«Е.М. Медведев, И.М. Данилин, С.Р. Мельников ЛАЗЕРНАЯ ЛОКАЦИЯ ЗЕМЛИ И ЛЕСА Учебное пособие Издание второе, переработанное и дополненное Рекомендовано Министерством образования и науки Российской Федерации для ...»

1) значительно разгружается электронный блок локатора, точнее, та его часть, которая отвечает за формирование единого кадра системы;

2) возможности бортового информационно-измерительного комплекса могут быть существенно расширены за счет комплексирования ЛЛ с другими (внешними по отношению к локатору) источниками данных. При этом нет необходимости аппаратно включать новый поток данных в кадр локатора. Достаточно синхронизировать его с абсолютным GPS временем. Примером подобного подхода является совместное использование ЛЛ и цифровых аэрофотоаппаратов. Другим возможным практически значимым примером может явиться комплексирование с тепловизионной или спектрозональной аэросъемочной аппаратурой.

Перейдем к рассмотрению сканирующего блока. Сканирующий блок использует концепцию приемопередатчика, характерную для многих оптико-электронных активных систем, используемых в авиационном дистанционном зондировании. В структуре сканирующего блока можно выделить следующие компоненты:

1) излучатель;

2) приемник;

3) оптическая система;

4) дискретизатор и аналого-цифровой преобразователь (АЦП), совместно выполняющие функции модуля измерения дальности.

В качестве излучателя используется твердотельный лазер типа YLF, работающий в импульсном режиме. Рассматриваемая модель лазера использовалась в первых моделях лидаров типа ALTM. В таблице 8 приведены основные технические параметры лазера типа Q-switched, серия 7960.

На рисунке 18 показана типовая диаграмма полной энергии импульса в зависимости от частоты генерации.

Рабочая длина волны лазерного излучения составляет 1047 нм, что соответствует ближнему инфракрасному диапазону. В результате этого:

1) лазерный локатор оказывается чрезвычайно чувствительным к метеорологическому состоянию атмосферы и наличию механических примесей, которые значительно ослабляют сигнал, а в некоторых случаях делают съемку невозможной. Однако еще раз заметим, что зависимость лидаров типа ALTM от состояния атмосферы существенно меньше, чем у приборов, использующих лазеры, работающих на длине волны около 1.5 мкм;

2) лазерное излучение на этой длине волны является наиболее опасным Таблица 8. Основные технические параметры лазера Стабильность выходных параметров Стабильность энергии импульса Стабильность пиковой мощности импульса тоты генерации.

полной энергии к длительности) косвенно определяют такой ва-жный параметр как максимально возможная высота съемки. Для модели ALTM-3100 паспортное значение составляет 3500 м, однако на практике в условиях ясной атмосферы возможна съемка и с больших высот с потерей не более 10% импульсов.

Эффективный диаметр луча увеличивается после выхода из лазера с помощью коллиматора до нескольких миллиметров, что позволяет снизить его расходимость до примерно 0.3 мрад. Окончательное значение расходимости d играет важную роль, так как определяет размер пятна по формуле dH, где H – рабочая высота полета. Понятно, что это значение лимитирует точность и разрешающую способность ЛЛ метода съемки. Из рисунка 18 видно, что, начиная с некоторого значения, увеличение частоты генерации импульсов приводит к быстрому падению полной энергии импульса и увеличению его ширины. Ясно, что это имеет следствием падение соотношения сигнал-шум и негативно сказывается на вероятности регистрации отраженного импульса. Это обстоятельство учитывается при выборе рабочего значения частоты генерации.

Что касается типовой формы лазерного импульса, то здесь следует отметить следующее:

1) с точки зрения точности определения наклонной дальности, как показано ниже, решающее значение имеет крутизна переднего фронта импульса и его стабильность. Это, безусловно, верно при регистрации первого отраженного импульса;

2) длительность импульса сказывается на разрешающей способности по дальности. Так, при нормативной ширине импульса в 15 нс длина «мертвой зоны» составляет 1510-9 с 3108 м/с = 0.45 м. Все отражения на интервале этой длине, следующим за первым отражением, будут потеряны.

не времени. Понятно, что переход от одной шкалы к другой осуществляется по формуле D = ct, где c – скорость света в вакууме. Для режима работы TIM блока, изображенного на рисунке 19, блок TIM ожидает прихода отраженных импульсов до момента времени, соответствующего 5000 м, т.е. максимально возможная замеренная наклонная дальность составляет 2500 м. Механизм регистрации задержки времени распространения несколько отличается для первого (FIRST) и последнего (LAST) импульсов. Время задержки (а значит и дальность) импульса FIRST определяется по накопленному значению счетчика TIM FIRST канала с момента запуска до момента прихода первого отраженного импульса, т.е. в этом случае дальность до объекта, вызвавшего отражение, определяется по формуле: D = DFIRST.

Одновременно каждый новый входящий импульс вызывает запуск счетчика канала LAST, который накапливает значение дальности до момента окончания работы счетчика канала FIRST. В результате фактическая дальность до объекта, вызвавшего отражение, в этом случае будет определяться по формуле D = 2500-DLAST.

Излученный импульс, не вызвавший ответного сигнала в течение интервала, соответствующего дальности 2500 м, считается потерянным. Общее количество потерянных импульсов регистрируется локатором. Информация об этом доступна оператору и при наземной обработке для определения статистики.

Первые модели лидаров, выпускаемые компанией Optech, позволяли регистрировать только FIRST или только LAST импульсы. В последующем появились приборы, способные регистрировать и FIRST и LAST импульсы одновременно. В настоящее время лидары типа ALTM 3100 фирмы Optech и приборы других производителей позволяют регистрировать до 5 отраженных импульсов, что имеет большое значение в таких приложениях, как съемка лесных массивов.

Отметим также, что отраженный сигнал после приема и усиления подвергается дискретизации. Дискретизация является аналоговой процедурой, в результате которой входной импульс преобразуется к стандартному виду прямоугольных импульсов фиксированной длины. Это значительно повышает точность фиксации временного интервала.

Однако в ЛЛ серии ALTM длина импульса на выходе дискретизатора составляет 80 нс, в результате чего канал приемника оказывается блокированным для приема импульсов от объектов, отстоящих от первого зарегистрированного импульса на расстояние 8010-9с 3108 м/с = 2.4 м.

два вспомогательных зеркала попадает на сканирующее зеркало З. Сканирующее зеркало З совершает колебательные движения. Сканирующее зеркало обеспечивает зигзагообразную развертку в направлении, потока на собирающую линзу О, выполняющую функции объектива. Перед тем как попасть на приемник П, узком диапазоне длин волн, с центром в рабочей длиРис. 20. Принципиальная схема оптической системы лидара типа ALTM.

Мгновенное поле зрения (МПЗ) приемника юстировано с направлением распространения луча. При выборе ширины мгновенного поля зрения принимаются во внимание следующие факторы:

1. МПЗ приемника не может быть слишком широким по следующим причинам. Во-первых, расширение МПЗ приводит к падению соотношения сигналшум за счет того, что приемник облучается фоновым излучением, мощность которого, естественно, пропорциональна угловой ширине МПЗ. Второе ограничение носит принципиальный характер. Широкое МПЗ позволяет достоверно фиксировать только первый отраженный импульс, т.к. по определению оптическая длина (и следовательно время распространения) до точки первого отражения всегда минимальна. Поэтому первый отраженный импульс всегда соответствует точке, лежащей на линии распространения зондирующего луча. Однако первое и все последующие отражения луча вызывают диффузное переотражение во всех направлениях, в результате чего возникает масса новых переотражений, часть энергии которых может быть переотражена в сторону приемника. В этом случае точка, вызвавшая отражение, не может быть зафиксирована в координатном пространстве, т.к. при широком МПЗ приемника принципиально отсутствует возможность определить направление падающего излучения. Таким образом, можно сделать вывод, что для всех импульсов, кроме первого, результирующую точность определения координат в большей степени лимитирует ширина МПЗ приемника, чем эффективная ширина зондирующего луча.

