СИСТЕМА ИМИТАЦИИ ВНЕШНЕЙ ВИЗУАЛЬНОЙ ОБСТАНОВКИ В БОРТОВЫХ СРЕДСТВАХ НАБЛЮДЕНИЯ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ КОСМИЧЕСКОГО ТРЕНАЖЕРА

Предлагаемая полезная модель относится к области тренажерной техники и предназначена для применения в космических тренажерах и моделирующих стендах при подготовке космонавтов к решению задач в области геофизических исследований и мониторинга Земли с борта пилотируемого космического аппарата (ПКА) методом визуально-инструментальных наблюдений (ВИН).
Для обеспечения отработки космонавтом-оператором профессиональных навыков выполнения сеансов ВИН необходимо, чтобы система имитации внешней визуальной обстановки тренажера ПКА обеспечивала формирование и отображение управляемых в реальном масштабе времени цветных динамических изображений земной поверхности, соответствующих условиям наблюдения в иллюминаторах ПКА как невооруженным глазом, так и через бортовые инструментальные средства визуального наблюдения (цифровая фотокамера с изменяемой кратностью увеличения ее объектива).
Авторами предлагаемой полезной модели проведен патентный поиск, который показал, что имеется множество патентов, посвященных системам имитации внешней визуальной обстановки тренажеров: RU 50032, U1, G09B 9/08, 2004: RU 44403, U1, G09B 9/08, 2004; RU 2325706, C1, G09B 9/08, 2006; RU 2299471, C2, G06T 17/00, 2005.
Несмотря на разную целевую направленность рассмотренных устройств, их общим недостатком является отсутствие технической возможности моделирования изображения объектов земной поверхности, соответствующего условиям их обнаружения, распознавания и регистрации с использованием бортовых средств наблюдения ПКА. Так в патенте на полезную модель RU 50032, U1 представлен имитатор визуальной обстановки авиационного тренажера, предназначенный для обучения задачам визуальной дозаправки топливом в полете, взлета-посадки и полета по маршруту. Данный имитатор обеспечивает обучаемому пилоту видимость имитируемой местности и объектов через остекление кабин тренажеров при отработке на тренажере навыков визуального пилотирования летательного аппарата. Технические средства, входящие в состав данного имитатора (компьютерный генератор изображения, устройство отображения визуальной информации с оптико-коллимационным устройством), могут быть использованы для моделирования изображения поверхности Земли в иллюминаторах космического тренажера. Однако они не позволяют решить техническую задачу имитации изображения земной поверхности в бортовом инструментальном средстве наблюдения ПКА с изменяемой кратностью увеличения его объектива.
Также известна система визуализации по патенту на изобретение RU 2325706, C1, G09B 9/08, 2006, предназначенная для применения в космических моделирующих стендах и тренажерах. Эта система обеспечивает имитацию внешней визуальной обстановки в полях зрения оптического визира ВСК, входящего в состав бортовых средств отечественных пилотируемых транспортных космических кораблей. Технические принципы построения этой системы визуализации не могут быть использованы для решения задачи имитации работы бортового инструментального средства наблюдения земной поверхности, поскольку визир ВСК предназначен для решения других полетных задач экипажа ПКА (сближение и стыковка с орбитальной станцией, ориентация ПКА относительно Земли).
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой полезной модели является система имитации внешней визуальной обстановки (ИВО) в бортовых средствах наблюдения земной поверхности космического тренажера служебного модуля Российского сегмента Международной космической станции (СМ РС МКС), основанная на компьютерной генерации изображений земной поверхности [Система компьютерной генерации изображений «Альтаир», руководство по эксплуатации, ФГБУ «НИИ ЦПК имени Ю.А. Гагарина, 2003]. Эта система ИВО, принимаемая за прототип, представляет собой комплекс программно-аппаратных средств, включающий в себя комплект программного обеспечения и следующие основные аппаратные средства: формирователи изображений каналов имитации иллюминаторов СМ РС МКС, управляющая ЭВМ, сетевой коммутатор, системный коммутатор, средства управления и контроля формирователей изображений, устройство коммутации видеосигналов, устройства воспроизведения изображений (УВИ) в иллюминаторах рабочего места космонавта-оператора (РМО) тренажера СМ РС МКС, средства отображения информации пульта контроля и управления (ПКУ) тренажера.
