Модель погрешностей звездного датчика ориентации представлена в виде разложения на флуктуационную и систематическую составляющие. Флуктуационная погрешность возникает при вычислении координат яркостного центра цифрового изображения
звезды и обусловлена дискретной структурой сигнала в матричном фотоприемнике. Если наблюдение звезд выполняется через атмосферу, у флуктуационной погрешности появляется дополнительная внешняя компонента, связанная с «дрожанием» изображений
звезд из-за атмосферной турбулентности. Систематическая погрешность возникает из-за погрешностей калибровки элементов внутреннего ориентирования цифровой камеры. Для всех составляющих погрешности ориентации получены линеаризованные аналитические выражения и ковариационные матрицы, зависящие от конфигурации наблюдаемого созвездия. Модель погрешностей легко переписывается в форме уравнения наблюдения за погрешностями оценки элементов внутреннего ориентирования камеры в сильносвязанной комплексированной астронавигационной системе. Приведены результаты экспериментальной проверки разработанной модели погрешностей. Численные значения погрешностей, полученные в эксперименте, наглядно показывают, что элементы внутреннего ориентирования цифровой камеры звездного датчика
необходимо регулярно калибровать в процессе эксплуатации.
Идентификаторы и классификаторы
Измерения ориентации при помощи звездного датчика (астродатчика) выполня-
ются путем сравнения измеренных и каталожных декартовых координат единичных
векторов, задающих направления на одни и те же звезды (далее – направляющих
векторов звезд). Измеренные координаты направляющих векторов звезд вычисля-
ются из изображения звездного поля, полученного цифровой камерой. Каталожные
координаты направляющих векторов вычисляются из данных звездного каталога.
В результате сравнения определяется ориентация правой ортогональной системы
координат, связанной с конструкцией камеры, относительно правой ортогональ-
ной инерциальной системы координат звездного каталога. Измерения астродатчи-
ка могут быть привязаны к поверхности Земли только при помощи дополнительной информации. Так, если известно направление вертикали в точке наблюдения,
то из измерений астродатчика можно рассчитать долготу и широту наблюдателя
и азимут оптической оси камеры. Если известны географические координаты точки
наблюдения, из измеренной ориентации астродатчика (относительно звезд) можно
рассчитать его ориентацию относительно земной топоцентрической системы коор-
динат (углы курса, крена и тангажа). Высота над поверхностью Земли из измерений
астродатчика не вычисляется [1]
Список литературы
Аванесов Г.А., Бессонов Р.В., Куркина А.Н., Мысник Е.А., Лискив А.С., Людомирский М.Б.,
Каютин И.С., Ямщиков Н.Е. Разработка автономной бесплатформенной астроинерциальной навигационной системы // Механика, управление и информатика. 2013. № 1(13). С. 9–29. EDN RHDMPZ.
2. Степанов O.A., Кошаев Д.А. Исследование методов решения задачи ориентации с использованием спутниковых систем // Гироскопия и навигация. 1999. № 2(25). С. 30–55. EDN SNGILN.
3. Shuster, M.D., Oh, S.D., Three-axis attitude determination from vector observations, Journal of
Guidance and Control, 1981, vol. 4, no. 1, pp. 70–77. DOI: 10.2514/3.19717.
4. Markley, F.L., Attitude determination using vector observations and the singular value decomposition,
Journal of The Astronautical Sciences, 1988, vol. 36, no. 3, pp. 245–258.
5. Markley, F.L., Crassidis, J.L., Fundamentals of spacecraft attitude determination and control, New
York: Springer, 2014, 495 p., doi 10.1007/978-1-4939-0802-8.
6. Голован A.A, Моргунова С.Н., Соловьев И.В., Шатский М.А. Декомпозированный алгоритм
оценки ориентации космического аппарата в режиме астрокоррекции // Гироскопия и навигация.
2022. Том 30, № 4(119). С. 71–86. DOI 10.17285/0869-7035.00104. EDN YYESYG.