2. Вместе с тем ширина мгновенного поля зрения не может быть уменьшена до величины эффективной ширины зондирующего луча. Во-первых, это труднее реализовать с чисто технической точки зрения, так как необходима очень точная юстировка излучателя и приемника. Имеется также и другое более серьезное ограничение. Для надежной регистрации отраженного сигнала необходимо, чтобы отраженное излучение осталось в пределах мгновенного поля зрения приемника, несмотря на его смещение, вызванное непрерывным вращением сканирующего зеркала. Это смещение может быть значительно по сравнению с эффективной шириной зондирующего луча. Обратимся к примеру.

Пусть выполняется съемка с высоты H = 1000 м, с частотой сканирования F = 100 Гц и амплитудой сканирования ± 20°. Тогда угловая скорость вращения зеркала составляет = 80°100 Гц=8103 град./с, а время распространения луча до объекта и обратно составит = 2000 м/3108 м/c. За это время МПЗ изменит свое положение в пространстве на величину = 0,94 мрад, что почти в четыре раза больше значения эффективной ширины луча. Из этого простого рассуждения видно, что при данном методе сканирования значение МПЗ приемника должно выбираться с запасом, исходя из предполагаемых условий эксплуатации. Этот запас должен быть тем больше, чем выше максимально допустимая высота съемки, амплитуда и частота сканирования.

Выходными значениями сканирующего блока являются для каждого первичного дальномерного измерения замеренные значения наклонной дальности Di и фазы сканирования i. Последнее значение численно равно углу наклона сканирующего зеркала в СК сканерного блока. В предыдущем разделе показано, как по этим значениям и по навигационным данным перейти к координатам точек отражения.

2.4. Методы выполнения развертки Основные схемы выполнения развертки, используемые в современных лазерных локаторах, изображены на рисунке 21. Как уже неоднократно было отмечено выше, пока используются только Рис. 21. Основные схемы организации Рассмотрим достоинства и недостатки указанных методов организации развертки. Для этого выделим несколько критериев, по которым будем оценивать эти достоинства и недостатки. А именно:

1) простота технической реализации;

2) возможность настройки (программирования) режимов сканирования;

3) обеспечение максимальной равномерности распределения лазерных точек по поверхности сцены;

Что касается простоты технической реализации, то все рассматриваемые схемы сканирования не представляют никаких проблем по этой позиции. Везде используется единственный движущийся оптический элемент, который в первом случае совершает колебания, а во втором и третьем вращается с постоянной угловой скоростью. Это обстоятельство облегчает юстировку и в значительной степени способствует стабильности и надежности работы оптической системы.

Наибольшие возможности по части гибкости и возможности программирования режимов сканирования обеспечивает схема с качающимся зеркалом. При использовании такой схемы имеется возможность регулировать все три главных параметра, характеризующих воздушную лазерно-локационную съемку – ширина полосы захвата S (регулируется значением амплитуды колебаний), частота сканирования f, т.е. количество линий сканирования в секунду (регулируется значением частоты колебаний). Третий важнейший параметр лазерно-локационной съемки – плотность сканирования d, т.е. количество лазерных точек на единицу поверхности однозначно определяется по значениям S и f. Схемы развертки с использованием призмы и оптического клина без применения дополнительных элементов регулируют ширину полосы захвата, что на практике оказывается существенным недостатком.

Дополнительным преимуществом схемы развертки с использованием качающегося зеркала является возможность динамического управления параметрами развертки в процессе выполнения аэросъемочных работ. Благодаря этой возможности удается, например в лидарах типа ALTM, реализовать режим компенсации бокового крена, которой гарантирует покрытие заданной полосы съемки, что в значительной степени облегчает пилотирование.

Следует также отметить, что в случае использования качающегося зеркала за счет изменения закона колебаний можно получить различные траектории сканирования, как, например синусоидальную, или пилообразную, такую, как изображена на рисунке 21.

Наибольшая равномерность распределения лазерных точек по поверхности сцены обеспечивается при использовании призмы в качестве сканирующего элемента. В этом случае рисунок сканирования состоит из набора прямых линий, параллельных друг другу. Легко показать, что при заданной скорости движения носителя V, высоте съемки H, и ширине полосы захвата S можно подобрать такое значение частоты сканирования f, что будет обеспечено равенство продольного и поперечного расстояния между соседними лазерными точками.

Развертка с использованием оптического клина также не отличается особой гибкостью. Кроме того, при использовании этого метода наблюдается наибольшая неравномерность распределения лазерных точек, причем минимальная плотность приходится как раз на середину полосы захвата, т.е. на ту область, которая и представляет наибольший интерес. Однако сканирование с использованием оптического клина имеет одно важное преимущество. При реализации этого метода каждый участок полосы съемки сканируется дважды – при подлете и при отлете от этого участка. Такая особенность, во-первых, позволяет получать отклики от вертикально расположенных объектов, таких, как стены здания, стволы деревьев или опоры ЛЭП, а, во-вторых, создает исключительно благоприятные условия для самокалибровки лидара.

Возможность получения откликов от вертикально расположенных объектов имеется и при реализации других схем сканирования. Так, в лидарах типа ALTM, использующих метод качающегося зеркала, предусмотрена возможность установки сканерного блока в наклонное положение до 30° от надира. Такое положение используется наиболее часто при съемке ЛЭП.

Также следует упомянуть о волоконно-оптическом методе развертки, предлагаемым компанией TopoSys.

3. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЛАЗЕРНОЙ ЛОКАЦИИ

3.1. Зондирующие свойства лазерного излучения Зондирующее свойство лазерного излучения основано на том, что объекты, расположенные на пути распространения лазерного луча, вызывают его отражение от своей поверхности. В результате от такого объекта начинает распространяться вторичная волна, часть энергии которой возвращается в точку излучения и фиксируется приемником. При этом время, затраченное на распространение от источника к объекту и обратно к приемнику, позволяет однозначно судить о дальности от локатора до объекта. Изложенный принцип измерения дальности до объектов является основой лазерной дальнометрии (Шануров, 1991).

Главной характерной чертой лазерного излучения, определяющего возможность его использования для целей локации, является узкая диаграмма направленности, которая обеспечивается использованием в качестве излучателя лазера.

Применительно к задачам использования лидаров в качестве средств авиационного дистанционного зондирования для топографо-геодезических и инженерно-изыскательских задач зондирующие свойства лазерного излучения должны быть конкретизированы по следующим направлениям:

1) необходимо принять во внимание специфику отражения лазерного излучения от всех основных классов объектов, составляющих типовую сцену наблюдения. Таковыми классами объектов являются поверхность Земли, растительность, антропогенные образования (здания и сооружения), провода и опоры ЛЭП и др. Зондирующие свойства лазерного излучения должны быть детализированы для каждого класса объектов, принимая во внимание различия их оптических свойств, геометрии, текстуры поверхности и других факторов;

2) область исследования может быть значительно сужена и его конкретность повышена за счет четкого определения условий эксплуатации лидаров, характерных для современного уровня развития подобных средств.

Так, достаточно рассматривать излучение импульсных лазеров на примесных кристаллах, механические системы развертки, дальности до 3500 м.

Рассмотрим определения основных физических категорий, использованных в настоящей работе для описания оптических явлений, связанных с распространением лазерного излучения. Все категории разбиты на две группы. К первой группе отнесены общепринятые фотометрические термины (табл. 9).

