Система контроля скорости космических аппаратов при сближении

Изобретение относится к области оптических средств измерения параметров относительного сближения космических аппаратов (КА), а именно к оптико-электронным системам контроля скорости. Система контроля скорости космических аппаратов при сближении включает расположенные на активном космическом аппарате телекамеру с приемником на основе КМОП-датчика, узкополосный светофильтр, блок управления и обработки сигнала. На пассивном космическом аппарате в плоскости стыковочного узла, перпендикулярной оси «OX» этого аппарата, расположены четыре оптических маяка. Оптические маяки образуют прямоугольник, две стороны которого параллельны строкам чувствительных элементов КМОП-датчика. Телекамера служит для получения изображения пассивного КА, узкополосный светофильтр подавляет засветки от подстилающей поверхности и бликов конструкции пассивного КА, блок управления и обработки сигнала осуществляет вычисление скорости пассивного КА и переключение режимов работы телекамеры. Достигаемый технический результат - повышение надежности системы взаимных измерений параметров сближения КА и, как следствие, увеличение безопасности, за счет введения дополнительной системы контроля скорости сближения КА, не использующей активную подсветку в радио- и оптическом диапазоне и устойчивую к наличию световых помех. 3 ил.

 

Изобретение относится к области оптических средств измерения параметров относительного сближения космических аппаратов (КА), а именно к оптико-электронным системам контроля скорости.

Повышение безопасности операции причаливания требует ограничения максимальной скорости сближения в безопасных пределах, превышение которых должно быть обнаружено с достаточной надежностью.

В настоящее время, в случае отказа системы взаимных измерений при ручном управлении сближением на дальностях менее 60 м контроль скорости осуществляется визуально экипажем через оптический визир, а в режиме телеоператорного радиоуправления по телевизионному изображению. Таким образом, возрастает нагрузка на оператора, который обеспечивает поддержание необходимой скорости сближения. Становится актуальным поиск методов и средств для облегчения работы экипажа, повышения достоверности и надежности измерений скорости сближения КА.

Для этого является целесообразным использование дополнительных датчиков, сигнализирующих о превышении допустимых ограничений скорости в случае отказа основной системы взаимных измерений (радиотехнической или лазерно-оптической).

В качестве дополнительных датчиков можно использовать второй, резервированный комплект измерительной аппаратуры, как это реализовано в КА ATV Европейского космического агентства, на котором используется по два комплекта из двух лазерно-оптических приборов [1].

Однако такой подход увеличивает массу, габариты и энергопотребление аппаратуры.

Аналогом является телевизионная система определения скоростных характеристик отдельных транспортных средств, движущихся в общем потоке [2]. Скорость движения объектов определяется на основе специальных алгоритмов обработки информации, содержит данные об изменении положения в пространстве объектов, находящихся в поле зрения телекамер.

Еще одним аналогом является система измерения параметров торможения лифтов и подъемников на основе потока фотоизображений [3]. На нижней части лифта или подъемника размещается оптический маяк - контрастная геометрическая фигура, и источник подсветки, а в шахте лифта установлена быстродействующая фотокамера.

Аналогами также являются устройства, использующее для измерения параметров движущегося объекта эффект динамических искажений, возникающий в КМОП-датчиках за время одного кадра [4, 5]. Эффект обусловлен особенностями работы электронного затвора приемников излучения на базе КМОП-технологии. Накопление строк в таком датчике происходит не синхронно, а со смещением во времени (бегущий затвор).

Суть эффекта состоит в том, что движущиеся объекты на изображении получаются искаженными: вертикальные линии становятся наклонными. Особенно это проявляется при использовании длительных выдержек. Вид геометрических искажений зависит от взаимной ориентации в пространстве направления движения наблюдаемого объекта и направлений горизонтальной и вертикальной развертки КМОП-датчика, а их величина - от скорости движения объекта, а также от формата и тактовой частоты камеры.

