Литература

Лазерная локация земли и леса

4.2. Системы прямого геопозиционирования

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

С учетом представленных общих соображений перейдем к обсуждению названия «Интегральные навигационные комплексы GPS/IMU» и попробуем ра-зъяснить. Термин GPS, не нуждается в комментариях, а подробные разъяснения по этому вопросу представлены ниже. Аббревиатура IMU есть Inertial Measurement Unit, или в переводе Инерциальное Измерительное Устройство. (Прим.: С середины 60-х годов прошлого века в отечественной технической литературе принят термин «Инерциальная система». Однако, по двум причинам,   было бы не вполне корректно утверждать, что Инерциальная система в советском и нынешнем российском понимании это и есть IMU. Во-первых, кроме IMU широко употребляется термин INS, Inertial Navigational System. Последний значительно ближе к «инерциальным системам» как синтаксически, так и по существу. Во-вторых, наличие GPS, как это будет показано ниже, слишком существенно определяет принципы функционирования и характер получаемых данных систем, о которых идет речь. Поэтому сравнивать их с приборами «доGPSной» эпохи неразумно). В процессе GPS и IMU как физические устройства работают полностью автономно и независимо друг от друга, каждый по-своему решая одну и ту же навигационную задачу. Однако, интегральное навигационное решение рождается в процессе совместной обработки данных этих двух источников. Смысл такого совмещения состоит в том, что в результате такого совмещения удается преодолеть существенные ограничения (о которых речь ниже) обоих источников, и добиться принципиально нового качества выходных данных, прежде всего по точности. В этом смысле GPS и IMU составляют комп-лекс. Наконец, последний термин из названия системы, который нуждается в разъяснении – «навигационные». Принимая во внимание сказанное ранее, отметим, что в данном конкретном случае термин «навигационные» следует трактовать широко. Т.е. речь идет о комплексах, которые с одинаковым успехом могут использоваться для решения, во-первых, задач чисто навигационных,  и, во-вторых, задач геодезических, аэрогеодезических и топографо-геодезических. Одним из возможных приложений таких систем и является прикладная лазерная локация.

Историческое отступление:

Обращение к истории – всегда было эффективным инструментом анализа. Оба важнейших компонента и GPS, и IMU имели свои собственные богатые истории и традиции до того как встретиться и начать работать вместе. Интересующимся историей GPS можно порекомендовать книгу (Шануров, Мельников, 2001), которая отличается полнотой, убедительностью и ясностью изложения. История инерциальной навигации значительно длинней и интересней, однако пересказать ее в рамках короткой исторической справки не представляется во-зможным. Поэтому перейдем сразу к выводам: 1) К концу XX века уже полностью разработана теория использования гироскопов и акселерометров для задач определения пространственного положения движущихся платформ, а также пройденного ими пути, скоростей и ускорений. Решение подобных задач и составляет предмет инерциальной навигации. В практическом плане развитие этой прикладной науки привело к появлению таких хорошо известных приборов как авиагоризонт, гирокомпас, гировертикаль, гироплатформа и др. 2) В последние годы имеют место значительные технологические достижения в части раз-работки немеханических гироскопов, которые отличаются от механических бо-льшей точностью и надежностью за счет отсутствия движущихся частей. Здесь речь идет, прежде всего, о так называемых кольцевых лазерных и волоконно-оптических гироскопах. Гироскопы именно этих типов применяются в интегра-льных навигационных комплексах авиационного применения POS/AV производства канадской компании Applanix, и системах AeroControl германской компании IGI, признанных мировых лидеров в этой области.

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

Пока остается не раскрытым, возможно, главный вопрос настоящего исследования – в чем смысл появления интегральных навигационных систем? Почему до недавнего времени человечество с успехом обходилось традиционными средствами инерциальной навигации? Однако есть все основания полагать, что  появление таких систем, конечно же, не случайность, а веление времени, следствие естественного развития науки и технологии, а также радикального изменения требований к качеству и оперативности поставки любых геопространственных данных.