Таблица 9. Общепринятые фотометрические величины и единицы Их трактовка и обозначения даны в соответствии с (Бруевич, 1990). Во второй группе представлены специальные термины, введенные с учетом специфики настоящей работы с учетом того, что применительно к задачам работы излучение лазера может рассматриваться как монохроматическое, все использованные энергетические величины и их производные рассматриваются как функции пространственных координат, направления и времени, но не длины волны (табл. 10).

Таблица 10. Специальные фотометрические величины и единицы их измерения Эффективная расходимость лазерного луча на выходе опти- рад Спектральный коэффициент поглощения атмосферы m Двунаправленный коэффициент отражения Эффективный диаметр лазерного луча на расстоянии H от излучателя может быть оценен формулой:

Практически в современных лазерных локаторах величина a составляет не более нескольких миллиметров, в то время как реальные дальности H составляют не менее 100 м (рис. 22). С учетом этого обстоятельства можно полагать:

RH = 0.5H.

к величинам DH, RH, означает, что они определяются на таком расстоянии от оси лазерного луча, на котором интенсивность излучения убывает до величины 1/e = 0.368 от поверхностной плотности потока в поперечном сечении лазерного луча. Обозначим чеРис. 22. Изменение эффективного диаметра лазерного луча в зависимости от дальности. мощности излучателя на выходном зрачке.

Это значение будем отождествлять с потоком Ф(t), переносимым лазерным лучом сквозь свое поперечное сечение. Для оценки распределения энергии излучения в пространстве будем пользоваться понятием поверхностной плотности потока излучения:

Сделаем несколько предварительных замечаний относительно величины 1) значение E очевидно является функцией времени t. Более конкретно, значение E в каждой точке пространства в определенный момент времени t прямо пропорционально мгновенной мощности излучения W(t). В дальнейшем будем обозначать E и все связанные с ней величины без ссылки на время.

полагать, что излучение распространяется строго параллельно оси лазерного луча.

Обратимся к рисунку 23. Введением двумерной системы координат Oxy, лежащей в плоскости поперечного сечения луча, задача определения поверхностной плотности потока в произвольной точке пространства сводится к установлению функциональной зависимости вида – Рис. 23. Система кодлины волны лазерного локатора ALTM = 1048 нм = ординат для описам–1.

ния распределения плотности потока в При достаточно больших значениях H распределепоперечном сечении ние E в произвольной плоскости поперечного сечения лузондирующего луча.

Данное выражение удовлетворяет двум главным условиям:

Первое условие выражает тот факт, что общее количество энергии, сосредоточенное на площади поперечного сечения, равно полному потоку ФH, падающего на это сечение.

Второе условие определяет значение RH как эффективный радиус сечения луча, т.к. на границе зоны, определяемой этим значением, величина плотности потока падает в e раз по отношению к максимуму.

Величины RH и связаны соотношением RH = 0.5H. С учетом этого факта и вышеизложенных соображений может быть найдена искомая функциональная зависимость, определяющая значение E для произвольной точки пространства:

3.2. Отражение лазерного луча от наземных объектов Здесь и в дальнейшем исследуется отражение лазерного луча от объектов цилиндрической формы с относительно малым сечением. Примерами таких объектов могут выступать ветви деревьев, провода или тросы ЛЭП и др.

При описании процесса отражения лазерного луча от проводов первостепенное значение имеет корректное использование понятия «коэффициента отражения». Величина в общем случае является двунаправленной, она зависит как от угла падения, так и от направления отраженного излучения. Кроме того, определенную трудность создает тот факт, что падающее излучение мы условились характеризовать величиной E, являющейся производной от величины потока по площади, в то время как подобная величина неприменима для характеристики отраженного излучения. Поэтому начнем с формального введения понятия коэффициента отражения применительно к задачам настоящего исследования.

Введем следующие обозначения:

Фпад – величина потока, падающего под некоторым углом на площадку малой площади dS.

Фотр – величина потока, отраженного от площадки во всю полусферу.

Исходя из введенных определений, полусферическим коэффициентом отражения, может быть названа величина:

К введенному таким образом коэффициенту применимо соотношение – + = 1, где коэффициент поглощения. Величины и являются безразмерными.

Перейдем к определению направленного коэффициента отражения m.

Сразу оговорим, что в дальнейшем будет проведен количественный анализ только отражения диффузного типа по причинам, которые будут рассмотрены ниже. Диффузное отражение, в частности, характеризуется тем, что индикатриса отраженного излучения не зависит от угла падения, а зависит только от величины потока. Это обстоятельство позволяет уже сейчас рассматривать m как Обратимся к рисунку 24. Будем облучать бесконечно малую площадку dS потоком со значением поверхностной плотности потока E перпендикулярно к поверхности площадки. Рассмотрим Фотр – доля отраженного потока, заключенного в телесном угле, имеющего осью вектор заданного направления m. Теперь определим двунаправленный коэффициент отраРис. 24. К определению двунаправжения m как:

ленного коэффициента отражения.

Величина m имеет размерность ср–1.

Представим два важных соотношения с участием m, имеющих практическое значение:

Как будет показано ниже, это соотношение позволяет в определенных случаях оценить значения m по. Значения для многих материалов могут быть получены из справочников.

Интенсивность отраженного излучения – может быть найдена по формуле Rm = mE cos(пад), где пад – угол между направлением потока излучения и вектором нормали к поверхности в точке падения.

Выражение может быть уточнено, исходя из априорных знаний, по характеру диффузного отражения, а именно m не зависит от угла падения пад и зависит только от угла отражения отр, который также измеряется по отношению нормали к облучаемой поверхности. Кроме того, априорно известно, что m выражается формулой m = 0 cos(отр), где 0 – значение направленного коэффициента отражения в направлении перпендикуляра к поверхности.

Оценим значение 0 следующим образом. Введя сферическую систему координат, где угол отклонения от нормали, а угол места имеем – d = sin()d d.

Таким образом, Как будет показано в дальнейшем, во всех случаях нас будет интересовать отражение в сторону падения излучения, т.е. пад = отр =.

Это позволяет прямо сейчас сделать одно полезное упрощение. Будем обозначать через R направленный коэффициент отражения в сторону падения излучения. Тогда, Окончательно имеем Перейдем к выводу формулы, определяющей интенсивность потока, отраженного от объекта цилиндрической формы (например, провода или ветви дерева) и попадающего на входной зрачок приемника излучения. Обозначим через rпр радиус поперечного сечения такого объекта. Введем специальную систему координат, которая будет использоваться при вычислении, как показано на рисунке 25.

Положение элементарного участка поверхности провода dS будем характеризовать его линейной координатой l вдоль оси Z. Строго говоря, это не так, так как сканироРис. 25. Специальная система координат для описания отражения зон- вание осуществляется с углами до ±25° от дирующего луча от провода (ветви 2) величина rпр может считаться малой по сравнению с эффективным радиусом луча RH при H от 100 м и более. Поэтому величина E может считаться константой по ширине провода.

С учетом вышеизложенного вычислим величину потока в единице телесного угла, отраженного от цилиндрического элемента объекта длиной dl:

После взятия интеграла будем иметь:

Продолжим вывод формулы, определяющий поток, отраженный от объекта цилиндрической формы. Рассмотрим объект, удаленный от оси луча на расстояние d, а начало оси l расположим в точке 0, соответствующей кратчайшему расстоянию до оси провода (ветви дерева) (рис. 26).

W H RH RH

формулу для Rm, полученную ранее. Перед началом вывода формулы сделаем следующие замечания:

1) при реальных высотах полета угловой размер входного зрачка приемника мал, и поэтому отраженный поток, регистрируемый приемником, может быть выражен как где пр = H – телесный угол, соответствующий входному зрачку приемника, Sпр – площадь входного зрачка приемника;

2) допустим следующие упрощения, которые позволят получить аналитическое выражение для искомой величины:

– будем рассматривать только строго вертикальную составляющую отраженного излучения. Точнее было бы учитывать направление от каждой точки отражения на приемник. Однако, вариации этого направления малы, учитывая размер пятна и расстояние до приемника;

– границы интегрирования распространим на всю длину провода. Ошибка в этом случае будет определяться величиной потока, отраженного за пределами мгновенного поля зрения приемника. Эта величина мала.