7. Ивонин А.Н., Камальдинова Р.А., Моргунова С.Н., Соколов В.Н., Соловьев И.В., Шатский М.А.
Алгоритм оценки ориентации космического аппарата «Спектр-УФ» для режима прецизионного наведения оси телескопа // Авиакосмическое приборостроение. 2020. № 12. С. 13–25. DOI 10.25791/
aviakosmos.12.2020.1192. EDN QUXIXD.
8. Cheng, Y., Crassidis, J.L., Markley, F.L., Attitude estimation for large field-of-view sensors,
The Journal of the astronautical sciences, 2006, vol. 54, no. 3–4, pp. 433–448, doi 10.1007/BF03256499.
9. Василюк Н.Н. Векторная коррекция скоростной аберрации для внутриатмосферного звездного
датчика ориентации // Авиакосмическое приборостроение. 2022. № 10. С. 17–31. DOI 10.25791/
aviakosmos.10.2022.1302. EDN CQYWHW.
70 Гироскопия и навигация. Том 32. №1 (124), 2024
Н. Н. Василюк
10. Василюк Н.Н. Векторная коррекция атмосферной рефракции для внутриатмосферного звездного датчика ориентации // Авиакосмическое приборостроение. 2022. № 9. С. 31–44. DOI 10.25791/
aviakosmos.9.2022.1299. EDN VFGMCC.
11. Соловьев И.В. Обнаружение и оценивание координат изображений звезд в датчиках астроориентации с помощью алгоритмов прогноза и фильтрации Калмана // Мехатроника, автоматизация,
управление. 2013. № 11. С. 59–63. EDN RIECIP.
12. Tuchin, M., Biryukov, A., Nickiforov, M., Prokhorov, M., Zakharov, A., On random and systematic
errors of a star tracker, Proceedings of the 27th AIAA/USU Conference on Small Satellites, Advanced
Technologies I, 2013, SSC13-I-10, https://digitalcommons.usu.edu/smallsat/2013/all2013/52/.
13. Гаранин С.Г., Зыков Л.И., Климов А.Н., Куликов С.М., Смышляев С.П., Степанов В.В.,
Сюндюков А.Ю. Дневное наблюдение звезд слабой яркости (7m-8m) с равнинной местности //
Оптический журнал. 2017. Т. 84. № 12. С. 30–37. EDN ZVQHYL.
14. Лукин В.П., Носов В.В. Измерение дрожания изображения протяженного некогерентного источника излучения // Квантовая электроника. 2017. Т.47. № 6. С. 580–588. EDN YUFFCN.
15. Сметанин П.С., Аванесов Г.А., Бессонов Р.В., Куркина А.Н., Никитин А.В. Геометрическая
калибровка звездного датчика высокой точности по звездному небу // Современные проблемы
дистанционного зондирования Земли из космоса. 2017. Том 14. № 2. С. 9–23. DOI 10.21046/2070-
7401-2017-14-2-9-23. EDN YRFDFF.
16. Базина Е.А., Бессонов Р.В., Брысин Н.Н., Никитин А.В., Прохорова С.А., Сливко Н.А., Строилов Н.А., Юматов Б.А. Математическая модель стенда определения элементов внутреннего
ориентирования // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса.
2018. Том 15. № 6. С. 131–144. DOI 10.21046/2070-7401-2018-15-6-131-144. EDN YROZDN.
17. Chen, Z., Zheng, Y., Zhan, Y., Li, C., Chen, B., Zhang, H., Distortion model of star tracker on-orbit
calibration algorithms based on interstar angles, Journal of Physics: Conference Series, 2022, vol. 2235,
0120533, doi 10.1088/1742-6596/2235/1/012053.
18. Chen, X., Xing, F., You, Z., Zhong, X., Qi, K., On-orbit high-accuracy geometric calibration for
remote sensing camera based on star sources observation, IEEE Transactions on Geoscience and Remote
Sensing, 2022, vol. 60, pp. 1–11, doi 10.1109/TGRS.2021.3100841.
