Еліпсоїдне оцінювання параметрів обертального та поступального руху некооперативного космічного апарата за візуальною інформацією
The use of near-Earth space is currently complicated by the presence of space debris objects in Earthʼs orbit, which include spent stages of launch vehicles, inoperative spacecraft, and other large and small objects associated with human activity in space. One of the elements of solving t...
Saved in:
| Date: | 2023 |
|---|---|
| Main Authors: | , , |
| Format: | Article |
| Language: | English |
| Published: |
V.M. Glushkov Institute of Cybernetics of NAS of Ukraine
2023
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://jais.net.ua/index.php/files/article/view/205 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Problems of Control and Informatics |
Institution
Problems of Control and Informatics| id |
oai:ojs2.jais.net.ua:article-205 |
|---|---|
| record_format |
ojs |
| institution |
Problems of Control and Informatics |
| baseUrl_str |
|
| datestamp_date |
2024-03-14T10:31:01Z |
| collection |
OJS |
| language |
English |
| topic |
відносні параметри руху космічний апарат оцінювання відеозображення |
| spellingShingle |
відносні параметри руху космічний апарат оцінювання відеозображення Salnikov, Nikolay Melnychuk, Serhiy Gubarev, Vyacheslav Еліпсоїдне оцінювання параметрів обертального та поступального руху некооперативного космічного апарата за візуальною інформацією |
| topic_facet |
відносні параметри руху космічний апарат оцінювання відеозображення relative motion parameters spacecraft estimation video image относительные параметры движения космический аппарат оценивание |
| format |
Article |
| author |
Salnikov, Nikolay Melnychuk, Serhiy Gubarev, Vyacheslav |
| author_facet |
Salnikov, Nikolay Melnychuk, Serhiy Gubarev, Vyacheslav |
| author_sort |
Salnikov, Nikolay |
| title |
Еліпсоїдне оцінювання параметрів обертального та поступального руху некооперативного космічного апарата за візуальною інформацією |
| title_short |
Еліпсоїдне оцінювання параметрів обертального та поступального руху некооперативного космічного апарата за візуальною інформацією |
| title_full |
Еліпсоїдне оцінювання параметрів обертального та поступального руху некооперативного космічного апарата за візуальною інформацією |
| title_fullStr |
Еліпсоїдне оцінювання параметрів обертального та поступального руху некооперативного космічного апарата за візуальною інформацією |
| title_full_unstemmed |
Еліпсоїдне оцінювання параметрів обертального та поступального руху некооперативного космічного апарата за візуальною інформацією |
| title_sort |
еліпсоїдне оцінювання параметрів обертального та поступального руху некооперативного космічного апарата за візуальною інформацією |
| title_alt |
Ellipsoidal estimation of parameters of rotational and translational motion of a non-cooperative space vehicle from visual information Эллипсоидная оценка параметров вращательного и поступательного движения некооперативного космического аппарата по визуальной информации |
| description |
The use of near-Earth space is currently complicated by the presence of space debris objects in Earthʼs orbit, which include spent stages of launch vehicles, inoperative spacecraft, and other large and small objects associated with human activity in space. One of the elements of solving the problem of space debris is the docking and capture of an uncontrolled non-cooperative space object or spacecraft by a so-called on-orbit servicing spacecraft to carry out further actions to repair it, refuel or change its orbit. The situation is complicated by the fact that, under the influence of various factors, uncontrolled space objects are in a state of rotation. The parameters of the orbital motion of such objects are known quite accurately from measurements from the Earth. To carry out safe approach and docking, knowledge of the parameters of rotational motion, as well as the parameters of relative motion, is also required. The most general case of motion of a non-cooperative tumbling spacecraft located in an elliptical orbit is considered. It is assumed that the three-dimensional graphic model of such spacecraft is known. The servicing spacecraft (SSC) is equipped with a mono camera that takes pictures of the non-cooperative spacecraft (NSC). Based on a comparison of the characteristic features of photographs and images obtained using the graphical model, the computer vision system (CVS) determines the distance vector to the so-called graphical coordinate system, rigidly fixed on the NSC and the quaternion of its relative attitude. The specific type of CVS is not considered. It is assumed that the SSC carries out some maneuvers near the satellite. All parameters of the SSC angular motion are assumed