Перейдем непосредственно к выводу формулы:

Интеграл в правой части этого выражения может быть вычислен аналитически:

Подставляя найденное значение в формулу для Фотр, а также принимая во внимание тот факт, что излучение претерпевает ослабление на пути от источника к проводу и обратно к приемнику, имеем окончательно:

Где, Фпр0 – поток на входном зрачке приемника при перпендикулярном облучении.

Полученная формула выражает величину потока при вертикальном облучении и полностью диффузном характере отражения. Рассмотрим другие практически важные случаи.

Прежде всего рассмотрим сканирование с наклонным положением сканерного блока. Угол наклона плоскости сканирования по отношению к вертикали будем обозначать через. При вычислении значения потока, вернувшегося на входной зрачок Фпр, будем пользоваться тем же приемом, что и в случае вертикального положения сканерного блока. Использованные формулы необходимо скорректировать следующим образом:

а) при вычислении отклика от элементарного участка провода (ветви) dl учтем наличие угла следующим образом (рис. 27).

Рис. 27. К определению доли потока, отраженного от линейного участка объекта dl.

формулой имеем:

После вычисления интеграла получим:

Рис. 28. Положение объекта в поперечном сечеПятно импульса в плоскости нии зондирующего луча при наклонном сканиропровода (ветви) для этого случая вании.

луосями, равными RH и cos( ). Это позволяет записать выражение для E(l) при наличии наклона сканера в виде:

В соответствии с общей формулой имеем:

С учетом того, что Таким образом, получена главная формула, определяющая значение потока при наклонном положении сканерного блока:

Очевидно также, что значение потока, приведенного ко входному зрачку приемника, будет выражаться аналогично:

3.3. Математическое моделирование лазерно-локационного измерения Оптимизация режимов эксплуатации лазерного сканера проводится в рамках математической модели с той или иной степенью адекватности, описывающей главные процессы, составляющие лазерно-локационное измерение, а именно:

– излучение лазерного импульса описывается параметром мгновенной мощности W(t), имеющего максимум W0, а также значением расходимости ;

– распространение излучения в атмосфере описывается законом Бугера с параметром ;

– характер отражения от объекта считается диффузным, и для этого случая получено аналитическое выражение, описывающее значение отраженного потока;

– процесс регистрации потока приемником описывается с помощью единственного значения Фпр, определяющего пороговое значение величины потока.

Предполагается, что если мощность отраженного импульса хотя бы для некоторого значения t превышает Фпр, то такой импульс будет зарегистрирован.

Важнейшим практическим следствием из 4-го положения является тот факт, что можно оценивать значение потока только для максимальной мощности выходного импульса W0, так как если Wo превышает Фпр, то регистрация гарантирована и наоборот.

С учетом введенной категории математической модели процесса регистрации перепишем основное уравнение потока на входном зрачке приемника в виде:

Понятно, что импульс будет зарегистрирован в том и только в том случае, когда F > 0.

В представленном выражении можно выделить несколько смысловых групп параметров:

1) приемо-передатчик Фпр, W0, Sпр,. В рассматриваемом приближении все три величины являются константами. Их значения могут быть определены непосредственно экспериментально либо их можно получить от производителя лидара;

2) параметры среды –. Эта величина сильно зависит от состояния атмосферы;

3) параметры обследуемого объекта цилиндрической формы, rпр.

4) условия съемки H,, d.

Отнесение параметра d к условиям съемки нуждается в комментарии. Если значения всех прочих параметров фиксированы, то функционал F будет больше нуля только при d < d’ (d’ может быть равен нулю, что будет означать невозможность регистрации). Это обстоятельство может быть интерпретировано следующим образом. Зарегистрированными окажутся все импульсы, попавшие в полосу по обе стороны объекта шириной 2d’. Специфика проведения лазерно-локационной съемки такова, что при движении носителя вдоль объекта съемки генерируется некоторая совокупность точек с расстояниями до провода (ветви) {di}, то есть дискретная случайная совокупность значений, которая может быть описана законом распределения, а само di может рассматриваться как непрерывная случайная величина. Знание закона распределения {di} однозначно определит количество (вероятность появления) точек с di < d’, и, таким образом, позволит однозначно судить о количестве зарегистрированных импульсов.

Параметр d потому отнесен к группе «условия съемки», что именно условия съемки определяют распределение {di}, а именно:

V – скорость движения носителя, м/с;

fскан – частота сканирования, Гц;

fим – частота зондирующих импульсов, Гц;

H – высота полета;

– угол (амплитуда) сканирования,°.

Далее необходимо ввести набор критериев, определяющих эффективность работы лазерного локатора. Введем численный параметр, позволяющий количественно характеризовать эффективность.

Исходя из самых общих представлений, эффективность съемки в части обнаружения провода может быть оценена по количеству лазерных импульсов, мощность отклика которых превышает Фпр. С этой целью может быть введен следующий параметр – обнаружительная способность:

где W – линейная плотность откликов от объекта, м–1;

T – поверхностная плотность всех излученных импульсов, м–2.

Необходимые пояснения по введенному параметру K:

1) параметр K наиболее точно описывает эффективность обнаружения, т.к. он инвариантен по отношению к скорости полета, ширине полосы захвата, поверхностной плотности импульсов T ;

2) физический смысл K состоит в следующем. При выполнении съемки с поверхностной плотностью T равной 1 точке на м2, коэффициент K численно равен количеству отражений от провода на 1 м его длины;

3) в прикладной лазерной локации коэффициент K занимает центральное место в методиках оценки качества съемки в части обнаружительной способности.

Для получения аналитических оценок для K необходимо получить выражение для W. Понятно, что эта оценка W будет являться статистической. Для этой цели необходимо, в первую очередь, получить закон распределения вероятности удаления центральной точки импульса от объекта.

Проведем две параллельные полосы 1 и 2 соответственно на расстояниях d1 и d2 от объекта (рис. 29).

Рис. 29. К выводу средней плотности отd.

кликов.

N – имеет размерность м–1. Коэффициент 2 появляется потому, что рассматриваются две полосы с обеих сторон объекта, расположенные на расстоянии d. Как было отмечено выше, зарегистрированными окажутся те и только те импульсы, которые при данных условиях съемки будут иметь di < d’. С учетом этого обстоятельства:

Применительно к физическим свойствам провода, rпр необходимо выбрать параметры съемки H,, d (параметр d определяется через V, fскан, fим, ) таким образом, чтобы добиться максимального значения K.

При реализации задачи оптимизации, имеет место следующее ограничение. Оптимизация должна вестись с учетом ограничения на поверхностную плотность потока излучения на поверхности земли, исходя из соображений безопасности по зрению.

Кроме того, имеется следующее замечание. В качестве варьируемых параметров при оптимизации используются «условия съемки» так как они находятся в распоряжении постановщика эксперимента. Однако этот список может быть дополнен параметром расходимости, изменения которого требует лишь незначительных аппаратных переделок.

3.4. Вопросы безопасного использования лидаров Излучение лидаров представляет угрозу для здоровья людей в смысле возможного поражения органов зрения и ожогов кожи. Причем на практике наибольшее внимание уделяется только угрозе зрению случайных наземных наблюдателей, так как ожоги кожи возможны только на очень близких расстояниях (первые метры), т.е. только в лабораторных условиях, где с прибором работает специально обученный персонал с соблюдением всех норм безопасности.

