«РАЗРАБОТКА ФОТОГРАММЕТРИЧЕСКОГО СПОСОБА ОПРЕДЕЛЕНИЯ НАВИГАЦИОННЫХ ПАРАМЕТРОВ АЭРОЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ...»

Министерство образования и наук

и Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«СИБИРСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ГЕОДЕЗИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ»

(ФГБОУ ВПО «СГГА»)

На правах рукописи

Шевчук Станислав Олегович

РАЗРАБОТКА ФОТОГРАММЕТРИЧЕСКОГО СПОСОБА ОПРЕДЕЛЕНИЯ

НАВИГАЦИОННЫХ ПАРАМЕТРОВ АЭРОЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ

ИССЛЕДОВАНИЙ

25.00.34 – «Аэрокосмические исследования Земли, фотограмметрия»

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель – кандидат технических наук, ст. научный сотрудник Лапко Александр Петрович Новосибирск –

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1 НАВИГАЦИОННО-ГЕОДЕЗИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ

АЭРОЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1 Задача навигационно-геодезического обеспечения аэрогеофизических работ 1.1.1 Геофизические методы исследования недр. Аэрогеофизика

1.1.2 Навигационно-геодезическое обеспечение аэрогеофизических работ.......... 1.2 Методы спутниковых измерений, применяемые при навигационногеодезическом обеспечении геофизических работ

1.2.1 Существующие и разрабатываемые глобальные спутниковые навигационные системы

1.2.2 Методы спутникового позиционирования

1.3 Топографо-геодезическое обеспечение аэрогеофизических работ

Навигационно-геодезическое обеспечение многометодного 1. аэрогеофизического комплекса

1.4.1 Аэроэлектроразведочный комплекс «Импульс-Аэро»

1.4.2 Определяемые навигационные и геодезические параметры

1.4.3 Требования к точности определения навигационных и геодезических параметров

1.5 Способы определения навигационных и геодезических параметров аэроэлектромагнитных исследований

1.5.1 Определение параметров навигации носителя

1.5.2 Определение геодезических координат и высот вертолёта, платформы и магнитометра

1.5.3 Получение редуцированных координат магнитометра и платформы............ 1.5.4 Определение истинной высоты (превышения над земной поверхностью) выносной платформы

2 РАЗРАБОТКА СПОСОБА И УСТРОЙСТВА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРЕВЫШЕНИЙ

РАЗВЕДОЧНОЙ ПЛАТФОРМЫ НАД ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ

2.1 Способ получения превышений подвижного объекта над земной поверхностью

2.1.1 Теоретическое обоснование способа получения превышений подвижного объекта над земной поверхностью

2.1.2 Устройство, реализующее способ получения превышений подвижного объекта над земной поверхностью

2.1.3 Априорный расчет точности способа и устройства. Факторы, понижающие точность системы. Расчёт поправок

2.1.4 Алгоритм выполнения работ с использованием способа и устройства для получения превышений подвижного объекта над земной поверхностью.............. 2.1.5 Преимущества, технические ограничения и пути усовершенствования описанных способа и устройства

2.2 Разработка рабочего макета (прототипа) устройства, реализующего способ получения превышений подвижного объекта над земной поверхностью .............. 2.2.1 Макет разрабатываемого устройства

2.2.2 Критерии выбора аппаратуры, входящей в состав создаваемого прототипа устройства

2.2.3 Выбор фотокамер, используемых в разрабатываемом устройстве................. 2.2.4 Выбор устройств для блоков ИНС и ГНСС

2.2.5 Разработка блока управления. Создание объединенного блока

2.2.6 Организация блока обработки

2.3 Методика навигационно-геодезического обеспечения аэроэлектромагнитных исследований, включающая в себя разработанные способ и устройство .............

3 ИССЛЕДОВАНИЯ И ПРАКТИЧЕСКИЕ ИСПЫТАНИЯ РАЗРАБОТАННОЙ

МЕТОДИКИ НАВИГАЦИОННО-ГЕОДЕЗИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ

АЭРОЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

3.1 Испытания методов ГНСС-измерений, применяемых при навигационногеодезическом обеспечении аэроэлектроманитных исследований

3.1.1 Постановка задачи испытаний методов ГНСС-измерений

3.1.2 Исследуемая ГНСС-аппаратура

3.1.3 Наземные исследования методов позиционирования в режиме статики..... 3.1.4 Наземные исследования методов позиционирования в кинематическом режиме

3.1.5 Лётные испытания аппаратуры и методов позиционирования

3.1.6 Выполнение навигационно-геодезического обеспечения геофизических исследований в Курагинском районе Красноярского края

3.2 Лабораторные исследования рабочего прототипа устройства, реализующего получение истинной высоты платформы фотограмметрическим способом ........ 3.2.1 Исследование синхронности камер в макете устройства

3.2.2 Точность определения расстояний макетом устройства в статике............... 3.3 Испытания рабочего макета устройства, реализующего фотограмметрический способ получения истинной высоты платформы

3.3.1 Подготовка испытаний

3.3.2 Настройки фотокамер и устройства управления. Выполнение съёмки....... 3.3.3 Получение истинной высоты посредством рабочего макета разрабатываемого устройства

3.3.4 Выводы по выполненным испытаниям

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ А (обязательное) ХАРАКТЕРИСТИКИ ОТЕЧЕСТВЕННОЙ И

ЗАРУБЕЖНОЙ НАВИГАЦИОННОЙ И ГЕОДЕЗИЧЕСКОЙ ГЛОНАСС/GPS

АППАРАТУРЫ ………………….…………………………………….…………… ПРИЛОЖЕНИЕ Б (обязательное) ИССЛЕДУЕМЫЕ ФОТОСНИМКИ (УМЕНЬШЕННЫЕ)..…………….…………………………………………………

ВВЕДЕНИЕ

геофизической разведке широко применяются методы сбора геофизической информации с использованием летательных аппаратов, позволяющие получать параметры строения различных слоёв земной коры дистанционно, с меньшими экономическими затратами. Методы аэрогеофизической разведки эффективно применяются при изучении земных недр, поиске как твёрдых, так и нефтегазовых полезных ископаемых, мониторинге разработки месторождений и решении широкого круга поисково-оценочных и инженерных задач. Значительное повышение экономической эффективности данных работ достигается применением многометодных систем, выполняющих комплексные измерения различных полей Земли (электрического, магнитного, электромагнитного поля, поля силы тяжести, радиационного, теплового), в том числе одновременно.

Одной из наиболее значимых задач аэрогеофизики (наряду с проблемами обработки и интерпретации геофизической информации) является получение пространственных данных аэрогеофизической съёмки – выполнение навигационного и геодезического обеспечения, в частности – параметризация съёмки (определение необходимых навигационных и геодезических параметров).

Современные аэрогеофизические исследования всё чаще решают локальные поисковые задачи высокой детализации с крупными масштабами съёмки, в частности 1 : 10 000, что в значительной мере повышает требования к точности, целостности и частоте фиксации величин навигационно-геодезических параметров.

В настоящее время в связи с развитием технологий спутникового позиционирования, для решения задач координатного обеспечения и навигации широко используются методы, основанные на применении глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС). Ранее для решения данных задач применялись методы аэрофотосъёмки и радиогеодезии.

Появление цифровых съёмочных систем и методов автоматической обработки фотограмметрических измерений создало возможность их применения для эффективного решения некоторых задач навигационно-геодезического обеспечения аэрогеофизики, трудно реализуемых посредством ГНСС и других методов.

При навигационно-геодезическом обеспечении аэроэлектромагнитных исследований одной из задач параметризации является точное определение истинных высот (превышений над земной поверхностью) выносных конструкций (платформ или гондол), для чего может применяться фотограмметрический метод.

Учитывая появившиеся в последнее время новые технологии и программные средства, может быть разработана комплексная методика по навигационногеодезическому обеспечению, включающая в себя перечень работ по навигационно-геодезическому обеспечению аэрогеофизических исследований, рекомендованное программно-аппаратное обеспечение для них, а также позволяющая варьировать некоторые технологические звенья.

Разработанная методика, включающая фотограмметрический способ и устройство для определения истинной высоты выносных конструкций, может в значительной мере повысить качество выполняемых аэрогеофизических работ.

Степень разработанности темы.

При работе над вопросом, связанным с определением истинной высоты путем применения аэрофотосъёмки, рассматривались работы отечественных ученых (Журкин И. Г., Гук А. П., Антипов И. Т., Кашкин В. Г., Никитин В. Н. и др.) и зарубежных ученых (Гонсалес Р., Вудс Р., Прэтт У., Шовенгердт Р. А. и др.).

По вопросам навигационно-геодезического обеспечения геологогеофизических работ (в частности, аэрогеофизики) посредством ГНССтехнологий опубликован ряд работ, в частности методические разработки, статьи и исследования таких ученых, как Прихода А. Г., Глаголев В. А., Тригубович Г. М., Каленицкий А. И., Канторович А. Э., Антонович К. М., Сурнин Ю. В., Щербаков В. В., Войтенко А. В. и др. Из зарубежных авторов, прямо или косвенно занимающихся данным вопросом, могут быть отмечены: Rizos Ch., Hofmann-Wellenhof B., Petrovski I. G., Bisnath S., Leick A. и др.

навигационно-геодезического обеспечения аэрогеофизических работ с электромагнитным разведочным комплексом с подвесной вертолётной платформой, включая решение задачи получения её высоты над земной поверхностью фотограмметрическим способом.

комплексных аэрогеофизических исследований повышает точность и достоверность определения параметров физических полей Земли и, как следствие, выделения (локализации) поисковых объектов.

Задачи исследования:

– конкретизация задач навигационно-геодезического и топографического обеспечения аэрогеофизических работ и методов их решения, анализ определяемых навигационно-геодезических параметров при выполнении многометодных аэрогеофизических съёмок, исследование необходимой точности их определения;

– разработка фотограмметрического способа определения превышений выносной вертолётной платформы (приёмно-генераторной конструкции) над земной поверхностью (истинной высоты);

– разработка методики навигационно-геодезического обеспечения аэрогеофизических работ с обоснованием выбора аппаратуры, методов измерений и программного обеспечения для навигационно-геодезического сопровождения аэрогеофизической съемки и обработки результатов спутниковых измерений;

– создание рабочего макета устройства, реализующего способ определения превышений выносной вертолётной платформы и его испытания.

диссертационной работы является навигационно-геодезическое обеспечение аэрогеофизических работ.

Предметом исследований является методика навигационно-геодезического обеспечения аэрогеофизических исследований, включающая применение технологий ГНСС и разработку фотограмметрического способа и устройства для определения превышения над земной поверхностью (истинной высоты) выносной электромагнитной платформы.

