Отработка алгоритма автономного выбора места посадки КА «Фобос-

Грунт» по телевизионным изображениям

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

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

Результаты отработки режима «Посадка» на стенде ТСНН

Результаты отработки режима «Посадка» на стенде ТСНН

Результаты отработки режима «Посадка» на стенде ТСНН

Результаты отработки режима «Посадка» на стенде ТСНН

Результаты отработки режима «Посадка» на стенде ТСНН

Результаты отработки режима «Посадка» на стенде 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).