(یادداشت فنی) طراحی و ساخت بستر سخت افزاری حسگر ستاره مبتنی بر الگوریتم های ردیابی ستاره به منظور تعیین وضعیت ماهواره

نوع مقاله: مقالة‌ تحقیقی‌ (پژوهشی‌)

نویسندگان

دانشکدة مهندسی برق، دانشگاه علم و صنعت ایران

چکیده

تعیین وضعیت یکی از مسائل مهم و حیاتی در مأموریت‌های فضایی ماهواره‌هاست. در این تحقیق، روش جدیدی برای تعیین وضعیت ماهواره‌ها توضیح داده شده است که براساس آن، فضای جستجو خیلی محدودتر شده و بنابراین، دقت و سرعت روش پیشنهادی در تعیین وضعیت ماهواره افزایش یافته است. در این روش، ابتدا الگوریتم‌های یک ردیاب ستاره برای تعیین وضعیت ماهواره،  پیاده‌سازی و تست می‌شود و  سپس، الگوریتم‌هایی مانند الگوریتم مرکزیابی، شناسایی الگو و در نهایت، تعیین وضعیت بررسی و اجرا خواهد شد. برای اجرای این الگوریتم‌ها به تصاویر با کیفیت بالا از ستارگان نیاز است که باید توسط دوربین ردیاب ستاره تهیه شود. با  این تصاویر برای پردازش‌های لازم به پردازنده منتقل می‌شود و پردازنده براساس الگوریتم‌های طراحی‌شده، وضعیت دوربین و بعد از آن ماهواره را در راستای هر سه محور تعیین می‌کند. به این صورت که ابتدا ویژگی‌هایی برای ردیاب ستاره در نظر گرفته می‌شود و بر اساس آنها فرایند طراحی آغاز می‌شود. یکی از این ویژگی‌ها، محدودۀ دقت تعیین وضعیت حسگر است. در مقالۀ حاضر، این محدوده برای وضعیت در دو محور یاو و پیچ کمتر از 20 ثانیه در مقیاس درجه و برای محور رول کمتر از 100 ثانیه در مقیاس درجه در نظر گرفته شده است. همان‌طور که از نتایج مشخص است، دقتی خیلی بهتر و کمتر از فرضیات اولیه حاصل شده است. همچنین، با اجرای یک االگوریتم مرکزیابی تطبیقی،  دقت حسگر افزایش داده شده است طوری که تنها ستارگان روشن‌تر تصویر، مرکزیابی و براساس آنها تعیین وضعیت می‌شود. زیرا براساس تحقیقات انجام‌شده، مرکز ستارگان روشن‌تر،  دقیق‌تر محاسبه می‌شود. ویژگی مهم دیگر، سرعت اجرای الگوریتم شناسایی است که با پردازنده‌ای با سرعت GHz  1 و اصلاح الگوریتم شناسایی هرمی، زمان کمتر از 15 میلی‌ثانیه حاصل شده است. با توجه به این مدت زمان، نرخ بروزرسانی مطلوب خواهد بود. دانستن مختصات دقیق نقطۀ برخورد بردار فاصلۀ کانونی لنز با آشکارساز تصویر، پارامتر مهم دیگری است که روی دقت تعیین وضعیت اثرگذار است و با انجام کالیبراسیون زمینی برای دوربین می‌توان با دقت خوبی، این پارامتر را تخمین زد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

(Technical Note) Design and Construction of Star Tracker Platform in Order to Satellite Attitude Determination Based on Star Tracking Algorithm

نویسندگان [English]

  • Malihe Hashemi
  • s.Kamaleddin Mosavi Mashhadi
  • S. Majid Esmaeilzadeh
  • Mohammad Fiuzy
چکیده [English]

Attitude Determining is one of the major and critical satellites space missions. In this study, a new method to Attitude determination of satellites is presented. Such that, based on the proposed method search space will be more limited then accuracy and speed of attitude determination in the proposed method has risen. At first in this method, implementation and the test algorithms will be discussed, after these some algorithms, such as navigation, pattern recognition and ultimately attitude determination will be reviewed. In order to implement these algorithm. High quality images of stars which must provided by the star tracker camera requires to implement. Really these images to perform the necessary processing sent to the processor so the processor based on designed algorithms, determines the attitude of camera and satellite in all three axes. This means that some features considered for star tracker and based on them begins the designing process. The range of accurately determination for star tracker is one of these features. In this article, the ranges of two axes of Yao and Pitch less than 20 seconds on the scale of degree are considered and in the roll axis less than 100 seconds is intended. Can show in the results, much better accuracy and less than initial assumptions have been achieved. It also carried out by an adaptive identified algorithm so that the brighter stars are identified and based on their attitude determination, the sensor accuracy have increased. Because of according research, the clearer stars, have more accurate in calculation. The other important feature is the speed of attitude detection which performed by 1 GHz processor, and correct identification of pyramidal algorithm where have reached less than 15 milliseconds. Due to the duration, the desire update rate gained. Other important parameters which influence the accuracy of the attitude determination is knowing the exact coordinates of the intersection point vector of focal length lens with image sensors. By Land calibration for camera with a good accuracy, these parameters were estimated.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Centroid algorithm
  • Pattern Recognition
  • Attitude determination
  • Star tracker
  • Star catalog

[1] R. Shankararaman and M. Lourde, “An Attitude Control of a 3-Axis Stabilized Satellite UsingAdaptive Control Algorithm,” Proc. Int. Conf. on System of Systems Engineering. Los Angeles, pp. 282-287, 2013.

[2] Wertz, J.R. Spacecraft Attitude Determination and Control, Kluwer Academic Publishers, pp. 156-309, 1978.

[3] Segert, T. and Engelen, S., “Development of the Pico Star Tracker ST-200 Design Challenges and Road Ahead,”  25th Annual AIAA/USU, conference on small satellite. pp. 1-6,  2012.

[4] McBryde, C.R. and Lightsey, E. G., “A Star Tracker Design  for CubeSats,” IEEE Trans. Small Satellite, Vol. 55, No. 1, pp. 1-14, 2012.

[5] Xinguo, W., “Exposure Time Optimization for Highly Dynamic Star Trackers,” Int. Journal of Sensors, Vol. 14, No. 3, pp. 4914-4931, 2014

[6] Kolomenkin, M. and Shimshoni, I., “Geometric Voting AlgorithmforStarTrackers,” IEEE Trans. Aerospace and Electronicsystems,” Vol. 44, No. 2, 2008.

[7] Chen, B. and Geng, Y. “High Precision Attitude Estimation Algorithm Using Three Star Trackers,” Proc. Int. Conf. onIntelligent Control and Automation, Beijing, China, 2012.

[8] Rehman, M.U., Jiancheng, F., Saffih, F. and Wei, Q., “Single Star Identification and Attitude Determination in Tracking Mode,” Int. Conf. on Control, Automation and Systems, Seoul, Korea, 2008.

[9] Yang, J., Liang, B., Zhang, T., Song, J. and Song, L., “Laboratory Test System Design for Star Sensor,” Int. Journal of Computers, Vol. 7, No. 4, pp. 1056-1063, 2012.

[10]             Tappe, J., Kim, J.J., Jordan, A. and Agrawal, B., “Star Tracker Attitude Estimation for an Indoor GroundBased Spacecraft Simulator,” AIAA Conference on Modeling and Simulation Technologies, Portland, Oregon, 2011.

[11]             Yang, J., Liang, B., Zhang, T., Song, J. and Song, L., “Laboratory Test System Design for Star Sensor,” International Journal of Computers, Vol. 7, No. 4, April. 2012.