СПОСОБ АСТРОВИЗИРОВАНИЯ

Изобретение относится к астроинерциальным навигационным системам, в которых основная навигационная информация (счисляемые координаты и курс) корректируется по сигналам, поступающим с выхода астровозирующего устройства.

Известна система астровизирования, реализованная в телеблоке АВ-1СМ, входящем в состав серийной астроинерциальной системы Л41, представленная на фиг. 1 и состоящая из телеблока 1, управляемого следящими системами 2, обеспечивающими его нацеливание в расчетную точку по целеуказаниям, выдаваемым из бортовой вычислительной машины (ЦВМ) 3. Выход телеблока 1 подключен к последовательно соединенным блоку обработки выходного сигнала телеблока 4 и блоку обнаружения визируемой звезды и определения ее координат 5, в которых реализуется обработка выходного сигнала телеблока с целью обнаружения полезного сигнала от визируемой звезды и определения ее координат по следующему способу.

Выходной сигнал и телеблока 1 можно представить как суперпозицию шумовой составляющей, фоновой помехи и полезного сигнала от визируемой звезды при нахождении ее изображения в поле зрения телеблока:

где u - выходной сигнал телеблока;

u_ш - случайная составляющая, представляющая центрированный сигнал типа белый шум;

u_ф - фоновая помеха, которую можно считать постоянной величиной на временном этапе визирования звезды, но величина которой определяется внешними условиями, при которых производится визирование звезды;

u_с - полезный сигнал от звезды при нахождении ее изображения в поле зрения телеблока, который с достаточной степенью точности можно аппроксимировать функцией с центральной точкой симметрии вида

где ρ - расстояние до центра кружка рассеяния;

σ - параметр, определяющий размеры кружка рассеяния.

Стандартным методом выделения полезного сигнала от звезды u_с на фоне выходного сигнала телеблока, представленного в (1), является пороговый метод, заключающийся в том, что полезный сигнал от звезды фиксируется при превышении выходного сигнала телеблока порога u>L, где порог L представляет фиксированное значение, либо формируется по уровню фона при отсутствии звезды в поле зрения телеблока. Однако при наличии фоновой помехи, величина которой в сильной степени зависит от внешних условий визирования звезды, этот метод оказывается малоэффективным, а в ряде случаев вообще неприменимым. Поэтому главной задачей при решении задачи обнаружения звезды является задача компенсации фоновой помехи u_ф. Эта задача была решена на цифровом уровне вычислением свертки σ_s(t), представляющей интеграл произведения оцифрованного выходного сигнала телеблока на измерительный импульс c(t-τ).

где Т - интервал интегрирования;

t - текущее время;

τ - переменная интегрирования;

dτ - шаг интегрирования.

Заменяя операцию интегрирования в (3) операцией суммирования с частотой f=1/τ, получаем

где i - номер текущего измерения;

N - общее количество измерений, фигурирующих в сумме (4);

u_j - текущее значение выходного сигнала телеблока при проведении j-го измерения;

c_i-j - текущее значение измерительного импульса.

При этом измерительный импульс выбирался таким, чтобы интеграл его произведения на константу на временном интервале Т был бы равен нулю, т.е. должен иметь осевую симметрию с осью симметрии, совпадающей с направлением сканирования (интегрирования), что обеспечивает полное исключение фоновой помехи при выполнении условия ее постоянства. В качестве измерительного импульса, удовлетворяющего этому условию, выбран меандр синусоидального сигнала Sin[2π/(t-τ)],

Численное интегрирование свертки сводится к вычислению суммы (4), которая представляет сумму N выходных сигналов телеблока, из которых в силу выбора измерительного импульса (5) первые N/2 сигналов суммируются со знаком плюс, а остальные N/2 сигналов суммируются со знаком минус

На следующем i+1-ом цикле работы системы свертка σ_s(i+1) будет иметь вид:

