mireabulletinRussian Technological JournalRussian Technological Journal2782-32102500-316XRTU MIREA10.32362/2500-316X-2021-9-3-78-87mireabulletin-330Research ArticleМАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕMATHEMATICAL MODELINGСинтез программных угловых движений космического аппарата дистанционного зондирования Земли с высоким пространственным разрешениемSynthesis of program angular motions of the Earth remote sensing spacecraft with high spatial resolutionhttps://orcid.org/0000-0003-2266-5284ГорчаковС. Ю.GorchakovS. Yu.

Горчаков Сергей Юрьевич, инженер

107078, Москва, Хоромный тупик, д. 4, стр. 1

Sergey Yu. Gorchakov, Engineer

4–1, Khoromnyi tupik, Moscow, 107078 

SYGorchakov@yandex.ruАО «Корпорация «ВНИИЭМ»РоссияVNIIEM CorporationRussian Federation202128062021937887Copyright © Горчаков С.Ю., 20212021Горчаков С.Ю.Gorchakov S.Y.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.rtj-mirea.ru/jour/article/view/330

Рассматривается космический аппарат дистанционного зондирования Земли (КА ДЗЗ) со съемочной оптико-электронной аппаратурой высокого или сверхвысокого разрешений. В процессе съемки регистрируемое изображение постоянно перемещается по матрице фотоприемника с непостоянной и/или избыточной скоростью, неподходящей для данного фотоприемника. Цель статьи состоит в синтезе способа управления ориентацией и стабилизацией КА ДЗЗ, который позволит обеспечить строго заданную скорость движения изображения на фотоприемнике. Предлагается отыскать такой закон движения (функциональные зависимости угловых скоростей КА ДЗЗ от времени), который позволит при его применении в контуре управления компенсировать неподходящие для данного фотоприемника скорости движения изображения. Используемый метод состоит в дифференцировании по времени фундаментального уравнения космической фотограмметрии в направляющих косинусах, а также в дифференцировании матрицы направляющих косинусов, обеспечивающей переход между направляющими косинусами в пространстве изображений и пространстве предметов. Полученный в статье результат – выведенное уравнение космической фотограмметрии в кинематическом виде, а также функциональные зависимости угловых скоростей от времени. В представленной статье составлена математическая модель сканирования изображений ландшафтов Земли с помощью КА ДЗЗ. Полученные функциональные зависимости могут быть применимы при разработке бортовых алгоритмов управления ориентацией и стабилизацией КА ДЗЗ. При реализации в бортовой вычислительной машине управления ориентацией и стабилизацией по полученным функциональным зависимостям может быть обеспечена строго заданная скорость движения изображения в фокальной плоскости бортовой съемочной аппаратуры, а, следовательно, повышено качество сканированного изображения путем улучшения функции передачи модуляции кинематического «смаза» изображения.

The article considers a spacecraft for remote sensing of the Earth with high-resolution or ultra-high-resolution optical-electronic equipment. During the shooting process, the recorded image constantly moves through the photodetector matrix at a non-constant and/or excessive velocity, which is not suitable for this photodetector. The purpose of the article is to synthesize a method for the control of the orientation and stabilization of the remote sensing spacecraft, which will provide a strictly specified velocity of the image motion on the photodetector. It is proposed to find such a law of motion (functional dependences of the angular rate of the remote sensing spacecraft on time), which will allow, when applied in the control loop, to compensate for the image motion velocities that are unsuitable for this photodetector. The method used consists in time differentiation of the fundamental equation of space photogrammetry in the guiding cosines, as well as in differentiation of the matrix of guiding cosines. This provides a transition between the guiding cosines in the space of images and the space of objects. The result obtained in the article is the derived equation of space photogrammetry in kinematic form, as well as the functional dependences of angular rate on time. In the present article, a mathematical model of scanning images of the Earth’s landscapes with the help of remote sensing spacecraft is compiled. The obtained functional dependences can be applied in the development of on-board algorithms for controlling the orientation and stabilization of the remote sensing spacecraft. When implementing orientation and stabilization control in the on-board computer based on the obtained functional dependencies, a strictly specified speed of image movement in the focal plane of the on-board shooting equipment can be provided, and, consequently, the quality of the scanned image is improved by improving the function of transmitting the modulation of the kinematic “smudge” (blurring) of the image.

