تعیین موقعیت وسائل فضایی با استفاده از حسگر ستاره و حسگر افق زمین

پیشینه و اهداف: چکیده یکی از بخش های کلیدی هر مقاله است و باید به صورت سازمان یافته و روشن، زمینه، مساله و هدف را در کنار روش، یافته ها و نتیجه گیری بیان کند. در حوزه ناوبری نوری فضاپیما در مدار پایین زمین، اتکا به حسگرهای مبتنی بر تصویر به عنوان جایگزین یا پشتیبان سامانه های رادیویی اهمیت فزاینده ای یافته است. چالش اصلی، حفظ دقت و پایداری در شرایطی است که پوشش سامانه های رادیویی کاهش می یابد یا محیط دید دچار افت می شود. پژوهش حاضر بر پایه ادغام اطلاعات حسگر ستاره و حسگر افق زمین بنا شده است تا زنجیره ای ارائه دهد که بدون تکیه به زیرساخت رادیویی، بتواند وضعیت و موقعیت فضاپیما را با دقت قابل اتکا برآورد کند. ایده محوری آن است که حسگر افق زمین قید هندسی نیرومندی را در راستای شعاعی ایجاد می کند و حسگر ستاره، خطی سازی و پایایی تخمین وضعیت را بهبود می دهد. هدف ها به طور شفاف عبارت اند از: طراحی و پیاده سازی یک زنجیره ادغام ناهم نرخ برای دو حسگر مکمل، تدوین راهبرد وزن دهی سازگار با هندسه مدار و سنجه ها، پایش کیفیت اندازه گیری ها با شاخص های آماری قابل تفسیر، و بهبود رفتار زمانی خروجی برای کاربردهای عملیاتی که نسبت به نوسان های کوتاه دوره حساس اند.روش ها : سامانه پیشنهادی بر یک مسیر شبیه سازی شده در مدار پایین زمین و حقیقت مبنا حاصل از نرم افزار تخصصی شبیه سازی مداری استوار است. جریان داده شامل بردارهای ستاره ای از حسگر ستاره و لبه افق زمین از حسگر افق زمین است که با نرخ های متفاوت در دسترس قرار می گیرند. ادغام بر پایه یک فیلتر کالمن توسعه یافته انجام می شود که در آن معادلات دینامیکی وضعیت و مکان، با مدل سازی اختلالات اصلی و نویزهای فرایندی و اندازه گیری فرموله شده اند. به سبب ناهم نرخ بودن سنجه ها، به روزرسانی ها به صورت رویدادمحور انجام می شود و برای هم ترازی زمانی، از میانیابی وضعیت بهره گرفته می شود. کنترل کیفیت اندازه گیری ها با گیتینگ (ناحیه بندی) آماری بر پایه فاصله ماهالانوبیس انجام می گیرد تا مولفه های ناسازگار به موقع کنار گذاشته شوند. برای هم سو کردن سهم اطلاعاتی هر راستا با فیزیک مساله، از وزن دهی بیضوی در دستگاه شعاعی، مماسی و عمود بر مدار استفاده شده است. به منظور کاهش نوسان کوتاه دوره در راستاهای صفحه ای، اسموتینگ (صاف کننده) پس پردازشی از نوع رائو–تارب–استرایبل به صورت انتخابی تنها بر مولفه های غیرشعاعی اعمال می شود و برآورد شعاعی همان برونداد فیلتر باقی می ماند تا قید افق زمین مخدوش نشود. ارزیابی کارایی در سناریوهای گوناگون نویزی انجام شده و محاسبه شاخص های خطا مانند میانگین مربعات و میانگین قدر مطلق خطا، در کنار تحلیل پایداری با رصد روند نوآوری و نرخ پذیرش به روزرسانی ها، مبنای قضاوت قرار گرفته است.یافته ها: نتایج نشان داد ادغام ناهم نرخ حسگر ستاره و حسگر افق زمین در قالب فیلتر کالمن توسعه یافته به همراه اسموتینگ (صاف کننده) انتخابی، خطای کلی مکان را به طور معناداری کاهش می دهد و هم زمان، راستای شعاعی به دلیل قید قوی حسگر افق زمین مقید و پایدار باقی می ماند. کاهش محسوس نوسان در مولفه های صفحه ای با حفظ رفتار طبیعی مولفه شعاعی مشاهده شد؛ به گونه ای که منحنی های خطا در بازه زمانی، الگوی هموارتر و سازگارتر با دینامیک مدار پیدا کردند. محاسبه خطای میانگین مربعات و میانگین قدر مطلق، بهبود پایدار عملکرد را نسبت به حالت بدون اسموتینگ (صاف کننده) تایید کرد و تحلیل نوآوری نشان داد هم ترازی زمانی و وزن دهی اندازه گیری ها به درستی تنظیم شده است. نرخ پذیرش به روزرسانی ها روند یکنواختی داشت و نشان داد گیتینگ (ناحیه بندی) آماری توانسته است تعادل مطلوبی میان حذف پرت ها و حفظ اطلاعات مفید برقرار کند. ارزیابی سناریوهای با نویز بالاتر نشان داد هرچند دامنه نوسان افزایش می یابد و زمان رسیدن به باند عملکرد طولانی تر می شود، سامانه پیشنهادی همچنان به محدوده خطای قابل قبول همگرا می شود و بیشترین تاثیر اسموتینگ (صاف کننده) در راستاهای صفحه ای نمود دارد.نتیجه گیری: جمع بندی نتایج نشان می دهد ترکیب دو حسگر مکمل با ادغام ناهم نرخ، وزن دهی سازگار با هندسه مدار و اسموتینگ (صاف کننده) انتخابی، چارچوبی عملی و کم هزینه برای ناوبری نوری در مدار پایین زمین فراهم می کند. این چارچوب علاوه بر ارتقای دقت، رفتار زمانی منظم تری تولید می کند که برای تصمیم گیری های آستانه محور در عملیات فضایی ارزشمند است. از دید کاربرد، راهکار پیشنهادی برای ماهواره های کوچک و ماموریت های با منابع محاسباتی محدود مناسب است و می تواند نقش پشتیبان یا جایگزین سامانه های رادیویی را در شرایط دشوار بر عهده گیرد. در عین حال، محدودیت هایی مانند اتکا به محیط شبیه سازی و ساده سازی برخی مدل ها وجود دارد. گذار به محیط عملیاتی مستلزم آزمایش های زمینی و در حلقه با حسگرهای واقعی و نیز کالیبراسیون دقیق ماتریس های نصب است. پیشنهاد می شود حساسیت سامانه نسبت به بایاس حسگر افق زمین، درخشش پراکنده، دوره های طولانی سایه و مانورهای گذرا بررسی شود. از منظر برآورد، آزمون گونه های پیشرفته فیلتر کالمن و طراحی اسموتینگ (صاف کننده) با قیدهای سخت تر، همراه با مدل سازی پرفیدلی دینامیک و زمان بندی دقیق تر در ادغام ناهم نرخ، می تواند مسیر ارتقای بیشتر را هموار کند و زمینه را برای توسعه نسخه های عملیاتی آماده به کار فراهم آورد.

کلیدواژه ها:

تعیین موقعیت ، حسگر ستاره ، حسگر افق زمین ، تعیین وضعیت ، ترکیب داده