МОДЕЛИРУЮЩИЙ СТЕНД ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ БОРТОВЫХ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМ МАЛЫХ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СРЕДСТВ ИМИТАЦИИ ФОНОЦЕЛЕВОЙ ОБСТАНОВКИ
78 Д. В. Кириченко, А. А. Глущенко, К. К. Маслов, К. И. Упитис
УДК 681.7
Д. В. КИРИЧЕНКО, А. А. ГЛУЩЕНКО, К. К. МАСЛОВ, К. И. УПИТИС
МОДЕЛИРУЮЩИЙ СТЕНД ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ БОРТОВЫХ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМ
МАЛЫХ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СРЕДСТВ ИМИТАЦИИ
ФОНОЦЕЛЕВОЙ ОБСТАНОВКИ
Рассматривается пример создания моделирующего стенда на основе жидкокристаллического монитора для испытания бортовых оптико-электронных систем малых космических аппаратов с использованием средств имитации фоноцелевой обстановки. Приводятся результаты применения данного стенда в составе информационной модели малых космических аппаратов.
Ключевые слова: моделирующий стенд, фоноцелевая обстановка, структура модели, бортовая оптико-электронная система, имитатор.
Неотъемлемой частью процесса ввода в эксплуатацию малых космических аппаратов (МКА) является проведение их испытаний и доработок, а также исследование эффективности их бортовых систем на Земле в условиях, близких к реальным. В целях снижения финансовых затрат на проведение автономных и комплексных испытаний элементов МКА разработан стенд для полунатурной отработки их бортовых оптико-электронных систем (ОЭС) с использованием имитатора фоноцелевой обстановки (ФЦО) на основе жидкокристаллического (ЖК) дисплея.
Данный стенд предназначен для формирования модели ФЦО в поле зрения бортовых ОЭС с заданными тактико-техническими характеристиками (ТТХ) с учетом процессов функционирования систем управления движением МКА.
Стенд для испытания бортовых ОЭС МКА с использованием имитатора ФЦО на основе ЖК-дисплея представляет собой программно-аппаратный комплекс, построенный с применением современных сетевых технологий. Аппаратная часть предназначена для формирования с помощью ЖК-дисплея в поле зрения ОЭС КА оптического изображения объектов ФЦО. Программное обеспечение имитирует условия, близкие к реальным, путем моделирования ФЦО на ЖК-мониторе, а также углового и пространственного движения МКА относительно объектов наблюдения. При разработке стенда МКА применялась их программно-аппаратная модель, построенная на базе ПЭВМ, аналоговой камеры и программно-алгоритмических средств.
Выбранный вариант стенда состоит из аппаратной и программно-алгоритмической частей. 1. Аппаратная часть включает следующие компоненты:
1) имитатор фоноцелевой обстановки: — ПЭВМ моделирования ФЦО, — устройство отображения ФЦО (ЖК-монитор), — комплект кабелей;
2) имитатор информационной системы МКА: — оптико-электронная система приема изображения, сформированного имитатором ФЦО (камера), — ПЭВМ обработки принятого изображения и формирования результатов обработки, — комплект кабелей;
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2009. Т. 52, № 4
Моделирующий стенд для испытаний бортовых ОЭС МКА с использованием средств имитации 79
3) рабочее место оператора управления режимами работы и условиями наблюдения:
— устройство ввода для задания режимов работы и условий наблюдения,
— устройство отображения результатов измерений (монитор),
— комплект кабелей.
2. Программно-алгоритмическая часть включает:
1) имитатор ФЦО, выполняющий следующие функции:
— формирование по результатам оценки астрономо-баллистических условий дви-
жения МКА запросов в базы данных по ФЦО для выбора требуемых коорди-
натных и некоординатных характеристик объектов в поле зрения ОЭС МКА,
— расчет углового положения объектов ФЦО относительно оптической оси ОЭС
МКА в пределах ее поля зрения и углов возможной переориентации,
— определение для каждого объекта ФЦО значения „сигнала“, необходимого для
его адекватного представления при проекции на экран монитора,
— пересчет в процессе моделирования координатных и некоординатных данных в
соответствии с изменением условий наблюдения,
— расчет изображения объекта ФЦО в ближней зоне наблюдения с использова-
нием его яркостного портрета или 3D-модели;
2) имитатор бортовой информационной системы МКА, выполняющий функции:
— последовательного считывания кадров изображения, принятых ОЭС,
— предварительной обработки кадров,
— пороговой обработки кадров и обнаружения объектов ФЦО,
— автоматического захвата объектов по результатам пороговой обработки не-
скольких последовательных кадров,
— сопровождения обнаруженных объектов, обработки изображения внутри каж-
дого строба сопровождения с измерением угловых координат сопровождаемых
объектов и скорости их изменения, а также оценкой суммарной яркости сопро-
вождаемых объектов,
— проведения координатной и некоординатной селекции объектов на основании
информации, полученной в ходе обработки изображений,
— подготовки и выдачи результатов обработки.
