УСТРОЙСТВО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОРИЕНТАЦИИ ОБЪЕКТА ПО ЗВЕЗДАМ

Область техники, к которой относится полезная модель
Полезная модель относится к космической навигации и может быть использована для оперативного точного определения ориентации космического аппарата относительно неподвижной системы координат.
Уровень техники
Современные звездные датчики ориентации представляют собой фотографические камеры с матричными приемниками излучения, снабженные процессором и специальным математическим обеспечением для обработки получаемых изображений. Камера регистрирует изображение произвольного участка звездного неба, затем в полученном кадре находят изображения звезд. Для каждой найденной звезды определяют координаты центра ее изображения (фотоцентра) и блеск (число зарегистрированных квантов излучения), при этом погрешность определения координат фотоцентра может быть в несколько раз меньше размера пикселя матричного приемника излучения. Положение фотоцентров звезд определяется в системе координат, связанной с матричным фотоприемником (со строками и столбцами его пикселей), которая определенным образом связана с конструкционной системой координат звездного датчика. Найденные координаты и блеск всех или наиболее ярких звезд в кадре сравниваются с хранящимся в памяти звездного датчика бортовым каталогом навигационных звезд. Бортовой каталог содержит некоторое количество звезд на всей небесной сфере, для которых приведены координаты звезд в одной из небесных систем координат, их блеск (включается в каталог, если эта величина используется при отождествлении звезд и обработке кадров) и, возможно, некоторые дополнительные характеристики звезд. Число звезд в бортовом каталоге определяется таким образом, чтобы при любой ориентации звездного датчика в его поле зрения попадало несколько звезд – не меньше, чем нужно для его нормального функционирования. Сравнение координат звезд кадра с каталогом позволяет определить, на какой именно участок небесной сферы направлен звездный датчик, а также составить список звезд, которые одновременно видны в кадре и присутствуют в бортовом каталоге. Для звезд в указанном списке известны два набора координат: записанные в бортовом каталоге координаты звезд в небесной системе координат и полученные в результате обработки кадра координаты звезд в системе координат матричного фотоприемника или в связанной с ней конструкционной системе координат звездного датчика. Эти два набора координат позволяют определить ориентацию - трехмерный разворот конструкционной системы координат звездного датчика относительно инерциальной системы координат, связанной с далекими звездами, и представить параметры  ориентации, являющиеся выходным результатом работы звездного датчика, в одном из эквивалентных представлений: углы Эйлера, углы Тэйта-Брайана, трехмерная матрица поворота, направление оси поворота и угол поворота вокруг нее, кватернион поворота и т.п.
Основные проблемы, возникающие при функционировании звездных датчиков ориентации, связаны с тем, что звезды являются слабыми источниками излучения, а также с неравномерным распределением звезд по небу – их много вблизи плоскости нашей Галактики (Млечного Пути) и в несколько раз меньше вблизи полюсов Галактики.  Соответственно, если звездный датчик направлен на область вблизи Млечного Пути, в поле зрения будет попадать много звезд, их число будет достаточно для его функционирования (возможно даже появление проблемы отсева части регистрируемых в кадре звезд), а вблизи полюсов Галактики в поле зрения датчика может не оказаться достаточного для нормальной работы датчика количества ярких звезд. В этой связи актуальной является разработка конструкции датчика, обеспечивающего получение высокоточного изображения участка звездного неба, реализуемого посредством увеличения числа регистрируемых звезд в кадре (поле зрения датчика), увеличения сигнала от каждой отдельной звезды.
Из уровня техники известно устройство определения координат звезд [RU 111280], содержащее бленду, объектив, матричный фотоприемник с накоплением заряда, блок АЦП, блок цифровой обработки и управления, блок управления работой матричного фотоприемника. При этом в блок управления работой матричного фотоприемника введен счетчик строк N/k (где N - число строк в матричном фотоприемнике, k - число считываемых фрагментов кадра); в блок цифровой обработки и управления введен дешифратор звезд по фрагментам кадра; в устройство также дополнительно введены блок памяти базы данных распознанных звезд и блок датчиков угловых скоростей. Данное устройство характеризуется увеличением частоты обновления информации о координатах зарегистрированных звезд, за счет увеличения в k-раз частоты считывания информации с матричного фотоприемника с накоплением заряда.
