Разработка математической модели и экспериментальное исследование спутниковой радионавигационной системы управления аэрофотосъемочным полетом

В народном хозяйстве в области землепользования, в связи с проведением в стране земельной реформы, существует проблема повышения выхода годной картографической продукции. Одной из причин необходимости повышения точности являются высокие требования к измерению геометрических параметров элементов топологии земной поверхности.

Существующие методы обычной наземной съемки и фотограмметрии не позволяют решить проблему в сроки, диктуемые развитием новых земельных отношений в современных экономических условиях. Необходимо искать новые технологические подходы, которые дают возможность упростить процесс кадастровых съемок, сделать его более производительным и экономичным.

С 1992 года в России применяется технология, разработанная профессором Б. Н. Родионовым [8,18,19,33,34]. Она основана на применении аэрофотоснимков, получаемых с высоты Н= 10 000 м аэрофотоаппаратами с фокусным расстоянием f=lM. Съемка выполняется на самолетах Ту-134СХ, снабженных аппаратурой GPS (Global Positioning System — Глобальная Система Позиционирования).

Суть новой технологии состоит в том, что получаемые аэрофотоснимки обладают свойствами ортофотоснимков, так как при указанных Н и f их искажения, вызываемые наклонами аэрофотоаппаратов (АФА) и рельефом местности, малы и ими можно пренебречь. Поэтому такие снимки преобразуются в фотоплан простым фотоувеличением без каких-либо фотограмметрических процедур. По данным фотопланам производят инвентаризацию земель: проводят полевое дешифрирование границ земельных участков и угодий, путем компьютерной обработки получают кадастровый план населенного пункта в графической и цифровой форме, удобной для дальнейшего использования [18].

При реализации этой технологии особо остро стоит вопрос о сплошном покрытии территории аэроснимками. Для этого необходимо проведение высокоточного управления во время аэрофотосъемочного полета. При данных параметрах полета необходимо, чтобы отклонения от линии заданного пути не превышали 200 м, поскольку в противном случае возникает вероятность появления разрывов в заснятой территории между аэрофотосъемочными маршрутами.

Ранее управление воздушными комплексами (ВК) при аэрофотосъемке (АФС) на Ту-134СХ осуществлялось с помощью бортового навигационного комплекса «МАК», включавшем в себя инерциальную систему, доплеровский измеритель скорости и угла сноса по радиотехнической системе ближней навигации (РСБН) или путем коррекции визуально-инструментальным методом с использованием оптического визира и топокарт масштаба 1:100 000. Аэрофотографирование велось как отдельными маршрутами длиной до 150 км, так и параллельными, покрывающими площадь. Интервалы фотографирования рассчитывались по текущим значениям путевой скорости и истинной высоты полета. Первый параметр определялся по показаниям доплеровского измерителя, второй — с учетом средней высоты объекта съемки.

Эти виды навигационного оборудования самолета Ту-134СХ, обеспечивали автоматизированный аэрофотосъемочный полет по заданным маршрутам с боковыми отклонениями [2]: при использовании коррекции по РСБН — до 900 мпри использовании оптического визира — до 350 м, что было вполне достаточно для применения сканера типа «Матра» и радиосистемы бокового обзора (РСБО) «Нить-С1СХ» .

Однако для обеспечения площадной АФС с использованием длиннофокусных АФА такая точность управления недостаточна.

Установка на борту самолета Ту-134СХ совместно с автоматической бортовой системой управления (АБСУ) и курсо-доплеровской системой счисления пути с бортовой центральной вычислительной машиной спутниковой системы управления полетом позволяет обеспечить автоматизированное управление при АФС с необходимой точностью в простых и сложных метеоусловиях в любое время года и суток.

Поэтому для практической реализации данной технологии был разработан и создан на основе спутниковых систем аэрофотосъемочный радионавигационный комплекс «Вектор». Этот комплекс выполняет следующие задачи: определение пространственного положения самолетаопределение фактического отклонения от линии заданного пути (ЛЗП) — управление полетом ВК с помощью датчика бокового уклоненияавтоматизацию процесса аэрофотосъемкирегистрацию навигационных измерений и моментов срабатывания затворов АФА для последующей наземной обработки.

