Содержание к диссертации
Введение
1. Фотограмметрическая обработка космических сканерных снимков: состояние вопросов, выбор направлений и обоснование задач исследования 20
1.1. Роль и место КС ДЗЗ в формировании геопространственной инфраструктуры современных государств и тенденции их развития 20
1.2. Анализ существующих подходов к организации ФгО космических сканерных снимков на основе бортовых измерений 27
1.3.Съёмочная аппаратура ОЭСС: принципы действия, топология, режимы и фотограмметрические особенности съёмки 39
1.4.Особенности построения координатного пространства в ОЭСС 48
1.5.Общая математическая постановка проблемы и структурно логическая схема её решения 54 Выводы 60
2. Разработка математических моделей построения, дрейфа и углового движения связки проектирующих лучей в оптико-электронных сканирующих системах 63
2.1.Координатно-временная модель формирования геометрической структуры пикселей маршрута сканерной съёмки 63
2.2. Геометрические модели СПЛ в обратной схеме построения космических сканерных изображений 70
2.2.1.Формат «снимок-камера» 70
2.2.2.Векторно-матричное уравнение коллинеарности элементов СПЛ 70
2.2.3.Формат «камера-общий земной эллипсоид» 74
2.2.4.Формат «общий земной эллипсоид-земная поверхность L» 77
2.2.5.Формат «общий земной эллипсоид-референц-эллипсоид L» 79
2.3.Геометрическая модель СПЛ в прямой схеме построения
космических сканерных изображений 85
2.3.1.Формат «земная поверхность-камера» 85
2.3.2. Формат «камера-снимок» 90
2.4.Кинематические модели СПЛ на интервале съёмки 91
2.4.1. Модель матрицы направляющих косинусов СПЛ 91
2.4.2. Модель углового движения СПЛ 101
2.4.3. Модель дрейфа СПЛ в фокальной плоскости ОЭСС 109
2.5. Модель программного углового движения КА 111
Выводы 112
3. Разработка методов и методик построения замещающих моделей элементов внешнего ориентирования и автономной фотограмметрической обработки космического сканерного снимка 117
3.1.Метод построения замещающих моделей ЭВО сканерного снимка 117
3.2.Методика построения замещающих моделей линейных ЭВО сканерного снимка по элементам кеплеровской орбиты 126
3.3.Методика построения замещающих моделей линейных ЭВО сканерного снимка по навигационным данным 131
3.4. Методики построения замещающих моделей угловых ЭВО сканерного снимка в различных режимах съёмки 133
3.4.1.Общий подход к моделированию угловых ЭВО сканерного снимка 133
3.4.2. Режим с изменяющимся азимутом съёмки 135
3.4.3. Режим с постоянным азимутом съёмки 140
3.4.4. Режим с фиксированным ракурсом съёмки 143
3.4.5. Режим съёмки с тангажным отслеживанием 144
3.5.Метод автономной ФгО сканерного снимка 148
Выводы 155
4. Исследование качества построения замещающих моделей элементов внешнего ориентирования космического сканерного снимка 158
съёмк4и. 1 М е тод и че ска я сх ем а и сс ле дования 158
4.2.Обоснование показателей качества построения замещающих моделей ЭВО сканерного снимка 159
4.3.Структурно-функциональная схема программного комплекса построения и исследования замещающих моделей ЭВО сканерного снимка. 164
4.4.Исследование влияния кинематики параметров съёмки на качество построения замещающих моделей ЭВО сканерного снимка 168
4.4.1.Особенности кинематики и оценка ошибок аппроксимации координат и скоростей КА 169
4.4.2.Особенности кинематики угловых ЭВО сканерного снимка в различных режимах съёмки 175
4.4.3.Оценка качества построения замещающих моделей ЭВО сканер ного снимка при различной степени ап проксимирующих полиномов. 197
Выводы 201
5. Разработка и исследование методик автономной фотограмметрической обработки космического сканерного снимка, полученного в различных режимах съёмки 203
5.1.Автономная ФгО сканерного снимка, полученного в режиме с изменяющимся азимутом съёмки 203
5.2. Автономная ФгО сканерного снимка, полученного в режимах с постоянным азимутом и фиксированным ракурсом съёмки 211
5.3.Требования к точности измерения выходных параметров модели наблюдения 217
5.4.Методика построения макетного сканерного снимка 219
5.5.Оценка показателей качества автономной ФгО сканерного снимка 231
Выводы 246
Заключение 249
Библиографический список
- Анализ существующих подходов к организации ФгО космических сканерных снимков на основе бортовых измерений
- Геометрические модели СПЛ в обратной схеме построения космических сканерных изображений