дистанционное зондирование Земликосмический аппаратизображения ландшафтов Землиматематическая моделькомпенсация кинематического смаза изображенияугловая скоростьremote sensing of the Earthspacecraftimages of Earth landscapesmathematical modelcompensation of kinematic image blurringangular velocityReferencesБородин М.С. Технология трехосного сканирования в оптико-электронной космической съемке. Космонавтика и ракетостроение. 2008;2(51):75−83.Borodin M.S. Technology of three-axis scanning by optronic space imaging systems. Kosmonavtika i raketostroenie = Cosmonautics and Rocket. 2008;2(51):75−83 (in Russ.).Галкина А.С. Синтез программ управления угловым движением космического аппарата для съемки криволинейных маршрутов: дисс. канд. техн. наук. Самара; 2011. 143 с.Galkina A.S. Synthesis of programs for controlling the angular motion of a spacecraft for shooting curvilinear routes: Cand. Sci. Thesis. Samara; 2011. 143 р. (in Russ.).Бутырин С.А., Сомова Т.Е. Оптимизация режимов сканирующей оптико-электронной съемки и 3Dанимация движения спутника землеобзора. В сб.: XVI Всероссийский семинар по управлению движением и навигации летательных аппаратов: сб. трудов. Самара: СГАУ им. С.П. Королева; 2013. С. 30−33.Butyrin S.A., Somova T.E. Optimization of scanning optoelectronic survey modes and 3D-animation of the motion of the remote sensing satellite. In: XVI Vserossiiskii seminar po upravleniyu dvizheniem i navigatsii letatel’nykh apparatov: sb. trudov (Proceedings of the XVI All-Russian Seminar on Traffic Control and Navigation of Aircraft). Samara: SGAU; 2013, p. 30−33. (in Russ.).Сомов Е.И., Бутырин С.А. Алгоритмы наведения и гиросилового управления ориентацией спутников землеобзора при сканирующей оптико-электронной съемке. Механика, управление и информатика. 2012;3(9):61−70.Somov E.I., Butyrin S.A. Algorithms for guidance and gyromoment attitude control of the land-survey satellites at a scanning optoelectronic observation. Mekhanika, upravlenie i informatika. 2012;3(9):61−70 (in Russ.).Сомов Е.И. Аналитический синтез законов гиросилового наведения космических аппаратов информационного назначения. В сб.: XIV Санкт-Петербургская международная конференция по интегрированным навигационным системам: сб. материалов. СПб.: ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор»; 2007. С. 90−92.Somov E.I. Analytical synthesis of the laws of gyro-force guidance of information space vehicles. In: XIV Sankt-Peterburgskaya mezhdunarodnaya konferentsiya po integrirovannym navigatsionnym sistemam: sb. materialov (Collection of materials of the XIV St. Petersburg International Conference on Integrated Navigation Systems). Saint Petersburg: Kontsern “TsNII Elektropribor”; 2007, p. 90−92. (in Russ.).Геча В.Я., Жиленев М.Ю., Горчаков С.Ю., Новоселов С.А. Формулы расчета кинематических параметров орбитальной съемки планеты бортовой оптико-электронной аппаратурой космического аппарата. Вопросы электромеханики. Труды ВНИИЭМ. 2019;173(6):23−32. URL: http://jurnal.vniiem.ru/text/173/23-32.pdfGecha V.Ya., Zhilenev M.Yu., Gorchakov S.Yu., Novosеlov S.A. Formulas for calculating the kinematic parameters of the planet’s orbital survey by the spacecraft’s on-board optic imager when taking into account the required the velocity of the image motion on its photodetector. Voprosy elektromekhaniki. Trudy VNIIEM = Electromechanical Matters. VNIIEM Studies. 2019;173(6):23−32 (in Russ.). Available from URL: http://jurnal.vniiem.ru/text/173/23-32.pdfМетодические указания. Спутники Земли искусственные. Основные системы координат для баллистического обеспечения полетов и методика расчета звездного времени. РД 50-25645.325-89. М.: Изд-во стандартов; 1990. 