Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2024. Т. 21. № 1. С. 149-162
Высокоточный звёздный датчик ориентации нового поколения. Особенности конструкции и алгоритма работы
В.Ю. Дементьев
1 , А.Н. Василейская
1 1 Институт космических исследований РАН, Москва, Россия
Одобрена к печати: 22.12.2023
DOI: 10.21046/2070-7401-2024-21-1-149-162
Насущная потребность в высокоточных измерениях ориентации особо проявляется в задаче геопривязки снимков дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ). Эти данные используются для составления цифровых топографических карт и их последующей актуализации. Ключевая роль в решении данного вопроса отводится звёздным датчикам, обладающим приемлемой для этого точностью измерений. В статье дано описание современного высокоточного звёздного датчика ориентации производства Института космических исследований РАН. Его отличительной чертой является выход на качественно новый уровень технических показателей, и в первую очередь это относится к точности измерения угловой ориентации. Последняя составляет не менее единиц угловых секунд, а в большинстве случаев достигает десятых долей угловых секунд (σ = 0,1 угл. с), что подтверждается представленными в статье результатами стендовых испытаний. В пересчёте на ошибку геопривязки 1 угл. с влечёт за собой смещение около 2,5 м при съёмке в надир с высоты 500 км. Достижение показателя точности в единицы метров представляется вполне достаточным для составления цифровых карт и соответствует общепринятым мировым стандартам. В работе представлены основные факторы, оказывающие влияние на точность вычисления ориентации звёздным датчиком, и методы их компенсации. Обсуждается выбор элементной базы прибора с обоснованием принятых решений. Приведены конструктивные особенности звёздного датчика, включая применённые средства тепло- и радиационной защиты. Особое внимание уделено описанию режимов работы прибора и присущим им особенностям. Рассмотрено введение звёздных каталогов, построенных на базе современных каталогов Hipparcos и Gaia. Описаны проблемы, стоящие на пути их корректного использования в звёздном датчике. Проанализированы причины формирования собственного звёздного каталога с учётом разрешающей способности прибора, его преимущества и недостатки. Представлены последствия эксплуатации прибора при изменении условий среды — с воздуха на космический вакуум. Показана целесообразность уточнения модели оптической системы проведением повторной лётной геометрической калибровки. Она рекомендована сразу после выхода космического аппарата на орбиту и его термостабилизации. Метод лётной калибровки реализован в высокоточном звёздном датчике двояко. Один способ подразумевает установку сеанса связи с прибором и телеметрирование достаточного массива координат звёзд известного направления и спектрального класса с их последующей обработкой на Земле. Другой вариант заключается в возможности полностью автоматического пересчёта в специальном опциональном режиме. Прибор звёздной ориентации высокой точности разработан и успешно прошёл все испытания, предусмотренные наземной программой отработки. Его применение предполагается на перспективных космических аппаратах ДЗЗ.
Ключевые слова: ИКИ РАН, ДЗЗ, звёздный датчик, астроориентация, погрешность измерений ориентации
Полный текстСписок литературы:
- Аванесов Г. А., Жуков Б. С., Краснопевцева Е. Б. Задачи, решаемые телевизионной системой навигации и наблюдения в проекте «Фобос-Грунт» // 1-я Всероссийская научно-техн. конф. «Современ. проблемы определения ориентации и навигации косм. аппаратов»: сб. тр. М.: ИКИ РАН, 2009. С. 239–250.
- Аванесов Г. А., Дунаев Б. С., Красиков В. А., Куделин М. И., Форш А. А. Датчики звездной ориентации семейства БОКЗ. Опыт 11-летней эксплуатации в космосе // 2-я Всероссийская научно-техн. конф. «Современ. проблемы ориентации и навигации косм. аппаратов»: сб. тез. М.: ИКИ РАН, 2010. С. 3.
- Аванесов Г. А., Бессонов Р. В., Форш А. А., Залялова Р. Г., Филатов А. Д. Опыт эксплуатации и перспективы развития приборов звездной ориентации БОКЗ // 4-я Всероссийская научно-техн. конф. «Современ. проблемы ориентации и навигации косм. аппаратов»: сб. тез. М.: ИКИ РАН, 2014. С. 3.