to be known. This work considers the most general case of the relative motion of SSC and NSC. Using quaternion calculus, all basic kinematic and dynamic equations are obtained. The measured parameters are not enough to ensure safe rendezvous and docking with the NSC. The stochastic characteristics of errors of the CVS measurement are not assumed to be known and, accordingly, are not used. Only their maximum values are specified for them. We consider the use of new dynamic set-membership filter using ellipsoids to solve the problem of determining the parameters of the relative motion of the NSC which is in free uncontrolled motion. The filter can be implemented under conditions of the limited computational capability available on onboard processors. The relative motion parameters include the distance vector between the centers of mass (c.m.) of the NSC and the SSC, the relative velocity vector, the quaternion of the orientation of the main axes of inertia of the satellite relative to the inertial coordinate system, the ratio of the moments of inertia of the satellite, the vector of the position of the NSC c.m. in the graphical coordinate system. The properties of the proposed algorithm are demonstrated using numerical simulation. The results obtained are expected to be used in the development, creation and testing of a navigation system for the rendezvous and docking of the SSC, developed by a group of Ukrainian space industry enterprises under the leadership of the LLC «Kurs-orbital» (https://kursorbital.com/). |
| publisher |
V.M. Glushkov Institute of Cybernetics of NAS of Ukraine |
| publishDate |
2023 |
| url |
https://jais.net.ua/index.php/files/article/view/205 |
| work_keys_str_mv |
AT salnikovnikolay ellipsoidalestimationofparametersofrotationalandtranslationalmotionofanoncooperativespacevehiclefromvisualinformation AT melnychukserhiy ellipsoidalestimationofparametersofrotationalandtranslationalmotionofanoncooperativespacevehiclefromvisualinformation AT gubarevvyacheslav ellipsoidalestimationofparametersofrotationalandtranslationalmotionofanoncooperativespacevehiclefromvisualinformation AT salnikovnikolay elípsoídneocínûvannâparametrívobertalʹnogotapostupalʹnogoruhunekooperativnogokosmíčnogoaparatazavízualʹnoûínformacíêû AT melnychukserhiy elípsoídneocínûvannâparametrívobertalʹnogotapostupalʹnogoruhunekooperativnogokosmíčnogoaparatazavízualʹnoûínformacíêû AT gubarevvyacheslav elípsoídneocínûvannâparametrívobertalʹnogotapostupalʹnogoruhunekooperativnogokosmíčnogoaparatazavízualʹnoûínformacíêû AT salnikovnikolay éllipsoidnaâocenkaparametrovvraŝatelʹnogoipostupatelʹnogodviženiânekooperativnogokosmičeskogoapparatapovizualʹnojinformacii AT melnychukserhiy éllipsoidnaâocenkaparametrovvraŝatelʹnogoipostupatelʹnogodviženiânekooperativnogokosmičeskogoapparatapovizualʹnojinformacii AT gubarevvyacheslav éllipsoidnaâocenkaparametrovvraŝatelʹnogoipostupatelʹnogodviženiânekooperativnogokosmičeskogoapparatapovizualʹnojinformacii |
| first_indexed |
2025-10-30T02:48:47Z |
| last_indexed |
2025-10-30T02:48:47Z |
| _version_ |
1847373361646141440 |
| spelling |
oai:ojs2.jais.net.ua:article-2052024-03-14T10:31:01Z Ellipsoidal estimation of parameters of rotational and translational motion of a non-cooperative space vehicle from visual information Еліпсоїдне оцінювання параметрів обертального та поступального руху некооперативного космічного апарата за візуальною інформацією Эллипсоидная оценка параметров вращательного и поступательного движения некооперативного космического аппарата по визуальной информации Salnikov, Nikolay Melnychuk, Serhiy Gubarev, Vyacheslav відносні параметри руху космічний апарат оцінювання відеозображення relative motion parameters spacecraft estimation video image относительные параметры движения космический аппарат оценивание The use of near-Earth space is currently complicated by the presence of space debris objects in Earthʼs orbit, which include spent stages of launch vehicles, inoperative spacecraft, and other large and small objects associated with human activity in space. One of the elements of solving the problem of space debris is the docking and capture of an uncontrolled non-cooperative space object or spacecraft by a so-called on-orbit servicing spacecraft to carry out further actions to repair it, refuel or change its orbit. The situation is complicated by the fact that, under the influence of various factors, uncontrolled space objects are in a state of rotation. The parameters of the orbital motion of such objects are known quite accurately from measurements from the Earth. To carry out safe approach and docking, knowledge of the parameters of rotational motion, as well as the parameters of relative motion, is also required. The most general case