СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВРЕМЕННОЙ ПРИВЯЗКИ ПРОИЗВОДИМЫХ С КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА СНИМКОВ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ
METHOD OF PRODUCED FROM SPACECRAFT EARTH SURFACE IMAGES TEMPORAL REFERENCE DETERMINING

Изобретение относится к космической технике и может быть использовано для определения временной привязки снимков земной поверхности с космического аппарата (КА).
Важную роль в процессе получения научной информации в космическом эксперименте играют радиотелеметрические системы. С их помощью на Землю передаются сведения об исследуемых процессах и явлениях, а также о работе научной аппаратуры и служебных системах. Используемая в космических экспериментах информационно-телеметрическая система состоит из бортовой части, устанавливаемой на КА, и наземной, связанной с ней радиолинией. Бортовая часть системы содержит устройства восприятия первичной информации, сбора, преобразования и последующей ее передачи в наземную часть системы, имеющую приемные, дешифрирующие (преобразующие), регистрирующие элементы, и средства визуального отображения принимаемой информации.
Для передачи большого объема информации, получаемой в космическом полете, применяются многоканальные радиотелеметрические системы (РТС) с различными методами разделения каналов.
Наибольшее распространение при обеспечении космических полетов получили системы с частотным и временным разделением каналов, что обусловлено рядом их технических и эксплуатационных преимуществ.
При частотном разделении каждому каналу отводится некоторая полоса частот, в пределах которой практически укладывается спектр той части сигнала, которая обеспечивает передачу информации этого канала. При временном разделении каждому каналу периодически предоставляется определенный интервал времени, в течение которого осуществляется передача сигнала данного канала.
Для передачи полученной на борту КА информации измерения от датчиков преобразуются в электрические величины. Электрические сигналы на борту КА поступают на суммирующие и кодирующие устройства, формирующие телеметрический кадр (групповой сигнал). Для разделения информации от каждого из используемых датчиков вводятся специальные адресные признаки. Сформированный таким образом групповой сигнал излучается в пространство и принимается наземными пунктами при пролете КА над ними.
Наиболее простой способ временной привязки телеметрических измерений реализуется в режиме непосредственной передаче (НП) данных на Землю [1] Мановцев А.П. Основы теории радиотелеметрии. М.: Энергия, 1973.
В этом случае поступающая в режиме НП информация автоматически привязывается к используемому в пункте приема информации времени.
Однако данный способ реализуем только при нахождении КА в зоне наземного измерительного пункта.
В процессе полета по орбите космический аппарат периодически оказывается вне зоны видимости наземных измерительных пунктов (для низкоорбитальных аппаратов, в основном и реализуемых в нашей стране, большую часть полета КА не имеет прямой связи с наземными пунктами). Поэтому практически все научно-исследовательские КА имеют в своем составе запоминающие устройства (емкостью до 100 Гбит) для записи электрических сигналов, содержащих информацию об изучаемых явлениях.
Для обеспечения временной привязки информации в телеметрический кадр вводят специальные служебные сигналы, формируемые бортовым генератором эталонного времени. С помощью данных сигналов при наземной обработке и анализе информации определяются моменты времени появления зарегистрированного на борту КА события.
Известен способ, включающий генерацию на борту временных меток и передачу их с измеряемыми параметрами бортовых систем в сформированном телеметрическом кадре на наземный приемный пункт [1] Мановцев А.П. Основы теории радиотелеметрии. М.: Энергия, 1973. Данный способ используется для большинства КА, имеющих устройства записи информации.
В этом случае обеспечивается временная привязка измерений, выполняемых при нахождении КА в любых точках орбиты.
Часть оборудования на КА имеет собственные устройства генерации времени. Например, на орбитальных станциях используется фотоаппаратура, которая имеет собственные устройства генерации времени («встроенные часы»). Такая фотоаппаратура использовалась еще на станциях «Салют» [2] Беляев М.Ю. «Научные эксперименты на космических кораблях и орбитальных станциях». М.: Машиностроение, 1984. Способ определения временной привязки производимых с КА снимков земной поверхности, используемый в этом случае и взятый авторами за прототип, включал генерацию на борту значения времени и передачу его с выполняемыми снимками в массиве телеметрических данных на наземный приемный пункт.