19. Enright, J., Jovanovic, I., Vaz, B., Autonomous recalibration of star trackers, IEEE Sensors Journal,
2018, vol. 18, no. 18, pp. 7708–7720, doi 10.1109/JSEN.2018.2857621.
20. Федосеев В.И. Колосов М.П. Оптико-электронные приборы ориентации и навигации космических аппаратов. М.: Логос, 2007. 247 с. EDN QNUUAZ.
21. Аванесов Г.А., Кондратьева Т.В., Никитин А.В. Исследование смещения энергетического центра изображений звезд относительно геометрического центра на ПЗС-матрице и коррекция методической ошибки // Механика, управление и информатика. 2009. № 1. С. 421–446. EDN OJSJGD.
22. Brown, D.C., Decentering distortion of lenses, Photogrammetric engineering and remote sensing, 1966,
vol. 32, no. 3, pp. 444–462.
23. Лобанов А.Н. Фотограмметрия: учебник для вузов. 2-е изд., перераб. и доп. М., Недра, 1984. 552 с.
24. Баранов П.С., Манцветов А.А. Оптимизация отношения радиуса кружка рассеяния объектива к размеру пиксела для повышения точности оценки координат изображений малоразмерных объектов //
Известия высших учебных заведений России. Радиоэлектроника. 2016. № 2. С. 49–53. EDN WBXGTD.
25. Захаров А.И., Никифоров М.Г. Систематические и случайные ошибки определения положения
фотоцентров звезд на матричных фотоприемниках // Механика, управление и информатика. 2011.
№2. С. 280–288. EDN OJSJXB.
26. Строилов Н.А., Купцов Т.В., Базина Е.А., Никитин А.В., Эльяшев Я.Д., Юматов Б.А. Определение функции рассеяния точки оптической системы звездных датчиков // Современные проблемы
дистанционного зондирования Земли из космоса. 2022. Том 19. № 6. С. 41–49. DOI 10.21046/2070-
7401-2022-19-6-41-49. EDN JYZSQB.
27. Василюк Н.Н. Синтез ядра вращательного смаза в цифровом изображении с использованием измерений трехосного гироскопа // Компьютерная оптика. 2022. Т. 46 № 5. С. 763–773. DOI 10.18287/2412-
6179-CO-1081. EDN ABNHWH.
28. Василюк Н.Н. Коррекция вращательного смаза в изображениях звезд, наблюдаемых астроинерциальным датчиком ориентации на фоне дневного неба // Компьютерная оптика. 2023. Том 47.
№1. С. 79–91. DOI 10.18287/2412-6179-CO-1141. EDN QSKZQP.
29. Аванесов Г.А., Строилов Н.А., Филиппова О.В., Шамис В.А., Эльяшев Я.Д. Фотометрическая модель звездного датчика ориентации // Современные проблемы дистанционного зондиро-
Гироскопия и навигация. Том 32. №1 (124), 2024 71
Модель погрешностей звездного датчика ориентации, учитывающая погрешности калибровки…
вания Земли из космоса. 2019. Том 16. № 5. С. 75–84. DOI 10.21046/2070-7401-2019-16-5-75-84.
EDN QDWYGA.
30. Бирюков А.В., Захаров А.И., Крусанова Н.Л., Миронов А.В., Мошкалёв В.Г., Николаев Ф.Н.,
Прохоров М.Е., Тучин М.С. Расчет блеска звезд в спектральной полосе кремниевого фотоприемника звездного датчика по данным каталогов Tycho-2 и 2MASS // Механика, управление и информатика. 2013. №1 (13). С. 243–248. EDN RHDNDV.
31. ESA, 1997, The Hipparchos and Tycho catalogues, ESA SP-1200.
32. Василюк Н.Н., Нефедов Г.А., Сидорова Е.А., Шагимуратова Н.О. Калибровка элементов
внутреннего ориентирования цифровой камеры астродатчика по наземным наблюдениям звезд:
учет атмосферной рефракции и аберрации света // Измерительная техника. 2023. №8. С. 42–52.