- Методики построения замещающих моделей угловых ЭВО сканерного снимка в различных режимах съёмки
- Автономная ФгО сканерного снимка, полученного в режимах с постоянным азимутом и фиксированным ракурсом съёмки
Введение к работе
Актуальность исследования. Вместе с тем в трудах отечественных и зарубежных учёных недостаточно исследованы вопросы организации фотограмметрической обработки космических сканерных снимков в условиях отсутствия или снижения качества информации, получаемой от спутниковых навигационных и бортовых астроизмерительных систем, а также об опорных точках местности в районе съёмки. Будем называть фотограмметрическую обработку снимков автономной, если при этом не используется топогеодезическое и внешнее астронавигационное обеспечение. Актуальность исследования вопросов автономной фотограмметрической обработки снимков 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 случаях, которые назовём нештатным функционированием внешних навигационных систем, происходит существенное снижение точности навигации и ориентации КА ДЗЗ. Например, через один час автономного функционирования современных бесплатформенных инерциальных навигационных систем (БИНС) 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 определения ЭВО снимков на интервале съёмки в случае отсутствия опорных точек местности могут существенно снизить точность оперативной геопривязки.
Таким образом, существует противоречие между объективной необходимостью повышения точности оперативной геопривязки результатов ДЗЗ в условиях нештатного функционирования внешних навигационных систем и воз-
можностями существующих методов фотограмметрической обработки космических сканерных снимков при отсутствии в районе съёмки опорных точек местности. Это противоречие обусловливает научную проблему повышения точности фотограмметрической обработки космических сканерных снимков в условиях 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 топогеодезической информации о районе съёмки.
Задачи. Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:
1 .Провести анализ состояния вопросов фотограмметрической обработки
космических сканерных изображений по бортовым измерениям.
2.Разработать комплекс математических моделей, обеспечивающих математическое описание процессов формирования и внешнего ориентирования связки проектирующих лучей для режимов маршрутной съёмки с программным сканированием линии визирования.
3. Разработать методы 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 методику построения макетных снимков местности и оценить качество фотограмметрической обработки 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 Maplnfo 10.1, ЦМР SRTM.
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 Maplnfo 10.1, ЦМР SRTM. Обоснованность положений диссертации подтверждается государственной экспертизой Федеральной службы интеллектуальной собственности (Роспатент), а также глубиной и аргументированностью теоретических разработок, целостностью, структурной логичностью и завершённостью предмета исследования.
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 в различных режимах съёмки по информации, получаемой от бортовых измерительных систем.
5.Мето дика построения макетных снимков местности, отличающаяся дополнительными 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, имеет методологическое значение и заслуживает отображения в учебной литературе.
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 ре-
зультатов дистанционного зондирования Земли, обеспечивающие повышение точности оперативной геопривязки космических сканерных снимков в различных режимах съёмки в условиях нештатного функционирования спутниковых навигационных систем и звёздных датчиков без использования опорных точек местности.
5.Методика построения макетных снимков местности, основанная на синтезе трёхмерной цифровой модели 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 АО «НИИ ТП» - в НИР и ОКР, связанных с созданием единой тер-риториально-распределённой информационной системы дистанционного зондирования; 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 СПИИРАН - в НИР на специальные темы, связанных с автоматизацией технологических процессов обработки аэрокосмической информации; в ЮЗГУ - 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».