Однако, как показывает опыт, практически всегда имеет место погрешность в формировании генератором эталонного времени. Это приводит к своеобразному «уходу» генерируемых временных меток и появлению временной ошибки Δt, которая, в некоторых случаях, может достигать 2-3 мин. Появлению погрешности временной привязки способствует изменение температуры устройства генерации времени.
Ошибка временной привязки снимков земной поверхности с КА приводит к трудности опознавания полученной информации. В случае отсутствия на снимке объектов, которые могут служить ориентирами при дешифрировании, привязать по времени и обработать такой снимок часто не представляется возможным.
Особенно актуальной задача определения точной временной привязки снимков земной поверхности является для российского сегмента Международной космической станции (МКС). На МКС космонавты используют для съемки различную фотоаппаратуру, в том числе и ручную. Базовыми данными при обработке снимков является момент времени съемки, автоматически фиксируемый фотоаппаратом. К сожалению, этот параметр не всегда оказывается точным, поскольку зависит от равномерности хода встроенных часов фотоаппарата и требует постоянной подстройки экипажем. На такой контроль иногда не хватает времени, особенно в случае необходимости быстро снять новый обнаруженный объект, вне программы плановых съемок, т.е. не имея достаточно времени на подготовку.
Но если хотя бы по одному из снимков выполненной серии съемок с неточным временем удается рассчитать действительное положение МКС на орбите для данного снимка, то тогда становится возможным восстановить и точное время съемок, так как момент времени для известного положения МКС сравнительно легко вычисляется. Затем полученную поправку времени можно учесть и в остальных снимках данной серии и даже во всех последующих снимках до корректировки хода часов, поскольку скорость «ухода» встроенных часов фотоаппарата примерно постоянна и сильнее всего зависит от температуры фотоаппарата.
Техническим результатом предлагаемого способа, является обеспечение точной временной привязки снимков земной поверхности с КА.
Г
Г
Технический результат достигается тем, что в способе определения временной привязки производимых с космического аппарата снимков земной поверхности, включающем генерацию на борту значения времени и передачу его с производимыми снимками в массиве телеметрических данных на наземный приемный пункт, поддерживают на борту космического аппарата постоянную температуру для стабильной работы аппаратуры генерации значений времени в процессе съемки, выполняют ортотрансформирование выбранного снимка, определяют по ортотрансформированному снимку положение в пространстве точки, из которой выполнялась съемка, измеряют параметры орбиты космического аппарата и определяют по ним момент времени нахождения космического аппарата на минимальном расстоянии от точки, из которой производился выбранный снимок, определяют погрешность временной привязки выбранного снимка Δ как разность между определенным моментом времени и генерируемым на борту значением времени t и временную привязку снимков земной поверхности t определяют по формуле t=t+Δ.
Исходными данными для решения задачи определения точной временной привязки служит опознанный и координатно привязанный (ортотрансформированный) цифровой снимок, т.е. снимок, для которого рассчитаны географические координаты каждого пикселя изображения.
Для расчета точки съемки (точки нахождения фотоаппарата) на снимке анализируются определенные пиксели - центральный пиксель снимка и пиксели, лежащие на окружности, вписанной в прямоугольник снимка. Поскольку координаты каждого пикселя известны, рассчитывается множество значений расстояний от центрального пикселя снимка до всех лежащих на окружности пикселей и выбираются такие два противолежащих от центральной точки пикселя, расстояния до которых от центрального пикселя наибольшие.
Воображаемая окружность, вписанная в снимок, преобразуется на земной поверхности в фигуру, близкую к эллипсу (пересечение сферы с конусом), причем искомая точка фотоаппарата оказывается лежащей в плоскости главного вертикала, проходящей через центр снимка, две точки большой полуоси эллипса (две выбранные точки с максимумом расстояния) и центр Земли.
