Литература

Лазерная локация земли и леса

6.4.Общие принципы проведения полетной калибровочной процедуры

6.4.1. Неизбежные малые ошибки в определении выставочных параметров XoYoZo проявляются в возникновении систематических постоянных погрешностей HE, RE, PE в данных, выдаваемых бортовым навигационным комплексом. Обычно значения таких погрешностей не превышают 2–3 мрад, и их определение в лабораторных условиях не представляется возможным. Это вынуждает проводить специальный аэросъемочный полет, в котором выполняется съемка эталонного (калибровочного) наземного объекта. По результатам камеральной обработки с помощью специальных математических процедур определяются поправочные значения REPEHE. Эти значения в дальнейшем могут использоваться в качестве поправок к угловым координатам носителя RPH, поставляемых навигационным комплексом, и таким образом повысить результирующую точность лазерно-локационных данных.

Для проведения калибровочной процедуры выбирается наземный объект значительных размеров, по возможности правильной геометрической формы. Как правило, используются промышленное здание, ангар и т.п. Положение калибровочного объекта предварительно точно определяется наземными геодезическими методами.

В ходе калибровочной процедуры выполняется серия аэросъемочных залетов над выбранным объектом. Смысл этой операции состоит в том, что наличие ненулевых погрешностей HEREPE вызывает те или иные отклонения лазерно-локационного изображения объекта по отношению к его истинному положению. Так, при наличии положительной погрешности по углу тангажа RE изображение здания прямоугольной формы будет смещаться по направлению полета. Величина линейного смещения simbol_37.pngS может быть измерена как разность координат стены здания на изображении и истинных геодезических координат, либо как половина разности координат стены с двух изображений, полученных на встречных курсах. Если достоверно известно, что две другие составляющие погрешности равны нулю, то значение PE может быть определено по формуле:

formula_77.png

где H – высота полета в метрах.

Аналогично определяются значения RE и HE. Для их вычисления в рамках калибровочной процедуры используются специальные типы заходов, которые будут рассмотрены ниже.

Рассмотрим основные требования к выбору стандартного калибровочного объекта и режимов съемки:

  1. калибровочный объект должен иметь значительные размеры (более 100 м). Это позволяет обеспечить хорошее покрытие калибровочного объекта ЛЛ данными с типовых высот H в 400/600 м, используемых при калибровке;
  2. калибровочный объект должен иметь хорошо определенные боковые грани с четкими кромками, так как именно по кромкам наиболее точно определяется смещение simbol_37.pngS. Кромка здания должна быть свободна от всех образований, способных снизить четкость ее ЛЛ изображения, а именно перил, рифленого металлического покрытия и т.п.;
  3. при выборе высоты полета следует руководствоваться следующими соображениями. Большее значение высоты полета H позволяет получить пропорционально большее значение отклонения simbol_37.pngS и тем самым повысить чувствительность и результирующую точность. С другой стороны, чрезмерное увеличение H создает трудности по пилотированию в части выхода на калибровочный объект и устойчивости по крену;
  4. также при выборе высоты H и скорости полета V следует иметь в виду значение среднего интервала сканирования, т.е. среднего расстояния между смежными лазерными точками, которое, естественно, лимитирует максимальную точность измерения simbol_37.pngS и соответственно угловых поправок.

Возможны два основных метода калибровки:

  1. cтандартный;  
  2. автоматический.

В стандартном методе в качестве калибровочного объекта, как правило, используется крупное промышленное здание. Величины поправок HE, RE, PE  определяются оператором в результате итерационной процедуры, предполагающей многократный пересчет ЛЛ изображений калибровочного объекта с различными значениями поправок.

При автоматическом методе в качестве калибровочного объекта используется провод одного пролета ЛЭП. В силу того, что провод ЛЭП является полностью математически определенным объектом, в этом случае удается полностью автоматизировать процесс подбора поправочных параметров HEREPE. Кроме того, удается получить статистические оценки точности и достоверности значений поправок. Выполнение калибровочной процедуры в общем случае включает этапы, показанные в таблице 16.

