автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.16, диссертация на тему:Автоматизация спектрофотометрических исследований и экспериментов на борту ИСЗ

РТ6

. 7 Ж0« ^^ОССИПСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

ИНСТИТУТ КОСМИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ

На правах рукописи УДК 520.6:681.7

БИТАР БАЯН

АВТОМАТИЗАЦИЯ СПЕКТРОФОТОМЕТРИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ И ЭКСПЕРИМЕНТОВ НА БОРТУ ИСЗ

по специальности (05.11.16 -информационно-измерительные системы)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1993

Работа выполнена в Институте космических исследований Академии Наук РФ

Научные руководители: кандидат физико-математических наук Балебанов Вячеслав Михайлович

кандидат технических наук Васильев Евгений Михайлович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор К.В.Черевков (Российский НИИ космического приборостроения)

кандидат технических наук, доцент Р.Б.Мазепа (Московский авиационный институт)

Ведущая организация: ИРЭ РАН г.Москва

Защита диссертации состоится 22 июня 1993 г. в 10.00 часов на заседании Специализированного Ученого совета Д 002.94,03 Института космических исследований РАН в конференц-зале Института по адресу: г.Москва, Профсоюзная ул., 84/32.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИКИ РАН Автореферат разослан 1993 г.

Ученый секретарь

Специализированного .Совета ________

кандидат технических наук ^^ЦсуХьС^М.Я Натензон

Актуальность темы. Спектрофотометрические исследования и картографирование характеристик атмосферы, ионосферы и поверхности Земли с помощью получения изображений с космического аппарата (КА) становятся все более важным источником информации для решения ряда научных и практических задач геофизики, физики атмосферы, геологии, океанологии, климатологии и т.д., а также экологических проблем,связанных с загрязнением окружающей среды. В последнее десятилетие существенное развитие получили бортовые изображающие системы дистанционной диагностики процессов, происходящих в атмосфере Земли и планет, и мониторинга характеристик их поверхности. Методики такой диагностики в зависимости от конкретных направлений исследований основываются на получении на борту КА мгновенных изображений либо монохроматических (в конкретных длинах волн, соответствующих конкретным эмиссиям атмосферы) с помощью изображающих камер, либо мультиспектральных (в различных диапазонах отраженного солнечного света) с помощью видеоспектрометров.

У каждого из этих направлений исследований и мониторинга есть свои специфические экспериментальные 'особенности. Однако общим для них является получение с изображающих приборов, больших объемов данных и необходимость передачи на Землю максимума информации, которая в них содержится, при имеющихся ограничениях телеметрического тракта. Этого можно достичь, используя высокоэффективные алгоритмы сжатия данных на борту КА в реальном времени и проводя гибкое и адаптивное управление экспериментами, включающее анализ научных данных на борту при большом объеме сопутствующих вычислений.

Поэтому разработка информационно-измерительных систем (ИИС) для автоматизации работ' при проведении спектрофотометрических исследований как на пилотируемых космических аппаратах, так и на автоматических ИСЗ является актуальной ■ научно-технической задачей.

Цель и задачи работы. Целью работы является разработка и создание "интеллектуальной" информационно-измерительной системы для автоматизации спектрофотометрических исследований и экспериментов на борту ИСЗ, которая должна обеспечивать сбор, обработку и выбор наиболее информативной части данных, получаемых от научных приборов для передачи их на Землю, с учетом ограничений

характеристик командной линии и телеметрической системы сбора и передачи данных.

Для достижения этой цели на первом этапе была разработана автономная ИИС для проведения эксперимента с интерферометром и фотометром "Босра" на борту ОС "МИР", которая должна была обеспечить при участии космонавта в управлении экспериментом решение следующих задач:

-проведение эксперимента в различных режимах: в автоматическом, когда режим работы интерферометра выбирается по величине разности скорости счета фотонов в максимуме и минимуме интерференционной картины, и в ручном, когда режим работы устанавливается космонавтом-оператором по этому же признаку, определяемому им по цифровой индикации на пульте управления прибором;

-повышение чувствительности измерительных каналов, детекторы которых построены на фотоумножителях. Для этой цели был использован ряд методов и создзн предварительный малошумящий усилитель;

-обеепечение записи регистрируемых данных измерений на компакт-кассете цифрового магнитофона, встроенного в КИС прибора "Босра";

-разработка аппаратных средств и программного обеспечения (ПО) для наземной обработки данных и получения научных результатов.

ИИС прибора "Босра" и ее программное _обееден£цяе—сс~дг.;;1«" — -сгтором-совместно с коллегами из ИКИ РАН в лабораториях Центра научных исследований и разработок (ЦНИР) в городе Дамаске в рамках подготовки научной программы совместного советско-сирийского полета в 1987 г. Сборка, физическая настройка и испытания прибора в целом были проведены при участии специалистов ИКИ н ОКБ ИКИ.