Недостатками данного устройства являются плохой отвод тепла, что увеличивает шумовую составляющую в полезном сигнале, снижая точность определения ориентации по изображению участка звездного неба.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому решению является устройство для определения ориентации объекта по звездам [RU 2577558], содержащее корпус, оптическую систему, бленду, матричный приемник излучения, выполненный на базе КМОП-матрицы, работающей в видимом диапазоне излучения EV76C660 фирмы Teledyne e2v (Великобритания, см. https://imaging.teledyne-e2v.com/content/uploads/2019/02/ DSC_EV76C660.pdf), вычислительное устройство, электронную память, содержащую бортовой каталог навигационных звезд. При этом в устройстве использована колодезная компоновка датчика, в которой оптическая система и бленда объединены в центральный модуль, частично расположенный внутри корпуса датчика, при этом бленда является держателем оптической системы, а центральный модуль является крышкой корпуса. Вокруг центрального модуля размещена электронная единая плата, которая закреплена к боковым стенкам и основанию корпуса винтами. Плата включает гибкие участки, по которым плата изогнута таким образом, чтобы основные тепловыделяющие элементы были прижаты к боковым стенкам корпуса, а матричный приемник излучения - к основанию корпуса. При этом сброс тепла со стенок и основания корпуса осуществляется кондуктивным теплообменом за счет теплопроводности через, по меньшей мере, три крепежные лапки основания корпуса и частично за счет лучистого теплообмена с внутренней поверхностью встроенной бленды. В вырез платы под нижней поверхностью матричного приемника излучения установлен термоэлектрический охладитель Пельтье, контактирующий с основанием корпуса через теплопроводящую пасту или прокладку. Данное устройство характеризуется уменьшенными габаритами и улучшенным теплоотводом.
Однако применение подобных приборов ограничено относительно невысоким отношением сигнала от звезд к шуму от матричного приёмника излучения в видимом диапазоне – число звезд, максимум излучения которых попадает в ИК-диапазон, больше, чем в видимом диапазоне, а их средняя яркость – выше; а также недостаточно устойчивой работой термоэлектрического охладителя Пельтье, что снижает надёжность самого устройства.
Технической проблемой является получение высокоточного изображения участка звездного неба с высоким отношением сигнала к шуму.
Раскрытие полезной модели
Техническим результатом полезной модели является возможность получения изображения участка звездного неба для высокоточного определения ориентации в пространстве за счет увеличения числа регистрируемых звезд в кадре, увеличения регистрируемого сигнала от каждой отдельной звезды и понижения уровня шумовой составляющей сигнала от матричного приемника за счет его более сильного охлаждения.
Технический результат достигается при использовании устройства определения ориентации объекта по звездам, включающего металлический корпус (1), оптическую систему (2), бленду (3), матричный приемник излучения (4), вычислительное устройство (микропроцессор) и электронную память, установленные на единой электронной плате, где оптическая система и бленда расположены на одной вертикально ориентированной оптической оси и объединены в центральный модуль (5), частично расположенный внутри корпуса; при этом единая электронная плата (6) выполнена из жестких элементов, соединенных посредством гибких участков (7), размещенных вокруг центрального модуля и прикрепленных к боковым стенкам и основанию корпуса с обеспечением контакта с основными тепловыделяющими элементами, а матричный приемник излучения снабжен термоэлектрическим охладителем Пельтье (8), установленным на основании металлического корпуса. Устройство определения ориентации объекта по звездам также содержит холодильный компрессор, а в качестве матричного приемника излучения использован неохлаждаемый (т.е. не имеющий встроенного блока охлаждения) матричный приёмник ИК-излучения с электронной системой считывания, при этом термоэлектрический охладитель Пельтье соединён с одной стороны  - тепловой связью с приемником ИК-излучения и с другой стороны - с холодильным компрессором, верхняя стенка которого является основанием металлического корпуса.
Между неохлаждаемым матричным приемником ИК-излучения и термоэлектрическим охладителем Пельтье, а также между термоэлектрическим охладителем Пельтье и холодильным компрессором могут быть размещены теплопроводящая термопаста или термопрокладки. Единая электронная плата (6) выполнена из пяти жестких элементов, размещенных по боковым сторонам корпуса и по основанию, соединенных между собой посредством четырех гибких участков (7).
