Математические модели, методы и методики автономной фотограмметрической обработки космических сканерных снимков тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.34, доктор наук Андронов Владимир Германович

• Андронов Владимир Германович
• доктор наук
• 2017

Оглавление диссертации доктор наук Андронов Владимир Германович

СПИСОК ПРИНЯТЫХ СОКРАЩЕНИЙ

ВВЕДЕНИЕ

1. ФОТОГРАММЕТРИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА КОСМИЧЕСКИХ

СКАНЕРНЫХ СНИМКОВ: СОСТОЯНИЕ ВОПРОСОВ, ВЫБОР НАПРАВЛЕНИЙ И ОБОСНОВАНИЕ ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Роль и место КС ДЗЗ в формировании геопространственной инфраструктуры современных государств и тенденции их развития

1.2.Анализ существующих подходов к организации ФгО космических сканерных снимков на основе бортовых измерений

1.3.Съёмочная аппаратура ОЭСС: принципы действия, топология, режимы и фотограмметрические особенности съёмки

1.4.Особенности построения координатного пространства в ОЭСС

1.5.Общая математическая постановка проблемы и структурно-

логическая схема её решения

ВЫВОДЫ

2. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ПОСТРОЕНИЯ, ДРЕЙФА И УГЛОВОГО ДВИЖЕНИЯ СВЯЗКИ ПРОЕКТИРУЮЩИХ ЛУЧЕЙ В ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ СКАНИРУЮЩИХ

СИСТЕМАХ

2.1.Координатно-временная модель формирования геометрической структуры пикселей маршрута сканерной съёмки

2.2.Геометрические модели СПЛ в обратной схеме построения космических сканерных изображений

2.2.1.Формат «снимок-камера»

2.2.2.Векторно-матричное уравнение коллинеарности элементов

СПЛ

2.2.3.Формат «камера-общий земной эллипсоид»

2.2.4.Формат «общий земной эллипсоид-земная поверхность Ь»

2.2.5.Формат «общий земной эллипсоид-референц-эллипсоид Ь»

2.3.Геометрическая модель СПЛ в прямой схеме построения космических сканерных изображений

2.3.1.Формат «земная поверхность-камера»

2.3.2. Формат «камера-снимок»

2.4.Кинематические модели СПЛ на интервале съёмки

2.4.1. Модель матрицы направляющих косинусов СПЛ

2.4.2. Модель углового движения СПЛ

2.4.3. Модель дрейфа СПЛ в фокальной плоскости ОЭСС

2.5. Модель программного углового движения КА

ВЫВОДЫ

3. РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ И МЕТОДИК ПОСТРОЕНИЯ ЗАМЕЩАЮЩИХ МОДЕЛЕЙ ЭЛЕМЕНТОВ ВНЕШНЕГО ОРИЕНТИРОВАНИЯ И АВТОНОМНОЙ ФОТОГРАММЕТРИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ КОСМИЧЕСКОГО СКАНЕРНОГО СНИМКА

3.1.Метод построения замещающих моделей ЭВО сканерного

снимка

3.2.Методика построения замещающих моделей линейных ЭВО сканерного снимка по элементам кеплеровской орбиты

3.3.Методика построения замещающих моделей линейных ЭВО сканерного снимка по навигационным данным

3.4.Методики построения замещающих моделей угловых ЭВО сканерного снимка в различных режимах съёмки

3.4.1.Общий подход к моделированию угловых ЭВО сканерного снимка

3.4.2. Режим с изменяющимся азимутом съёмки

3.4.3. Режим с постоянным азимутом съёмки

3.4.4. Режим с фиксированным ракурсом съёмки

3.4.5. Режим съёмки с тангажным отслеживанием

3.5.Метод автономной ФгО сканерного снимка

ВЫВОДЫ

4. ИССЛЕДОВАНИЕ КАЧЕСТВА ПОСТРОЕНИЯ ЗАМЕЩАЮЩИХ МОДЕЛЕЙ ЭЛЕМЕНТОВ ВНЕШНЕГО ОРИЕНТИРОВАНИЯ КОСМИЧЕСКОГО СКАНЕРНОГО СНИМКА

4.1. Методическая схема иссле дования

4.2. Обоснование показателей качества построения замещающих моделей ЭВО сканерного снимка

4.3. Структурно-функциональная схема программного комплекса построения и исследования замещающих моделей ЭВО сканерного снимка

4.4.Исследование влияния кинематики параметров съёмки

на качество построения замещающих моделей ЭВО сканерного снимка

4.4.1. Особенности кинематики и оценка ошибок аппроксимации

координат и скоростей КА

4.4.2.Особенности кинематики угловых ЭВО сканерного снимка в

различных режимах съёмки

4.4.3.Оценка качества построения замещающих моделей ЭВО сканерного снимка при различной степени аппроксимирующих полиномов. 197 ВЫВОДЫ

5. РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДИК АВТОНОМНОЙ ФОТОГРАММЕТРИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ КОСМИЧЕСКОГО СКАНЕРНОГО СНИМКА, ПОЛУЧЕННОГО В РАЗЛИЧНЫХ

РЕЖИМАХ СЪЁМКИ

5.1.Автономная ФгО сканерного снимка, полученного в режиме с изменяющимся азимутом съёмки

5.2.Автономная ФгО сканерного снимка, полученного в режимах с постоянным азимутом и фиксированным ракурсом съёмки

5.3.Требования к точности измерения выходных параметров модели наблюдения

5.4.Методика построения макетного сканерного снимка

5.5.Оценка показателей качества автономной ФгО сканерного

снимка

ВЫВОДЫ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

ПРИЛОЖЕНИЕ А. Графическая интерпретация распределения смаза

в различных режимах съёмки

ПРИЛОЖЕНИЕ В. Формуляр макетных данных маршрута съёмки

СПИСОК ПРИНЯТЫХ СОКРАЩЕНИЙ

БЗУ бортовое запоминающее устройство

БИНС бесплатформенная инерциальная навигационная система

ВЗН временная задержка и накопление

ВП высотный профиль

ВС КА вектор состояния космического аппарата

ГИС геоинформационная система

ДЗЗ дистанционное зондирование Земли

ЗРС задание режима съёмки

ЗД звёздный датчик

ИС информационная система

ИПД инфраструктура пространственных данных

КА космический аппарат

КК космический комплекс

ЛВ линия визирования

ЛЭМС линейка эквивалентная матричной структуре

МСС макетный сканерный снимок

МС маршрут съёмки

МИ маршрут изображения

ОЗ опорное значение

ОЗЭ общий земной эллипсоид

ОС ОКТ обратная схема определения координат точек

ОТ опорная точка

ОЭП оптико-электронный преобразователь

ОЭСС оптико-электронная сканирующая система

ОФЗ обратная фотограмметрическая засечка

ПЗС приборы с зарядовой связью

ПК программный комплекс

ПРС постоянный ракурс съёмки

ПгС программное сканирование

ПС ОКТ прямая схема определения координат точек

РВС КА расчёт вектора состояния космического аппарата

РПЗ расчёт полосы захвата

РЭ референц - эллипсоид

RPC Rational Polynomial Coefficients

СДИ скорость движения изображения

СР считывающий регистр

ГСНС спутниковая навигационная система

ТСК точка снятия координат

УВЗ уровень вычислительных затрат

УПС угловые параметры съёмки

ФМД формуляр макетных данных

ФПС фотоприёмная структура

ФП фокальная плоскость

ФгО фотограмметрическая обработка

ФгС фотографические системы

ФК формирующий край

ЦЛВ центральная линия визирования

ЦМР цифровая модель рельефа

ЦФС цифровая фотограмметрическая система

ЭВО элементы внешнего ориентирования

ЭМС электромагнитный спектр

ЭЩ экспонирующая щель

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Математические модели, методы и методики автономной фотограмметрической обработки космических сканерных снимков»

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время космические сканерные снимки, получаемые космическими комплексами (КК) дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) GeoEye, WorldView-1, QuickBird, IKONOS, IKONOS -2, OrbView-3, SPOT-5, Alos, IRS, WorldView-2, Ресурс - ДК 1, Ресурс - П и др., покрывают значительную часть земной поверхности [1-21]. Они имеют высокое (от 2 до 5 метров) и сверхвысокое (лучше 1 метра) разрешение на местности и пригодны для крупномасштабного картографирования обширных территорий, создания и обновления цифровых моделей местности и расположенных на ней объектов [22-45]. Для эффективного решения этих задач требуется такая организация их фотограмметрической обработки (ФгО), которая в части оперативности характеризуется минимальным участием оператора вплоть до полной автоматизации этих процессов, а по точности - сравнима с разрешающей способностью снимков.

