Медведев Е.М., Данилин И.М., Мельников С.Р., 2007 - Лазерная локация земли и леса. Учебное пособие

1)габариты комплекса, реализующего та-

кой подход измерения, оказываются значительными (рис. 34), что само по себе может составлять серьезную проблему.

2)Выдаваемые данные чрезвычайно критичны к качеству принимаемого GPS сигна-

ла.

разнесенными GPS антеннами.

приборами, работа которых построена на

интегрировании GPS и IMU данных.

Структурная схема навигационного комплекса GPS/IMU типа представлена на рисунке 35.

Рис. 35. Структурная схема навигационного комплекса GPS/IMU типа.

Навигационный комплекс включает три основных компонента:

1) двухчастотный (L1/L2) GPS приемник с опцией слежения за фазой несущей;

2)встроенный бортовой вычислитель, который реализует функции контроллере обратной связи и аппаратного или программного фильтра Калмана;

3)инерциальная система (IMU).

Используя эти компоненты, навигационный комплекс обеспечивает получение интегрированного навигационного решения для траектории и ориентации

носителя.

Основные принципы, используемые при получении интегрированного навигационного решения:

1) инерциальная система поставляет данные в специализированные навигационный вычислитель, который вырабатывает данные по положению, скоро-

сти и ориентации. Существенным является тот факт, что инерциальная система

81

является жестко связанной с корпусом носителя, точнее с рамой, на которую

крепиться то, или иное аэросъемочное средство;

2)GPS приемник используется для корректирования инерциального навигационного решения путем оценки погрешностей, а также для инициализации

интеграционного процесса. При отсутствии GPS обеспечения, инерциальное навигационное решение остается без GPS коррекции;

3)используется замкнутая система контроля погрешностей, обеспечивающая оптимальное управление.

Основная алгоритмическая нагрузка возложена на специализированный

бортовой вычислитель (СБВ), который в реальном времени получает решение уравнений движения Ньютона, описывающих положение, скорость и ориента-

цию сенсора IMU в СК Земного эллипсоида WGS-84 с учетом ее вращения в физическом пространстве. Вычисления выполняются на основе данных, получаемых с помощью гироскопов и акселерометров, которые являются механиче-

ски жестко связанными с корпусом носителя. По этой причине определяемые значения координат, скоростей и углов ориентации для сенсора IMU могут быть

аналитически трансформированы в любую другую точку носителя, в частности,

вточку центра сканирующего зеркала локатора. Для корректного перехода не-

обходимо знание параметров взаимного положения и ориентации точки центра сканирования и сенсора IMU.

Работа в дифференциальном GPS режиме также может обеспечивать вы-

работку навигационного решения в реальном времени. Однако для этого необходимо использовать режим Real Time Kinematics (RTK), который крайне трудно реализовать в условиях съемки с использованием летательных аппаратов. На практике реализация дифференциального GPS режима чаще предполагает

съемку с использованием одной или нескольких референтных (базовых) GPS

станций, по данным которых в процессе наземной постобработки выполняется дифференциальная коррекция траектории носителя, зарегистрированная бортовым GPS приемником. Именно эта траектория используется при реализации алгоритма определения полного навигационного решения.

Режим полномасштабной наземной постобработки GPS и инерциальных

данных является дальнейшим развитием дифференциального GPS режима. Он может быть реализован только в камеральных условиях. В этом режиме для определения траектории носителя используются как GPS данные после процедуры дифференциальной коррекции, так и инерциальные данные, поставляе-

мые гироскопами и акселерометрами.

При описании принципов функционирования БНК необходимо четко выде-

лять два уровня информационного обмена внутри комплекса:

Базисный информационный уровень составляют данные, непосредственно

вырабатываемые входящими в комплекс GPS приемником и инерциальной системой. Здесь важно подчеркнуть, что функционирование этих устройств на физическом уровне происходит независимо. Информация, получаемая на этом

уровне, используется двояко. Во-первых, на основе этой информации выполняется инициализация системы, и во-вторых она подвергается алгоритмической

обработке на следующем информационном уровне.

Уровень генерации навигационного решения. На этом уровне с помощью

аппаратных средств, либо с помощью аналогичных программных процедур вырабатывается законченное навигационное решение, включающее координаты

траектории носителя и параметры его угловой ориентации для произвольного

82

момента времени. Получаемые на этой стадии результаты, естественно, опи-

раются на данные, накопленные на базисном уровне.