Из (6), (7) можно записать вычисление σ_s в итерационном виде. Пусть на i-м шаге работы системы имели сумму σ_s(i). Тогда на i-м шаге сумма σ_s(i+1) будет иметь вид:

Для построения схемы вычисления суммы σ_s(i) по (8) вводится накопитель, содержащий N регистров для хранения последних N оцифрованных выходных сигналов телеблока, и циклический счетчик, меняющийся от единицы до N. На i-м цикле работы системы оцифрованный аналого-цифровым преобразователем (АЦП) выходной сигнал телеблока прибавляется к сумме, сформированной ранее на предыдущем цикле работы системы, формируется номер регистра К как сумма значения циклического счетчика и общего числа N регистров накопителя, деленного на два, по модулю общего числа N регистров накопителя, что соответствует логике

K=i-N/2, если i>N/2,

K=i+N/2, если i<N/2,

удвоенное содержимое которого со знаком минус прибавляется к содержимому сумматора-накопителя, формируется номер регистра N как сумма значения циклического счетчика и единицы по модулю общего числа N регистров накопителя, что соответствует логике

N=1, если i+1>N,

N=i+1, если i+1<N,

содержимое которого прибавляется к содержимому сумматора-накопителя, в результате чего содержимое сумматора-накопителя σ_s меняется в соответствии с (8) или, что эквивалентно, в соответствии с (7), после чего значение циклического счетчика увеличивается на единицу по модулю общего числа регистров накопителя, что соответствует изменению его по закону

i=i+1, если i<N,

i=1, если i=N,

и текущее значение выходного сигнала телеблока запоминается в i-м регистре накопителя. Таким образом, обработка выходного сигнала телеблока, построенная по описанному способу, обеспечивает каждый раз суммирование N последних выходных сигналов телеблока по (7) (или итерационно по (8)) и полностью компенсирует фоновую помеху при условии ее постоянства. Кроме того, суммирование N сигналов обеспечивает снижение уровня случайной помехи в N^1/2 раз при условии ее некоррелированности, что повышает отношение сигнал/шум на выходе сумматора-накопителя.

При прохождении изображения звезды через интервал суммирования по (7) на выходе сумматора-накопителя будет сформирован разнополярный импульс, как это показано на фиг. 2, 3. На фиг. 2 изображен сформированный разнополярный импульс при отсутствии случайной помехи u_ш=0, на фиг. 3 изображен сформированный разнополярный импульс при наличии случайной помехи u_ш≠0, при этом момент (или точка) прохождения этого импульса через ноль совпадет с моментом совмещения максимального значения пятна рассеяния с центром интервала суммирования. Способ обнаружения визируемой звезды и определения ее координат можно представить в виде логической структуры, задачей которой является определение этой точки. Поскольку при отсутствии полезного сигнала от звезды сумма σ_s на выходе сумматора-накопителя будет тождественно равна нулю или близка к этой величине при наличии случайной шумовой помехи, определение искомого нуля σ_s строится по следующей схеме:

- вводятся верхний и нижний фиксированные уровни порога ±L и последовательно проверяется выполнение условия σ_s>L. При выполнении этого условия ищется пара соседних значений, таких, что σ_s>0, σ_s+1<0, т.е. пара точек между которыми σ_s пересекала ноль. В качестве искомой точки может быть взята любая из точек σ_s либо σ_s+1. Строго говоря, точность определения искомой точки может быть повышена, если искомая точка будет определяться интерполированием между точками σ_s и σ_s+1. Однако практика показывает, что при достаточно высокой частоте работы рассматриваемой системы и при существующих инструментальных ошибках системы в целом уточнение нуля σ_s путем интерполирования не дает сколько-нибудь существенных результатов в плане повышения точности.

После определения искомой точки проверяется выполнение условия σ_s<-L, которое является подтверждением того, что завизирован точечный источник и определены его координаты. Проверка этого условия обеспечивает дополнительную защиту от ложных захватов источников протяженных сигналов, например таких, как край облака, подсвеченного Солнцем, при работе системы в дневных условиях, что обеспечивает дополнительную помехозащищенность системы.