Степень разработанности темы. Научная база методов и средств ФгО космических снимков, полученных съёмочной аппаратурой с кадровым принципом формирования изображений, проработана очень глубоко. Большой вклад в развитие её методологии вложили отечественные учёные А.Н. Лобанов [47,51], A.M. Портнов [50], В.Б. Дубиновский [51,64], Б.В. Краснопевцев [63], М.С. Ур-маев [46], Ф. В. Дробышев [58], Н.П. Лаврова [59-60], А.Ф. Стеценко [59], П.Н. Бруевич [49], Л.В. Бугаевский [50], М.И. Буров [63], Г.Б. Гонин [61], Б.В. Фёдоров [56], В.Д Пермяков [56], зарубежные учёные I. Helava [114], G. Katzarsky [148], Konecny [54], H.J. Kramer [1], R. Fritsch [107], A. Graham [108], T. Koh [108], T. Westin [103] и др. Широкое распространение получил метод оперативной геопривязки снимков по их ЭВО, основанный на определении пространственных координат точек снимка с использованием математической модели снимка и измеренных на борту космического аппарата (КА) параметров съёмки. При этом исходными данными для ФгО кадровых снимков служат координаты центра масс и параметры угловой ориентации КА в момент фотографирования - элементы внешнего ориентирования (ЭВО) снимка. В процессе обработки снимка значения ЭВО берутся непосредственно из состава бортовых измерений пара-

метров съёмки, а в случае невысоких характеристик точности последних - предварительно уточняются по опорным точкам местности, изобразившихся на снимках, путём решения обратной фотограмметрической засечки. Для снимков с кадровым принципом формирования ЭВО имеют одни и то же значения для всех точек снимка, а фотограмметрическая модель - простой и известный для пользователей вид.

С появлением в конце 90-х гг. оптико-электронных сканирующих систем (ОЭСС) высокого и сверхвысокого разрешения на матрицах приборов с зарядовой связью (ПЗС), способных выносить линию визирования (ЛВ) вдоль, перпендикулярно и поперёк трассы КА, геометрия и режимы космической съёмки кардинально усложнились [74-94]. Наряду с объектовыми режимами съёмки и отклонением ЛВ только по углу крена с длительностью включения несколько секунд стали широко применяться режимы маршрутной и площадной съёмки с первоначальным выносом ЛВ по углам тангажа и крена КА, разворотом по углу рыскания КА, и последующим программным сканированием ЛВ на интервале съёмки. При этом ЭВО сканерного снимка стали нелинейной функцией от времени, а длительность включения достигла десятки и сотни секунд. Вследствие этого математические модели ЭВО и сканерных снимков, построенные на основе сложных тригонометрических зависимостей, приобрели динамический, а последние - ещё и итерационный характер, что существенно повысило уровень вычислительных затрат при ФгО сканерных снимков, сложность решения обратной фотограмметрической засечки, а также снизило оперативность их геопривязки. В этих условиях вместо физических моделей сканерных снимков стали использоваться замещающие их аппроксимационные модели [95 -114] в форме коэффициентов рациональных полиномов - по зарубежной терминологии Rational Polynomial Coefficients (RPC). Коэффициенты RPC устанавливают непосредственную связь координат точек снимка и местности, обеспечивая тем самым высокую оперативность ФгО космических сканерных снимков вплоть до полной автоматизации этих процессов.

Результаты этих исследований отражены в трудах G. Dial [76], C.S. Fra-

zer [79-80,113], R. Fritsch [107], A. Graham [108], J. Grodecki [4], I. Helava [114], H.B. Hanley [77-79], G. Katzarsky [148], D. Konecny [54], T. Koh [108], T. Westin [103], M.Wang [97,109], и других зарубежных учёных. Основное внимание при этом уделялось оценке и повышению потенциальной точности построения моделей RPC, путям дальнейшего совершенствования методов ФгО космических ска-нерных снимков на основе использования моделей RPC.

В настоящее время Россия и ведущие зарубежные страны в силу разницы в техническом уровне космического приборостроения в области ДЗЗ находятся разных точках этого магистрального пути. За рубежом успешно функционируют космические ОЭСС в составе КК ДЗЗ WorldView-1, WorldView-2, GeoEye-1 и др., обладающих большой манёвренностью, т.е. способностью выноса ЛВ вдоль и перпендикулярно трассы КА, высокой скоростью перенацеливания, а также высокими характеристиками бортовых измерений. Поэтому методы геопривязки космических зарубежных сканерных снимков по ЭВО отличаются высокой точностью, автономностью и оперативностью.

В российской орбитальной группировке ДЗЗ самым современным в классе ОЭСС является КК Ресурс-П, функционирующий в режиме временной задержки и накопления (ВЗН) зарядовых пакетов (ЗП), однако его манёвренность и точность бортовых измерений характеризуются худшими по сравнению с зарубежными КК ДЗЗ характеристиками. Методология организации ФгО космических сканерных снимков в условиях невысоких характеристик бортовых навигационных измерений достаточно глубоко проработана. Большой вклад в решение различных аспектов этой проблемы внесли труды С.В. Агапова [103,184], В.И. Ако-вецкого [66], Г.Б. Гонина [61], А.П. Гука [82,89], В.Г. Елюшкина [67], С.Ю. Жел-това [166], И.Г. Журкина [32,139], Е.Л.Лукашевича [13-16], В.А. Мышляева [164165], А.П. Михайлова [63], С.С. Нехина [31], Ю.И. Носенко [222], В.В. Погоре-лова [92], Б.Н. Родионова [88], Ю.С. Тюфлина [86], В.П. Седельникова [22], А.Г. Чибуничева [37], В.Ф. Чекалина [38,52] и многих других отечественных учёных.

Основные направления исследований были связаны с вопросами уточнения параметров съёмки по опорным точкам местности и последующего постро-

ения моделей ЯРС, технологиями построения моделей ЯРС непосредственно по опорным точкам местности, повышению оперативности и точности этих процессов за счёт соответственно автоматизации процессов дешифрирования опорных точек местности на снимках и включения в обработку дополнительной информации в виде эталонных архивных снимков, картографических и других измерительных материалов.

Актуальность исследования. Вместе с тем в трудах отечественных и зарубежных учёных недостаточно исследованы вопросы организации ФгО космических сканерных снимков в условиях отсутствия или снижения качества информации, получаемой от спутниковых навигационных и бортовых астроизмери-тельных систем, и об опорных точках местности в районе съёмки. Будем называть фотограмметрическую обработку снимков автономной, если при этом не используется топогеодезическое и внешнее навигационное обеспечение. Актуальность исследования этих вопросов обусловлена тем, что группировка навигационных КА в силу технологических сбоев или преднамеренно может быть ограничена по точности или вообще отключена, а качество функционирования бортовых астроизмерительных систем существенно снижено, например, по причине солнечной засветки или превышения допустимой угловой скорости движения КА ДЗЗ в процессе съёмки. В этих ситуациях происходит существенное снижение качества навигации и ориентации КА ДЗЗ и, соответственно, точности определения ЭВО снимков. Например, через один час автономного функционирования современных бесплатформенных инерциальных навигационных систем (БИНС) типа 500К, 500М и 501, погрешности определения положения и ориентации КА составляет следующие величины: по координатам - от четырёх до десяти км, по скорости - от одного до трёх м/с, по углам ориентации (крена и тангажа) - 0,05 град. Очевидно, что такие ошибки на интервале съёмки могут на несколько порядков снизить точность оперативной геопривязки полученных снимков по их ЭВО.

