СПОСОБ АСТРОВИЗИРОВАНИЯ
ASTRONOMICAL SIGHTING METHOD

Изобретение относится к астроинерциальным навигационным системам, в которых основная навигационная информация (счисляемые координаты и курс) корректируется по сигналам, поступающим с выхода астровозирующего устройства.
Известна система астровизирования, реализованная в телеблоке АВ-1СМ, входящем в состав серийной астроинерциальной системы Л41, представленная на фиг. 1 и состоящая из телеблока 1, управляемого следящими системами 2, обеспечивающими его нацеливание в расчетную точку по целеуказаниям, выдаваемым из бортовой вычислительной машины (ЦВМ) 3. Выход телеблока 1 подключен к последовательно соединенным блоку обработки выходного сигнала телеблока 4 и блоку обнаружения визируемой звезды и определения ее координат 5, в которых реализуется обработка выходного сигнала телеблока с целью обнаружения полезного сигнала от визируемой звезды и определения ее координат по следующему способу.
Выходной сигнал и телеблока 1 можно представить как суперпозицию шумовой составляющей, фоновой помехи и полезного сигнала от визируемой звезды при нахождении ее изображения в поле зрения телеблока:
где u - выходной сигнал телеблока;
ш
u - случайная составляющая, представляющая центрированный сигнал типа белый шум;
ф
u - фоновая помеха, которую можно считать постоянной величиной на временном этапе визирования звезды, но величина которой определяется внешними условиями, при которых производится визирование звезды;
с
u - полезный сигнал от звезды при нахождении ее изображения в поле зрения телеблока, который с достаточной степенью точности можно аппроксимировать функцией с центральной точкой симметрии вида
где ρ - расстояние до центра кружка рассеяния;
σ - параметр, определяющий размеры кружка рассеяния.
с
ф
s
Стандартным методом выделения полезного сигнала от звезды u на фоне выходного сигнала телеблока, представленного в (1), является пороговый метод, заключающийся в том, что полезный сигнал от звезды фиксируется при превышении выходного сигнала телеблока порога u>L, где порог L представляет фиксированное значение, либо формируется по уровню фона при отсутствии звезды в поле зрения телеблока. Однако при наличии фоновой помехи, величина которой в сильной степени зависит от внешних условий визирования звезды, этот метод оказывается малоэффективным, а в ряде случаев вообще неприменимым. Поэтому главной задачей при решении задачи обнаружения звезды является задача компенсации фоновой помехи u. Эта задача была решена на цифровом уровне вычислением свертки σ(t), представляющей интеграл произведения оцифрованного выходного сигнала телеблока на измерительный импульс c(t-τ).
где Т - интервал интегрирования;
t - текущее время;
τ - переменная интегрирования;
dτ - шаг интегрирования.
Заменяя операцию интегрирования в (3) операцией суммирования с частотой f=1/τ, получаем
где i - номер текущего измерения;
N - общее количество измерений, фигурирующих в сумме (4);
j
u - текущее значение выходного сигнала телеблока при проведении j-го измерения;
i-j
c - текущее значение измерительного импульса.
