Способ определения пространственных координат цели

 

Использование: полигонные испытания образцов вооружения и военной техники. Сущность изобретения: для определения пространственных координат цели выбирают n опорных точек, визируют и фоторегистрируют цели и опорные точки из N точек с известными координатами, дешифрируют снимки, идентифицируют опорные точки, измеряют координаты опорных точек в системе координат, две оси которой лежат в плоскости фотоснимка, а третья перпендикулярна этой плоскости и проходит через центр фотоснимка, и вычисляют пространственные координаты цели по априорно известным координатам опорных точек и по измеренным координатам тех же опорных точек. Для повышения точности определения координат дополнительно измеряют направляющие косинусы для каждой точки наблюдения между линиями визирования на опорные точки и между направлениями, проходящими через заднюю главную точку фоторегистратора и изображения опорных точек, сравнивают их между собой и на величину полученной разницы компенсируют измеренные направляющие косинусы между направлениями, проходящими через заднюю главную точку фоторегистратора и изображения цели и опорных точек, а затем определяют по скомпенсированным значениям направляющих косинусов и известным направлениям на опорные точки пространственные координаты объекта как точку пересечения прямых круговых конусов, вершина каждого из которых совпадает с точкой наблюдения, а угол полураствора равен углу между направлениями на цель и опорную точку.

Изобретение относится к полигонным испытаниям образцов вооружения и военной техники и может быть использовано при определении параметров движения объектов наблюдения /испытаний/ по данным фоторегистрирующих /оптических/ средств траекторных измерений.

Известен так называемый пеленгационный способ определения пространственных координат цели по данным оптических измерений с двух или более пунктов, разнесенных в пространстве. Положение цели в пространстве в этом случае определяется как точка пересечения n-линий визирования, где n - число оптических средств, задействованных в измерениях. При этом каждая линия визирования в пространстве определяется азимутом (α) и углом места (β)(α,β - угловые координаты цели).

Для измерения угловых координат цели каждое оптическое средство горизонтируют и внутреннюю систему отсчета ориентируют относительно местных меридиана и горизонта, используя, например, геодезические вехи. Иными словами, формируют высокоточные системы ориентации /опорные системы координат/ относительно осей местных измерительных систем координат /СК/ с началом в главной точке объектива каждого оптического средства. Точность измеряемых угловых координат цели в значительной степени зависит от точности оценок положения опорной СК относительной осей измерительной системы координат. Кроме этого также необходимо знать с достаточной точностью и ряд других элементов ориентирования по каждому снимку: фокусное расстояние камеры, положение оптического центра на снимке и т.д. В итоге для реализации подобных измерений требуется предварительно проведение сложных юстировочных, оценочных и геодезических работ. Точность определяемых пространственных координат цели зависит не только от точности угловых измерений, но и от количества оптических средств и геометрии их размещения относительно положения цели.

Указанные особенности затрудняют широкое использование пеленгационного способа при организации измерений, особенно с временных пунктов в необорудованных районах.

Ближайшим аналогом к изобретению является способ наблюдения объекта на фоне опорных точек /1/. Этот способ основан на фотографировании цели на фоне опорных точек /например, звезд/ с помощью оптического средства типа баллистической камеры.

Сущность этого способа заключается в следующем. Перед фотографированием каждое оптическое средство горизонтируется и с помощью геодезических вех ориентируется относительно осей местной измерительной СК. По данным целеуказаний каждое оптическое средство наводится на предполагаемый район появления объекта наблюдения. Фотографирование цели выполняется, например, на фоне звезд. Полученные результаты фоторегистрации после проявки дешифруются.

Результаты дешифрования и данные ориентации оптического средства относительно осей местной измерительной СК используются затем для идентификации /отождествления, опознания/ звезд снимка с каталогом. Далее, используя картинный и каталожные координаты идентифицированных звезд, производят уточнение элементов ориентирования каждого снимка либо определение их постоянных. В итоге оказываются уточненными в том числе и параметры ориентации каждого фоторегистрирующего средства. После указанных операций переходят к вычислению угловых координат цели в функции времени /азимута, угла места/.

Выходными результатами фоторегистрации цели на фоне звезд /опорных точек/ с каждого оптического средства являются два параметра азимут и угол места цели. Определение пространственных координат цели затем может быть осуществлено, например, точно так же, как в пеленгационном способе.

Основным недостатком данного способа является зависимость как процесса идентификации звезд снимка с каталогом, так и точности измерения угловых координат цели от точности и достоверности оценок параметров ориентации каждого оптического средства относительно осей измерительной СК. Поэтому перед измерениями выполняются трудоемкие юстировочные и геодезические работы. Эти обстоятельства затрудняют использование этого способа в необорудованных районах.