Структура стенда моделирования ОЭС МКА показана на рис. 1.
Для оценки возможности получения в оптическом тракте сигналов, соответствующих
значениям моделируемой имитатором ФЦО яркости объектов в поле зрения ОЭС МКА в оп-
ределенном диапазоне значений дальности, на стенде были проведены следующие исследо-
вания.
С помощью имитатора ФЦО в окрестности центра поля зрения ОЭС формировался не-
подвижный точечный источник излучения с силой излучения, близкой к нулю. По результа-
там серии кадров наблюдения программно-аппаратная модель информационной системы КА
формировала выборку данных измерений освещенности, создаваемой средствами имитации
ФЦО на входном зрачке ОЭС Ei [см. лит.]. По выборке из n измерений осуществлялась
оценка среднего значения освещенности E , создаваемой источником с силой излучения J на
входном зрачке ОЭС, и ее среднего квадратического отклонения σE :
∑E
=
1 n
n i=1
Ei
,
∑( )σE
=
⎡1
⎢ ⎣⎢
n
n i=1
E − Ei
2
⎤1 ⎥
2
.
⎥⎦
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2009. Т. 52, № 4
80 Д. В. Кириченко, А. А. Глущенко, К. К. Маслов, К. И. Упитис
Полученные данные поступали по сети к имитатору ФЦО для сопоставления полученных оценок с моделируемой силой излучения объекта и сохранения этих результатов на диск, после чего сила излучения объекта в поле зрения ОЭС увеличивалась имитатором ФЦО на определенное значение и цикл измерений повторялся. Сила излучения объекта увеличивалась до максимального значения, определяемого диапазоном программного изменения яркости одного пиксела и введенным ограничением на число пикселов, формирующих точечный объект излучения.
ФЦО
ОЭС
Результат обработки
ФЦО ОЭС Модель целей Модель фонов
Захват изображения
Предварительная обработка
Обнаружение объектов ФЦО
Захват и сопровождение объектов ФЦО
Селекция объектов ФЦО
Формирование управления КА
Система управления угловым движением
и центром масс
Оценка эффективности применения МКА
Рис. 1
Исследования повторялись при различных параметрах яркости и контрастности средства имитации (ЖК-монитор) и ОЭС, в качестве которой использовались две разные модели аналоговых камер. Результаты, полученные при разных характеристиках стенда, оказались идентичными и отличались лишь разницей по уровню между моделируемой силой излучения и измеренной в оптическом тракте информационной модели КА (на выходе автомата захвата и сопровождения объектов ФЦО). Кроме того, в данной реализации стенда удалось добиться практического совпадения имитируемых характеристик (кривая 1) с измеренными (кривая 2),
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2009. Т. 52, № 4
Моделирующий стенд для испытаний бортовых ОЭС МКА с использованием средств имитации 81
не прибегая к математическим средствам аппроксимации, а только с помощью изменения параметров средства имитации ФЦО и ОЭС (рис. 2).
F, Вт/ср
3000
2
2000
1
1000
0 30 150
270 t, с
Рис. 2
По результатам проведенных измерений был сделан вывод о том, что оптическое излучение, формируемое средствами имитации стенда, может адекватно отражать моделируемые характеристики излучения объектов ФЦО и с приемлемой точностью восприниматься оптико-электронными системами. Это свидетельствует о возможности создания условий функционирования ОЭС, близких к реальным, на Земле с применением аналогичных программноаппаратных средств и моделирующих стендов для отработки бортовых алгоритмов управления МКА еще на этапе проектирования с применением ОЭС-аналогов, либо уже на готовом изделии.
ЛИТЕРАТУРА
Мирошников М. М. Теоретические основы оптико-электронных приборов. Л.: Машиностроение, 1983. 696 с.