Таким образом, существует противоречие между объективной необходимостью повышения точности оперативной геопривязки результатов ДЗЗ в усло-

виях нештатного функционирования внешних навигационных систем и возможностями существующих методов и средств ФгО космических сканерных снимков при отсутствии в районе съёмки опорных точек местности. Это противоречие обусловливает научную проблему повышения точности ФгО космических сканерных снимков в условия нештатного функционирования внешних навигационных систем и отсутствия топогеодезической информации о наземных ориентирах в районе съёмки. Учитывая изложенное, тема диссертационной работы представляется актуальной и имеет важное хозяйственное значение, поскольку в условиях нештатного функционирования внешних навигационных систем отсутствие необходимости поиска и дешифрирования на снимках опорных ориентиров обеспечивает существенное снижение трудоёмкости и стоимости комплекса фотограмметрических работ, особенно на обширных территориях.

Теоретический аспект сформулированной проблемы состоит в обосновании путей совершенствования методов фотограмметрической обработки космических снимков, разработке новых форм математических моделей построения сканерных изображений, методов автономной фотограмметрической обработки маршрутов съёмки без использования опорных точек местности и других внешних ориентиров на основе измерительной информации, получаемой только от бортовых измерительных систем.

Практический аспект проблемы заключается в разработке программных средств и системы показателей качества, имеющих прикладной характер и реализованных при моделировании исследуемых процессов, и создании аппаратно-программных комплексов для решения практических задач фотограмметрической обработки космических сканерных снимков в реальном масштабе времени.

Цель работы состоит в повышении точности автономной фотограмметрической обработки космических сканерных снимков, полученных в условиях нештатного функционирования внешних спутниковых навигационных систем и отсутствия в районе съёмки опорных точек местности.

Задачи. Для достижения указанной цели необходимо решить следующие

задачи:

1 .Провести анализ состояния вопросов организации ФгО космических ска-нерных изображений по бортовым измерениям.

2.Разработать математические модели, обеспечивающие строгое математическое описание процессов формирования и внешнего ориентирования связки проектирующих лучей для режимов маршрутной съёмки с программным сканированием линии визирования.

3. Разработать метод и методики построения и уточнения параметров замещающих моделей ЭВО в режимах маршрутной съёмки с программным сканированием линии визирования.

4.Разработать программный комплекс и систему показателей качества построения замещающих моделей ЭВО, провести исследования влияния начальных условий, вида траектории, ракурса и режима съёмки на параметры замещающих моделей.

5.Разработать методики автономной ФгО и оценить их качество на макетных данных в условиях нештатного функционирования внешних навигационных систем и отсутствия опорных точек в районе съёмки.

Объект исследования - космические оптико-электронные сканирующие системы.

Предмет исследования - математические модели построения космических сканерных снимков и методы их автономной фотограмметрической обработки по информации, получаемой от бортовых измерительных систем.

Методы исследований. Для решения поставленных задач использовались методы системного анализа, теория множеств, теории математического моделирования и статистического анализа, теория космической фотограмметрии, теория небесной механики, астрономия, картография. Для использования в экспериментальных исследованиях тестового участка местности применялась ГИС МарШо 10.1, ЦМР БЯТМ.

Степень достоверности результатов проведённых исследований. Достоверность результатов диссертационной работы обеспечивается корректным и

обоснованным применением аппарата теорий: множеств, математического моделирования и статистического анализа, космической фотограмметрии, небесной механики, астрономии, картографии. Для использования в экспериментальных исследованиях тестового участка местности применялась ГИС МарМЮ 10.1, ЦМР БЯТМ. Обоснованность положений диссертации подтверждается глубиной и аргументированностью теоретических разработок, целостностью, структурной логичностью и завершённостью предмета исследования. Достоверность результатов также подтверждается государственной экспертизой Федеральной службы интеллектуальной собственности (Роспатент).

Научная новизна. В диссертации получены следующие результаты, которые обладают научной новизной:

1.Математические модели построения космических сканерных снимков, отличающиеся комплексным учётом координатно-временных, геометрических, пространственно-частотных и кинематических характеристик формирования, дрейфа и углового движения связки проектирующих лучей в ОЭСС на интервале маршрутной съёмки.

2.Метод и методики построения замещающих моделей ЭВО космического сканерного снимка, отличающиеся универсальностью структурно-функциональной организации моделей, адаптивностью к составу моделируемых параметров, режимам и ракурсам съёмки.

3.Показатели качества построения замещающих моделей ЭВО космического сканерного снимка, отличающиеся учётом влияния ошибок параметров замещающих моделей на точность автономной геопривязки сканерных снимков.

4. Метод и методики автономной фотограмметрической обработки результатов ДДЗ в условиях нештатного функционирования спутниковых навигационных систем и звёздных датчиков, отличающиеся уточнением параметров замещающих моделей ЭВО космического сканерного снимка по информации, получаемой от бортовых измерительных систем.

5.Методика построения макетных снимков местности, отличающаяся до-

полнительными возможностями для анализа и синтеза процессов построения космических сканерных снимков, синтеза технологий их фотограмметрической обработки и разработки требований к перспективным ОЭСС ДЗЗ, системам навигации и ориентации КА.

Научная значимость работы заключается в теоретическом обосновании возможности уточнения параметров съёмки без использования опорных точек местности и других внешних ориентиров, что позволяет повысить точность автономной геопривязки космических сканерных снимков в условиях нештатного функционирования глобальных спутниковых навигационных систем. Полученные результаты содержат новые научно обоснованные решения, позволяющие говорить о создании теоретических основ автономной фотограмметрической обработки космических сканерных снимков по бортовой измерительной информации, внедрение которых вносит значительный вклад в развитие теории фотограмметрии сканерных снимков и имеет методологическое значение.

Практическая ценность работы состоит в том, что разработанные модели, методы и методики доведены до программной реализации, реализованы и используются в ведущих научно-исследовательских организациях Министерства обороны РФ, Роскосмоса и РАН, обеспечивая при этом научно-методическую основу для решение ряда актуальных задач, связанных с практической реализацией концепции развития российской космической системы ДЗЗ на период до 2025 года в части разработки требований к характеристикам перспективных КА ДЗЗ, обеспечивающих повышение точности автономной фотограмметрической обработки космических сканерных снимков в реальном масштабе времени.

Основные положения, выносимые на защиту:

1 .Математические модели построения космических сканерных снимков, описывающие процессы формирования связки проектирующих лучей двумя рядами матриц ПЗС, расположенными в шахматном порядке в фокальной плоскости оптико-электронной сканирующей системы и работающими в режиме временной задержки и накопления зарядовых пакетов.

2.Метод и методики построения замещающих моделей ЭВО космического

сканерного снимка, основанные на моделировании и аппроксимации текущих значений параметров съёмки.

3.Показатели качества построения замещающих моделей ЭВО космического сканерного снимка, обеспечивающие научно обоснованный выбор параметров замещающих моделей для различных режимов космической съёмки с программным сканированием линии визирования.

4.Метод и методики автономной фотограмметрической обработки результатов дистанционного зондирования Земли, обеспечивающие повышение точности оперативной геопривязки космических сканерных снимков в условиях нештатного функционирования спутниковых навигационных систем и звёздных датчиков без использования опорных точек местности.

5.Методика построения макетных снимков местности, основанная на синтезе макета тестового участка земной поверхности, прокладке трассы КА через тестовый участок, моделировании начальных условий съёмки, построении и оценке качества замещающих моделей ЭВО и маршрута съёмки, подготовке формуляра макетных данных.

Реализация и использование. Основные теоретические и практические результаты работы реализованы и использованы в Минобрнауки РФ - в НИР «Организация процессов разработки, формирования и актуализации ортогеоко-дированных данных дистанционного зондирования обширных территорий в интересах геоинформационного обеспечения социально-экономического развития регионов»; в НЦ ОМЗ АО «Российские космические системы» - в программных комплексах для организации процессов наземной фотограмметрической обработки космических сканерных изображений; в войсковой части 54023 - при разработке технических заданий на НИР и ОКР по обоснованию облика и созданию систем автоматизированных комплексов обработки информации специального назначения; в НИЦ (топогеодезического и навигационного обеспечения) ФГБУ 27 ЦНИИ МО РФ - в системных исследованиях, связанных с разработкой требований к перспективным средствам космической картографической съёмки; в НИИЦ (г. Курск) ФГУП 18 ЦНИИ МО РФ - в циклах НИР и ОКР, связанных с

моделированием специальной геопространственной информации и разработкой программных и аппаратных комплексов её обработки; в Юго-Западном государственном университете - в учебном процессе при подготовке бакалавров и магистров по дисциплине «Дистанционное зондирование Земли и космическая фотограмметрия» в рамках направления подготовки «Инфокоммуникационные технологии и системы связи»; в СПИИРАН - в НИР на специальные темы, связанных с автоматизацией технологических процессов обработки специальной информации.