За прототип принято устройство, предназначенное для повышения точности формирования изображения движущихся объектов в системах охранной сигнализации и контроля технологических процессов на основе КМОП-датчика [6].

Устройство включает в себя телекамеру, контроллер, первый и второй блоки памяти изображения, многоканальный корреляционный анализатор, вычислительный процессор и блок хранения фонового кадра.

Телекамера выполнена на основе КМОП-датчика с бегущим электронным затвором с возможностью синхронного формирования кадров с противоположно направленными развертками опорного и базового изображений. Вычислительный процессор выполнен с возможностью сортировки пикселей изображений фона и движущихся объектов под управлением корреляционного анализатора, а также преобразования координат пикселей движущихся объектов.

Принцип действия устройства заключается в формировании и анализе опорного и корректирующего изображений с последующим расчетом координат элементов изображения, в котором отсутствуют геометрические искажения движущихся объектов, в чем и заключается достигнутый технический результат.

Недостатки аналогов и прототипа заключаются в том, что они требуют достаточной освещенности объекта измерений, предназначены для измерений скорости объектов, движущихся под углом к датчику, что затрудняет их использование для приближающегося на встречном курсе объекта, требуют значительной площади оптического маяка, которая ограничена площадями размещения на КА, либо вообще не позволяют измерять скорость.

Задачей изобретения является увеличение надежности и, как следствие, повышение безопасности операции сближения и стыковки КА в том числе в различных светотехнических условиях, с одновременным уменьшением массогабаритных характеристик, за счет использования оптико-электронной системы.

Задача решается тем, что в систему контроля скорости космических аппаратов при сближении, которая включает телекамеру с приемником на основе КМОП-датчика, введены узкополосный светофильтр, блок управления и обработки сигнала, расположенные на активном космическом аппарате, а также четыре оптических маяка на пассивном космическом аппарате, при этом оптические маяки расположены в плоскости стыковочного узла, перпендикулярной оси «OX» пассивного космического аппарата, образуя прямоугольник, две стороны которого параллельны строкам чувствительных элементов КМОП-датчика.

На Фиг.1 изображена конструкция предложенного изобретения, где:

1 - телекамера;

2 - узкополосный светофильтр;

3 - блок управления и обработки сигнала;

4 - оптические маяки.

Система содержит телекамеру 1, служащую для получения изображения пассивного КА, узкополосный, например, интерференционный светофильтр 2 для подавления засветок от подстилающей поверхности и бликов конструкции пассивного КА, блок управления и обработки сигнала 3 для вычисления скорости пассивного КА и переключения режимов работы телекамеры 1, оптические маяки 4 на пассивном КА, предназначенные для определения местоположения последнего.

Телекамера 1 работает в видимом или ближнем ИК спектральном диапазоне, полоса пропускания узкополосного светофильтра 2 совпадает со спектральным диапазоном излучения оптических маяков 4.

Оптические маяки 4 расположены на пассивном КА, так как показано на Фиг.2. Оптические маяки 4 располагаются таким образом, чтобы образовывать прямоугольник в поле зрения телекамеры 1, при этом две стороны этого прямоугольника параллельны строкам чувствительных элементов КМОП-датчика телекамеры 1, что является условием проявления эффекта смаза изображения маяков.

При чрезмерном возрастании скорости сближения V за время последовательного накопления сигнала в КМОП-датчике изображение нижней пары маяков оказывается смазанным относительно верхней пары (нижняя пара маяков получается растянутой по сравнению с верхней парой маяков на расстояние Δ, и прямоугольник на изображении, формируемом КМОП-датчиком, превращается в трапецию). Изменение геометрии расположения оптических маяков представлено на Фиг.3

В результате, отношение оснований трапеции определяет величину и направление скорости сближения КА. При сближении с пассивным КА нижнее основание трапеции будет больше верхнего. Отношение длины нижнего основания трапеции к верхнему будет увеличиваться с возрастанием скорости сближения КА. При зависании вместо трапеции на изображении будет прямоугольник. При движении КА в разные стороны (например, при расстыковке) верхнее основание трапеции будет больше нижнего, пропорционально величине скорости. Точность определения скорости определяется разрешением КМОП-датчика.

