автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.16, диссертация на тему:Разработка математической модели и экспериментальное исследование спутниковой радионавигационной системы управления аэрофотосъемочным полетом

ррд ^ На правах рукописи

- ; ц^ г

ЗАИГРАЕВ Михаил Михайлович

РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СПУТНИКОВОЙ РАДИОНАВИГАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ АЭРОФОТОСЪЕМОЧНЫМ ПОЛЕТОМ

05.13.16. Применение вычислительной техники, математического моделирования и математических методов в научных исследованиях

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2000

Работа выполнена в МАТИ - РГТУ им. К.Э.Циолковского

Научный руководитель - Доктор физико-математических наук

Профессор H.H. Беклемишев

Научные консультанты -

Доктор технических наук Профессор Б.Н. Родионов

Доктор технических наук Профессор H.H. Волков

Официальные оппоненты - Доктор технических наук

Профессор Л.Н. Александровская

Кандидат технических наук Горин Герман Сергеевич

Ведущая организация - Государственный Научно-Исследовательский Институт Гражданской Авиации.

Защиту диссертации состоится «-^ 2000 г.

В'/<£-~часов на заседании диссертационного совета Д 063.56.02. в МАТИ - РГТУ им. К.Э.Циолковского. ( 121552 г. Москва Оршанская ул.З. МАТИ - РГТУ им. К.Э.Циолковского).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МАТИ - РГТУ им. К.Э.Циолковского.

Автореферат разослан «. ^¿¿г^У 2000 г.

Ученый секретарь

Диссертационного совета /у':''

Доктор физико-математических наук Е.В.Метелкин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Процесс проведения в стране земельной реформы связан с получением детальной картографической информацией, характеризующей административно-хозяйственное значение земель и их размещение в пространстве. Эту информацию получают с помощью крупномасштабной аэрофотосъемки. Потребности современной крупномасштабной аэрофотосъемки создают необходимость использования высокоточных бортовых радиотехнических систем.

Проведенные исследования показали, что существующие методы обычной наземной съемки и аэрофотограмметрии обладают рядом недостатков, основные из которых - сложная обработка на стереокомпараторах и фототрансформаторах, совместная обработка большого числа снимков, мозаичность изображения, низкая воспроизводимость, невысокая производительность, большие временные и стоимостные затраты.

Поэтому они не позволяют решить проблему в сжатые 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.

Основные требования предъявляемые к результатам аэрофотосъемочных работ, заключаются в том, что линейно-боковое отклонение воздушного комплекса (ВК) от линии заданной пути (ЛЗП) не должно превышать 200 м, а уклонение от заданной высоты фотографирования относительно средней плоскости фотографируемого участка не должно превышать 20 м.

Существующие технологии проведения аэрофотосъемочных работ, основанные на использовании инерциальных и радионавигационных методах управления ВК, обеспечивают измерение местоположения ВК с погрешностью, удовлетворяющей требованиям, предъявляемым к результатам летно-съемочных работ. Однако при удалении от радиомаяка погрешность может возрасти до 1000м, что недопустимо.

Спутниковый метод радионавигации имеет, то преимущество перед вышеупомянутыми, что обеспечивает автономное определение геодезических координат во время полета с точностью до 100 м, независимо от дальности расстояния ВК от радиомаяков.

Повышение точности измерений основывается на разработке математической модели управления аэрофотосъемочным полетом.

Актуальность данной работы обусловлена:

- необходимостью использования спутниковых данных при решении задач управления аэрофотосъемочным комплексом и привязки полученного фотоматериала к местности;

- необходимостью повышения уровня автоматизации процессов управления аэрофотосъемочным комплексом и обработки полученных данных с целью улучшения качества получаемой информации;

- существованием нерешенных проблем, имеющих фундаментальный характер и важное принципиальное значение в связи с задачами повышения выхода годной картографической продукции и оперативности управления аэрофотосъемочным комплексом.

Целью 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 аэрофотосъемки.

Задачи исследования. Для достижения поставленной цели необходимо:

- получить аналитическую модель для определения навигационных параметров управления воздушным комплексом;

- получить аналитическую модель для определения интервала фотографирования;

- разработать модель оценки алгоритмических погрешностей измерения поперечного сноса летательного аппарата относительно линии маршрута при картографировании земной поверхности;

- разработать алгоритм расчета навигационных параметров на основе модели управления аэрофотосъемочным полетом;

- разработать алгоритмы построения проектируемых и выполненных маршрутов;

- разработать алгоритмы привязки аэрофотоматериала к местности на основе использования данных GPS (глобальной системы позиционирования);

- оценить точность созданного аэрофотосъемочного комплекса на основе результатов экспериментального исследования.

Разработанный автором метод управления предполагает следующие допущения:

- навигационные параметры модели управления можно представить геометрическими параметрами относительно ЛЗП;

- если навигационные параметры находятся в пределах допустимых значений, то материалы воздушного фотографирования удовлетворяют требованиям технологии выполнения аэрофотосъемочных работ;

- турбулентность атмосферы не оказывает влияние на комплекс управления ВК.

Достоверность основных положений, выводов, рекомендаций сформулированных в диссертации, обеспечивается достаточной выборкой результатов измерений, использованием современных методов математической обработки и метрологически аттестованных измерительных приборов, применением современной вычислительной техники. Созданный спутниковый радиотехнический комплекс непосредственно применяется в практической деятельности при проведении аэрофотосъемочных работ в течение 5 лет.

Методы исследования. Теоретические и экспериментальные исследования проводились в работе на самолете ТУ-134СХ, который был снабжен радиотехнической аппаратурой (персональный навигатор "TransPak II" или "SVeeSix Plus" фирмы "Trimble Navigation Ltd"). Обработка результатов эксперимента, оценка их точности проводилась методами математической статистики.

Научная новизна.

1. Получена аналитическая модель для определения навигационных параметров управления ВК.

2. Получена аналитическая модель для определения интервала фотографирования.

3. Создана модель управления аэрофотосъемочным полетом на основе данных спутниковых радионавигационных систем, позволяющая определять навигационные и аэрофотосъемочные параметры.

4. Разработана и обоснована модель оценки алгоритмических погрешностей измерения поперечного сноса летательного аппарата относительно линии галса для аэрофотосъемочных комплексов, использующих спутниковые радионавигационные системы.