На втором этапе работы были разработаны структура и лабораторный макет ИИС, предназначенной для обслуживания выскоинформативного изображающего комплекса "Диагноз" и ряда других научных приборов, устанавливаемых на борту автоматических ИСЗ. Эта работа проводилась по техническому заданию, подготовленному автором совместно с коллегами из ИКИ РАИ, а технический проект и создание лабораторного макета системы осуществлялись автором к его коллегами в лабораториях ЦНИР.

На этом этапе решались следующие задачи:

-разработка системы управления работой измерительного тракта (выбор длительности экспозиции и скважности получения изображений, защита детекторов от ярких засветок, термос!абилнзация отдельных узлов, считывание и оцифровка данных с ПЗС-матриц);

-выбор структуры системы центрального процессора (СЦГ1) и элементной базы, используемой для ее построения, с целью получения необходимой производительности ИИС:

-разработка высокоэффективных алгоритмов сжатия данных изображений;

-разработка алгоритмов расчета координат центра масс спутника, подножной точки магнитной силовой линии на высоте изображения и текущей ориентации спутника для обеспечения адаптивного выбора режима работа научной аппаратуры;

-разработка комплекса мер по повышению надежности аппаратных средств и ПО.

Для обеспечения необходимой производнтельност" ИИС разработана структура, основанная на использовании универсального цифрового сигнального процессора (ЦСП) типа TMS320C-30 фирмы' Texas Instrument, внутренняя архитектура и набор команд которого ориентированы на выполнение параллельных операций. Этот процессор выполняет операции умножения и сложения одновременно за 60 не. Такие характеристики процессора позволяют реализовать процесс сжатия данных по выбранным алгоритмам и проведение вычислений сопутствующих параметров. Кроме того, для повышения эффективности работы ЦСП в состав ИИС входят специально разработанные: два входных процессора, осуществляющих автономно сбор данных с детекторов изображающих приборов; выходкой процессор для автономного обмена данными между ИИС и телеметрической системой ИСЗ, а также система сбора аналоговых данных, рассчитанная на 16 входов (с расширением до 32). Для всех этих разработок были использованы программируемые -логические элементы (ПЛЭ) третьего поколения фирм Altera и Xilinx. ПЛЭ также использовались при создании схемы декодирован»:! адресов микросхем буферов и системной памяти, состоящей из двух банков оперативного запоминающего устройства ¡ОЗУ) по 1 Мбайту каждый с временем доступа 35 кс к двух банков постоянного запоминающего устройства (ПЗУ) по 256 кбайт каждый.

Для создания программного обеспечения с целью устранения избыточности данных изображений был проведен детальный анализ методов и алгоритмов сжатия данных. На основе этого анализа для реализации в ИИС комплекса "Диагноз" были выбраны алгоритмы двумерного дискретного косинусного преобразования, позволяющие проводить преобразование матриц исходных изображений, разбивая их на блоки переменных размеров (4*4, 8*8 и 16*16 пикселов) в зависимости от выбранного режима работы изображающих приборон.

При разработке алгоритмов сжатия были учтеиы вычислительные возможности применяемого в ИИС цифрового сигнального процессора, который выполняет операции умножения и сложения в одной команде.

Суть этих алгоритмов заключается в ' следующем: заранее рассчитывается матрица коэффициентов СК0Эф в зависимости от выбранного размера блохов преобразования, например, 8*8 . или 16*16 пикселов, и запоминается в ОЗУ. Затем выполняется первое матричное умножение и транспонирование полученной матрицы. После этого транспонированная матрица умножается йа матрицу коэффициентов Скоэф и результат кодируется в соответствии с выбранным алгоритмом.

Исследования алгоритмов сжатия (на лабораторном макете в ЦНИР) на тестовых изображениях, с размерами 256*192 пикселов (8 бит для каждого пиксела) аали следующие результаты: число операций умножения-сложения для изображения с блоками 8*8 пикселов - 811008 операций, а для изображения с блоками 16*16 пикселов •- 1622016._______

Для ■ кодирования блоков преобразованных изображений разработаны алгоритмы, которые базируются на оценке величин членов этих' блоков. Сначала блок членов делится на подблоки

размером М-»М членов. Первый подблок не кодируется и передается без изменений, а остальные кодируются в зависимости от абсолютной величины наибольшего члена подблока и наличия в нем нулевых строк.

Для расчетов текущих координат центра масс спутника, его ориентации и вычисления координат подкожной точки силовой линии геомагнитного поля, на которой находится спутник, с помощью трассирования на высоту свечения используются алгоритмы, разработанные ранее в ИКИ РАН и адаптированные автором для бортовой реализации.

Начно-техничкскап новизна. Правильность выбранных технических решений первой из разработанных систем была подтверждена при выполнении эксперимента "Босра" на борту СЮ "МИР" по время полета совместного советско-сирийского экипажа в 1987 г. В эксперименте "Босра" удалось провести прямые измерения температуры нейтральной компоненты верхней атмосферы Т в области южного овала полярных сияний с помощью интерферометра Фабри-Перо.