of motion of a non-cooperative tumbling spacecraft located in an elliptical orbit is considered. It is assumed that the three-dimensional graphic model of such spacecraft is known. The servicing spacecraft (SSC) is equipped with a mono camera that takes pictures of the non-cooperative spacecraft (NSC). Based on a comparison of the characteristic features of photographs and images obtained using the graphical model, the computer vision system (CVS) determines the distance vector to the so-called graphical coordinate system, rigidly fixed on the NSC and the quaternion of its relative attitude. The specific type of CVS is not considered. It is assumed that the SSC carries out some maneuvers near the satellite. All parameters of the SSC angular motion are assumed to be known. This work considers the most general case of the relative motion of SSC and NSC. Using quaternion calculus, all basic kinematic and dynamic equations are obtained. The measured parameters are not enough to ensure safe rendezvous and docking with the NSC. The stochastic characteristics of errors of the CVS measurement are not assumed to be known and, accordingly, are not used. Only their maximum values are specified for them. We consider the use of new dynamic set-membership filter using ellipsoids to solve the problem of determining the parameters of the relative motion of the NSC which is in free uncontrolled motion. The filter can be implemented under conditions of the limited computational capability available on onboard processors. The relative motion parameters include the distance vector between the centers of mass (c.m.) of the NSC and the SSC, the relative velocity vector, the quaternion of the orientation of the main axes of inertia of the satellite relative to the inertial coordinate system, the ratio of the moments of inertia of the satellite, the vector of the position of the NSC c.m. in the graphical coordinate system. The properties of the proposed algorithm are demonstrated using numerical simulation. The results obtained are expected to be used in the development, creation and testing of a navigation system for the rendezvous and docking of the SSC, developed by a group of Ukrainian space industry enterprises under the leadership of the LLC «Kurs-orbital» (https://kursorbital.com/). Використання навколоземного космічного простору в даний час ускладнюється наявністю на орбіті Землі обʼєктів космічного сміття, до яких відносяться відпрацьовані ступені ракет-носіїв, недіючі космічні апарати та інші великі і малі обʼєкти, повʼязані з діяльністю людини в космосі. Одним з елементів вирішення проблеми космічного сміття є стикування та захоплення некерованого некооперативного космічного обʼєкта або космічного апарата так званим орбітальним сервісним космічним апаратом для проведення подальших дій щодо його ремонту, дозаправки або зміни орбіти. Ситуація ускладнюється тим, що під впливом різних факторів некеровані космічні обʼєкти знаходяться в стані обертання. Параметри орбітального руху таких обʼєктів досить точно відомі з вимірювань із Землі. Для здійснення безпечного зближення і стикування також необхідно знати параметри обертального руху, а також параметри відносного руху. Розглянуто найбільш загальний випадок руху розташованого на еліптичній орбіті некооперативного космічного апарата, який знаходиться у стані вільного обертання. Передбачається, що тривимірна графічна модель такого корабля відома. Сервісний космічний апарат (СКА) оснащено монокамерою, яка робить знімки некооперативного космічного апарата (НКА). На основі порівняння характерних особливостей фотографій та зображень, що отримуються за допомогою графічної моделі, система компʼютерного зору (СКЗ) визначає вектор відстані до так званої графічної системи координат, жорстко закріпленої на НКА, та кватерніон її відносної орієнтації. Конкретний тип СКЗ не розглядається. Передбачається, що СКА може здійснювати маневри поблизу НКА. Усі параметри кутового руху СКА вважаються відомими. У даній роботі розглядається найбільш загальний випадок відносного руху СКА і НКА. За допомогою кватерніонного числення отримано всі основні кінематичні та динамічні рівняння. Параметрів, що вимірюються, недостатньо для безпечного зближення та стикування з НКА. Стохастичні характеристики похибок вимірювання СКЗ не вважаються відомими і, відповідно, не використовуються. Для похибок вказані лише їх максимальні значення. Розглядається новий динамічний множинний фільтр з використанням еліпсоїдів для вирішення задачі визначення параметрів відносного руху НКА, що перебуває у вільному некерованому русі. Фільтр можна реалізувати в умовах обмежених обчислювальних можливостей, доступних на бортових процесорах. До параметрів відносного руху відносяться вектор відстані між центрами маси (ц.