Технический результат достигается за счет использования в предлагаемом решении матричного приёмника ИК-излучения (который не имеет встроенного блока охлаждения)  с электронной системой считывания сигналов в комбинации с холодильным компрессором, которые обеспечивают возможность регистрации бóльшего количества звезд с высоким отношением сигнала от звезд к шуму, по сравнению с матричным приемником видимого диапазона, используемого в прототипе. Матричный приёмник ИК-излучения может быть реализован по аналогии с решением, представленным в патенте RU 2561338 (устройство для визуализации инфракрасного излучения), а холодильный компрессор – по аналогии с решением, представленным  в патенте RU 2467261.
Получение изображения участка звездного неба с бóльшим числом регистрируемых звезд в кадре, с бóльшим регистрируемым сигналом от каждой отдельной звезды и пониженным уровнем шумовой составляющей сигнала от матричного приемника за счет его более сильного охлаждения обеспечивает повышение точности ориентации звездного датчика.
Краткое описание чертежей
Полезная модель поясняется фигурой 1, на которой представлен вариант осуществления заявляемого устройства, где 1 – корпус, 2 – оптическая система (объектив), 3 – бленда, 4 – неохлаждаемый матричный приёмник ИК-излучения с электронной системой считывания, 5 – центральный модуль, включающий в себя верхнюю и нижнюю части бленды и оптическую систему (объектив), 6 – электронная единая плата, 7 – гибкие участки электронной платы, 8 – термоэлектрический охладитель Пельтье, 9 – пластина, выполняющая функцию крышки корпуса, 10 – выводы питания термоэлектрического охладителя Пельтье, 11 – холодильный компрессор.
Осуществление полезной модели
Заявляемое устройство определения ориентации объекта по звездам является усовершенствованием модели, представленной в патенте RU 2577558 (прототип).
В заявляемом устройстве оптическая система (2) и бленда (3) объединены в центральный модуль (5), вставленный внутрь корпуса (1). Центральный модуль (5) разделен на две части: внешнюю, которая выступает за пределы корпуса (1) и включает в свой состав верхнюю часть бленды (3), и внутреннюю – расположенную внутри корпуса (1) и содержащую нижнюю часть бленды (3) и оптическую систему (объектив) (2). При этом бленда (3) является держателем оптической системы (2). Вокруг центрального модуля (5) между внешней и внутренней его частями имеется пластина (9), перпендикулярная оптической оси объектива (2) датчика, выполняющая функцию крышки (9) корпуса (1). Единая гибко-жесткая электронная плата (6) соединена гибкими участками (перемычками) (7), по которым передается сигнал. Наличие гибких участков (7) на единой электронной плате (6) позволяет принимать ей объёмную форму. Единая электронная плата (6) размещена вокруг центрального модуля (5) и прикреплена к боковым стенкам и основанию корпуса (1) винтами. Плата (6) включает гибкие участки (7), по которым она изогнута таким образом, что основные тепловыделяющие элементы прижаты к боковым стенкам корпуса (1), а матричный приёмник ИК-излучения с электронной системой считывания (4) и термоэлектрический охладитель Пельтье (8) – к основанию корпуса. Матричный ИК-приемник излучения представляет собой микросхему квадратной или прямоугольной формы, верхняя поверхность которой поделена на пиксели и является чувствительной к ИК-излучению, сбоку микросхемы расположены контакты для управления микросхемой и считывания изображения, через плоское дно микросхемы отводится тепло. Дно матрицы прижато к охладителю Пельтье с обеспечением теплового контакта. Охладитель Пельтье представляет собой монолитный полупроводниковый элемент (без сложной внутренней структуры, по аналогии с используемой в известных микросхемах с двумя контактами), между сторонами которого образуется разность температур до 30 градусов Цельсия при подаче на него постоянного напряжения заданной полярности. «Холодной» стороной охладитель Пельте прижат к ИК-приемнику, «горячей» – к поверхности холодильного компрессора, который может быть установлен в металлическом корпусе звездного датчика, либо в отдельном корпусе, при этом верхняя стенка корпуса холодильного компрессора выступает в качестве основания (нижней стенки) металлического корпуса звездного датчика.
Общий рост теплового тока и связанных с ним шумов, вызываемый воздействием энергичных космических частиц на матричный приёмник ИК-излучения с электронной системой считывания (4) уменьшается путём охлаждения. Охлаждение осуществляется с помощью термоэлектрического охладителя Пельтье (8) и холодильного компрессора (11), установленных снизу неохлаждаемого матричного приёмника ИК-излучения с электронной системой считывания (4). Питающее напряжение на термоэлектрический охладитель Пельтье (8) подается по выводам (10).