Полуавтоматическая ИИС интерферометра "Босра" обеспечила активное участие космонавта-оператора в управлении экспериментом на основе разработанных оригинальных программ для пстроеннь..: в прибор микропроцессора и пульта управления с дисплеями, а также сбор данных с детекторов прибора и их запись на кассете компактного цифрового магнитофона через специально разработанный интерфейс.

Управление экспериментом и измерения проводились в двух различных режимах:

- в автоматическом, когда мода сканирования интерферометра устанавливается по заданному алгоритму,

в ручном - космонавт сам устанавливает и изменяет требуемую моду сканирования, наблюдая в процессе эксперимента за' скоростью поступления зарегистрированных импульсов, выводимой на устройство индикации пульта управления, или по указаниям экспериментатора с Земли.

Вторая из разработанных автором - автоматическая ИИС предназначена для комплекса "Диагноз". Этот комплекс включает ряд изображающих приборов:

-для исследований характеристик магнитосферно-ионосферных процессов, отображающихся в полярных сияниях, с высоким пространственным и временным разрешением;

-для исследования и мониторинга состояния олоносферы и. других экологических характеристик атмосферы;

Научно-техническая новизна разработанной для этого комплекса ИИС по сравнению, например, с ИИС, использованной в самом последнем из реализованных в области исследований ионосферно-магнитосферных процессов канадско-европейском проекте ГРЕЛА (спутгик запущен в октябре 1992 г.), заключается в том. что ИИС комплекса "Диагноз" позволяет проводить сбор данных с шести детекторов изображающих приборов независимо от центрального процессора (ЦП), корреляционный анализ между

данными изображений и данными других научных приборов и необходимые для этого анализа навигационные расчеты. Кроме того, структура ИИС допускает подключение массовой памяти (в виде двух жестких дисков) через интерфейс SCSI для обеспечен»» набора серии изображений и возможности работы комплекса по "признакам" (например, по градиентам интенсивности эмиссий в одних и тех же областях пространства).

Идеология информационно-измерительной системы проекта "Диагноз" построена так, чтобы она была способна обрабатывать и передавать через телеметрический канал на Землю одновременно цифровые потоки от трех изображающих камер, либо от двух видеоспектромстров. ИИС может также воспринимать в реальном времени данные от ряда других приборов комплекса научной аппаратуры, нацеленных на непосредственные измерения плазменных характеристик вблизи спутника, и проводить корреляционный анализ этих данных с информацией в получаемых изображениях картины свечения верхней атмосферы, с целью выбора приоритетных участков изображений и передачи их на Землю без потерь информации.

При скважности получения изображений один раз в секунду и при работе двух изображающих приборов одновременно максимальный поток данных будет - 800 кбайг/с на неосвещенной части орбиты и 300 кбайт/с - на освещенной.

Поток данных, снимаемый с приборов комплекса "Диагноз", записынается на бортовом магнитофоне телеметрической системы ИГД . хяпяктепчетчк-н—Kiirspcrc~;:a:;—по— скорость —saiihсм,—Так~и~по объему памяти меньше необходимых примерно в 10 раз.

Учитывая ограничения телеметрического тракта для передачи больших объемов информации, с целью устранения избыточности данных изображений с минимальными потерями на систему возлагается либо выбор • наиболее важных участков изображений для передачи их без потерь, либо выбор алгоритмов сжатия для передачи всего поля изображения, либо их комбинация. Для этого необходимо в реальном времени проводить обработку на борту всего потока ■ данных, поступающих с детекторов изображающих монохроматических камер, видеоспектрометров и с другой научной аппаратуры, установленной на ИСЗ. Процесс обработки включает:

- сжатие данных изображений с потерями и без потерь;

- нормирование интенсивности излучения одного и того же участка, зарегистрированной при наблюдениях его под разными

углами в ряде последовательных изображений;

- проведение корреляционного, анализа данных с изображающих камер и данных другой научной аппаратуры, в состав которой входят: магнитометр, измеритель электрического поля; волновой комплекс в широком диапазоне частот; анализаторы распределений потоков электронов и ионов на основе нижеследующих расчетов:

- расчет параметров орбиты по полученным с Земли исходным данным (дата. Х0. V,. Уу V,. 5);

- расчет мгновенной ориентации спутника по трем его осям на основе данных, получаемых от солнечного датчика, магнитометра, датчиков инфракрасной вертикали и датчиков угловых скоростей;

- расчет положения подножной точки магнитной силовой линии на высоте свечения на основе расчета прогноза орбиты, модели магнитного поля и программы трассирования;

- вычисление привязки конкретных элементов изображения к точке с заданными географическими координатами (сферическая геометрия).

