Калибровка элементов внутреннего ориентирования цифровой камеры астродатчика по наземным наблюдениям звёзд: учёт атмосферной рефракции и аберрации света

Рассмотрена задача индивидуальной калибровки пяти элементов внутреннего ориентирования цифровой камеры астродатчика: фокусного расстояния объектива, двух координат главной точки изображения и двух коэффициентов радиальной дисторсии второго порядка. Указанные элементы внутреннего ориентирования представляют собой набор параметров математической модели цифрового изображения звёзд, снятого камерой астродатчика. В качестве калибровочного тест-объекта использованы звёзды, наблюдаемые калибруемой камерой с поверхности Земли. Координаты звёзд каталогизированы с очень высокой точностью, что позволило избавиться от сложной калибровочной оснастки и свести задачу калибровки к частной задаче цифровой обработки изображений звёзд. Показано, что эффекты искажения положения наблюдаемых с поверхности Земли звёзд, обусловленные скоростной аберрацией и атмосферной рефракцией, можно учесть внесением искажений в направляющие векторы звёзд, взятых из звёздного каталога. Рассмотрены два подхода к решению калибровочной задачи, по-разному учитывающие неизвестную ориентацию калибруемой камеры относительно Земли. Экспериментально установлено, что оба подхода приводят к одинаковым результатам. Невязка результатов калибровочных измерений после калибровки уменьшена в 32 раза до величины порядка неустранимой угловой погрешности определения видимого места звезды в турбулентной атмосфере. Результаты индивидуальной калибровки элементов внутреннего ориентирования камеры используются в программном обеспечении астродатчика для коррекции систематической погрешности измерений ориентации по звёздам.

1. The Hipparcos and Tycho Catalogues, European Space Agency, 1997, available at: https://www.cosmos.esa.int/documents/532822/546213/vol4_all.pdf/cc67cc99-8094-48d6-9f4d-30df294b7567 (accessed: 17.07.2023).

2. Segon D. How many stars are needed for a good camera calibration? WGN, Journal of the International Meteor Organization, 2009, vol. 37, no. 3, pp. 80–83, available at: https://www.researchgate.net/publication/241519225_How_many_stars_are_needed_for_a_good_camera_calibration (accessed: 17.07.2023).

3. Сметанин П. С., Аванесов Г. А., Бессонов Р. В. Куркина А. Н., Никитин А. В. Геометрическая калибровка звёздного датчика высокой точности по звёздному небу // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2017. Т. 14. № 2. С. 9–23. https://doi.org/10.21046/2070-7401-2017-14-2-9-23

4. Samaan M., Lockhart S., Holt G., Mamich H. On-Ground Calibration and Optical Alignment for the Orion Optical Navigation Camera, John L. Junkins Dynamical Systems Symposium, May 20–21, 2018, College Station, TX, USA, available at: https://ntrs.nasa.gov/citations/20180004169 (accessed: 17.07.2023).

5. Enright J., Jovanovic I., Vaz B. IEEE Sensors Journal, 2018, vol. 18, no. 18,pp. 7708–7720. https://doi.org/10.1109/JSEN.2018.2857621

6. Chen Z., Zheng Y., Zhan Y., Li C., Chen B., Zhang H. Journal of Physics: Conference Series, 2022, vol. 2235, 012053. https://doi.org/10.1088/1742-6596/2235/1/012053

7. Chen X., Xing F., You Z., Zhong X., Qi K. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 2022, vol. 60, 5608211. https://doi.org/10.1109/TGRS.2021.3100841

8. Yoon H., Baeck K., Wi J. International Journal of Aeronautical and Space Sciences, 2022, vol. 23, рр. 180–191. https://doi.org/10.1007/s42405-021-00432-5

9. Федосеев В. И. Колосов М. П. Оптико-электронные приборы ориентации и навигации космических аппаратов. М.: Логос, 2007. 247 с. https://elibrary.ru/qnuuaz

10. Аванесов Г. А., Кондратьева Т. В., Никитин А. В. Исследование смещения энергетического центра изображений звёзд относительно геометрического центра на ПЗС-матрице и коррекция методической ошибки // Механика, управление и информатика (см. в книгах). 2009. № 1. С. 421–446. https://elibrary.ru/ojsjgd

11. Брагин А. А. Исследование способов определения координат центра изображения точечного источника излучения // Известия высших учебных заведений. Геодезия и аэрофотосъемка. 2009. № 5. С. 73–80. https://elibrary.ru/vbcbdl

12. Conrady A. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 1919, vol. 79, no. 5, pp. 384–390. https://doi.org/10.1093/mnras/79.5.384

13. Brown D. C. Decentering distortion of lenses, Photogrammetric Engineering and Remote Sensing, 1966, vol. 32, no. 3, pp. 444–462.

14. Василюк Н. Н. Коррекция вращательного смаза в изображениях звёзд, наблюдаемых астроинерциальным датчиком ориентации на фоне дневного неба // Компьютерная оптика. 2023. Т. 47. № 1. С. 79–91. https://elibrary.ru/qskzqp

15. Прохоров М. Е., Захаров А. И., Тучин М. С. Расчёт оптимальных характеристик оптической системы и матричного приёмника излучения звёздного датчика ориентации по его тактико-техническим характеристикам // Механика, управление и информатика (см. в книгах). 2013. № 1(13). С. 80–90. https://elibrary.ru/rhdmtl

16. Щеглов П. В. Проблемы оптической астрономии. М.: Наука, 1980. 272 с.

17. Гаранин С. Г., Зыков Л. И., Климов А. Н., Куликов С. М., Смышляев С. П., Степанов В. В., Сюндюков А. Ю. Дневное наблюдение звёзд слабой яркости (7m-8m) с равнинной местности // Оптический журнал. 2017. Т. 84. № 12. С. 30–37. https://elibrary.ru/zvqhyl

18. Даффет-Смит П. Практическая астрономия с калькулятором. Пер. с англ. М.: Мир, 1982. 176 с.

19. Василюк Н. Н. Векторная коррекция скоростной аберрации для внутриатмосферного звёздного датчика ориентации // Авиакосмическое приборостроение. 2022. № 10. С. 17–31. https://doi.org/10.25791/aviakosmos.10.2022.1302

20. Василюк Н. Н. Векторная коррекция атмосферной рефракции для внутриатмосферного звёздного датчика ориентации // Авиакосмическое приборостроение. 2022. № 9. С. 31–44. https://doi.org/10.25791/aviakosmos.9.2022.1299

21. Мудров В. И., Кушко В. Л. Методы обработки измерений: Квазиправдоподобные оценки. Изд. 2-е, перераб. и доп. М.: Радио и связь, 1983. 302 с.

22. Markley F. L., Mortari D. New developments in quaternion estimation from vector observations. Advances in the Astronautical Sciences, 2000, vol. 106, pp. 373–393, available at: http://wayback.archive-it.org/1792/20100129034039/http://hdl.handle.net/2060/20000034107 (accessed: 17.07.2023).