Недостатками известной системы ИВО являются невозможность отработки космонавтами важных практических навыков, необходимых для успешного выполнения сеансов ВИН с использованием инструментальных средств визуального наблюдения и регистрации (бортовой фотокамеры), а также низкий уровень разрешающей способности формируемого изображения земной поверхности 1000 м на пиксел, что не соответствует условиям наблюдения Земли невооруженным глазом с высоты 350-400 км, которые должны быть в диапазоне 120-150 м на пиксел. Указанные недостатки существенно ограничивают обучающие возможности тренажера при подготовке космонавтов к решению задач в области геофизических исследований и мониторинга Земли с борта ПКА методом визуально-инструментальных наблюдений.
Технической задачей предлагаемой полезной модели является обеспечение возможности моделирования изображения земной поверхности, соответствующего условиям наблюдения Земли не только в иллюминаторах ПКА (наблюдение невооруженным глазом), но и с использованием бортовой фотокамеры с изменяемой кратностью увеличения ее объектива.
Техническим результатом, достигаемым при использовании полезной модели, является расширение функциональных возможностей тренажеров пилотируемых космических аппаратов при подготовке космонавтов к решению задач ВИН земной поверхности в интересах повышения эффективности полетной деятельности экипажей ПКА.
Технический результат предлагаемой полезной модели достигается тем, что в известную систему ИВО, содержащую формирователи изображений каналов имитации иллюминаторов, связанные с видео-коммутатором и сетевым коммутатором, управляющую ЭВМ, связанную со всеми блоками системы, сетевой коммутатор, передающий команды от/для вычислительной системы тренажера, управляющей ЭВМ, формирователей изображений, системный коммутатор, связанный с формирователями изображений и управляющей ЭВМ, устройство коммутации видеосигналов, получающее сигналы от формирователей изображений и передающее их на устройства воспроизведения изображений, устройства воспроизведения изображений в иллюминаторах рабочего места космонавта-оператора тренажера, средства отображения информации пульта контроля и управления тренажера, подключенные к выходам устройства коммутации видеосигналов, средства управления и контроля формирователей изображений, подключенные к системному коммутатору, комплект программного обеспечения, введены формирователь изображений канала имитации инструментального средства наблюдения (бортовой фотокамеры), выход которого подключен к одному из входов устройства коммутации видеосигналов, имитатор бортовой фотокамеры, вход которого подключен к одному из выходов устройства коммутации видеосигналов, а выходы подключены ко входам управляющей ЭВМ, устройство трекинга, сигналы которого поступают на один из входов управляющей ЭВМ. Кроме того, программное обеспечение заявляемой системы ИВО содержит цифровые визуальные модели поверхности Земли для формирователей изображений с разрешением текстур 120-150 м на пиксель для режима наблюдения невооруженным глазом и с разрешением текстур 15-20 м на пиксел для режима наблюдения с помощью инструментального средства (бортовой фотокамеры).
Сущность заявляемого технического решения поясняется чертежом, включающим фигуры 1, 2. На фигуре 1 приведена функциональная схема заявляемой системы имитации внешней визуальной обстановки в бортовых средствах наблюдения земной поверхности космического тренажера, на фигуре 2 приведена функциональная схема заявляемого имитатора бортовой фотокамеры с устройством трекинга.
1
n
1
n
Функциональная схема заявляемой системы ИВО, представленная на фигуре 1, содержит: формирователи изображений каналов имитации иллюминаторов ПКА 1-1; формирователь изображений канала имитации инструментального средства наблюдения (бортовой фотокамеры) 2; управляющая ЭВМ 3; сетевой коммутатор 4; системный коммутатор 5; устройство коммутации видеосигналов 6; устройства воспроизведения изображений в иллюминаторах рабочего места космонавта-оператора 7-7; рабочее место космонавта-оператора на тренажере 8: средства управления и контроля формирователей изображений 9: системный монитор 10, клавиатура 11, манипулятор «мышь» 12; средства отображения информации пульта контроля и управления тренажера 13; имитатор бортовой фотокамеры 14; устройство трекинга имитатора бортовой фотокамеры 15.