Компенсация возможных систематических ошибок при определении координат визируемой звезды достигается сканированием в прямом и обратном направлении и последующим вычислением среднеарифметического значения полученных результатов.

Другая координата визируемой звезды определяется движением в ортогональном направлении по прямой, проходящей через вычисленную координату.

При использовании известных телеблоков с единственным чувствительным элементом и малым полем зрения, поиск и визирование звезды проводился физическим сканированием визирной оси телеблока в некоторой заданной области небесного пространства с одновременной обработкой выходного сигнала телеблока по описанному способу, при этом малое поле зрения телеблоков позволяло сделать допущение о постоянстве фоновой помехи. При использовании телеблока, построенного на ПЗС-матрицах, имеющих поле зрения порядка десятка угл. мин и более, экспонируется (фотографируется) целая область небесного пространства с последующим сканированием полученной фотографии этой области, что значительно упрощает и ускоряет процедуру определения координат визируемой звезды. Но при наличии достаточно большого поля зрения роль градиента фоновой помехи, который может меняться в достаточно широких пределах, существенно возрастает. На фиг. 4 представлено в виде диаграммы изображение участка звездного неба и кружок рассеяния, полученный от изображения звезды при наличии градиента фоновой помехи и отсутствии шумовой помехи. На фиг. 5 представлено в виде диаграммы изображение того же участка звездного неба при наличии шумовой помехи при отношении шумовой помехи к амплитудному значению полезного сигнала, равном 0.2. Градиент фоновой помехи приводит к возникновению постоянной составляющей на выходе сумматора-накопителя, что делает решение задачи установки порога L весьма проблематичным.

Основное внимание изобретения направлено на решение такой задачи, как компенсация постоянной составляющей на выходе сумматора-накопителя, вызываемой градиентом фоновой помехи.

Техническим результатом является повышение точности визирования звезды за счет компенсации градиента фоновой помехи.

Технический результат достигается тем, что в способе астровизирования, реализованном системой астровизирования, состоящей из телеблока, управляемого следящими системами, обеспечивающими его нацеливание в расчетную точку по целеуказаниям, выдаваемым из бортовой ЦВМ, выход которого подключен к последовательно соединенным блоку обработки выходного сигнала телеблока и блоку обнаружения визируемой звезды и определения ее координат, при этом для обнаружения визируемой звезды при наличии фоновой помехи высокого уровня формируется накопитель, состоящий из N регистров для хранения N последних выходных сигналов телеблока, и циклический счетчик, меняющийся от единицы до N на каждом цикле поступления выходного сигнала телеблока, и вычисляется свертка путем прибавления к сумме, полученной на предыдущем цикле приема и обработки выходного сигнала телеблока, текущего значения выходного сигнала телеблока, содержимого регистра накопителя, номер которого определяется как значение циклического счетчика плюс единица по модулю N, и отрицательного удвоенного значения регистра накопителя, номер которого определяется как сумма текущего значения циклического счетчика и 1/2 числа N регистров накопителя, взятая по модулю числа N, при этом при поступлении очередного выходного сигнала телеблока циклический счетчик увеличивается на единицу по модулю N, а текущий выходной сигнал телеблока запоминается в регистре накопителя, номер которого определяется значением циклического счетчика, а визируемая звезда считается обнаруженной, как только полученное значение суммы превысит фиксированный порог, после чего фиксируется пара соседних точек, в которых значения сумм будут разных знаков, и линейным интерполированием определяется координата визируемой звезды, после чего с целью повышения помехозащищенности фиксируется превышение суммой по абсолютной величине фиксированного порога другого знака, согласно изобретению с целью повышения точности определения координат визируемой звезды при наличии градиента фоновой помехи высокого уровня номер регистра накопителя, содержимое которого прибавляется к сумме как отрицательное удвоенное значение, определяется как текущее значение циклического счетчика и 3/4 числа N регистров накопителя, взятое по модулю N, и, кроме того, к сумме прибавляется удвоенное содержимое регистра накопителя, номер которого определяется как сумма текущего значения циклического счетчика и 1/4 числа N регистров накопителя, взятая по модулю N, а обнаружение визируемой звезды фиксируется как только вычисляемая сумма превысит по абсолютной величине фиксированный пороговый уровень, а координата визируемой звезды определяется как полусумма координат двух точек, ближайших к точке, в которой вычисляемая сумма имеет максимальное значение по абсолютной величине, и в которых вычисляемая сумма равна нулю.

