Способ и устройство определения координат объектов

Способ и устройство определения координат объектов

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Заявляемые объекты объединены единым изобретательским замыслом, относятся к области радиотехники, а именно к пассивной локации, и могут быть использованы в навигационных, пеленгационных, локационных средствах для визуального обнаружения и определения координат априорно неизвестных объектов с летно-подъемных средств (ЛПС).

Известны способы определения координат подвижных и неподвижных объектов по пат. РФ 2251712 и пат. РФ 2154284, обеспечивающие определение координат объектов с помощью оптико-электронных устройств. Они предполагают определение угловой координаты изображения объекта вместе с изменяющими образ элементами в поле зрения с последующим пересчетом полученной величины в стабилизированную систему координат, определение величины и направления линейной скорости объекта в стабилизированной системе координат, формирование величины углового смещения в стабилизированной картинной плоскости исходя из полученной величины и координат, характеризующих линейное смещение изменяющих образ элементов относительно собственной системы координат объекта, и корректирование угловой координаты изображения объекта вместе с искажающими образ элементами в стабилизированной системе координат на величину углового смещения. Однако названные системы обладают существенным недостатком. Способы-аналоги реализуются на земной поверхности и обладают малым радиусом действия.

Известен способ по пат. РФ 2323851, МПК B64C 31/06, опубл. 10.05.2008 г. Аналог предполагает использование беспилотного летательного аппарата (БПЛА) в совокупности с видеокамерой. Аналог обеспечивает фотографирование земной поверхности под управлением наземного поста.

Аналог также обладает недостатком, связанным с отсутствием возможности определения координат обнаруженных объектов.

Наиболее близким по технической сущности является способ определения местоположения источника радиоизлучений по пат. РФ №2465613, МПК G01S 3/14, опубл. 27.10.2012 г.

Способ-прототип на подготовительном этапе включает установку под фюзеляжем ЛПС видеокамеры, определение ориентации видеокамеры и антенной системы (АС) пеленгатора относительно борта ЛПС (k_k, l_k, ζ_k), (k_ant, l_ant, ζ_ant), где k_k, l_k, ζ_k, k_ant, l_ant, ζ_ant - соответственно углы крена, тангажа и склонения видеокамеры и АС, а в процессе полета постоянное через заданный интервал времени Δt определение местоположения ЛПС (B_lps, L_lps, H_lps)_i, где B lps i , L lps i , H lps i , соответственно широта, долгота и высота ЛПС, и его пространственную ориентацию (k_k, l_k, ζ_k)_i, где k lps i , l lps i , ζ lps i соответственно углы крена, тангажа и склонения ЛПС в i-й момент времени, совместное запоминание навигационных и временных параметров ЛПС, а при обнаружении j-го заданного источника радиоизлучения (ИРИ) в момент времени t_i предварительное определение его пространственно-информационных параметров: азимута θ_ij и угла места β_ij в системе координат антенной системы, перевод координат ЛПС в геоцентрическую систему координат, а вектора направления на j-й объект V i j → = ( θ , β j ) i   в левостороннюю систему декартовых координат V П i j →   = ( X j , Y j , Z j ) i , коррекцию вектора направления на j-й ИРИ V i j ' →   = ( X j ' , Y j ' , Z j ' ) i с учетом априорно известной ориентации антенной системы пеленгатора относительно борта ЛПС (k_ant, l_ant, ζ_ant) путем последовательного умножения значений V П i j →   на соответствующие углам Эйлера матрицы поворота, после чего в нормальной системе координат выполнение вычисления уточненного значения вектора направления V i j + →   на j-й ИРИ с учетом измеренных в момент времени t_i пространственных углов ЛПС: крена k lps i , тангажа l lps i и склонения ζ lps i , определение уточненных значений азимута θ i j + , угла места β i j + и удаления ЛПС, находящегося в момент времени t_i на высоте H lps i , от j-го ИРИ d(Н₀)_ij, расположенного на поверхности "круглой" Земли, определение в геоцентрической системе координат значения истинного вектора направления на j-й объект V j ' ' →   , которое зависит от широты B_lps, долготы L_lps местоположения ЛПС, определение координаты точки пересечения вектора V j ' ' →   с "круглой" Землей V ф j →   , преобразование геоцентрических координат j-го объекта V ф j →   в географические V j → = ( B j , L j )   , где В_j и L_j соответственно широта и долгота местоположения j-го ИРИ, определение удаления j-го ИРИ относительно координат ЛПС по параллели dL_ij, меридиану dB_ij и перпендикуляру (высоте) dH_ij, вычисление предварительных значений азимутального угла θ k j ' , угла места β k j ' настройки видеокамеры без учета пространственной ориентации ЛПС и видеокамеры, преобразование сферических координат θ k j ' и β k j ' j-го ИРИ в нормальную систему координат V 2 j →   = ( X 2 , Y 2 , Z 2 ) j и далее в систему координат видеокамеры V 1 j →   = ( X 1 , Y 1 , Z 1 ) j с учетом пространственной ориентации ЛПС и видеокамеры, определение истинных значений азимутального угла θ_kj и угла места β_kj ориентации видеокамеры на i-й ИРИ, одновременное оценивание угла закрытия корпусом ЛПС направления на j-й ИРИ, а при выполнении условия β_kj<0 ориентирование видеокамеры в соответствии с параметрами θ_kj и β_kj.