Публикации и апробация. Основные результаты выполненных исследований опубликованы в 47 научных работах, включая 25 статей в изданиях, входящих в перечень рецензируемых российских и зарубежных научных журналов, рекомендуемых ВАК, докладывались на четырёх международных и пяти всероссийских научно-практических конференциях. Получены три патента на изобретения и пять свидетельств о регистрации электронного ресурса.
Личный вклад соискателя. Все выносимые на защиту научные положения разработаны соискателем лично. В научных работах по теме диссертации, выполненных в соавторстве, лично соискателем разработаны: в [1,5,9] - методология обработки одиночных космических снимков, в [2-4] - методология математического описания различных режимов космической сканерной съёмки, в [6-8, 10,13] - геометрические и кинематические модели СПЛ, в [11,13-15,23-25] -показатели качества построения и уточнения параметров замещающих моделей ЭВО космического сканерного снимка.
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения, библиографического списка, включающего 239 наименования, в том числе 44 зарубежных источника, и двух приложений. 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.
Анализ существующих подходов к организации ФгО космических сканерных снимков на основе бортовых измерений
Разрешающая способность съёмочной аппаратуры. Постоянное улучшение разрешающей способности является основной тенденцией развития ОЭСС на протяжении всего периода их существования и развития. Началом новой эпохи в области ДЗЗ с полным правом считается вывод на орбиту в сентябре 1999 г. первого коммерческого КА ДЗЗ Ikonos-2 с пространственным разрешением 1м, затем последовали запуски других американских КА, а именно QuickBird (2001) и OrbView-3 (2003) с разрешением соответственно 0,61 м и 1 м. Для широкого круга потребителей стала доступна информация, которая ранее использовалась только в военных целях. В 2006-2007 гг. на орбиту были выведены и приступили к работе КА ДЗЗ других стран с оптико-электронной аппаратурой сверхвысокого (субметрового) разрешения: EROS-A (Израиль, до 0,7 м), «Ресурс-ДК1» (Россия, до 0,8 м), KOMPSAT-2 (Корея, 1 м), CARTOSAT-2 (Индия, 0,79 м). В конце 2007 г. начал работу американский КА WorldView-1 (0,45 м, компания DigitalGlobe), который открыл эпоху коммерческих спутников сверхвысокого разрешения. Потребителям стала доступна панхроматическая цифровая информация с разрешением 0,5 м.
Тенденции дальнейшего постоянного увеличения разрешающей способности космических систем оптико-электронного наблюдения отчетливо видны как в сегменте высокопроизводительных КК ДЗЗ с большой полосой захвата (QuickBird-2, WorldView-1, GeoEye-1, WorldView-2), так и среди малогабаритных КК с малой полосой захвата (EROS-A, EROS-B, OrbView-3, CARTOSAT-2). Пространственное разрешение в первой группе увеличилось за 10 лет от 1 м до 0,41 м, а во второй – с 1,9 м до 0,7 м. Наивысшие характеристики у новых американских спутников сверхвысокого разрешения: WorldView-1, GeoEye-1 и WorldView-2, среди которых лучшее разрешение имеет КА GeoEye-1 — 0,41 м. Потенциал, заложенный в технических решениях этих КА наблюдения, позволяет реализовать еще более высокие характеристики. Сообщается о проекте КА GeoEye-2 с разрешением 0,25 м.
Полоса захвата и производительность съёмки. Полоса захвата ОЭСС является одной из важнейших характеристик съемочной аппаратуры высокопроизводительных КК ДЗЗ высокого и сверхвысокого разрешения. Этот параметр напрямую связан с производительностью съемки, которая характеризует снимаемую площадь и количество добываемой информации. Ширина полосы захвата определяется рабочим полем зрения оптической системы съёмочной аппаратуры, а также общей длиной строки фоточувствительной структуры ОЭСС. Анализ данных таблицы 1.2 показывает неуклонную тенденцию роста суммарной длины строки фотоприемников на матрицах ПЗС. С ростом длины строки и информационной производительности, как видно из сравнения данных таблиц 1.1 и 1.2, увеличивается масса оптико-электронной аппаратуры и спутников ДЗЗ в целом. С переходом в класс сверхвысокого разрешения, спутники ДЗЗ существенно тяжелеют. Так, если масса КА IKONOS и QuickBird-2 составляла 720 и 981 кг соответственно, то масса КА GeoEye-1 составляет 1955 кг, WorldView-1 — 2500 кг, а WorldView-2 — 2800 кг. Это происходит потому, что кроме повышения информационной производительности (разрешения и длины строки фотоприемников), дополнительные ресурсы веса КА используются на обеспечение высокой динамики спутника при съемке и высокой точности геопривязки получаемых снимков.