Выше уже неоднократно подчеркивалось, что навигационные решения надлежащего качества могут быть получены именно в результате взаимодействия

или последующей совместной обработки данных от двух основных источников - системы спутникового геопозиционирования (GPS, ГЛОНАСС) и инерциальной

системы. Можно сказать, что обе эти системы в некотором смысле решают одну и ту же навигационную задачу – определяют в некоторой заранее определенной системе координат траекторию движения носителя. Принципиально но-

вое качество данных, прежде всего точность, рождается именно в результате совместного анализа обоих траекторий, в результате чего интегральное нави-

гационное решение заимствует основные преимущества и подавляет основные недостатки обеих базовых систем. Интегральное навигационное решение оказывается свободным как от дрейфа (благодаря наличию GPS и/или ГЛОНАСС),

так и от высокочастотных помех (благодаря наличию инерциальной системы). Было бы весьма полезно обсудить основные принципы современной инер-

циальной навигации, которые, как уже неоднократно подчеркивалось, в основном реализованы и в интегральных навигационных комплексах GPS/IMU типа. Предполагается, что с вопросами использования систем спутниковой навигации

читатели хорошо знакомы.

В наиболее общей форме можно определить инерциальную систему как ортогональную триаду гироскопов и акселерометров, выполняющих непос-

редственные геопространственные измерения и вычислительный блок, осуще-

ствляющий алгоритмические преобразования данных непосредственных изме-

рений.

Как было отмечено выше, в современных GPS/IMU системах используют-

ся в основном не механические, а кольцевые лазерные или волоконно-опти- ческие гироскопы, имеющие существенно отличающийся принцип действия. Однако для целей данной публикации будет достаточно считать, что гироскоп любого типа позволяет определять ориентацию в геодезическом пространстве

в любой момент времени независимости от местоположения, скорости и других

параметров носителя. Точность поставляемых гироскопом данных во всех случаях подвержена деградации («ухода») с течением времени. Величина «ухода» значительна и может составлять до нескольких градусов в час.

Акселерометры предназначены для измерения линейных ускорений. В

равной степени они пригодны для измерений сил, так как согласно ньютонов-

ской механике сила и ускорение есть разные проявления одного и того же физического явления.

С учетом сделанных замечаний рассмотрим основные процедуры, выполняемые в навигационном комплексе на базисном информационном уровне.

Вычисление крена и тангажа посредством акселерометров

Обладая чувствительностью к земной гравитации, акселерометры обеспечивают измерение долговременных значений крена и тангажа по схеме, изображенной на рисунке 36. Рассмотрим акселерометр, рабочая ось которого совпадает со строительной осью oX носителя.

Полагая ускорение носителя равным нулю, мы можем вычислить угол тангажа как:

P = arcsin(−aS/g)

83

Однако, здесь следует признать, что описанный метод не может быть использован на практике сам по себе, так как в описанной схеме существенно состоя-

ние покоя, в котором должна находиться система. Если это условие не соблю-

дается, то совершенно очевидно, что отсутствует принципиальная возмож-

ность выделить вектор ускорения свободного падения из суммы всех ускорений, которую испытывает система.

Вычисление изменений ориентации с использованием гироскопов

Как отмечено выше, в конструкции навигационного комплекса используются оптические гироскопы, обладающие чувствительностью к изменениям ориентации т.е. к величине угловой скорости. Интегрирование (численное суммиро-

вание) значений, измеренных гироскопами, обеспечивает определение кратко-

временных угловых перемещений в физическом пространстве.

Необходимо отметить, что угловые перемещения в геодезическом (например, WGS-84) и физическом пространствах не тождественны. Для корректного перехода к геодезическому пространству должны быть учтены следующие фак-

торы:

•вращение Земли с угловой скоростью 15°/час;

•транспортная норма, определяемая как изменение ориентации в физиче-

ском пространстве при движении. Скорость такого изменения равна VH/R , где

VH – горизонтальная составляющая вектора скорости, а R – радиус Земли;

•внутренние ошибки гироскопа – дрейф, ошибка масштабного коэффициента, случайный шум.

Что касается первых двух упомянутых факторов, то они могут быть учтены

аналитическими методами при вычислении интегрального навигационного решения. Однако внутренние ошибки гироскопа полностью смешаны с истинными значениями и не могут быть отделены от них на базисном информационном

уровне. В процессе дальнейшей обработки эта смесь подвергается интегрированию, в результате чего возникает ошибочное угловое смещение, которое, та-

ким образом, приобретает долговременный характер (рис. 37). Точная оценка величины ошибочного углового смещения и его устранение осуществляется при генерации навигационного решения на последующем навигационном уров-

не.