Научная новизна результатов исследований. Впервые предложен фотограмметрический способ для определения истинной высоты выносной конструкции (платформы) и устройство, реализующее его. Основной особенностью устройства является применение пары камер, синхронно Преимуществами данного способа (в частности, в сравнении с применением лазерных высотомеров) является учёт углов наклона выносной конструкции и возможность смещения определяемой точки (в случае наличия препятствий на местности) на снимках.

Усовершенствована методика навигационно-геодезического обеспечения аэрогеофизических исследований с использованием подвесной электромагнитной платформы, обеспечивающая параметризацию электромагнитных измерений с необходимой точностью, надежностью и частотой (периодичностью).

Теоретическая и практическая значимость работы. Разработанная методика, включающая определение высоты фотограмметрическим способом, обеспечивает определение навигационно-геодезических параметров аэрогеофизической съёмки с необходимой точностью и в значительной мере повышает качество и эффективность аэрогеофизических исследований.

Методология и методы исследований. Выполненные исследования базировались на анализе научной и технической литературы, нормативных документов и выполнении экспериментальных работ.

Для решения поставленных задач применялись:

– теория математической статистики;

– теория фотограмметрической обработки пары снимков;

– теория математической обработки геодезических измерений;

– методы математического моделирования.

Применялись методы фотограмметрии, геодезии, обработки данных аэрофотосъёмки, геоинформатики, спутниковой навигации.

При выполнении исследовательских и практических работ применялось следующее программное обеспечение:

– программа для обработки спутниковых измерений NovAtel WayPoint GrafNav;

– среды разработки программ Borland Delphi, IDE Lazarus, Free Pascal;

– ГИС MapInfo, Garmin MapSource;

– вычислительная среда программирования Equilibrium;

– средства Microsoft Office.

Автором написан ряд алгоритмов и прикладных программ на их основе.

Разработанная методика была испытана на практике (на нефтепроводе Ванкорского месторождения в Ямало-Ненецком автономном округе и в Курагинском районе Красноярского края). Предложенное фотограмметрическое устройство, включающее в себя пару неметрических камер, инерциальную навигационную систему и микрокомпьютер, было представлено и испытано в лабораторных и лётных условиях в виде рабочего макета.

На защиту выносятся:

а) разработанные фотограмметрические способ и устройство обеспечивают определение истинной высоты выносной аэрогеофизической платформы с необходимой точностью;

б) предлагаемая комплексная методика навигационно-геодезического обеспечения аэроэлектромагнитных исследований с использованием выносной электромагнитной платформы решает задачу определения необходимых навигационных и геодезических параметров.

Соответствие диссертации паспорту научной специальности.

25.00.34 «Аэрокосмические исследования Земли, фотограмметрия», разработанному экспертным советом ВАК Минобрнауки РФ, по следующим областям исследований:

– № 3: «Теория, технология и технические средства сгущения по аэрокосмическим снимкам геодезических сетей, создания и обновления топографических, землеустроительных, экологических, кадастровых и иных карт и планов»;

– № 5: «Теория и технология получения количественных характеристик динамики природных и техногенных процессов с целью их прогноза».

Степень достоверности и апробация. Основные положения и результаты научного исследования докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях и конгрессах:

– VII Международный научный конгресс «ГЕО-Сибирь-2011», г. Новосибирск, СГГА, 19–29 апреля 2011 года;

– VIII Международный научный конгресс «Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2012», г. Новосибирск, СГГА, 10–20 апреля 2012 года;

– IV Международная конференция «Геодезия. Маркшейдерия. Аэросъёмка.

На рубеже веков», г. Москва, гостиница «НовОтель», 14–15 февраля 2013 года;

– IХ Международный научный конгресс «Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2013», г. Новосибирск, СГГА, 24–26 апреля 2013 года;

– VII Международный форум по спутниковой навигации, г. Москва, Экспоцентр, 24–27 апреля 2013 года.

«Аэрогеофизическая разведка» при выполнении аэрогеофизических работ на Ванкорском месторождении (инженерные изыскания) и в Курагинском районе Красноярского края (Раздольная площадь). Методика внедрена в производство ООО ГП «Сибгеотех» и в учебный процесс ФГБОУ ВПО «СГГА».

На фотограмметрические способ и устройство для определения истинной высоты выносной аэрогеофизической платформы получен патент на изобретение от 27.02.2014 (Пат. 2508525 Российская Федерация МПК51 GO1C 11/04 GO1V 3/16).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 статей, из которых входят в перечень российских рецензируемых научных журналов и изданий.

Также получен один патент РФ на изобретение.

Структура диссертации. Общий объём работы составляет 180 страниц печатного текста. Диссертация состоит из введения, трёх разделов, заключения, списка литературы, включающего 125 наименований, 2-х приложений.

Работа включает 29 таблиц и 56 рисунков.

Автор выражает глубокую признательность научным руководителям – кандидату технических наук, руководителю отдела геодезического обеспечения геолого-геофизических работ Приходе Александру Георгиевичу и кандидату технических наук, научному консультанту Лапко Александру Петровичу.

Особую благодарность автор выражает кандидату технических наук, доценту Никитину Вячеславу Николаевичу за неоценимую помощь и поддержку в разработке фотограмметрического способа и устройства.

Также автор благодарит научного руководителя по геофизическим исследованиям Федерального государственного унитарного предприятия «Сибирский НИИ геологии, геофизики и минерального сырья» (СНИИГГиМС), доктора технических наук Тригубовича Георгия Михайловича, при чьей непосредственной помощи и поддержке было проведено подавляющее число практических исследований и испытаний (в том числе летных) в рамках полевых работ.

Автор выражает благодарность кандидату технических наук, профессору Широковой Тамаре Антоновне; доктору технических наук, профессору Гуку Александру Петровичу; кандидату технических наук Комиссарову Александру Владимировичу; доктору технических наук, профессору Антоновичу Константину Михайловичу; доктору технических наук профессору Каленицкому дистанционного зондирования Сибирской Государственной геодезической академии, коллективам отделов геодезического обеспечения геологогеофизических работ и электроразведки ФГУП «СНИИГГиМС» за научную, консультационную и техническую помощь, оказанную автору при работе над диссертацией.

1 НАВИГАЦИОННО-ГЕОДЕЗИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ

АЭРОЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

аэрогеофизических работ 1.1.1 Геофизические методы исследования недр. Аэрогеофизика Геофизическая разведка – поиск и разведка полезных ископаемых или геологических структур, благоприятствующих их залеганию, с помощью различных физических методов. По изучаемым физическим полям Земли их подразделяют на гравиразведку, магниторазведку, электроразведку, сейсморазведку, ядерную геофизику и терморазведку, называемые также гравиметрическими, магнитными, электромагнитными, сейсмическими, ядернофизическими и термическими геофизическими методами исследований [81].

Если геологические и геохимические методы являются прямыми методами близкого действия, основанными на непосредственном, точечном или локальном изучении минерального, петрографического или геохимического состава вскрытых выработками пород, то геофизические методы являются косвенными, обеспечивающими равномерность, объемный характер получаемой информации и практически неограниченную глубинность. При этом производительность геофизических работ значительно выше, а стоимость в несколько раз меньше в сравнении с разведкой с помощью неглубоких (до 100 м) и в сотни раз меньше при бурении глубоких (свыше 1 км) скважин [81]. Таким образом, за счет повышения геологической и экономической эффективности изучения недр, геофизические методы исследования являются важнейшим направлением современной геологии.

В настоящее время при геофизической разведке широко применяются методы сбора геофизической информации с использованием летательных аппаратов, позволяющие получать параметры строения различных слоёв земной коры дистанционно, с наименьшими денежными и трудовыми затратами. В зависимости от поставленных задач и применяемой аппаратуры в этих полётах выполняются следующие виды геофизических съёмок:

– аэромагнитная;

– аэроэлектроразведка;

– аэрогравиметрическая съемка;

– аэрогамма-спектрометрическая съемка.

Зачастую используются сочетания этих видов съёмок (двух- и трёхметодные комплексные съёмки) в масштабах от 1:10 000 до 1:50 000.

1.1.2 Навигационно-геодезическое обеспечение аэрогеофизических работ аэрогеофизических исследований, навигационное и геодезическое обеспечение играет заметную роль и во многом определяет качество обработки получаемого материала.

Рассмотрим основные задачи геодезического и навигационного обеспечения геолого-геофизических работ.

В обобщенном виде, без учета некоторых различий, определяемых методом проведения геолого-геофизических исследований, основными задачами геодезического обеспечения являются [19, 41]:

– подготовка геодезической основы планируемых геофизических работ в картографических материалов;

геофизических измерений – точек, сетей, профилей, маршрутов;

– вынос в натуру позиций геофизических наблюдений (при необходимости);

– геодезическое сопровождение геофизических исследований – определение планово-высотного положения точек наблюдений в процессе съёмочных работ;

– камеральная обработка геодезических измерений, включая оценку их погрешности;

– создание геодезической основы для геолого-геофизического картирования – предоставление результирующей геодезической информации;

Также существует ряд дополнительных задач навигационного обеспечения геолого-геофизических исследований, включающий:

последовательности прохождения точек геофизических наблюдений;

– определение плановых координат носителя аппаратуры геофизических измерений в процессе съёмочных работ;

– управление ходом геофизической съёмки путем сравнения измеренного соответствующих указаний или сигналов для корректировки курса носителя аппаратуры геофизических наблюдений.

Тогда, можно сказать, что в общем виде навигационно-геодезическое обеспечение аэрогеофизических исследований, с учетом их специфики, включает в себя следующий перечень основных элементов (работ) [59,60,63]:

растительного покрова, гидрографии и т.п.;

– выбор, размещение и определение местоположения опорных базовых спутниковых станций;

– выбор и подготовка мест временного базирования авиатранспорта;

– определение условий видимости спутников с учетом минимального допустимого угла маскировки (визирования);

– выбор места размещения на летательном аппарате (ЛА) антенны спутникового приемника;

– монтаж бортового спутникового оборудования и размещение (установка по утвержденной установочной конструкторской документации) приемной антенны спутниковых сигналов и корректирующих поправок;

– исследование влияния на спутниковый приемник собственной бортовой аппаратуры ЛА;

– составление схемы вождения ЛА с нанесением проектной (съемочной) информации;

– вывод ЛА на заданную точку местности (начало съемочного маршрута);

допустимых боковых уклонений и определение текущих координат и высот съемки;

– определение и согласование с экипажем порядка захода на проектный маршрут и выхода с него на соседний;

– проложение контрольных съемочных маршрутов;

– оценка точности определения координат и составление каталога съемочных пунктов;

– построение карты в заданной системе с нанесением фактических маршрутов полета.

показанных в виде блок-схемы на рисунке 1.

