Введение к работе
Актуальность работы. За последние 20 лет 15 советских и 5 американских, космических аппаратов проводили исследования поверхности и атмосферы Венеры. (В настоящее время радиолокационное картографирование ее поверхности выполняет КА."Магеллан'(США1Это объясняется тем, что Венера является нашим ближайшим соседом и до сравнительно недавнего времени о ее поверхности ничего не было известно из-за наличия очень плотной атмосферы вокруг планеты. Только с развитием радиолокационных (РЛ) методов с начала 60-х годов впервые появилась возможность определить элементы вращения и размеры Венеры, а также получить изображения ее поверхности.
Новым этапом исследования Венеры стало РЛ картографирование ее поверхности советскими АМС "Венера - 15, 16" с орбит искусственных спутников Венерн в 1983-1984 гг. С помощью РЛ системы, включавшей радиолокатор бокового обзора с синтезированной апертурой (РЛСА) и радиовысотомер-профилограф (РВП), было выполнено систематическое картографирование северного полушария Венеры выше 30 с.ш., что составляет 25% поверхности планеты. При этом впервые были получены РЛ панорамы поверхности с разрешением 1-2 км. В результате обработки материалов эксперимента были созданы 27 фотокарт поверхности Венеры и издан атлас ее поверхности.
Обработка материалов эксперимента и создание указанных изданий, а также астрономо-геодэзическое изучение Венеры требуют решения комплекса взаимосвязанных задач астродинамики, астрометрии, фотограмметрии, картографии, сравнительной планетологии и др.
Целью работы является разработка аналитических методов фотограмметрической обработки РЛ панорам, включая построение математической модели геометрии изображения, а также алгоритмов и программного обеспечения для решения следующих задач астрономо-геоде-зического изучения и картографирования Венеры по материалам с АМС "Венера - 15, 16":
-
Координатная привязка материалов РЛ съемки и радиопрофилирования ;
-
Создание каталога координат опорных точек;
3. Уточнение координат северного полюса вращения.
Для решения поставленных задач выполнены:
обзор радиолокационных исследований Венеры;
разработка математической модели геометрии РЛ панорамы и анализ точности ее построения и координатной привязки;
разработка методики, технологии и программного обеспечения
с целью создания каталога координат опорных точек;
- разработка общего способа, алгоритма и комплекса программ
для определения координат северного полюса вращения Венеры по
многократно перекрывающимся панорамам, а также исследование ис
ходных данных и численное моделирование.
Кроме этого, рассмотрена задача уравнивания опорной сети с помощью совместной статистической обработки фотограмметрических и траєкторних измерений, а также данных альтиметрии. В связи с этим получены условные уравнения аналитической фотограмметрии для РЛ панорам, согласования профилей между собой и с цифровой моделью рельефа или картой, дано описание алгоритма нелинейного статистического оценивания по методу наименьших квадратов, а также разработано математическое обеспечение по решению разреженных систем нормальных уравнений большого порядка.
Научная новизна работы заключается в следующем:
предложена уточненная математическая модель геометрии РЛ панорамы, учитывающая кадровый характер РЛ съемки, которая описывает связь координат точек панорамы и поверхности Венеры;
на основе данной математической модели получены условные уравнения аналитической фотограмметрии для съемки с РЛСА, определяющие связь координат точек поверхности с РЛ измерениями и взаимное согласование панорам; кроме этого, получены математические зависимости по уточнению элементов орбит съемочных витков при взаимном согласовании профилей и согласовании профиля с картой;
разработан математически строгий способ раздельного уточнения координат северного полюса и периода вращения планетного тела по полученным с КА изображениям, перекрыващимся в течение сравнительно длительного промежутка времени;
разработаны эффективные алгоритмы решения систем нормальных уравнений большого порядка с матрицей профильно-блочной структуры с окаймлением при использовании внешней памяти ЭВМ и перенумерации снимков для сокращения профиля; представлены оценки и эвристический алгоритм анализа точности решения системы, в том числе характера распределения ошибок внутри вектора решения.
Научная и практическая значимость работы заключается в следующем:
- впервые создан каталог координат опорных точек на район
съемки северного полушария поверхности Венеры с АМС "Венера - 15,
16" (точность построения каталога сопоставима с разрешающей спо
собностью панорам и составляет в среднем 1,6 км; количество
точек - 3241);
впервые выполнено уточнение координат северного полюса вращения Венеры по результатам съемки, полученным с КА;
выполнена координатная привязка материалов РЛ картографирования поверхности Венеры, которая использовалась в процессе эксперимента на этапе проведения оперативных работ, при создании фотосхем и номенклатуры деталей рельефа поверхности Вонеры, а также для "укладки'' горизонталей при подготовке к изданию фотокарт;
математическое обеспечение и база данных (БД), созданные при построении каталога координат опорных точек, являются основой для дальнейшего уточнения и развития сети, в том числе при использовании материалов РЛ картографирования с КА "Магеллан";
пакет прикладных программ по предварительной обработке и решению разреженных систем нормальных уравнений большого порядка имеет универсальный характер и может быть использован в любых уравнительных вычислениях в фотограмметрии, геодезии и в ряде других задач.
Использование и внедрение результатов работы. Основные разработки и результаты обработки материалов эксперимента по РЛ картографированию поверхности Венеры с АМС "Венера - 15, 16" использовались при выполнении оперативных работ, создании фотосхем, фотокарт и атласа поверхности Венеры и внедрены в ЩИИГАиК, Московском аэрогеодезическом предприятии (МАЛІ) и ГЕОХИ АН СССР. Программы решения разрекенных систем нормальных уравнений используются в Уральском политехническом институте (УПЙ) при проведении научно-исследовательских работ (г.Екатеринбург). Вычисленные значения координат северного полюса вращения Венеры переданы в Рабочую группу Международного астрономического союза (МАС) по картографическим координатам и элементам вращения планет и спутников.
Внедрение в МАЛІ математического обеспечения по обработке фотограмметрических измерений и созданию каталога координат опорных точек позволило существенно сократить вычислительные затраты и получить экономический аффект в размере 14,4 тыс. руб.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на конференциях молодых ученых и специалистов ЩШИГАиК (Москва, I978-1987), на Юбилейной научной конференции ВДИИГАиК (Москва, 1988), на Всесоюзном совещании "Алгоритмическое и программное обеспечение теорий движения ИСЗ" (Ленинград, 1990),на 12советско--американской рабочей встрече по планетологии (Москва, 1990).
Публикации. Основные положения и результаты по теме диссертации опубликованы в 20 работах, из которых 7 написано в соавторстве, и представлены в 4 научно-технических отчетах в рамках тематики института.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка использованной литературы и 2 приложений. Список литературы вклвчает в себя 117 наименований, в том числе 31 на иностранных языках. Общий объем работы составляет 228 страниц. Основной текст включает 202 страницы, в том числе 48 рисунков (39 с.) и 24 таблицы (10 с).