Значительный объем вычислений, которые необхо-имо проводить на борту, потребовал разработки оптимальной структуры системы бортового процессора и использования процессора высокой' вычислительной мощности (быстродействие, объем адресуемой памяти). В ИИС хомплекса "Диагноз" структура системы бортового процессора (СБП) основана на использовании универсального цифрового сигнального процессора, а также специально разработанных входных н выходных процессоров с использованием ПЛЭ. Каждый из двух входных процессоров рассчитан на сбор и предварительную обработку данных с двух детекторов: изображающих камер и вндеоспектрометров без участия центрального процессора, а выходной процессор предназначен для передачи обработанных данных из системной памяти в бортовое регистрирующее устройство. (БРУ) телеметрической системы спутника автономно, не занимая время центрального процессора.

Разработанный контроллер интерфейса для обмена данными между ИИС и телеметрической системой ИСЗ с применением программируемых логических элеменов позволяет адаптировать ИИС к телеметрическим системам конкретных ИСЗ с помощью программных средств, не меняя аппаратных.

Учитывая ограничения характеристик командного тракта по количеству команд, закладываемых на борт во время сеанса связи,

я -

в структуре ИИС предусмотрены ресурсы, необходимые для формирования полного набора команд для функционирования комплекса, с использованием кодовых слов режима, которые передаются на борт.

•В рамках построения и разработки этой ИИС были найдены следующие новые научно-технические решения:

-разработанная структура ИИС позволяет наращивать число изображающих приборов до шести без изменения аппаратных средств:

-использование в составе ИИС входного процессора, построенного на базе ПЛЭ третьего й четвертого поколений, выпускаемых рядом . ведущих западных фирм, обеспечивает без участия центрального процессора сбор и первичную обработку данных, снимаемых с детекторов изображающих приборов независимо от параметров ПЗС-матриц, используемых в этих детекторах (например, размеров матрицы), времени экспозиции и скважности получения изображений. При этом алгоритмы первичной обработки можно менять путем перепрограммирования ПЛЭ во время полета;

-разработанная структура и вычислительные мощности ИИС (применяется сигнальный процессор третьего поклення типа T.VLS320C-30 фирмы Texas Instrument) позволяют провести б реальном времени пространственно-временной коррелляцнонный анализ информации, полученной в изображениях с распределениями хараклеристик. плазмы, измеряемых одновременно вблизи спутника;

-разработанный выходной процессор в составе ИИС с использованием ПЛЭ позволяет реализовать любой интерфейс для обмена данными между ИИС и телеметрической системой .-путитш_йрд_ участия центрального процессора;

-структура ИИС допускает включение в ее состав дополнительной массовой памяти (в виде двух жестких дисков через контроллер интерфейса SfcSI) для обеспечения набора серии изображений-с целью адаптивного выбора режима работы комплекса;

-разработанная система сбора аналоговых сигналов с использованием б качестве контроллера ПЛЭ позволяет провести сбор аналоговых сигналов и их оцифровку без участия центрального процессора.

Основные положения н результаты работы, представляемые к защите:

- Создание полуавтоматической ИИС для прибора "Босра", с которым были проведены эксперименты на борту пилотируемой ОС "/ЛИР".

- Создание новой автоматической ИИС, обеспечивающей возможность проведения спектрофотометрических экспериментов с многоцелевым комплексом изображающих приборов нового поколения ("Диагноз") и с другой научной аппаратурой на борту ИСЗ "МЕТЕОР-ЗМ".

- Разработка структуры этой ИИС, в состав которой входят: входные процессоры, система центрального процессора, построенная на цифровом сигнальном процессоре типа TMS320C-30 третьего поколения, - а также разработка програмных средств, которые позволяют получить максимальный объем информации из зарегистрированных на борту данных в рамках ограничений бортовой телеметрической системы.

-Разработка целевых высокоэффективных алгоритмов и программ сжатия данных изображений, расчета орбиты, ориентации спутника, трассирования вдоль магнитной силовой линии н анализа на борту данных приборов для диагностики характеристик плазмы. и околоспутникового пространства, которые позволяют ИИС комплекса "Диагноз" устранить избыточность данных н-эбражений с минимальными потерями информации.

Рекомендации по использованию ИИС "Диагноз". ИИС позволяет' использовать изображающий комплекс "Диагноз" на автоматических ИСЗ различных типов (вращающихся или ориентированных на Землю с трехосной стабилизацией). Разработанный контроллер интерфейса формирует управляющие сигналы интерфейса (стандарт MIL STD-1553B США), используемого на ИСЗ "МЕТЕОР-ЗМ" для обмена данными между научной аппаратурой и телеметрической системой ИСЗ. В случае установки комплекса на ИСЗ с другой телеметрической снстсмой потребуется только перепрограммировать контроллер в соответствии с типом применяемого интерфейса. Функциональные возможности ИИС не фиксированы, что позволяет использовать ее для решения широкого спектра научных задач, где требуются большие вычислительные мощности для ввода и обработки больших потоков данных.

