CC BY
18DOI 10.52170/1815-9265_2021_57_70 УДК 527.62:629.7.05:550.3
С. О. Шевчук, О. Н. Лыско
Отображение навигационной информации при выполнении пилотируемых съемочных работ
Поступила 22.01.2021
Рецензирование 25.01.2021 Принята к печати 09.04.2021
Выполнение динамических съемочных работ (наземной, аэрофотосъемки и лидарного сканирования, наземных геофизических исследований) требует качественного навигационного сопровождения непосредственно в процессе съемки. При этом должны решаться задачи выдерживания съемочных маршрутов, следования на участок съемки и возвращения на пункт базирования. Указанные задачи включают в себя получение и анализ координат съемочной системы, азимута движения и других величин, а также их визуальное отображение для восприятия пользователем.
Решение данных задач выполняется различными навигационными комплексами, в основе которых лежит измерительная аппаратура (как правило, на основе глобальных навигационных спутниковых систем, а также дополнительных датчиков), процессор и программно-аппаратный интерфейс пользователя. Корректное, оперативное и сбалансированное по объему выводимых данных отображение навигационной информации в значительной мере определяет качество навигационного комплекса. При этом пользовательский интерфейс должен быть гибким и предоставлять возможность управления съемкой в рамках выполняемого задания.
На примере навигационного комплекса RouteNav рассмотрены состав выводимой навигационной информации, форма ее представления и дополнительные приемы, повышающие эргономичность навигации, разработанные при непосредственном участии авторов. Алгоритмы, входящие в навигационный комплекс, могут быть использованы и в других навигационных приложениях.
Ключевые слова: навигация, съемочные работы, аэросъемка, интерфейс, навигационное обеспечение, траектории, уклонения, выдерживание маршрутов.
Выполнение фотографической съемки, лидарного сканирования, а также исследование земных недр геофизическими методами зачастую производится посредством подвижных измерительных систем, носителями которых является наземный, авиационный и морской транспорт [1-3]. Указанные виды съемки могут применяться при проектировании, строительстве и мониторинге различных путей сообщения [4-6].
При проведении динамических съемочных работ необходимо решать ряд вопросов, связанных с определением местоположения и времени, а также других параметров точек траектории движения, т. е. задач геодезического и навигационного обеспечения съемки. Определение геодезических и навигационных параметров должно выполняться с точностью, регламентированной инструкциями к конкретному виду съемочных работ [7, 8].
Параметры, требующие определения и мониторинга в процессе съемки, позволяют выполнять наиболее эффективное управление носителем, выдерживать съемочные маршруты и достигать заданных путевых точек, определяются посредством навигационной аппаратуры,
в частности ГНСС-приемников [9-11], МЭМС-гироскопов [12], высотомеров, эхолотов и пр.
Несмотря на существующие тенденции к внедрению беспилотных транспортных средств [13-19], в настоящее время по-прежнему широко используется пилотируемый транспорт, вследствие чего вопросы поиска наиболее эффективных способов предоставления навигационной информации пилоту или оператору непосредственно во время съемки по-прежнему остаются актуальными. Во время съемки необходимо выдерживать уклонения от проектных маршрутов внутри допустимого «коридора», контролировать путевой угол и скорость движения, иметь рекомендации по корректированию траектории движения.
Кроме того, контролю могут подлежать и дополнительные навигационные параметры. Например, при проведении аэрогеофизической и аэрофотосъемки, помимо выдерживания маршрутов, необходимо контролировать скорость полета и высоту над земной поверхностью (например, при полетах с обтеканием рельефа) в заданных допусках [10, 11, 20].
На рынке специализированной аппаратуры существует довольно ограниченное ко-
личество навигационных программно-аппаратных решений, подходящих для решения задач навигации при выполнении съемочных работ. Стоит отметить следующие навигационные комплексы (НК): специальные приемники Garmin Aero [21], подходящие для адаптации приемники «Агронавигатор+» [22, 23], совмещенные приемники КомпаНав-2 и ПНС-А [24, 25], съемочные комплексы IGI CCNS-5 [26], навигационный процессор «Лоцман» [27]. В ЗАО «Аэрогеофизическая разведка» был разработан собственный НК RouteNav, изначально предназначавшийся для навигационного обеспечения комплексной аэроэлектромагнитной съемки [28-30]. Основой данного НК является одноименная программа, запускаемая на ПК оператора или пилота. Состав НК RouteNav для аэрогеофизической съемки приведен на рис. 1. На рис. 2 показан общий алгоритм его функционирования. Впоследствии функционал НК был расширен и адаптирован для универсального применения на наземном транспорте.
Рассмотрим состав, способы отображения и приемы вывода навигационной информации на примере НК RouteNav. Главным преимуществом RouteNav является простой пользовательский интерфейс, максимально приближенный к виду современных автомобильных и пеших навигаторов, что требует от пилотов минимального обучения. Пример рабочего экрана программы RouteNav приведен на рис. 3.