м.) НКА і СКА, вектор відносної швидкості, кватерніон орієнтації головних осей інерції НКА відносно інерційної системи координат, відношення моментів інерції НКА, вектор положення ц.м. НКА в графічній системі координат. Властивості запропонованого алгоритму продемонстровано за допомогою чисельного моделювання. Отримані результати планується використати при розробці, створенні та випробуванні навігаційної системи зближення та стикування СКА, який розробляється групою підприємств космічної галузі України під керівництвом ТОВ «Курс-орбітал» (https://kursorbital.com/). Использование околоземного космического пространства в настоящее время усугубляется наличием на орбите Земли объектов космического мусора, к которым относятся отработанные ступени ракет-носителей, недействующие космические аппараты и другие крупные и малые объекты, связанные с деятельностью человека в космосе. Одним из элементов решения проблемы космического мусора является стыковка и захват неуправляемого некооперативного космического объекта или космического аппарата так называемым орбитальным сервисным космическим аппаратом для проведения дальнейших действий по его ремонту, дозаправке или изменению орбиты. Ситуация усугубляется тем, что под влиянием различных факторов неуправляемые космические объекты находятся в состоянии вращения. Параметры орбитального движения таких объектов достаточно точно известны из измерений на Земле. Для осуществления безопасного сближения и стыковки необходимо знать параметры вращательного движения, а также параметры относительного движения. Рассмотрен наиболее общий случай движения расположенного на эллиптической орбите некооперативного космического аппарата, находящегося в свободном вращении. Предполагается, что трехмерная графическая модель такого корабля известна. Сервисный космический аппарат (СКА) оснащен монокамерой, которая производит снимки некооперативного космического аппарата (НКА). На основе сравнения характерных особенностей фотографий и изображений, получаемых с помощью графической модели, система компьютерного зрения (СКЗ) определяет вектор расстояния до так называемой графической системы координат, жестко закрепленной на НКА, и кватернион ее относительной ориентации. Конкретный тип СКС не рассматривается. Предполагается, что СКА может совершать маневры вблизи НКА. Все характеристики углового движения СКА числятся известными. В данной работе рассматривается наиболее общий случай относительного движения СКА и НКА. С помощью кватернионного исчисления были получены все основные кинематические и динамические уравнения. Измеряемых параметров недостаточно для безопасного сближения и стыковки с НКА. Стохастические характеристики погрешностей измерения СКЗ не считаются известными и, соответственно, не используются. Для ошибок указаны только их максимальные значения. Рассматривается новый динамический множественный фильтр с использованием эллипсоидов для решения задачи определения параметров относительного движения НКА в свободном неуправляемом движении. Фильтр можно реализовать в условиях ограниченных вычислительных возможностей, доступных на бортовых процессорах. К параметрам относительного движения относятся вектор расстояния между центрами массы (ц.м.) НКА и СКА, вектор относительной скорости, кватернион ориентации главных осей НКА инерции относительно инерционной системы координат, отношение моментов инерции НКА, вектор положения ц.м. НКА в графической системе координат Свойства предлагаемого алгоритма продемонстрированы с помощью моделирования. Полученные результаты планируется использовать при разработке, создании и испытании навигационной системы сближения и стыковки СКА разрабатываемой группой предприятий космической отрасли Украины под руководством ООО «Курс-орбитал» (https://kursorbital.com/). V.M. Glushkov Institute of Cybernetics of NAS of Ukraine 2023-11-20 Article Article application/pdf https://jais.net.ua/index.php/files/article/view/205 10.34229/1028-0979-2023-6-3 Міжнародний науково-технічний журнал "Проблеми керування та інформатики"; Том 68 № 6 (2023): Міжнародний науково-технічний журнал "Проблеми керування та інформатики"; 35-63 International Scientific Technical Journal "Problems of Control and Informatics; Том 68 № 6 (2023): International Scientific Technical Journal "PROBLEMS OF CONTROL AND INFORMATICS"; 35-63 International Scientific Technical Journal "Problems of Control and Informatics"; Vol. 68 No. 6 (2023): International Scientific Technical Journal "PROBLEMS OF CONTROL AND INFORMATICS"; 35-63 2786-6505 2786-6491 10.34229/1028-0979-2023-6 en https://jais.net.ua/index.php/files/article/view/205/291 Copyright (c) 2023 Nikolay Salnikov, Serhiy Melnychuk, Vyacheslav Gubarev https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0 |