ЗАДАЧИ БОРТОВОЙ ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ ТЕЛЕВИЗИОННОЙ СИСТЕМЫ НАВИГАЦИИ И НАБЛЮДЕНИЯ ПРИ ПОСАДКЕ НА ФОБОС Г.А. Аванесов, Б.С. Жуков, Е.Б. Краснопевцева, А.А. - презентация

1 ЗАДАЧИ БОРТОВОЙ ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ ТЕЛЕВИЗИОННОЙ СИСТЕМЫ НАВИГАЦИИ И НАБЛЮДЕНИЯ ПРИ ПОСАДКЕ НА ФОБОС Г.А. Аванесов, Б.С. Жуков, Е.Б. Краснопевцева, А.А. Форш Институт космических исследований РАН

2 История космических съемок Фобоса: – Mariner – Viking-1, – Фобос (продолжается) - Mars-Express Научные результаты: поверхность Фобоса картирована с разрешением 7 – 100 м, изучены основные формы рельефа (кратеры и борозды), исследованы локальные фотометрические характеристики поверхности. Проблемы, требующие дальнейших исследований: состав и происхождение Фобоса, внутреннее строение Фобоса, природа борозд на поверхности Фобоса, пылевые кольца Марса.

3 Проект «Фобос-Грунт» (старт – 2011 г.) доставка на Землю образцов грунта Фобоса, проведение исследований с орбиты ИСМ и поверхности Фобоса

4 » Состав и основные характеристики Телевизионной системы навигации и наблюдения (ТСНН) на КА «Фобос-Грунт» Узкоугольная телевизионная камера ТСНН-УТК Широкоугольная телевизионная камера ТСНН-ШТК Звездный датчик БОКЗ-МФ БОКЗ-МФ ТСНН Параметры ШТКУТК 32 1 : 1,7 панхром х : 2 панхром х : 7 панхром х Фокусное расстояние, мм Отн. отверстие Спектр. зоны Размер элемента ПЗС, мкм Кол-во активных элементов Угл. разрешение, угл.сек Поле зрения, град. Мин. угол к Солнцу, град Радиометр. разрешение, бит Масса, кг Энергопотребление, Вт Кол-во приборов Камеры ТСНН оснащены процессорами ADSP с тактовой частотой 24 МГц

5 УТК ТСНН ШТК ТСНН

6 Размещение камер ТСНН на КА (вид снизу)

7 Пространственное разрешение и поле зрения УТК и ШТК при съемке Фобоса ПараметрРасстояние до поверхности Фобоса Орбита наблюдения: км КСО: км Участок спуска: 30 км – 10 м УТК: разрешение поле зрения 7.5 – 300 м 7.5 – 300 км 0.45 – 1.5 м 0.45 – 1.5 км 0.45 м – 7 см 0.45 км – 15 см ШТК: разрешение поле зрения 200 – 8000 м 200 – 8000 км 12 – 40 м 12 – 40 км 4 м – 1.3 см 4 км – 4 м

8 Научные задачи телевизионного эксперимента Исследования с орбиты наблюдения, с КСО и при посадке: мелкомасштабная структура форм рельефа Фобоса (кратеров и борозд), пространственные вариации отражательных характеристик поверхности Фобоса и характеристики грунта Фобоса, масса и положение центра масс Фобоса, его однородность, пылевые кольца Марса. Исследования на поверхности Фобоса: пылевая среда близости поверхности Фобоса, либрации Фобоса, его моменты инерции и однородность.

