Способ оперативного определения угловых элементов внешнего ориентирования космического сканерного снимка

Изобретение относится к области фотограмметрии и может быть использовано в задачах фотограмметрической обработки космических сканерных снимков для оперативного определения их угловых элементов внешнего ориентирования. Технический результат - повышение точности приближенно известных параметров ориентации космического аппарата - угловых элементов внешнего ориентирования космического сканерного снимка за счет калибровки их значений по опорной информации и оперативное уточнение угловых элементов внешнего ориентирования в автоматическом режиме.

 

Изобретение относится к области фотограмметрии и может быть использовано в задачах фотограмметрической обработки космических сканерных снимков для оперативного определения их угловых элементов внешнего ориентирования (ЭВО).

Известен ряд способов определения угловых ЭВО космических снимков. Широко используется способ [1, с. 389-393], основанный на использовании ряда опорных точек местности изобразившихся на космическом снимке земной поверхности, и функциональной связи их плоских координат xi,yi на снимке и пространственных координат Xi,Yi,Zi на земной поверхности:

где - элементы ортогональной матрицы направляющих косинусов, определяющей переход от системы координат космического снимка к заданной пространственной системе координат земной поверхности.

Поскольку элементы amn в уравнениях (1) описываются известными функциями от угловых ЭВО снимка α,β,γ

(2)

сущность способа при известных с заданной точностью пространственных координатах центра фотографирования XS,YS, ZS (линейных ЭВО) и элементах внутреннего ориентирования снимка x0,y0,f заключается в линеаризации уравнений (1), составлении и итерационном решении по методу наименьших квадратов переопределенной системы уравнений

где - матрица частных производных от плоских координат опорных точек на снимке по приближенным значениям угловых ЭВО; - приближенные значения плоских координат опорных точек на снимке, вычисленные по формулам (1) при приближенных значениях Δα,Δβ,Δγ - поправки к приближенным значениям угловых ЭВО; - поправки к измеренным значениям плоских координат опорных точек на снимке.

Основными недостатками способа определения угловых ЭВО по опорным точкам местности является необходимость их наличия в полосе захвата съемочной аппаратуры, а также трудоемкость дешифрирования их изображений на снимке земной поверхности, что приводит к снижению оперативности фотограмметрических работ.

Известен способ, не требующий наличия опорных точек местности в полосе захвата съемочной аппаратуры, который основан на размещении на борту космического аппарата (КА) дополнительной звездной камеры [2, с. 89-109], с помощью которой синхронно со снимком земной поверхности получают снимок звездного неба, на котором производится опознавание и измерение плоских координат звезд, инерциальные (абсолютные) координаты которых известны. Исходными данными являются опознанные и измеренные на снимке звездного неба плоские координаты ряда звезд, их инерциальные координаты, содержащиеся в звездных каталогах, фокусное расстояние съемочной аппаратуры, инерциальные координаты центра фотографирования (линейные ЭВО), значения элементов оператора перехода от системы координат снимка земной поверхности к системе координат снимка звездного неба, определяемые путем наземной калибровки съемочной аппаратуры при установке камер на борту КА. В результате фотограмметрической обработки этих по методу наименьших квадратов данных определяются угловые ЭВО космического снимка земной поверхности.

Для этого способа характерны следующие недостатки: необходимость использования звездной камеры, дешифрирования и измерения плоских координат звезд на снимке звездного неба, что повышает трудоемкость и снижает оперативность фотограмметрических работ, а также рассогласование параметров взаимной ориентации камер земной поверхности и звездного неба в процессе запуска и полета КА вследствие перегрузок и больших перепадов температур, что приводит к снижению точности определения угловых ЭВО.

Другой способ определения угловых ЭВО космических снимков по снимку звездного неба [3] лишен последнего недостатка, поскольку он основан на калибровке (уточнении) приближенно известных измерений параметров ориентации КА (угловых ЭВО снимка земной поверхности) по измеренным с высокой точностью направлениям на несколько звезд по снимку звездного неба. Исходными данными являются опознанные и измеренные на снимке звездного неба плоские координаты звезд, их инерциальные координаты, содержащиеся в звездных каталогах, фокусное расстояние съемочной аппаратуры, инерциальные координаты центра фотографирования (линейные ЭВО), приближенно известные значения углов тангажа, крена и рыскания КА, являющиеся параметрами ориентации КА и угловыми ЭВО снимка земной поверхности, измеренные на интервале съемки бесплатформенной системой ориентации КА, значения этих параметров ориентации в калибровочных разворотах КА перед началом и после съемки вокруг осей крена, тангажа и рыскания КА с синхронным визированием известных астроориентиров. При этом суть калибровки состоит в том, что по измерительной информации, полученной в ходе калибровочных разворотов КА путем астровизирования и с помощью бесплатформенной системы ориентации, оценивают и компенсируют величины погрешностей приближенно известных угловых ЭВО. Недостатками способа является необходимость использования дополнительной аппаратуры для съемки звездного неба, опознавания и измерения координат звезд на снимке звездного неба, что приводит к снижению оперативности фотограмметрических работ, а также проведение достаточно продолжительных по времени калибровочных вращений КА, которые могут создавать значительные неудобства целевого использования КА.