5. Разработаны алгоритмы и создан пакет программ, позволяющих динамически определять навигационные и аэрофотосъемочные параметры, строить проект залета, проводить послеполетную обработку полученной информации.

6. Разработаны методики исследования и оценки точности практического применения созданного комплекса "Вектор".

На защиту выносятся следующие положения;

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

2.Полученные аналитические выражения определения навигационных и аэрофотосъемочных параметров позволяют определять их с заданной точностью.

3.Разработанное специальное информационное обеспечение управления аэрофотосъемочным полетом на основе данных спутниковой радионавигационной системы дает возможность управлять ВК во время полета 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 показало, что спутниковые системы радионавигации эффективны в использовании для управления ВК.

5.Экспериментальные исследования поведения самолета-аэрофотосъемщика во время полета 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.

Практическая ценность. Полученные в работе экспериментальные результаты и разработанная методика используются в послеполетной обработке фотоматериала и анализе данных, записанных во время выполнения аэрофотосъемочных работ.

Математическая модель спутниковой радионавигационной системы управления аэрофотосъемочным полетом используется при управлении ВК во время полета.

Программное и математическое обеспечение используются при выполнении аэрофотосъемочных работ.

Все это внедрено в производство в Российском Институте Мониторинга Земель и Экосистем и АОЗТ "Ракурс".

Личный вклад автора состоит в обосновании общей концепции работы, формализации модели аэрофотосъемочного полета и анализе принципа построения базы данных бортовой радиотехнической системы, необходимой для управления полетом, осуществлении постановки задач, разработке методик, разработке специальных блоков программных средств, проведении экспериментальных исследований и опытно-

производственной апробации технологии управления аэрофотосъемочным полетом с использованием GPS и анализе полученных результатов.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на: VIII международной научно-технической конференции "Лазеры в науке, технике, медицине" (Геленджик, 1998); всероссийской научно-технической конференции "Новые материалы и технологии" (Москва, 1998), конференции молодых ученых в Государственном Университете Землеустройства (Москва, 1997), научно-технической конференции "Гагаринские чтения" (Москва, 1997,1998,1999), где в 1998 году на секции "Прикладная математика и математическая физика" доклад был удостоен третьей премии, заседаниях кафедры "Физика" МГАТУ им. К.Э.Циолковского (Москва, 1995,1996,1997,1998,1999). Работа "The application GPS at large-scale aerial photography and cadastre cartographer" участвовала в конкурсе докладов, проводимых The Institute Of Navigation (USA). Участник научного коллектива-победителя конкурса грантов Госкомвуза Р.Ф. по фундаментальным исследованиям в 1998 году.

Публикации. Основное содержание работы отражено в восьми печатных работах.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, основных результатов и выводов, списка литературы. Содержит /¿fy страниц машинописного текста, таблицу, иллюстраций, ^ù наименования литературных источников, приложение нас^страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении проанализировано современное состояние техники и технологий крупномасштабной аэрофотосъемки. Обоснована актуальность работы, поставлена цель, сформулированы основные научные положения, которые выносятся на защиту.

В первой главе представлен аналитический обзор отечественной и зарубежной печати, отражающий современное состояние техники и технологий проведения аэрофотосъемочных работ. Рассмотрены

геометрическая модель аэрофотосъемочного полета и требования, предъявляемые к воспроизводимости.

Описаны задачи управления аэрофотосъемочными комплексами. Оценена точность различных навигационных приборов и систем.

Основной особенностью инерциального метода управления является то, что погрешность определения местоположения ВК повышается с течением времени, и за время выполнения маршрута может достигнуть 1000м. Погрешность определения местоположения ВК с помощью радионавигационных систем в некоторых случаях может удовлетворять заданной, но при удалении от радиомаяка возникает необходимость использования доплеровских или инерциальных навигационных систем, что опять приводит к увеличению погрешности.

При помощи спутниковых радионавигационных систем приемник, установленный на борту самолета, определяет местоположение ВК по сигналам со спутников, поэтому его точность не зависит от расстояния до радиомаяков, а теоретическая погрешность определения координат полностью удовлетворяет требованиям, предъявляемым к аэрофотосъемочным параметрам.

Поэтому наиболее перспективным методом управления ВК является применение спутниковых радионавигационных систем, которые в результате анализа проведенного в работе, как минимум в два раза точнее позволяют определить местоположение ВК, чем радионавигационные.

В последнее время активно проводится инвентаризация земель, возможная лишь с использованием аэрофотосъемки (АФС), которая позволяет получить детальную картографическую информацию не только о занимаемой площади, но и о характере землепользования.

Для определения пространственного положения самолета, решения задач управления и автоматизации работ аэрофотоаппаратов создан спутниковый радиотехнический комплекс "Вектор".

Показан процесс развития спутниковых навигационных систем. Изложены принципы спутниковой навигации. Даны сравнительные характеристики спутниковых радионавигационных систем НАВСТАР и ГЛОНАСС. По материалам отечественных и зарубежных публикаций

рассмотрены общие принципы решения навигационной задачи, заложенные в аппаратуру пользователя приемными системами, методы использования и основные составляющие погрешностей определения координат в различных режимах эксплуатации.

Сделан вывод о том, что ни один из перечисленных методов управления ВК, кроме спутникового, не может обеспечить одновременного определения местоположения ВК и его отклонения от линии заданного пути с необходимой точностью. Спутниковый метод управления ВК благодаря своим точностным и аналитическим способностям, позволяющим выполнять управление ВК с погрешностями не превышающими 200м, может быть взят за основу в качестве создания аэрофотосъемочного комплекса в системе управления аэрофотосъемочным полетом.

Во второй главе в рамках исследования прототипа разработана оценочная модель формирования поперечного сноса ВК относительно линии заданного пути. Под поперечным сносом в работе понимается любое смещение центра масс ВК относительно траектории полета по ортодромии (линия кратчайшего расстояния между двумя точками на земной поверхности) без изменения угловой ориентации конструктивной оси.

На основании разработанной модели прототипа получено аналитическое аыражение, позволяющее оценить зависимость погрешности измерения поперечного сноса от увеличения расстояния до радиомаяка:

ДЬ = КДасоэР;

где АЬ - погрешность измерения поперечного сноса, Я - дальность до радиомаяка, Да - погрешность измерения угловой дальности, р-направление на радиомаяк.

Если пренебречь влиянием ракурсов радиомаяков, то

Да

В результате сделан вывод, что с увеличением дальности до радиомаяка разрешение системы по поперечному сносу ВК относительно линии галса прямо пропорционально дальности до радиомаяка.