1
n
Формирователи изображений (ФИ) 1-1 предназначены для компьютерной генерации полноцветных, текстурированных, управляемых в реальном масштабе времени по командам от вычислительной системы тренажера изображений трехмерных динамических сюжетов внешней визуальной обстановки. Количество формирователей изображений определяется числом моделируемых на тренажере иллюминаторов.
Управляющая ЭВМ (УЭВМ) 3 предназначена для управления формирователями изображений и отвечает за их взаимодействие с вычислительной системой тренажера (ВСТ). Обмен данными в системе ФИ↔УЭВМ↔ВСТ осуществляется по локальной вычислительной сети Ethernet.
Сетевой коммутатор 4 предназначен для обеспечения информационного обмена между аппаратными средствами УЭВМ, ФИ и вычислительной системой тренажера по единой локальной вычислительной сети.
Устройство коммутации видеосигналов 6 предназначено для произвольной коммутации каждого из N сформированных сигналов на потребители видеоинформации тренажера.
1
n
Устройства воспроизведения изображений (УВИ) 7-7 в иллюминаторах рабочего места космонавта-оператора 8 предназначены для обеспечения визуальных условий наблюдения сформированного изображения земной поверхности. Они включают в себя монитор компьютерных сигналов изображения и коллимационное устройство, создающее эффект «бесконечного» удаления плоскости наблюдаемого изображения.
Системный монитор 10, клавиатура 11 и манипулятор «мышь» 12, входящие в состав средств управления и контроля ФИ 9, предназначены для обеспечения доступа к программно-аппаратным средствам УЭВМ и ФИ с помощью системного коммутатора 5.
Системный коммутатор 5 предназначен обеспечивать возможность оператору системы ИВО последовательно подключать клавиатуру, манипулятор «мышь» и системный монитор к системным платам УЭВМ и ФИ каналов.
Средства отображения информации ПКУ тренажера 13 предназначены для визуального контроля инструктором за действиями космонавта при отработке навыков выполнения задач ВИН и содержат мониторы компьютерных сигналов изображения.
Имитатор бортовой фотокамеры 14 предназначен для моделирования на тренажере условий работы космонавта-оператора с реальной бортовой цифровой фотокамерой с изменяемой кратностью увеличения ее объектива при отработке им на тренажере навыков выполнения сеансов визуально-инструментальных наблюдений. Имитатор бортовой фотокамеры 14 представляет собой макет реального бортового цифрового фотоаппарата и содержит: микродисплей 16, окуляр 17, датчик кратности увеличения объектива имитируемой бортовой фотокамеры 18, датчик команды «Спуск затвора» 19, модуль излучателя 20 устройства трекинга 15.
Вход микродисплея 16 соединен с выходом 3 устройства коммутации видеосигналов 6, на вход 2 которого поступают видеосигналы с выхода формирователя изображений канала имитации инструментального средства наблюдения (бортовой фотокамеры) 2.
С выхода 1 имитатора бортовой камеры 14 сигналы датчика кратности увеличения объектива имитируемой бортовой фотокамеры 18 подаются на вход 1 управляющей ЭВМ. С выхода 2 имитатора бортовой камеры 14 сигналы датчика команды «Спуск затвора» 19 подаются на вход 2 управляющей ЭВМ. Выходы датчика кратности увеличения 18 объектива имитируемой бортовой фотокамеры и датчика команды «Спуск затвора» 19 соединены со входами 1, 2 управляющей ЭВМ 3 по интерфейсу USB. Сигналы датчика 18 обеспечивают создание с помощью формирователя изображений 2 визуального эффекта изменения масштаба наблюдаемого космонавтом-оператором изображения земной поверхности в окуляре 17 имитатора бортовой фотокамеры 14, соответствующего трансфокации объектива реального инструментального средства наблюдения. По сигналам датчика команды «Спуск затвора» 19 в формирователе изображений 2 фиксируются и запоминаются кадры сформированного изображения земной поверхности для их последующего анализа при разборе тренировки и оценки инструктором действий космонавта-оператора при отработке навыков выполнения сеансов ВИН.