Личный вклад ««тора. Автор принимал непосредственное участие в:

-разработке и создании ИИС прибора "Босра" для измерений на борту ОС "МИР" контура линии А6300Д с помощью конфокального интерферометра Фабри-Перо и интенсивности этой линии с помощью фотометра;

-разработке ПО ИИС прибора "Босра" для проведения сбора и предварительной обработки данных в автоматизированном режиме и активного участия космонавта в управлении экспериментом;

-разработке и создании прибора для чтения ленты с информацией, записанной во время эксперимента "Босра" с целью ввода данных в ЭВМ и обработки полученных данных;

-разработке ИИС изображающего комплекса "Диагноз", создании ее макета и проведении испытаний;

-разработке алгоритмов сжатия и кодирования данных изображений, а также алгоритмов,предназначенных для управления экпери-ментом и уточнения режимов работы приборов комплекса "Диагноз".

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на научных семинарах в 1988-1993 годах: по результатам, полученным в проекте "МАРЕД" во время совместного советско-сирийского полета (г. Москва, 1988 г.), на 40-й сессии международной астронаотической федерации (г. Малага, Испания, 1989 г.), на 3-ей международной научно-технической конференции "Деловые люди и хозяйственное освоение космоса" (г. Москва, 1993 г.), на научных семинарах лабораторий прикладной физики и проектирования электронных систем Центра научных исследований и разработок (г. Дамаск, САР, 1990-1991 гг.), на совместном научном семинаре лаборатории .физики магнитосферных процессов и комплексного отдела ИКИ РАН (г. Москаа, 1992 г.).

Материалы диссертации были доложены на следующих семинарах:

_^да_научном-семинар:-ИсслсмОБатсльстого института""

электроники н прикладной физики Центра научных исследований и разработок (г.Дамаск, декабрь 1992 г.);

-на совместном научном семинаре отдела солнечно-земных связей и комплексного отдела ИКИ-РАН (г.- Москва, май 1993 г.);

Осип иле результаты и выводы, приведенные в диссертации, опубликованы в шести работах.

Объем н структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, содержит У С страниц машинописного текста, рисунков, 3 таблиц, список

цитированной литературы из ^/-{О наименований и ^9 страниц приложений.

- И -

Основное содержание диссертации. Во введении сформулированы задачи, решаемые в данной работе, показаны их актуальность и научно-техническая новизна. Изложены основные положения, выносимые на защиту.

Глава t. Обзор бортовых спектрофотометрических приборов и использованных в них бортовых информационно-измерительных систем

В разделе 1.1 представлен обзор спектрофотометрических экспериментов, проводившихся за последнее десятилетие, с целью дистанционной диагностики магнитосферных процессов и исследований авроральных характеристик со спутников. Приводится сравнительный анализ характеристик трех поколений изображающих приборов, предназначенных для получения глобальных и локальных изображений полярных сняний в видимой и ультрафиолетовой областях спектра, и их ИИС, которые были установлены на борту ИСЗ различных типов.

К первому поколению относятся изображающие приборы с невысоким пространственным разрешением, которые были установлены на борту ИСЗ ISIS—2, DMSP, KYOKKO, DE-1 и HILAT. В них в качестве детекторов использованы фотоумножители, диссекторы, телевизионные трубки.

Ко второму поколению относятся изображающие приборы, стоявшие на борту ИСЗ VIKING и EXOS-D, в которых применялись в качестве детекторов ПЗС-матрицы различных размеров, что позволило существенно увеличить пространственное разрешение получаемых изображений.

К этому ' же поколению относятся изображающие камеры, работавшие в октябре-ноябре 1992 г. на канадско-европейском спутнике FREJA, и камеры прибора UVAI. готовящегося к запусг-.у на спутнике "Авроральный зонд" в проекте "Интербол" в 1994 г., однако ИИС в этих двух приборах получили дальнейшее развитие особенно в части программного обеспечения.

Приводятся предварительные данные о методических преимуществах - экспериментов с авроральным изображающим комплексом, расположенным на подвижной следящей платформе в готовящемся проекте европейского космического агентства AURlO-1, реализация которого планируется на конец 90-х годов.

В разделе 1.2 приведен анализ характеристик датчиков изображающих приборов, построенных на ПЗС-матринах. Рассматриваются характеристики усилителей яркости, построенных на

микроканальных пластинах, влияющих на качество изображений.

В разделе 1.3 выявляются основные тенденции развития спектрофотометрическнх исследований и экспериментов, касающиеся достижения требуемого пространственно-временного разрешения, типов применяемых детекторов; проведения бортовой обработки; управления экспериментом н применяемых вычислительных средств для построения ИИС

Глава 2. Космический эксперимент и бортовая ИИС для спектрофотометрическнх исследований

В разделе 2.1 приведены вводные замечания, касающиеся вопросов автоматизации бортовых научных экспериментов с помощью современных ИИС

В разделе 2.2 проведен анализ процесса управления космическим экспериментом и роли бортовых ИИС в реализации управления. Обсуждаются способы организации кадра команд н составления циклограмм работы научных приборов, а также вопросы методики проведения эксперимента на основе опыта, полученного во время проведения эксперимента "Босра". Рассматриваются вопросы, касающиеся выбора режимов работы научной аппаратуры н возможности их осуществления в зависимости от располагаемых ресурсов ИСЗ. При этом основные вопросы управления рассматриваются с точки зрения оптимального распределения функций между наземным комплексом управления и бортовой ИИС.