Структурная схема методического решения задачи управления аэрофотосъемочным полетом показана на рис.1. Представлено описание созданной модели управления аэрофотосъемочным полетом на основе геометрической и навигационной моделей (рис.2).

Рис.1. Структурная схема методического решения задачи исследований.

УПРАВЛЕНИЕ ПОЛИНЕЙНО-БОКЗВОМУОТКЛОНЕНИЮ УПРАВЛЕНИЕ ПО ВЫСОТЕ

Рис.2. Блок-схема модели управления аэрофотосъемочным полетом.

Исходными данными для расчета разработанной модели аэрофотосъемочного полета приняты координаты самолета (х, у), приборная скорость (Упр), время (1), заданный путевой угол (у).

Выходными данными являются: путевая скорость (W), углы сноса (yj и упреждения (ф), а также курсы следования (ф) на съемочных маршрутах.

На основе представленной объединенной модели получены аналитические выражения для нахождения истинного курса следования и интервала фотографирования:

. -/у' - 2VWcosx . . ,тс 9=Y ~arcsul( (^Тмгт^г-т sin( 2 ■ arccos("ir)));

V *пр пр метод/ ^ ^

___в^__

п ^ V2+W2 - 2VWoosy те у.-у у,-у

где V - истинная скорость, U — скорость ветра, В* — базис фотографирования.

Разработанная технология, основана на применении аэрофотоснимков, получаемых с высоты Н=10000м аэрофотоаппаратами с фокусным расстоянием f=lM. Съемка выполняется на самолетах Ту-134СХ, снабженных аппаратурой GPS, показания которой регистрируются синхронно с моментами срабатывания затворов аэрофотоаппаратов (АФА), а также используются для коррекции навигационных элементов и точного самолетовождения.

Суть новой технологии состоит в том, что получаемые аэрофотоснимки обладают свойствами ортофотоснимков, так как при указанных Н и f их искажения, вызываемые наклонами АФА и рельефом местности, малы и ими можно пренебречь. Поэтому такие снимки преобразуются в фотоплан простым фотоувеличением без каких-либо фотограмметрических процедур. Данные фотопланы используют при инвентаризации земель, дешифрировании границ земельных участков и угодий, для дальнейшей компьютерной обработки, для получения кадастрового плана населенного пункта в графической и цифровой форме, удобной для дальнейшего использования.

Соискатель принимал непосредственное участие в разработке аэрофотосъемочного радионавигационного комплекса "Вектор" в соавторстве со специалистами РосИМЗ, АО "ПРИН" и АОЗТ "Ракурс" под руководством Родионова Б.Н., Троицкого А.И., Барышева Г.А. и

Фрязинова Ю.В. АФК "Вектор" предназначен для приема и обработки информации 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 управляющих воздействий штатного навигационного комплекса, используемого для автоматического управления полетом, для привязки аэрофотоснимков, а также для отображения и документирования данных измерений. Структурная схема выполнения аэрофотосъемочных работ с помощью созданного комплекса представлена на рис.3. Принцип действия АФК "Вектор" полностью обусловлен применением спутниковых систем и персонального компьютера. Сигналы навигационных спутников принимаются приемником GPS, через контроллер поступают на компьютер, где сравниваются с заданной программой маршрута, далее управляющий сигнал через контроллер поступает на индикатор бокового отклонения и аэрофотоаппарат. Непосредственно сам контроллер предназначен для цифро-аналоговых преобразований.

GPS

инф.вход 1

ПРИЕМНИК GPS 1 1

1

пк

ж

рро грамма!

; маршрута г

1КОНРОЛЛЕР|

индикатор ! бокового [отклонения

объект

командный прибор

афа

инф.выход

*--!

копия : объекта

Рис.3. Структурная схема выполнения аэрофотосъемочного полета на основе данных радионавигационных систем.

Проведена разработка модели оценки алгоритмических по1решностей измерения поперечного сноса АФК использующего спутниковую радионавигационную систему (СРНС). Разработан принципиальный триангуляционный алгоритм измерения поперечного сноса самолета при помощи СРНС. Получено аналитическое выражение для его определения:

Н

Н^Р-СОБ^-Д,)]],

где Н, Д1 и Аз - высота орбиты и ракурсы спутников относительно ВК.

На основании разработанной модели оценена относительная функциональная погрешность определения поперечного сноса в зависимости от разрешения по направлению:

М = Усоэ/?, щ-Да <х>ъ{}1<х$рг ''

где а и Р - угловые параметры спутников.

Если пренебречь влиянием ракурсов радиомаяков, то

Рост погрешности измерения поперечного сноса относительно линии галса из-за конечного углового разрешения приемника при предлагаемом методе значительно уменьшается.

Определяя угловое разрешение Да радиолокационного приемника Да=0.8мрад, получим для прототипа ДЬ=80м, а для АФК "Вектор" -ДЬ=0.8м.

Таким образом, предлагаемый метод с точки зрения алгоритмических погрешностей определения поперечного сноса ВК относительно линии галса является более эффективным для получения допустимых погрешностей перекрытия фотоснимков при картографировании земной поверхности.

Определение координат центров фотографирования с повышенной точностью производится при послеполетной обработке в дифференциальном режиме, для чего одновременно с регистрацией данных на борту самолета регистрируются данные по тем же навигационным спутникам на базовой станции на Земле в точке с

известными геодезическими координатами.

Среднеквадратическое отклонение (СКО) текущих значений плановых координат самолета- 30 м, высоты 50 м, скорости- 0.02 м/с(при условии наблюдения одновременно не менее четырех навигационных спутников).

Величина текущего значения линейного бокового отклонения (ЛБО) отображается с помощью стрелочного индикатора на приборной доске пилота самолета с точностью 30 м и задержкой по времени не более 1 секунды по грубой шкале в пределах 1000 м, по точной - в 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 регистрируется с точностью 0.1 мс, по запускающему импульсу- с точностью 1 мс.

Впечатанные в кадры плановые координаты АФА относятся к положению самолета 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.

Для исключения систематических погрешностей GPS предусмотрена дифференциальная схема измерения координат, что обеспечивает позиционирование с СКО - 1м. Достижение высокой точности заключается в идее установки дополнительного приемника в точке с заранее известными координатами. Действуя, как неподвижная базовая точка, этот приемник (базовая станция) позволит учесть ошибки в полученных от спутника данных. Благодаря простоте GPS сигнала, единственная поправка позволяет корректировать ошибки системы независимо от их источника (бортовые часы спутника, внутренние часы приемника, смещение орбиты спутника, задержки сигнала ионосферой и атмосферой).

