Возможности космической навигации по лимбу Земли в видимом диапазоне

Рассматриваются проблемы космической навигации по лимбу Земли в видимом диапазоне. В этом диапазоне горизонт Земли не виден, а вокруг Земли наблюдается лимб –слой атмосферы толщиной в десятки километров, светящийся за счет рассеяния в нем солнечного света. В этих условиях для навигации необходимо определить условный горизонт, который может не совпадать с истинным горизонтом – гораздо важнее, чтобы его высота была наиболее стабильна при изменении атмосферных условий, прежде всего – облачности. Показано, что в условиях неоднородной облачности наилучшую стабильность имеет условный горизонт, определенный по критерию половины от максимальной яркости. Модельные расчеты и обработка реальных изображений профилей яркости лимба Земли показали, что синий участок видимого диапазона является оптимальным для навигации по лимбу, поскольку в нем сильное молекулярное рассеяние света маскирует влиянии облачности и других факторов на профиль яркости лимба Земли. Однако, этот диапазон является неподходящим для наблюдения ориентиров на поверхности Земли, которые также могут использоваться для космической навигации. Допустимо использование и других участков видимого диапазона с некоторым ухудшением точности лимбовых измерений. Разработан алгоритм решения задачи детектирования условного горизонта и определения по нему навигационных параметров. Алгоритм включает фильтрацию шума, детектирование точек горизонта с фильтрацией терминатора, аппроксимацию точек лимба эллипсом и определение его параметров: координат центра и размера большой полуоси. Обработка изображений, полученных с геостационарного ИСЗ GOES-East в диапазоне 0,5-0,7 мкм при различных значениях фазового угла, показала, что при ухудшении разрешения съемочной системы на лимбе в 10 раз - от 1 до 10 км среднеквадратическое отклонение (СКО) границы условного горизонта от аппроксимирующего эллипса увеличивается лишь в 1,5 раза - от 2 до 3 км, поскольку ухудшение разрешения сопровождается относительным уменьшением влияния нестабильности условного горизонта. При этом СКО оценок координат центра и большой полуоси эллипса увеличивается в 1,5-3 раза – от 1-2 до 3 км. С другой стороны, при уменьшении угла раствора детектированной дуги горизонта в 2 раза - от 160 до 80° СКО оценки координат центра и большой полуоси эллипса увеличивается в 3-10 раз. Эти результаты убедительно показывают, что при необходимости компромисса между пространственным разрешением и полем зрения съемочной системы предпочтение следует отдавать увеличению поля зрения - вплоть до 180°. В заключение обсуждаются примерные параметры съемочной системы для оптической навигации по лимбу Земли.