Способ позволяет с помощью видеокамеры и радиопеленгатора по радиоизлучениям определить местоположение ИРИ. Использование в прототипе видеокамеры повышает точностные характеристики измерителя.

Способу-прототипу также присущ недостаток, связанный с относительно низкой точностью определения координат объектов. На практике, как правило, интерес представляет не сам источник радиоизлучения, а объект, на котором (или в котором) он размещается. В ситуации, когда ИРИ на объекте находится в выключенном состоянии, прототип теряет свою работоспособность. Кроме того, ИРИ часто выносят за пределы объекта, что также усугубляет ситуацию. Низкая точность измерений объясняется тем, что в видеокамере наблюдается достаточно большая площадь земной поверхности, много превышающая площадь объекта, что и влечет за собой ошибки в определении его координат (см. фиг.1а).

Целью заявляемого технического решения является повышение точности определения координат объекта с борта ЛПС.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе определения координат объектов, заключающемся в том, что на подготовительном этапе на борт летно-подъемного средства (ЛПС) под фюзеляжем устанавливают видеокамеру, определяют ориентацию видеокамеры относительно борта ЛПС (k_k, l_k, ζ_k), где k_k, l_k, ζ_k - соответственно углы крена, тангажа и склонения видеокамеры, а в процессе полета постоянно через заданный интервал времени Δt определяют местоположение ЛПС (B_lps, L_lps, H_lps), где B lps i , L lps i , H lps i , соответственно широта, долгота и высота ЛПС, и его пространственную ориентацию (k_lps, l_lps, ζ_lps), где k lps i , l lps i , ζ lps i соответственно углы крена, тангажа и склонения ЛПС в i-й момент времени, совместно запоминают навигационные и временные параметры ЛПС, а при визуальном обнаружении j-го заданного объекта в момент времени t_i предварительно определяют вектор направления на него V П i j →   = ( X j , Y j , Z j ) i в системе координат видеокамеры, переводят координаты ЛПС в геоцентрическую систему координат, корректируют вектор направления на j-й объект V i j ' →   = ( X j ' , Y j ' , Z j ' ) i с учетом априорно известной ориентации камеры относительно борта ЛПС (k_k, l_k, ζ_k) путем последовательного умножения значений V П i j →   на соответствующие углам Эйлера матрицы поворота, после чего в нормальной системе координат вычисляют уточненное значение вектора направления V i j + →   на j-й объект с учетом измеренных в момент времени t_i пространственных углов ЛПС: крена k lps i , тангажа l lps i и склонения ζ lps i , определяют уточненные значения азимута θ i j + , угла места β i j + и удаление ЛПС, находящегося в момент времени t_i на высоте H lps i , от j-го объекта d(H₀)_ij, расположенного на поверхности "круглой" Земли, в геоцентрической системе координат определяют значение истинного вектора направления на j-й объект V j ' ' →   , которое зависит от широты B_lps, долготы L_lps местоположения ЛПС, определяют координаты точки пересечения вектора V j ' ' →   с "круглой" Землей V ф j →   , преобразуют геоцентрические координаты j-го объекта V ф j →   в географические V j → = ( B j , L j )   , где В_j и L_j соответственно широта и долгота местоположения j-го объекта, отличающийся тем, что предварительно измеряют и запоминают коэффициенты дисторсии объектива видеокамеры k₁, k₂ и k₃, положение видеокамеры относительно борта ЛПС фиксируют на весь период измерений, в качестве j-го объекта может выступать любой стационарный или подвижный физический объект, наблюдаемый в видеокамеру, причем решение о необходимости измерения координат наблюдаемого объекта принимает оператор, значение предварительного вектора направления на j-й объект V П i j →   = ( X j , Y j , Z j ) i определяют по местоположению объекта на кадре в момент времени t_i, уточняют значение предварительного вектора направления на j-й объект V П i j →   путем устранения влияния на результаты измерений дисторсии объектива видеокамеры, при наличии n последовательных кадров, n=2, 3, …, N, с изображением j-го объекта выполняют n циклов измерений географических координат V j → = ( B j , L j )   , а результаты измерений усредняют, при наличии цифровой карты местности района измерений, представляющей собой матрицу с заданной дискретностью по координатам района измерений с соответствующими значениями высот рельефа, уточняют географические координаты обнаруженного j-го объекта.