Кроме того, использование опорных точек /звезд/ направлено только на уточнение элементов ориентирования /постоянных/ снимка и поэтому выходными результатами измерения являются угловые координаты цели в фиксированные моменты времени. В то же время n опорных точек /звезд/ с высокоточными значениями координат исключаются из состава выходной информации, что в итоге ограничивает возможности повышения точности определяемых пространственных координат цели за счет, например, избыточности измерений с каждого оптического средства. С другой стороны, следует отметить, что использование в качестве опорных точек геодезических вех /точки с различными значениями азимутов, но примерно одинаковыми значениями угла места относительно точки стояния оптического средства/ делает неэффективным применение рассмотренного выше способа обработки в силу особенности расположения этих опорных точек.

Задачей изобретения является повышение точности определения пространственных координат цели за счет увеличения количества измерительной информации.

Указанный технический результат достигается тем, что каждое оптическое средство, задействованное в работе, устанавливается произвольно относительно осей измерительной СК. Затем каждое оптическое средство наводят грубо /с точностью до 5.10^o/ относительно местных меридиана и горизонта на предполагаемый район появления цели. Фотографирование цели осуществляют на фоне опорных точек. Под опорными точками здесь понимаются точки с известными направлениями в пространстве /например, задаваемые значениями азимута и угла места/ относительно местной измерительной СК, совмещенной с точкой стояния оптического средства /звезды, геодезической вехи/. Известные направления далее будем именовать как каталожные.

Полученные материалы фоторегистрации с изображениями цели и опорных точек проявляют и дешифруют /в том числе и идентифицируют/. Затем по координатам опорных точек /измеренных и каталожных/ определяют параметры калибровки каждого снимка. Под параметрами калибровки понимаются характеристики, позволяющие учесть искажения опорного поля, обусловленные деформацией негатива, дисторсией и аберрацией объектива, отличием фактического значения фокусного расстояния от паспортного значения, смещением начал координатных систем, атмосферной рефракцией и т.д. При этом параметры ориентации /положение оптической оси относительно осей измерительной СК, угол поворота снимка/ не уточняются и в расчетах не используются.

Полученные параметры калибровки и измеренные картинные координаты цели и опорных точек используются затем для получения направляющих косинусов между направлениями, проходящими через главную заднюю точку объектива на изображение цели и опорных точек каждого снимка. С каждого снимка таким образом может быть получено столько значений направляющих косинусов, сколько принято к обработке опорных точек.

Пространственные координаты цели определяют по значениям направляющих косинусов и известным направлениям на опорные точки как точку пересечения, например, прямых круговых конусов, вершина каждого из которых совпадает с точкой стояния оптического средства /главной точкой объектива/, а угол полураствора равен углу между направлениями на цель и опорную точку.

Рассмотрим реализацию способа на примере фотографирования цели на фоне звезд.

Положение точек стояния оптических средств /главных точек объективов/ определяются заранее известными геодезическими способами. Эти точки являются началами местных измерительных систем координат O_iX_iY_i где J количество оптических средств). Ось O_iY_i направлена, например, на север по касательной к истинному меридиану, проходящему через начало координат. Ось O_iY_i направлена по внешней нормали к эллипсоиду в точке O_i. Ось O_iZ_i образует с осями O_iX_i и O_iY_i правую прямоугольную систему координат. Как отмечалось выше, каждое оптическое средство совмещается с началом "своей" измерительной СК. Горизонтирование средств может не производиться. Наведение в предполагаемый район появления цели выполняется грубо с точностью до нескольких градусов /5.10^o/ относительно местных меридиана и горизонта. Указанная величина /5.10^o/ выбрана из тех предположений, что у баллистических камер угол поля зрения составляет, как правило, 20^o и более и потому объект наблюдения даже при такой погрешности ориентирования будет зафиксирован на снимке. Для подобного ориентирования оптического средства в пространстве может быть использован компас, топографическая карта, положение Полярной звезды и т.д. Необходимым условием является фотографирование цели на фоне звезд /т.е. одновременное фотографирование цели и опорных точек/.

Предположим, что фотографирование выполняется на один кадр. В этом случае след движения цели зафиксируется в виде нескольких треков, каждый из которых имеет привязку ко времени. Точно также изобразятся и звезды. Полученные негативы затем используют для измерения координат изображений цели и звезд на компараторе, например, типа АК-1.

Опознание звезд снимка с каталогом выполняется либо вручную по звездным картам с использованием негативов с изображением звезд, либо автоматически с использованием, например, специального алгоритма /см. Якушин С.М. Метод обработки результатов фотографирования оптическими средствами космических объектов на фоне звезд. Автометрия, 1976, N 5, с. 58 62/. В результате опознания определяются каталожные /видимые/ координаты звезд. Используя каталожные и картинные координаты звезд, определяют параметры калибровки снимка.

Принимается, что на негативах имеется сетка Готье и поэтому поправки за деформацию фотоматериала рассчитываются и вводятся на этапе, предшествующем этапу оценки параметров калибровки каждого снимка. С учетом этого в набор оцениваемых параметров включаем характеристики, оказывающие наиболее существенное влияние на точность измеряемых направляющих косинусов между направлениями на цель и опорные точки. Этими характеристиками являются: фокусное расстояние камеры /f/, координаты положения оптического центра на снимке /X₀, Y₀/, коэффициенты полинома, описывающие влияние дисторсии объектива /K₁, K₂, K₃/.