В разделе 2.3 приводится определение основных режимов работы ЙИС. обслуживающей комплекс изображающих приборов и другой научной аппаратуры для преодоления ограничений, связанных с возможностями телеметрической системы. Описаны шесть режимов работы изображающих приборов, отличающихся по потоку данных, снимаемых с датчиков, скважности получаемых изображений, времени экспозиции изображений, коэффициенту сжатия и ошибкам восстановления изображений.

Раздел 2.4 посвящен адаптивному уточнению режимов работы ИИС выбранных с Земли, которое считается одной из важнейших функцией, возложенных на ИИС особенно вне зоны радиовидимости ИСЗ. Описываются следующие алгоритмы:

-расчет координат положения центра масс спутника; -уточнение ориентации спутника в реальном масштабе времени, с использованием результатов измерений магнитометра, солнечного датчика и датчика инфракрасной вертикали;

-вычисление координат подножной точки магнитной силовой линии на высоте излучения и ее проекции на плоскость ПЗС-матрицы детектора;

-корреляционный пространственно-временной анализ данных, полученных с изображающих камер и других научных приборов, с целью адаптивного уточнения режима работы научной аппаратуры.

В разделе 2.5 проведен анализ алгоритмов сжатия изображений, снятых ~ с ПЗС-матриц, по степени концентрации энергетического спектра и декорреляции между пикселами сжатого изображения, по отсутствию искажений, свойственных методу типа "образование искусственных блоков"; по коэффициентам сжатия и ошибкам в восстанавливаемом изображении, а также по сложности и трудности технической реализации.

Анализируются алгоритмы сжатия: векторное квантование, быстрое преобразование Фурье, двумерное дискретное косинусное преобразование, адаптивное преобразование и комбинированные алгоритмы. На основе этого анализа проводятся оценки различных алгоритмов и выбор оптимального алгоритма для применения при работе комплекса "Диагноз". Рассматриваются таже алгоритмы сжатия без потерь с использованием древообразных кодов Хавмэна и кодов с переменным шагом квантования.

Раздел 2.6 посвящен анализу выбора структуры ИИС, обеспечивающей сбор данных с научной аппаратуры с максимально возможной скоростью и с запоминанием за определенный интервал времени, с целью выбора режимов работы научных приборов по признакам. Также проводится анализ характеристик программируемых логически^ элементов, являющихся перспективной элементной базой, применяемой в построении ИИС, для повышения ее вычислительной мощности и гибкости модернизации. Рассматривается технология исполнения, внутреняя структура, основные технические параметры и программное обеспечение различных поколений ПЛЭ. Результаты такого анализа были использованы для оптимизации структуры ИИС комплекса "Диагноз", описанной в главе 4.

Глава 3. Информационно-измерительная система полуавтоматического прибора "БОСРА" на борту пилотируемой ОС "МИР"

В разделе 3.1 определяются научные задачи эксперимента "Босра" по исследованию глобального распределения температуры нейтральных частиц Тп и ее зависимости от геомагнитной и солнечной активности. Описывается метод измерения Т с помощь»

интерферометров, по допплеровскому уширению (ширине контура на полувысоте) излучаемой спектральной линии А 6300А. Приводится обзор проводившихся эксперементов для измерений Тп-

В разделе 3.2 рассматривается зависимость полуширины допплеровСкого контура линии А 6300 А [01] от допплеровской температуры Т излучающих атомов и широтная морфология и пространственное распределение кислородной эмиссии Л 6300 А в верхней атмосфере. Приводится диапазон интенсивности излучения Л 6300 А в средних и в высоких широтах, в зависимости от геомагнитной активности.

В разделе 3.3 описывается автономная ИИС прибора "Босра", которая обеспечивает сбор и предварительную обработку данных, снимаемых с двух измерительных каналов прибора: канала фотометра (Ф/М) и канала интерферометра (И/Ф) Фабри-Перо. В каждом канале в качестве детектора использован фотоэлектронный умножитель, работающий в режиме счета фотонов. Описывается работа каждого измерительного канала, состоящего из: импульсного усилителя, компаратора-формирователя импульсов и линейного счетчика (для канала И/Ф - 16-разрядный, а для канала Ф/М - 24-разрядный). ИИС построена на основе восьмибитного процессора типа 8085 фирмы INTEL, работающего на тактовой частоте 6,144 МГц.

Описаны следующие функции ИИС: сбор и предварительная обработка данных с каналов Ф/М и И/Ф , а также сбор служебных данных о состоянии узлов прибора; индикация накопленных

для различных мод сканирования интерференционной картины; управление схемой защиты; интерфейс между ИИС и цифровым магнитофоном; самотестирование и калибровка измерительных каналов в полете с помощью встроенного криптонового источника света; управление экспериментом.