Координаты j-го объекта (х_r, у_r)_j в кадре определяют в пикселях, отсчитанных от верхнего левого угла кадра видеокамеры.

Переход от координат j-го объекта в кадре к уточненному предварительному вектору направления на него V П i j →   в системе координат видеокамеры осуществляют в соответствии с выражением

V П i j →   = x ˜ ' ' / ψ ( V П i j →   ) ,

где x ˜ ' ' = ( x ˜ r − c ˜ ) / f , x ˜ r = ( x r , y r ) T , c ˜ = ( c x , c y ) T - координаты центра матрицы (кадра) в пикселях, f - фокусное расстояние объектива видеокамеры, пересчитанное в пиксели матрицы, ψ ( V П i j → ) = ( 1 + k 1 ‖ V П i j → ‖ 2 + k 2 ‖ V П i j → ‖ 4 + k 3 ‖ V П i j → ‖ 6 ) , k₁, k₂, k₃ - измеренные коэффициенты дисторсии объектива, с использованием метода простых итераций.

При наличии цифровой карты рельефа местности района измерений формируют последовательный набор значений высот {H_i,m}, m=1, 2, …, М, который соответствует равномерно распределенным координатам на отрезке, соединяющем координаты (B_lps, L_lps) и (B_j, L_j), М=d(H₀)/Δd, где Δd - шаг сканирования по вектору направления V j ' ' →   на j-й объект, определяется заданной точностью предварительного измерения координат объекта, рассчитывают координаты V ф , j , m →   , соответствующие дискретно выделенным высотам рельефа местности Н_i,m, а за предварительные координаты j-го объекта V ф , j , m →   принимают первую точку разбиения вектора V j ' ' →   , находящуюся ниже уровня рельефа местности, уточняют местоположение j-го объекта путем выделения соседней точки разбиения V ф , j , m − 1 →   , находящейся над рельефом местности, отрезок ( V ф , j , m − 1 → ,     V ф , j , m → ) вектора направления на j-й объект V j ' ' →   делят на δ равных интервалов, Δδ<<Δd, где Δδ - шаг сканирования по выделенному отрезку вектора направления V j ' ' →   , и определяется конечной заданной точностью измерения координат объектов, для названных точек вычисляют координаты V ф , j , δ → и соответствующие им значения высоты рельефа местности H_i,m,δ, за точные координаты j-го объекта принимают значение V ф , j , m , δ → , находящееся между соседними точками, расположенными выше и ниже рельефа местности, а полученное значение координат j-го объекта V ф , j , m , δ → преобразуют в удобную географическую систему координат V j δ → = ( B j , L j , H j ) .