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

Таблица 12. Точности определения параметров GPS/IMU комплексом авиационного базирования POS/AV 510 компании Applanix
Параметр Значение точности (1s)
Абсолютные геодезические координаты, м 0.05–0.30
Скорость, м/с 0.005
Крен и тангаж, градусы 0.005
Курс, градусы 0.008

Представленные в таблице значения точности могут быть достигнуты только по результатам полного курса наземной постобработки дифференциальных GPS и инерциальных данных. Соответствующие значения точности реального времени несколько хуже представленных в таблице, хотя тоже весьма убедительны. Здесь стоит упомянуть, что продукты компании Applanix активно эксплуатируются на российском рынке начиная с 1997 г., и поэтому приведенные цифры заслуживают доверия – они подтверждены результатами практической деятельности многих российских компаний, таких, например, как «Оптэн» или «Геокосмос». Уже одни эти цифры, без каких либо дополнительных комментариев, позволяют ответить на вопрос: «Зачем нужны GPS/IMU системы прямого геопозиционирования»?

Рассмотрим следующий пример. Установим систему POS/AV 510 (рис. 30) на самолет-аэрофотосъемщик вместе с аналоговым или цифровым аэрофотоаппаратом и будем использовать ее показания в качестве элементов внешнего ориентирования. Легко убедиться, что результирующая ошибка геопозиционирования при этом составит примерно 1/10000 от высоты съемки, т.е., например, 20 см при высоте 2000 м. Если в качестве аэросъемочного средства выбрана одна из самых достойных цифровых камер Vexcel UltraCAM-D (результирующий кадр 86 мегапикселей!), то при ее параметрах «Размер пиксела матрицы приемника» – 9 мкм и «Фокусное расстояние»  – 100 мм, имеем размер элемента разрешения на уровне земли 18 см. Путем этих несложных арифметических выкладок мы достигли первого главного вывода: Использование современных навигационных комплексов типа GPS/IMU позволяет обеспечить точность геопозиционирования цифровых аэрофотоснимков на уровне одного пиксела. Причем это верно для цифровых камер самого высокого разрешения, к которым кроме упомянутой UltraCAM-D следует отнести DMC компании Z/I Imaging и ADC-40 компании Leica Geosystems (последняя, строго говоря, является сканером). Что касается среднеформатных метрических камер (в настоящее время к таковым в основном относят приборы с приемником емкостью 16–22 мегапиксела) то для них предлагаемая точность попадает уже на субпиксельный уровень. Приведенный пример объясняет происхождение другого набирающего популярность названия интегральных GPS/IMU комплексов – системы прямого геопозиционирования, которое наиболее точно описывает их роль в аэрофототопографии и в авиационном дистанционном зондировании вообще.

pic_30.jpg
Рисунок 30. Интегральный навигационный GPS/IMU комплекс POS/AV 510 компании Applanix

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

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

formula_67.png

где H – высота съемки.

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

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

Теперь можно более строго определить понятие системы прямого геопозиционирования, которое часто используется для обозначения интегральных GPS/IMU комплексов, когда речь идет об их геодезическом или аэрогеодезическом применении. Здесь наиболее важен термин «прямого», так как термин «геопозиционирование» и его связь с навигацией подробно обсуждались выше. Итак, предлагаемый метод геопозиционирования является прямым, прежде всего, в сравнении со стандартной  фотограмметрической процедурой геопозиционирования аэрофотоснимков, которая, как известно, включает следующий набор операций: выделение наземных опознаков и определение их геодезических координат, определение связующих точек на стереопарах, развитие и уравнивание фототриангуляционной сети, создание свободной модели и ее масштабирование. Т.е. при традиционном подходе общая задача геопозиционирования решается за счет последовательной реализации нескольких технологических процедур, каждая из которых достаточно трудоемка. Важно также заметить, что хотя и современные фотограмметрические компьютерные технологии обеспечивают значительную степень автоматизации, тем не менее, участие оператора практически на всех стадиях описанного цикла существенно, что может явиться дополнительным источником ошибок при недостаточной квалификации персонала.