В третьей главе дается описание специальных программных средств, созданных для реализации новой технологии, предложенной в главе 2.

Программа "Navigation" применяется при крупномасштабной аэрофотосъемке с самолета АН-2. Эти самолеты не оснащены современными системами определения угла сноса, угла упреждения,

скорости ветра и истинной скорости. А в аэрофотосъемочном полете знание этих величин необходимо. Для обеспечения навигационных измерений при АФС на самолете Ан-2 устанавливается радионавигационный комплекс "Вектор". Поэтому перед соискателем стояла задача разработки программы, определяющей вышеперечисленные параметры по данным измерений спутниковых радионавигационных систем в процессе полета.

Применяемая программа "GPS Navigator" разработана с целью комплексирования GPS приемников и аэрофотосъемочной аппаратуры для автоматизации аэрофотосъемочных и аэрогеофизических работ, а также протоколирования сеансов навигационных измерений.

Программный пакет обработки данных, полученных в процессе дифференциального режима, включает в себя:

1. Princol - программное обеспечение для накопления данных измерений на опорной и мобильной станциях.

2. Princor - программное обеспечение дифференциальной коррекции.

3. Prinutil - сервисное программное обеспечение.

Результатом работы программы "WayPoint" является создание плана аэрофотосъемки (рис.4), на котором отображается схема залета.

114112110100106104102

Владимир-9б

1301281261

>Z4122 12Q1L& 116

!«fc!nf4|t yi! M^qSfttMüO!1

>5 DO

>9 30

¡40 00

_14-5

14Э

.36 CO ^O 30

Рис.4. Схема проекта аэрофотосъемки.

Программа "SurveyReport" разработана для первичного исследования аэрофотосъемочного полета. Программа позволяет обрабатывать исходные данные заложенные в базу данных бортового компьютера, куда поступает аэрофотосъемочная и навигационная информация. Расчитанные программой максимальное отклонение К(вправо) и Цвлево), позволяет оценить управление ВК во время полета, как отличное, если линейные боковые отклонения < 70 м, хорошее- < 140 м, удовлетворительное < 200 м и неудовлетворительное - если ЛБО > 200 м (в этом случае велика вероятность образования разрывов между снимками).

Также с помощью данной программы контролируется работа фотоаппаратов и определяется средняя высота полета самолета. Значения высоты используют для дальнейшего масштабирования снимков.

Результатом работы программы "Grafic Report of Survey" является создание плана выполнения полетного задания, на котором отображается траектория полета самолета. Данный план используется как отчет о выполненной съемке и дает наглядное представление о территории, покрытой аэрофотоснимками и территории, которую необходимо будет переснимать.

Программа "Fotoplan" предназначена для определения координат точек центра фотографирования. Результатом работы программы является создание аэрофотосъемочного отчета.

Исходными данными для программы являются файлы с аэрофотосъемочной информацией и файлы, получающиеся в результате работы в дифференциальном режиме. Исходная информация описывает: время срабатывания фотоаппарата и скорректированное пространственное местоположение самолета во время съемки. Зная точное время срабатывания, программа путем линейной интерполяции позволяет получить местоположение АФА с точностью до десятитысячных долей секунды. При этом вводятся соответствующие поправки, учитывается, что антенна СРНС находится не внутри АФА.

В четвертой главе проведен метрологический анализ метода аэрофотосъемки в соответствии с выбранной схемой реализации. Оценены точности созданного комплекса при управлении самолетом во время

полета, при привязке аэрофотоснимков к геодезической системе координат, при определении высоты полета. Определена методическая погрешность измерения геометрических параметров при дифференциальном режиме.

Точность воздушной навигации - это свойство процесса навигации, отражающее степень близости фактической пространственно-временной траектории к заданной. При аэрофотосъемочных полетах главным образом используются критерии по оценке точности: полета по линии заданного пути и выдерживания заданной высоты.

Процесс воздушной навигации не является детерминированным. Он подвержен влиянию ряда случайных факторов. Фактическая траектория полета самолета не совпадает с заданной вследствие случайного характера погрешностей выдерживания требуемого пилотажно-навигационного режима полета, инерционных свойств самолета, воздействия внешней среды и других факторов, имеющих случайный характер.

Метрологический анализ основан на ряде допущений. Частные составляющие результирующей погрешности отклонения траектории ВК от ЛЗП и погрешности определения высоты предполагались взаимно независимыми и нормально распределенными, неисключенные систематические погрешности равномерно распределенными.

Практические исследования в данной диссертации были проведены на самолете Ту-134СХ. Результаты, представленные в данной главе были получены при проведении аэрофотосъемочных работ во Владимирской области.

На рис.5 представлены изменения величины линейного бокового отклонения ЛЬ во время маршрута. Данный график наглядно показывает, что при использовании комплекса "Вектор" количество отклонений превышающих 100 м, невелико и в основном они сосредоточены в начале галсов, а в дальнейшем при использовании индикатора бокового отклонения практически исключаются; а величины ЛЬ>200м отсутствуют. Причем АЬ =200м является пределом допускаемой погрешности. Такие результаты достигаются практически во

всех полетах с использованием радиотехнического комплекса "Вектор", что является несомненным успехом разработчиков и пользователей данного комплекса.

018~-Ьте_1029 Йте_1045 --Вте_1053 -Ыгпе_1113-1,.Т1е_'Л27—ше_1142 -1нпе_1156 -1;гле_1211

||ГП0228 Ате_1239 [|те_1305 <1тр319 - ЬггсрЗЗЧ Г|те^1344 -- Ите_1356____1

Рис.5. Отклонения центра фотографирования от линии заданного пути.

Статистический анализ всех галсов, выполненных, например, 17 октября 1996 года, показывает, что средние значения отклонений по всем галсам колеблются от -28.31м до 77.24м, причем общее среднее модулей всей совокупности равно 19.38м. Это означает, что самолет большую часть полетного времени находится на ЛЗП и его отклонения от нее находятся в пределах допуска заданной величины, а медиана и мода колеблются около 0. Наибольшее значение медианы - 60м, моды - 90м. Среднее арифметическое модулей медиан- 15м, а мод- 19.38м. То, что значения мод в некоторых галсах больше значений медиан, объясняется тем, что в начале маршрута самолет еще не вышел на устойчивый режим и несколько значений определенного отклонения стали преобладающими во всем массиве.

