طراحی و پیاده‌سازی سامانه شبیه‌ساز، پیش‌کاوی و پردازش مشاهدات سماوی با هدف تعیین اتوماتیک وضعیت، آزیموت و موقعیت محلی سکوهای متحرک

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 عضو هیات علمی / پردیس دانشکده‌های فنی، دانشگاه تهران

2 دانشجوی کارشناسی ارشد / پردیس دانشکده‌های فنی، دانشگاه تهران

چکیده

ردیاب‌های‌ ستاره، به‌عنوان نمونه‌ای از سنجنده‌های مبتنی بر مشاهدات سماوی، با هدف تعیین وضعیت دقیق و مطلق سکوهای حامل آنها طراحی شده‌اند. تحقیق حاضر، الگوریتم‌های استاندارد مورد استفاده در ردیاب ستاره را به‌گونه‌ای بهبود خواهد داد که با بهره‌گیری از مشاهدات میل‌سنج و زمان‌سنج دقیق، علاوه بر اطلاعات وضعیتی سکو، موقعیت محلی و نیز آزیموت آن را در لحظه اخذ تصویر برآورد نماید. به‌منظور بررسی و ارزیابی روش پیشنهادی، یک سامانه شبیه‌ساز و پردازش مشاهدات سماوی طراحی و پیاده‌سازی گردید. سامانه توسعه یافته، همچنین قادر است تا از طریق شبیه‌سازی شرایط واقعی، یک دید اولیه مناسب از نتایج قابل حصول پیش از تست‌های میدانی ارائه کند و از این طریق، امکان برنامه‌ریزی و پیش‌کاوی مأموریت را فراهم آورد. با بهره‌گیری از سامانه توسعه یافته، آنالیزهای مختلفی بر روی صحت الگوریتم‌ها و نیز وابستگی دقت تعیین موقعیت به پارامترهای مختلف صورت پذیرفته و نتایج حاصل به‌صورت گرافیکی و عددی ارائه گردید. نتایج به‌دست آمده از تحقیق، قابلیت استفاده از آن را برای اهداف ناوبری به‌عنوان جایگزین کارایی برای GPSدر زمان عدم دسترسی به آن و همچنین تقویت دوره‌ای سیستم‌های ناوبری اینرسی تأیید می‌نماید.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Design and Implementation of a Simulating, pre-Analyzing and Processing System of Celestial Observations for Automatic Attitude, Azimuth and Local Position Determination of Movable Platforms

نویسندگان [English]

  • Farhad Samadzadegan 1
  • Masoomeh Hamidi 2
چکیده [English]

Star trackers as an example of celestial based sensors are specifically designed to perform accurate and absolute attitude determination. This requires us to measure the camera optical axis with respect to the local direction of the gravity and to have knowledge of time. This paper modifies the standard algorithms are implemented in star trackers so that they can estimate the local coordinates of the platform as well as the azimuth along with attitude data using observations from an accurate tilt meter and a clock. In order to validate our proposed method, different tests have been performed using developed simulator system. Results of the research described that proposed method has the capability of implementing in navigation purposes as an efficient alternative for GPS when it is not available and also periodic augmentation of Inertial Navigation Systems.

[1] Swanzy, Michael John. 2005. Analysis and Demonstration: A Proof-of-Concept Compass Star Tracker. Master Dissertation Texas A&M University.

[2] Belenkii, M., D. G Bruns, V.A. Rye, and T. Brinkley.  2008. Daytime Stellar Imager. United States Patent, Patent No: US 7,349,804.

[3] Cannata, Richard W., S. Mubarak, G.B. Steven, and A .John, W. Van. 2000. Autonomous video registration using sensor model parameter adjustments. In Applied Imagery Pattern Recognition Workshop, 2000. Proceedings. 29th, 215-222.

[4] Kim, Jonghyuk, and S. Sukkarieh. 2004. Autonomous airborne navigation in unknown terrain environments. Aerospace and Electronic Systems, IEEE Transactions on 40 (3): 1031-1045.

[5] Hirt, Christian, B. Bürki., A. Somieski, and G. Seeber. 2010. Modern determination of vertical deflections using digital zenith cameras. Journal of Surveying Engineering 136 (1): 1-12.

