بخشی از مقاله
چکیده
مهمترین وسیله بر روي هر فضاپیما، وسیله اي است که وضعیت فضاپیما را تعیین میکند. روش هاي زیادي براي تعیین وضعیت وجود دارد ولیکن یکی از روش هایی که بطور وسیعی از آن استفاده میشود ردیاب ستاره است. روشهاي دیگر از جمله سنسورهاي خورشیدي، مغناطیس سنجها یا جاذبهسنجها می-ب اشند که دقت آنها بسیار کمتر از یک ردیاب ستاره است در بهترین شرایط سیستم شامل سنسور خورشیدي و مغناطیس سنج، دقتی در حدود یک دهم درجه دارد.
در حالیکه یک ردیاب ستاره خوب دقتی در حدود چند میلی درجه - حدودا ./ 28 میلی درجه - دارد. ردیاب ستاره متصل به بدنه سنسورهایی هستند که تصاویر دلخواه نواحی مختلف آسمان را گرفته، ستارهها را شناسایی میکنند و وضعیت خودشان را با مقایسه ستارههاي شناسایی شده و ستارههاي موجود در کاتالوگ تعیین میکنند. قبل از اینکه تعیین وضعیت توسط ردیاب ستاره انجام شود ابتدا بایستی ستارههاي درون میدان دید ردیاب ستاره شناسایی شوند.
مسئله مهم در شناسایی اتوماتیک ستاره در سیستم هاي بینایی- مبنا، دستیابی به روشی سریع با قابلیت اعتماد و دقت بالا در انطباق ستارگان استخراج شده از تصویر با مختصات سماوي آنها می باشد هرگاه ردیاب ستاره بتواند حداقل دو ستاره را شناسایی کند می تواند وضعیت خودش را تعیین کند که این وضعیت میتواند به وضعیت فضاپیما که ردیاب ستاره بر روي آن قرار دارد تبدیل شود. در این مقاله پس از تشریح اصول استخراج و شناسایی ونهایتا تعیین ماتریس وضعیت، آنرا بر روي تصویر اخذ شده از یک ایستگاه مورد آزمایش قرار میدهد. نتایج حاصل دستیابی به مولفههاي وضعیت ماهواره با دقت بسیار بالایی را نشان میدهد.
مقدمه
یکی از اولین ایدهها براي ناوبري یک جسم پرنده در آسمان، استفاده از موقعیت اجسام سماوي در آسمان بود. با پیدایش چنین ایدهاي، سیستمهاي ناوبري نجومی سیر تکاملی خود را شروع کردند. در گذشتههاي نه چندان دور سیستمهاي ناوبري نجومی یکی از ارکان مهم و اساسی در هدایت هواپیماها، کشتیها، موشکها و فضاپیماها بودند. لیکن با سرآغاز تکنولوژي مدرن سیستمهاي ناوبري رادیویی در دهههاي گذشته، ناوبري نجومی کم کم تبدیل به یک سیستم پشتیبان گردید و در ادامه با پیدایش GPS، عملا از ناوبري نجومی تنها در ماموریتهاي فضایی استفاده شد. در حال حاظر یکی از مهمترین ارکان سیستمهاي ناوبري فضاپیماها در ماموریتهاي فضایی ردیابهاي ستاره میباشند. این ردیابها با حجم، وزن و توان مصرفی کم از جدیدترین سیستمهاي الکترونیکی و اپتیکی بهره میگیرند.
اکثر فضاپیماها از ژیروسکوپها براي اندازهگیري مداوم سرعت زاویهايشان استفاده میکنند. مشکل عمده د ر بکارگیري ژیروسکوپها در سیستمهاي تعیین وضعیت فضاپیماها این است که با گذشت زمان بایاس آنها دستخوش خطایی تدریجی میشود و این امر باعث خواهد شد که اختلاف وضعیت حقیقی فضا پیما با گذشت زمان با مقدار اندازهگیري شده آن بتدریج افزایش یابد. براي رفع این مشکل نیاز به یک منبع خارجی - خورشد، ماه، زمین و ستارهها - است که خطاي ژیرسکوپها را بطور پریودیک تعدیل کند.