Публикации и апробация. Результаты выполненных исследований и разработок опубликованы в 25 статьях в изданиях, входящих в перечень рецензируемых российских и зарубежных научных журналов, рекомендуемых ВАК. Получены три патента на изобретения и пять свидетельств о регистрации электронного ресурса. Основные результаты докладывались на четырёх международных и пяти всероссийских научно-практических конференциях.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения, библиографического списка, включающего 239 наименования, в том числе 44 зарубежных источника, и два приложения. Основная часть работы изложена на 288 страницах текста, содержит 76 рисунков и 25 таблиц. Приложения А и В (40 страниц) включают в себя вспомогательный табличный и графический материал.

В первом разделе проведен анализ роли и места КК ДЗЗ в формировании геопространственной информационной структуры современных государств, характеристик КК ДЗЗ и тенденций их развития, существующих подходов к наземной обработке космических сканерных снимков на основе бортовых измерений, в результате которого выделена научно-техническая проблема повышения точности автономной ФгО космических сканерных снимков в условиях нештатного функционирования внешних навигационных систем и отсутствия опорных точек местности в районе съёмки, выполнена общая математическая постановка проблемы и разработана структурно-логическая схема её решения.

Во втором разделе представлены результаты разработки математических моделей процессов построения, дрейфа и углового движения связки проектирующих лучей в режимах ВЗН ЗП матрицами ПЗС. Получены аналитические зависимости, которые описывают координатно-временную модель формирования геометрической структуры пикселей маршрута сканерного изображения, геометрические модели построения связки проектирующих лучей в различных форматах, кинематические модели матрицы направляющих косинусов, дрейфа и углового движения связки проетирующих лучей, а также программного углового движения КА.

В третьем разделе выполнено теоретическое обоснование методов построения замещающих моделей ЭВО и автономной ФгО космических сканерных снимков в условиях нештатного функционирования внешних навигационных систем и отсутствия опорных точек местности в районе съёмки. Разработанные методы и методики учитывают особенности траектории и конфигурацию планируемого маршрута съёмки, варианты состава бортовых измерений, а также инвариантны к длительности включения съёмочной аппаратуры.

В четвёртом разделе разработана система показателей качества построения замещающих моделей ЭВО, основываясь на которой проведены исследования кинематических характеристик и точности аппроксимации координат и скоростей КА, углов тангажа, крена и рыскания КА, угловых скоростей движения КА и элементов матрицы направляющих косинусов, определяющей угловую ориентацию связки проектирующих лучей в гринвичской системе координат, что позволило научно обосновать выбор степени аппроксимирующих полиномов для построения замещающих моделей ЭВО космического сканерного снимка.

В пятом разделе разработана и реализована методика построения макетного сканерного снимка маршрута съёмки, включающая в себя оценку показателей качества построения замещающих моделей ЭВО и самого снимка в целом, основываясь на которой выполнена экспериментальная проверка разработанных методик автономной фотограмметрической обработки космических сканерных снимков и их последующей оперативной геопривязки.

В заключении сформулированы основные научные результаты и выводы исследования.

В приложениях А,В представлены дополнительные табличные и графические материалы, иллюстрирующие полученные результаты исследования.

ФОТОГРАММЕТРИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА КОСМИЧЕСКИХ СКАНЕРНЫХ СНИМКОВ: СОСТОЯНИЕ ВОПРОСОВ, ВЫБОР НАПРАВЛЕНИЙ И ОБОСНОВАНИЕ ЗАДАЧ

ИССЛЕДОВАНИЯ 1.1.Роль и место КК ДЗЗ в формировании геопространственной инфраструктуры современных государств и тенденции их развития Одной из основных мировых тенденций современного этапа социально-экономического развития стран и регионов, обеспечения безопасности их жизнедеятельности является интеграция и комплексная обработка всей суммы знаний о территориях и происходящих на них процессах окружающей действительности, интегрированных в рамках единого информационного пространства регионального, национального или транснационального масштаба [115-119]. Анализ существующих подходов и сути процессов создания единого информационного пространства как в транснациональных и национальных масштабах, так и на региональных уровнях, показывает [120-131], что первичным, системообразующим звеном единого информационного пространства, и, одновременно, универсальным элементом связи различных типов разнородной информации, служат пространственные данные. Инфраструктура пространственных данных (ИПД) на всех уровнях представляет собой совокупность территориально-распределён-ных, координатно-взаимосвязанных и инфокоммуникационно-сопряжённых между собой баз пространственных видовых и картографических данных, и баз семантической атрибутивной информации о местности и расположенных на ней объектах. Технологической основой для создания ИПД служат геоинформационные системы (ГИС), интеграционной - единая электронная картографическая основа, а информационной основой - цифровые данные, в том числе в значительной степени результаты ДЗЗ из космоса.

В настоящее время в силу глобальности, экстерриториальности, высокой производительности и информативности наблюдения КК ДЗЗ стали неотъемлемой компонентой геопространственной инфраструктуры современного государства [132-139]. В начале 1990-х гг. КА ДЗЗ использовали Россия, США, Китай,

Франция, Индия, Израиль и Япония, а всего через 10 лет этих стран было уже 15, а в настоящее время — более 30. В период до 2015 г. планируется запустить в космос около 70 типов КА ДЗЗ, которые распределяются по зарубежным странам следующим образом [140]: США — 20 типов КА (28,6%); страны Европы — 21 тип КА (30,0%); Япония — 3 типа КА (4,3%); Китай — 5 типов КА (7,1%); Индия — 7 типов КА (10,0%); другие страны — 14 типов КА (20,0%). В этой структуре КК ДЗЗ, различающихся по назначению, орбитальному построению, диапазону спектра наблюдения, номенклатуре, составу и характеристикам съёмочной аппаратуры, наиболее высокие характеристики добываемой видовой информации о поверхности Земли обеспечивают ОЭСС. Орбитальные параметры КА ОЭСС высокого и сверхвысокого разрешения [141-142] свидетельствуют (таблица 1.1) о тенденции запуска КА оптико-электронного наблюдения на круговые солнечно-синхронные (с-с) орбиты высотой 450-750 км, обеспечивающие широкий диапазон широт наблюдаемых территорий, стабильность баллистического движения КА, прохождение наблюдаемых точек в одно и то же солнечное время, а также увеличение срока активного существования на орбите до 7-10 лет.

Список литературы диссертационного исследования доктор наук Андронов Владимир Германович, 2017 год

/ • л

ь* (г) *

ьг (г) *

ьг (г)

:Л(г)

V

Г

0

■ 02(г) V0/(г)

0

0*(г)

- 0у(г)

0х(г) 0

I (г У

1У (г)

у V ^(г) У

Л(;)

л

I х (г) *

Iу (г)

и (г)

+

+ 03 • Л(;)

0

азз(г )

- азз(г) аз2(г) V ¡х (г)

0

-аз1(г )

V -аз2(г ) аз1(г )

0

(2.99)

(г)

у V К (г),

Векторно-матричные уравнения (2.98) - (2.99) получили в данной работе название кинематической модели углового движения СПЛ в ОЭСС [200], поскольку описывают скорости изменения направляющих косинусов СПЛ соответственно в форматах «земная поверхность-камера» и «камера-земная поверхность». В этой связи они являются фундаментальными уравнениями динамической фотограмметрии космических сканерных изображений, получаемых ОЭСС. Действительно, они связывают прямой и обратной функциональной зависимостью скорости изменения направляющих косинусов векторов гЦ) и ¿), определяющих направления элементов СПЛ из центра проекции Б на датчики ПЗС и соответствующие им точки земной поверхности, с составляющими вектора ш( 1) абсолютной угловой скорости КА, углами тангажа, крена и рыскания КА, орбитальными параметрами поступательного движения КА, конструктивными характеристиками съёмочной аппаратуры и учитывают скорость шЗ вращения Земли. Это позволяет моделировать различные режимы съёмки и получать количественные оценки влияния пространственно-частотных и других параметров бортовой съёмочной аппаратуры на характеристики её полосы захвата на земной поверхности, и, наоборот, рельефа местности, конфигурации и траектории полосы захвата на качество формирования изображения в любых режимах оптико-электронной съёмки матрицами ПЗС.