Среднеквадратическое отклонение колеблется от 15.25м до 78.31м.

Большинство значений эксцесса и асимметричности находятся около 0,

г 250

-150

это означает, что разброс данных ДЬ можно описывать как приближенное к нормальному распределению.

Качество полета представляет гистограмма распределения частот отклонений для генеральной выборки всех галсов, выполненных 17 октября (рис.6). На ней мы видим, что преобладающим значением ИБО является 0, встречающиеся 1200 раз (31%). Близлежащими же являются -20 (15%) и +20 (17%) : около 600. Отклонения же, большие 100м, являются практически единичными (4%).

Ж.

1Л1

егз.

80 I 100

зз [

отаонение.м

Рис.6. Гистограмма распределения частот отклонений.

Статистический анализ флуктуаций высоты полета самолета показывает, что СКО колеблется от 4м до 16м. Наибольший интервал значений от минимума до максимума- 107 м, наименьший- 23 м. Значения высоты колеблются от 6737м до 6892м. Это обусловлено тем, что более ранние по времени галсы выполнялись на более низких высотах. Четырнадцать значений асимметричности из шестнадцати колеблются около нуля, тринадцать значений эксцесса также находятся в интервале от

-0.77 до +0.33, что говорит о нормальности распределения.

Погрешность измерения высоты вносит основной вклад в погрешность масштабирования. Для того, чтобы технологический процесс был устойчивым и воспроизводимым, необходимо уменьшить эту погрешность.

Это достигается благодаря методике исключения инструментальной погрешности.

Исходя из анализа, проведенного в работе, оценена методическая погрешность определения в дифференциальном режиме высоты полета ВК с учетом того, что самолет Ту-134СХ колеблется относительно заданной величины с амплитудой 4-11м и периодом ТЫ минута.

Предел допустимой основной погрешности измерений высоты ДН=±12м. На рис.7 представлены результаты экспериментального исследования зависимости высоты от времени. Более темной линией показано скорректированное значение, где систематическая погрешность исключена, более светлой нескорректированное. Скорректированные значения находятся в интервале ±10 м, а не скорректированные ±30 м.

Исследование скорректированной высоты елв3ими(>95(*305}

8 01 в02 9 0) 9 04 905 9 Св в 07 8 08 в 09 в П 912

Рис.7. Дифференциальный режим.

На основании анализа, проведенного в работе, сделан вывод о том, что погрешность навигационных измерений СРНС может быть представлена суммой двух основных составляющих:

- периодической медленноменяющейся погрешностью измерения

координат с помощью GPS, с интервалом корреляции ~6-7 минут и среднеквадратическим отклонением 25-30 м по плановым координатам и 40-50 м по высоте;

- шумовой погрешностью с интервалом корреляции менее 1 секунды и СКО 2-3 м по плановым координатам и 4-6 м по высоте.

Первая составляющая обусловлена искусственно вводимой погрешностью в системе NAVSTAR, а вторая составляющая -аппаратурными погрешностями. Кроме того, наблюдаются скачкообразные изменения погрешности, вызванные сменой состава используемых для определения координат навигационных спутников.

В дифференциальном режиме происходит почти полное исключение медленноменяющейся составляющей и скачкообразных изменений погрешности.

С блоков связи и индикации навигационной информации и открытия затвора, входящих в бортовой комплекс аппаратуры СРНС самолетов Ту-134СХ, обеспечивается впечатывание в кадры АФА-42/100 и АФА-МР-54/100 навигационной информации в цифровой форме. Информация включает данные о высоте (в метрах), долготе и широте (в градусах, угловых минутах до десятых долей) и времени на момент целой секунды шкалы СРНС, которая предшествует открытию затвора.

Наличие навигационных данных непосредственно в кадре позволяет упростить работу по привязке аэроснимков к геодезической системе координат, сокращает трудозатраты на анализ материалов съемки, на масштабирование снимков, особенно в случаях слабопересеченной местности. Каждый снимок получает как бы свое "имя", благодаря которому обработчику не требуется обращаться к донесению и другой документации, определяющей принадлежность фильма, параметры съемки.

Для экспериментальной оценки точности координат впечатываемых в кадр, был выбран участок съемки по Смоленской области от 7.10.95 г., маршрут № 23. На этом маршруте получены нормальные материалы АФС, самолет пилотировался с отклонениями от заданного маршрута в пределах нормы. Высота полета - 10000 м, для съемки использовался аппарат АФА-

МР-54/100.

Среднее отклонение по координате У составило 37 м, СКО - 118 м, по координате X - соответственно 42 м и 85 м. На основании анализа полученных материалов, сделан вывод о том, что на практике можно осуществлять привязку снимков к карте по впечатанным в негатив плановым координатам с точностью порядка 100-150 м при условии, что на участке не было аномально большого крена, который возникает при маневрировании самолета.

Основные результаты данной разработки таковы: максимальные боковые отклонения ВК от линии заданного пути 0,2 км, причем для 80 -90 % снимков боковые отклонения меньше 0,1 км; имеется возможность более точно с помощью дифференциального режима определять высоту, а, соответственно более точно масштабировать снимки. Достигнутая точность: ст(х,у,2)=8-10м.

На основании результатов, полученных в диссертационной работе, разработан способ управления ВК во время аэрофотосъемочных работ. Разработанный метод состоит в вычисление координат местоположения ВК и сравнение их с заданными. Его применение при выполнении аэрофотосъемочных работ обеспечивает выполнение полета по линиям заданного пути с отклонениями не превышающими заданные.

Пятая глава посвящена описанию разработанного аэрофотосъемочного комплекса "Вектор", в котором использованы разработанные модели, методики, принципы построения базы данных, алгоритмы и программы.

В заключении содержатся основные выводы и результаты проделанной работы, а также даны предложения по использованию результатов данной работы в предприятиях связанных с землеустройством и пути дальнейшего совершенствования аэрофотосъемочных работ.

ВЫВОДЫ

1. Построена математическая модель управления аэрофотосъемочным полетом, позволяющая определять аэрофотосъемочные и навигационные параметры.

2. Разработан и внедрен комплекс оригинальных методов исследования процесса движения самолета, учитывающий необходимость минимизации отклонения воздушного комплекса от линии заданного пути.