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

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

  1. Создание первых GPS/IMU систем в начале 90-х годов прошлого века явилось важнейшей технологической предпосылкой появления воздушных аэросъемочных лидаров в их нынешнем виде. Именно использование GPS/IMU данных позволило корректно представлять данные лидарной съемки в геодезических координатах с вполне определенными количественными гарантиями точности, т.е. способствовало превращению авиационных лидаров из средств дистанционного зондирования (в основном, военного назначения) в средства топографического картирования. Современный аэросъемочный лидар в столь значительной степени не мыслим без GPS/IMU комплекса, что даже конструктивно эти два прибора неотделимы друг от друга (точнее один включает в себя другой).
  2. Идеология использования GPS/IMU систем при съемке с любых движущихся платформ (летательных аппаратов, морских и речных судов, поездов, вообще любых движущихся платформ) предполагает их полностью автономное функционирование от съемочного оборудования. Это чрезвычайно важное обстоятельство позволяет использовать такие системы в паре с практически любыми источниками геопространственных данных, в частности с любыми аэросъемочными средствами – аналоговыми и цифровыми аэрофотоаппаратами, радиолокаторами, инфракрасными и спектрозональными приборами и др. Так, нет никакой необходимости аппаратно «сопрягать» классический пленочный аэрофотоаппарат с GPS/IMU системой POS/AV 510. В процессе аэросъемки эти приборы могут работать совершенно независимо на аппаратном уровне. Необходимо обеспечить только их синхронность или более точно временную определенность событий, чего в нынешних условиях нетрудно добиться благодаря использованию GPS/GLONASS технологий. Применительно к аэрофотоаппарату последнее требование означает, что время совершения каждого аэрофотоснимка должно быть определено во временной шкале, единой с POS/AV комплексе. На практике это достигается регистрацией импульса срабатывания затвора аэрофотоаппарата через один из специальных EVENT входов комплекса. Аналогично может быть выполнена синхронизация с практически любым аэросъемочным средством в том числе а авиационным лидаром.
  3. Использование GPS/IMU данных в аэрофототопографии представляется наиболее интересным как с теоретической, так и с практической точек зрения. Здесь возможны два подхода. В первом случае данные, поставляемые GPS/ IMU комплексом используются непосредственно в качестве элементов внешнего ориентирования аэрофотоснимков для выполнения стереофотограмметрического восстановления рельефа, ортотрансформирования и окончательного геопозиционирования снимков. Во втором случае, GPS/IMU используются только в качестве начального приближения, по которому осуществляется поиск еще более точных значений элементов внешнего ориентирования. В любом случае, наличие GPS/IMU данных оказывается очень полезным – в первом случае вообще удается избежать процедуры построения фототриангуляционной сети и ее уравнивание, а во втором случае, благодаря наличию достаточно точной априорной информации по элементам внешнего ориентирования в блоке или маршруте, алгоритм уравнивания становится более устойчивым, а выходные данные более достоверными и точными.
  4. Большое практическое значение имеет также то очевидное обстоятельство, что одна GPS/IMU система может обслуживать одновременно несколько аэросъемочных средств. Наиболее характерный пример это лидар и цифровой аэрофотоаппарат (рис. 31).
    pic_31.jpg
    Рисунок 31. Совместное использование аэросъемочного лидара ALTM и цифрового аэрофотоаппарата

    При такой схеме использования задействованным оказывается GPS/IMU комплекс, который штатно входит в состав лидара. Требуется только обеспечить взаимную неподвижность в процессе съемки сканерного блока и фотоаппарата, а также точно определить их взаимное пространственное положение (выставку). И того и другого можно добиться расположив оба прибора как можно ближе друг к другу на единой жесткой раме. Чем больше удаление аэросъемочного прибора от сенсора инерциальной системы, тем в общем случае для этого прибора менее пригодны GPS/IMU данные, из-за неизбежных деформаций корпуса летательного аппарата. Поэтому для крупных аэросъемочных летающих лабораторий, таких, например, как АН-30, приходится использовать по одной GPS/IMU системе для каждого отдельного аэросъемочного прибора, что, конечно, значительно дороже.