Проектирование навигационно-геодезического обеспечения Геодезическое сопровождение аэрогеофизической съёмки Камеральная обработка результатов съёмки, создание Рисунок 1 – Этапы навигационно-геодезического обеспечения аэрогеофизических Навигационно-геодезическое обеспечение аэрогеофизики также должно включать в себя получение дополнительных навигационных и геодезических параметров (как в процессе полёта, так и при камеральной обработке), определяемых спецификой выполняемого вида работ.

Глобальные навигационные спутниковые системы (ГНСС) обеспечили создание пространственного координатно-временного поля, внутри которого можно постоянно получать сведения о местоположении с высокой точностью в пространстве и с наносекундной точностью времени, что существенно расширило возможности геодезического и навигационного обеспечения аэрогеофизических работ, ранее выполнявшегося посредством аэросъемки и методов радиогеодезии [64].

навигационно-геодезическом обеспечении геофизических работ навигационные системы прикладных задач получили глобальные навигационные спутниковые системы (ГНСС), называемые также спутниковыми радионавигационными системами (СРНС).

Технологии ГНСС обеспечивают определение пространственного положения пользователя в любом месте земного шара с помощью спутниковых приёмников по сигналам спутников и функциональных дополнений космического (Satellite Base Augmentation Systems – SBAS) и наземного (Ground Base Augmentation Systems – GBAS) базирования. Компоненты технологий ГНСС показаны в таблице 1 [7].

На данный момент функционируют, по крайней мере, две системы ГНСС глобального охвата – американская GPS (ранее NAVSTAR) и отечественная ГЛОНАСС. При этом активно ведётся разработка новых ГНСС и в других странах – Galileo (Евросоюз) и Beidou-2 (ранее COMPASS, Китай). Кроме того, функционирует или находится на этапе ввода в эксплуатацию целый ряд систем позиционирования регионального назначения (Beidou-1 в Китае, QZSS в Японии, IRNSS в Индии и др.) [71].

Таблица 1 – Компоненты технологий ГНСС Глобальные Глобальные GPS (США), ГЛОНАСС (Россия), спутниковые системы Региональные QZSS (Япония), Beidou-1 (Китай), IRNSS Функциональные Глобальные OmniStar, Starfire дополнения космического Региональные WAAS (США), EGNOS (Евросоюз), MSAS базирования (SBAS) (широкозонные) (Япония), GAGAN (Индия) Функциональные Континентальные GRAS (Австралия), National Differential базирования (GBAS) Региональные CORS (США), CACS (Канада) и другие Аппаратура Кодовые спутниковые приёмники пользователей Кодово-фазовые спутниковые приёмники Глобальные навигационные спутниковые системы Galileo и Beidou- находятся на этапе испытаний [56, 98, 116, 126]. Системы будут полноценно функционировать не ранее 2014 [103] и 2020 г.г. [97] соответственно.

По состоянию на февраль 2014 года, в состав орбитальной группировки GPS входило 32 космических аппарата (КА), из которых активно функционировали аппарат и один находился на этапе ввода в систему [76]. Созвездие ГЛОНАСС состояло из 28 спутников, из которых использовались по целевому назначению 24, три составляли орбитальный резерв и один находился на этапе лётных испытаний [76]. Особенности, различия и перспективы развития функционирующих и разрабатываемых систем описаны в ряде работ [11, 12, 42, 55, 104].

1.2.2 Методы спутникового позиционирования Позиционирование спутниковыми приёмниками может осущестляться различными методами и с использованием различных способов обработки данных и получения результатов.

позиционирования, в основе которых лежит способ получения координат [72, 94, 101, 106, 119, 124]:

– абсолютный (описанный выше метод, подразумевающий измерения непосредственно по данным спутниковых наблюдений одним приёмником), – дифференциальный (измерения с учётом поправок от одной или нескольких опорных станций с известными координатами) – относительный (вычисление координат посредством совместной обработки измерений опорной и определяемой станций).

Также можно выделить метод точного точечного позиционирования (Precise Point Positioning – PPP), который можно отнести как к абсолютному методу, так и считать отдельным методом позиционирования.

Результаты наблюдений могут быть получены в реальном времени, непосредственно на пункте наблюдений, и с постобработкой, предполагающей получение конечного результата после завершения наблюдений и дополнительной обработки полученных данных.

Выбор метода позиционирования и способа обработки зависит от поставленной задачи и точности, необходимой для её решения.

Абсолютный метод определения координат осуществляется посредством одного приемника и представляет собой реализацию общего принципа спутникового позиционирования.

Точность данного метода позиционирования с использованием гражданской кодовой спутниковой аппаратуры находится в пределах 5-10 м [59]. При измерениях фазовой аппаратурой точность также невысока (за счёт низкой точности бортовых эфемерид спутников) и находится на уровне 3 м [8].

Изменения абсолютным методом долгое время являлись наименее точными, однако в настоящее время за счёт развития систем информационной поддержки ГНСС, точность позиционирования абсолютным методом может быть значительно повышена за счёт применения точных апостериорных параметров орбит (эфемерид) и поправок к спутниковым часам. Это является основой метода точного точечного позиционирования PPP (Point Precise Positioning) [13, 48, 99, 106, 113].

позиционирования при постобработке [13, 48, 92, 99].

Однако метод PPP нельзя назвать частным случаем абсолютного (точечного) метода позиционирования, он скорее находится на стыке методов, так как параметры орбит и поправки к спутниковым часам получают путём обработки результатов измерений сетей наземных станций.

Реализовать метод PPP можно в специальном программном обеспечении (ПО) для кодово-фазовых измерений двухчастотными спутниковыми приёмниками исследуются в [100]). Получение точных координат и высот апостериорно рассчитанных файлов орбит и поправок к часам, предоставляемых Международной ГНСС-службой (IGS) [95, 109] или другими сервисами PPP.

В настоящее время возможен приём данных для PPP-обработки в режиме реального времени [114, 115].

В основу дифференциального метода спутникового позиционирования положена идея использования поправок псевдодальностей от контрольнокорректирующей станции (ККС) при обработке измерений мобильной станцией (МС), координаты которой необходимо определить.

специализированный стационарный приёмник (например, Sokkia GSR2700 RSX, ГККС от АОА «РИРВ»), так и обычный полевой приёмник, поддерживающий расчёт поправок в формате RTCM или CMR и оснащённый аппаратурой для их передачи. Координаты фазового центра антенны ККС должны быть известны с высокой точностью. ККС иногда также называют опорной или базовой станцией (БС).

Для получения поправок от ККС в реальном времени, пользователь МС должен иметь специальный радиомодем. При использовании платных сервисов передачи поправок, могут потребоваться средства обратной связи. Получение поправок также может осуществляться при постобработке.

Дифференциальный метод может осуществляться с использованием поправок как от одной ККС (локальный дифференциальный метод - LDGPS), так и по сетевому решению от сети базовых станций (региональный и широкозонный методы), называемых дифференциальными подсистемами [45, 58, 91].

В России в настоящее время активно разрабатываются и внедряются свои сети базовых станций в крупных городах и на территории субъектов федерации Также производятся попытки создания сети базовых станций, [74, 75].

охватывающих всю территорию России, например сеть активных базовых станций НПП «НАВГЕОКОМ» [32], на момент написания включавшая в себя базовые станции в 30 городах России [73].

Относительный метод позиционирования считается наиболее точным [8]. В основу метода положена совместная обработка результатов одновременных измерений двумя спутниковыми приёмниками – базовой станцией (БС) и мобильной станцией (МС). При обработке определяется вектор между ними, называемый базисной (базовой) линией (БЛ). Как и в дифференциальном методе, базовая станция должна иметь точные известные координаты.

Данный метод чаще применяется для фазовых приёмников, позволяя добиться более высокой точности, чем точность, обеспечиваемая дифференциальными поправками.

Спутниковое позиционирование относительным методом, как и в случае с другими методами, может выполняться статическим и кинематическим способами, однако имеет определённую специфику, на основе которой выделяются различные режимы относительных наблюдений, описанные в [8, 107, 112].

Как и в случае с локальным дифференциальным методом, большое влияние на точность имеет расстояние между БС и МС. Обычно, линейная зависимость точности позиционирования от величины базовой линии и её предельное значение указывается в техническом паспорте аппаратуры.

Топографо-геодезическое обеспечение аэро геофизических В задачи навигационно-геодезического обеспечения аэрогеофизики также входит ряд работ с топографическими картами (топографо-геодезическое обеспечение).

Картографические материалы в виде топографических карт различных масштабов, используемые при проведении аэрогеофизических работ, применяются при решении следующих задач:

составление проекта аэрогеофизических наблюдений и геодезических работ (в том числе: создание проектных маршрутов, выбор мест временного базирования летательного аппарата, мест дозаправки и т.п.);

при обеспечении навигации полётов (в качестве полётных карт);

создание отчётных геофизических карт (в качестве основы).

Для того чтобы обеспечить решение перечисленных задач, топографические карты должны содержать достаточно подробную контурную часть и иметь достаточную точность отображения контуров и высот. Эти характеристики определяются масштабом карт и высотой сечения рельефа.

Высота сечения рельефа горизонталями для топографических карт и планов масштабов, устанавливается в зависимости от характера местности. Кроме горизонталей, на топографической карте присутствуют подписи наиболее характерных точек рельефа и контуров, число которых должно быть не менее пяти на 1 дм2 карты [18]. Точность высот этих точек относительно ближайших пунктов высотной съёмочной сети лежит в пределах (плоскоравнинная местность, наклон местности i 2), (пересечённая, всхолмлённая местность, 2 i 6), (предгорная местность), от одной до двух (горная и высокогорная местность) высот сечения рельефа hсеч. На лесных участках местности эти допуски увеличиваются в полтора раза. Высоты сечения приведены в таблице [16, 17].

Таблица 2 – Высоты сечения рельефа на картах различных масштабов Плоскоравнинная (углы наклона местности до 2) Плоскоравнинная, залесённая в Азиатской части Российской Федерации севернее параллели Пересечённая и всхолмлённая, с наклона до Предгорная и горная, а также песчаная (пустыни) По вышеперечисленным данным можно составить таблицу 3, отражающую точность изображения рельефа.

Таблица 3 – Точность изображения рельефа горизонталями на топографических картах и планах Характер местности и рельефа Плоскоравнинная, залесённая Российской Федерации, севернее 56° Плоскоравнинная, сплошь Российской Федерации, севернее 56° Всхолмлённая пересечённая углами наклона до 6° Всхолмлённая пересечённая, сплошь углами наклона до 6° Предгорная (фактически она не от 2.0 до Высокогорная (фактически она не выше удвоенной величины hсеч) Также не менее важно обеспечение актуальности картографического материала в силу изменения ситуации со времени проведения работ по созданию карты до настоящего момента. Периодическое обновление должно выполняться в сроки, указанные в таблице 4 [37].

