Принципы построения бесплатформенных астроинерциальных навигационных систем атмосферного применения

Н. Н. Василюк

ООО «НПК «Электрооптика», г. Москва, Россия

Атмосферная астроинерциальная навигационная системс (АИНС) состоит из бесплатформенной инерциальной навигационной системы (БИНС), астровизирующего устройства (АВУ) и хранителя времени. Элементы АИНС собраны в единую конструкцию, не имеющую движущихся частей. АВУ состоит из нескольких цифровых камер, закреплённых на общем основании. Оно определяет ориентацию АИНС относительно звёзд. За счёт дополнительной информации от БИНС из этой ориентации вычисляется позиция или ориентация АИНС относительно поверхности Земли, которые используются для коррекции нарастающих погрешностей инерциальной навигации в БИНС.

Цифровые камеры АВУ специально спроектированы для измерения угловых координат звёзд по их цифровым изображениям, полученным в том числе и в дневных условиях. Поэтому полоса пропускания объективов камер смещена в сторону ближнего инфракрасного диапазона, за пределы кривой видности человеческого глаза. Общепринятое определение звёздных величин для такой камеры теряет смысл – для неё приходится создавать специальный рабочий звёздный каталог, согласованный с полосой пропускания объектива.

Поле зрения камеры должно быть достаточно широким, чтобы она могла одновременно наблюдать не менее четырёх звёзд из рабочего каталога. В этом случае наблюдаемые звёзды однозначно распознаются, и определяется ориентация камеры относительно системы координат звёздного каталога.

АВУ с одной камерой обладает принципиальным недостатком — поворот и наклон камеры измеряется с разными погрешностями. Для устранения этого недостатка АВУ составляется из нескольких камер с непересекающимися полями зрения. Использование нескольких камер устраняет ещё одну проблему — засветку камеры Солнцем. Если одна камера окажется засвеченной, другие продолжат наблюдать звёзды.

В силу погрешностей сборки АВУ фактические ориентации камер оказываются неизвестными. Определить эти ориентации можно только в рамках специальной калибровочной процедуры. Поскольку астрометрические измерения являются естественной функцией АВУ, а угловые координаты звёзд известны с высокой точностью, калибровку АИНС имеет смысл выполнять по этим наблюдениям. В рамках такой астрономической калибровки дополнительно решается и другая калибровочная задача — калибровка элементов внутреннего ориентирования (фокус, главная точка, дисторсия) отдельных камер.

Калибровка АИНС позволяет вычислительно объединять созвездия, наблюдаемые отдельными камерами, в общее созвездие, наблюдаемое «виртуальной камерой». Увеличение угловых размеров созвездия уменьшает погрешность определения поворота АВУ вокруг «виртуальной оптической оси» и повышает доступность измерений астроориентации. Даже если какая-то камера наблюдает меньше 4 звёзд, то после объединения этих наблюдений в «виртуальной камере» получится распознаваемое созвездие.

АВУ измеряет свою ориентацию относительно звёзд. Для навигации относительно поверхности Земли эта ориентация бесполезна. Для придания астроориентации практического смысла (для вычисления географических координат), её нужно дополнить информацией о направлении местной вертикали относительно АВУ. В АИНС эта информация получается в виде направления вертикали относительно БИНС. Но, в силу погрешностей сборки АИНС, фактическая ориентация АВУ относительно БИНС неизвестна. Эта ориентация также определяется в процессе астрономической калибровки АИНС.

АИНС атмосферного применения может поворачиваться с заметной угловой скоростью. В результате в изображениях звёзд возникает смаз: изображение звезды превращается в полоску сложной формы, зависящей от величины и направления угловой скорости АИНС. Смаз затрудняет обнаружение изображения звезды и вносит погрешности в определение его координат. Наличие смаза становится критичным при наблюдениях звёзд днём, на фоне светящейся атмосферы. Проецирование измерений гироскопов БИНС на АВУ позволяет синтезировать цифровые фильтры, согласованные со смазом и учитывать смаз за счёт корреляционной обработки изображений звёзд.

Для защиты от воздействия набегающего воздушного потока АВУ накрывается прозрачным иллюминатором и заполняется сухим газом. В результате этого звёздный свет последовательно претерпевает три типа рефракции: астрономическую на толще атмосферы, аэродинамическую на пограничном слое на внешней поверхности иллюминатора и внутреннюю в газовой атмосфере АИНС. Астрономическая рефракция учитывается при помощи плоскопараллельной модели «стандартной атмосферы», аэродинамическая — за счёт учёта модели обтекания иллюминатора и воздушной скорости АИНС, внутренняя — по измерениям датчиков давления и температуры внутреннего газа.

В результате бесплатформенная АИНС обеспечивает определения широты и долготы с погрешностью не более 1 мили за всё время навигации. БИНС в аналогичных условиях движения показывает нарастание погрешности определения географических координат со скоростью не менее 1 миля/час.