Таким образом, задача компенсации постоянной составляющей, вызываемой градиентом фоновой помехи, решается соответствующим формированием измерительного импульса c(t-τ) свертки (3). Например, если в качестве измерительного импульса выбрать

то постоянная составляющая, порождаемая градиентом фоновой помехи, будет равна нулю. Действительно, подставляя в (3) линейную функцию u₀+kτ в качестве входного сигнала и (9) в качестве измерительного импульса, получим:

Представив, как и выше, свертку (10) в виде суммы

получим итерационное соотношение для вычисления (11)

Формула (12) отличается от формулы (8) дополнительным слагаемым 2u_r и логикой формирования переменных k и r. Адреса регистров k и r накопителя определяются при вычислении суммы σ_s по (12) как суммы текущего значения i циклического счетчика и числа регистров накопителя, деленного на четыре N/4 по модулю общего числа регистров накопителя (при вычислении k), и суммы текущего значения i циклического счетчика и числа регистров накопителя, умноженного на три четверти 3N/4 по модулю общего числа регистров накопителя (при вычислении r), что соответствует логике их формирования как

k=i-N/4, если i>N/4,

k=i+3N/4, если i≤N/4,

r=i-3N/4, если i>3N/4,

r=i+N/4, если i≤3N/4.

При этом, как следует из (12), при формировании суммы σ_s к содержимому сумматора-накопителя прибавляется содержимое регистра с номером N, взятое со знаком минус, где N формируется как текущее значение счетчика i плюс единица по модулю общего числа N регистров накопителя, удвоенное значение содержимого регистра накопителя с номером k, удвоенное значение содержимого регистра накопителя с номером r, взятое со знаком минус, и выходной сигнал телеблока. Далее текущее значение циклического счетчика меняется, как и в известном способе, и выходной сигнал телеблока запоминается в регистре накопителя, адрес которого определяется текущим значением циклического счетчика. На фиг. 6 представлен (в виде диаграммы) результат вычисления по (12) свертки (10) с измерительным импульсом (9) при отношении полезного сигнала к шуму, равном 5. Как видно из приведенных результатов, постоянная, порождаемая градиентом фоновой помехи, практически (с точностью до случайной составляющей помехи) равна нулю, а на выходе сумматора-накопителя при прохождении через изображение звезды формируется импульс с тремя точками экстремума. Импульс достигает максимального значения, когда изображение звезды полностью симметрично интервалу суммирования. В связи с тем что изменилась форма выходного сигнала сумматора-накопителя, меняется логика работы и способ обнаружения визируемой звезды и определения ее координат. Визируемая звезда считается обнаруженной, если выходной сигнал сумматора-накопителя по своей абсолютной величине превысил некоторый заданный порог, а ее координаты определяются как среднее арифметическое координат двух ближайших к экстремальному значению сигнала σ_s точек, в которых значение этого сигнала будет равно нулю. Координата визируемой звезды Х_зв определяется как среднее арифметическое точек х′ и х′′, ближайших к точке, в которой выходное значение σ_s сумматора-накопителя превышает заданный порог L:

Х_зв=(х′+х′′)/2,

и формируется признак обнаружения визируемой звезды и определения ее координат.