- Аванесов Г. А., Бессонов Р. В., Форш А. А., Куделин М. И. Результаты летных испытаний приборов БОКЗ // 5-я Всероссийская научно-техн. конф. «Современ. проблемы ориентации и навигации косм. аппаратов»: сб. тез. М.: ИКИ РАН, 2016. С. 6–7.
- Аванесов Г. А., Бессонов Р. В., Куркина А. Н., Сметанин П. С. Технология наземной обработки данных о координат звезд в целях повышения точности геопривязки снимков Земли из космоса // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2018. Т. 15. № 6. С. 31–38. DOI: 10.21046/2070-7401-2018-15-6-31-38.
- Аванесов Г. А., Бессонов Р. В., Куркина А. Н. и др. (2019а). Вопросы обеспечения географической привязки снимков дистанционного зондирования Земли // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2019. Т. 16. № 5.С. 59–64. DOI: 10.21046/2070-7401-2019-16-5-59-64.
- Аванесов Г. А., Бессонов Р. В., Брысин Н. Н., Квашнин А. С., Шевелев В. Е. (2019б) Пути снижения термоупругих деформаций приборов звездной ориентации // 6-я Всероссийская научно-техн. конф. «Современ. проблемы ориентации и навигации косм. аппаратов»: сб. тр. М.: ИКИ РАН, 2019. С. 44–63.
- Аванесов Г. А., Бессонов Р. В., Сметанин П. С., Филиппова О. В., Эльяшев Я. Д. (2019в) Особенности измерения координат звезд оптико-электронными приборами с различными угловыми разрешениями // 6-я Всероссийская научно-техн. конф. «Современ. проблемы ориентации и навигации косм. аппаратов»: сб. тр. М.: ИКИ РАН, 2019. С. 103–114.
- Аванесов Г. А., Куркина А. В., Филиппова О. В., Эльяшев Я. Д. (2019г). Эксперимент по коррекции фрагмента бортового каталога прибора БОКЗ-М60 // 6-я Всероссийская научно-техн. конф. «Современ. проблемы ориентации и навигации косм. аппаратов»: сб. тр. М.: ИКИ РАН, 2019. С. 130–141.
- Аванесов Г. А., Строилов А. Н., Филиппова О. В., Шамис В. А., Эльяшев Я. Д. (2019д) Адаптация звездных каталогов к условиях их применения в звездных датчиках ориентации // 6-я Всероссийская научно-техн. конф. «Современ. проблемы ориентации и навигации косм. аппаратов»: сб. тр. М.: ИКИ РАН, 2019. С. 141–158.
- Аванесов Г. А., Шамис В. А., Эльяшев Я. Д. Моделирование изображений звездного неба в задачах наземной отработки датчиков ориентации // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2021. Т. 18. № 2. С. 82–94. DOI: 10.21046/2070-7401-2021-18-2-82-94.
- Белинская Е. В., Кобелева А. А., Сметанин П. С. и др. Сравнение эффектов структурных повреждений в матрицах КМОП и ПЗС, применяемых в звездных датчиках на примере CMV4000 и ФППЗ «Лев-4» // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2018. Т. 15. № 6. С. 119–130. DOI: 10.21046/2070-7401-2018-15-6-119-130.
- Бессонов Р. В., Брысин Н. Н., Полянский И. В. и др. Стендовое оборудование для определения оптических характеристик звездных датчиков // 5-я Всероссийская научно-техн. конф. «Современ. проблемы ориентации и навигации косм. аппаратов»: сб. тр. ИКИ РАН. 2017. С. 51–61.
- Кондратьева Т. В. Моделирование параметров движения космических аппаратов и внешних условий космического пространства в процессе наземных испытаний звездных координаторов: препринт. Пр-2120. М.: ИКИ РАН, 2005. 18 c.
- Прохорова С. А., Сметанин П. С., Форш А. А. Развитие алгоритмов фильтрации первичных данных в звездном датчике ориентации // 6-я Всероссийская научно-техн. конф. «Современ. проблемы ориентации и навигации косм. аппаратов»: сб. тр. М.: ИКИ РАН, 2019. С. 158–174.
- Строилов Н. А., Белинская Е. В., Брысин Н. Н. и др. Критерии и методы фокусировки высокоточных измерительных систем // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2022. Т. 19. № 3. С. 119–130. DOI: 10.21046/2070-7401-2022-19-3-119-130.