Благодаря новой совокупности признаков в заявляемом способе достигается более точное измерение предварительного вектора V П i j →   направления на объект благодаря учету его местоположения на кадре видеокамеры с возможностью последующего усреднения результатов оценивания по серии кадров, а итоговые усредненные координаты объекта уточняют в соответствии с особенностями рельефа местности района измерений.

Известны устройства по пат. РФ №2251712, МПК G01S 13/66; пат. РФ №2359288, МПК G01S 5/02. Аналоги обеспечивают определение координат объектов с помощью оптико-электронных средств. Однако им присущ существенный недостаток: они размещаются на земной поверхности, вследствие чего обладают маленьким радиусом действия.

Наиболее близким по своей технической сущности к заявляемому устройству определения координат объектов является пат. РФ №2323851, МПК B64C 31/06 "Система наблюдения за земной поверхностью с беспилотным летательным аппаратом", опубл. 10.05.2008 г.

Устройство-прототип содержит затягивающую лебедку, беспилотный летательный аппарат (БЛА) и наземный пункт управления (НПУ), причем БЛА состоит из последовательно соединенных контроллера, рулевого привода и аэродинамических рулей, автопилота, группа информационных входов которого соединена с второй группой информационных выходов контроллера, первая группа информационных входов которого соединена с группой информационных выходов автопилота, двигательная установка, группа информационных входов которой соединена с третьей группой информационных выходов контроллера, блок видеонаблюдения, группа информационных входов которого соединена с четвертой группой информационных выходов контроллера, а группа информационных выходов - с второй группой информационных входов контроллера, и первый приемопередающий модуль, группа информационных входов которого соединена с пятой группой информационных выходов контроллера, третья группа информационных входов которого соединена с группой информационных выходов первого приемо-передающего модуля, а наземный пункт управления выполнен содержащим последовательно соединенные блок управления, второй приемо-передающий модуль и устройство обработки и отображения информации, вторая группа выходов блока управления является шиной управления НПУ, и соединена с затягивающей лебедкой.

Прототип предназначен для получения фотоснимков земной поверхности с высоты порядка 100 метров. Однако устройство-прототип не обеспечивает измерение координат видимых объектов из-за отсутствия высокоточной системы навигации БЛА и высокоточной системы определения направления на него.

Целью заявляемого технического решения является разработка устройства, обеспечивающего высокоточное измерение координат заданных объектов с борта БЛА.

Поставленная цель достигается тем, что в известном устройстве, состоящем из беспилотного летательного аппарата и наземного пункта управления, причем БЛА выполнен содержащим последовательно соединенные контроллер, рулевой привод и аэродинамические рули, автопилот, группа информационных входов которого соединена с второй группой информационных выходов контроллера, первая группа информационных входов которого соединена с группа информационных выходов автопилота, двигательная установка, группа информационных входов которой соединена с третьей группой информационных выходов контроллера, первый приемопередающий модуль, группа информационных входов которого соединена с четвертой группой информационных выходов контроллера, вторая группа информационных входов которого соединена с группой информационных выходов первого приемо-передающего модуля, и блок видеонаблюдения, а наземный пункт управления выполнен содержащим последовательно соединенные первый блок управления, второй приемо-передающий модуль и первое устройство обработки и отображения информации, отличающееся тем, что в БЛА дополнительно введены передающий модуль, блок навигации БЛА и запоминающее устройство, причем, первая группа информационных входов запоминающего устройства соединена с группой информационных выходов блока видеонаблюдения, вторая группа информационных входов соединена с группой информационных выходов блока навигации БЛА, а группа информационных выходов запоминающего устройства соединена с группой информационных входов передающего модуля, а в наземный пункт управления дополнительно введены последовательно соединенные приемный модуль и второе устройство обработки и индикации, второй блок управления, группа информационных входов которого объединена с первой группой информационных входов второго устройства обработки и отображения информации, а группа информационных выходов - со второй группой информационных входов второго устройства обработки и отображения информации.