Вопросы безопасного использования лидаров оказывают существенное влияние на методику выполнения лазерно-локационной съемки. Как будет показано ниже, обеспечение безопасности на практике сводится к определению минимально допустимой высоты полета, которое для некоторых моделей лидаров может составлять несколько сот метров. Понятно, что это ограничение существенно, так как высота съемки является одним из главных параметров, пря-мо влияющих на детальность (плотность сканирования), точность и ширину полосы захвата.

Подходы к определению минимально допустимой высоты лазерно-локационной съемки различны в разных странах. Авторы руководствовались в основном американскими и российскими методическими разработками в этой области. В первом случае речь идет об обстоятельном «American National Standard for Safe Use of Laser», который в принципе сам по себе достаточен для того, чтобы определить параметры безопасного использования конкретного лидара при тех или иных условиях съемки. Российский стандарт «Санитарные нормы и правила устройства и эксплуатации лазеров» отличается меньшей конкретностью.

Методика расчета параметров безопасного применения лидаров достаточно сложна, поэтому рассмотрим только выводы:

1) Прежде всего все производимые в мире аэросъемочные лидары в части проблемы безопасности для зрения могут быть разделены на две большие категории – опасные и безопасные. Примеры представлены в таблице 11.

Как видно из таблицы, степень опасности для зрения определяется рабочей длиной волны излучения. Лидары с длиной волны порядка 1.0 мкм оказываются самыми опасными (наивысший IV класс опасности по американской классификации), а лидары с длиной волны около 1.5 мкм оказываются самыми беТаблица 11. Классификация аэросъемочных лидаров распространенных типов Модели аэросъемочных Optech ALTM 3100, IGI LiteMapper, зопасными (низший I класс опасности). Для примера укажем: в нормальных условиях съемки для ALTM 3100 минимально допустимая высота съемки составляет 550 м, а для LiteMapper – 0.5 м. Такое принципиальное различие объясняется тем, что стекловидное тело глаза в значительной степени прозрачно на длине волны 1.0 мкм и почти полностью непрозрачно на длине волны 1.5 мкм.

Поэтому лазерное излучение на длине волны 1.5 мкм не может достигнуть сетчатки и вызвать ожог, все это излучение будет поглощено стекловидным телом глаза. Напротив, лазерное излучение с длиной волны около 1.0 будет сфокусировано хрусталиком и без серьезного ослабления достигнет сетчатки, что при превышении порогового значения поверхностной плотности энергии может привести к ожогу сетчатки.

Однако сказанное не означает, что лидары с рабочей длиной волны 1. мкм предпочтительны из-за своей почти полной безопасности. Вспомним, что стекловидное тело глаза почти полностью состоит из воды. Именно благодаря этому обстоятельству оно оказывается почти полностью непрозрачным – вода интенсивно поглощает электромагнитное излучение на длине волны 1.5 мкм.

Но это обстоятельство имеет и одно крайне неблагоприятное последствие для практического применения аэросъемочных лидаров с рабочей длиной волны излучения 1.5 мкм – такие приборы крайне зависимы от содержания водяного пара в атмосфере. Иными словами, они «слепнут» даже при незначительном снижении метеорологической дальности видимости, в условиях даже самой легкой дымки. Кроме того, по понятным причинам лазерные импульсы на этой длине волны не дают отражений от водных (водоемов) и увлажненных (болота) поверхностей, а также от всех объектов, на поверхности которых по любым причинам образовался слой влаги (например, выпадение росы).

2. Оценка минимально допустимой высоты и других параметров выполнения лазерно-локационной съемки проводится на основе вычисления суммарной энергии лазерных импульсов, которые в результате попадания на сетчатку могут вызвать ее нагрев выше допустимого уровня. Иными словами, имеет значение не только энергия каждого конкретного лазерного импульса. Если по условиям съемки глаз наблюдателя могут поразить несколько импульсов подряд, то эту возможность также следует учитывать.

3. Опасность поражения сетчатки тем выше, чем выше энергия одиночного импульса и чем меньше расстояние до источника излучения. Причем интенсивность главного поражающего фактора поверхностной плотности энергии излучения обратно пропорциональна квадрату расстояния. Т.е. при снижении высоты съемки меньше допустимого порога опасность для зрения возрастает в квадратичной зависимости.

4. В лидарах типа ALTM 3100 либо ALS-50 в качества инструмента развертки используется сканирующее зеркало. В конце каждой строки сканирования движение зеркала замедляется, затем на очень короткое время останавливается и начинает движение в обратном направлении. Именно в такие моменты создаются условия, когда глаз наблюдателя может быть поражен более чем одним лазерным импульсом. Т.е. для приборов с таким типом развертки параметры сканирования (амплитуда, частота) также прямо влияют на безопасность использования.

5. Вероятность поражения сетчатки выше ночью, чем днем, так как в ночное время зрачок полностью расширен. Так как в оптической системе глаза зрачок выполняет функции действующей диафрагмы, то понятно, что в ночное время сетчатка подвергнется воздействию максимальной дозы излучения. По этой же причине поражающий фактор лазерного излучения практически неограниченно возрастает при использовании оптических приборов (биноклей, монокуляров).

6. В лидарах типа ALTM компании Optech используется специальный прием, призванный значительно снизить значение минимально допустимой высоты безопасной съемки. За счет минимального усложнения оптической схемы (фактически за счет использования одной дополнительной линзы) появляется возможность увеличить расходимость зондирующего лазерного луча с 0.2 до 0. мрад. Иными словами, лазерный луч «уширяется». Понятно, что такая опция приводит к пропорциональному снижению поверхностной плотности энергии луча, и следовательно к возможности выполнять безопасную съемку на меньших высотах. В ALTM 3100 введение такой опции позволяет снизить минимально допустимую высоту с 550 до 80 метров.

В заключение данного раздела отметим, что все методы оценки безопасных условий эксплуатации аэросъемочных лидаров, в частности значения минимально допустимой высоты, используют статистический подход. Т.е. строго говоря на 100% безопасность не гарантируется. Однако соблюдение установленных правил гарантирует, что статистическая вероятность наступления неблагоприятного исхода пренебрежимо мала.

4. НАВИГАЦИОННОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЛАЗЕРНОЙ ЛОКАЦИИ

Мы, все же, будем придерживаться, отечественной традиции, которая предписывает строго разделять вопросы навигации и геопозиционирования (Прим.: За рубежом этот вопрос решается более либерально. Там эти термины зачастую используются полностью взаимозаменяемо. Именно это обстоятельство привело к возникновению некоторой путаницы в современной русскоязычной литературе, как следствие механического заимствования терминологии).

Отечественная традиция трактует понятие «навигация» как «науку о способах выбора пути и методах вождения судов, летательных аппаратов и космических аппаратов». Что касается «геопозиционирования», то можно предложить следующее определение: «Геопозиционирование – процесс определения координат географических объектов по данным дистанционного зондирования». Представленное определение не может считаться исчерпывающим, так как не отражает всей полноты возможных значений употребления этого термина. Кроме того, опять же основываясь на отечественном опыте, можно указать, что «… определение пространственных координат наземных объектов по аэрофотоснимкам …» традиционно считается одной из важнейших задач фотограмметрии, а термин «геопозиционирование», являющийся калькой с английского geopositioning, стал использоваться сравнительно недавно.

Несмотря на некоторую путаницу в терминологии в рамках настоящего исследования мы будем строго различать эти две категории:

навигация отвечает на вопросы типа «Где я сейчас нахожусь?», «Как добраться из пункта A в пункт B», а процедура геопозиционирования для каждого бита геопространственных данных позволяет ответить на вопрос «Каковы его координаты?». В прикладной лазерной локации в равной степени актуальны как задачи навигации, так и геопозиционирования.