بطور معمول ژیروسکوپها و سنسورهاي منابع خارجی - ردیاب ستاره - در کنار هم در سیستم تعیین وضعیت بکار گرفته میشوند. یکی از مهمترین ملزومات تمامی ماهوارهها از بدو پیدایش، زیر سیستم تعیین و کنترل وضعیت میباشد چرا که بدون آن عملا بهره گیري از ماهواره در جهت انجام ماموریت هاي تعیین شده ممکن نیست. انجام مانورهاي مختلف مداري و حتی حصول مدار از عمومیترین ملزومات تمام اینگونه سیستمها با ماموریتهاي مختلف است.
سیستم تعیین وضعیت که جزء جداییناپذیر سیستم کنترل ماهواره میباشد نقش بسزایی در الگوریتمهاي کنترلی ماهواره ایفا میکند. به منظور توجیه ماهواره در یک سیستم مرجع اینرشیال تعیین وضعیت ماهواره امري حیاتی میباشد. علاوه بر آن با مروري بر تاریخچه ماهوارههایی که بهمنظور شناسایی فضا مورد استفاده قرار گرفتهاند متوجه خواهیم شد که بسیاري از این قبیل ماهوارهها بدلایل نامعلومی در فضا ناپدید شدهاند[3]، یکی از احتمالات وقوع این چنین اتفاقاتی ممکن است بدلیل طبیعت ضعیف ارتباطات بین ماهواره و زمین باشد . آنتن ماهواره بایستی در هر شرایطی بسمت زمین قرار گرفته باشد. محدودهي خطاي مجاز در توجیه آنتن ماهواره کوچک می باشد بطوریکه تجاوز از این حد ممکن است باعث از دست رفتن سیگنال ماهواره شده بطوریکهتوانن مجدد به آن دسترسی پیدا نمود.
تعیین وضعیت عبارتست از محاسبه جهت ماهواره در فضا نسبت به یک مرجع و یا برخی اجرام سماوي مانند زمین که در این روند بکارگیري چند سنسور نصب شده بر روي ماهواره و استفاده از روشهاي مختلف پردازش و ترکیب دادههاي سنسوري امري اجتناب ناپذیر است. ذکر این نکته ضروریست که بررسی وضعیت یک ماهواه میتواند زمینهاي براي کنترل وضعیت و پیشبینی حرکت بعدي آن باشد که شامل دو قسمت پایدارسازي، جهت حفظ وضعیت موجود و کنترل مانور جهت تغییر از یک وضعیت به وضعیت دیگر میباشد.
بطورکلی وضعیت یک ماهواره صلب توسط سرعت زاویه اي و پارامترهاي وضعیت نظیر زوایاي اویلر یا کواترنیونهاي آن تعیین میشود. پار امترهاي وضعیت به حرکت چرخشی بدنه ماهواره حول مرکز جرم مربوط میشود و منظور از تعیین وضعیت، تخمین همین پارامترهاي وضعیت یعنی کواترنیون میباشد. تعیین وضعیت در بسیاري از ماموریتهاي ماهواره نقش حیاتی دارد و ضرورت دارد که به دقت انجام گیرد.
در صورتیکه ماهواره مجهز به سیستمی باشد که بتواند ستارگان را شناسایی نماید، میتوان با استفاده از موقعیت ستارگان، موقعیت ماهواره را بدست آورد. بطوریکه ماهواره قادر خواهد بود موقعیت خود را نسبت به زمین به منظور برقراري ارتباط مجدد بهبود بخشد.
لازم بذکر است که سیستمهاي تعیین موقعیتی نظیر GPS بدلیل عدم دسترسی به سیگنال آن در ارتفاعات بالا قادر نخواهد بود موقعیت ماهواره را تعیین نماید. علاوه بر آن تجهیزاتی همچون مغناطیسسنج و حسگرهاي خورشیدي داراي دقت کمتري نسبت به این دوربینهاي نجومی می باشند. وضعیت ماهواره را میتوان با دقتی بهتر از 1 ثانیه بوسیله روش جدید تعیین نمود .
CCD تصویري از ستارگان حول امتداد قائم تهیه میکند و پس از آن ستارگان استخراج شده از تصویر بایستی با ستارگان موجود در کاتالوگ شناسایی شده تا مختصات سماوي آنها بدست آید شکل - 1 - الگوریتم استفاده از ستارگان در تعیین وضعیت ماهواره را نشان میدهد.