Точность геопривязки. Высокая скорость разворотов КА позволяет быстро перенацеливаться при осуществлении съемки. Если спутнику QuickBird требовалось для перенацеливания на 300 км в полосе обзора по поверхности Земли 62 секунды, а КА IKONOS — 18 секунд, то для этой же задачи КА QuickBird-2 требуется 10 секунд, а WorldView-2 — только 9 секунд. Понятно, что высокая скорость разворотов КА обеспечивает либо меньший ракурс съёмки последующего участка и, соответственно, меньшую степень искажений, либо большую дальность перенацеливания в полосе обзора. Высокая динамика спутников GeoEye-1, WorldView-1 и WorldView-2, высокая производительность, высокая точность геопривязки получаемых снимков — около 3 м (СКО) без использования опорных точек, обеспечиваются применением новой системы трехосной стабилизации и новой системы астроориентации на основе звездных датчиков, которая ранее не использовалась для обеспечения гражданских КА. Точность определения угловой ориентации составляет 0,4 угловых секунд при точности наведения 75 угловых секунд и точности стабилизации угловой скорости 0,007 угловых секунд /с. Угловая скорость перенацеливания достигает 4,5 градусов/сек для WorldView-1 и 3,5 градусов/сек для WorldView-2.
Как правило, чем больше масса спутника ДЗЗ, тем выше точность геопри-вязки информации при одинаковом пространственном разрешении. Например, точность геопривязки данных без контрольных точек, получаемая малыми КА EROS и CARTOSAT, почти в двадцать раз хуже, чем у тяжелых аппаратов последнего поколения. При увеличении массы КА точность координатной привязки в целом имеет тенденции к улучшению во всех группах спутников ДЗЗ высокого разрешения, достигая максимума у наиболее тяжелых спутников. Это свидетельствует об увеличении сложности систем ориентации и навигации, а также динамических систем, обеспечивающих быстрые развороты и стабилизацию на современных спутниках ДЗЗ высокого и сверхвысокого разрешения.
Вместе с тем, очевидно, что соотношение веса КА и высокой степени их манёвренности имеет какой-то оптимум, что видно на примере российского КА «Ресурс-ДК1». Российский КА «Ресурс-ДК1» — это довольно большой спутник: длина около 8 м, диаметр 2,7 м, масса 6,57 т. Почти по всем своим параметрам он уступает новейшим спутникам сверхвысокого разрешения США. Главной внешней причиной такого положения является большой вес российского КА. Значительное превышение массы российского аппарата над весом спутников США свидетельствует о том, что в его конструкции при довольно близких выходных характеристиках съёмочной аппаратуры не обеспечен современный уровень миниатюризации элементной базы. Поэтому излишний вес КА «Ресурс-ДК1» объективно затрудняет достижение той степени манёвренности и, соответственно, производительности и точности геопривязки по бортовым измерениям, которую уже имеют американские КА WorldView-1, WorldView-2 и ряд других зарубежных КК ДЗЗ. В работах [20, 225] характеристики КА «Ресурс-ДК1» и его последней модификации «Ресурс-П» рассмотрены более подробно.