[6] Young, E., J. Diller., K. Dinkel., Z. Dischner., A. Holt., T. Murphy, S. Schuette., M. Skeen, N. Truesdale, and A. Zizzi. 2011. DayStar – Diurnal Star Tracking for Balloon-borne Attitude Determination. Project Definition Document (PDD), University of Colorado, Department of Aerospace Engineering Sciences.

[7] حمیدی، معصومه و فرهاد صمدزادگان. 1393. طراحی و پیاده سازی سامانه شبیه‌ساز ردیاب ستاره با هدف ناوبری سکوهای پرنده. نشریه علمی­پژوهشی علوم و فنون نقشه برداری، 3 (4): در دست چاپ.

[8] Erlank, Alexander Olaf. 2013. Development of CubeStar A CubeSat-Compatible Star Tracker. Master Dissertation Stellenbosch University.

[9] Knutson, Matthew. 2012. Fast Star Tracker Centroid Algorithm for High Performance CubeSat with Air Bearing Validation. Master dissertation Massachusetts Institute of Technology.

[10] Padro, Jorge. 2012. Development of a star tracker-based reference system for accurate attitude determination of a simulated spacecraft. Master dissertation Air Force, Air University Ohio.

[11] Junfeng X., X. Tang., W. Jiang, and X. Fu. 2012. An autonomous star identification algorithm based on the directed circularity pattern. star 4: 5.

[12] Kolomenkin M., S. Pollak., I. Shimshoni, and M. Lindenbaum. 2008. Geometric voting algorithm for star trackers. Aerospace and Electronic Systems, IEEE Transactions on 44 (2): 441-456.

[13] Malak S., D. Mortari, and J. L. Junkins. 2008. Compass star tracker for GPS-like applications. Aerospace and Electronic Systems, IEEE Transactions on 44 (4): 1629-1634.

[14] شریفی، محمد علی، فرهاد صمدزادگان و سعید فرزانه. 1388. به­کارگیری ردیاب­های ستاره جهت تعیین موقعیت مطلق نقاط سطح سیارات. هشتمین همایش انجمن هوافضای ایران، اصفهان.

[15] Parish, J. J., A. S. Parish, M. Swanzy, D. Woodbury, D. Mortari, and J. L. Junkins. 2010. The Stellar Positioning System (Part I): An Autonomous Position Determination Solution. ION Navigation 57 (1): 1-12.

[16] Woodbury, D., J. J. Parish, A. S. Parish, M. Swanzy, R. Denton, D. Mortari, and J. L. Junkins. 2010. The Stellar Positioning System (Part II): Improving Accuracy During Implementation. ION Navigation 57 (1): 13-24.

[17] Tappe, Jack A. 2009. Development of Star Tracker System for Accurate Estimation of Spacecraft Attitude. Master dissertation Naval Postgraduate School.

[18] Shuster, M. D., and S. D. Oh. 1981. Three-axis attitude determination from vector observations." Journal of Guidance, Control, and Dynamics 4 (1): 70-77.

[19] Samaan, Malak. Anees. 2003. Toward Faster and More Accurate Star Sensors Using Recursive Centroiding and Star Identification. PhD Dissertation Texas A&M University.

[20] صمدزادگان، فرهاد و معصومه حمیدی. 1392. ارائه یک روش بینایی مبنای سماوی به منظور تعیین وضعیت مطلق سکوهای فضایی. سیزدهمین کنفرانس انجمن هوافضای ایران، تهران.

[21] Huffman, Kara M. 2006. Designing Star Trackers to Meet Microsatellite Requirements. Master Dissertation Massachusetts Institute of Technology.

[22] Vallado, David A. 2001. Fundamentals of astrodynamics and applications. Vol. 12. Springer.

[23] McCarthy, D. D., and G. Petit. 2004. IERS conventions (2003). International Earth Rotation And Reference Systems Service (Iers)(Germany).

[24] Meeus, J. H. 1991. Astronomical algorithms. Willmann-Bell, Incorporated.

[25] Perryman, Michael AC. 1997. The HIPPARCOS and TYCHO catalogues. Astrometric and photometric star catalogues derived from the ESA HIPPARCOS Space Astrometry Mission. In ESA Special Publication, vol. 1200.