3. Проведены экспериментальные исследования более 1000 аэрофотосъемочных маршрутов проложенных во Владимирской, Саратовской, Волгоградской, Архангельской, Смоленской, Рязанской областях, республиках Дагестан, Марий Эл, Мордовии, Чувашии, практически доказывающий возможность применения спутниковых радионавигационных систем непосредственно во время съемочного полета.

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. Проведен метрологический анализ метода выполнения аэрофотосъемочных работ с применением созданного аэрофотосъемочного комплекса, при решении задач управления (Зс=90м) и при привязке аэрофотоснимков (дифференциальный режим) (3ст=30м).

6. Разработаны алгоритмы расчета параметров управления, построения проектируемых и выполненных маршрутов, привязки аэрофотоматериала к геодезической системе координат.

7. Разработано и исследовано программное обеспечение, которое позволяет значительно упростить работу по внедрению новой технологии, дает возможность создавать базы данных с информацией от различных датчиков GPS и других навигационных систем и позволяет обрабатывать полученную данные в реальном масштабе времени.

8. В условиях производства впервые в отечественной практике решена задача разработки, исследования и внедрения в производство технологии аэрофотосъемочных работ, использующую информацию GPS и позволяющую значительно упростить процесс кадастровых съемок, сделать его более производительным и экономичным. Экспериментальные

исследования подтвердили сделанные в работе теоретические оценки повышения точности процесса управления ВК за счет применения триангуляционных методов оценки поперечного сноса.

9. Внедрение новой технологии в условиях картографического производства позволило повысить производительность аэрофотосъемочных работ на 30% и снизить себестоимость картографической продукции в 2 раза.

Основные результаты диссертационной работы изложены в следующих работах:

1. Заиграев М.М. Крупномасштабная кадастровая аэрофотосъемка с использованием глобальной системы позиционирования// Итоги научно-практической работы молодых ученых и специалистов за 1997 год. -М. ¡Государственный университет землеустройства, 1997. - с. 108-111.

2.3аиграев М.М. Опыт применения GPS при крупномасштабной кадастровой аэрофотосъемке//Геодезия и картография. - 1997,- №12 - с.ЗЗ-36.

З.Заиграев М.М. Технология и компьютерное обеспечение современных аэрофотосъемочных работ// Тезисы научной конференции "XXIV Гагаринские чтения"(Часть 3). - М.:МАТИ-РГТУ им. К.Э.Циолковского-1998. —с.50-51.

4.3аиграев М.М. Разработка модели и программного обеспечения для аэрофотосъемки//Тезисы научной конференции "XXIV Гагаринские чтения"(Часть 4). - М.:МАТИ-РГТУ им. К.Э.Циолковского-1998. -с.66-67.

5.Беклемишев H.H., Заиграев М.М., Истомина H.JT., Родионов Б.Н. Разработка спутниковых систем управления полетом на основе модели процесса аэрофотосъемки// VIII Международная научно-техническая конференция "Лазеры в науке, технике, медицине":Тез. докл. - Геленджик, 1998.-c.17.

6. Беклемишев H.H., Заиграев М.М., Истомина Н.Л., Родионов Б.Н. Математическая модель процесса аэрофотосъемки с использованием GPS// Сборник трудов всероссийской научно-технической конференции "Новые материалы и технологии":Тез. докл. -М., 1998. - с.253-254.

7.3аиграев М.М. Исследование результатов практического применения аэрофотосъемочного комплекса "Вектор".- Российский институт мониторинга земель и экосистем-М., 1999.-45 стр. Рукопись депонирована а ВИНИТИ 18.05.99. №1576-В99.

8. Беклемишев H.H., Заиграев М.М., Истомина Н.Л., Родионов Б.Н. Исследование метода и возможности использования спутниковых данных для определения угловых элементов внешнего ориентирования при крупномасштабной аэрофотосъемке. Отчет по гранту 1445. - М., 1999.33стр.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА

ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ АЭРОФОТОСЪЕМОЧНЫХ РАБОТ, СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ МЕТОДОВ УПРАВЛЕНИЯ ВОЗДУШНЫМИ КОМПЛЕКСАМИ.

1.1. Геометрическая модель получения аэрофотоснимка и расчет параметров аэрофотосъемки.

1.2. Задачи аэрофотосъемочной навигации.

1.3. Обзор радионавигационных систем и обоснование выбора глобальной системы позиционирования.

1.4. Сравнительный анализ спутниковых радионавигационных систем.

1.5. Выводы к главе 1 и постановка задачи исследований.

ГЛАВА

РАЗРАБОТКА НАВИГАЦИОННОЙ МОДЕЛИ АЭРОФОТОСЪЕМКИ И СОЗДАНИЕ АЭРОФОТОСЪЕМОЧНОГО КОМПЛЕКСА.

2.1. Разработка функциональной модели прототипа метода управления воздушным комплексом при аэрофотосъемке.

2.2. Разработка модели оценки алгоритмических погрешностей прототипа при измерении поперечного сноса воздушного комплекса относительно линии галса.

2.3. Разработка навигационной модели аэрофотосъемочного полета.

2.4.Разработка функциональной модели аэрофотосъемочного комплекса "Вектор".

2.5. Разработка модели оценки алгоритмических погрешностей измерения поперечного сноса аэрофотосъемочного комплекса "Вектор".

2.6. Сравнительный анализ эффективности комплекса "Вектор" относительно прототипа.

2.7. Разработка методики применения дифференциального метода для определения высоты фотографирования и привязки аэрофотоснимков.

2.8. Выводы к главе 2.

ГЛАВА

РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМОВ И ПРОГРАММНЫХ ПРОДУКТОВ КАК ЭЛЕМЕНТОВ СПУТНИКОВОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ.

3.1. Программный пакет бортового обслуживания аэрофотосъемочных работ "GPS Navigator".

3.2. Программный пакет обработки данных, полученных в процессе дифференциального режима "PRIN-DIF".

3.3. Разработанные алгоритмы и программы обработки полетных данных.

3.4. Выводы к главе 3.

ГЛАВА

РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ПРАКТИЧЕСКОГО ПРИМЕНИНИЯ КОМПЛЕКСА "ВЕКТОР".

4.1. Исследование траектории полета воздушного комплекса.

4.2. Разработка методики оценки точности параметров управления воздушным комплексом.