شکل-1 فلوچارت تعیین وضعیت ماهواره با استفاده از ردیاب ستاره
توجه شود که بدلیل مسایل سیاسی و تحریمهاي مختلف مربوطه، کشور ما از دستیابی به بسیاري از سنسورها و تکنیکهاي مربوط به آن محروم است. بسیاري از تکنیکهاي مربوط به تعیین وضعیت نیز در این زمره قرار دارند لذا بایستی راه حل مناسبی جهت مقابله با این چالش اندیشیده شود. لذا این مقاله در این راستا به معرفی روش اتوماتیک در تعیین وضعیت ماهوارهها میپردازد.
حسگر ستاره یاب:
حسگر ستارهیاب یک سیستم تصویر برداري الکترواپتیکی است که بر روي جسم پرنده نصب شده و با تصویربرداري از یک مجموعه ستاره در محدوده میدان دیدش، پردازش و با مقایسه آنها با کاتالوگ ستارهاي، آنها را شناسایی مینماید. با ارسال این اطلاعات به سیستم کنترل، مسیر حرکت اصلاح میشود .[8] ستارهیابها از چهار بخش اصلی تشکیل شدهاند: -1 اپتیک -2 آشکارساز -3واحدالکترونیک و پردازش -4بافل.
یکی از مراحل اساسی در تعیین وضعیت منطبق کردن ستارگان در سیستم مختصات پیکسلی و سماوي میباشد بعبارت دیگر پیدا نمودن نقاط متناظر و بهترین تبدیل بین نقاط، از جمله مراحل کلیدي میباشند. پس از استخراج مراکز ستارگان با استفاده از تکنیکهاي پردازش تصاویر، بایستی آنها را با مختصات سماوي آنها که از کاتالوگ استخراج شده است منطبق نمود. از عواملی که میتواند باعث بروز مشکل گردد وجود نقاط outlier در دادهها و همچنین وجود نویز در دادهها بدلیل خطاي CCD می باشد. مراحل تعیین وضعیت ماهواره با استفاده از الگوریتم پیشنهادي مطابق شکل 1 میتوان بصورت زیر بیان نمود :
-1 تصویربرداري با استفاده از -2 CCD استخراج دقیق مراکز ستارگان -3 تشخیص و اندازهگیري ستارگان -4 تعیین بهترین مدل ریاضی بین مختصات پیکسلی و سماوي ستارگان -5تعیین وضعیت ماهواره
استخراج دقیق مراکز ستارگان:
پس از تصویربرداري از ستارگان بایستی مراکز ستارگان را با دقت بسیار بالایی استخراج نمود بعبارت دیگر هدف از این مرحله یافتن مختصات ستارگان در سیستم مختصات پیکسلی میباشد - علامت بعلاوه در شکل . - - 3 -
شکل : 3 سمت چپ: توزیع شدت پیرامون ستاره تصویر شده بر روي آشکارساز .سمت راست: تشخیص و اندازهگیري ستارگان، هدف از این مرحله یافتن ستارگان متناظر بین تصویر و کاتالوگ میباشد.
با استفاده از الگوریتم پیشنهادي توسط شریفی، صمدزادگان، فرزانه [9] - 2008 - مراکز ستارگان با دقت زیرپیکسل استخراج میگردند
تشخیص و اندازهگیري ستارگان
پس از این مرحله بایستی ستارگان متناظر با ستارگان استخراج شده از تصویر را، در کاتالوگ شناسایی نمود. بعبارت دیگر هدف منطبق کردن ستارگان در سیستم مختصات پیکسلی و سماوي میباشد. شکل - 4 - نمونه اي از تصویر ستارگان به همراه کاتالوگ را نشان میدهد. جهت نیل به هدف مذکور از الگوریتم پیشنهادي توسط شریفی، صمدزادگان، فرزانه [10] - 2008 - استفاده میگردد.
تعیین مدل ریاضی
پس از مراحل فوق موقعیت ستارگان در سیستم مختصات سماوي - , - و سیستم مختصات پیکسلی موجود میباشد چون مختصاتهاي صفحه تصویر - x , y - از ستارگان استخراج شده نمیتوانند بطور مستقیم به مختصات سماوي که از کاتالوگ استخراج شده ارتباط داده شوند، مختصات صفحه مماس ، بعنوان یک واسطه معرفی میگردد.
روابط فوق در صورت وجود مفروضات زیر برقرار میباشند:
الف - محور نوري تلسکوپ از مبدا مختصات روي صفحه عکاسی میگذرد.
ب - صفحه عکاسی بر محور نوري عمود است -
ج - محوربا تصویر دایره نصف-النهار مرکزي، براي اپک t روي صفحه مماس دقیقا یکی است.
د - محور بر محور عمود است.