1
1
Устройство трекинга 15 предназначено для определения в реальном времени линейных и угловых координат имитатора бортовой фотокамеры 14 относительно иллюминатора (УВИ 7) и формирования с помощью управляющей ЭВМ 3 команд управления визуальной моделью Земли формирователя изображений 2. Формируемое изображение поверхности Земли при этом зависит от текущего положения оптической оси виртуального объектива имитируемой бортовой фотокамеры 14 относительно иллюминатора (УВИ 7). Устройство трекинга 15 представляет из себя комбинацию аппаратного и программного обеспечения. В основу его построения могут быть использованы различные физические принципы: акустические, оптические, электромагнитные, инерционные [A. Mulder. “Human movement tracking technology”. Technical report, School of Kinesiology, Simon Fraser University, 1994; C. Youngblut, R.E. Johnson, S.H. Nash, R.A. Wienclaw, and A.W. Craig, “Review of Virtual Environment Interface Technology”, Institute for Defense Analysis, 1996; G. Welch, E. Foxlin, “Motion Tracking: no silver bullet, but a respectable arsenal”, Computer Graphics and Applications, 2002]. Представленное на фигурах 1, 2 устройство 15 использует технологию ультразвукового трекинга. Оно содержит: модуль излучателя с ультразвуковым передатчиком 20, приемные модули 21, модуль управления 22.
1
Модуль излучателя 20 с ультразвуковым передатчиком размещается на имитаторе бортовой фотокамеры 14, приемные модули 21 и модуль управления 22 размещаются в рабочей зоне расположения иллюминатора тренажера (УВИ 7). Модуль управления 22 осуществляет синхронизацию работы всего устройства, обработку данных с приемных модулей 21 и их передачу со своего выхода на вход 3 управляющей ЭВМ 3 по интерфейсам USB или RS-232, RS-422, RS-485.
Комплект программного обеспечения системы ИВО предназначен для синтеза и отображения трехмерных анимационных сцен в реальном времени и управления формирователями изображений от вычислительной системы тренажера. Комплект программного обеспечения содержит программу управления, цифровую визуальную модель земной поверхности, систему отображения визуальных моделей. Основным элементом программы управления является программа ROUTER, которая исполняется на управляющей ЭВМ. Эта программа обеспечивает прием командных пакетов от вычислительной системы тренажера, трансляцию их в локальные сессии каналов формирователей изображений, управление этими каналами и устройством коммутации видеосигналов. Цифровая визуальная модель земной поверхности представляет собой упорядоченную совокупность данных, содержащих графическую информацию о земной поверхности. Система отображения визуальных моделей представляет собой пакет программ, обеспечивающих функционирование каналов формирователей изображений и обеспечивает синтез и отображение трехмерных анимационных сцен в реальном времени.
1
n
1
n
1
n
Система имитации внешней визуальной обстановки в бортовых средствах наблюдения земной поверхности космического тренажера функционирует следующим образом. Формирователи изображений 1-1 обеспечивают формирование изображения поверхности Земли в иллюминаторах тренажера ПКА для его наблюдения невооруженным глазом с помощью устройств воспроизведения изображений 7-7. При этом используется цифровая визуальная модель поверхности Земли с разрешением текстур 120-150 м на пиксель. Сигналы изображений поверхности Земли с выходов формирователей изображений поступают на входы 1, 2, …, n устройства коммутации видеосигналов 6. управляемого с помощью управляющей ЭВМ 3. С выходов устройства коммутации видеосигналов 6 сигналы изображений подаются на устройства воспроизведения изображений 7-7 иллюминаторов рабочего места космонавта-оператора 8. С выхода 3 сигналы изображений поступают на вход микродисплея 16 имитатора бортовой фотокамеры 14, а с выхода 1 сигналы изображений поступают на средства отображения информации пульта контроля и управления тренажера 13.