4.2. Системы прямого геопозиционирования В общем случае задача геопозиционирования данных воздушной лазернолокационной съемки может решаться различными способами, в том числе и с использованием традиционных фотограмметрических процедур (Лобанов, 1983). Однако, на практике эта задача сегодня решается почти исключительно с использованием интегральных навигационных GPS/IMU комплексов, входящих в состав современного лазерного локатора конструктивно. Такие комплексы получили название системы прямого геопозиционирования, во многом благодаря тому, что являются самодостаточными в смысле возможности полного решения задачи геопозиционирования без привлечения других источников данных. Наличие этого свойства отличает системы прямого геопозиционирования от традиционных систем и методов геопозиционирования данных, используемых в классической аэрофототопографии. Забегая вперед отметим, что в традиционных методах для полного решения задачи геопозиционирования, как правило, используются наземные геодезические работы по планово-высотному обоснованию (определение геодезических координат опознаков), а также сложные и затратные по времени процедуры камеральной обработки данных съемки, предполагающие в частности проведение процедур пространственной фотогриангуляции (Лобанов, 1983). Системы прямого геопозиционирования полностью свободны от необходимости проведения каких-либо дополнительных работ.

С учетом представленных общих соображений перейдем к обсуждению названия «Интегральные навигационные комплексы GPS/IMU» и попробуем разъяснить. Термин GPS, не нуждается в комментариях, а подробные разъяснения по этому вопросу представлены ниже. Аббревиатура IMU есть Inertial Measurement Unit, или в переводе Инерциальное Измерительное Устройство.

(Прим.: С середины 60-х годов прошлого века в отечественной технической литературе принят термин «Инерциальная система». Однако, по двум причинам, было бы не вполне корректно утверждать, что Инерциальная система в советском и нынешнем российском понимании это и есть IMU. Во-первых, кроме IMU широко употребляется термин INS, Inertial Navigational System. Последний значительно ближе к «инерциальным системам» как синтаксически, так и по существу. Во-вторых, наличие GPS, как это будет показано ниже, слишком существенно определяет принципы функционирования и характер получаемых данных систем, о которых идет речь. Поэтому сравнивать их с приборами «доGPSной»

эпохи неразумно). В процессе GPS и IMU как физические устройства работают полностью автономно и независимо друг от друга, каждый по-своему решая одну и ту же навигационную задачу. Однако, интегральное навигационное решение рождается в процессе совместной обработки данных этих двух источников. Смысл такого совмещения состоит в том, что в результате такого совмещения удается преодолеть существенные ограничения (о которых речь ниже) обоих источников, и добиться принципиально нового качества выходных данных, прежде всего по точности. В этом смысле GPS и IMU составляют комплекс. Наконец, последний термин из названия системы, который нуждается в разъяснении – «навигационные». Принимая во внимание сказанное ранее, отметим, что в данном конкретном случае термин «навигационные» следует трактовать широко. Т.е. речь идет о комплексах, которые с одинаковым успехом могут использоваться для решения, во-первых, задач чисто навигационных, и, вовторых, задач геодезических, аэрогеодезических и топографо-геодезических.

Одним из возможных приложений таких систем и является прикладная лазерная локация.

Историческое отступление:

Обращение к истории – всегда было эффективным инструментом анализа.

Оба важнейших компонента и GPS, и IMU имели свои собственные богатые истории и традиции до того как встретиться и начать работать вместе. Интересующимся историей GPS можно порекомендовать книгу (Шануров, Мельников, 2001), которая отличается полнотой, убедительностью и ясностью изложения.

История инерциальной навигации значительно длинней и интересней, однако пересказать ее в рамках короткой исторической справки не представляется возможным. Поэтому перейдем сразу к выводам: 1) К концу XX века уже полностью разработана теория использования гироскопов и акселерометров для задач определения пространственного положения движущихся платформ, а также пройденного ими пути, скоростей и ускорений. Решение подобных задач и составляет предмет инерциальной навигации. В практическом плане развитие этой прикладной науки привело к появлению таких хорошо известных приборов как авиагоризонт, гирокомпас, гировертикаль, гироплатформа и др. 2) В последние годы имеют место значительные технологические достижения в части разработки немеханических гироскопов, которые отличаются от механических большей точностью и надежностью за счет отсутствия движущихся частей. Здесь речь идет, прежде всего, о так называемых кольцевых лазерных и волоконнооптических гироскопах. Гироскопы именно этих типов применяются в интегральных навигационных комплексах авиационного применения POS/AV производства канадской компании Applanix, и системах AeroControl германской компании IGI, признанных мировых лидеров в этой области.

Два представленных тезиса по истории вопроса существенны, в связи с тем, что как будет показано ниже, GPS/IMU комплексы практически полностью заимствовали методы классической инерциальной навигации в частности таких вопросах как разделение функций гироскопов и акселерометров в решении общей навигационной задачи и инициализация.

Пока остается не раскрытым, возможно, главный вопрос настоящего исследования – в чем смысл появления интегральных навигационных систем?

Почему до недавнего времени человечество с успехом обходилось традиционными средствами инерциальной навигации? Однако есть все основания полагать, что появление таких систем, конечно же, не случайность, а веление времени, следствие естественного развития науки и технологии, а также радикального изменения требований к качеству и оперативности поставки любых геопространственных данных.

Обратимся к таблице 12, где представлены параметры геопространственных измерений, обеспечиваемых уже упомянутым GPS/IMU комплексом авиационного базирования POS/AV 510 компании Applanix.

Таблица 12. Точности определения параметров GPS/IMU комплексом авиационного базирования POS/AV 510 компании Applanix

ПАРАМЕТР ЗНАЧЕНИЕ ТОЧНОСТИ (1)

самолет-аэрофотосъемщик вместе с аналоговым или цифровым аэрофотоаппаратом и будем использовать ее показания в качестве элементов внешнего ориентирования. Легко убедиться, что результирующая ошибка геопозиционирования при этом составит примерно 1/ Рис. 30. Интегральный навигационный от высоты съемки, т.е., например, 20 см GPS/IMU комплекс POS/AV 510 компапри высоте 2000 м. Если в качестве аэронии Applanix.

самых достойных цифровых камер Vexcel UltraCAM-D (результирующий кадр мегапикселей!), то при ее параметрах «Размер пиксела матрицы приемника» – 9 мкм и «Фокусное расстояние» – 100 мм, имеем размер элемента разрешения на уровне земли 18 см. Путем этих несложных арифметических выкладок мы достигли первого главного вывода: Использование современных навигационных комплексов типа GPS/IMU позволяет обеспечить точность геопозиционирования цифровых аэрофотоснимков на уровне одного пиксела. Причем это верно для цифровых камер самого высокого разрешения, к которым кроме упомянутой UltraCAM-D следует отнести DMC компании Z/I Imaging и ADC-40 компании Leica Geosystems (последняя, строго говоря, является сканером). Что касается среднеформатных метрических камер (в настоящее время к таковым в основном относят приборы с приемником емкостью 16–22 мегапиксела) то для них предлагаемая точность попадает уже на субпиксельный уровень. Приведенный пример объясняет происхождение другого набирающего популярность названия интегральных GPS/IMU комплексов – системы прямого геопозиционирования, которое наиболее точно описывает их роль в аэрофототопографии и в авиационном дистанционном зо-ндировании вообще.

Нельзя не отметить, что точность определения пространственных координат, обеспечиваемая системой POS/AV, близка к своему теоретическому пределу. В источнике (Шануров, Мельников, 2001) утверждается, что для кинематических GPS измерений предельно достижимая точность фазовых измерений составляет 1/4-1/5 длины волны несущего колебания. С учетом того, что длина волны колебания L1 составляет 19 см, мы получаем около 5 см, естественно, для наиболее благоприятной GPS обстановки.