При этом измерительный импульс выбирался таким, чтобы интеграл его произведения на константу на временном интервале Т был бы равен нулю, т.е. должен иметь осевую симметрию с осью симметрии, совпадающей с направлением сканирования (интегрирования), что обеспечивает полное исключение фоновой помехи при выполнении условия ее постоянства. В качестве измерительного импульса, удовлетворяющего этому условию, выбран меандр синусоидального сигнала Sin[2π/(t-τ)],
Численное интегрирование свертки сводится к вычислению суммы (4), которая представляет сумму N выходных сигналов телеблока, из которых в силу выбора измерительного импульса (5) первые N/2 сигналов суммируются со знаком плюс, а остальные N/2 сигналов суммируются со знаком минус
s
На следующем i+1-ом цикле работы системы свертка σ(i+1) будет иметь вид:
s
s
s
Из (6), (7) можно записать вычисление σ в итерационном виде. Пусть на i-м шаге работы системы имели сумму σ(i). Тогда на i-м шаге сумма σ(i+1) будет иметь вид:
s
Для построения схемы вычисления суммы σ(i) по (8) вводится накопитель, содержащий N регистров для хранения последних N оцифрованных выходных сигналов телеблока, и циклический счетчик, меняющийся от единицы до N. На i-м цикле работы системы оцифрованный аналого-цифровым преобразователем (АЦП) выходной сигнал телеблока прибавляется к сумме, сформированной ранее на предыдущем цикле работы системы, формируется номер регистра К как сумма значения циклического счетчика и общего числа N регистров накопителя, деленного на два, по модулю общего числа N регистров накопителя, что соответствует логике
K=i-N/2, если i>N/2,
K=i+N/2, если i<N/2,
удвоенное содержимое которого со знаком минус прибавляется к содержимому сумматора-накопителя, формируется номер регистра N как сумма значения циклического счетчика и единицы по модулю общего числа N регистров накопителя, что соответствует логике
N=1, если i+1>N,
N=i+1, если i+1<N,
s
содержимое которого прибавляется к содержимому сумматора-накопителя, в результате чего содержимое сумматора-накопителя σ меняется в соответствии с (8) или, что эквивалентно, в соответствии с (7), после чего значение циклического счетчика увеличивается на единицу по модулю общего числа регистров накопителя, что соответствует изменению его по закону
i=i+1, если i<N,
i=1, если i=N,
1/2
и текущее значение выходного сигнала телеблока запоминается в i-м регистре накопителя. Таким образом, обработка выходного сигнала телеблока, построенная по описанному способу, обеспечивает каждый раз суммирование N последних выходных сигналов телеблока по (7) (или итерационно по (8)) и полностью компенсирует фоновую помеху при условии ее постоянства. Кроме того, суммирование N сигналов обеспечивает снижение уровня случайной помехи в N раз при условии ее некоррелированности, что повышает отношение сигнал/шум на выходе сумматора-накопителя.
ш
ш
s
s
При прохождении изображения звезды через интервал суммирования по (7) на выходе сумматора-накопителя будет сформирован разнополярный импульс, как это показано на фиг. 2, 3. На фиг. 2 изображен сформированный разнополярный импульс при отсутствии случайной помехи u=0, на фиг. 3 изображен сформированный разнополярный импульс при наличии случайной помехи u≠0, при этом момент (или точка) прохождения этого импульса через ноль совпадет с моментом совмещения максимального значения пятна рассеяния с центром интервала суммирования. Способ обнаружения визируемой звезды и определения ее координат можно представить в виде логической структуры, задачей которой является определение этой точки. Поскольку при отсутствии полезного сигнала от звезды сумма σ на выходе сумматора-накопителя будет тождественно равна нулю или близка к этой величине при наличии случайной шумовой помехи, определение искомого нуля σ строится по следующей схеме:
s
s
s+1
s
s
s+1
s
s+1
s
- вводятся верхний и нижний фиксированные уровни порога ±L и последовательно проверяется выполнение условия σ>L. При выполнении этого условия ищется пара соседних значений, таких, что σ>0, σ<0, т.е. пара точек между которыми σ пересекала ноль. В качестве искомой точки может быть взята любая из точек σ либо σ. Строго говоря, точность определения искомой точки может быть повышена, если искомая точка будет определяться интерполированием между точками σ и σ. Однако практика показывает, что при достаточно высокой частоте работы рассматриваемой системы и при существующих инструментальных ошибках системы в целом уточнение нуля σ путем интерполирования не дает сколько-нибудь существенных результатов в плане повышения точности.
s
После определения искомой точки проверяется выполнение условия σ<-L, которое является подтверждением того, что завизирован точечный источник и определены его координаты. Проверка этого условия обеспечивает дополнительную защиту от ложных захватов источников протяженных сигналов, например таких, как край облака, подсвеченного Солнцем, при работе системы в дневных условиях, что обеспечивает дополнительную помехозащищенность системы.