4.3. Исследование возможности применения дифференциального режима по результатам проведения аэрофотосъемочных работ во Владимирской области.

4.4. Разработка методики оценки точности определения координат центров фотографирования.

4.5. Исследование величины продольного перекрытия при помощи GPS.

4.6. Выводы к главе 4.

ГЛАВА

РАЗРАБОТКА И ОПИСАНИЕ АЭРОФОТОСЪЕМОЧНОГО НАВИГАЦИОННОГО КОМПЛЕКСА "ВЕКТОР" КАК РЕЗУЛЬТАТ ПРАКТИЧЕСКОГО ПРИМЕНЕНИЯ НОВОЙ

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= 10000 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 200м, 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 1:100000. Аэрофотографирование велось как отдельными маршрутами длиной до 150км, 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 м; при 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 самолета; определение фактического отклонения от линии заданного пути (ЛЗП); управление полетом ВК с помощью датчика бокового уклонения; автоматизацию процесса аэрофотосъемки; регистрацию 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 1:100000- 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 местности; необходимостью повышения уровня автоматизации процессов управления аэрофотосъемочным комплексом и обработки полученных данных с целью улучшения качества получаемой информации; существованием 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 (СКО- средиеквадратическое 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 шести; указанные 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 точной- в 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 импульсу- с 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 = 10м. Большинство значений ЛБО - 84%, находятся в пределах значений от -40м до 40м. Отклонения большие 200м, отсутствуют. Значения высоты определяются с точностью 0.001%). Проведенный в работе анализ показывает, что применение АФК

148

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.

1. Анисимов Г.В., Болдинов С.И., Утяцкий А.Г. Автоматическая бортовая система управления АБСУ-134,- М.: Воздушный транспорт, 1985.-228с.

2. Аэрофотосъемка: носители, аппаратура и качество аэрофотоизображения. Труды ГосНИИ ГА. Выпуск 177. Москва: ГосНИИ ГА, 1979.-58с.

3. Байтин В.И., Попов A.A. Самолетовождение на воздушных съемках. М.: Воздушный транспорт, 1992.-320с.

4. Барышев Г.А. Временная инструкция по установке и эксплуатации блоков БС и БИНИОЗ в составе спутникового аэрофотосъемочного навигационного комплекса самолета Ту-134СХ.-М.: РосИМЗ, 1995. 16с.

5. Барышев Г.А. Комплекс "Вектор". М.: РосИМЗ, 1996. -25с.

6. Беликов П.А., Кадничанский С.А., Кислов B.C., Хмелевский С.И. Тестовый полигон для оценки точности координат центровфотографирования с помощью СР8-аппаратуры//Геодезия и картография. 1997 -№4,- С.23-30.

7. Ботвина JI.P., Заиграев М.М. Анализ процессов разрушения твердых тел и течения жидкостей с позиции теории фазовых переходов//Физико-химическая механика материалов. 1996 №2. - С.12-14.

8. Верещагин С.Г., Лившиц И.М. Использование GPS-аппаратуры в городской полигонометрии. Геодезия и картография. 1997 №4.-С. 19-20.

9. Воздушная навигация и аэронавигационное обеспечение полетов./ Под ред. Миронова Н.Ф.- М.: Транспорт. 1992.-294с.

10. Воздушный транспорт./ Акимов Г.Д. М.:ГосНИИГА. 1978.-39с.

11. Волков Н.М., Иванов Н.Е., Салищев В.А., Тюбилин В.В. Глобальная спутниковая радионавигационная система ГЛОНАСС// Зарубежная радиоэлектроника. Успехи современной радиоэлектрроники. 1997 -№1 С.31-46.

12. Воробьев Л.М. Воздушная навигация. М.Машиностроение, 1984.-254С.

13. Дементьев В.Е., Фостиков A.A. Использование GPS-аппаратуры при аэрофотосъемке//Геодезия и картография. 1997. №4 - С.30-34.

14. Заиграев М.М. Исследование результатов практического применения аэрофотосъемочного навигационного комплекса "Вектор". -Российский институт мониторинга земель и экосистем М.:,1999. - 45 с. Рукопись депонирована в ВИНИТИ 18.05.99. №1576-В99.

15. Заиграев М.М. Крупномасштабная кадастровая аэрофотосъемка с использованием глобальной системы позиционирования.//Итоги научно-практической работы молодых ученых и специалистов за 1997 год. -М.:ГУЗ,1997. -С.108-111.

16. Заиграев М.М. Опыт применения GPS при крупномасштабной кадастровой аэрофотосъемке//Геодезия и картография. 1997. №12 -с.33-36.

17. Заиграев М.М. Технология и компьютерное обеспечение современных аэрофотосъемочных работ//Тезисы научной конференции "XXIV Гагаринские чтениям(Часть 3). М.:МАТИ-РГТУ,1998. - с.50-51.

18. Заиграев М.М. Разработка модели и программного обеспечения для аэрофотосъемки/ЛГезисы научной конференции "XXIV Гагаринские чтения"(Часть 4). М.:МАТИ-РГТУ,1998. - с.66-67.

19. Заиграев М.М. Фазовые переходы в различных средах//Тезисы научной конференции "XXI Гагаринские чтения". М.:МАТИ-РГТУ,1995. - с.38.

20. Инструкция по применению навигационного оборудования на самолете Ту-134. М.: МГА СССР, 1969. 115с.

21. Конспект лекции аэрофотосъемочная техника./Павлов И.М., Родионов С.И. Новосибирск, 1977.-58с.

22. Бортовые устройства спутниковой радионавигации. Кудрявцев И.В., Мищенко И.Н., Волынкин А.И. и др. Под ред. Шебшаевича В.С.-М.: Транспорт, 1988.- 201 с.

23. Курников В.П. Перспективы использования навигационных систем в интересах гражданской авиации/ЛГезисы докладов научно-технической конференции "Современное состояние, проблемы морской и воздушной навигации".-Санкт-Петербург: 1992.-С. 174.

24. Кучумова И.П. Радиооборудование самолетов Ту-134 и Ту-134А и его летная эксплуатация,- М.: Машиностроение, 1978 120с.

25. Кучумова И.П. Радиооборудование самолета Ту-154 и его летная эксплуатация.- М.: Машиностроение, 1978. 96с.

26. Лаврова Н.П., Стеценко А.Ф. Аэрофотосъемка. Аэрофотосъемочное оборудование. М.: Недра, 1981.-295с.