Что касается, точности определения угловых координат, то их удобно представлять не в градусах, а в радианах. Легко проверить, что приведенные выше значения угловой точности примерно соответствуют значению 10-5 рад. Удобство использования радианной меры в этом случае объясняется тем, что при использовании авиационных методов съемки ошибка определения итоговых плановых координат наземного объекта XY, вызванная данной ошибкой угловых координат POS/AV и других аналогичных систем выражается простой формулой:

где H – высота съемки.

Иными словами, если измеренные системой прямого геопозиционирования POS/AV линейные и угловые параметры принять в качестве элементов внешнего ориентирования аэрофотоснимка или набора лазерно-локационных данных, то можно рассчитывать, что ошибка определения плановых координат по таким данным составит около одной десятитысячной от высоты съемки, т.е. 5 см при H=500 м, 10 см при H=1000 м, и т.д.

Те, кто знакомы с традиционными фотограмметрическими методами взаимного и абсолютного ориентирования аэрофотоснимков, согласятся, что точность 10-5 рад для угловых элементов внешнего ориентирования в большинстве случаев является достаточной. В определенных случаях, значения угловых параметров с таким уровнем точности можно использовать в качестве окончательных, т.е. не требующих никакой коррекции, при выполнении процедур геопозицирования различных видов аэросъемочных данных (прежде всего, конечно, лазерно-локационных и цифровых аэрофотографических). Имеют место утверждения, что данные современных интегральных навигационных систем достигли фотограмметрического уровня точности. Последнее утверждение выражает то обстоятельство, что хотя и средства определения всех параметров положения и угловой ориентации в пространстве движущихся платформ активно применяются на практике уже давно (например, в курсовой системе любого летательного аппарата), только сейчас появились системы, уровень точности выходных данных которых, позволяет решать геоинформационные, а не только пилотажно-навигационные задачи.

Теперь можно более строго определить понятие системы прямого геопозиционирования, которое часто используется для обозначения интегральных GPS/IMU комплексов, когда речь идет об их геодезическом или аэрогеодезическом применении. Здесь наиболее важен термин «прямого», так как термин «геопозиционирование» и его связь с навигацией подробно обсуждались выше.

Итак, предлагаемый метод геопозиционирования является прямым, прежде всего, в сравнении со стандартной фотограмметрической процедурой геопозиционирования аэрофотоснимков, которая, как известно, включает следующий набор операций: выделение наземных опознаков и определение их геодезических координат, определение связующих точек на стереопарах, развитие и уравнивание фототриангуляционной сети, создание свободной модели и ее масштабирование. Т.е. при традиционном подходе общая задача геопозиционирования решается за счет последовательной реализации нескольких технологических процедур, каждая из которых достаточно трудоемка. Важно также заметить, что хотя и современные фотограмметрические компьютерные технологии обеспечивают значительную степень автоматизации, тем не менее, участие оператора практически на всех стадиях описанного цикла существенно, что может явиться дополнительным источником ошибок при недостаточной квалификации персонала.

Метод геопозиционирования данных съемки, предлагаемый интегральными GPS/IMU комплексами, практически полностью свободен от всех недостатков, связанных с сложностью традиционного подхода. С некоторой долей условности, можно даже говорить, что все численные параметры, необходимые для окончательного геопозиционирования данных съемки, возникают одновременно с самими этими данными непосредственно в ходе съемке. Последнее обстоятельство позволяет некоторым авторам говорить, что применение GPS/ IMU систем обеспечивает аппаратный метод определения элементов внешнего ориентирования, противопоставляя его традиционному фотограмметрическому методу.

Перед тем как перейти к детальному исследованию принципов функционирования GPS/IMU систем, объясняющих их феноменальную точность, обсудим более детально прикладной аспект их применения. Выделим только самые главные положения:

1. Создание первых GPS/IMU систем в начале 90-х годов прошлого века явилось важнейшей технологической предпосылкой появления воздушных аэросъемочных лидаров в их нынешнем виде. Именно использование GPS/IMU данных позволило корректно представлять данные лидарной съемки в геодезических координатах с вполне определенными количественными гарантиями точности, т.е. способствовало превращению авиационных лидаров из средств дистанционного зондирования (в основном, военного назначения) в средства топографического картирования. Современный аэросъемочный лидар в столь значительной степени не мыслим без GPS/IMU комплекса, что даже конструктивно эти два прибора неотделимы друг от друга (точнее один включает в себя другой).

2. Идеология использования GPS/IMU систем при съемке с любых движущихся платформ (летательных аппаратов, морских и речных судов, поездов, вообще любых движущихся платформ) предполагает их полностью автономное функционирование от съемочного оборудования. Это чрезвычайно важное обстоятельство позволяет использовать такие системы в паре с практически любыми источниками геопространственных данных, в частности с любыми аэросъемочными средствами – аналоговыми и цифровыми аэрофотоаппаратами, радиолокаторами, инфракрасными и спектрозональными приборами и др. Так, нет никакой необходимости аппаратно «сопрягать» классический пленочный аэрофотоаппарат с GPS/IMU системой POS/AV 510. В процессе аэросъемки эти приборы могут работать совершенно независимо на аппаратном уровне. Необходимо обеспечить только их синхронность или более точно временную определенность событий, чего в нынешних условиях нетрудно добиться благодаря использованию GPS/GLONASS технологий. Применительно к аэрофотоаппарату последнее требование означает, что время совершения каждого аэрофотоснимка должно быть определено во временной шкале, единой с POS/AV комплексе. На практике это достигается регистрацией импульса срабатывания затвора аэрофотоаппарата через один из специальных EVENT входов комплекса.

Аналогично может быть выполнена синхронизация с практически любым аэросъемочным средством в том числе а авиационным лидаром.

3. Использование GPS/IMU данных в аэрофототопографии представляется наиболее интересным как с теоретической, так и с практической точек зрения.

Здесь возможны два подхода. В первом случае данные, поставляемые GPS/ IMU комплексом используются непосредственно в качестве элементов внешнего ориентирования аэрофотоснимков для выполнения стереофотограмметрического восстановления рельефа, ортотрансформирования и окончательного геопозиционирования снимков. Во втором случае, GPS/IMU используются только в качестве начального приближения, по которому осуществляется поиск еще более точных значений элементов внешнего ориентирования. В любом случае, наличие GPS/IMU данных оказывается очень полезным – в первом случае вообще удается избежать процедуры построения фототриангуляционной сети и ее уравнивание, а во втором случае, благодаря наличию достаточно точной априорной информации по элементам внешнего ориентирования в блоке или маршруте, алгоритм уравнивания становится более устойчивым, а выходные данные более достоверными и точными.

4. Большое практическое значение имеет также то очевидное обстоятельство, что одна GPS/IMU система может обслуживать одновременно несколько При такой схеме использования задействованным оказывается GPS/IMU комплекс, который положение (выставку). И того и другого можно добиться расположив оба прибора как можно ближе из-за неизбежных деформаций корпуса летательного аппарата. Поэтому для крупных аэросъемочных летающих лабораторий, таких, например, как Рис. 31. Совместное испольАн-30, приходится использовать по одной зование аэросъемочного лиGPS/IMU системе для каждого отдельного аэродара ALTM и цифрового аэсъемочного прибора, что, конечно, значительно рофотоаппарата.

4.3. Системы геопозиционирования GPS и ГЛОНАСС Спутниковые системы позиционирования и задачи, решаемые с их помощью в геоинформационных технологиях.

Основным источником информации об изменениях картографической ситуации служили результаты топографических съемок и аэрофотосъемок. Первый метод слишком трудоемок, особенно для больших, труднодоступных территорий. Кроме того, информация, полученная из результатов топографических съемок, может устареть на этапе обработки данных полевых измерений вследствие быстрых изменений ситуации. Второй метод более оперативен и информативен, но дорог. Поэтому для оптимального решения проблемы постоянного обновления пространственной информации в ГИС требуется иной подход к ее сбору и представления в цифровом виде. Наиболее перспективным решением этой проблемы является применение спутниковых технологий позиционирования GPS (Global Positioning System) и ГЛОНАСС (Глобальная Навигационная Спутниковая Система), что позволяет собирать не только пространственную информацию в цифровом виде, но и связанные с ней семантические данные.