84

Вычисление курсово-

го угла

Метод измерения величины курсо-

вого угла, используемый в GPS/IMU сис-

темах также можно считать классическим.

Курсовой угол в процессе инициали-

зации определяется путем наблюдения компонентов вектора

Рис. 37. Схема определения углового смещения. вращения Земли по

«горизонтальным»

гироскопам. Данные «вертикального» гироскопа в процессе съемки интегрируются по времени для определения изменений курсового угла.

Определение координат пространственного положения с помощью акселерометров

Наличие акселерометров позволяет определять величины линейных ускорений, которые испытывает система. Положим, что ориентация системы в физическом пространстве определена точно с помощью методов, описанных выше. Тогда имеется возможность выделить вектор силы гравитации среди всей

суммы векторов сил, приложенных к системе и, следовательно, оценить вели-

чину ускорения. Численное интегрирование ускорения позволяет перейти к скорости, а повторное интегрирование к перемещению. Таким образом, с учетом представленных выше замечаний и правилах перехода из физического пространства в географическое, появляется принципиальная возможность оценить

геодезические координаты системы в любой момент времени.

4.5. Интегральное навигационное решение

Принципы образования интегрального навигационного решения

Из представленного выше краткого описания основных принципов инерци-

альной навигации видно, что использование только триад гироскопов и акселе-

рометров позволяет в принципе решить все основные навигационные задачи. В

реальных GPS/IMU системах используется детальная модель динамики системы, которая включает набор алгоритмов решения уравнений движения Ньюто-

на в геоцентрической системе координат, а также параметрическую модель ошибки IMU, которая описывает:

•ошибки инерциального измерения позиции, скорости и ориентации;

•дрейф гироскопа и ошибки масштабного коэффициента;

•дрейф акселерометра и ошибки масштабного коэффициента и другие

параметры.

Создание модели динамики системы весьма нетривиальная задача и исследованиям по этому направлению различные компании уделяют большое внимание.

Принципиально важно, что все ошибки IMU описываются системой алгебраических и дифференциальных уравнений с конечным числом параметров.

85

Т.е. считается, что поведение системы было бы полностью определено исполь-

зуемыми уравнениями движения, если бы были известны точные значения этих численных параметров. Проблема состоит как раз в том, что численные значения этих параметров неизвестны априорно и, кроме того, они могут меняться с

течением времени. Общее количество таких параметров может достигать нескольких десятков.

Главная идея методики работы GPS/IMU систем состоит в том, что значения неизвестных параметров могут быть определены путем решения системы уравнений, составляющих модель динамики системы, что может быть выпол-

нено исключительно благодаря наличию GPS, выступающего в качестве независимого источника данных. Иными словами наличие нескомпенсированных

ошибок IMU приведет к появлению рассогласований траекторий движения системы, исчисленных раздельно по GPS и IMU данным. Для получения корректного интегрального навигационного решения подбираются такие значения пара-

метров модели динамики системы, при которых обе траектории будут тождественны. Это достигается описанным ниже способом.

Совместный анализ данных GPS и инерциальной системы

Инерциальная система и GPS являются взаимно дополняющими источниками навигационных данных, потому что их динамические ошибки, имея разли-

чную природу и спектральный состав, могут быть разделены, в результате чего

погрешности обеих систем могут быть взаимно компенсированы. Более того, инерциальная система обеспечивает поддержку навигационного решения даже в случае полной потери GPS сигнала. Смешанное решение является непрерывным и, следовательно, сохраняет целостность данных (рис. 38).

Интегральное навигационное решение может быть получено как в реаль-

ном времени, так и в процессе наземной постобработки. В любом случае, в ходе обработки программное обеспечение моделирует работу бортового инерциальной системы в рамках замкнутого контура обмена данными с GPS, фильтром Калмана, а также с контроллером ошибки IMU.

По сравнению с режимом построения навигационного решения реального

времени, обработка навигационных данных в камеральных условиях позволяет добиться существенно лучших результатов по точности. Программное обеспечение включает рекурсивный алгоритм сглаживания, который обеспечивает получение «траектории наибольшей достоверности». Эта траектория является

наилучшей для уровня точности данных, получаемых GPS и инерциальной сис-

темой.

Заключительные замечания по главе

В заключении данной главы хотелось бы еще раз повторить те факторы,

которые, по нашему мнению, определили успех применения интегральных навигационных комплексов во многих системах аэрофототопографии и авиационного дистанционного зондирования:

1)возможность одновременного решения задач навигации и прямого геопозиционирования данных съемки;

2)точность, достаточная для решения большинства задач по крупномасштабному топографическому картографированию;

3)получения навигационного решения, как в процессе наземной постобработки, так и в реальном времени;

4)сравнительная простота реализации;

5)экономическая целесообразность.