В качестве оптических маяков 4 могут использоваться полупроводниковые светоизлучающие диоды или полупроводниковые инжекционные лазеры (лазерные диоды). Последний вариант более предпочтителен в условиях сильных световых помех, так как ширина спектра излучения лазера значительно уже, что облегчает использование спектральной селекции. Для повышения надежности в составе каждого маяка может быть комплект из нескольких светоизлучающих диодов или лазеров.

Достигаемый технический результат - повышение надежности системы взаимных измерений параметров сближения КА и, как следствие, увеличение безопасности, за счет введения дополнительной системы контроля скорости сближения КА, не использующей активную подсветку в радио- и оптическом диапазоне и устойчивую к наличию световых помех.

Предложенная система позволяет определять превышение скорости при сближении кооперируемых КА по смазу изображения оптических маяков пассивного КА, возникающему в КМОП-датчике телекамеры активного КА. Так как маяки сами являются источником излучения, то для работы системы не требуется внешняя засветка. Благодаря использованию узкополосного светофильтра обеспечивается устойчивость системы к наличию сильных засветок.

Литература

1. The GNG measurement system for the automated transfer vehicle - http://www.issfd.org/ISSFD_2004/papers/P1010.pdf - 14.01/2012.

2. Макарецкий Е., Овчинников А., Нгуен Л.Х. Телевизионные измерительные системы контроля скоростного режима дорожного движения // Компоненты и технологии. 2007, №4. С.34-37.

3. Осипов С.П., Попов М.Ю., Федяев Р.В., Косач А.А. Способ определения параметров торможения лифтов и подъемников на основе анализа потока фотоизображений - http://agps-2006.narod.ru/ttb/2011-4/12-04-11.ttb.pdf - 30.09.12.

4. Пилипко Н.Е., Рычажников А.Е. Особенности работы КМОП фотоприемника в режиме бегущего электронного затвора // Известия Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета ЛЭТИ. 2008, №1. С.40-54.

5. Рычажников А.Е. Методы измерения скоростей движущихся объектов с помощью цифровых видеосистем на основе КМОП технологии // Оптико-электронные приборы и устройства в системах распознавания образов, обработки изображений и символьной информации: Сб. мат. VIII Межд. конф. 4.2. Курск, 2008. С.86-87.

6. Формирователь изображения. Патент РФ №2389153 / ООО «НПК «ЕС-Эксперте» / Багров В.В., Рычажников А.Е. Заявка №2008143871/09 от 05.11.2008.

Система контроля скорости космических аппаратов при сближении, включающая телекамеру с приемником на основе КМОП-датчика, отличающаяся тем, что в нее введены узкополосный светофильтр, блок управления и обработки сигнала, расположенные на активном космическом аппарате, а также четыре оптических маяка на пассивном космическом аппарате, при этом оптические маяки расположены в плоскости стыковочного узла, перпендикулярной оси «ОХ» пассивного космического аппарата, образуя прямоугольник, две стороны которого параллельны строкам чувствительных элементов КМОП-датчика.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к способам наблюдения за космическими объектами (КО) с помощью оптико-электронных средств и м.б. использовано для определения орбиты пассивного КО (ПКО) на геостационарной орбите автономно с борта активного КО (АКО).

Изобретение относится к способу обнаружения космических обломков. Технический результат - обнаружение космических обломков на геоцентрической орбите.

Изобретение относится к способам определения орбит космических объектов (КО), например космического мусора, бортовыми средствами космического аппарата (КА). Способ заключается в вычислении фокального параметра, истинной аномалии, эксцентриситета и наклонения орбиты интересующего КО по аналитическим формулам, основанным на законах кеплеровского движения.