23 с.Metodicheskie ukazaniya. Sputniki Zemli iskusstvennye. Osnovnye sistemy koordinat dlya ballisticheskogo obespecheniya poletov i metodika rascheta zvezdnogo vremeni (Methodical instructions. Artificial Earth Satellites. The basic coordinate system for ballistic support of flights and the method of calculation of sidereal time). RD 50-25645.325-89. Moscow: Izdatel’stvo standartov; 1990. 23 p. (in Russ.).Petit G., Luzum B. (Eds.). IERS Conventions (2010). IERS Technical Note; 36. Frankfurt am Main: Verlag des Bundesamts für Kartographie und Geodäsie; 2010. 179 p. ISBN 3-89888-989-6Petit G., Luzum B. (Eds.). IERS Conventions (2010). IERS Technical Note; 36. Frankfurt am Main: Verlag des Bundesamts für Kartographie und Geodäsie; 2010. 179 p. ISBN 3-89888-989-6Параметры Земли 1990 года (ПЗ-90.11). Справочный документ. М.: 27 ЦНИИ Министерства обороны России; 2014. 52 с.Parametry Zemli 1990 goda (PZ-90.11). Spravochnyi document (Earth Parameters 1990 (PZ-90.11). Reference document). Moscow: 27 TsNII Ministerstva oborony Rossii; 2014. 52 р. (in Russ.).Динамика летательных аппаратов в атмосфере. Термины, определения и обозначения. ГОСТ 20058-80. М.: Изд-во стандартов; 1981. 54 с.Aircraft dynamics in atmosphere. Terms, definitions and symbols. GOST 20058-80. Moscow: Izdatel’stvo standartov; 1981. 54 p. (in Russ.).Урмаев М. Космическая фотограмметрия. М.: Недра; 1989. 278 c. ISBN 5-247-01273-9Urmaev M. Kosmicheskaya fotogrammetriya (Space photogrammetry). Moscow: Nedra; 1989. 278 p. (in Russ.). ISBN 5-247-01273-9Геча В.Я., Жиленев М.Ю., Федоров В.Б., Хрычев Д.А., Худак Ю.И., Шатина А.В. Поле скоростей движения точек изображения при орбитальной съемке поверхности планеты. Российский технологический журнал. 2020;8(1):97−109. https://doi.org/10.32362/2500-316X-2020-8-1-97-109Gecha V.Y., Zhilenev M.Yu., Fedorov V.B., Khrychev D.A., Khudak Yu.I., Shatina A.V. Velocity field of image points in satellite imagery of planet’s surface. Rossiiskii tekhnologicheskii zhurnal = Russian Technological Journal. 2020;8(1):97−109 (in Russ.). https://doi.org/10.32362/2500-316X-2020-8-1-97-109Бранец В.Н., Шмыглевский И.П. Применение кватернионов в задачах ориентации твердого тела. М.: Наука; 1992. 280 c.Branets V.N., Shmyglevskii I.P. Primenenie kvaternionov v zadachakh orientatsii tverdogo tela (Application of quaternions in solid body orientation problems). Moscow: Nauka; 1992. 280 p. (in Russ.).Markley F.L., Crassidis J.L. Fundamentals of Spacecraft Attitude Determination and Control. New York: SpringerVerlag; 2014. 486 p.Markley F.L., Crassidis J.L. Fundamentals of Spacecraft Attitude Determination and Control. New York: SpringerVerlag; 2014. 486 p.Батраков А.С. Общая модель для расчета и анализа скорости сдвига оптического изображения при съемке земной поверхности. Исслед. Земли из космоса. 1989;4:99−106.Batrakov A.S. General model for calculating and analyzing the shift rate of an optical image when shooting the Earth’s surface. Issledovanie Zemli iz kosmosa = Izvestiya of the Academy of Sciences of the USSR. Atmospheric and Oceanic Physics. 1989;4:99−106 (in Russ.).Бутырин С.А. Кинематический синтез программного углового движения космического аппарата при оптико-электронной съемке Земли. Известия Самарского научного центра РАН. 2007;9(3):664−670. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/kinematicheskiy-sintezprogrammnogo-uglovogo-dvizheniya-kosmicheskogoapparata-pri-optiko-elektronnoy-semke-zemli/viewerButyrin S.A. Kinematic synthesis of the spacecraft programmed attitude motion at the earth optic-electronic survey. Izvestiya Samarskogo nauchnogo tsentra RAN = Izvestia of Samara Scientific Center of the Russian Academy of Sciences. 2007;9(3):664−670 (in Russ.). Available from URL: https://cyberleninka.ru/article/n/kinematicheskiy-sintezprogrammnogo-uglovogo-dvizheniya-kosmicheskogoapparata-pri-optiko-elektronnoy-semke-zemli/viewer

The authors declare that there are no conflicts of interest present.