Дмитрий Валерьевич Кириченко Андрей Александрович Глущенко Константин Константинович Маслов Константин Илмарович Упитис
Сведения об авторах — канд. техн. наук; 4-й ЦНИИ Минобороны России, Санкт-Петер-
бург, начальник отдела; E-mail: dvkey@rambler.ru — 4-й ЦНИИ Минобороны России, Санкт-Петербург, научный
сотрудник; E-mail: andrglu@mail.ru — Войсковая часть 53145, Москва, старший офицер отдела;
E-mail: conmaslov2008@yandex.ru — 4-й ЦНИИ Минобороны России, Санкт-Петербург, научный
сотрудник
Рекомендована Ученым советом ВКА им. А. Ф. Можайского
Поступила в редакцию 20.10.08 г.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2009. Т. 52, № 4
УДК 681.7
Д. В. КИРИЧЕНКО, А. А. ГЛУЩЕНКО, К. К. МАСЛОВ, К. И. УПИТИС
МОДЕЛИРУЮЩИЙ СТЕНД ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ БОРТОВЫХ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМ
МАЛЫХ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СРЕДСТВ ИМИТАЦИИ
ФОНОЦЕЛЕВОЙ ОБСТАНОВКИ
Рассматривается пример создания моделирующего стенда на основе жидкокристаллического монитора для испытания бортовых оптико-электронных систем малых космических аппаратов с использованием средств имитации фоноцелевой обстановки. Приводятся результаты применения данного стенда в составе информационной модели малых космических аппаратов.
Ключевые слова: моделирующий стенд, фоноцелевая обстановка, структура модели, бортовая оптико-электронная система, имитатор.
Неотъемлемой частью процесса ввода в эксплуатацию малых космических аппаратов (МКА) является проведение их испытаний и доработок, а также исследование эффективности их бортовых систем на Земле в условиях, близких к реальным. В целях снижения финансовых затрат на проведение автономных и комплексных испытаний элементов МКА разработан стенд для полунатурной отработки их бортовых оптико-электронных систем (ОЭС) с использованием имитатора фоноцелевой обстановки (ФЦО) на основе жидкокристаллического (ЖК) дисплея.
Данный стенд предназначен для формирования модели ФЦО в поле зрения бортовых ОЭС с заданными тактико-техническими характеристиками (ТТХ) с учетом процессов функционирования систем управления движением МКА.
Стенд для испытания бортовых ОЭС МКА с использованием имитатора ФЦО на основе ЖК-дисплея представляет собой программно-аппаратный комплекс, построенный с применением современных сетевых технологий. Аппаратная часть предназначена для формирования с помощью ЖК-дисплея в поле зрения ОЭС КА оптического изображения объектов ФЦО. Программное обеспечение имитирует условия, близкие к реальным, путем моделирования ФЦО на ЖК-мониторе, а также углового и пространственного движения МКА относительно объектов наблюдения. При разработке стенда МКА применялась их программно-аппаратная модель, построенная на базе ПЭВМ, аналоговой камеры и программно-алгоритмических средств.
Выбранный вариант стенда состоит из аппаратной и программно-алгоритмической частей. 1. Аппаратная часть включает следующие компоненты:
1) имитатор фоноцелевой обстановки: — ПЭВМ моделирования ФЦО, — устройство отображения ФЦО (ЖК-монитор), — комплект кабелей;
2) имитатор информационной системы МКА: — оптико-электронная система приема изображения, сформированного имитатором ФЦО (камера), — ПЭВМ обработки принятого изображения и формирования результатов обработки, — комплект кабелей;
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2009. Т. 52, № 4
Моделирующий стенд для испытаний бортовых ОЭС МКА с использованием средств имитации 79
3) рабочее место оператора управления режимами работы и условиями наблюдения:
— устройство ввода для задания режимов работы и условий наблюдения,
— устройство отображения результатов измерений (монитор),
— комплект кабелей.
2. Программно-алгоритмическая часть включает:
1) имитатор ФЦО, выполняющий следующие функции:
— формирование по результатам оценки астрономо-баллистических условий дви-
жения МКА запросов в базы данных по ФЦО для выбора требуемых коорди-
натных и некоординатных характеристик объектов в поле зрения ОЭС МКА,
— расчет углового положения объектов ФЦО относительно оптической оси ОЭС
МКА в пределах ее поля зрения и углов возможной переориентации,
— определение для каждого объекта ФЦО значения „сигнала“, необходимого для
его адекватного представления при проекции на экран монитора,
— пересчет в процессе моделирования координатных и некоординатных данных в
соответствии с изменением условий наблюдения,
— расчет изображения объекта ФЦО в ближней зоне наблюдения с использова-
нием его яркостного портрета или 3D-модели;
2) имитатор бортовой информационной системы МКА, выполняющий функции:
— последовательного считывания кадров изображения, принятых ОЭС,
— предварительной обработки кадров,
— пороговой обработки кадров и обнаружения объектов ФЦО,
— автоматического захвата объектов по результатам пороговой обработки не-
скольких последовательных кадров,
— сопровождения обнаруженных объектов, обработки изображения внутри каж-
дого строба сопровождения с измерением угловых координат сопровождаемых
объектов и скорости их изменения, а также оценкой суммарной яркости сопро-
вождаемых объектов,
— проведения координатной и некоординатной селекции объектов на основании
информации, полученной в ходе обработки изображений,
— подготовки и выдачи результатов обработки.