Таблица 4 – Сроки обновления топографических карт различных масштабов Категория При обновлении, как правило, производится переиздание карт в принятой системе координат и в действующих условных знаках. В соответствии с постановлением [37], система координат 1995 года (СК-95) установлена как единая, поэтому все обновляемые карты подлежат переизданию в СК-95, однако в будущем планируется переход к геодезической системе координат 2011 года (ГСК-2011) в соответствии с постановлением [22].

В настоящее время карты представляются в цифровом виде. Требования к качеству и точности отображения ситуации цифровыми картами изложены в [22].

Точность отображения положения объектов на цифровых топографических картах (ЦТК) должна соответствовать требованиям, предъявляемым топографическим картам соответствующего масштаба.

Навигационно-геодезическое обеспечение многометодного аэрогеофизического комплекса 1.4.1 Аэроэлектроразведочный комплекс «Импульс-Аэро»

Электромагнитная разведка становлением поля в комплексе с магнито- и гамма-спектрометрией с использованием выносных вертолетных разведочных платформ является заметной тенденцией развития опережающих поисковооценочных технологий. Эти системы характеризуются высокой разрешающей способностью, глубинностью исследований, и позволяют оперативно оценивать перспективность труднодоступных территорий [78].

В Сибирском Научно-исследовательском институте геологии, геофизики и минерального сырья совместно с рядом научно-производственных организаций разработана аэроэлектромагнитная система «Импульс-Аэро» с подвесной платформой – источником электромагнитных излучений, расположенной под фюзеляжем вертолёта типа МИ-8, предназначенная для поиска геологических объектов в динамике [38, 77, 78, 110]. Помимо основной задачи – высокоточного прогноза рудных объектов различного генезиса, платформы серии «ИмпульсАэро» успешно применяются при выполнении гидрогеологических, инженерных, экологических изысканий [10, 77].

Строение и общий принцип функционирования аэроэлектромагнитного комплекса показан на рисунке 2.

Земная поверхность Рисунок 2 – Функционирование электромагнитного комплекса в полёте Полный состав аэроразведочного комплекса «Импульс-аэро» включает в себя бортовое оборудование (располагаемое в вертолёте), подвесную платформу, магнитометр, и непосредственно носитель (вертолет). Основные конструкторские и аэродинамические характеристики аэроэлектромагнитной системы «Импульсаэро» приведены в таблице 5.

Таблица 5 – Технические характеристики аэроэлектромагнитной системы «Импульс-аэро»

Магнитометр Разведочная платформа Силовая несущая конструкция Горизонтальная секционная Размер секции (длина/диаметр) 4/0,3 м Аэродинамические характеристики при полете с подвесной платформой Скорость в режиме горизонтального полёта от 100 до 140 км/ч Допустимая скорость ветра, не более 8 м/с Схема строения подвесной разведочной платформы (генераторный контур) представлена на рисунке 3.

Рисунок 3 – Схема подвесной разведочной платформы Устройство подвеса платформы к вертолёту в виде тросового «паука», выполняющего функцию центрирования платформы относительно вертолёта и выдерживания горизонтального угла.

относительно фюзеляжа вертолёта постоянно изменяется. Скорость полета вертолета влияет на результаты измерений системы из-за изменения местоположения и геометрии пространственной системы «вертолет-платформа».

Увеличение скорости полета носителя приводит к увеличению угла отклонения трос-кабеля от вертикали. При оптимальной скорости полета вертолета 100 км/ч угол отклонения трос-кабеля от вертикали составляет около 5°. При скорости вертолета 140 км/час трос-кабель встает на упор люка внешней подвески.

эксплуатации комплекса, так и при разработке технологии его навигационногеодезического обеспечения.

1.4.2 Определяемые навигационные и геодезические параметры составляющей аэрогеофизической технологии с использованием вертолетной разведочной платформы, и, в существенной степени обеспечивают качество полевых материалов и геолого-геофизическую результативность проводимых исследований.

В отличие от других элементов методики навигационно-геодезического обеспечения, перечень навигационных и геодезических параметров и требования к точности их обеспечения сильно зависят от способа проведения работ и в большинстве случаев не регламентированы существующими техническими руководствами.

При выполнении съёмки с использованием аэроэлектромагнитного комплекса необходимо определять несколько категорий навигационных и геодезических параметров. Навигационные параметры включают в себя величины, необходимые для следования по заданному маршруту на необходимой высоте, а геодезические – элементы позиционирования электромагнитной (ЭМ) платформы относительно заданной топографической основы.

Важно также учитывать, что колебания платформы в горизонтальной плоскости изменяет эффективную площадь проекции генераторной конструкции на физическую (земную) поверхность, что может быть интерпретировано как электромагнитных полей. Для расчета взаимного влияния фюзеляжа вертолёта и металлических частей приемно-генераторной конструкции необходимо знать геометрию положения подвесной платформы относительно фюзеляжа вертолета.

Таким образом, навигационные и геодезические параметры, используемые для выполнения аэроэлектромагнитной съёмки, будут включать в себя элементы, показанные на рисунке 4 и подробно описанные в таблице 6.

Рисунок 4 – Навигационные и геодезические параметры, определяемые при аэроэлектромагнитной съемке с подвесной вертолётной платформой Таблица 6 – Навигационные и геодезические параметры, необходимые при аэроэлектромагнитной съемке с использованием подвесной платформы Координаты и геодезические высоты Координаты и геодезические высоты Координаты и геодезические высоты Обработка результатов электромагнитных Редуцированные координаты и высоты центра ЭМ-платформы на x, y, H (м) топографическую основу Истинная высота центра приёмной антенны подвижной платформы Обработка результатов электромагнитных проекции на земную поверхность) Все вышеперечисленные параметры могут быть получены при камеральной обработке данных, кроме параметров навигации носителя (XН, YН, hН, VН), которые должны контролироваться в реальном времени.

Определение данных параметров с необходимой точностью, по сути, составляет самую значимую задачу навигационно-геодезического обеспечения аэроэлектромагнитного комплекса и определяет всю технологическую цепочку работ.

1.4.3 Требования к точности определения навигационных и геодезических параметров Точность определения навигационно-геодезических параметров частично определяется нормативно-технической документацией [10, 40]. Это относится к точности проводки летательного аппарата по проектным маршрутам и точности позиционирования магнитометра и платформы. Однако фактические требования к точности определения данных параметров могут быть значительно выше.

Как правило, вертолетные аэрогеофизические съёмки выполняются с обтеканием рельефа на минимально возможной высоте полета 30-50 м над поверхностью земли по платформе или 80-100 м по фюзеляжу вертолета.

Требования к точности навигационной проводки летательного аппарата (XН, YН) и выдерживания истинной высоты HН и путевой скорости VН (в виде критериев оценки работы экипажа) приведены в таблицах 7-9 [70]. Также данные требования могут определяться техническим заданием на выполнение работ.

Таблица 7 – Критерии оценки работы экипажа при поисково-съёмочных и аэросъёмочных полётах Масштаб Отклонение траектории полёта от заданного маршрута Примечание – y – межмаршрутный интервал (расстояние между смежными маршрутами при площадной съёмке).

Таблица 8 – Выдерживание истинной высоты полета при проведении поисковосъемочных полетов Слаборасчленённая горная Сильнорасчленённая горная Примечание – При использовании выносного устройства (подвесной разведочной платформы) допустимая высота полета увеличивается на длину выпущенного троса.

Таблица 9 – Нормативы оценки выдерживания путевой скорости Приведенные в таблице 7 требования в настоящее время уже не являются актуальными, особенно, учитывая возможности современной бортовой спутниковой аппаратуры. Поэтому, в технических проектах зачастую указываются более высокие требования к точности проводки вертолёта, например для масштаба 1:5000 требования к выдерживанию линии заданного пути (ЛЗП) могут быть до ±10 м, что фактически является предельной точностью пилотирования. При этом определение текущих навигационных координат должно осуществляться с точностью, как минимум в два раза превышающей требования к проводке [19], то есть от 1/4 до 1/8 межмаршрутного интервала.

Что касается требуемой точности выдерживания истинной высоты полёта hН, при выполнении аэрогеофизических съёмок на минимально допустимых безопасных высотах полёта, отклонения по высоте допускаются только в сторону увеличения, не более, чем на 20 % [41]. Таким образом, при высоте 50 м, отклонения не должны превышать 10 м.

Использование штатного радиовысотомера типа РВ-5 (точность на высотах от 10 до 150 м не ниже 8 %) и кодовой спутниковой ГЛОНАСС/GPS аппаратуры (точность позиционирования СКП на уровне 5-10 м), на борту вертолета позволяют полностью удовлетворить данным требованиям при съёмках масштабов вплоть до 1:10 000 и крупнее.

Также регламентированы требования к определению редуцированных координат (x, y) центра ЭМ-платформы на земную поверхность. Точность определения данных величин задаётся техническим проектом, и должна быть не ниже 1 мм масштаба отчётной карты [41] (то есть 10 м для масштаба отчётной карты 1:10 000, что может быть обеспечено кодовым спутниковым приёмником).

Редуцированная высота H снимается с отчётного топографического плана или карты с точностью, зависящей от масштаба применяемой карты и типа рельефа (см. 1.3).

Величины x, y вычисляются из координат X2, Y2 центра платформы, однако требования к точности их определения гораздо выше, так как кроме геодезической привязки к отчётной карте должно выполняться вычисление поправок за влияние фюзеляжа вертолёта.

Требования к точности позиционирования магнитометра (Xм, Yм, Hм) определены в [40, 41].

Как отмечено [79], требования к точности плановой привязки площадных аэромагнитных съемок должны быть одинаковыми для всех масштабов съемки, и при любом масштабе съемки необходимо обеспечивать наибольшую точность плановой привязки, доступную при имеющихся технических средствах [40, 41].

В соответствии с приведенными [41], средняя квадратическая погрешность (СКП) определения плановых координат Xм, Yм точек наблюдения должна соответствовать одному миллиметру отчетной карты, то есть, например для масштаба 1:10 000 требуемое значение СКП плановой привязки точек измерения 10 м.

В [79], так же сделан вывод, что использование современной аппаратуры (магнитометры с точностью определения магнитных девиаций выше ±0,1 нТл) делает целесообразным получать геодезическую высоту магнитометра Hм с точностью (СКП) не грубее 3 м, что является существенно более жестким требованием, чем требования точности регистрации абсолютной высоты в ±20–30 м с помощью барометрических высотомеров, указанные в Инструкции [40].

Для определения необходимой точности определения остальных параметров, не регламентированных существующими инструкциями, был выполнен ряд экспериментов, описанных в [79].