2.4.3. Модель дрейфа СПЛ в фокальной плоскости ОЭСС

Воспользуемся далее уравнением (2.98) для получения аналитических зависимостей, описывающих модель дрейфа СПЛ в ФП ОЭСС в режимах съёмки с ВЗН ЗП. Для решения уравнения (2.98), исходя из формул (2.52) и (2.55), получим аналитические соотношения для производных направляющих косинусов [193]. Поскольку в течение цикла ВЗН ЗП геоцентрические координаты точек земной поверхности не изменяются, их производные от времени равны нулю. Учитывая это, продифференцируем выражения (2.52) и (2.55).

Получим:

Л ^

1х (г) *

1у (г) *

Ь (г)

V у

Л ^

Ьх (г) *

Ь (г) *

Ьг (г)

V У

1

й (г)

V (г К (г) 0

1

й (г)

1х(г) ^

1у (г) V ^ (г) у

V (г);

(2.100)

Щ)

(• ^

х з(г) *

Уз (г) *

гз (г)

V У

Щ)

Г Ьх (г) ^

Ьу (г) V Ьг (г) у

Ж (г),

(2.101)

Подставим далее (2.100) и (2.101) в (2.98) и запишем полученное векторно-матричное выражение в координатной форме:

ГХП (1) = 1х (г) У(г) + 0г (г) у(г) - 0у (1) / + 03 [аз2(г) f - азз(г) у(ф ^ 81 (г) -

П)г У

- ^ 1х (г) W(г); Б(г) х

(1) = 1Т (г) У(г) + 0х (г) I - ®г (г) + 0з Кз® х(г) - (г)/]+^ я 2 (г) -

Б(г у

(2.102)

1у (г) W(г);

й (г)

Б(г) _

0 = 12(г) У(г) + 0у (г) х(г) - 0х (г) у (г) + 03 ^ (г) у(г) - аз2(г) х(г)]+^ я з (г) -

—1г (г) W(г).

Б(г) г

В выражениях (2.100) - (2.102) приняты следующие обозначения: й(г) = ^х2(г) + у2(г) + /2;£ (1) =^(Х - Х5(1))2 + (У - У5(1))2 + (г - г5(€))2;

У(г) = 1Х(1)УХ(1) + 1у(Щ(€), Ж(г) = Ьх (г) Хз (г) + Ьу (г)Уз (г) + ь2 (г) г^з (г).

V

1

1

^(г )л &(г)

V &(г) J

Г • • .Л

ап (г) (г) + а21 (г) Уз (г) + а31 (г) (г) ...

а„(г) Хз (г) + агг(г) Уз (г) + аъг(г) (г) . . .

а13 (г) Хз (г) + а23 (г) У (г) + а33 (г) (г)

Выразим из третьего уравнения а(г) ^(г) и подставим полученное вы-

п(г) ( )

ражение в остальные уравнения системы (2.102). Учитывая обозначения (2.82) -(2.84), получим:

V (1) = Щ (г) Ш у(г) - щ (г)[ ¡^ х(г)+ / ]+щ (г) у (г) + ^ & (г) +

К (г)

а (г)

¡, (г)

¡, (г)

Б(г)

+ щ

а

л(г)[

¡Ж ¡, (г)

у(г) ]+ аЪ1(г)[ Ш х(г) + / ]+а 33(г)(- у (г))

¡х (г) а (г)

¡х (г) ОД

^3(г);

V (1) = щ (г)[ ц) у (г) +1 Ьщ (г)[ у|) *(г) ]-щ (г) х(1) + ^ в2(1) +

+ щ

а

31

Г ¡ (г) 1 ¡ (г)

(1)[ - т^ у (г) - / ]+ а32(г) ¡^ х(г) + а33(г) х(г)

¡у (г) а (г)

¡х (г) D(г)

¡х(г)

¡, (г)

(2.103)

Кинематическая модель (2.103) описывает дрейф СЛП в ФП ОЭСС в виде строгой функциональной связи продольной и поперечной составляющих СДИ с направляющими косинусами ЛВ, орбитальными и угловыми параметрами космической сканерной съёмки в гринвичской системе координат, а также конструктивными характеристиками ОЭСС. Это позволяет использовать выражения (2.103) вместе с уравнениями (2.98), (2.99) для решения самых разных задач в области динамической фотограмметрии от системотехнического проектирования съёмочной аппаратуры до априорной оценки качества планирования космической маршрутной съёмки и строгой фотограмметрической обработки маршрутов космических сканерных изображений.

Рассмотрим далее использование системы уравнений (103) для синтеза

программ углового движения КА[199-200], на борту которого установлена работающая в режиме ВЗН ЗП на интервале съёмки ОЭСС.

2.5. Модель программного углового движения КА Для получения программы углового движения КА подставим в (2.103) условия (2.83) - (2.84), которые должны выполняться для центра ФПС ОЭСС. При этом учтём, что в центре ФПС справедливы соотношения: х=у=0, 1Х(£) = 1У(£) = 0, 1г(р) = 1, сР(Г) = /, = В0 (0. Получим:

■г

Ком = -щ (г) ■ I + ~[УУ) ^ (г) + щ [а32(г) ■ ?] ; 0 = ®Х (г) ■ I + -Щ ^2 (1)-®З М1) ■ I] . Отсюда следует, что ®х(г) = {а12(г)Хз(г) + а22(г)Уз(г) + а32(г)2з(г)| + щ • а31(г).

®у(г) = ап(г) Х з (г) + а2Х(г) У з (г) + а^(г) 2 з (г) | + щ • а32(г)

Учитывая далее, что

V

I

V,,

I

= щ

КА

(г0 ) =

Ука (г0)|

о0(О'

J• 2 • 2 • 2 (Ц) + УБ (ц) + 1Б (ц) ,

(2.104)

(2.105)

(2.106)

(2.107)

(2.108)

окончательно имеем: 1

щх(г) =

щу(г) =

0 0(г)

1 (

а12(г) Хз (г) + а22 (г) Уз (г) + а32 (г) 2з (г) | + щ ■ а31(г). (2.109)

Ука (01

ап(г) Хз (г) + а21 (г) Уз (г) + а31 (г) 2з (г) | + щ ■ а32(г)

о0(г) V 1 2 3 V 3 Щг0)

Из теории гироскопов известно [152], что вращение вокруг оси ъ не оказывает влияния на угловые скорости вращения гироскопа вокруг остальных осей. В этой связи третье уравнение для (1), необходимое для описания трёхосного углового движения КА, является независимым от углового движения КА вокруг осей х, у, и формируется отдельно в зависимости от специфики каждого режима

съёмки.

Таким образом, кинематическая модель программного углового движения КА, описываемая системой уравнений (2.109), является общей моделью для синтеза программ углового движения КА в любых режимах съёмки, поскольку обеспечивает выполнение базовых условий (2.83) - (2.84) получения маршрута сканерного изображения с требуемым качеством. Разработанный в п. п. 2.1-2.5 комплекс моделей представляет собой инструментарий для моделирования процессов построения СПЛ в динамике съёмки и позволяет перейти ко второму этапу исследования, связанному с разработкой методов построения замещающих моделей линейных и угловых ЭВО космического сканерного снимка, описывающих функции отображения (1.14) - (1.15).