Главное достоинство специализированного аэрофотосъемочного комплекса (АФК) заключается в том, что он в сочетании с такими летательными аппаратами (Л А), как Ту-134, и его бортовым навигационным комплексом (БНК), обеспечивает требования высокоточного масштабирования и геодезической привязки полученных аэрофотоснимков. Появляются возможности выполнить съемку «блоками», когда продольные и поперечные базисы фотографирования, образуя «блоки», будут соответственно взаимно параллельны и расположены на заданных расстояниях один от другого, в том числе в центрах картографических трапеций крупного масштаба.

В связи с возможностью выполнения АФС с самолетов Ту-134СХ с помощью длиннофокусных АФА с высоты 10 км при скорости полета 750−800 км/час и длине съемочных галсов не менее 70 км производительность самолета Ту-134СХ превышает производительность самолета Ан-30 при аэросъемке в средних и мелких масштабах в 1.25−1.5 раза, а при работе в масштабах мельче 1:100 000- в 2−2.5 раза [3]. С установкой спутниковых радионавигационных систем (СРНС) практически устранены повторные заходы на съемочные маршруты и брак АФС работ из-за разрывов съемки между маршрутами.

Развитие спутниковых систем навигации началось с середины 70-х годов. В это время была создана так называемая GPS-технология, основанная на системе искусственных спутников Земли — GPS NAVSTAR (Navigation System Time and Ranging — навигационные спутники времени и координат), станций слежения и контроля и специальной аппаратуре, позволяющей получать координаты пунктов с точностью от нескольких метров до миллиметров.

Основные преимущества радионавигационных спутников заключаются в том, что зоны видимости их для наземного наблюдения охватывают огромные площади, а их положение в любой точке на орбите может быть прогнозировано на много часов вперед с высокой точностью, позволившей создать глобальную спутниковую навигационную систему, свободную от недостатков существующих наземных региональных навигационных систем. Автономные системы навигации нуждаются в периодической коррекции их показаний по данным внешних систем, а астрономические средства дальней навигации невозможно использовать в сложных метеоусловиях. Глобальная навигационная система с использованием искусственных спутников Земли (ИСЗ) обеспечивает возможность с высокой точностью определять координаты и скорость самолета, находящегося в любой точке земного шара, в любых метеоусловиях, в любое время года и суток.

С тех пор, как президент Рейган в 1983 году объявил GPS открытым для гражданских пользователей вследствие уничтожения корейского самолета 007, США и Советский Союз согласовали взаимодействие по использованию GPS в гражданских целях с применением систем «NAVSTAR» и ТЛОНАСС" (Глобальная Навигационная Спутниковая Система). Это позволило повысить надежность и точность навигационного обеспечения, создать глобальную навигационную спутниковую службу [64].

GPS впервые стала применяться в России в аэрофотосъемке с 1992 года. Тогда приемники «Тримбл» фирмы «Trimble Navigation Ltd» вошли, как основная часть, в состав комплекса «Вектор». На данный момент этот комплекс установлен на борту самолетов Ту-134СХ, Ан-30 и Ан-2.

Актуальность настоящей работы обусловлена: необходимостью использования спутниковых данных при решении задач управления аэрофотосъемочным комплексом и привязки полученного фотоматериала к местностинеобходимостью повышения уровня автоматизации процессов управления аэрофотосъемочным комплексом и обработки полученных данных с целью улучшения качества получаемой информациисуществованием нерешенных проблем, имеющих фундаментальный характер и важное принципиальное значение в связи с задачами повышения выхода точной картографической продукции и оперативности управления аэрофотосъемочным комплексом.

Целью настоящей работы является разработка методики моделирования, создание математической модели спутниковой радионавигационной системы управления аэрофотосъемочным полетом, а также создание пакета программ, обеспечивающих применение моделирования к решению практических задач АФС.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Созданная модель оценки алгоритмических погрешностей измерения поперечного сноса показывает, что использование спутниковых радионавигационных систем является эффективным для получения допустимых погрешностей перекрытия фотоснимков при картографировании земной поверхности.

2. Полученные аналитические выражения определения навигационных и аэрофотосъемочных параметров позволяют определять их с достаточной точностью (до 200м).