Рабочее окно RouteNav состоит из карты-схемы и интерактивной панели кнопок-индикаторов, отображающих численные величины навигационных параметров. Интерфейс программы позволяет решать следующие задачи:
- отображение текущего местоположения и путевого угла на карте-схеме в заданном контролируемом масштабе;
- контроль уклонений от текущего маршрута с указанием направления для коррекции и сигнализацией превышений допуска;
- контроль текущей высоты полета и ее соответствия нижней и верхней границам допусков;
- контроль текущего прогресса прохождения маршрута, оставшегося расстояния до его завершения, направления маневра на следующий маршрут;
- возможность выбора текущего и следующего маршрутов, режима полета;
- оценка качества выдерживания пройденных маршрутов, рекомендация повторного прохождения при превышении допусков съемочного задания.
Для повышения удобства работы смена маршрутов выполняется автоматически, в соответствии со съемочным заданием. Для ситуаций, когда заход на смежный маршрут требует большой площади для маневра, предусмотрены варианты автоматического выбора следующего маршрута с заданным шагом и петлями (рис. 4).
Рис. 1. Состав НК RouteNav для аэрогеофизической съемки
Рис. 2. Алгоритм функционирования RouteNav
Кроме того, может быть настроена автоматическая смена масштаба и ориентации карты-схемы (на север, по углу курса, по маршруту) в зависимости от текущей фазы полета (выдерживание маршрута, заход с маршрута на маршрут, полет к участку работ / на базу). При заходе с маршрута на маршрут отображается рекомендуемая траектория захода на него с учетом минимально допустимого радиуса маневра (рис. 5).
Следование к участку работ, пункту базирования и прочие операции, требующие точной корректировки курса, сопровождаются отображением рекомендуемого направления, которое может быть также настроено в зависимости от фазы полета. Способы наведения показаны на рис. 6.
При том что программа не привязана к конкретной аппаратуре и устройствам вывода, ее интерфейс организован достаточно гибко для обеспечения совместимости. Настройке подлежат: масштаб рабочего окна (для различных разрешений экранов); размер и цвет элементов карты-схемы, толщина выводимых линий; полный/сокращенный вид кнопок-индикаторов.
Для уменьшения нагрузки на графический процессор и сокращения расхода оперативной памяти выводимая траектория оптимизируется на двух уровнях: при выводе траектории (автоматически сглаживаются участки, не превышающие в масштабе вывода 5 пикселей) и при фиксации точек траектории (сокращается количество точек при сохранении направления движения, рис. 7).
»1006 7м
ЩеШ /
Далее " 93
Л 559 н '352
® Р&жл "128 А
/
МАРШ, саз.)
масштаб: 4 ^
200 м
"•>=1006 р;7 м
»= 1007
МР: 500 м
Автор ежим:
Выкл.
а)
Рис. 3. Рабочее окно RouteNav
б) в)
Рис. 4. Алгоритмы автоматического выбора порядка прохождения маршрутов: а - последовательно; б - с заданным шагом; в - петлями
Последним важным приемом, используемым при выводе навигационной информации в RouteNav и других навигационных программах, является сглаживание вывода местоположения по времени. Сглаженный вывод призван повысить качество визуального восприятия навигационной информации с учетом того, что частота регистрации получаемых данных с ГНСС-приемника невысока (как правило, от 1 до 10 Гц). При этом азимут сглаживается всегда постфактум, в то время как
местоположение можно выводить как с отставанием (запаздыванием на один такт), так и с предсказанием будущего местоположения (для повышения оперативности и актуальности выводимой информации).
Сглаживание с отставанием основано на постепенном приближении выводимых координат к координатам последней полученной точки. Так как интервал получения координат постоянен, сглаживание может выполняться простой интерполяцией от предыдущей известной точки
а)
Рис. 6. Режимы отображения направлений: а - стрелкой; б - точным наведением
б)
Рис. 7. Сокращение количества точек траектории при оптимизации: а - неоптимизированный трек; б - оптимизированный
к последней измеренной. К моменту достижения последней измеренной точки будет получено новое измерение, и все повторится заново. Второй алгоритм сглаженного вывода основан на предсказании местоположения. В этом случае интерполяция выполняется от последней известной точки к предсказанной новой.
Предсказание может выполняться простым алгоритмом, предполагающим постоянство (или пренебрежительно малое изменение) скорости и, как следствие, пройденного пути от эпохи к эпохе (рис. 8).