27. Павлов И.М. Аэронавигационное оборудование аэрофотосъемочных самолетов. Новосибирск: НИГАиК, 1986.-82с.

28. Прилепский А.Н. Самолетовождение при аэрофотосъемке. ЧастьГ М.:МИИГАиК, 1971 -54с.

29. Родионов Б.Н. Аэродинамические, геометрические и навигационные основы автоматизации захода самолета на аэрофотосъемочный маршрут//Труды МИИГАиК,- 1959.- Вып.34. С.79-128.

30. Родионов Б.Н. Динамическая фотограмметрия.- М.:Недра, 1983. -310с.

31. Родионов Б.Н. Об оперативном создании фотопланов сельских населенных пунктов//Геодезия и картография. 1995. - №2 - С.42-46.

32. Родионов Б.Н. Применение новых методов съемок и актуальные задачи землеустройства//Геодезия и картография. -1995. №7 - С.42-46.

33. Руководство по выполнению аэрофотосъемочных работ на самолете Ту-134СХ. М.: Воздушный транспорт, 1987 - 124с.

34. Румер А.О. Аэрофотосъемка с основами фотографии. М.:МИИЗ, 1971.-215с.

35. Сосновский A.A., Хаймович И.А. Авиационная радионавигация.-М.:Транспорт, 1980 254 с.

36. Справочник пилота и штурмана гражданской авиации./Под ред. Васина И.Ф. ^ М.: Транспорт, 1988. 319с.

37. Сороковик Н.С. Основы применения теории вероятностей в навигации. Ленинград: ВАЧГА, 1966. - 208с.41. . Сетевые спутниковые радионавигационные системы. Шебщаевич B.C., Дмитриев П.П., Иванцевич Н.В. и др.- М.: Радио и связь, 1982. -272с.

38. Сетевые спутниковые радионавигационные системы. Шебщаевич

39. B.C., Дмитриев П.П., Иванцевич Н.В. и др. 2-е изд., перераб. и доп. -М.: Радио и связь, 1993. - 408с.

40. Самолетовождение. Шелупенко В.К., Войченко Н.С., Нагорнов

41. C.И., Школьник Г.В.- М.: Транспорт, 1968.-431с.

42. Шершень А.И. Аэрофотосъемка. М.: Геодезиздат, 1958. - 334с.

43. Burgess J., Lucas J., White J. The Development of GPS Controlled

44. Photogrammetry within the COE//Salt Lake Sity. Proceed, of the satellite Division of the Institute of Navigation GPS. September 22-24, 1993. Vol.11. -p.1071-1077.

45. Colombo O. Precision long-range DGPS for airborne surveys//GPS World, apr. 1994. p.44-50.

46. Colonel G.B. Green, Massatt P.D., Rhodus N.W. The GPS 21 primary satellite constellation. Navigation//Journal of Institute of Navigation. Vol.36, No.l, Spring 1989. Printed in U.S.A.p. 9-24.

47. Ekin W.H. The use of a low cost GPS receiver for block aerial vertical photography//Fotogrammetric Record. 1994,- October, 14(84).-p.875-886.

48. Georgiadou Y. and Doucet K.D. The issue of selective availability//GPS World. 1990. 1(5). p. 53-56.

49. Gouzhva Y., Koudryavtsev I., Kornienco V. GLONASS receivers: an outline//GPSWorld. 1994. jan. - p.30-36.

50. GPS Navigator. M.: PRIN, 1994. -72c.

51. GPS-total station.- Trimble Navigation Limited. -1994.

52. Hofman-Wellenhof B., Lichtenegger H, Collns J. Global Positioning System. Theory and practice.-Springer-Verlag Wien NewYork.-1992.-325p.

53. Lachapelle G., Cannon M.E. and Lu G. Ambiquty Resolution On The Fly A Comparison of P Code and High Perfomance C/A Code Receiver Technologies//Proceedings of ION GPS-92, The Institute of Navigation, Alexandria, VA - p. 1025-1032.

54. Landau H., Euler H., On-The-Fly Ambiguity Resolution//Proceed. of ION GPS-92, Albuguerque, N.M., 16-18 September, 1992. p.607-613.

55. Langley R. RTCM SC-104 DGPS standart.//GPSWorld, may. 1994.-p.48-53.

56. Lennen G.R., Daly P., 1989. A Navstar GPS C/A code digital Receiver. Navigation//Journal of Institute of Navigation. Vol.36, No.l, Spring 1989. Printed in U.S.A. p.115-126.

57. Liu Jiyu, Cheng Xiaoming, Li Deren, Wang Guang, Li Jinynian, Lan Wei, Zhao Jinxiang, 1996. GPS kinematic carrier phase measurements for aerial photogrammetry//ISPRS Journal of Photogrammetry & Remote sensing. Volume 51 No.5 October 1996 p.230-242.

58. NAVSTAR GPS. Interface Control Document.- 1991.

59. NAVSTAR Global Positioning System (GPS). Report "NATOTEAM". US Goverment printing office. - 1991.

60. Patrick Y.C. Hwang, 1991. Kinematic GPS for differential positioning: Resolving integer ambiguities on the fly//Navigation: Journal of Institute of Navigation. Vol.38, No.l, Spring 1991. Printed in U.S.A.- p.1-15.

61. PRIN-DIF. M.: PRIN, 1994 - 67c.

62. Raymond A. Eastwood. An Integrated GPS/GLONASS receiver// Navigation: Journal of Institute of Navigation. Vol.37, No.2, Summer 1990. Printed in U.S.A. -p.141-151.

63. Remondi B.W. Peforming Centimeter Level Surveys in Seconds with GPS Carrier Phase: Initial Results//Navigation, Journal of The Institute of Navigation. Vol.32, No. 4, Winter 1985. - p.86.

64. Robert P.DENARO. La localisation a automatique des venicules et la gestion des flottes//Navigation. Volume 39. No. 153. Janvier 1991. p.33-52.

65. Rudolph M. Kalafus. GPS Integrity channel RTCA working group recommendations//Navigation: Journal of Institute of Navigation. Vol.36, No.l, Spring 1989. Printed in U.S.A. p.25-44.

66. Series 4000 receiver reference. Trimble Navigation Limited. - Part №27249-00. - 1995.

67. Schade H. Exterior orientation for airborne real time mapping//ISPRS Commission 2, Ottawa, Canada. 1994.

68. TRANSPAK II. Printed in U.S.A.1994. 27c.