3. Разработанное специальное информационное обеспечение управления аэрофотосъемочным полетом на основе данных спутниковой радионавигационной системы дает возможность управлять воздушным комплексом и обрабатывать массивы аэрофотосъемочной и навигационной информации, записанные во время выполнения аэрофотосъемочного полета, для высокоточной привязки аэрофотоснимков.

4.Моделирование аэрофотосъемочного полета на основе данных радионавигационных систем дает возможность получать управляющее воздействие на ВК.

5.Экспериментальные исследования поведения самолета-аэрофотосъемщика, позволяют оценить точность управления ВК во время полета, амплитуду флуктуации высоты полета, погрешность определения высоты фотографирования, полученную в результате использования дифференциального режима, оценить точность определения координат центров фотографирования и величину продольного перекрытия.

6. Разработанные и используемые в работе математическое и программное обеспечение, а также методика исследования результатов практического применения радиотехнического комплекса «Вектор», позволяют автоматизировать различные этапы работы с комплексом и оценить точность выполнения аэрофотосъемочных работ.

Автор принимал непосредственное участие в создании аэрофотосъемочного радионавигационного комплекса «Вектор», им были разработаны алгоритмы решения следующих задач: создание картосхемы запроектированных маршрутов, создание аэрофотосъемочного отчета, создание картосхемы выполненных полетов, расчет координат центра проекции аэрофотоаппарата, создание навигационной модели выполнения аэрофотосъемочного полета.

По алгоритмам было разработано программное обеспечение, позволяющее автоматически решать вышепоставленные задачи. Автором создана методика исследования данных, полученных в результате проведения аэрофотосъемочных работ. Проведен метрологический анализ метода выполнения аэрофотосъемочных работ с применением созданного аэрофотосъемочного комплекса при решении задач управления и при привязке аэрофотоснимков. Практические исследования в данной диссертации были проведены на самолете Ту-134СХ. Исследовалось более 1000 аэрофотосъемочных маршрутов, проложенных во Владимирской, Саратовской, Волгоградской, Архангельской, Смоленской, Рязанской областях, республиках Дагестан, Марий Эл, Мордовия, Чувашия.

Диссертация содержит введение, 5 глав, заключение.

5.4. Выводы к главе 5.

Разработан аэрофотосъемочный радионавигационный комплекс «Вектор», позволяющий принимать и обрабатывать сигналы системы спутниковой навигации НАВСТАР с целью оперативного контроля траектории полета самолета-аэрофотосъемщика, выдачи информации о линейных боковых отклонениях самолета от заданных маршрутов штурману для корректировки штатного навигационного комплекса, используемого для автоматического управления полетом, а также для отображения и документирования данных измерений.

Точность определения текущих значений плановых координат самолета- 30 м (СКОсредиеквадратическое отклонение), высоты 50 м, скорости- 0.02 м/с (при условии наблюдения одновременно не менее четырех НС, геометрическом факторе РЭОР не более четырех и отношении сигнал/шум не менее шестиуказанные условия практически всегда выполняются).

Величина текущего значения ЛБО отображается с помощью стрелочного индикатора на приборной доске штурмана самолета с точностью ЛБО (30 м и задержкой по времени не более 1 секунды по грубой шкале в пределах 1000 м, по точнойв пределах 100 м, что позволяет обеспечивать полет самолета Ту-134СХ с максимальными отклонениями от заданных маршрутов не более 200 м).

Время срабатывания затворов АФА с установленными фотоэлементами регистрируются с точностью 0.1 мс, по запускающему импульсус точностью 1 мс.

Угловые координаты самолета регистрируются с точностью, обеспечиваемой датчиками НК «МАК»: крен и тангаж- 15 угловых минут, снос- 30 угловых минут.

Впечатанные в кадры плановые координаты АФА относятся к положению самолёта на момент предыдущей целой секунды, т. е. при скорости самолета 200 м/с погрешность не превысит 200 м в направлении вдоль линии полета, 60 м в поперечном направлении и 100 м по высоте.

При обработке результатов измерений в дифференциальном режиме точность определения координат центров фотографирования составляет: хуг=3−5 м (при удалении самолета от базовой станции на расстояние не более 200 км).