ВЫВОДЫ

1. Фотоприёмная структура ОЭСС включает в себя два ряда матриц ПЗС, расположенных в шахматном порядке вдоль экспонирующей щели и работающих в режиме временной задержки и накопления зарядовых пакетов. Каждая матрица ПЗС нечётного и чётного ряда состоит из строк и столбцов датчиков ПЗС, которые имеют перекрытие по первым и последним столбцам. Линии, соединяющие геометрические центры последних столбцов матриц ПЗС чётного и нечётного ряда, являются формирующими краями фотоприёмной структуры, поскольку они позиционирует моменты времени считывания с них зарядовых пакетов в бортовое запоминающее устройство ОЭСС, как окончание процессов формирования строк маршрута сканерного изображения. На борту КА формируется две полосы изображений, причём матрицы ПЗС чётного ряда производят опережающее формирование изображений соответствующих им участков местности, а изображения смежных участков формируются матрицами ПЗС нечётного ряда в режиме заметания, т.е. позднее на величину длительности цикла временной задержки и накопления зарядовых пакетов.

2. В процессе наземной обработки двух полос маршрута съёмки формируется общая однополосная геометрическая структура сканерного изображения, которая состоит из единых строк, состоящих из чередующихся между собой

в порядке расположения матриц ПЗС участков изображений. Участки, сформированные датчиками ПЗС нечётного ряда матриц, имеют более позднее время формирования на интервале съёмки, чем участки чётного ряда. При этом производится единая нумерация составных строк, в которой сохраняется нумерация строк полосы чётного ряда матриц ПЗС. Принадлежность участков изображения к соответствующему ряду матриц ПЗС определяется порядковым номером пикселей в единой составной строке маршрута изображения. При этом каждому моменту времени и порядковым номерам пикселей в этой общей геометрической структуре маршрута изображения можно поставить в однозначное соответствие область плоских координат точек пересечения связки проектирующих лучей с фокальной плоскостью съёмочной аппаратуры, которая включает в себя координаты геометрических центров датчиков ПЗС формирующих краёв матриц ПЗС в фокальной плоскости ОЭСС.

3. Для математического описания общей однополосной геометрической структуры сканерного изображения целесообразно использовать виртуальную схему однострочной фотоприёмной структуры ОЭСС, эквивалентную по координатно-временным свойствам реальной схеме с двумя рядами матриц ПЗС. Эта схема имеет вид однострочной ПЗС линейки, которая в работе названа линейкой, эквивалентной матричной структуре или сокращённо ЛЭМС. Использование виртуальной модели фотоприёмной структуры ОЭСС, основанной на ЛЭМС, значительно упрощает наглядность математического описания рассматриваемых процессов, не меняя при этом его строгость и сущность. При этом полагается, что ЛЭМС обладает следующими основными свойствами: она включает в себя виртуальную строку, состоящую из датчиков ПЗС последних столбцов матриц ПЗС нечётного и чётного ряда; центры датчиков ЛЭМС в геометрическом аспекте имеют координаты центров датчиков ПЗС последних столбцов матриц ПЗС нечётного и чётного ряда в фокальной плоскости ОЭСС, а во временном - позиционируют моменты окончания процессов формирования матрицами ПЗС нечётного и чётного ряда изображений соответствующих участков единых строк маршрута съёмки.

4. Разработанный комплекс математических моделей описывает прямую и обратную схемы построения, дрейфа и углового движения связки проектирующих лучей на интервале съёмки и основывается на фотоприёмной структуре ОЭСС в форме ЛЭМС и выявленных фотограмметрических особенностях формирования маршрута сканерного изображения матрицами ПЗС, расположенными в два ряда в фокальной плоскости ОЭСС и работающими в режиме временной задержки и накопления зарядовых пакетов. Структурно-функциональная организация комплекса включает в себя четыре группы моделей, построенных на системе форматов, которая обеспечивает наиболее полный учёт взаимосвязи координатно-временных, геометрических и кинематических характеристик формирующегося маршрута изображения. Первая группа состоит из координатно-временных моделей в форматах «снимок-камера» и «камера-снимок», позволяющих определить плоские координаты точек пересечения связки проектирующих лучей в фокальной плоскости ОЭСС и моменты времени формирования строк изображения по заданным порядковым номерам его пикселей, и решить обратную задачу. При этом в качестве параметров преобразований используются конструктивные характеристики ОЭСС.

5. Вторая группа охватывает геометрические модели, описывающие обратную схему построения связки проектирующих лучей в форматах «камера-общий земной эллипсоид», «общий земной эллипсоид-земная поверхность К», «общий земной эллипсоид-земная поверхность Ь» геоцентрического координатного пространства и в форматах «общий земной эллипсоид-референц-эллип-соид», «референц-эллипсоид - рельеф №» и «референц-эллипсоид-рельеф С» картографического координатного пространства. Первый формат обеспечивает вычисление геодезических координат точек пересечения связки проектирующих лучей с поверхностью общего земного эллипсоида по заданным плоским координатам её пересечения с фокальной плоскостью ОЭСС, второй и третий - прямые и итерационные переходы от геодезических координат точки на поверхности общего земного эллипсоида к её геоцентрическим координатам на земной поверхности, обеспечивая учёт превышений точек земной поверхности над по-

верхностью общего земного эллипсоида соответственно по направлениям нормали N и линии визирования Ь. Четвёртый, пятый и шестой форматы формализуют аналогичные переходы в системах координат заданной картографической проекции. При этом математическое описание обратной схемы построения связки проектирующих лучей в формате «камера-земная поверхность» достигается путём агрегирования описанных форматов в требуемой конфигурации.

6. Третья группа включает в себя геометрические модели, описывающие прямую схему построения связки проектирующих лучей в форматах «общий земной эллипсоид- камера» и «земная поверхность-камера». Известными считаются геодезические или геоцентрические координаты точек пересечения связки проектирующих лучей соответственно с поверхностью общего земного эллипсоида и земной поверхностью, а искомыми - плоские координаты соответствующих им точек в фокальной плоскости ОЭСС. Особенностью этих моделей является их итерационный характер, поскольку элементы внешнего ориентирования строк маршрута съёмки зависят от времени. При этом проблема априорной неопределённости положения связки проектирующих лучей в фокальной плоскости ОЭСС, связанная с тем, что заранее неизвестно, какой матрицей ПЗС получено изображение заданной точки подстилающей поверхности, решается методом гипотез.

7. Четвёртая группа включает в себя кинематические модели, описывающие дрейф и угловое движение связки проектирующих лучей в ОЭСС на интервале съёмки. Методология построения этих моделей основана на том, что в каждом цикле временной задержки и накопления зарядовых пакетов, несмотря на непрерывное изменение орбитального положения КА, связка проектирующих лучей должна последовательно отслеживать сканируемые участки местности. Для этого в каждый момент времени съёмки должны выполняться условия постоянства скорости и направления движения зарядовых пакетов в строках матриц ПЗС. Полученный в работе комплекс математических моделей позволяет перейти к разработке методов построения и калибровки замещающих моделей ЭВО строк маршрута сканерного изображения в новых режимах съёмки, харак-

терных для перспективных отечественных КК ДЗЗ высокого и сверхвысокого разрешения.

8. Разработанный комплекс математических моделей дрейфа и углового движения связки проектирующих лучей в оптико-электронных сканирующих системах отличается учётом координатно-временных, геометрических, пространственно-частотных, информативных и кинематических характеристик формирующихся изображений в режимах съёмки с временной задержкой и накоплением зарядовых пакетов двумя линейками матриц ПЗС, что обеспечивает новое качество анализа и синтеза процессов построения и фотограмметрической обработки космических сканерных изображений.

3. РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ И МЕТОДИК ПОСТРОЕНИЯ ЗАМЕЩАЮЩИХ МОДЕЛЕЙ ЭЛЕМЕНТОВ ВНЕШНЕГО ОРИЕНТИРОВАНИЯ И АВТОНОМНОЙ ФОТОГРАМЕТРИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ КОСМИЧЕСКОГО СКАНЕРНОГО СНИМКА

Необходимость построения замещающих моделей ЭВО космического сканерного снимка обусловлена, с одной стороны, динамическим характером космической сканерной съёмки, а с другой - дискретностью бортовых измерений параметров съёмки. Поэтому задача построения замещающих моделей ЭВО заключается в построении функций отображения, которые каждому моменту времени формирования строк маршрута съёмки ставят в однозначное соответствие текущие значения их линейных и угловых ЭВО. Показано, что в условиях нештатного функционирования ГСНС и ЗД в качестве дискретных бортовых измерений следует использовать значения гринвичских координат и скоростей КА, углов тангажа, крена и рыскания КА, и составляющих абсолютных угловых скоростей движения КА, которые измеряются с заданным шагом на интервале съёмки средствами БИНС. При обработке реальных данных построение замещающих моделей ЭВО сводится к аппроксимации значений дискретных бортовых измерений и получению соответствующих функциональных зависимостей параметров съёмки от времени. Поскольку в известной литературе отсутствуют детальные исследования влияния ракурсов, режимов съёмки и степени полиномов на качество построения замещающих моделей ЭВО, в работе в рамках четвёртого направления второго этапа исследования рассмотрен метод их построения, связанный с моделированием и последующий аппроксимацией программных значений ЭВО.

3.1. Метод построения замещающих моделей ЭВО сканерного снимка Метод включает в себя следующие три этапа процедур: моделирование начальных значений ЭВО сканерного снимка; расчёт программных значений ЭВО в точках их бортовых измерений; структурно-функциональная организация замещающих моделей ЭВО. Рассмотрим суть вычислительных процедур на каж-

дом из этапов более подробно.

Первый этап. Моделирование начальных значений ЭВО сканерного снимка. Вначале производится расчёт элементов {К3, г, ), М (г0)}

кеплеровской солнечно-синхронной орбиты и компонент вектора состояния КА

• • •

((^),у(^),Z5(^),(^),У(^),Z(^))Т на момент времени ^ включения съёмочной аппаратуры (см. ниже в п.3.2) и задание геодезических координат {В0,Ь0} начальной точки следа центральной линии визирования (ЦЛВ) на поверхности общего земного эллипсоида (ОЗЭ). Далее по заданным геодезическим координатам {В0, Ь0] и известным формулам [159,161] вычисляются гринвичские координаты {Х0, У0,10} начальной точки следа ЦЛВ на поверхности общего земного эллипсоида, затем длина ЦЛВ по формуле В00(^) = ^(Х0 — Х5(р0))2 + (У0 — УБ(^))2 + (10 — 15(^))2, а также начальные значения!0 ^о) = (Ь0х(10),Ь0у^0),Ь02(10))Т направляющих косинусов ортаЦЛВ:

м'о)-~ШГ- ()

В выражении (3.1), как и раньше, верхний индекс «0» в обозначении параметров означает, что они относятся к ЦЛВ, которая лежит на главной оптической оси ОЭСС, соединяющей главную точку ФП ОЭСС (геометрический центр ФПС ОЭСС) с координатами х=у=0 в системе координат ФП, центр проекции Б (центр масс КА) и заданную начальную точку маршрута съёмки, а нижний индекс «0» указывает на принадлежность параметров к поверхности общего земного эллипсоида. После этого находят значения модуля

2 2 2 1УКА(¿о)1=АХ5 () + У$ (^) + 1$ (^) вектора скорости движения КА и продольной составляющей К°ном = / )| = / • ^ КА(скорости движения (СД)

В (^о)

зарядовых пакетов (ЗП) в центре ФПС, где Б0( 10) - длина ЦЛВ от центра проекции Б до соответствующей точки земной поверхности.

При этом для учёта превышения точки земной поверхности над ОЗЭ длина

ЦЛВ О0°(10) корректируется (см. рисунок 2.7) в соответствие со схемой (2.23) и выражением

D°(t0) = D0°(t0)-AD,

(3.2)

где АБ вычисляется через найденные значения Ь0^*) и ЦМР по формулам (2.24) - (2.26). После этого рассчитываются угловые параметры съёмки а(г0), Дг0),

,ац^о)(И = 1,2,3), щ(О,®(0,^(0.

Расчёт начальных углов тангажа а(гй) и крена р(г0). Поскольку направляющие косинусы 1в оси Бъв в визирной системе координат связаны с её направляющими косинусами 1Орв орбитальной системе отсчёта соотношением

/10°рао)\ и»

Фом ) = ц«^] • (i'

у

(3.3)

подставим в (3.3) формулы (2.63) - (2.64), описывающие матрицу А(2\10), а также значения 1в = (0,0,1)Т. Получим:

Í ^оЛ / -sina(t0) \

1°ур(to) ) = ( cosa(to) sinp(to) ). \l°P(t0)/ \cosa(to) cosfl(to) J

Отсюда следует, что:

a(to) = -arcsml°v(to) ; fi(to) = arc tg

(3.4)

l°yP(to) i°zv(to) '

(3.5)

Подставим далее в формулу (2.54), описывающую взаимосвязь направляющих косинусов ЦЛВ в гринвичской и визирной системах координат, выражение (2.59) для матрицы А(10), положив в нём, что А(1) единичная матрица.

Í Т°

Lx(t0)

L°r (to)

L Z (to)

=- A(4XO A(3)(0 A(2)(to)

0! У

Пв \

l X

1В

l у

J В

V г У

(3.6)

Тогда с учётом (3.3) выражение (3.4) для нахождения направляющих косинусов ), ^(¿о), 1*2?(¿о) будет иметь следующий вид:

10уры ) = -И(3)МТ И(4)МТ- (^0)

(3.7)

Определение начального угла рыскания КА. Угол ) рыскания КА в момент времени 10 (рисунок 3.1) есть угол между нормалью У(1) к плоскости сканирования W и нормалью У(2) к плоскости орбиты.

Рисунок 3.1 - К определению угла рыскания КА

При этом плоскость сканирования W образуется радиус-векторами И0 = (Х0, У0,20)т и = (ХК, УК, 2К)Т точек ОЗЭ, определяющими начальную и конечную точку траекторию съёмки, а нормаль У(2) в момент времени 1:0 коллинеарна оси Бу орбитальной системы координат.

Из теории векторной алгебры [46] следует, что косинус угла между ортами векторов У(1) и У(2), исходящих из начала системы координат, равен сумме произведений их направляющих косинусов ( М(1\,М(1\,Ы(1\) и (Ы(2)х,Ы(2)у,Ы(2)2):

^х(^) = Ых(1) • Ых(2) + Ыу(1) • Ыу(2) + Ы2(1) • Ы2(2). (3.8)

Поскольку по условиям задачи геоцентрические координаты (Хо, Уо, 2о), (ХК, УК, 7К) начальной и последующей точек маршрута съёмки на поверхности общего земного эллипсоида известны, значения направляющих косинусов нормали У(1) находят в соответствие со следующими известными формулами [46]:

г

NX(» =

nX

(1)

(nxW)2+(nYW)2 + (nzW)2

NY(1) =

nY

(1)

NZ(1) =

(nx(1))2 + (ny(1))2 + (nZ(1))2

(3.9)

nZ

(1)

(nx(1))2+(nY(1))2 + (nz(1))2

В формулах (3.9) приняты следующие обозначения: пх(1) = cosB0sinL0sinBK - cosBKsinLKsinB0;

nY(1 = cosBKcosLKsinB0- cosB0cosL0sinBK; (3.10)

nz(1) = cosB0cosL0cosBKsinLK - cosBKcosLKcosB0sinL0. Направляющие косинусы нормали N^2) определяют, исходя из условия её коллинеарности с осью Sy орбитальной системы координат. Поскольку направляющие косинусы оси Sy в орбитальной системе координат описываются соотношением lSy = (0,1,0)Т, а в гринвичской - выражаются формулой LSy(t) = A4(t) • A3(t) • lSy, можно записать, что формулы для направляющих косинусов нормали N(2) имеют следующий вид:

Nx(22>= sinQsinicosS(t0) — cosQsinisinS(t0);

Ny(22>=—cosQsinicosS(t0) — sinQsini sinS(t0); (3.11)

Nz(2)= cos i.