Геометрические модели СПЛ в обратной схеме построения космических сканерных изображений
В структуре комплекса моделей, описывающих построение СПЛ в ОЭСС, важное место занимают модели в форматах (1.16) - (1.17), которые обеспечивают математическое описание корректного перехода от параметров снимка к параметрам съёмочной аппаратуры ОЭСС и наоборот. Функции , Ф должны описывать прямые и обратные преобразования порядковых номеров k, n пикселей в матричной структуре маршрута сканерного изображения в плоские координаты x, y точек пересечения СПЛ с ФП ОЭСС в моменты формирования изображений в этих пикселях, а в качестве параметров преобразований использовать конструктивные характеристики съёмочной аппаратуры ОЭСС. Для получения аналитических соотношений, описывающих эти преобразования, рассмотрим боле подробно процесс ВЗН ЗП матрицами ПЗС (рисунок 2.1), расположенными в два ряда в шахматном порядке в ФП ОЭСС [83,94,145-146,188].
Положим, что нечетный ряд матриц ПЗС на борту КА находится впереди чётного , а порядковые номера Я = 1, Л матриц возрастают слева направо, если смотреть по направлению полёта КА. При этом экспонирующая щель (ЭЩ), геометрический центр которой (точка о) совпадает с главной точкой ФП, имеет длину Ьщ и ширину с1щ. Каждая матрица ПЗС состоит из р = \,Р строк и т = \,М столбцов датчиков ПЗС, которые имеют геометрические размеры МХ,МУ и порядковые номера пэ = 1,Nэ вдоль ЭЩ, где iV3 = Л Р. Допустим, что матрицы ПЗС обоих рядов имеют перекрытие по первым и последним столбцам, и справедливы следующие соотношения: n =n; N =N; Al =А1 . (2.1) Положим далее, что полученный на интервале съёмки (t0, tK ) маршрут космической сканерной съёмки (рисунок 2.2) представляет собой геометрическую
Как было указано выше (см. п. 1.3), линии, соединяющие геометрические центры последних столбцов матриц ПЗС чётного и нечётного ряда, называются формирующими краями (ФК) фотоприёмной структуры (ФПС), поскольку они позиционирует положения датчиков ПЗС в системе координат ФП в моменты времени тк считывания с них зарядовых пакетов в БЗУ ОЭСС. Эти моменты времени [83] считаются моментами окончания процессов формирования изображений матрицами ПЗС (см. ф. (1.12)).
Это означает, что каждому пикселю { к,п } Є 5НГ можно поставить в однозначное соответствие порядковые номерами} датчиков ПЗС, в которых в каждый момент времени тк формируются эти сегменты изображения, и их плоские координаты { х, у } в системе координат ФП. Последние есть не что иное, как плоские координаты точек пересечения СПЛ с фокальной плоскостью ФП ОЭСС. Именно эти координаты входят в состав исходных данных уравнений коллинеарности (1.1) - (1.2) и включают в себя абсциссы хе{х ,х } и ординаты у е К/1 геометрических центров последних столбцов элементов матриц
ПЗС соответственно нечётного (верхний индекс ) и чётного (верхний индекс ) ряда в системе координат ФП.
С учётом изложенного, получим аналитические соотношения, описывающие функцию отображения Fkn: {к,п} - {х,у, t} множества порядковых номеров к, п элементов геометрической структуры маршрута сканерного изображения в множество координат х, у точек ФПС, а также уточним формулу (1.12) с учётом специфики формирования строк маршрута изображения разными рядами матриц ПЗС [94,145-146,188]. С этой целью расположим левые системы координат маршрута изображения Ikn (см. рисунок1.6) и ФПС 0Фхфуф (см. рисунок1.7, б) в ФП ОЭСС, с которой связана правая система плоских координат Оху ( рису-нок2.3), следующим образом. Начало 9ф левой системы координат ФПС ОфХфуф расположим в геометрическом центре ЭЩ, в правом нижнем углу матрицы ПЗС Л = л/2 чётного ряда, соответствующему правому нижнему краю датчика ПЗС последнего столбца и последней строки этой матрицы; ось Офуф направим по правому краю этой матрицы вдоль правой границы чётного ряда матриц в направлении возрастания их порядковых номеров ; ось 0 рхф - вдоль верхней границы матрицы я = л/2 +1 в направлении движения КА. Матрицы ПЗС
Начало отсчёта / левой системы координат Ikn расположим посредине верхнего края ЭЩ, ось Ik направим вдоль верхних границ датчиков ПЗС первой строки матрицы Л = 1 параллельно оси ОФхФ. Тогда ось In совпадёт с осью ОфУф и будет направлена по правому краю матриц ПЗС чётного ряда в направлении матрицыя = Л.