Наиболее близким техническим решением является способ определения угловых ЭВО космического снимка, заключающийся в измерении на интервале съемки сигналов углов ориентации и сигналов угловой скорости КА [4, с. 149-156].

Недостаток прототипа заключается в невысокой точности определения параметров ориентации КА - угловых ЭВО, поскольку в процессе сканерной съемки неизбежно накапливаются ошибки от погрешностей гироинерциальных датчиков угловых скоростей.

Задачей изобретения является повышение точности приближенно известных параметров ориентации КА - угловых ЭВО космического снимка за счет калибровки их значений по опорной информации, не требующей визуализации космического сканерного снимка и отождествления изображения со всевозможными эталонами (характерными точками местности, абрисами местности, электронными и бумажными картами и т.д.), что обеспечивает возможность оперативного уточнения угловых ЭВО в автоматическом режиме.

Поставленная задача достигается тем, что после измерений и регистрации на интервале съемки в соответствие с описанным в прототипе способом приближенных дискретных значений углов ориентации и составляющих абсолютной угловой скорости КА производится вычисление приближенных значений элементов матрицы направляющих косинусов, описывающих в эти моменты времени ориентацию системы координат космического сканерного снимка в геоцентрической гринвичской системе, аппроксимация этих элементов и составляющих угловой скорости движения КА степенными рядами от времени на всем интервале съемки, вычисление поправок к приближенным значениям этих коэффициентов полиномов за счет минимизации по методу наименьших квадратов невязок между априорно известными нормированными значениями продольной и поперечной составляющих скорости движения изображения (СДИ) в центре фотоприемной структуры, которые с заданной точностью поддерживаются съемочной аппаратурой неизменными на интервале съемки, и их значениями, вычисляемыми при приближенно известных коэффициентах полиномов.

Сущность изобретения заключается в том, что дополнительно к операциям, выполняемым в соответствие со способом-прототипом, в результате которых в точках бортовых измерений на интервале съемки (t0, tj) получают приближенные бортовые измерения дискретных значений углов тангажа, крена и рыскания КА и его составляющих абсолютной угловой скорости производится выполнение следующих операций:

1. Расчет по формулам, приведенным в [5, с. 110-114], приближенных дискретных значений элементов матрицы направляющих косинусов, описывающих в моменты времени tj ориентацию системы координат космического сканерного снимка в геоцентрической гринвичской системе координат.

2.Аппроксимация по методу наименьших квадратов дискретных значений элементов и составляющих угловой скорости с вычислением значений коэффициентов полиномов

описывающих степенными рядами второй степени зависимости от времени

которые позволяют вычислить приближенные значения элементов матрицы направляющих косинусов и составляющих угловой скорости движения КА для любого момента времени на интервале съемки.

3. Выполнение операций по итерационному вычислению поправок к приближенным значениям коэффициентов полиномов

где:

- вектор-столбец поправок к приближенным значениям коэффициентов полиномов в итерации; - вектор-столбец свободных членов уравнений поправок в ν-й итерации, представляющих собой разницы между априорно известными с заданной точностью на интервале съемки нормированными номинальными значениями продольной и поперечной составляющих СДИ в центре фотоприемной структуры (при x=y=0) и их значениями полученными для каждой точки tj бортовых измерений в ν-й итерации при приближенно известных коэффициентах полиномов по формулам [5, с. 124-125]:

где:

- известные по условиям задачи с заданной точностью значения координат и составляющих скорости движения КА в гринвичской системе координат в моменты времени tj бортовых измерений; - длина главной оптической оси (линии визирования от центра проекции S до поверхности общего земного эллипсоида),

где:

- угловая скорость вращения Земли;

- большая и малая полуоси общего земного эллипсоида;

- матрица частных производных в ν-й итерации

- порядковый номер точек бортовых измерений.

Номинальные значения продольной Vx(tj) и поперечной Vy(tj) составляющих СДИ в центре фотоприемной структуры ОЭСС поддерживаются съемочной аппаратурой неизменными и равными своим начальным значениям на всем интервале съемки и поэтому априорно известны во всех точках бортовых измерений, что исключает необходимость их дешифрирования. При этом начальное значение Vx(t0) продольной составляющей СДИ вычисляется на этапе планирования съемки по формуле

где - модуль скорости движения КА в момент t0 включения съемочной аппаратуры, начальное значение Vy(t0) поперечной составляющей СДИ равно нулю, а неизменность этих значений на интервале съемки обеспечивается за счет программного углового движения КА.

Для формирования требований к уровню точности поддержания номинального значения продольной составляющей СДИ на интервале съемки достаточно применить к выражению (9) известную формулу для расчета средней квадратической ошибки функции от ряда аргументов, в результате чего получим:

Использовав для примера параметры съемки КА с ОЭСС, находящегося на солнечно-синхронной орбите с высотой 475 км, положим, что D=500 км, f=4 м, VH=0,06 м/с, м/с. Тогда при ошибках определения наклонной дальности линии визирования, составляющих м, точность поддержания номинального значения продольной составляющей м/с на всем интервале съемки должна быть не менее 6·10-7 м/с, а, например, при м - не менее 1,2·10-6 м/с.