Часть электронной платы (6), в отверстии которой расположены неохлаждаемый матричный приёмник ИК-излучения с электронной системой считывания (4) и термоэлектрический охладитель Пельтье (8), расположена у основания корпуса (1) и имеет наилучшие условия для отвода тепла. На неохлаждаемом матричном приёмнике ИК-излучения с электронной системой считывания (4) и термоэлектрическом охладителе Пельтье (8) снизу установлен холодильный компрессор (11), верхняя стенка которого контактирует с «горячей» стороной охладителя Пельте. Для улучшения тепловых контактов зазоры между матричным приёмником ИК-излучения с электронной системой считывания (4), термоэлектрическим охладителем Пельтье (8) и холодильным компрессором (11) заполняются теплопроводящей пастой или прокладками.
Для оптимального охлаждения остальных тепловыделяющих элементов микросхем они размещаются на объемно-сложенной единой электронной плате (6), вставленной в корпус (1) датчика так, чтобы иметь контакт с боковыми стенками корпуса (1). Гибкие участки (7) платы позволяют перемещаться её основным частям в необходимых пределах для надёжного контакта с теплоотводящими стенками и основанием корпуса (1). В местах тепловых контактов микросхем с корпусом также могут использоваться теплопроводящая паста или прокладки.
Матричный приёмник ИК-излучения с электронной системой считывания (4) позволяет регистрировать более многочисленные и более яркие звезды в ИК-диапазоне, что позволяет улучшить качество требуемых сигналов приёма-передачи, чем обеспечивают стабильную работу устройства в целом, а холодильный компрессор (11) совместно с термоэлектрическим охладителем Пельтье (8) позволяет достичь оптимального охлаждения тепловыделяющих элементов платы в целом, снижая «шумовую» составляющую полезного сигнала.
Пример реализации полезной модели
Возможность реализации полезной модели была проверена на макете. Макет включал в себя массивное основание – металлическую монтажную оптическую плиту, объектив Sigma AF 20mm f/1.8 EX DG (фокусное расстояние 20 мм, светосила 1.8), неохлаждаемую ИК-матрицу FPA 640 P15 фирмы Chunghwa Leading Photonics Tech (Тайвань) (размер 640х512 пкс., спектральный диапазон 900–1700 нм) со штатной управляющей обвязкой, термоэлектрический охладитель Пельтье TES1-12703 STONECOLD, холодильный компрессор BD745GH SECOP 48V DC (Китай). Холодильный компрессор крепился к металлической плите, а к нему прижимался термоэлектрический охладитель Пельтье, а к последнему – неохлаждаемая ИК-матрица. Крепления холодильного компрессора, термоэлектрического охладителя Пельтье и неохлаждаемой ИК-матрицы между собой обеспечивают взаимные тепловые контакты. Над этими элементами к оптической плите крепился объектив так, чтобы ИК-матрица находилась в фокальной плоскости объектива. Собранная конструкция закрывалась светозащитным кожухом. Холодильный компрессор и охладитель Пельтье подключались к источникам питания, а ИК-матрица – к управляющему компьютеру (ноутбуку) через USB-интерфейс штатной управляющей обвязки.
Работоспособность макета была проверена в ходе натурных испытаний, в которых фотографировались одни и те же участки ясного (безоблачного) ночного звездного неба на ИК-матрицу FPA 640 P15 в ближнем инфракрасном диапазоне и на матрицу того же формата в видимом диапазоне (использовалась КМОП-матрица видимого диапазона NSC1601T-SI производства New Imaging Technologies (Франция) с получением кадров звездного неба, которые затем обрабатывались одинаковым образом. При получении кадров в видимом диапазоне холодильный компрессор отключался. По результатам сравнения 10 пар кадров различных участков неба в ИК и видимом диапазонах был найдено, что в ИК-кадрах в среднем регистрируется в 2,2 раза большее число звезд, сигналы от звезд увеличились в среднем на 20%, а тепловые шумы (при включенном холодильном компрессоре) уменьшились на 30%. В итоге отношение сигнала к шуму при наблюдении звездного неба в ИК-диапазоне оказалось в среднем в 3.2 раза выше, чем при наблюдении в видимом диапазоне, при сохранении остальных характеристиках макета одинаковыми (оптическая система, длительность экспозиции, напряжение на Пельтье и т.д.). Указанный результат подтверждает правильность и работоспособность предложенного технического решения.