Метод сбора данных с помощью GPS и ГЛОНАСС приемников принципиально не отличается от традиционных полевых геодезических работ, но имеет ряд несомненных преимуществ, вытекающих из особенностей и технических возможностей спутниковой технологии позиционирования.

Помимо задач сбора и обновления информации, GPS-технологии решают и еще одну важную проблему геоинформационной системы – создание координатной основы цифровой карты, любой объект которой имеет вполне определенные координаты, «привязанные» к жесткой координатной основе. Как правило, исходной координатной основой являются пункты ГГС (Государственной геодезической сети), более или менее равномерно расположенные на территории России. Но в ходе создания карт, обработки материалов аэрофотосъемки, оцифровки имеющихся карт возникает задача уточнения исходной координатной основы или ее трансформации. Эти проблемы решались и решаются развитием и сгущением геодезических сетей на основе более высококлассных. Но развитие геодезических сетей с применением традиционных приборов и методов слишком долгий и дорогой процесс, особенно там, где внешние условия (отсутствие прямой видимости на залесенной территории, в горах, городах) препятствуют проведению традиционных геодезических работ. Учитывая общую географическую ситуацию России, можно говорить о неэффективности применения традиционных методов геодезии на большей части российской территории. Поэтому применение GPS-технологий может существенно снизить затраты на проведение комплекса работ по созданию координатной основы будущей ГИС, а главное, повысить точность и надежность геодезической сети.

Это две основные задачи, которые, на наш взгляд, можно и нужно решать с помощью GPS-технологий применительно к географическим информационным системам.

Краткое описание спутниковых систем позиционирования Системы глобального спутникового позиционирования GPS разработаны в США. Аналогичная российская спутниковая система носит название ГЛОНАСС.

Система GPS позволяет определять координаты в любой точке земного шара, в любое время, независимо от погодных условий. Точность определения координат колеблется (в зависимости от типов и классов аппаратуры, а также от методики измерений) от 100 м до 1 мм. Основные преимущества GPS-технологии по сравнению с традиционными геодезическими методами:

– не требует взаимной видимости между пунктами;

– работает в любых погодных условиях, в любое время, в любой точке Земли;

– обладает высокой точностью определения координат;

– имеет гораздо более высокое быстродействие;

– предоставляет трехмерные координаты в плане и по высоте.

На сегодняшний день действует уже второе поколение спутниковых систем позиционирования (ССП). К первому поколению можно отнести системы, разрабатывавшиеся до 70-х гг. Главными из них были NNSS (США) и ЦИКАДА (СССР). NNSS (Navy Navigation Satellite System) – система ВМФ США, позже получившая название TRANSIT. Работы по ее созданию были начаты в 1958 г., в эксплуатации находилась с 1964 г., с 1967 г. открыта для гражданского применения. К 1980 г. ее услугами пользовались многие тысячи потребителей разных государств. С ее помощью в 1984–1993 гг. в России проводились работы по созданию геодезической сети. Разработки системы ЦИКАДА начаты в 1967 г., в эксплуатацию введена в 1979 г. К первому поколению принадлежит также международная система обнаружения терпящих бедствие COSPAS-SARSAT.

Ко второму современному поколению относятся две системы: американская GPS (параллельное название NAVSTAR – Navigation Satellite Timing and Ranging) и российская ГЛОНАСС. Их разработка была начата в 70-х гг. прошлого века. Запуск спутников GPS первого блока начат в 1978 г. В 1983 г. система открыта для гражданского использования. В 1991 г. сняты ограничения на продажу приемной аппаратуры в Россию (Серапинас, 1998).

Общие сведения о ГЛОНАСС Глобальная Навигационная Спутниковая Система (ГЛОНАСС) – это уникальные технологии, плод многолетнего труда российских конструкторов и ученых. Она состоит из 24 спутников, которые, находясь в заданных точках на высоких орбитах, непрерывно излучают в сторону Земли специальные навигационные сигналы. Любой человек или транспортное средство, оснащенные специальным прибором для приема и обработки этих сигналов, могут с высокой точностью в любой точке Земли и околоземного пространства определить собственные координаты и скорость движения, а также осуществить привязку к точному времени. ГЛОНАСС является государственной системой, которая разрабатывалась как система двойного использования, предназначенная для нужд Министерства обороны и гражданских потребителей. Обязанности по управлению и эксплуатации системы ГЛОНАСС возложены на Министерство обороны Российской Федерации (Космические войска). В создании системы ГЛОНАСС принимали участие:

Министерство обороны Российской Федерации – головной заказчик системы, обеспечивающий контроль разработки и ее дальнейшее совершенствование, а также развертывание, поддержание и управление орбитальной группировкой ГЛОНАСС;

Научно-производственное объединение прикладной механики им. академика М.Ф. Решетнева (НПО ПМ) – головной разработчик системы, спутника ГЛОНАСС, автоматизированной системы управления спутниками и ее математического обеспечения;

Российский научно-исследовательский институт космического приборостроения (РНИИ КП) – головной разработчик наземного комплекса управления и бортовой аппаратуры спутника ГЛОНАСС;

Российский институт радионавигации и времени (РИРВ) – головной разработчик спутниковой и наземной аппаратуры системы синхронизации и времени;

Производственное объединение «Полет» (ПО «Полет») – разработчик и изготовитель спутника ГЛОНАСС, а также ряд других российских научных и производственных организаций.

Первый запуск спутника по программе ГЛОНАСС (Космос 1413) состоялся 12 октября 1982 года. Система ГЛОНАСС была официально принята в эксплуатацию 24 сентября 1993 года распоряжением Президента Российской Федерации 658 рпс с неполной комплектацией орбитальной структуры при условии развертывания штатной орбитальной структуры (24 спутника) в 1995 году. Постановлением Правительства РФ от 7 марта 1995 г. №237 были организованы работы по полному развертыванию орбитальной структуры (24 спутника), обеспечению серийного производства навигационной аппаратуры и представлению ГЛОНАСС в качестве элемента международной глобальной навигационной системы для гражданских потребителей.

Как работает система ГЛОНАСС?

Спутники системы ГЛОНАСС непрерывно излучают навигационные сигналы двух типов: навигационный сигнал стандартной точности (СТ) в диапазоне L1 (1.6 ГГц) и навигационный сигнал высокой точности (ВТ) в диапазонах L1 и L2 (1.2 ГГц). Информация, предоставляемая навигационным сигналом СТ, доступна всем потребителям на постоянной и глобальной основе и обеспечивает при использовании приемников ГЛОНАСС возможность определения:

– горизонтальных координат с точностью 50–70 м (вероятность 99.7%);

– вертикальных координат с точностью 70 м (вероятность 99.7%);

– составляющих вектора скорости с точностью 15 см/с (вероятность 99.7%);

– точного времени с точностью 0.7 мкс (вероятность 99.7 %).

Эти показатели точности можно значительно улучшить, если использовать дифференциальный метод навигации и/или дополнительные специальные методы измерений.

Сигнал ВТ предназначен в основном для потребителей МО РФ, и его несанкционированное использование не рекомендуется. Вопрос о предоставлении сигнала ВТ гражданским потребителям до сих пор находится в стадии рассмотрения.

Для определения пространственных координат и точного времени требуется принять и обработать навигационные сигналы не менее чем от 4-х спутников ГЛОНАСС. При приеме навигационных радиосигналов ГЛОНАСС приемник, используя известные радиотехнические методы, измеряет дальности до видимых спутников и измеряет скорости их движения.