6.4.2. Вне зависимости от используемого типа калибровочной процедуры на этапе камеральной обработки данных необходимо выполнить ряд подготовительных мероприятий, обеспечивающих возможность перехода непосредственно к подбору значений поправок.

Главная функция программного обеспечения, используемого на этом этапе, заключается в обеспечении каждой лазерной точки изображения набором данных, однозначно определяющих направление коррекции положения этой лазерной точки в геодезическом пространстве под влиянием введения малых значений поправок simbol_37.pngHEsimbol_37.pngREsimbol_37.pngPE.

Траекторные данные представляют собой две дискретные последовательности – последовательность координат GPS антенны носителя formula_78.pngчастота которой составляет 1–20 Гц, и последовательность углов пространственной ориентации сенсора IMU formula_79.png, частота которой в зависимости от модели лидара составляет 50–200 Гц.

Таблица 16. Этапы работ при выполнении калибровочной процедуры
Этап Содержание
1. Выбор калибровочного объекта Как правило, предполагает выполнение летных рекогносцировочных работ по выбору калибровочного объекта необходимого размера и формы
2. Наземная геодезическая съемка (необязательный этап) Выполнение плановой наземной геодезической съемки всех характерных элементов калибровочного объекта. Обычно выполняется GPS средствами. Этот этап может быть пропущен при выполнении калибровки в автоматическом режиме, либо когда отклонение DS определяется по разности двух ЛЛ изображений, полученных на встречных курсах
3. Аэросъемка калибровочного объекта Выполняется серия аэросъемочных проходов над калибровочным объектом. Направление проходов и режимы сканирования выбираются в соответствии с типом калибровочной процедуры
4. Камеральная обработка результатов съемки Включает программную обработку результатов съемки калибровочного объекта, определение значений поправок HE, RE, PE. Методика обработки принципиально различается для стандартного и автоматического методов

Последовательность замеренных наклонных дальностей simbol_38.png и углов фазы сканирования simbol_39.png имеют частоту равную основной частоте сканирования конкретного локатора с учетом возможности регистрации более одного импульса за акт сканирования, т.е. находится в диапазоне 5–100 кГц.

Каждая лазерная точка P характеризуется своими пространственными координатами XpYpZp и временем регистрации tp. Функции базового программного обеспечения с учетом введенных определений могут быть сформулированы следующим образом:

1. Путем совместного анализа последовательностей данных необходимо сопоставить каждой лазерной точке калибровочного объекта {Xp, Yp, Zp, tp} значения пространственных и угловых координат носителя с учетом значения угла сканирования, приведенных к точке сканирования (рис. 54).

pic_54.png
Рисунок 54. Пространственные данные, сопоставляемые по каждой лазерной точке при проведении калибровки

На рисунке значения координат Xm*Ym*Zm* соответствуют точке сканирования в момент регистрации лазерной точки P, а значения Pm*, Rm*, Hm* есть углы ориентации IMU в этот момент.

2. После того, как соответствие установлено, могут быть аналитически определены единичные векторы simbol_40.pngHsimbol_40.pngRsimbol_40.pngP, соответствующие элементарным движениям точки P под воздействием коррекции соответственно углов HRP, так что новое исправленное положение P* может быть определено по формуле: PP + simbol_40.pngHsimbol_37.pngH + simbol_40.pngRsimbol_37.pngR + simbol_40.pngPsimbol_37.pngP.

Представим математическое обоснование приведенных функций базового программного обеспечения. При выполнении синхронизации потоков данных выполняется билинейная интерполяция последовательностей {X_a.pngi, Y_a.pngi, Z_a.pngi, ti} и {R_a.pngj, P_a.pngj, H_a.pngj, tj} для определения значений, соответствующих моменту tP. Так, для двух значений временных отметок titi+1, таких что ti < tpsimbol_41.pngti+1 имеем:

formula_80.png

Аналогично определяются все остальные значения – Y*a, Z*a, Pm*, Rm*, Hm*. Значения наклонной дальности Dp и фазы сканирования aPмогут быть определены непосредственно по полетным данным, так как всегда имеется однозначное соответствие между каждой лазерной точкой P и соответствующими значениями.