Изобретение относится к радиолокации пассивных космических объектов (КО), например крупных метеоритов и астероидов (размерами более десяти метров), которые могут представлять опасность при столкновении с Землей.

Группа изобретений относится к методам и средствам траекторных измерений космических аппаратов (КА) с использованием линий радиосвязи. В способе используются три территориально разнесенные наземные измерительные станции (ИС) и приемоответчик КА.

Группа изобретений относится к методам и средствам траекторных измерений космических аппаратов (КА) с использованием линий радиосвязи. В способе используют три территориально разнесенные измерительные станции (ИС).

Изобретение относится к космической области и может быть использовано для управления полетами космических аппаратов (КА). Интегрируют информационно-вычислительный комплекс центра управления ретрансляцией и связью коммуникационными средствами в структурно выделенный сегмент, организовывают канал связи с комплексом внешних информационных обменов, на едином структурно выделенном сегменте планируют, инициируют и реализуют одновременное выполнение программных процедур, осуществляющих прием и обработку заявок потребителей на предоставление услуг ретрансляции и связи по всем видам информации, осуществляют обмен по локальной вычислительной сети всеми видами полетной информации по управляемым космическим аппаратам, внешними абонентами через комплекс внешних информационных обменов, прогнозируют движения космических аппаратов относительно спутников-ретрасляторов, производят выбор маршрутов ретрансляции информации, осуществляют доведение до потребителей сообщений о предоставлении услуг ретрансляции и связи, формируют программы управления полетами космических аппаратов, реализуют выдачу программ управления на космические аппараты.

Изобретение относится к системам наблюдения за полетом космического аппарата (КА) и может использоваться для определения параметров орбиты наблюдаемого КА. Для этого на орбиту выводят КА, в составе бортовой аппаратуры которого размещают навигационную аппаратуру потребителя глобальной навигационной спутниковой системы и аппаратуру измерения частоты сигнала, передаваемого наблюдаемым КА.

Изобретение относится к системам наблюдения за полетом космических аппаратов (КА) и может использоваться для определения параметров орбиты. Проводят измерения навигационных параметров орбиты КА с помощью наземных измерительных станций.

Изобретение относится к области космонавтики. Система обеспечения безопасности космических аппаратов (КА) состоит из модуля сбора геофизической информации (1) и блока базы данных параметров движения КА (2), которые своими выходами соединены с модулем обработки и анализа (МОА) (4), на вход которого подаются данные из базы данных характеристик бортовой аппаратуры КА (3), который сопоставляет данные о среде и траектории КА.

Изобретение относится к космической технике и может быть использовано при разделении стыковочных агрегатов космических аппаратов. Устройство расстыковки содержит стыковочные шпангоуты с системами замков, стыковочными механизмами, направляющими узлами со штырем с заходным конусом и гнездом с заходной фаской, буртиком, крышкой, плунжером с расточкой, пружиной сжатия и фаской, гайки, пружину кручения, пружинные толкатели, штыри с заходными конусами, гнезда с заходными фасками, механические датчики контроля расстыковки с подпружиненными штоками, механизм преобразования перемещения штыря направляющего узла в виде кривошипно-ползунного механизма из кривошипа, шатуна, ползуна и стойки.

Изобретение относится к космической технике и может быть использовано при разделении стыковочных агрегатов космических аппаратов. Устройство расстыковки содержит стыковочные шпангоуты с системами замков и стыковочными механизмами, пружинные толкатели, штыри с заходными конусами, гнезда с заходными фасками, механические датчики контроля расстыковки с подпружиненными штоками, механизм преобразования перемещения штыря в виде гильзы с буртиком и механизмом взаимодействия штыря и датчика в виде внешнего стакана с продольными пазами и внутренним стаканом с ограничителями перемещения в виде цилиндрических элементов, пружиной сжатия, расточкой.

Изобретение относится к области ракетно-космической техники и может быть использовано при транспортировке автономной научной аппаратуры, в частности пикоспутников формата CubeSat.

