Расчетная оценка суточных вариаций местной вертикали, построенной по результатам наблюдения видимой линии горизонта

Датчики местной вертикали находят достаточно широкое применение. Во-первых, это системы ориентации космических аппаратов. Обычно такие датчики работают в ИК диапазоне. Во-вторых, это беспилотные летательные аппараты, где местная вертикаль определяется по линии горизонта и используется, в основном, для решения задач угловой стабилизации аппаратов. Проводились эксперименты по использованию датчика горизонта для коррекции ухода осей инерциальной навигационной системы мобильных объектов, перемещающихся по поверхности Земли, а также для решения задач навигации по форме линии горизонта на Марсе и Луне.
Фирма Optical Physics Company, Калифорния, США (http://opci.com/ocns.htm) ведет разработку системы навигации, использующей звездный датчик в сочетании с датчиком местной вертикали. Для построения местной вертикали используется датчик горизонта. Такая система навигации может быть установлена на широкий круг летательных аппаратов, для которых критически важным требованием является высокая устойчивость к искусственным помехам, которые весьма эффективно блокируют работу спутниковых навигационных приемников GPS, ГЛОНАСС и др. Фирма получила грант Министерства обороны США по программе SBIR/STTR на создание такой системы навигации, предназначенной для перспективного высокоскоростного гиперзвукового летательного аппарата (http://www.sbir.gov/sbirsearch/detail/257225).
Необходимо различать две ситуации. Если с борта летательного аппарата возможно наблюдение формы линии горизонта, определяемой формой поверхности Земли, то возможна корреляционно-экстремальная навигация по форме линии горизонта. Предыдущие исследования показали, что возможно наблюдение линии горизонта с контрастностью между землей и небом более 2% и достаточным уровнем излучения в трех диапазонах (2.0-2.4 мкм, 3.05-4.17 мкм, 4.44-5.05 мкм) днем и в двух диапазонах (3.05-4.17 мкм, 4.44-5.05 мкм) круглосуточно. Если полет осуществляется над морем (океаном) то корреляционн-экстремальная навигация оказывается невозможной. В этой ситуации возможно только определение местной вертикали.
С увеличением высоты полета условия наблюдения существенно ухудшаются. При этом даже при контрасте не менее 2% становится все сложнее определить линию горизонта на фоне градиента яркости по направлению от надира к зениту, обусловленного процессами распространения и поглощения излучения в атмосфере. В этом случае также представляется возможным только определение местной вертикали.
В данном случае линия горизонта определяется как линия, соединяющая точки максимального градиента яркости в направлении от надира к зениту. Поскольку положение этой линии определяется процессами распространения и поглощения излучения в атмосфере, то она зависит и от положения Солнца, которое является мощным источником излучения. Целью работы является оценка степени этого влияния. Оценка производилась для разных высот полета летательного аппарата в четырех спектральных диапазонах: 0.852-0.882 мкм, 2.0-2.4 мкм, 3.05-4.17 мкм и 4.44-5.05 мкм. Расчеты показали, что максимальные отклонения местной вертикали зависят от времени суток, высоты полета и спектрального диапазона наблюдения и имели порядок единиц угловых минут.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проект № 12-08-00863-а).