Следует иметь в виду следующее. Полученные таким образом значения Pm*Rm*Hm* являются окончательными в том смысле, что они непосредственно могут быть использованы при расчете смещений simbolHsimbol_40.pngRsimbol_40.pngP. В то же время значения X*aY*aZ*aопределяют положение антенны и их необходимо привести к точке сканирования. Обозначая через simbol_42.png = A*, YA*, ZA*} и через simbol_43.png= {Хm*, Ym*, Zm*}, такое приведение может быть выполнено по следующей формуле:

formula_81.png

Задача определения элементарных векторов simbol_40.pngHsimbol_40.pngRsimbol_40.pngP может быть решена чисто аналитически.

Понятно, что искомые векторы могут быть выражены как:

formula_82.png

6.4.3. Рассмотрим стандартный метод калибровки. Как указано выше, при выполнении стандартной калибровки в качестве калибровочного объекта используется крупное здание. Залеты выполняются с высот 400–600 м по схеме, изображенной на рисунке 55.

pic_55.png
Рисунок 55. Схема проведения залетов при выполнении стандартной калибровки

Используются по меньшей мере 6 результативных проходов, по два для контроля ошибки по тангажу – P, по крену – R и по курсу – H (рис. 55).

Для обработки данных калибровочного полета может использоваться, например, специализированная версия программного пакета ALTEXIS. В качестве входных используются следующие виды данных:

  1. лазерно-локационные данные в ALX формате, т.е. совокупность лазерных точек, полученных в ходе калибровочного полета;
  2. траекторные GPS данные, зарегистрированные бортовым GPS приемником;
  3. данные по угловой ориентации носителя, зарегистрированные бортовым навигационным комплексом;
  4. выставочные параметры взаимного положения точки сканирования, сенсора IMU и GPS антенны;
  5. цифровой ортотрансформированный и геопривязанный аэроснимок калибровочного объекта, полученный в ходе выполнения калибровочного полета (может использоваться в качестве опции).

Процесс программной обработки при выполнении калибровки стандартного типа может быть разбит на три этапа:

  • ввод входных данных, проверка их целостности и полноты;
  • преобразование последовательностей данных к виду, описанному выше;
  • итерационный пересчет выбранного фрагмента данных с различными значениями simbol_37.pngHsimbol_37.pngRsimbol_37.pngP. Коррекция пространственного положения каждой лазерной точки осуществляется в соответствии с представленными выше формулами.

Подбор значений поправок simbol_37.pngHsimbol_37.pngRsimbol_37.pngP осуществляется оператором, исходя из общих представлений о характере смещений, вызываемых ошибкой того или иного вида, а также на основании геометрических замеров.

Благодаря использованию описанного программного обеспечения процедура пересчета нового положения лазерных точек после применения очередных значений simbol_37.pngHsimbol_37.pngRsimbol_37.pngPне занимает значительного времени (как правило, не более нескольких секунд). Поэтому оператор может свободно выполнить десятки итераций по качественному подбору калибровочных параметров.

При реализации автоматического метода определение значений поправок simbol_37.pngHsimbol_37.pngRsimbol_37.pngпроисходит без участия оператора. Как уже отмечено выше, роль калибровочного объекта играет один пролет ЛЭП.  Используется такая же, как и при стандартном методе, схема из шести залетов. По данным каждого залета программа распознает группу лазерных точек как связный объект – провод ЛЭП, положение которого в пространстве описывается законом цепной функции. Такой подход позволяет автоматизировать процедуру нахождения поправок simbol_37.pngHsimbol_37.pngRsimbol_37.pngP, так как мы имеем шесть хорошо определенных математических объектов – уравнения цепных функций, описывающих один и тот же провод по данным залетов. Также имеется четкий критерий поиска – минимизация невязок пространственного положения всех этих шести математических объектов. С использованием численных математических методов удается реализовать как определение самих значений поправок simbol_37.pngHsimbol_37.pngRsimbol_37.pngP, так и доверительных интервалов для этих значений.