Структура стенда моделирования ОЭС МКА показана на рис. 1.
Для оценки возможности получения в оптическом тракте сигналов, соответствующих
значениям моделируемой имитатором ФЦО яркости объектов в поле зрения ОЭС МКА в оп-
ределенном диапазоне значений дальности, на стенде были проведены следующие исследо-
вания.
С помощью имитатора ФЦО в окрестности центра поля зрения ОЭС формировался не-
подвижный точечный источник излучения с силой излучения, близкой к нулю. По результа-
там серии кадров наблюдения программно-аппаратная модель информационной системы КА
формировала выборку данных измерений освещенности, создаваемой средствами имитации
ФЦО на входном зрачке ОЭС Ei [см. лит.]. По выборке из n измерений осуществлялась
оценка среднего значения освещенности E , создаваемой источником с силой излучения J на
входном зрачке ОЭС, и ее среднего квадратического отклонения σE :
∑E
=
1 n
n i=1
Ei
,
∑( )σE
=
⎡1
⎢ ⎣⎢
n
n i=1
E − Ei
2
⎤1 ⎥
2
.
⎥⎦
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2009. Т. 52, № 4
80 Д. В. Кириченко, А. А. Глущенко, К. К. Маслов, К. И. Упитис
Полученные данные поступали по сети к имитатору ФЦО для сопоставления полученных оценок с моделируемой силой излучения объекта и сохранения этих результатов на диск, после чего сила излучения объекта в поле зрения ОЭС увеличивалась имитатором ФЦО на определенное значение и цикл измерений повторялся. Сила излучения объекта увеличивалась до максимального значения, определяемого диапазоном программного изменения яркости одного пиксела и введенным ограничением на число пикселов, формирующих точечный объект излучения.
ФЦО
ОЭС
Результат обработки
ФЦО ОЭС Модель целей Модель фонов
Захват изображения
Предварительная обработка
Обнаружение объектов ФЦО
Захват и сопровождение объектов ФЦО
Селекция объектов ФЦО
Формирование управления КА
Система управления угловым движением
и центром масс
Оценка эффективности применения МКА
Рис. 1
Исследования повторялись при различных параметрах яркости и контрастности средства имитации (ЖК-монитор) и ОЭС, в качестве которой использовались две разные модели аналоговых камер. Результаты, полученные при разных характеристиках стенда, оказались идентичными и отличались лишь разницей по уровню между моделируемой силой излучения и измеренной в оптическом тракте информационной модели КА (на выходе автомата захвата и сопровождения объектов ФЦО). Кроме того, в данной реализации стенда удалось добиться практического совпадения имитируемых характеристик (кривая 1) с измеренными (кривая 2),
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2009. Т. 52, № 4
Моделирующий стенд для испытаний бортовых ОЭС МКА с использованием средств имитации 81
не прибегая к математическим средствам аппроксимации, а только с помощью изменения параметров средства имитации ФЦО и ОЭС (рис. 2).
F, Вт/ср
3000
2
2000
1
1000
0 30 150
270 t, с
Рис. 2
По результатам проведенных измерений был сделан вывод о том, что оптическое излучение, формируемое средствами имитации стенда, может адекватно отражать моделируемые характеристики излучения объектов ФЦО и с приемлемой точностью восприниматься оптико-электронными системами. Это свидетельствует о возможности создания условий функционирования ОЭС, близких к реальным, на Земле с применением аналогичных программноаппаратных средств и моделирующих стендов для отработки бортовых алгоритмов управления МКА еще на этапе проектирования с применением ОЭС-аналогов, либо уже на готовом изделии.
ЛИТЕРАТУРА
Мирошников М. М. Теоретические основы оптико-электронных приборов. Л.: Машиностроение, 1983. 696 с.
Дмитрий Валерьевич Кириченко Андрей Александрович Глущенко Константин Константинович Маслов Константин Илмарович Упитис
Сведения об авторах — канд. техн. наук; 4-й ЦНИИ Минобороны России, Санкт-Петер-
бург, начальник отдела; E-mail: dvkey@rambler.ru — 4-й ЦНИИ Минобороны России, Санкт-Петербург, научный
сотрудник; E-mail: andrglu@mail.ru — Войсковая часть 53145, Москва, старший офицер отдела;
E-mail: conmaslov2008@yandex.ru — 4-й ЦНИИ Минобороны России, Санкт-Петербург, научный
сотрудник
Рекомендована Ученым советом ВКА им. А. Ф. Можайского
Поступила в редакцию 20.10.08 г.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2009. Т. 52, № 4