Нахождение элементов матрицы направляющих косинусов A(to) и начальных значений юх (t0 (¿0) угловых скоростей КА. Для определения

элементов aij(t0)(i,j = 1,2,3) матрицы A(t0) используются формулы (2.59) -(2.70), а угловых скоростей сох(г0(г0)- выражения (2.109). При этом вид формул для определения составляющей Mz(t) угловой скорости КА зависит от вида режимов съёмки, описания которых представлены ниже (см. п.п.3.4.1 -3.4.4).

Второй этап. Расчёт программных значений ЭВО сканерного снимка в точках бортовых измерений на интервале съёмки.

Вначале, исходя из дискретности измерений параметров съёмки, формиру-

ется последовательность временных точек бортовых измерений { где к = 0,Н - порядковый номер точки. Далее задаются режим и траектория съёмки, для чего на поверхности общего земного эллипсоида прокладывается трасса съёмки и рассчитывается трасса КА (рисунок 3.2).

Рисунок 3.2 - Задание трасс КА и съёмки

Первая трасса задаётся в виде геодезических [B0h,L0h,H0h} и геоцентрических [X0h, Y0h,Z0h} координат точек следа ЦЛВ, причём в первом режиме съёмки (см. п.п.3.4.1) используется начальная (h=0) и конечная (И=К) точки маршрута съёмки, во втором - множество дискретных точек [hlh = 0, Н], в третьем - только начальная точка (h=0) выноса ЦЛВ. При этом расстояния Ah между точками по трассе съёмки во втором режиме выбираются в соответствие с выра-

Til ° °

жением Ah= |ККА| • Ath • cos Ас, где Ас - азимут съёмки. Порядок расчёта трассы КА приведен ниже в п.3.2.

Определение азимута трассы КА и съёмки. Азимут — это угол между направлением на север и траекторией движения объекта исследования, отсчитываемый по часовой стрелке в топоцентрической системе координат, начало которой расположено на земной поверхности в точке О начала траектории, плоскость OXY лежит в плоскости горизонта, причём ось OX направлена на север, а ось OZ - по нормали к земной поверхности [160]. В соответствие с этим будем

о о

здесь и далее различать азимут Ат трассы КА и азимут Ас съёмки. Под азимутом

h"ow-ж..)

Конечная точка маршрута съёмки

о

трассы КА будем понимать угол Ат между направлением на север и трассой КА (траекторией подспутниковых точек) в плоскости местного горизонта, а под ази-

о

мутом съёмки - угол Ас между направлением на север и траекторией следа ЦЛВ. Поскольку в первом приближении угол рыскания х(t) равен углу между трассой КА и следом ЦЛВ [145], можно записать следующее соотношение:

Ас( о=Ат( t)+x(t). (3.12)

Формула для расчёта азимута трассы КА имеет следующий вид [69-70]: Ат(t) = arc tg (tg u(t)cosi ). (3.13)

Из (3.12) следует, что для того, чтобы траектория съёмки (следа ЦЛВ) проходила по трассе КА (/3(t) =0) или параллельно ей (/3(t) =const), значение угла рыскания на всём интервале съёмки должно равняться нулю. После нахождения начальных значений угловых параметров и азимута съёмки в зависимости от вида режима съёмки выполняется вычисление их значений последующих точках бортовых измерений следующим образом: в режиме с изменяющимся азимутом съёмки - в соответствие с приведенной ниже (см.п.3.4.2) методикой построения замещающих моделей угловых ЭВО по начальной и конечной точке маршрута съёмки; в режиме с фиксированным азимутом съёмки - в соответствие с методикой построения замещающих моделей угловых ЭВО по заданной траектории маршрута съёмки (см. п.3.4.3); в режиме с фиксированным ракурсом съёмки - в соответствие с методикой построения замещающих моделей угловых ЭВО в режиме постоянного ракурса съёмки (см. п.3.4.4); в режиме тангажного отслеживания - см. п.3.4.5.

При этом в каждом режиме съёмки для получения программных значений линейных ЭВО может использоваться либо кеплеровская модель невозмущённого движения КА (см. п.3.2), либо геометрическая модель глобальных навигационных спутниковых систем (см. п. 3.3).

Третий этап. Структурно-функциональная организация моделей. Построение замещающих моделей ЭВО вида (1.14) - (1.15) производится путём аппроксимации программных значений ЭВО в точках бортовых измере -

ний и заключается в следующем. Полученные на предыдущем этапе программные значения Е(Ъо), Е(^), Е^),... ЭВО в точках 11, 12,... представляют собой дискретные значения соответствующей функции Е^) на интервале съёмки. Известно [202], что в этом случае с помощью метода наименьших квадратов всегда

можно определить такие параметры {%х1к = 0,^} многочлена

£*(1)=<Т0+С1- • (3.14)

которые с заданной точностью аппроксимируют дискретные значения функции E(t). При этом коэффициенты подбираются таким образом, чтобы сумма квадратов отклонений значений многочлена Е* (1) от значений функционала Е(1) в заданных точках ^ была минимальной, т.е. под условием ^¡[=0[Е*(^п) — Е^ь)]2 ^тт. Поскольку значения коэффициентов этого многочлена будут одинаковыми для всех строк маршрута изображения, эти коэффициенты и текущее время съёмки можно использовать в качестве параметров замещающей их модели для расчёта текущих значений ЭВО любой строки маршрута съёмки.

Учитывая изложенное, замещающие модели линейных и угловых параметров съёмки будут иметь следующий вид:

%*& /йх)\ !^(ху

уб*(?) =

/АО

%*(!)

*

Ъ (О =

*

А М

?0(Ю) +

0

+

и®

(Ъ(ху

(У)

12 +

(3.15)

г +

и?

(3.16)

а (г)Л Р (а) $0 $2(а)

Р\г) = (Р) $0 $2(Р)

х\г)) ( X) $0 $2( Х)

Г г0 1

г1

г2

V •)

(3.17)

С\г) ^ Г (*) С0 (*) с ) С2

* /- N С (г) = (У) С0 ( У ) с С2

* / \ С (г)) ( 2 ) С0 ( 2 ) с ) С2

(*) (У) (^)

Г г01

г1

г2

V •)

(3.18)

2

г

{ * Л а11 (г)

аЛ)

а1з*(? ) а21*(?)

а22*(? )

*

а23 )

аз1*(? )

*

а32 )

V азз*(? X

(11) 0 (12) 0

(13) 0 (21) 0

(22) 0

(2з) 0

(31) 0

(32) 0

(33) 0

(11) 1

(12) 1

(13) 1

(21) 1

(22) 1

(23) 1

(31) 1

(32) 1

(33)

(11) 2 (12) 2

(13) 2 (21) 2

(22) 2

(23) 2

(31) 2

(32) 2

(33) 2

С \

г0

г1 г2

V • у

(3.19)

Подставляя далее полученные выражения (3.15) - (3.19) в функциональные зависимости для геометрических и кинематических моделей СПЛ, содержащие угловые параметры съёмки (см. раздел 2), мы тем самым получаем новое качество этих моделей, позволяющее вычислять текущие значения параметров. Например, подставляя выражение (3.18) в формулу (2.54) для направляющих косинусов ЛВ, а полученный результат вместе с (3.15) в выражения (2.15), (2.17) -(2.19), (2.21), описывающие геометрическую модель СПЛ в формате «камера -общий земной эллипсоид», получим следующий вид этой модели:

и* и* и* и*

х0 = х8(г)+А (г) • ьх(г);

-о У/ ' ^0 У/ ^Х

И* и* и* и*

¥0 = у5(?)+) • 4 (г);

___ и* * *

70 = ^ (г)+) • 4 (г).

(3.20)

В выражении (3.20) приняты следующие обозначения:

" 4*(0 " Г /х(г) ]

>1< ) 1у (г) = —

* _ 4 (0 _ 1К (г) У V

а11*(г) а12*(г) а13*(г) а 21 (г ) а 22

(г) а

23 (г)

а31 (г) а 32

(г) а

33 (г)

1х(?) 1У (г)

V ^)

(3.21)

А* (г) = ■

■Ь

— 11 —

4а*■с*

где

2а*

2 2 2 £Х_(0+4_(0 + 4 (г)

(3.22)

а.;

К

с. = Х5*2(г) + *2(г) +

а..

2

7 (0