Таким образом, пространственная задача сводится к более простой, отраженной на фиг. 1.
На фиг. 1 обозначено:
- S - искомая точка съемки;
- В - точка земной поверхности, соответствующая центру снимка;
- АВ и ВС - наибольшие расстояния от точки В;
- α - угол «полураствора» снимка (арктангенс угла, определяемого известным фокусным расстоянием и размером матрицы с постоянной зарядовой связью, известным для заданного типа фотоаппарата);
- τ - угол, учитывающий сферичность земной поверхности и определяемый из треугольника ABC
Из анализа углов α, β, γ, δ, ε приведенной на фиг. 1 системы треугольников и теоремы синусов следует, что:
AB/sinα=BS/sinβ; BC/sinα=BS/sinγ;
2α+β+γ+δ+ε=π; π-2α-δ-ε=τ-2α; β=τ-2α-γ;
Из этих соотношений определяется угол γ:
tgγ=sin(τ-α-α)/(cos(τ-α-α)+BC/ΛB)
или tgγ=(sinτ*cos2α-cosτ*sin2α)/(cosτ*cos2α+sinτ*sin2α)+BC/AB).
Определив угол γ, можно определить и угол β. После чего вычисляется расстояние от точки съемки S до центра снимка В как: BS=AB*sinβ/sinα.
Для перехода от решения плоской задачи обратно к пространственной учитывается тот факт, что векторы ОВ и BS лежат в одной плоскости и угол между ними известен. Если выбрать «связанную» систему координат (СК), ось Y которой проходит через ОВ, ось X лежит в плоскости ОАВ и ось Z дополняет СК до правой или левой, то в такой СК вектор BS имеет только X и У - координаты как проекции BS на ОВ и направление, перпендикулярное ОВ, т.е. как BS*sin ρ и BS*cos ρ, где ρ - угол между ОВ и BS. Поскольку географические координаты точки В известны из ортотрансформирования снимка, то известен радиус-вектор ОВ в инерциальной СК, имеющей начало в центре Земли. Таким образом, можно составить матрицу перехода от такой инерциальной СК к выбранной выше «связанной» СК. Умножив вектор BS в «связанной» СК на эту матрицу перехода, получаем вектор BS уже в инерциальной СК. А сложив этот вектор с радиус-вектором ОВ, получаем радиус-вектор OS в инерциальной СК, т.е. искомое пространственное положение точки съемки S. Измерив параметры орбиты КА, можно определить по ним момент времени нахождения КА на минимальном расстоянии от точки S, из которой выполнялась съемка.
Для устранения влияния температурных факторов на погрешность временной привязки снимков земной поверхности с борта КА на нем необходимо поддерживать постоянную температуру.
В настоящее время технически все готово для реализации предложенного способа на российском сегменте МКС. Для съемки земной поверхности на МКС имеется комплект фотоаппаратуры. Для генерации на борту значения времени имеются генераторы времени и встроенные в фотоаппаратуру часы. Для передачи на наземный пункт могут использоваться существующие телеметрические системы БИТС, БСР-ТМ и др. Для поддержания постоянной температуры на МКС может использоваться существующая система терморегулирования СТР. Определение параметров орбиты КА может осуществляться с помощью приемников спутниковых навигационных систем GPS или ГЛОНАСС. Для определения положения точки, из которой выполнялась съемка, определения момента времени нахождения КА на минимальном расстоянии от этой точки, определения погрешности Δ и временной привязки снимков t может использоваться БЦВМ или другие вычислительные устройства.
Предлагаемый способ позволяет определять временную привязку снимков земной поверхности с космического аппарата, в случае наличия изменяющихся во времени погрешностей в формировании бортовых временных меток. Погрешность получаемой данным способом временной привязки оказывается менее 1 с.
Источники информации
1. Мановцев А.П. Основы теории радиотелеметрии. М.: Энергия, 1973.
2. Беляев М.Ю. «Научные эксперименты на космических кораблях и орбитальных станциях». М.: Машиностроение, 1984.