Начало О системы координат ФП Оху расположим в главной точке фокальной плоскости, которая по условиям задачи совпадает со серединой элементов ПЗС пэ = N/2 матрицы л = Л/2 чётного ряда и пэ = N/2 +1 матрицы нечётного ряда л = Л/2 +1; ось Ох направим перпендикулярно ЭЩ в направлении полёта КА; ось Оу - параллельно оси ОфУф через геометрические центры элементов ПЗС последнего и первого столбца матриц ПЗС соответственно чётного и нечетного ряда в сторону матрицы л = Л/2 +1. Как видно на рисунке 2.3, значение коорди наты х, в зависимости от принадлежности датчика ПЗС пэ = 1, N к матрицам ПЗС чётного или нечётного ряда, определяется из следующего выражения: У =М-Д/ ,еслипєХ;
Чётность матриц ПЗС определяется их порядковым номером Л = 1, Л, который вычисляется в соответствие с выражением Я = \ (2.3) {, еслип/Р = , где I - целая часть числа, М- мантисса числа.
При выборе точки снятия координат (ТСК) на изображении в геометрических центрах пикселей формула для математического описания перехода от порядкового номера пэ = п = \,N пикселя в строке сканерного изображения к значению координаты у будет иметь следующий вид: Г 0 , еслил = М2; У = \ (2.4) У (М2 -я)-А/ +А//2, еслия М2. \jy У У Таким образом, нахождение координат { х, у } точек пересечения СПЛ с
ФП ОЭСС производится по порядковому номеру п пикселя изображения в соответствие с формулами (2.2)-(2.4). Для уточнения формулы (1.12), описывающей определение времени тк по порядковому номеру к строки маршрута изображения, рассмотрим специфику формирования сканерных изображений двумя рядами матриц ПЗС. В соответствие с топологией ФПС ОЭСС (см. рисунок 2.1) на борту КА матрицами ПЗС нечётного и чётного ряда формируется две полосы изображения (рисунок 2.4, а). При центральном проектировании на земную поверхность (рисунок 2.4, б) мгновенная проекция этих рядов матриц ПЗС образует ступенчатую полосу захвата, похожую на гребёнку, а топология рядов и самих матриц изменяется зеркальным образом: как слева - направо, так и вверх-вниз. Анализ топологии матриц ПЗС на борту КА и их проекций на местности позволяет выделить очень важный временной аспект: нечётный ряд матриц ПЗС на борту КА находится впереди по направлению полёта КА, а в проекции на земную поверхность - позади чётного ряда. Это означает, что матрицы чётного ряда производят опережающее формирование изображений соответствующих им участков местности (помечены косой штриховкой) относительно смежных с ними пустых участков в гребёнке. Изображения пустых участков формируются матрицами ПЗС нечётного ряда в режиме заметания, т.е. позднее, причём на величину времени тм, равную длительности одного M- такта.
Методики построения замещающих моделей угловых ЭВО сканерного снимка в различных режимах съёмки
Обозначим далее Snэ(t)=r(t) = (x(t),Xt),/)Т, где/" фокусное расстояние съёмочной аппаратуры ОЭСС, x(t),y(t) - координаты геометрического центра датчика ПЗС пэ Є ITN в системе координат Оху, 7Щ=Я, OS =Rs(t), где R = (X,Y,zy,Rs(t) = (Xs(t)Js(t\Zs(t))Т- радиус-вектор точки земной поверхности пэ и центра проекции S в гринвичской системе координат, Sn 3 = RnB(t)= R-Rs(0 - вектор, представляющий собой ЛВ, соединяющую центр проекции S с точкой земной поверхности п э Є {VN7}. С учётом введенных обозначений запишем выражение (2.9) в виде R-Rs(t) = -ju(t)-A(t)-r(t), (2.10) где А(ґ) - матрица, описывающая в момент времени t ориентацию системы координат Оху фокальной плоскости съёмочной аппаратуры относительно гринвичской системы координат OXYZ.