DOI 10.32446/0368-1025it.2023-8-42-52. EDN LLSGQW.
33. Bortle, J.E., Introducing the Bortle Dark-Sky Scale, Sky & Telescope, 2001, vol. 101, pp. 126–138.
34. Василюк Н.Н. Геометрические ограничения точности векторного датчика ориентации, построенного на матричном приемнике оптического изображения // Авиакосмическое приборостроение.
2011. № 6. С. 17–24. EDN SYATAX.
Выпуск
Другие статьи выпуска
В статье представлен краткий обзор истории развития современных научных периодических изданий, посвященных вопросам теории, разработки и применения навигационных приборов морского назначения, а также их анализ.
Описываются пять ведущих мировых журналов, специализирующихся в этой научной области. Рассмотрена тематика их публикаций и приведены рейтинги по данным базы Scopus. В базе данных Российского индекса научного цитирования по ключевым
словам найдены десять периодических изданий, в которых публикуется наибольшее количество статей по навигационному приборостроению в России. Перечислены некоторые особенности этих журналов и предложены пути их дальнейшего развития.
В статье рассматриваются проблемы использования за рубежом глобальной навигационной спутниковой системы (ГНСС) GPS (США) и технологии, парирующие ее недостатки. Обсуждаются возможности применения сигналов космических аппаратов,
размещенных на низких околоземных орбитах, радионавигационной системы eLoran и подходов, не имеющих на сегодня аналогов.
В статье представлены результаты экспериментального исследования применения модифицированной искусственной нейронной сети MFNN (Minimum Fuel Neural Network). При этом задействуется метод разреженного представления комплексных данных с использованием избыточного базиса с оптимизацией за счет норм L0 /L1 вместо классического алгоритма на основе быстрого преобразования Фурье (БПФ).
Продемонстрировано существенное улучшение способности систем распознавания препятствий и автономного управления железнодорожным транспортом различать близкорасположенные другу к другу объекты, такие как составы на соседних путях сортировочных станций.
В статье рассматривается алгоритм обнаружения дипольного сигнала на фоне помех при произвольном движении носителя магнитометра. Построенная математическая модель диполя в виде разложения в ряд из шести базисных функций позволяет с одного факта обнаружения диполя произвести как обнаружение, так и оценку местоположения источника. Приведены результаты полунатурного моделирования.
В работе предложен алгоритм определения в полете угла крена быстровращающегося вокруг продольной оси летательного аппарата с использованием данных триады микромеханических датчиков угловой скорости при движении на неуправляемом
участке траектории. Угол крена оценивается при помощи фазового детектора путем демодуляции сигналов поперечных датчиков угловой скорости с последующей обработкой, которая выполняется методом наименьших квадратов.
В статье исследуются взаимосвязь, отличия и особенности алгоритмов обработки результатов морской скалярной гравиметрической съемки, синтезируемых в рамках калмановского и винеровского подходов. Анализируются их достоинства и недостатки при решении задач фильтрации и сглаживания. Приводятся и сопоставляются результаты, полученные с использованием различных рекуррентных фильтров путем моделирования
и при обработке реальных данных. Обсуждаются проблемы состоятельности фильтров и возможности построения их адаптивных вариантов, предполагающих в том числе идентификацию моделей сигналов и помех.
На примере навигации прослеживается выдающаяся роль Российской академии наук в становлении и развитии науки в стране.
Статистика статьи
Статистика просмотров за 2025 год.
Издательство
- Издательство
- ЭЛЕКТРОПРИБОР
- Регион
- Россия, Санкт-Петербург
- Почтовый адрес
- 197046, Санкт -Петербург, ул. Малая Посадская, 30
- Юр. адрес
- 197046, Санкт -Петербург, ул. Малая Посадская, 30
- ФИО
- СОКОЛОВ АЛЕКСАНДР ВЯЧЕСЛАВОВИЧ (ГЕНЕРАЛЬНЫЙ ДИРЕКТОР)
- E-mail адрес
- office@eprib.ru
- Контактный телефон
- +8 (122) 3259158