Исходные зависимости для оценки параметров калибровки в этом случае имеют вид: где X_ui, Y_ui измеренные значения картинных координат опорных точек.

Для введения поправок Δr за дисторсию в измеренные на снимке расстояния от главной точки использован полином вида Δr = k₁λ³ + k₂λ⁵ + k₃λ⁷ /см. Лобанов АН. Фотограмметрия. М. Недра, 1984, с. 15/.

Применив ряд Тейлора, напишем уравнение поправок частные производные от функции по соответствующей переменной; Δf·Δx_o·Δy_o·Δk₁·Δk₂·Δk₃ поправки к начальным значениям оцениваемых параметров; l cosQ_эт cosQ_расч; cosQ_эт = cosβ₁·cosβ₂·cos(α₁- α₂)+sinβ₁sinβ₂ α₁,β₁,α₂,β₂ угловые координаты опорных точек.

В качестве начальных значений принимаются f_o f_n - паспортное значение, Значения частных производных определяются либо аналитически, либо методом конечных разностей.

Каждая пара опорных точек позволяет сформировать одно уравнение с шестью неизвестными. Для оценки параметров калибровки необходимо иметь не менее 4-х опорных точек /сочетание из 4 по 2 дает число 6/. В общем случае количество уравнений /N/ из n числа опорных точек определяется выражением /число сочетаний из n по 2/.

Уравнения типа /4/ решаются последовательными приближениями, например, по методу наименьших квадратов.

Оценив параметры калибровки каждого снимка подобным образом, затем приступают к определению направляющих косинусов между направлениями на цель и опорные точки. При этом значения картинных координат каждой точки /цель, опорная точка/ корректируются по правилу /3/, после чего вычисляются значения для каждой пары /картинные координаты цели и очередной опорной точки/ по правилу /1/.

Располагая корреляционной матрицей оцениваемых параметров калибровки и значениями погрешностей измерения картинных координат, рассчитываем значения σ_cosQ которые затем используют для оценки веса измеренных величин cosQ. Далее формируется для каждого снимка массив измеренных значений cosQ_i на фиксированный момент времени в виде:

где n число опорных точек, задействованных при оценке параметров калибровки;
α,β₁,...,α_n,β_n опорные направления в виде угловых координат /азимут, угол места/;
t момент времени.

Массивы вида /6/ с каждого оптического средства /снимка/ на момент t являются исходными данными для определения пространственных координат цели. Как отмечалось выше, пространственные координаты цели определяются как точка пересечения прямых круговых конусов, вершина каждого из них совпадает с точкой стояния оптического средства, а угол полураствора равен углу между направлениями на цель и опорную точку. С учетом вышеизложенного для определения пространственных координат цели используется столько значений направляющих косинусов, сколько всего отождествлено /опознано/ звезд с каталогом со всех снимков. Иными словами, если в работе задействованы 3 оптических средства и на каждом снимке опознано по 10 звезд, то в данном способе определения координат цели на t осуществляется по /10х3/ значениям cosQ вместо 6 /2х3/ значений α,β как, например, в пеленгационном способе. Увеличение количества измерительной информации, привлекаемой к обработке, позволяет обеспечить повышение как точности, так и достоверности определяемых оценок координат.

Предложенный способ базируется на увеличении измерительной информации, что приводит в итоге к повышению точности определения оценок координат практически без дополнительных затрат на измерения. Способ также обеспечивает упрощение собственно измерений за счет отказа от построения высокоточной системы ориентации для каждого оптического средства и повышение этим самым гибкости и мобильности измерительного комплекса при решении задачи оценки координат цели. На основе предлагаемого способа можно создать сравнительно дешевые измерительные оптические комплексы с грубой внутренней системой отсчета /до единиц градусов/ для обеспечения измерений в труднодоступных и малооборудованных районах.

Формула изобретения

Способ определения пространственных координат цели, заключающийся в выборе n опорных точек, визировании и фоторегистрации цели и опорных точек из N точек с известными координатами, дешифрировании снимков, идентификации опорных точек, измерении координат опорных точек в системе координат, две оси которой лежат в плоскости фотоснимка, а третья перпендикулярна этой плоскости и проходит через центр фотоснимка, и вычислении пространственных координат цели по априорно известным координатам опорных точек и по измеренным координатам тех же опорных точек, отличающийся тем, что дополнительно измеряют направляющие косинусы для каждой точки наблюдения между линиями визирования на опорные точки и между направлениями, проходящими через заднюю главную точку фоторегистратора и изображения опорных точек, сравнивают их между собой и на величину полученной разности компенсируют измеренные направляющие косинусы между направлениями, проходящими через заднюю главную точку фоторегистратора и изображения цели и опорных точек, а затем определяют по скомпенсированным значениям направляющих косинусов и известным направлениям на опорные точки пространственные координаты объекта как точку пересечения прямых круговых конусов, вершина каждого из которых совпадает с точкой наблюдения, а угол полураствора конуса равен углу между направлениями на цель и опорную точку.