Если предполагать, что угол курса а не меняется или меняется на постоянную величину
Рис. 8. Предсказание местоположения следующей эпохи
(см. рис. 8), то предсказание координаты следующей путевой точки (WPi+i) относительно текущей (WPi) и предыдущих (WPi-i, WPi-2) может осуществляться по простым формулам Xi+t = Xi + S • cos a = = Xi+J(Xi — X-J2 + (Yi — Yi-J2 • cosa;
Y1+-1 = Yí +S • sina =
= Yi+ ^(Xi-Xi-1)2 + (Yi-Yi-1)2 • sina, где Xí-1,Xí,Xí+1 и Yí-1,Yí,Yí+1 - координаты точек WP соответствующих эпох.
Угол курса может быть определен по координатам любых двух смежных эпох как
tgat
Xi — X¡-
i-1
Yi — Yi
Данная формула будет справедлива и для Щ+1, если угол курса принят постоянным. Если считать, что курс равномерно изменяется на постоянную величину, то а;+1 можно получить по разности углов курса смежных эпох: а^1 = а^ + (а^ - а^).
В текущей версии программы используется адаптивный подход к выбору варианта предсказания координат в зависимости от текущего маневра. Недостатком метода сглаживания с предсказанием является возможное наличие погрешностей в предсказаниях координат следующей точки из-за резких изменений скорости и угла.
При выполнении летных работ скорости и азимуты, как правило, меняются плавно (не
более 10-20 % за 1 с), поэтому при использовании ГНСС-приемника с низкой частотой вывода измерений (например, 1 Гц) рекомендуется применять сглаживание с предсказанием. Частый прием данных с ГНСС-приемника (5-10 Гц) делает более эффективным метод с запаздыванием, так как задержка становится незначительной для восприятия.
Выполнение наземных измерений, в которых возможны резкие смены курса и скорости, рекомендуется выполнять без сглаживания или со сглаживанием с запаздыванием (при низких скоростях - менее 10 км/ч).
В рамках данной статьи на примере навигационного комплекса RouteNav рассмотрен состав выводимой навигационной информации, форма ее представления и дополнительные приемы, повышающие эргономичность навигации при проведении съемочных работ.
Указанные приемы вывода в разной мере присутствуют и в других навигационных программах [21-27]. Текущий функциональный состав прошел ряд полевых летных и наземных испытаний при проведении геофизических работ.
Возможности RouteNav продолжают дополняться, авторы будут рады научно-техническому сотрудничеству в контексте усовершенствования программы и ее адаптации к широкому кругу работ, требующих проведения навигационного сопровождения.
1
Библиографический список
1. Kamenetsky F. M. Transient Geo-Electromagnetic: Ludwig-Maximilian-University of Munich. Dept. of the Earth and Environmental Sciences. Section Geophysics. Munich, 2010. 296 p.
2. Краснопевцев Б. В. Фотограмметрия. М. : УПП «Репрография» МИИГАиК, 2008. 160 с.
3. Косарев Н. С. Основы морской геодезии : учеб. пособие. Новосибирск : СГУГИТ, 2018. 123 с.
4. ГОСТ 32868-2014. Дороги автомобильные общего пользования. Требования к проведению инженерно-геологических изысканий. М. : Стандартинформ, 2015. 58 с.
5. СП 47.13330.2012. Инженерные изыскания для строительства. Основные положения : актуализированная редакция СНиП 11-02-96. М. : Минрегион России, 2012. 110 с.
6. Суконников О. Г. Аэрофотосъемка с БПЛА для моделирования искусственных сооружений на автомобильных дорогах // ОСАПР и ГИС автомобильных дорог. 2019. № 1. С. 40-44.
7. Инструкция по топографо-геодезическому и навигационному обеспечению геологоразведочных работ. Новосибирск : СНИИГГиМС, 1997. 106 с.
8. Руководство по съемочным полетам. М. : Воздушный транспорт, 1977. 144 с.
9. Прихода А. Г. GPS-технология геодезического обеспечения геологоразведочных работ : метод. рекомендации. Новосибирск : СНИИГГиМС, 2008. 274 с.
10. Глаголев В. А. Спутниковое навигационно-геодезическое обеспечение геофизических измерений в движении. СПб. : Рудгеофизика, 2003. 104 с.
11. Тригубович Г. М., Шевчук С. О. Навигационно-геодезическое обеспечение аэрогеофизических исследований // Геология и минерально-сырьевые ресурсы Сибири. 2013. № 2. C. 61-69.
12. Пешехонов В. Г. Современное состояние и перспективы развития гироскопических систем // Гиро-скопия и навигация. 2011. № 1 (72). С. 3-17.
13. Stoll J. B. Unmanned Aircraft Systems for Rapid near Surface Geophysical Measurements // International Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences. Rostock, Germany, 2013. Vol. XL-1/W2. P. 391-394.
14. Unmanned Aircraft System Proves Itself As a Geophysical Measuring Platform for Aeromagnetic Surveys / B. Tezkan, J. B. Stoll, R. Bergers, H. Großbach // First Break. 2011. Vol. 29 (4). P. 103-105.
