По результатам выполненных исследований было предложено провести доработку оптической схемы с целью уменьшения коэффициента пропускания. Для отработки параметров селекции изображения были проведены исследования изменения сигналов в изображении имитатора Солнца в пределах всего поля зрения прибора. На рис. 4 приведены результаты измерения максимальных сигналов в изображении имитатора Солнца с уровнем освещенности Е = 137000 лк для углов поля зрения α от -90° до 90° и для следующих параметров работы матрицы: коэффициент усиления Кус = 2, время накопления /нак = 2 строки. ний, приведенные на рис. 5, отражают зависимость изменения суммарной амплитуды сигналов от температуры окружающей среды. Рис. 4. Изменение сигналов в изображении имитатора Солнца по полю зрения прибора 347К Из результатов измерений видно, что изменение освещенности не превосходит 20 % в угловом поле - 80...+85°, что хорошо согласуется с расчетными оценками 15 %. Программа экспериментальных исследований предусматривала проведение исследований распределения сигналов в изображении имитатора Солнца при воздействии повышенной (+40 °С) и пониженной (-30°С) температуры окружающей среды. В программном обеспечении прибора 347 К одним из параметров селекции изображений является сумма значений амплитуд в окне слежения. Результаты измере- Рис. 5. Изменение суммарной амплитуды в изображении имитатора Солнца при проведении температурных испытаний В связи с этим в программное обеспечение прибора была введена коррекция времени накопления фотоприемной матрицы по результатам опроса температурных датчиков, входящих в состав прибора. Основной задачей третьего этапа ЛОИ прибора 347 К было проведение испытаний по определению влияния температурных воздействий на погрешности измерений угловых координат имитатора Солнца в приборной системе координат. По результатам испытаний было установлено, что шумовая погрешность измерения координат не превышает 27'' (по уровню 3σ) в температурном диапазоне -30...+40 оС, значения дополнительных температурных погрешностей не превышают ~2,5' для температуры +40°С и ~3,8' для температуры -30 оС. В соответствии с расчетами применение титанового сплава в оправах объектива позволит примерно в 5 раз уменьшить температурную составляющую погрешности измерения. Остаточная температурная погрешность компенсируется введением алгоритмической коррекции координат, учитывающей информацию термодатчика, установленного на фотоприемнике. Результаты лабораторно-отработочных испытаний статического прибора ориентации по Солнцу 347К подтвердили правильность принятых конструктивных и схемных решений, обеспечивающих его работоспособность в соответствии с требованиями технического задания.作者简介
M. Pirogov
JSC “NPP “Geofizika-Kosmos”11 Irkutskaya str., bldg. 1, Moscow, 107497, Russia
V. Varlamov
JSC “NPP “Geofizika-Kosmos”11 Irkutskaya str., bldg. 1, Moscow, 107497, Russia
G. Tsymbal
JSC “NPP “Geofizika-Kosmos”11 Irkutskaya str., bldg. 1, Moscow, 107497, Russia
N. Strizhova
JSC “NPP “Geofizika-Kosmos”11 Irkutskaya str., bldg. 1, Moscow, 107497, Russia
S. Demeshko
JSC “NPP “Geofizika-Kosmos”11 Irkutskaya str., bldg. 1, Moscow, 107497, Russia
D. Galchinskiy
JSC “NPP “Geofizika-Kosmos”
Email: galchinsky@gmail.com
11 Irkutskaya str., bldg. 1, Moscow, 107497, Russia
K. Safronov
JSC “NPP “Geofizika-Kosmos”11 Irkutskaya str., bldg. 1, Moscow, 107497, Russia
B. Polkunov
JSC “NPP “Geofizika-Kosmos”11 Irkutskaya str., bldg. 1, Moscow, 107497, Russia
A. Gebgart
JSC “NPP “Geofizika-Kosmos”11 Irkutskaya str., bldg. 1, Moscow, 107497, Russia
参考
- Результаты лабораторно-отработочных испытаний статического прибора ориентации по Солнцу 347 К / М. Г. Пирогов, В. И. Варламов, Г. Л. Цымбал и др. // Навигационные спутниковые системы, их роль и назначение в жизни современного человека : тез. докл. 2 Междунар. науч.-техн. конф. ОАО «ИСС». Железногорск, 2012
- Гебгарт А. Я. Особенности проектирования некоторых типов особоширокоугольных объективов // Оптический журнал. 2010. Т. 77, № 9. С. 17-21.
- Stefan Cos, Dirk Uwaerts, Jan Bogaerts, Werner Ogiers. Active pixels for star trackers: final report. Cypress. Doc. №: APS-FF-SC-05-023. Date: 24-03-2006.