Изобретение относится к космической технике и может быть использовано для разделения магистрали разделяемых отсеков. Разъемная магистраль разделяемых отсеков содержит корпус с внутренней отбортовкой и приводным механизмом в виде пиропривода из пиропатронов и их полостей, гайку для ограничения перемещения корпуса, переходник с фланцем, отделяемую часть магистрали с сильфоном.

Изобретение относится к ракетно-космической технике и может быть использовано для соединения и разделения элементов конструкции. Устройство для фиксации и разделения частей конструкции содержит замок на основе болтового соединения, штырь, разрезную гайку, гайку механизма разделения для стягивания стыка двух частей, сепаратор, пружину сжатия, удерживающий шарик, сухарь, изоляторы, токопроводящие нити, пружину кручения.

Изобретение относится к космонавтике и может быть использовано для соединения и отделения малого космического аппарата (МКА) со средством выведения на орбиту. Устройство для соединения малого космического аппарата (МКА) со средством выведения его на орбиту функционирования и последующего отделения содержит основание, удерживающее устройство с переходным элементом, пружинный толкатель с наполненным газом герметичным сильфоном, программно-временное устройство с датчиками, микровыключатель.

Изобретение относится к защитным средствам при транспортировке и стыковке/отделении изделий ракетно-космической техники и их частей, в частности применительно к аппаратуре (пикоспутнику - ПС) типа CubeSat.

Изобретение относится к машиностроительной технике, в частности к разъемным соединениям, разделяемым в процессе эксплуатации. Пирозамок содержит основание, стяжной болт, сухари со штифтами, поршень, цилиндр, крышку и пиропатрон.

Изобретение относится к летательным аппаратам (ЛА) и может быть использовано для отделения отсека. Система отделения ЛА содержит устройство крепления с возможностью расфиксации, устройство отделения с толкателем (парой параллельных толкателей) с упорным элементом (УЭ) в виде участка сферы.

Изобретение относится к автоматической стыковке активных космических аппаратов (АКА) с некооперируемыми пассивными космическими аппаратами (ПКА). АКА включает в свой состав самонаводящийся космический микробуксир (КМБ) для доставки троса, выпускаемого с АКА, и оснащен стыковочным штырем.

Изобретение относится к ракетной технике и может быть использовано для разделения ступеней. Устройство разделения ступеней двухступенчатой ракеты в виде механизма управлением рулями содержит два звена, кинематически связанные с аэродинамическим и газовым рулями. Звено, связанное с аэродинамическим рулем, содержит кронштейн с пазом и качалку с отверстием, звено, связанное с газовым рулем, содержит качалку с пальцем. Качалки шарнирно соединены с парой тяг. Изобретение позволяет повысить надежность разделения ступеней при эксплуатации ракеты. 3 ил.

Изобретение относится к области оптических средств измерения параметров относительного сближения космических аппаратов, а именно к оптико-электронным системам контроля скорости. Система контроля скорости космических аппаратов при сближении включает расположенные на активном космическом аппарате телекамеру с приемником на основе КМОП-датчика, узкополосный светофильтр, блок управления и обработки сигнала. На пассивном космическом аппарате в плоскости стыковочного узла, перпендикулярной оси «OX» этого аппарата, расположены четыре оптических маяка. Оптические маяки образуют прямоугольник, две стороны которого параллельны строкам чувствительных элементов КМОП-датчика. Телекамера служит для получения изображения пассивного КА, узкополосный светофильтр подавляет засветки от подстилающей поверхности и бликов конструкции пассивного КА, блок управления и обработки сигнала осуществляет вычисление скорости пассивного КА и переключение режимов работы телекамеры. Достигаемый технический результат - повышение надежности системы взаимных измерений параметров сближения КА и, как следствие, увеличение безопасности, за счет введения дополнительной системы контроля скорости сближения КА, не использующей активную подсветку в радио- и оптическом диапазоне и устойчивую к наличию световых помех. 3 ил.

Наверх