В результате эксперимента, заключавшегося в моделировании определения параметров двухслойной горизонтально-слоистой среды различной проводимости, абсолютная погрешность определения истинной высоты платформы h, необходимая для обеспечения относительной точности измерения сигнала, равной 5 %, должна составлять не более 1,2 м.

То есть, для того, чтобы предельная погрешность 1,2 м не превышалась с вероятностью 95 %, СКП определения h должна составлять не более 0,6 м [62].

В связи с тем, что вихревое электромагнитное поле при аэроэлектроразведке МПП возникает не только в исследуемой среде, но и дюралюминиевом фюзеляже, определение положения вертолетной платформы должно выполняться не только относительно выбранной картографической основы, но и относительно фюзеляжа вертолёта. Для коррекции измеряемого сигнала надо определять положения системы «вертолёт-платформа» в целом, что определяет требования к точности определения координат и высот платформы (X2, Y2, H2) и носителя (X1, Y1, H1).

По проведенным в [79] оценкам, допустимая СКП планового положения платформы относительно вертолета и определения дистанции «вертолетплатформа» по вертикали не должны превышать 1 м.

Таким образом, требования к точности определения навигационногеодезических параметров могут быть представлены в виде таблицы 10.

Таблица 10 – Требуемая точность – СКП определения навигационногеодезических параметров аэрогеофизической съёмки Параметры навигации Координаты и геодезические высоты Координаты и геодезические высоты ЭМдо 1 м координаты и высоты центра топографическую основу Истинная высота центра приёмной антенны Примечание – В графе рекомендуемой точности m – знаменатель масштаба аэрогеофизической съёмки. Точности выведены в соответствии с геофизическими экспериментами и действующими инструкциями.

Редуцированные координаты должны быть определены в системе координат отчетной карты (при соблюдении Закона о Единстве измерений [35], в СК-95, с 2017 года – в ГСК-2011 [36]). Определение пространственных координат и высот платформы и носителя может выполняться как в СК-95, так и в WGS-84 или ITRF, так как в первую очередь необходимо знать относительное положение вертолёта и платформы.

достигать более высокой точности, чем приведенные СКП (см. таблицу 10), возможно предъявление более высоких требований к точности определения данных величин [19, 41].

Не менее важным вопросом является синхронность геофизических и аэрогеофизических исследований. Определим величину задержки t по времени поступления на управляющий компьютер информации о местоположении относительно момента выполнения геофизических измерений можно пользуясь следующим выражением [19] где t - время задержки, (с);

местоположения, (м);

V – скорость движения носителя геофизической аппаратуры на съёмочном маршруте (м/с).

местоположения, 5 м и скорости съемки 100 км/ч (28 м/с) значение t составляет 0,18 с, а с учетом принципа ничтожного влияния – 0,045 с (45 мс).

При использовании спутниковой технологии синхронизация геодезических и геофизических измерений происходит по временному импульсу, принимаемому от навигационных спутников, нестабильность которого лежит в пределах 1 мкс, что существенно превышает изложенные выше требования.

Технически, при геофизических работах с комплексом «Импульс-Аэро»

вопрос синхонизации решается с помощью PPS-сигналов с расположенной на платформе кодовой или фазовой ГНСС-аппаратуры, время приводится в единую систему UTC (шкала Всемирного координированного времени), задаваемую с её помощью. То есть комплекс (включая геофизическую аппаратуру и всю аппаратуру ГНСС) функционирует в единой высокостабильной системе времени.

Требования к периодичности (дискретности) фиксации геодезической информации, как и требования к синхронности для съёмок, выполняемых в движении, вполне существенны. На стадии проектирования навигационногеодезического обеспечения геофизических работ необходимо выполнить следующие требования:

– для выполнения навигации отсчёты координат должны быть столь частыми, чтобы при управлении движением носителя не выйти за пределы допустимого бокового уклонения съёмочного носителя от линии заданного пути.

Применительно к технологии маловысотных аэроэлектроразведочных поисковооценочных исследований с вертолетной разведочной платформой для съёмки со скоростью полёта до 100 км/ч, значение фиксируется навигационной кодовой ГНСС-аппаратурой с частотой в 1Гц, т.е. дискретность во времени навигационногеодезических измерений составляет 1с;

– для геодезической привязки, отсчёты параметров геофизических полей и координат должны быть столь частыми, чтобы при движении носителя не пропустить локальные аномалии заданного размера [20] где t – дискретность измерений в секундах;

V – скорость движения носителя геофизической аппаратуры на съёмочном маршруте (м/с).

M – знаменатель масштаба съёмки (м);

V – коэффициент, равный 1,25 при выполнении работ, проводимых для решения задач геофизического картирования и 5,0 – для геолого-поисковых работ [20].

В данной работе в первую очередь рассмотрено решение геолого-поисковых задач, для которых по формуле (2) может быть построена таблица 11 требований к дискретности геодезических измерений.

Таблица 11 – Требования к дискретности геодезических измерений С учётом возможной детализацией съёмочных материалов до масштаба 1:5 000 при скорости полета до 100 км/ч значение на современной кодово-фазовой спутниковой аппаратуры может фиксироваться с частотой 5 Гц и выше, соответственно дискретность отсчетов составит 0,2 с, что удовлетворяет заявленным требованиям.

Таким образом, выполнена постановка задач, которые должна решать разрабатываемая методика (перечень работ, навигационно-геодезические параметры и их точность, синхронность, частота получения) выполнен обзор применяемых методов спутниковых измерений и топографических карт.

параметров аэроэлектромагнитных исследований 1.5.1 Определение параметров навигации носителя 1.5.1.1 Параметры навигации летательного аппарата Параметры навигации носителя включают в себя целый ряд величин, показанных на рисунке 5 [20].

Рисунок 5 – Основные параметры воздушной навигации В соответствии с рисунком, основными параметрами воздушной навигации являются [19,20]:

– положение летательного аппарата (ЛА) – координаты XН и YН;

– путевая (навигационная) скорость VН;

– линия заданного пути – ЛЗП, определённая координатами поворотных пунктов маршрута – ППМi и ППМi+1 с заданными плановыми координатами (Xi, Yi и Xi+1, Yi+1);

– азимут на ППМi+1 – А;

– линейное боковое уклонение ЛА от линии заданного пути – ЛБУ;

– заданный путевой угол – ЗПУ;

– фактический путевой угол – ФПУ;

– заданный курс полёта – Кзад;

– текущий курс полёта – Ктек;

– отклонение от заданного курса – К.

Определяемыми навигационными параметрами вертолёта являются только координаты вертолёта XН и YН, высота полёта hH и путевая скорость VН что учитывалось ранее, при составлении списка навигационно-геодезических параметров (см. таблицу 6). Остальные параметры либо задаются в соответствии с проектом (поворотные пункты маршрута), либо вычисляются по заданным и определяемым величинам (A, ЗПУ, ФПУ, ЛБУ и др.).

1.5.1.2 Определение навигационных координат вертолёта Определение навигационных координат вертолёта XН и YН с необходимой точностью (см. таблицу 10) вплоть до масштаба геофизических работ 1: может выполняться кодовым приёмником ГНСС при условии что координаты ППМ будут заданы в единой системе координат с ними.

Основными требованиями, предъявляемыми к спутниковой навигационной аппаратуре, являются:

– в соответствии с ФЗ «О навигационной деятельности» [69] аппаратура должна работать с сигналами системы ГЛОНАСС (отдельно или совместно с GPS и другими системами);

– число каналов – не менее 12 (для приёма спутников двух и более ГНСС);

– частота регистрации и вывода данных на экран не менее 1 Гц;

– устойчивость к сложным условиям прохождения спутниковых сигналов (в том числе, за счёт нахождения приёмника под лопастями вертолёта);

– широкий температурный диапазон (например, от минус 30 °С до +50 °С);

– наличие пользовательского интерфейса, позволяющего оценивать текущее местоположение, скорость и другие параметры воздушной навигации;

– возможность загрузки в память приёмника проектных маршрутов;

– возможность сохранения пройденной траектории на встроенный или внешний носитель.

Дополнительным требованием может быть возможность загрузки в память приёмника растровых или векторных карт снимаемой местности, что в значительной степени облегчает работу штурмана.

Основной проблемой выбора навигационного ГНСС-приёмника является практически полное отсутствие на рынке зарубежной авиационной кодовой ГНСС-аппаратуры, принимающей сигналы ГЛОНАСС, которая могла бы конкурировать с отечественными образцами, часть из которых технически устарела. Доступная на момент написания работы авиационная аппаратура ГНСС (Приложение А).

При составлении таблиц приложения А использованы данные организации «ГЛОНАСС-ГНСС Форум» [53, 118] и из ежегодного приложения к журналу GPS World [118]. При составлении таблиц отобраны модели приёмников, принимающие сигналы ГЛОНАСС отдельно или совместно с другими ГНСС.

Важно отметить, что в настоящее время существует большое разнообразие целевой авиационной ГНСС-аппаратуры, не принимающей сигналы ГЛОНАСС (Garmin Aero, GPS Map 695, IGI CCNS-5 и др.), превосходящие по своим характеристиками (точностным и эксплуатационным) большинство отечественных аналогов.

1.5.1.3 Определение навигационной высоты и путевой скорости летательного аппарата Определение навигационной высоты hН может осуществляться штатным радиовысотомером вертолёта типа РВ-5, например, РВ-5М (А-037), закрепляемым под днищем фюзеляжа вертолёта. Погрешность (СКП) данной модели радиовысотомера в диапазоне высот от 60 до 750 м составляет 6 %. То есть, для наиболее предпочтительной высоты полёта вертолёта комплекса «ИмпульсАэро», высота вертолёта (около 100 м) будет определяться с погрешностью 6 м, что удовлетворяет предъявленным требованиям (см. таблицу 10).

оборудованием вертолёта (указатель скорости УС) или посредством кодового приёмника ГНСС, определяющего навигационные координаты носителя.

1.5.2 Определение геодезических координат и высот вертолёта, платформы и магнитометра 1.5.2.1 Выбор и размещение аппаратуры для определения координат вертолёта, платформы и магнитометра Для точного позиционирования вертолёта X1, Y1, H1, платформы X2, Y2, H2 и магнитометра XМ, YМ, HМ с погрешностью не грубее 1 м недостаточно использования кодовой аппаратуры, работающей в абсолютном режиме позиционирования. В данном случае целесообразно применять фазовую двухчастотную ГНСС-аппаратуру, устанавливаемую на вертолёте и платформе.

Координаты магнитометра при этом могут быть получены аналитически (способ описан в 1.5.4).

В качестве места установки антенны спутникового приёмника на вертолёте рекомендуется использовать ось редуктора с целью обеспечения наилучшего радиогоризонта и минимизации влияния на него вращающего винта вертолёта.