Формирователь изображений 2 обеспечивает компьютерную генерацию изображения поверхности Земли, соответствующего условиям его наблюдения с помощью бортовой фотокамеры с изменяемой кратностью увеличения ее объектива. При этом используется цифровая визуальная модель с разрешением текстур 15-20 м на пиксел. Выход формирователя изображений 2 соединен со входом 2 устройства коммутации видеосигналов 6, а с его выхода 3 сигналы изображений подаются на микродисплей 16 имитатора бортовой фотокамеры 14. Наблюдение имитируемого изображения Земли на экране микродисплея производится через окуляр 17.
1
Сигналы, несущие информацию о пространственном положении имитатора фотокамеры 14 относительно иллюминатора 7, с выхода модуля управления 22 устройства трекинга 15 поступают на вход 3 управляющей ЭВМ 3. Управляющая ЭВМ 3 формирует соответствующие команды управления визуальной моделью Земли формирователя изображений имитатора бортовой фотокамеры 2, в результате которых создается визуальный эффект изменения положения оптической оси и поля зрения имитируемой фотокамеры относительно иллюминатора, который наблюдается космонавтом-оператором в окуляре 17 имитатора бортовой фотокамеры 14. При воздействии космонавтом-оператором на датчик кратности увеличения объектива имитируемой бортовой фотокамеры 18 с выхода 1 имитатора бортовой фотокамеры 14 на вход 1 управляющей ЭВМ поступают сигналы, по которым управляющая ЭВМ формирует команды управления масштабом имитируемого изображения Земли, отрабатываемые формирователем изображений канала имитации бортовой фотокамеры 2. В результате для наблюдателя создается визуальный эффект изменения кратности увеличения объектива имитируемой бортовой фотокамеры при выполнении сеанса ВИН Земли на тренажере. При выдаче космонавтом-оператором команды с помощью датчика «Спуск затвора» 19 с выхода 2 имитатора бортовой фотокамеры 14 управляющий сигнал поступает на вход 2 управляющей ЭВМ. По этой команде формирователь изображений канала имитации бортовой фотокамеры 2 осуществляет фиксацию и запоминание кадров сформированного изображения земной поверхности с целью их последующего анализа при разборе тренировки и оценки инструктором действий космонавта-оператора при отработке навыков выполнения сеансов ВИН.
Преимуществами предлагаемой системы ИВО перед известной, расширяющими ее функциональные возможности, являются:
1. Наличие в заявляемой системе ИВО формирователя изображений канала имитации инструментального средства наблюдения (бортовой фотокамеры) 2 и имитатора бортовой фотокамеры 14 с устройством трекинга 15 обеспечивают техническую возможность одновременного формирования и отображения изображения поверхности Земли как в иллюминаторах тренажера ПКА для его наблюдения невооруженным глазом, так и в бортовом инструментальном средстве наблюдения, соответствующем реальным условиям его наблюдения с помощью бортовой фотокамеры с изменяемой кратностью увеличения ее объектива.
2. Использование в имитаторе бортовой фотокамеры 14 устройства трекинга 15 обеспечивает техническую возможность отработки космонавтами на тренажере ПКА важных практических навыков наведения оптической оси фотокамеры на объект земной поверхности, его «захвата» на сопровождение и синхронизации движения оптической оси объектива фотокамеры с «бегом» местности в условиях острого дефицита времени сеанса ВИН (30-40 секунд).
3. Использование в заявляемой системе ИВО цифровых визуальных моделей поверхности Земли с разрешением текстур 120-150 м на пиксель для режима наблюдения невооруженным глазом и с разрешением текстур 15-20 м на пиксел для режима наблюдения с помощью инструментального средства (бортовой фотокамеры) позволяет отрабатывать на тренажере навыки обнаружения и распознавания детальных объектов земной поверхности при решении задач ВИН Земли.
Таким образом, предлагаемая полезная модель обеспечивает устранение недостатков известной системы имитации внешней визуальной обстановки космического тренажера, а ее использование позволяет расширить функциональные возможности тренажеров пилотируемых космических аппаратов при подготовке космонавтов к решению задач в области геофизических исследований и мониторинга Земли с борта пилотируемого космического аппарата методом визуально-инструментальных наблюдений.