Разработанные автором программное обеспечение и пульт управления позволяют включить космонавта в кс ¡тур управления экспериментом. ПО обеспечивает работу в двух режимах: автоматическом и ручном. Исходя из диапазона изменения интенсивности А 6300 А можно установить (автоматически или с помощью космонавта) пять мод сканирования ступенчатой формы с периодами: 12, 24, 48, 96 и 192 с, с временем накопления импульсов для каждой моды: 0,0625; 0,125; 0,250; 0,5 и 1 с соответственно. Данные измерений записываются на компакт-

кассету встроенного в прибор магнитофона, емкость которой достаточна для записи данных в течение двух сеансов измерений (70 мин).

В разделе 3.4 описывается прибор для считывания информации, записанной на магнитофоне прибора "Босра", и ввода данных в персональный компъютер. Этот прибор, построенный на микропроцессоре типа 8085 фирмы INTEL, обеспечивает ввод данных в РС-АТ со скоростью 1200, 2400, 4800 и 9600 бит/с через последовательный интерфейс RS232-C.

В этом же разделе описывается алгоритм обработки данных, основанный на том, что контуры термализованных линий в ночном и дневном излучении верхней атмосферы на высотах выше 200 км достаточно хорошо соответствуют доплеровскому профилю. Приводится анализ доплеровского контура, осуществляемый с помощью метода "Синтетических контуров". В конце этого параграфа приводятся результаты обработки.

Глава 4. Информационно-измерительная система комплекса "Диагноз" для экспериментов на ИСЗ "МЕТЕОР-ЗМ"

В разделе 4.1 приводятся вводные замечения, касающиеся планируемых измерений с помощью комплекса изображающих приборов, работающих в разных областях спектра, а также измерений, проводимых с помощью другой научной аппаратуры (магнитометр, анализатор заряженных частиц, измеритель электрического поля), для решения поставленных научных задач. Рассматривается несколько возможных вариантов одновременной работы изображающих приборов и другой научной аппаратуры.

В разделе 4.2 рассматриваются детекторы изображающих приборов, построенные на ПЗС-матрицах. Описывается выбор размеров ПЗС-матрицы, исходя из поставленных задач и технических характеристик разновидности технологии ПЗС-матриц. Приводятся основные характеристики усилителя яркости на мнкроканальных пластинах (МКП). Описывается схема защиты детектора от ярких засветок, регистрируемых с помощью измерения тока экрана усилителя яркости нз МКП и других методов. Рассматривается схема оцифровки данных, снимаемых с ПЗС-матриц, и обоснование выбора разрядности аналогово-цифрового преобразователя.

В разделе 4.3 проводится оценка максимально возможного входного потока данных, снимаемых с детекторов изображающих приборов, н ресурсов телеметрической системы ИСЗ "МПТЕОР-ЗМ" и

выявляется необходимость устранения избыточности зарегистрированных данных.

В разделе 4.4 рассматривается ИИС комплекса приборов "Диагноз", состоящая из системы бортового процессора и системной памяти, двух входных процессоров и одного выходного процессора, н определяется вычислительная нагрузка на основе реализуемых алгоритмов. Приводится обоснование выбора структуры системы центрального процессора для выполнения бортовой обработки данных, реализации вспомогательных алгоритмов с целью адаптивного уточнения режимов работы ИИС и управления научным экспериментом. Описываются два варианта структур СЦП: структура, базирующаяся на использовании специализированных сигнальных процессоров (СП), с использованием микропроцессорной системы для управления вычислительным процессом и структура, базирующаяся на применении мощного универсального СП, набор команд которого ориентирован на реализацию параллельных команд, используемых в математических преобразованиях. Проводится анализ структур СЦП, применяемых в различных проектах подобного класса, а также краткий анализ СП, основанных на элементной базе функциональной электроники. Описываются основные характеристики выбранного СП. Показаны возможные интерфейсы для подключения научных приборов. Рассматривается применение ПЛЭ в разработке входных и выходного процессоров, системы сбора аналоговых данных контроля параметров

схем комплекса (например. напряжения_питания,-температуры

отдельных узлов и т.д.) и схем декодирования адресов для выбора нужной микросхемы. Приводятся неиспользуемые дополнительные ресурсы СЦП.

В разделе 4.5 рассматривается влияние радиации на надежность и отказоустойчивость работы ИИС. Анализируются механизмы радиационных повреждений элементов микроэлектроники и сбоев в их работе, вызванные проникающей радиацией. Обсуждается эффект полной дозы и одночастичный эффект для разных тгхнологий микроэлектроники и комплекс необходимых схемных, программных и конструктивных мер для повышения надежности и отказоустойчивости ИИС.

Для контроля работы комплекса в полете в ИИС заложена возможность самотестирования, которая позволяет проводить проверку темновых характеристик ПЗС-матриц, калибровку всего измерительного тракта от встроенного источника света, проверку работы схемы защиты и контроль рабочей программы.

Раздел 4.6 посвящен описанию алгоритма сжатия данных изображений с использованием двумерного дискретного преобразования и алгоритма кодирования с переменным шагом квантования.

