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

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.

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

» 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

УТК ТСНН ШТК ТСНН

Размещение камер ТСНН на КА (вид снизу)

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

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.

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

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)

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

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

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

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

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)

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

Спасибо за внимание!

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»

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

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

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°

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

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

Стенд моделирования стерео-изображений шероховатых поверхностей

Пример стерео-изображений, полученных на стенде моделирования

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

Камеры ШТК на стенде ТСНН

Снимок Луны, полученный УТК ТСНН

Снимки Луны, полученные ШТК ТСНН при различных временах накопления

Наблюдение прохождения звезд через поле зрения ШТК ТСНН