Векторно-матричное уравнение (2.10) представляет собой уравнения кол -линеарности для сканерных снимков в формате «камера-земная поверхность», обозначенные в общем виде формулами (1.1) - (1.2). Действительно, уравнение (2.10) в фиксированный момент времени t сканерной съёмки связывает плоские координаты геометрических центров датчиков ПЗС ЛЭМС, геоцентрические координаты точек пересечения ЛВ с земной поверхностью, геоцентрические координаты КА, конструктивные характеристики ОЭСС, а также орбитальные и угловые параметры съёмки, входящие в состав элементов матрицы А(t), вид которой определяется вариантом состава бортовых измерений. При этом вектор r(t) = (x(t),Xt),/)Т обладает следующими свойствами [168]: он всегда направлен противоположено вектору RnB(t)=R- Rs(0, лежит с ним на одном луче, соединяющим датчик ПЗС и точку пересечения ЛВ с земной поверхностью, позиционирует положение геометрических центров датчиков ПЗС в ФП ОЭСС в моменты времени формирования пикселей маршрута изображения, обеспечивает определение принадлежности датчиков ПЗС к матрицам ПЗС чётного или нечётного ряда, а также описывает в любой момент времени цикла ВЗН положение зарядовых пакетов в строках и столбцах этих матриц.
При организации ФГО космических сканерных изображений в качестве базового формата предпочтительно выбирать формат «камера-общий земной эллипсоид» [167]. Действительно, при определении точек пересечения СПЛ с поверхностью ОЗЭ достаточно вычислить только две геодезических координаты В и L, поскольку Н=0. Кроме того, точки пересечения ЛВ с земной поверхностью и с ОЗЭ лежат на одной прямой и имеют одни и те же направляющие косинусы. Благодаря этому уточнение ЭВО целесообразно также выполнять в этом формате, поскольку не надо учитывать рельеф местности. Получим модель, позволяющую вычислить гринвичские координаты точки пересечения ЛВ с ОЗЭ [190].
Учитывая известную в теории векторной алгебры функциональную связь координат вектора и его направляющих косинусов r(t) = d(t) l(t); (2.11) RnB(t)=D(t)-L(t), (2.12) где d(t) = r(t), 1(f) = \l (f),l (f),l (t)J - длина и направляющие косинусы век v v \ / \ х \ у \ z / тора r(t) в визирной системе координат ОЭСС; D(t) = \RnB(t)\, L,(t) = (Lx(t),LY(t),Lz(t))Т - длина и направляющие косинусы вектора ЯдвСО в гринвичской системе координат, а также физическую суть коэффициента пропор циональности ju(t), равного отношению длин этих векторов, запишем уравнение (2.10) в следующем виде: R-Rs(0 = (0-L(0- (2-13)
Будем здесь и далее полагать, что нижний индекс «ноль» в обозначениях параметров означает, что они рассчитаны на поверхности общего земного эллипсоида (ОЗЭ), т.е. при Но=0. С учётом этого для нахождения гринвичских {Х0, Y0,ZQ} и геодезических {B0,L0} координат точки пересечения ЛВ с поверхностью ОЗЭ, воспользуемся следующим классическим каноническим уравнением ОЗЭ [50,128]: X2+Y2 Z2 . + —2 = 1- (2.14) аэ Ьэ где аэ, Ьэ- большая и малая полуоси ОЗЭ. Запишем далее векторно-матричное уравнение (2.13) в координатной форме: X0=Xs(t) + D0(t)-Lx(t); Y0 = Ys(t) + D0(t)-LY(t); (2.15) Z0 = Zs(t) + D0(t) Lz(t\ где D0 (t) - длина ЛВ от центра проекции S до точки пересечения с поверхностью ОЗЭ. а) 4 ас b2 - выражение под квадратным корнем в (2.21) меньше нуля, то D будет комплексным числом. Это означает, что вектор D0(t) направлен в ту часть пространства, где отсутствует земная поверхность; б) 4 ас = b2 - выражение под квадратным корнем в (2.21) равняется нулю, поэтому уравнение (2.20) имеет один корень. Это означает, что вектор D0(t) ука зывает на точку земной поверхности, которая находится на касательной ли нии к ОЗЭ; в) 4 ас b2 - выражение под квадратным корнем в (2.21) положительное и уравнение (2.20) имеет два действительных корня. В случае 0 D2 D1 значение D± означает расстояние до точки земной поверхности, которая находится на наблюдаемой стороне ОЗЭ, а значение D2 означает расстояние до точки земной поверхности, находящейся на стороне ОЗЭ, противоположной наблюдаемой. По этому в качестве из двух возможных вариантов выбирается меньшее значение D.