Компенсация возможных систематических ошибок при определении координат визируемой звезды достигается сканированием в прямом и обратном направлении и последующим вычислением среднеарифметического значения полученных результатов.
Другая координата визируемой звезды определяется движением в ортогональном направлении по прямой, проходящей через вычисленную координату.
При использовании известных телеблоков с единственным чувствительным элементом и малым полем зрения, поиск и визирование звезды проводился физическим сканированием визирной оси телеблока в некоторой заданной области небесного пространства с одновременной обработкой выходного сигнала телеблока по описанному способу, при этом малое поле зрения телеблоков позволяло сделать допущение о постоянстве фоновой помехи. При использовании телеблока, построенного на ПЗС-матрицах, имеющих поле зрения порядка десятка угл. мин и более, экспонируется (фотографируется) целая область небесного пространства с последующим сканированием полученной фотографии этой области, что значительно упрощает и ускоряет процедуру определения координат визируемой звезды. Но при наличии достаточно большого поля зрения роль градиента фоновой помехи, который может меняться в достаточно широких пределах, существенно возрастает. На фиг. 4 представлено в виде диаграммы изображение участка звездного неба и кружок рассеяния, полученный от изображения звезды при наличии градиента фоновой помехи и отсутствии шумовой помехи. На фиг. 5 представлено в виде диаграммы изображение того же участка звездного неба при наличии шумовой помехи при отношении шумовой помехи к амплитудному значению полезного сигнала, равном 0.2. Градиент фоновой помехи приводит к возникновению постоянной составляющей на выходе сумматора-накопителя, что делает решение задачи установки порога L весьма проблематичным.
Основное внимание изобретения направлено на решение такой задачи, как компенсация постоянной составляющей на выходе сумматора-накопителя, вызываемой градиентом фоновой помехи.
Техническим результатом является повышение точности визирования звезды за счет компенсации градиента фоновой помехи.
Технический результат достигается тем, что в способе астровизирования, реализованном системой астровизирования, состоящей из телеблока, управляемого следящими системами, обеспечивающими его нацеливание в расчетную точку по целеуказаниям, выдаваемым из бортовой ЦВМ, выход которого подключен к последовательно соединенным блоку обработки выходного сигнала телеблока и блоку обнаружения визируемой звезды и определения ее координат, при этом для обнаружения визируемой звезды при наличии фоновой помехи высокого уровня формируется накопитель, состоящий из N регистров для хранения N последних выходных сигналов телеблока, и циклический счетчик, меняющийся от единицы до N на каждом цикле поступления выходного сигнала телеблока, и вычисляется свертка путем прибавления к сумме, полученной на предыдущем цикле приема и обработки выходного сигнала телеблока, текущего значения выходного сигнала телеблока, содержимого регистра накопителя, номер которого определяется как значение циклического счетчика плюс единица по модулю N, и отрицательного удвоенного значения регистра накопителя, номер которого определяется как сумма текущего значения циклического счетчика и 1/2 числа N регистров накопителя, взятая по модулю числа N, при этом при поступлении очередного выходного сигнала телеблока циклический счетчик увеличивается на единицу по модулю N, а текущий выходной сигнал телеблока запоминается в регистре накопителя, номер которого определяется значением циклического счетчика, а визируемая звезда считается обнаруженной, как только полученное значение суммы превысит фиксированный порог, после чего фиксируется пара соседних точек, в которых значения сумм будут разных знаков, и линейным интерполированием определяется координата визируемой звезды, после чего с целью повышения помехозащищенности фиксируется превышение суммой по абсолютной величине фиксированного порога другого знака, согласно изобретению с целью повышения точности определения координат визируемой звезды при наличии градиента фоновой помехи высокого уровня номер регистра накопителя, содержимое которого прибавляется к сумме как отрицательное удвоенное значение, определяется как текущее значение циклического счетчика и 3/4 числа N регистров накопителя, взятое по модулю N, и, кроме того, к сумме прибавляется удвоенное содержимое регистра накопителя, номер которого определяется как сумма текущего значения циклического счетчика и 1/4 числа N регистров накопителя, взятая по модулю N, а обнаружение визируемой звезды фиксируется как только вычисляемая сумма превысит по абсолютной величине фиксированный пороговый уровень, а координата визируемой звезды определяется как полусумма координат двух точек, ближайших к точке, в которой вычисляемая сумма имеет максимальное значение по абсолютной величине, и в которых вычисляемая сумма равна нулю.