Заключение

.

1. Выполнен сравнительный анализ методов управления воздушными комплексами. Показано, что в условиях проведения в Российской Федерации земельной реформы, когда необходимо оперативно и с достаточной точностью обеспечить составление земельного кадастра, методы навигации, используемые при полетах пассажирских и транспортных самолетов, не целесообразно применять для решения задач управления ВК при выполнении аэрофотосъемочных работ, как не обеспечивающих приемлемую точность. Так, технологии проведения аэрофотосъемочных работ, основанные на использовании инерциальных и радионавигационных систем обеспечивают измерение местоположения ВК с погрешностью ДЬ=200 м (требования к результатам аэрофотосъемочных работ) лишь вблизи радиомаяка. При удалении же от него погрешность возрастает до 1000 м.

2. Разработана математическая модель управления аэрофотосъемочным полетом, позволяющая определять аэрофотосъемочные и навигационные параметры. Теоретически доказана возможность применения спутниковых систем радионавигации для выполнения высокоточных аэрофотосъемочных работ на базе предложенной модели, обеспечивающей управление ВК с заданной точностью ДЬ=200м, не зависимо от удаления самолета от радиомаяка.

Разработан алгоритм определения аэрофотосъемочных параметров на основе предложенной навигационной модели управления ВК, позволяющей непосредственно во время полета определять параметры ветра, угол сноса, угол упреждения и истинные курсы следования. С определенными в результате работы программы курсами ВК осуществляется управление движением на съемочных маршрутах.

3. Разработана структурная схема управления ВК на базе спутниковых систем радионавигации, в основе которой лежит принцип квазинепрерывного контроля (с дискретом Аг= 1с) траектории ВК относительно линии заданного пути и контрольных точек.

4. Предложены математические модели оценки алгоритмических погрешностей измерения поперечного сноса летательного аппарата относительно линии галса при картографировании земной поверхности, для прототипа и предлагаемого комплекса. Произведено принципиальное обоснование повышения эффективности разработанного метода относительно прототипа за счет применения методов триангуляции.

5. Разработаны алгоритмы и на их основе составлены программы, позволяющие создавать текстовый отчет о съемочном полете и план выполнения полетного задания. Применение программ обеспечивает выполнение оперативного анализа, составление плана аэрофотосъемки и дает наглядное представление о результатах выполнения аэрофотосъемочных работ.

Разработан алгоритм определения координат точек центра фотографирования, который дает возможность обрабатывать информацию, полученную путем применения дифференциального режима. В результате работы программы, выполняющей данный алгоритм могут быть получены скоректированные значения центров фотографирования, что дает возможность не только более точно привязывать аэрофотоснимки, но и масштабировать их с точностью 0.1%.

6. Разработана методика оценки точности определения параметров воздушной навигации. Так для разработанного аэрофотосъемочного комплекса «Вектор» средняя квадратическая погрешность линейного бокового отклонения ог-ЪОм, высоты сгя = 10 м. Большинство значений ЛБО — 84%, находятся в пределах значений от -40м до 40 м. Отклонения большие 200 м, отсутствуют. Значения высоты определяются с точностью 0.001%). Проведенный в работе анализ показывает, что применение АФК.

Вектор" обеспечивает выполнение аэрофотосъемочных работ не только с требованиями удовлетворяющими заданные, но и превосходящими их.

7. Проведены экспериментальные исследования более 1000 аэрофотосъемочных маршрутов, проложенных во Владимирской, Саратовской, Волгоградской, Архангельской, Смоленской Рязанской областях, республиках Дагестан, Марий Эл, Мордовии, Чувашии, практически доказывающие возможность применения СРНС непосредственно во время съемочного полета.

8. При участии автора разработан аэрофотосъемочный радионавигационный комплекс «Вектор», позволяющий принимать и обрабатывать сигналы системы спутниковой навигации НАВСТАР с целью оперативного контроля траектории полета самолета-аэрофотосъемщика, выдачи информации о линейных боковых отклонениях самолета от заданных маршрутов штурману для корректировки штатного навигационного комплекса, используемого для автоматического управления полетом, а также для отображения и документирования данных измерений.