9 Навигационные задачи ТСНН Задачи орбитальных съемок (обработка проводится на Земле): навигационные съемки Марса и Фобоса с орбиты ИСМ, уточнение района посадки (~800 м). Задачи, решаемые при посадке на поверхность Фобоса в реальном времени: автономный выбор места посадки (~10 м), измерение расстояния до поверхности, измерение компонент скорости КА относительно поверхности Фобоса. Измерения расстояния и дальности с помощью ТСНН используются для резервирования данных лазерного высотомера ЛВВ и допплеровского измерителя скорости и дальности ДИСД

10 Общее время спуска: ~40 мин Высота приложения импульс схода: 23.2 км Высота начала торможения: 691 м Высота завершения торможения: 200 м Время падения после завершения торможения: 272 с Скорость соприкосновения с поверхностью: - вертикальная скорость: 1.44 м/с - боковая скорость: 0.34 м/с Режим «Посадка»: параметры снижения (резервный алгоритм)

11 Режим «Посадка»: наиболее важные участки для ТВ измерений Интервал высот ЗадачаИзмерения ТСННКамера 4 км – 800 м (~5 мин) Уточнение высоты приложения тормозного импульса ВысотаУТК 200 м – 50 м (~4 мин) 1. Выбор места посадки 2. Обеспечение требуемой скорости посадки 1. Карта пригодности 2. Высота 3. Боковые смещения БВК: компоненты скорости ШТК

12 Режим «Посадка»: стерео-измерения высоты Используется параллакс хорошо опознаваемых объектов на изображениях, полученных в одноименных камерах на стерео-базе 2 м Ошибка определения высоты по данным УТК Высота10 км4 км2 км1 км800 м500 м300 м Ошибка определения высоты, м Ошибка определения высоты по данным ШТК Высота1 км500 м200 м100 м50 м30 м10 м Ошибка определения высоты, м

13 смещение выбранного опорного объекта на последовательных изображениях позволяет определить (в БВК) боковые компоненты скорости, необходима коррекция изменения ориентации КА и расстояния до поверхности за интервал времени между получением последовательных снимков. Ошибка определения боковых компонент скорости (м/с) по 4-кратно загрубленным изображениям ШТК на интервале времени 6 с Режим «Посадка»: измерение боковых смещений Высота1 км500 м200 м100 м50 м30 м10 м Ошибка определения боковой скорости, м/с

14 Режим «Посадка»: построение карты пригодности поверхности для посадки Карта пригодности: используется в БВК для определения пригодности прогнозируемого места посадки и при необходимости выбора нового, основана на определении относительного среднеквадратического отклонения яркости в окне размером ~10 м дополнительно учитывается близость крупных препятствий и теней

15 Режим «Посадка»: съемка с записью полных изображений во флэш-память Интервал съемки: 6 с УТК: расстояние до поверхности: 30 – 3 км, разрешение: 45 – 12 см, поле зрения: 450 – 45 м, количество записанных изображений: 2 х 12 (записывается каждый 30-й снимок до заполнения флеш-памяти) ШТК: расстояние до поверхности: 40 м – 1 м, разрешение: 2.5 см – 1 см, поле зрения: 16 м – 40 см, количество записанных изображений: 2 х 12 (записывается каждый снимок до заполнения флеш-памяти)

16 Режим «Посадка»: репортажная съемка За время посадки ~40 мин на Землю может быть передано ~ 0.5 * 16 Кбит/с * 40 * 60 с = ~20 Мбит видеоинформации, например, ~30 сжатых снимков размером 500 х 500. Репортажные снимки будут получаться в УТК и ШТК с интервалом 2.7 мин и через БВК передаваться на Землю в реальном времени

17 Спасибо за внимание!

18 Бортовой вычисли- тельный комплекс ШТК No.2 ШТК No.1 УТК No.2 УТК No.1 БОКЗ-МФ No.2 БОКЗ-МФ No.1 УТК – узкоугольная телевизионная камера ШТК - широкоугольная телевизионная камера БОКЗ-МФ – звездный датчик Съемочные системы на КА «Фобос-Грунт»

