Б.С. Жуков, С.Б. Жуков Институт космических исследований РАН

Отработка алгоритма автономного выбора места посадки КА «Фобос-

Грунт» по телевизионным изображениям

Б.С. Жуков, С.Б. ЖуковИнститут космических исследований РАН

http://www.iki.rssi.ru/

Состав и основные характеристики камер Телевизионной системы навигации и наблюдения (ТСНН) на КА «Фобос-Грунт»»

Узкоугольная телевизионная камера ТСНН-УТК Широкоугольная телевизионная камера ТСНН-ШТК

БОКЗ-МФ

ТСННПараметры

ШТКУТК32

1 : 1,7панхром.

20512 х 512

12918.036102.082

181 : 2

0,4 - 1 7.4

1000 х 100084.823.360101.682

5001 : 7

0,4 - 17.4

1000 х 10003.050.8580102.882

Фокусное расстояние, ммОтн. отверстиеСпектр. зона, мкмРазмер элемента ПЗС, мкмКол-во активных элементовУгл. разрешение, угл.сек Поле зрения, град.Мин. угол к Солнцу, градЧисло разрядовМасса, кгЭнергопотребление, ВтКол-во приборов

УТК ТСНН

ШТК ТСНН

Задачи, решаемые автономно при посадке на поверхность Фобоса: съемка с запоминанием изображений, передача сжатых изображений в реальном времени, ШТК: измерение расстояния до поверхности и бокового смещения (боковой скорости) КА (В.А.Гришин – доклады на данном семинаре в 2010-2011 гг.) ШТК: построение карты неоднородности поверхности и автономный выбор места посадки – наиболее ровной площадки размером ~10 м.

Измерения высоты и скорости КА и автономный выбор места посадки используются в резервном алгоритме посадки на Фобос (при отказе штатных средств – ЛВВ и ДИСД) на участке свободного падения от 200-300 м до 50 м.

Недостаточная производительность процессора камер ТСНН и низкая скорость обмена данными по МКО исключают возможность построения детальной 3-мерной модели поверхности Фобоса в реальном времени.

Вычислительно более простой подход основан на анализе фотометрической неоднородности поверхности

Подход к решению задачи

Постановка задачи

Характеристика рельефа в районе посадки (400 х 800 м) и выбор для посадки наиболее ровной площадки размером ~10 м с высоты 300-50 м.

к Солнцу от Солнца

-90 -60 -30 0 30 60 90α, град.

ρ

1,0

0,8

0,6

0,4

0,2

0

Функция Хапке, описывающая коэффициент яркости ρ темного реголита как функцию фазового угла g и угла наклона нормали к поверхности α

Высота, м 1000 500 250 100 50 25 10Разрешение изображения, cм - исходного - 4-кратно загрубленного - 8-кратно загрубленного - 20-кратно загрубленного

40160320800

2080

160400

104080

200

4163280

28

1640

148

20

0.41.63.28

Поле зрения, м 400 200 100 40 20 10 4Размер площадки, м 32.9 16.4 10 10 6.1 4.2 3.0Число ячеек в окне 2 2 2 6 7 10 18Перекрытие окон 1/2 1/2 1/2 5/6 6/7 9/10 17/18

Принципы построения карты неоднородности: Карта неоднородности строится по 4-кратно загрубленному изображению (250 х 250 пикс.), которое на высотах ниже 50 м дополнительно загрубляется в 2 раза, а на высотах ниже 25 м – в 5 раз.

Изображение разбивается на 25 х 25 ячеек и в каждой ячейке рассчитывается среднее значение μ и относительная дисперсия d = σ2/ μ2.Изображение анализируется в движущемся окне, размер которого соответствует требуемому размеру площадки, с шагом, равным одной ячейке.

Относительная дисперсия в окне D пересчитывается через значения μ и d входящих в окно ячеек

1. Байтовое кодирование карты неоднородности:

map(i,j) = 1000. * D(i,j),

если map(i,j) > 255, то map(i,j) = 255

2. Дополнительный учет теней в пределах окна:

если хотя бы для одной ячейки в пределах окна средняя яркость меньше 0.2 от максимальной, то map(i,j) = 255

3. Учет близости сильных неоднородностей:

map(i,j) =: 0.8*map(i,j) + 0.2 * max[map(i ± w, j ± w )],

где w – размер окна в числе ячеек.

4. Выбор окна с минимальным значением map в качестве места посадки

Исходное изображение Отн. дисперсия ячеек Карта неоднородности

Бортовое программное обеспечение, реализующее данный алгоритм, написано на языках Си и Ассемблер.

Время выполнения операций по построению карты неоднородности на процессоре ADSP-21060 ШТК с тактовой частотой 24 МГц составляет около 0.1 с.

Карта неоднородности передается в БВК наряду с репортажным кадром и результатами измерения высоты и бокового смещения один раз в 6 с.

Алгоритм отработан по реальным изображениям Фобоса, Луны и Марса высокого разрешения, а также по модельным изображениям шероховатых поверхностей.

Стенд моделирования изображений шероховатых поверхностей

Пример стереопары, полученной на стенде моделирования

Построение карты неоднородности поверхности и выбор места посадки по полученному HRSC-SRC на КА Mars-Express изображению Фобоса: image24_417-20081008-5889-6-src-03-PhobosSeries_H1, разрешение 3.2 м (изображение предостав-лено ESA/DLR/FU Berlin, G.Neukum)

0 128 256

Построение карты неоднородности поверхности и выбор места посадки по полученному HRSC-SRC на КА Mars-Express изображению Фобоса: Image21_416-20081008-5870-6-src-04-PhobosSeries_H1, разрешение 3.2 м (изображение предостав-лено ESA/DLR/FU Berlin, G.Neukum)

0 128 256

Построение карты неоднородности поверхности и выбор места посадки по полученному HRSC-SRC на КА Mars-Express изображению Фобоса: Image26_418-20081008-5908-6-src-01-PhobosSeries_H1, разрешение 9 м / пиксел (изображение предоставлено ESA/DLR/FU Berlin, G.Neukum)

0 128 256

Построение карты неоднородности поверхности и выбор места посадки в предполагаемом районе посадки КА «Фобос-Грунт». Использовано полученное HRSC-SRC на КА Mars-Express изображени: 5_h7915__Phobos_LandingSites_H, разрешение 4.4 м / пиксел (изображение предоставлено ESA/DLR/FU Berlin, G.Neukum)

0 128 256

Стенд ТСНН

Результаты отработки режима «Посадка» на стенде ТСНН








Спасибо за внимание!

Дополнительные слайды

Научные задачи ТСНН: мелкомасштабная структура кратеров и борозд, пространственные вариации отражательных характеристик поверхности, характеристики грунта Фобоса, масса и положение центра масс Фобоса, его однородность, пылевые кольца Марса.

Навигационные задачи ТСНН на орбитах ИСМ:

навигационные съемки Марса и Фобоса с орбиты ИСМ,

уточнение района посадки (~800 м, разрешение УТК с КСО до 0.4 м).

Б.С. Жуков, С.Б. Жуков Институт космических исследований РАН

Documents