Таким образом, задача компенсации постоянной составляющей, вызываемой градиентом фоновой помехи, решается соответствующим формированием измерительного импульса c(t-τ) свертки (3). Например, если в качестве измерительного импульса выбрать
0
то постоянная составляющая, порождаемая градиентом фоновой помехи, будет равна нулю. Действительно, подставляя в (3) линейную функцию u+kτ в качестве входного сигнала и (9) в качестве измерительного импульса, получим:
Представив, как и выше, свертку (10) в виде суммы
получим итерационное соотношение для вычисления (11)
r
s
Формула (12) отличается от формулы (8) дополнительным слагаемым 2u и логикой формирования переменных k и r. Адреса регистров k и r накопителя определяются при вычислении суммы σ по (12) как суммы текущего значения i циклического счетчика и числа регистров накопителя, деленного на четыре N/4 по модулю общего числа регистров накопителя (при вычислении k), и суммы текущего значения i циклического счетчика и числа регистров накопителя, умноженного на три четверти 3N/4 по модулю общего числа регистров накопителя (при вычислении r), что соответствует логике их формирования как
k=i-N/4, если i>N/4,
k=i+3N/4, если i≤N/4,
r=i-3N/4, если i>3N/4,
r=i+N/4, если i≤3N/4.
s
s
зв
s
При этом, как следует из (12), при формировании суммы σ к содержимому сумматора-накопителя прибавляется содержимое регистра с номером N, взятое со знаком минус, где N формируется как текущее значение счетчика i плюс единица по модулю общего числа N регистров накопителя, удвоенное значение содержимого регистра накопителя с номером k, удвоенное значение содержимого регистра накопителя с номером r, взятое со знаком минус, и выходной сигнал телеблока. Далее текущее значение циклического счетчика меняется, как и в известном способе, и выходной сигнал телеблока запоминается в регистре накопителя, адрес которого определяется текущим значением циклического счетчика. На фиг. 6 представлен (в виде диаграммы) результат вычисления по (12) свертки (10) с измерительным импульсом (9) при отношении полезного сигнала к шуму, равном 5. Как видно из приведенных результатов, постоянная, порождаемая градиентом фоновой помехи, практически (с точностью до случайной составляющей помехи) равна нулю, а на выходе сумматора-накопителя при прохождении через изображение звезды формируется импульс с тремя точками экстремума. Импульс достигает максимального значения, когда изображение звезды полностью симметрично интервалу суммирования. В связи с тем что изменилась форма выходного сигнала сумматора-накопителя, меняется логика работы и способ обнаружения визируемой звезды и определения ее координат. Визируемая звезда считается обнаруженной, если выходной сигнал сумматора-накопителя по своей абсолютной величине превысил некоторый заданный порог, а ее координаты определяются как среднее арифметическое координат двух ближайших к экстремальному значению сигнала σ точек, в которых значение этого сигнала будет равно нулю. Координата визируемой звезды Х определяется как среднее арифметическое точек х′ и х′′, ближайших к точке, в которой выходное значение σ сумматора-накопителя превышает заданный порог L:
зв
Х=(х′+х′′)/2,
и формируется признак обнаружения визируемой звезды и определения ее координат.