В заключении приведены основные результаты диссертационной работы. На основании проведенных аппаратурных и программных разработок для готовящихся спектрофотометрических экспериментов на боргу автоматических спутников и проведенных экспериментов на борту пилотируемой ОС "МИР" в диссертационной работе получены следующие основные результаты и выводы:

1. С помощью автономной полуавтоматической информационно-нзмернтельной системы прибора "Босра" проведены эксперименты на борту ОС "МИР" с интерферометром Фабри-Перо, позволившие получить данные о нейтральной температуре в полярных сияниях.

2. Создана новая автоматическая информационно-измерительная система, обеспечивающая возможность проведения спектрофотометрических экспериментов с многоцелевым комплексом изображающих приборов "Диагноз" нового поколения на ИСЗ "МЕТЕОР-ЗМ".

3. Разработана эффективная структура технических и программных средств этой системы, которая позволяет получить максимальный объем информации из зарегистрированных на борту данных в рамках ограничений бортового телеметрического тракта.

4. Информационно-измерительная система, включающая два входных, выходной и центральный процессоры, позволяет провести одновременно сбор и обработку данных трех изображений за время, соизмеримое с временем экспозиции и считывания данных с детекторов (доли секунды).

5. Использование в структуре системы высокопроизводительного сигнального процессора типа ТМ5320С-30 третьего поколения и программируемых логических элементов типа РРОА-ЯАМ-ВАЗЕО в схемах входных и выходных процессоров обеспечило основу работы интеллектуального программного обеспечения.

6. Разработаны целевые высокоэффективные алгоритмы и программы сжатия данных изображений, расчета орбиты, ориентации спутника, трассирования вдоль магнитной силовой линии и анализа на борту данных приборов для диагностики характеристик плазмы в околсспутниковом пространстве, которые позволяют информационно-измерительной системе комплекса "Диагноз" устранять избыточность данных изображений с минимальными потерями информации.

7. Использование информационно-измерительной системы в составе комплекса изображающих спектрофотометрическнх приборов позволит измерять с максимально высоким пространственным и временным разрешением характеристики явлений, фиксируемых в изображениях, что создает предпосылки к получению новых научных результатов в области диагностики магнитосферных процессов в полярных сияниях и исследованиях озоносферы.

Основные результаты и выводы, приведенные в диссертации, опубликовании в следующих работах:

1. Kuzrnin A.K, Balebanov V.M, Ponomarev Yu. N, Sinitsin V. M., Bitar B, Suleyman. The first results of neutral doppler temperature observation from MIR orbital station. Rep. IFA-89-178, Malaga, Spain, 1989.

2. Битар. Б. Логические программируемые элементы. (Структуры, характеристики и применение). Препринт ИКИ-РАН, Пр-1874, 1993.

3. Битар Б. Информационно-измерительная система изображающего комплекса "Диагноз" для экспериментов на ИСЗ "Метеор-ЗМ". Препринт ИКИ РАН, Пр-1865, 1993.

4. Аккерман М., Битар Б., Васильев Е.М., Крученицкий Г.М., Кузьмин А.К., Малез Д., Пономарев Ю.Н., Пчтаннн Ю.Н., Симов П., Чиков КН. Научный комплекс для дистанционного мониторинга атмосферы, подстилающей поверхности и ионосферы в УФ- и видимом диапазоне из космоса ("Диагноз"). Сб. трудов 3-й международной -научно- технической конференции "Деловые люди и хозяйственное освоение космоса". Москва, 1993, с.33-41.

5. Битар Б., Касперович Л.В., Пономарев Ю.Н. Сжатие данных в спектрофотометрическнх экспериментах на ИСЗ. Препринт ИКИ РАН, Пр-1867, 1993.

6. Аккерман М., Бабкин В.Ф., Битар Б., Васильев Е.М., Крученицкий Г.М., Кузьмин А.К., Малез Д., Пономарев Ю.Н., Потанин Ю.Н., Симон П., Чиков К.Н. Изображ ющий комплекс "Диагноз"для дистанционного картографирования характеристик атмосферы, подстилающей поверхности и ионосферы с ИСЗ. Препринт ИКИ РАН, Пр-1868, 1993.

Список сокращений

БРУ - бортовое регистрирующее устройство

ДКП - дискретное косинусное преобразование

ИИС - информационно-измерительная система

ИСЗ - искусственный спутник Земли

И/Ф - канал интерферометра

КА - космический аппарат

мкл - микроканальная пластина

ОЗУ - оперативное запоминающее устройство

ОС - орбитальная станция

Г13С - приборы с зарядовой связью

ПЗУ - постоянное запоминающее устройство

плэ - программируемый логический элемент

по - программное обеспечение

СБП - система бортового процессора

СП - сигнальный процессор

СЦП - система центрального процессора

Ф/М - канал фотометра

ЦНИР - Центр научных исследований и разработок ЦСП - цифровой сигнальный процессор SCSI - Small Computer System Interface