Перечисленная новая совокупность существенных признаков за счет того, что водятся новые элементы и связи, позволяет достичь цели изобретения: обеспечить высокоточное измерение координат заданных объектов за счет полного и объективного измерения пространственных параметров БЛА, углов ориентации видеокамеры и места объекта в кадре в условиях воздействия дестабилизирующих факторов (ветровой нагрузки, выполнения маневров БЛА и др.) и учету особенностей рельефа местности.

Заявляемые объекты поясняются чертежами, на которых показаны:

на фиг.1 иллюстрируются:

а) пятно засветки видеокамеры на земной поверхности с находящимся в нем объектом О_j;

б) причина возникновения ошибок в определении координат объекта при отсутствии учета рельефа местности;

на фиг.2 показан обобщенный алгоритм определения координат объекта;

на фиг.3 приведена обобщенная структурная схема устройства определения координат объекта;

на фиг.4 показан алгоритм определения координат объекта (B, L, H)_j в географической системе координат по одному кадру;

на фиг.5 иллюстрируется алгоритм нахождения координат объекта [B, L, H)_j в географической системе координат по серии кадров;

на фиг.6 иллюстрируется съемка плоской поверхности с двух разных положений видеокамеры;

на фиг.7 поясняется порядок предварительного определения координат объекта;

на фиг.8 поясняется порядок определения координат объекта с заданной точностью;

на фиг.9 приведен алгоритм работы подсистемы видеонаблюдения, размещаемой на борту БЛА;

на фиг.10 показан алгоритм работы второго автоматизированного рабочего места наземного пункта управления;

на фиг.11 иллюстрируется структурная схема второго устройства обработки и отображения информации;

на фиг.12 приведена структурная схема седьмого вычислителя;

на фиг.13 показана структурная схема блока коррекции дисторсии объектива видеокамеры;

на фиг.14 приведена структурная схема блока обработки изображения;

на фиг.15 иллюстрируется алгоритм работы седьмого вычислителя по определению вектора направления на объект в системе координат видеокамеры;

на фиг.16 показан алгоритм работы блока обработки видеоизображения;

на фиг.17 приведен алгоритм работы восьмого вычислителя;

на фиг.18 показан алгоритм работы первого вычислителя;

на фиг.19 приведен алгоритм работы второго вычислителя;

на фиг.20 иллюстрируется алгоритм работы третьего вычислителя;

на фиг.21 приведен алгоритм работы четвертого вычислителя;

на фиг.22 приведен алгоритм работы пятого вычислителя;

на фиг.23 показан алгоритм работы шестого вычислителя;

на фиг.24 показан алгоритм работы девятого вычислителя;

на фиг.25 приведен алгоритм работы третьего блока управления в режиме предварительного определения координат;

на фиг.26 приведен алгоритм работы второго блока управления.

Современные способы определения координат объектов с ЛПС, реализующих угломерно-дальномерный способ местоопределения, как правило базируются на использовании глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС) (см. В.С.Шебшаевич, П.П.Дмитриев, Н.В.Иванцевич и др. Спутниковые радионавигационные системы / Под ред. В.С.Шебшаевича. - М.: Радио и связь, 1993, стр.261-275). Однако кроме информации о собственном местоположении ЛПС и направлении его перемещения при решении задач местоопределения необходимо знание его пространственной ориентации: крена k lps i , тангажа l lps i и курсового угла α lps i (угла сноса или склонения ζ lps i ), где ζ lps i = μ l p s i − α l p s i , μ l p s i - значение путевого угла в момент времени t_i. Информацию об этих параметрах можно получить с помощью известных устройств (см. пат. РФ №2374659, МПК G01IS 7/00, опубл. 27.11.2009 г. бюл. 33; пат. РФ №2371733, МПК G01S 5/10, опубл. 27.10.2009 г. бюл. 30). Поэтому основной акцент в описании предлагаемого изобретения сделан на особенностях преобразования изображения объекта на кадре видеокамеры в вектор направления V П i j →   = ( X j , Y j , Z j ) i