Способ оперативного определения угловых элементов внешнего ориентирования космического сканерного снимка

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

 

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

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

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

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

(2)

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

описывающих степенными рядами второй степени зависимости от времени

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

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

где:

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

где:

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

где:

- угловая скорость вращения Земли;

- большая и малая полуоси общего земного эллипсоида;

- матрица частных производных в ν-й итерации

- порядковый номер точек бортовых измерений.

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

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

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

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

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

Источники информации

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

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

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

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

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

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