15. Legault Jean M. Airborne Electromagnetic Systems - State of the Art and Future Directions // Recorder. 2015. Vol. 40, № 06. P. 38-49.
16. Применение беспилотных летательных аппаратов при геолого-геофизическом картировании / А. П. Фирсов и др. // Материалы V Всерос. науч.-практ. конф. «Геология и минерально-сырьевые ресурсы северо-востока России». 2015. С. 529-533.
17. Никитин В. Н. Оценка экономической эффективности использования беспилотных аэрофотосъе-мочных комплексов // Вестник СГУГиТ. 2013. № 4 (24). С. 48-56.
18. Тригубович Г. М., Никитин В. Н., Шевчук С. О. Использование беспилотных летательных аппаратов в аэрогеофизике. URL: https://www.earthdoc.org/content/papers/10.3997/2214-4609.201800480 (дата обращения: 14.02.2021).
19. КостюкА. С. Особенности аэрофотосъемки со сверхлегких беспилотных летательных аппаратов // Омск. науч. вест. 2011. № 1. С. 236-240.
20. Trigubovich G. M. Complex Technology of Navigation and Geodetic Support of Airborne Electromagnetic Surveys // Gyroscopy and Navigation. 2017. Vol. 8, № 3. P. 226-234.
21. Garmin Aera(R) 660 / Handled/portable navigation. URL: https://buy.garmin.com/en-US/US/p/520775 (дата обращения: 14.02.2021).
22. Агронавигатор 7 тип / ЛТЦ «Аэросоюз». URL: http://www.aerounion.ru/catalog/25 (дата обращения: 14.02.2021).
23. Шевчук С. О. Испытания отечественного навигационного комплекса «Агронавигатор плюс» // Геопрофи. 2016. № 1. С. 24-29.
24. Жодзишский П. Ю. Повышение эффективности выполнения аэрогеофизических исследований // Геопрофи. 2010. № 2. С. 23-25.
25. Салычев О. С. Навигационно-пилотажное обеспечение аэросъемочных работ // Геопрофи. 2005. № 5. С. 38-40.
26. CCNS-5 / IGI - Integrated Geospatial Innovations. URL: http://www.igi-systems.com/ccns-5.html (дата обращения: 14.02.2021).
27. Технологии / ООО «Геолого-геофизическая компания». URL: http://www.geogk.ru/rus/technologies.shtml (дата обращения: 14.02.2021).
28. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ N° 2017614500 Российская Федерация. Программа для навигационного обеспечения аэрогеофизических работ RouteNav : дата поступления 09.01.2017; дата регистрации 18.04.2017. Шевчук С. О., Барсуков С. В. ; заявитель и правообладатель ЗАО «Аэрогеофизическая разведка» (RU).
29. Шевчук С. О., Барсуков С. В. Применение навигационного комплекса на основе программы RouteNav при выполнении аэрогеофизических работ // Геопрофи. 2018. № 2. С. 40-43.
30. Шевчук С. О. Программа для навигационного обеспечения аэрогеофизических работ RouteNav // Вестник СГУГиТ. 2017. № 4. С. 113-125.
S. O. Shevchuk, O. N. Lysko
Navigation Information Output for Manned Vehicle Survey
Abstract. Dynamical ground and aerial survey using for mapping and geophysical purposes needs to be provided with high-quality navigation support systems in real-time scale due the works. In the process there need to solve the navigation issues, ex.: tracing, reaching the survey field, return to the base point. For these purposes the user's coordinates, azimuths and speed need to be measured and analyzed. Also the results of the measurements and the analysis need to be shown to the user (pilot or survey operator) with a maximally friendly interface to reach a high-quality measured data and improve the survey efficiency.
These aims are reached with specialized navigation complexes using measuring devices (global navigation satellite system receivers, inertial navigation systems, and additional measuring units), navigational processor and software/hardware user interface. Correct, operative and balanced navigation data output through the user interface is a significant factor on quality of navigation support. Also user interface of navigation complex needs to have flexible settings and be able to provide the user rule the survey due the survey mission.
Nomenclature, form and amount of navigation data being output for user is overviewed on example of RouteNav software developed by the authors. The algorithms of the software can also be used for many purposes in navigation software.
Key words: navigation; survey; aerial survey; interface; navigational support; trajectories; tracing errors; tracing.
Шевчук Станислав Олегович - кандидат технических наук, главный научный сотрудник ЗАО «Аэрогеофизическая разведка». E-mail: staspp@211.ru
Лыско Ольга Николаевна - кандидат сельскохозяйственных наук, доцент кафедры «Инженерная геодезия» Сибирского государственного университета путей сообщения. E-mail: olyal@list.ru