При отсутствии данной возможности – антенна может закрепляться на хвостовой балке или зеркале заднего вида кабины пилотов (наименее предпочтительный вариант).

Кодово-фазовая двухчастотная ГНСС-аппаратура, установленные на ЛА и выносной платформе, а также базовые станции на земле (при позиционировании относительным методом) должны удовлетворять следующим требованиям:

– в соответствии с ФЗ «О навигационной деятельности» [66] аппаратура должна работать с сигналами системы ГЛОНАСС (отдельно или совместно с GPS или другими системами);

– иметь не менее 32 каналов для приёма сигналов частот L1 и L2 для используемых систем;

– работать в кинематическом режиме и поддерживать темп регистрации данных, необходимый для данных работ (рекомендуется не ниже 5 Гц);

– иметь широкий температурный диапазон (желательно, от минус 30°С до +50°С);

– механическая прочность и надёжность аппаратуры, влагозащищённость уровня IP67 и выше;

– объём носителя, достаточный для сохранения получаемых данных (зависит от формата данных; для частоты регистрации данных 5 Гц, рекомендуется объём не менее 256 Мбайт).

– наличие специальной выносной, например авиационной антенны;

– быстрое восстановление при срывах фазы (желательно не более 1с);

– приемлемые массогабаритные характеристики.

Важно учесть способы электропитания аппаратуры и время непрерывной работы, обеспечиваемое встроенными или внешними аккумуляторами.

Также необходимо наличие программного обеспечения для обработки результатов спутниковых измерений, поддерживающего формат записи измерений данной аппаратуры. В настоящее время существует большое разнообразие коммерческих и научных программных продуктов, среди которых можно выделить: Trimble Geomatic Office/Trimble Business Centre, Javad Pinnacle/JustIn, Leica GEO Office, NovAtel WayPoint GrafNav/GrafNet, Topcon Tools; Bernese; GAMIT/GLOBK, RTKLib и др.

На платформе также может быть установлен кодовый ГНСС-приёмник для получения приближённых значений координат платформы X2, Y2, H2 в случае срывов фазовых измерений.

В приложении А приведены модели зарубежной и отечественной кодовофазовой ГЛОНАСС и ГЛОНАСС/GPS-аппаратуры. Данные взяты из источников [53, 118].

Согласно Закону РФ «Об обеспечении Единства измерений» [67] геодезические измерения, являются сферой государственного регулирования обеспечения единства измерений. Средство измерения должно пройти процедуру утверждения типа средства измерений. В таблицах А.1 и А.3 (приложение А) указана аппаратура, имеющая сертификаты утверждения типа средства измерений (на начало 2012 г.). Это заметно сократило список отечественной ГНССаппаратуры, иногда поступающую в продажу без указанного сертификата.

1.5.2.2 Выбор метода позиционирования аппаратурой ГНСС дифференциальный методы позиционирования и метод точного точечного позиционирования (PPP).

Наиболее надёжный метод – относительный – заключается в размещении на местности своей базовой станции (двухчастотного спутникового приёмника) на пункте с известными координатами с дальнейшей постобработкой относительным методом. Данный метод позиционирования предполагает наличие подготовительных работ, в процессе которых должна производиться расстановка одной или нескольких базовых станций и определение их точных координат. В районах с повышенной залесённостью или пересечённой местности, этот метод является наиболее затратным, так как требует больших финансовых расходов на организацию работ по доставке отрядов и оборудования, покупку дополнительной аппаратуры и привлечение дополнительного персонала.

Дифференциальный метод весьма удобен (например, если поблизости функционируют сети активных базовых станций, передающих дифференциальные поправки или возможен приём поправок с геостационарного спутника), однако в большинстве случаев, исследуемая территория освоена недостаточно, и расстояние до ближайшей активной базовой станции слишком велико для получения достаточно точного и надёжного решения.

Наибольший интерес в настоящее время представляет метод точного точечного позиционирования (Precise Point Positioning – PPP), так как он позволяет получить необходимые точности (уровень первых дециметров и выше [13, 48, 92, 99, 106, 113]) без установки на местности базовых станций. Как следствие, отпадает необходимость в покупке дополнительной двухчастотной аппаратуры и привлечении дополнительного персонала, а также наличии поблизости действующих сетей активных базовых станций. К недостаткам метода можно отнести необходимость наличия необходимых данных (файлов точных орбит и поправок к часам, рассчитываемых, например, международной ГНСС службой – IGS), а следовательно – доступ к Интернету или другим источникам данных.

Обработку методом PPP в настоящее время поддерживает только несколько программных продуктов – коммерческое ПО GrafNav/GrafNet и научные Bernese и GeoRTK. Для внедрения в методику навигационно-геодезического обеспечения аэрогеофизики, требуются дополнительные исследования данного метода.

1.5.3 Получение редуцированных координат магнитометра и платформы 1.5.3.1 Переход от координат антенн приёмников ГНСС к координатам определяемых точек После получения координат носителя и платформы, необходимо ввести поправки (выполнить редукцию) за смещение положения антенн относительно измерительных центров платформы и вертолёта по величинам, показанным на рисунках 6 и 7. Предварительно координаты должны быть переведены в единую СК, например, геоцентрическую, или в какую-либо проекцию, например, ГауссаКрюгера, используемую в дальнейших формулах данного пункта.

Точка крепления трос-кабеля Место установки антенны Рисунок 6 – Величины, необходимые для ввода поправок в положение антенны относительно точки крепления трос-кабеля на вертолёте Место установки антенны Центр антенны платформы Рисунок 7 – Величины, необходимые для ввода поправок в положение антенны относительно центра электромагнитной платформы Поправки должны вводиться по формулам «сдвиг+поворот», аналогичным для ЛА и платформы. Для точки крепления трос-кабеля они будут иметь вид где X1, Y1, H1 – редукционные поправки (приращения) к координатам антенны GPS-приёмника;

U1 V1 W1 – расстояния от антенны докрепления трос-кабеля вдоль, поперёк фюзеляжа и по высоте, которые измеряют с помощью мерной ленты;

– дирекционный угол движения вертолёта.

При этом для упрощения можно считать, что углы крена и тангажа не вносят больших ошибок ими можно пренебречь, а дирекционный угол соответствует углу между вектором, образованным смежными точками измеренного маршрута и осевым меридианом зоны. Для вертолёта, курс также можно получать по записям показаний бортовых приборов (например, компаса, учитывая склонение магнитной стрелки относительного осевого меридиана зоны).

Для платформы, за счёт того, что антенна устанавливается на продольной оси платформы (VP=0), данные формулы примут упрощённый вид для плановых составляющих, однако, так как углы тангажа платформы r изменяются в достаточно широком диапазоне (до ±10°), высотная составляющая будет получена иначе Окончательные значения координат точки подвеса трос-кабеля и центра платформы будут получены по формулам где x1', y1', H1' и x2', y2', H2' – измеренные координаты антенн приёмников, приведённые. Координатам x2, y2 соответствуют редуцированные координаты x, y.

Таким образом, при установке антенн спутниковых приёмников, необходимо выполнить промеры всех необходимых параметров перехода посредством рулетки или других измерительных инструментов, полный перечень которых приводится далее по тексту в подпункте 1.5.3.3.

1.5.3.2 Определение координат магнитометра При наличии координат центра платформы и точки крепления трос-кабеля можно аналитически получить координаты магнитометра (xМ, yМ HМ), зная его расстояние от точки крепления, что показано на рисунке 8.

Рисунок 8 – Схема аналитического перехода от координат центра платформы и точки крепления трос-кабеля к координатам крепления магнитометра Из рисунка 8 видно, что векторы направления из точки крепления троскабеля до точки размещения магнитометра R1 и до центра платформы R коллинеарные, а значит, координаты крепления магнитометра могут быть получены по формуле:

В формуле (6), R1 соответствует величине удаления магнитометра от точки крепления трос-кабеля и составляет около 30 м; R2 соответствует длине троскабеля с учётом тросового паука и составляет 60-65 м (для «Импульс-Аэро»).

Формула справедлива, если предположить, что геометрическое продолжение трос-кабеля попадает в центр измерительной антенны платформы.

По высоте полученные координаты соответствуют точке измерения магнитного поля датчиком магнитометра, в то время как в плановые координаты полученной точки необходимо внести коррективы где R3 – расстояние от точки крепления магнитометра до датчика магнитного поля (обычно составляет около 2,5 м); – угол азимут магнитометра, для упрощения приравниваемый к азимуту поворота платформы.

Формулы, приведённые в предыдущем и данном подпунктах, рассмотрены для левой системы координат в проекции Гаусса-Крюгера.

При вводе поправок, указанных выше, обязательно необходимо учитывать их знаки. Для выполнения указанных операций могут быть написаны специальные программы, либо могут использоваться электронные таблицы Microsoft Excel.

1.5.3.3 Величины, необходимые для выполнения редукций По приведённым выше уравнениям, можно выделить перечень измерений, проводимых при установке аппаратуры на вертолёте и платформе и необходимых для последующего перехода от точек установки антенн и датчиков высотомера к определяемым навигационным и геодезическим параметрам:

– расстояние от места установки антенны двухчастотного приёмника на носителе до точки крепления трос-кабеля (в плане и по высоте);

– расстояние от места установки спутниковой антенны приёмника на платформе до условно принятого приёмного центра антенны платформы (в плане и по высоте);

– расстояние от точки крепления трос-кабеля до точки крепления магнитометра на нём;

– расстояние от точки крепления магнитометра на тросе до датчика приёма магнитного поля;

– длина трос-кабеля с учётом тросового паука;

– высота лазерного высотомера относительно точки условно принятого приёмного центра антенны платформы.

1.5.3.4 Переход к необходимой системе координат Задача редукции измеренных величин также предполагает переход к заданной системе координат.

Переход между различными системами координат может выполняться по формулам Молоденского или преобразованием по Гельмерту [9, 23, 67]. Для пересчета координат между системами координат СК-95, СК-42 и WGS-84, формулы и параметры перехода приведены в [23].

При использовании местных систем координат также могут использоваться преобразования, предложенные в [14]. Для автоматизации перехода между системами координат и перевода координат в различные проекции может применяться различное специализированное программное обеспечение (Photomod GeoCalc, CREDO Транскор и др.) или средства, представленные в программном обеспечении, используемом для постобработки съемочных данных.

1.5.4 Определение истинной высоты (превышения над земной поверхностью) выносной платформы 1.5.4.1 Вычисление истинной высоты платформы по измерениям истинной высоты вертолёта Истинные высоты платформы (h), в отличие от истинной высоты вертолёта (hН) должны определяться с более высокой точностью – не грубее метра (см.

таблицу 10).

