Синтез эталонных изображений в построителях местной вертикали высокой точности и в навигационных системах на основе визирования линии горизонта

Для перспективных космических аппаратов детального оптико-электронного наблюдения поверхности Земли с точной топографической привязкой и прицельной съемкой заданных объектов с высоким разрешением является актуальной задача повышения надежности и точности навигации. Для низкоорбитальных спутников возможно существенное повышение точности построения местной вертикали за счет учета реального профиля поверхности Земли, известного с высокой точностью. Точность построения местной вертикали в этом случае определяется, главным образом, точностью учета поправки за рефракцию и может быть сделана существенно лучше 1 угловой минуты. Использование местной вертикали в сочетании со звездными датчиками и точным временем позволяет решать навигационную задачу не только для космических аппаратов, но и для самолетов. Активные исследования в этом направлении ведутся, например в Optical Physics Company, Калифорния (http://opci.com/ocns.htm).
Интерес к оптическим системам навигации стимулируется тем обстоятельством, что известные в настоящее время спутниковые навигационные системы, такие как GPS, ГЛОНАСС, а также разрабатывающиеся системы Galileo (Европейский союз) и "Бэйдоу" (КНР) обладают крайне высокой уязвимостью к маскирующим помехам. Это объясняется большим расстоянием до навигационных спутников и малой мощностью бортовых передатчиков навигационного сигнала. Более того, в последние годы были успешно проведены эксперименты по созданию имитирующих помех, способных порождать ошибку навигации, изменяющуюся по заданному закону. Особенно неприятны ошибки такого рода для космических аппаратов детального оптико-электронного наблюдения поверхности Земли с точной топографической привязкой. Помехи могут быть созданы прицельно для заданного потребителя (или потребителей), в то время как другие потребители, находящиеся в этом районе, будут получать достоверную навигационную информацию. По этой причине в 2012 году Агентство перспективных оборонных исследований (DARPA) объявило конкурс на создание комплексированной системы навигации, способной успешно функционировать в случае подавления системы GPS.
Необходимо отметить, что сравнение видимой формы горизонта с расчетной формой линии горизонта, зависящей от координат точки, в которой находится наблюдатель, позволяет решать навигационную задачу и без звездного датчика. Иными словами, возможно создание корреляционно-экстремальной системы навигации по наблюдаемой форме линии горизонта. Поскольку профилеметрическая информации имеется для Земли, Луны и Марса, то навигационная задача может решаться при полете в окрестностях указанных планет, а также при движении по их поверхности.
Одной из важных причин, которые препятствуют широкому распространению указанных выше систем, является высокая вычислительная сложность обработки видеоинформации и синтеза эталонных изображений. В докладе рассматриваются вопросы разработки алгоритмов синтеза эталонных изображений линий горизонта для произвольного положения летательного аппарата. Синтез этих изображений должен осуществляться с высокой скоростью и точностью для обеспечения навигации в реальном времени.
В системах визуализации и компьютерных играх широко используются методы синтеза изображений. Скорость синтеза таких изображений достаточно высока. Однако они отличаются низкой точностью синтеза отдаленных объектов, поскольку человеческий глаз практически не обнаруживает такие погрешности. В данном случае низкая точность синтеза изображений удаленных объектов абсолютно недопустима. Были реализованы две формы представления эталонного изображения – растровая и векторная. Наиболее подходящей формой представления эталонов признана векторная, поскольку она позволяет гибко изменять параметры синтеза эталона в зависимости от располагаемого времени, текущего состояния измерительной системы (поиск-захват-слежение), текущей конфигурации облачного слоя, профиля визируемой поверхности, текущих поправок за рефракцию, поправок за текущие значения тангажа и крена и других факторов. В качестве недостатка векторного представления можно указать на то обстоятельство, что методы установления соответствия для векторных эталонов существенно менее хорошо исследованы, чем для растровых эталонов.
Работа выполнена при частичной поддержке РФФИ, грант 12-08-00863-а.