19 Этап Параметры орбиты Время на орбите Задачи Средства наблюдения 1. Трасса перелета 1 год 1.Калибровки 2.Съемки Марса на подлете ТСНН, БОКЗ-МФ 2. Эллиптич. орбита км, период: 72 час. 3 сут. Съемки Марса, Фобоса, поиск пыли ТСНН, БОКЗ-МФ 3. Орбита наблюдения Радиус 9900 км, период: 8.3 час сут. Съемки Марса, Фобос, поиск пыли ТСНН, БОКЗ-МФ 4. КСО Радиус 9400 км, период 7.7 час. >30 сут. Съемки Фобоса, выбор района посадки ТСНН, БОКЗ-МФ 5. ПосадкаВысота: 30 – 0 км32 мин. 1. Съемки Фобоса 2. Информ. поддержка посадки ТСНН, БОКЗ-МФ 6. ОтлетВысота: 0 – 10 км17 мин.Съемки места посадки БОКЗ-МФ 7. На пов-ти Фобоса Высота: 0 км1 год Либрации Фобоса, Поиск пыли БОКЗ-МФ Основные этапы телевизионного эксперимента в проекте «Фобос-Грунт» и наблюдаемые космические объекты

20 Исследования пылевых колец Марса ПараметрУТКШТК БОКЗ-МФ (после посадки) Максимальное расстояние детектирования частицы, м Ожидаемое число частиц на одном изображении 600– –1.8 12– – – –0.05 Существование пылевых колец Марса, предсказано теоретически, но их прямые экспериментальные наблюдения отсутствуют. Проблема: низкая плотность, по оценкам составляющая в максимуме ~ м -3. ТСНН/БОКЗ-МФ позволяют дистанционно детектировать частицы и оценить их расстояние, размер и скорость Изображение пылевой частицы, получен- ное БОКЗ / «Ямал-200». Расстояние до частицы м, а ее размер – 150 мкм

21 Припланетная навигация на орбите наблюдения: наблюдение прохождения Фобосом поля зрения ШТК Фобос 1Фобос 2 КА 1 КА 2 Расстояние2600 – 2940 км Время прохождения Фобосом поля зрения ШТК (23.3º)~ 2000 c Угол между краем поля зрения и Марсом27-51º Разрешение1.0 – 1.2 км Захват1000 – 1200 км Линейный размер Фобоса на изображении~20 пикселов Количество измерений (с интервалом 6 сек)до ~300 Конец съемки: t=2000 c L=2941 км A=51.3° Начало съемки: t=0 c L=2600 км A=27.3°

22 Съемки Фобоса с финальной КСО КА1 КА3 КА2 Финальная КСО (расстояние 40–80 км) Длина участка2 х 2 км (10º) Расстояние до поверхности55 – 27 км Разрешение:УТК0.82 – 0.40 м ШТК23 – 11 м Смаз:УТК0.06 м ШТК0.001 м Ширина трассыУТК0.82 – 0.40 км ШТК23 – 11 км Среднее перекрытие снимков 60% Количество снимковУТК ШТК1 + 1 Интервал съемки УТК6 – 30 с Фазовый угол30°– 65º КА4 Конвергентная съемка при постоянных углах отражения ±22.5º

23 Выбор района посадки с КСО КА1 КА3 КА2 КА4 выбирается наиболее безопасный район посадки с минимальным количеством опасных неровностей (размером более ~ 0.5 м), выбор осуществляется на Земле по снимкам УТК, полученным с разрешением м, размер района посадки определяется размером эллипса рассеяния (800 х 400 м), среднее расстояние между кратерами, представляющими опасность при посадке, составляет ~40 м (ГЕОХИ), Вывод: при подлете к поверхности необходим автономный выбор ближайшей ровной площадки размером ~10 м и приведение к ней КА

24 Стенд моделирования стерео-изображений шероховатых поверхностей

25 Пример стерео-изображений, полученных на стенде моделирования

26 MIL WiFi шина питания Структура стенда ТСНН отработки режима «Посадка» ИПФ (ШТК-1) ИПФ (ШТК-2) ИПФ (УТК-1) ИПФ (УТК-2) ШТК-1ШТК-2УТК-1УТК-2 КИА ТСНН

27 Камеры ШТК на стенде ТСНН

28 Снимок Луны, полученный УТК ТСНН

29 Снимки Луны, полученные ШТК ТСНН при различных временах накопления

30 Наблюдение прохождения звезд через поле зрения ШТК ТСНН