До сих пор истинная высота платформы, определялась по истинной высоте вертолёта, измеряемой радиовысотомером типа РВ-5 (hн), из которой вычиталась величина h – расстояние от фюзеляжа вертолёта до платформы (примерно равная 50 м). Схематично данный способ показан на рисунке 9.

В итоге истинная высота платформы, получаемая данным способом, имела значительные погрешности за счёт низкой достоверности h, не достаточной точности определения hн посредством радиовысотомера типа РВ-5М (6 м для высоты носителя 100 м), а также несоответствия планового положения носителя и платформы.

Рисунок 9 – Определение приближенного значения истинной высоты платформы Данный способ, в силу перечисленных недостатков, может применяться только для определения приближённых значений h0.

1.5.4.2 Получение истинной высоты платформы по карте или цифровой модели рельефа и измерениям ГНСС превышение системы над земной поверхностью можно выполнять путём вычитания из геодезической высоты H2 платформы (получаемой аппаратурой ГНСС, расположенной на платформе) высоты точки земной поверхности, соответствующих X2,Y2 (в виде редуцированных координат x, y).

Таким образом, истинная высота h может быть получена по формуле Геодезические координаты центра платформы (X2, Y2, H2) получаются с помощью спутникового приёмника, устанавливаемого в капсулу платформыизлучателя, H' соответствует высоте рельефа, определяемой по карте или ЦМР для точки с плановыми координатами x,y, соответствующими проекции координат X2,Y2 платформы на неё.

Данный метод, однако, имеет ряд существенных недостатков, в значительной степени понижающих как точность, так и надёжность получения искомого параметра.

В первую очередь, точность определения превышения ограничена характеристиками карты или ЦМР. При этом, при использовании карт и ЦМР, получаемых на основе их оцифровки, точность отображения высоты будет зависеть от целого ряда факторов: масштаба карты, способа её создания, сечения рельефа, углов наклона местности, точностью положения опознанных контуров и точностью интерполирования между горизонталями. Величины точности отображения рельефа горизонталями карт и построенными на их основе ЦМР приведены в первом разделе диссертации (см. таблицу 2).

Вторым важным недостатком указанного метода является то, что при выполнении измерений спутниковыми методами, получаемая высота является геодезической, в то время при создании карт используется нормальная система высот.

Соотношение между геодезической (эллипсоидальной) и нормальной (ортометрической) высотами определяется формулой [9, 72]:

где H – нормальная высота;

Н – геодезическая высота (на принятом эллипсоиде);

– высота квазигеоида (геоида) над эллипсоидом.

Использование спутникового метода относительных определений для передачи нормальных высот без учета разностей высот квазигеоида может привести к значительным погрешностям. Среднеквадратические погрешности без учета разности высот квазигеоида над эллипсоидом составляют 0.2 м на расстоянии до 20 км в равнинных районах и до 0.6 м в горных. На расстояниях в 50 км и более погрешности не учета разности высот могут составить более 2 м [9, 59]. Частично эта проблема может решаться с использованием модели геоида, например, EGM08/EGM11[54].

При этом также необходимо учитывать, что точность определения высоты непосредственно спутниковой аппаратурой, как правило, в полтора-два раза ниже точности плановых координат [8, 9, 58, 72].

Третий существенный недостаток – точность отображения рельефа горизонталями карт на исследуемую территорию (чаще всего, необжитую), имеющихся в наличии (см. таблицу 3), которая может быть грубее требуемой точности.

Вместо карт и ЦМР, могут применяться цифровые модели местности (ЦММ), получаемые различными методами аэрокосмической съёмки. Заказ аэросъёмки (как фотографической, так и лидарной) является очень затратным и трудоёмким, поэтому, в абсолютном большинстве случаев, нецелесообразен.

Таким образом, можно сделать общий вывод, что получение превышений платформы рассмотренным способом возможно только с точностью нескольких метров. Это является главным недостатком указанного способа, ограничивающим его применение при навигационно-геодезическом обеспечении данных работ.

1.5.4.3 Измерение истинной высоты платформы посредством лазерного высотомера Для определения и контроля превышения h центра разведочной платформы относительно её проекции на физическую поверхность может использоваться лазерный высотомер с точностью измерения расстояния (до поверхности Земли) 1-2 см, размещаемый на гиростабилизированной платформе.

В случае отсутствия гиростабилизированной платформы возможны большие ошибки за счёт нестабильности угла наклона платформы. Пусть – угол наклона;

h' – измеренная высота платформы, hист – истинная высота платформы; x – сдвиг проекции условно принятого фазового центра платформы в плане. Тогда покажем схематично погрешность за угол наклона платформы для плоской идеально ровной поверхности на рисунке 10.

Рисунок 10 – Влияние угла наклона платформы на показания лазерного Отклонение измеренной высоты от истинной (h'-hист) и величину сдвига проекции центра приёмной антенны платформы на земную поверхность x можно получить по формулам:

При величине угла наклона платформы 10° и высоте платформы над поверхностью земли, равной 50 м, погрешность определения истинной высоты для равнинной местности приблизительно составит 0,8 м.

При этом сдвиг проекции центра приёмной антенны платформы достигает 8,8 м. Для всхолмленной или пересечённой местности такие погрешности могут быть значительно выше.

Даже при наличии гиростабилизированной платформы или инерциальной навигационной системы (ИНС) для определения углов наклона платформы, данный метод сопряжён с рядом сложностей: измерения лазерного высотомера чувствительны к наличию препятствий (например, деревьев в залесенной местности). Учитывая тот факт, что измерения производятся для одной точки местности, при попадании на нее препятствия, величина h будет определена с погрешностью.

Однако, данный способ наиболее точен, высоко автоматизирован и мог бы быть более надежным при наличии гиростабилизированной платформы (что создает сложность ее закрепления на ЭМ-платформе), хоть и сопряжён с рядом сложностей, таких как интерпретация измерений высотомера. Также стоит учитывать стоимость лазерного высотомера и его обслуживания.

Целесообразность разработки фотограмметрического способа 1.5.4. определения истинной высоты Перечисленные выше способы определения h (см. 1.5.4.1 – 1.5.4.3) не обеспечивают необходимой точности или имеют существенные недостатки и сложности в реализации. Это обусловило необходимость разработки способа решения данной задачи эффективного и обеспечивающего достаточную точность, надёжность и дискретность.

Целесообразность создания способа определения истинной высоты выносной платформы, основанного на аэрофотосъёмке, было обусловлено следующими факторами:

– благодаря современному развитию электроники, в настоящее время стали широко доступны цифровые фотокамеры, измерительные характеристики которых могут быть адаптированы решение различных инженерных задач [4, 25, 51, 57] посредством калибровки [29, 47, 80] (в частности такие системы широко применяются при съёмке беспилотными ЛА [30, 31, 68]);

– малогабаритные инерциальные навигационные системы (МЭМС) в комплексе с корректирующей информации, получаемой посредством измерений аппаратурой ГНСС позволяют получать элементы внешнего ориентирования снимков без наземных опорных пунктов [2, 3, 6, 89];

– имеющиеся на рынке микрокомпьютеры, программирование которых выполняется на языках высокого уровня [123], могут служить узлами контроля и записи данных – т.е. аналогом командных приборов;

– постоянно развивающиеся методы автоматизированной обработки фотоснимков [5, 24, 26, 27] (в том числе, стереоизмерений [46, 96, 102, 122]) и наличие широкого круга специального программного обеспечения позволяют реализовать обработку аэрофотосъёмочной информации с наименьшими трудовыми затратами.

Таким образом, был предложен фотограмметрический способ определения истинной высоты выносной платформы, подробно описанный в следующем разделе.

РАЗРАБОТКА СПОСОБА И УСТРОЙСТВА ОПРЕДЕЛЕНИЯ

ПРЕВЫШЕНИЙ РАЗВЕДОЧНОЙ ПЛАТФОРМЫ НАД ЗЕМНОЙ

ПОВЕРХНОСТЬЮ

2.1 Способ получения превышений подвижного объекта над земной поверхностью подвижного объекта над земной поверхностью Существует возможность получения искомой величины с использованием фотографической системы, описанной в данном разделе диссертации. На указанные способ и устройство отправлена заявка на патент РФ [55], на которую было получено положительное заключение об опубликовании от 17.10.2013.

Предположим, что подвижный объект (платформа) имеет жёсткую основу, на которой закреплены две неметрические, предварительно откалиброванные фотокамеры, а также инерциальная навигационная система (ИНС), например, на основе трёхосного MEMS-гироскопа и акселерометра (для учёта дрейфа гироскопа в процессе измерений). Допустим, что расстояние между камерами известно с высокой точностью и примем условие, что камеры выполняют экспонирование земной поверхности синхронно и расположены таким образом, что получаемые ими снимки будут иметь перекрытие не менее 60 %.

Способ основан на геометрической обратимости точек перекрывающейся пары фотоснимков, полученных при съёмке из разных точек пространства S1 и S2 с помощью фотокамер с фокусными расстояниями f1 и f2, расположенных на известном расстоянии друг от друга (базисе B), рисунок 11.

Пусть съёмка производится с двух точек пространства S1 и S2, расстояние между которыми (базис) – постоянная величина B. Правые системы координат S1X'1Y'1Z'1 и S2X'2Y'2Z'2 задаются системой ИНС и ориентированы таким образом, что оси аппликат Z'1 и Z'2 вертикальны (направлены по отвесу), а оси ординат Y'1 и Y'2 направлены на север.

Рисунок 11 – Определение истинной высоты платформы с использованием системы из двух синхронизированных фотокамер Пусть S0 – точка, находящаяся в центре базисной линии, соответствующая центру платформы, а точка A – проекция S0 на местность. Главной определяемой величиной для данной системы является расстояние S0A.

Геометрически, положение вектора S1S0 можно получить по формуле Плановые координаты точки местности A могут быть получены как Направление вектора S1S2 в пространстве определяется углами ориентации платформы, получаемыми ИНС. Так как основной задачей является не получение пространственных координат какой-либо точки местности в заданной системе координат (СК), а определение истинной высоты S0A, то начало внешней системы координат может быть выбрано произвольно, например, совмещено с точкой фотографирования левого снимка S1. Тогда по отношению к линейным элементам внешнего ориентирования снимков будут справедливы следующие равенства:

где AИНС – матрица направляющих косинусов, полученных через углы ориентации платформы (пл, пл, пл), которые вычисляются из измерений ИНС и соответствуют тангажу, крену и курсу (,, r);

B – величина базиса;

BX, BY, BZ – проекции базиса на оси координат X, Y, Z.

Тогда координаты точки S0 могут быть получены по формуле В системе координат с началом в S1, истинная высота h – превышение точки S0 над её проекцией A на геометрическую модель местности – может быть получена по формуле То есть, величина вектора превышения h может быть определена как где XA,YA,ZA – координаты точки A в заданной системе координат.