Из уравнений (7) - (8) следует, что одна точка бортовых измерений позволяет составить два уравнения поправок при общем числе уточняемых параметров (коэффициентов полиномов), равном 33. Отсюда вытекает, что для решения задачи необходимо включить в обработку не менее 17-и точек, равномерно расположенных на интервале съемки.

Источники информации

1. Лобанов А.Н. Фотограмметрия: Учебник для вузов. 2 е изд., перераб. и доп. - М., Недра, 1984, 552 с. (аналог).

2. Урмаев М.С. Космическая фотограмметрия: Учебник для вузов / М.С. Урмаев. - М.: Недра, 1989. - 279 с. (аналог).

3. Патент РФ №2092402 от 10.10.1997 г. (аналог).

4. Васильев В.Н. Системы ориентации космических аппаратов / В.Н. Васильев. - М.: ФГУП «НГШ ВНИИЭМ», 2009 (прототип).

5. Андронов В.Г. Теоретические основы геоорбитального моделирования космических сканерных изображений высокого разрешения: монография / В.Г. Андронов; Юго-Зап. гос. ун-т, Курск, 2012, 260 с.

Способ оперативного определения угловых элементов внешнего ориентирования космического сканерного снимка, получаемого оптико-электронными сканирующими системами на матрицах приборов с зарядовой связью, заключающийся в измерении на интервале съемки значений углов тангажа, крена и рыскания и составляющих угловой скорости космического аппарата гироинерциальными датчиками, отличающийся тем, что дополнительно к этим операциям производится калибровка полученных текущих измерений, приведенных к единому для всех точек маршрута съемки виду, по опорной информации, содержащейся в параметрах формирования строк сканерного снимка, а именно: вычисление приближенных значений элементов матрицы направляющих косинусов, описывающих в моменты измерений ориентацию системы координат космического сканерного снимка в геоцентрической гринвичской системе, аппроксимация этих элементов и составляющих угловой скорости движения космического аппарата степенными рядами от времени и расчет приближенных значений коэффициентов полиномов, вычисление поправок к приближенным значениям этих коэффициентов полиномов за счет минимизации по методу наименьших квадратов невязок между априорно известными нормированными значениями продольной и поперечной составляющих скорости движения изображения в центре фотоприемной структуры, которые с заданной точностью поддерживаются съемочной аппаратурой неизменными на всем интервале съемки и равными своим начальным значениям, и их значениями, вычисляемыми при приближенно известных коэффициентах полиномов, что обеспечивает повышение точности определения измеренных значений угловых элементов внешнего ориентирования без снижения оперативности за счет выполнения дополнительных операций в автоматическом режиме.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области авиационно-космического приборостроения и может быть использовано в системах управления угловым положением космических аппаратов (КА), в которых применяются системы ориентирования с использованием бесплатформенных орбитальных гирокомпасов (БОГК).

Изобретение относится к области авиационно-космического приборостроения и может найти применение в системах определения координат подвижных объектов (ПО) с использованием комплексного способа навигации, функционально объединяющего инерциальный способ и спутниковый, и может быть использовано при высокоточном позиционировании ПО, а также при осуществлении полета летательного аппарата (ЛА) в сложных навигационных условиях.

Изобретение относится к области приборостроения инерциальных навигационных систем и может использоваться для определения угловой ориентации летательных аппаратов любого типа.

Изобретение относится к системам измерения и индикации и может найти применение в системах, обеспечивающих пилотирование летательных аппаратов (ЛА) в случае отказа основных пилотажно-навигационных систем.

Изобретение относится к геодезии, в частности к способам топогеодезической подготовки опорных геодезических сетей, используемых при испытании навигационной аппаратуры наземных транспортных средств.

Способ определения углового положения подвижного объекта относительно центра масс, т.е определение пространственной ориентации при угловом движении, преимущественно летательных аппаратов (ЛА), относительно какой-либо базовой системы координат, путем аналитического ее вычисления на основе измерений каких-либо отдельных параметров ориентации (углов, угловых скоростей и т.д.).

Изобретение относится к радионавигации и может быть использовано в локальных навигационных системах и сетях для управления движением мобильных объектов в локальных зонах навигации.

Изобретение относится к области космического приборостроения и может быть использовано при создании и эксплуатации гирокомпасной системы ориентации (ГСО) ИСЗ для около круговых орбит.

Изобретение относится к морской гидрометеорологии и может быть использовано для определения поля дрейфа морских льдов. Способ заключается в совмещении пары последовательных спутниковых изображений одного и того же участка ледовой поверхности, совмещении неподвижных деталей изображений, придании изображениям взаимно-исключающих световых или цветовых контрастов.

Изобретение относится к области авиационного приборостроения и может найти применение в системах измерения и индикации, обеспечивающих пилотирование летательных аппаратов (ЛА) в случае отказа его основных пилотажно-навигационных систем.
Наверх