Автономная ФгО сканерного снимка, полученного в режимах с постоянным азимутом и фиксированным ракурсом съёмки
Направляющие косинусы нормали 7V(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 = (0Д,0)Т, а в гринвичской - выражаются формулой LSy(t) = A4(t) A3(t) lSy, можно записать, что формулы для направляющих косинусов нормали Л(2) имеют следующий вид: Nx(2)= sinD. sin і cos S(t0) - cosa sin і sinS(t0); NY(2)=-cosa sin і cos S(t0) -sinD. sin і sinS(t0); (3.11) tfz 2 = cosi. Нахождение элементов матрицы направляющих косинусов A(to) и начальных значений сох(t0),coy(t0) 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(t0),cay(t0) - выражения (2.109). При этом вид формул для определения составляющей a)z(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 122 ется последовательность временных точек бортовых измерений {th}, где h = О, К - 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).
Первая трасса задаётся в виде геодезических {В0h, Lh, Нh) и геоцентрических {Xh, Yh,Zh} координат точек следа ЦЛВ, причём в первом режиме съёмки (см. п.п.3.4.1) используется начальная (/7=0) и конечная (h=K) точки маршрута съёмки, во втором - множество дискретных точек {h\h = 0, К}, в третьем - только начальная точка (/7=0) выноса ЦЛВ. При этом расстояния Ah между точками по трассе съёмки во втором режиме выбираются в соответствие с выражением Ah= \VKA\- Ath cos Ac, где Ac - 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 ОХ направлена на север, а ось OZ - по нормали к земной поверхности [160]. В соответствие с этим будем здесь и далее различать азимут Ат трассы КА и азимут Ас съёмки. Под азимутом трассы КА будем понимать угол Ат между направлением на север и трассой КА (траекторией подспутниковых точек) в плоскости местного горизонта, а под азимутом съёмки - угол Ас между направлением на север и траекторией следа ЦЛВ. Поскольку в первом приближении угол рыскания х(Х) равен углу между трассой КА и следом ЦЛВ [145], можно записать следующее соотношение: Ac(t)=AT(t)+;Kt). (3.12) Формула для расчёта азимута трассы КА имеет следующий вид [69-70]: AT(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 (/?(ґ)=0) или параллельно ей (/?(ґ)=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 124 ний и заключается в следующем. Полученные на предыдущем этапе программные значения E(t0), E(t1), E(t2),… ЭВО в точках t0, t1, t2,... представляют собой дискретные значения соответствующей функции E(t) на интервале съёмки. Известно [202], что в этом случае с помощью метода наименьших квадратов всегда можно определить такие параметры \ к\к = 0,-ц многочлена E (t)= fo+ f г t+f22+...+f4 f\ (3.14) которые с заданной точностью аппроксимируют дискретные значения функции E(t). При этом коэффициенты fх подбираются таким образом, чтобы сумма квадратов отклонений значений многочлена E (t) от значений функционала E(t) в заданных точках th была минимальной, т.е. под условием J [=0[E (th) — E(th)]2 min. 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.