BX,BY,BZ – составляющие базиса (соответствуют координатам точки S2 в системе S1XYZ).

В формуле (16) неизвестной величиной является аппликата ZA. Для её получения, и определения искомой величины h строится модель местности по левому и правому снимкам, получаемым одновременно с разных точек пространства.

Элементы внутреннего ориентирования (фокусные расстояния f1, f2 и координаты главных точек левого и правого снимков xo1, yo1, xo2, yo2), входящие в определяемые величины, определяются посредством калибровки в лабораторных условиях (также могут быть определены и заранее учтены элементы дисторсии объективов фотокамер). Углы наклона базиса и приблизительно соответствуют крену и курсу платформы, а угол продольного наклона платформы – тангажу.

В идеальной ситуации, при установке камер параллельно плоскости платформы, угловые элементы внешнего ориентирования снимков были бы равны элементам внешнего ориентирования всей платформы.

На практике обеспечить данное условие не представляется возможным в силу сложности установки камер в горизонтальное положение, с помощью специальных креплений, позволяющих точно задавать углы наклона и поворота фотокамер, а также наличия деформаций платформы в полёте.

Поэтому определить ZA непосредственно по углам, получаемым ИНС, ориентирования левого и правого снимков (1, 1, 1 и 2, 2, 2), предварительно выполнив взаимное ориентирование снимков.

Пусть, для удобства вычислений, взаимное ориентирование выполняется в базисной системе координат (БСК) Определение элементов взаимного ориентирования снимков в выполняется на основе условия компланарности векторов S1 A, S 2 A и S1 S 2 [49, 52, 111] где: b'1,..,c'3 – направляющие косинусы, аргументами в которых являются элементы взаимного ориентирования левого снимка (1', 1');

b''1,..,c''3 – направляющие косинусы, аргументами в которых являются элементы взаимного ориентирования правого снимка (2', 2', 2');

f1, f2 – фокусные расстояния левой и правой камер;

xo1, yo1 и xo2, yo2 – координаты главной точки левого и правого снимков соответственно;

x1, y1 и x2, y2 – плоские координаты соответственных точек левого и правого снимков.

Уравнение (21) решается итерационным способом по методу наименьших квадратов (МНК). Для определения элементов взаимного ориентирования измеряют координаты соответственных точек на левом и правом снимках в шести стандартных зонах. Решение уравнений и критерии выбора точек подробнее описаны в [49, 52, 111, 121].

Угловые элементы внешнего ориентирования снимков могут быть получены по формулам где A1 и A2 – матрицы направляющих косинусов, аргументами которых являются элементы внешнего ориентирования снимков;

A'1 и A'2 – матрицы направляющих косинусов, вычисленных через элементы взаимного ориентирования снимков;

А0 – матрица направляющих косинусов, аргументами которой являются углы поворота БСК относительно плоскости платформы.

Матрица A0 может быть принята за единичную и не учитываться в устанавливаются таким образом, что их фокальные плоскости параллельны плоскости платформы. Также, значения её элементов можно получить с использованием инклинометра или геодезического уровня при монтировании системы, а также с помощью калибровки по известным точкам в поле.

Далее, используя полученные угловые элементы внешнего ориентирования снимков, вычисляют координаты x1, y1, x2, y2 точки A по формулам:

Для координат точек на левом и правом снимках формулы примут вид:

где a1(1),…, с3(1) – направляющие косинусы, выраженные через угловые элементы внешнего ориентирования левого снимка (1, 1, 1);

a1( 2),…, с32 ) – направляющие косинусы, выраженные через угловые элементы внешнего ориентирования левого снимка (2, 2, 2);

Самый простой алгоритм определения по данным формулам координаты ZA включает в себя следующие операции:

– задается диапазон возможных значений величин ZA (в зависимости от рельефа местности и условий съёмки) может использоваться приближенное значение h0, получаемое по измерениям радиовысотомера вертолета (см. 1.5.4.1) Z0A при этом, может быть выражено из формулы (16), а диапазон задаваться в пределах (Z0A –15 м; Z0A +15 м);

– по приближённому значению Z0A с учетом XA и YA (равных соответственно XS0 и YS0) и угловых элементов внешнего ориентирования снимков, вычисленных по формулам (20), вычисляются координаты точки A на левом снимке (x1, y1) по формулам (22);

– для минимального и максимального значений диапазона перебора ZA по формулам (23) вычисляют соответствующие координаты точки A на правом снимке (x2, y2)min и (x2, y2)max и соответствующие им значения продольного и поперечного параллаксов (pmin, qmin) и (pmax, qmax) ;

– выполняется поиск максимума корреляционной функции, например методом взаимной корреляции по формуле [44, 46, 66]:

где M и N – соответственно ширина и высота образца или пределы участков изображений P1 и P2 (образы определяемой точки) левого и правого снимка (могут быть предварительно отцентрированы по средним значениям яркостей в поперечного параллаксов.

– точка с максимумом корреляционной функции будет считаться истинным значением ZA, в случае если X,Y полученной точки не соответствуют XA,YA не более чем на 1 м (можно задать более жёсткие требования), выполняется повторное вычисление x1 y1.

Альтернативой может являться оптимизированный алгоритм, в котором выполняется перебор непосредственно значений ZA (например с шагом Z = 0,2 м), по которым вычисляются x1, y1, p, q по формулам (22) и (23), и точечно вычисляется коэффициент корреляции по формуле (24) и выбирается точка с ZiA, соответствующая его максимальному значению. Описанный алгоритм может быть схематично представлен в виде рисунка 12.

При невозможности определения данной точки на левом и правом снимке, например, данными алгоритмами или при отображении точки только на одном из снимков, могут использоваться точки, находящиеся в окрестности A.

В результате будет получена последняя неизвестная ZA, необходимая для получения истинной высоты h по формуле (16).

Рисунок 12 – Получение ZA выполнением автоматического перебора В формуле (24) значение корреляционной функции зависит непосредственно от h (в зависимости от которой вычисляются x1 y1 и x2 y2). Альтернативным способом получения ZA может являться автоматическое построение ЦМР на территории между точками надирами n1 и n2 на левом и правом снимках с последующим определением по ней искомой величины. В этом случае может взаимной корреляции, описанной в [44, 46, 120]) с перебором величин продольного и поперечного параллаксов (p и q) [1, 21, 43, 65, 90, 93].

В этом случае с определённым шагом (например, каждые 10 пикселей изображения) берутся точки ai1 на левом снимке и ведется поиск соответственной точки ai2 на правой. Тогда ZA может быть определена по полученной геометрической модели местности.

Таким образом, обработка снимков осуществляется по известным из фотограмметрии зависимостям и включает:

– ввод в блок обработки данных из блока управления и снимков с фотокамер.

– вычисление составляющих ВX, ВY, ВZ базиса В по углам крена (пл), тангажа (пл) и курса (пл) платформы во вспомогательной системе координат S1XYZ, задаваемой инерциальной навигационной системой;

– вычисление координат XА, YА центра S0 подвижной платформы в системе координат S1XYZ;

– по известным фокусным расстояниям f1 и f2, фотокамер и координатам главных точек о1 и о2 снимков (xo1, yo1, xo2, yo2) и плоским координатам соответственных точек снимков (x1, y1, x2, y2) в шести стандартных зонах (измеряемых автоматизировано, например, с использование алгоритмов площадной корреляции, реализованных в современных ЦФС) определяют элементы взаимного ориентирования (1', 1', 2', 2', 2') снимков в базисной фотограмметрической системе координат S1X'Y'Z';

– с использованием данных инерциальной системы (пл, пл, пл) осуществляют переход к вспомогательной системе S1XYZ (вычисление элементов внешнего ориентирования снимков);

– после чего на левом и правом снимках по координатам XА, YА и приближенному значению высоты (ZА) полёта в системе координат S1XYZ, вычисляют плоские координаты точки A на обоих снимках (x1, y1)A и (x2, y2)A для различных значений ZA и выполняют автоматизированный подбор значения аппликаты ZA посредством коррелятора.

– по полученным величинам ZA и BZ вычисляется истинная высота h.

При наличии препятствий, например в залесенной местности, точка А может быть смещена, что, в отличие от определения высоты лазерным высотомером, позволяет получить необходимую величину более надежно.

Таким образом, полный получения истинной высоты h и измерения, необходимые для выполнения вычислений, могут быть представлены в виде блоксхемы, рисунок 13.

В конечной величине h, полученной в соответствии с приведённым выше алгоритмом, могут иметься погрешности, обусловленные различными факторами, которые могут быть устранены посредством введения поправок на разных этапах обработки. Прежде, чем определить данные факторы (см. 3.1.3), необходимо детализировать состав устройства, реализующего данный способ.

синхронно в процессе Получение величин, необходимых для ввода поправок (пункт 3.1.3) Рисунок 13 – Алгоритм получения превышения платформы над земной 2.1.2 Устройство, реализующее способ получения превышений подвижного объекта над земной поверхностью Состав разрабатываемого устройства включает в себя:

откалиброванные в лабораторных условиях);

– блок ИНС (трёхосевой MEMS-гироскоп и трёхосевой акселерометр, компенсирующий его дрейф);

– блок управления – микрокомпьютер или портативный компьютер, ведущий запись информации с блока ИНС, посылающий камерам команду съёмки и выполняющим ее посредством исполнительных механизмов;

фотограмметрическая станция (ЦФС) со специальным программным обеспечением для выполнения камеральной обработки данных съёмки.

Кроме того, для синхронизации системы по времени с измерениями приёмной антенны платформы рекомендуется использовать временные метки (PPS) приёмника ГНСС, применяемого для пространственно-временной привязки платформы и для коррекции измерений ИНС.

дополнительного блока (блок ГНСС), однако также могут использоваться данные, получаемые от внешнего спутникового приемника, не входящего в состав устройства, например, от входящего в состав ЭМ-платформы.

Состав и функционирование системы показаны на рисунке 14.

Рисунок 14 – Состав и схема функционирования разрабатываемого устройства Приём и запись съёмочных данных осуществляется в память блока управления и в память фотокамер. Данные с блока ИНС поступают на устройство блока управления через универсальный порт (например, COM или USB) и записываются в файл через специальную программу.

Также осуществляется синхронизация системного времени устройства блока управления со временем ГНСС-аппаратуры. Возможен приём времени от ГНССаппаратуры в формате PPS через USB или COM-порт. Блок управления также фиксирует и сохраняет метку времени фотографирования (в момент отправления сигнала к командным устройствам). Синхронизацию можно проводить единожды, с расчетом на то, что стабильность частоты часов устройства блока управления соответствует, например, кварцевым часам (106).