86

который может быть сделан в заключении, состоит в том, что, во-первых, ника-

кой дальнейший прогресс в аэрогеодезии, дистанционном зондировании и в смежных отраслях без активного применения GPS/INS систем не возможен, и, во-вторых, наиболее перспективным направлением в этой области является

комбинирование методов прямого геопозиционрования и традиционных фотограмметрических методов.

88

5. ЛАЗЕРНО-ЛОКАЦИОННЫЕ ДАННЫЕ И ИХ ИНФОРМАЦИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

В настоящей главе рассмотрены основные вопросы, касающиеся лазерно-

локационных данных, т.е. основного продукта лазерной локации. Обсуждаются все вопросы, связанные с получением данных такого рода, их накопления и

первичной обработки. Основным критерием является степень их информационной ценности при последующем использовании в топографических, инженерноизыскательских и других приложениях. Имеют место следующие предваритель-

ные замечания:

1)информационная ценность лазерно-локационных данных несколько раз-

лична в случае их использования в различных приложениях. Т.е. к лазерно-ло- кационным данным предъявляются различные требования при их использовании в таких приложениях, как общетопографическое, съемка леса, обследова-

ние ЛЭП, и др. Поэтому в настоящей главе будут рассматриваться только самые общие информационные характеристики, представляющие равную значи-

мость для всех возможных приложений;

2)рассматриваются только воздушные методы съемки и соответственно

только характеристики данных, полученных этим методом съемки.

5.1.Виды лазерно-локационных данных

Вопрос о видах лазерно-локационных данных уже рассматривался в главе Вернемся к этому вопросу еще раз, чтобы рассмотреть его более полно.

Ранее мы уже определили два основных вида лазерно-локационных дан-

ных:

1)в дальномерной форме;

2)в форме интенсивности отраженного импульса.

Кроме этих основных видов, выделяют еще следующие дополнительные виды:

3)навигационные;

4)сопутствующие.

Эти виды данных считаются дополнительными, потому что по своему семантическому содержанию прямо не могут быть отнесены к лазерно-локацион-

ным. Однако данные такого рода неизбежно появляются как выходной продукт

работы практически любого современного аэросъемочного лидара. Именно в этом смысле такие данные могут считаться лазерно-локационными.

Навигационные данные определяют положение и ориентацию сканирую-

щего блока в каждый момент лазернолокационного измерения, и поэтому их

наличие является важнейшим условием появления основных видов лазер- но-локационных данных (рис. 39).

Кроме того, навигационные данные имеют и вполне самостоятельную

ценность. С одной стороны, в силу их роли в окончательном расчете коор-

динат лазерных точек навигационные данные активно используются в про-

Рис. 39. Навигационные данные. цедурах метрологической поддержки и

коррекции: здесь речь идет о процеду-

89

рах измерения выставочных параметров, калибровки, «подтяжки» проходов и

т.д. С другой стороны, данные такого рода могут использоваться по своему прямому назначению – в качестве пилотажно-навигационных, т.е. помогать экипажу качественно выполнять полетное задание и на этапе послеполетной обра-

ботки контролировать качество выполнения съемки (рис. 40).

Рис. 40. Контроль качества пилотирования средствами программного комплекса ALTEXIS.

В левом окне траектории навигационных данных визуализированы специ-

альными маркерами на фоне растровой карты района съемки. В правом окне

изображен фрагмент лазерно-локационных данных. Красным цветом изображены лазерные точки, полученные с недопустимо большим значением бокового крена, что является нарушением со стороны экипажа, выполнявшего аэросъемочный полет.

Существуют также сопутствующие лазерно-локационные данные. Прежде всего это видео- и фотосопровождение. Большинство аэросъемочных лидаров

имеет соответствующее оборудование, причем часто видео- и фотокамеры

встроены непосредственно в сканирующий блок. Специфика ЛЛ метода съемки состоит в том, что при совместной обработке этих видов данных их ортотранс-

формирование и геопривязка могут во многом быть автоматизированы (рис. 41).

5.2. Физические ограничения лазерно-локационного метода и пути их преодоления

Под физическими ограничениями лазерно-локационного метода понимают такие явления, которые либо препятствуют получению данных, либо приводят к возникновению особенностей, требующих правильной интерпретации, а иногда принятия специальных мер на этапе наземной обработки для продолжения последующего корректного использования. В соответствии с принятой в данной

90