CC BY
114
-----------------------------------\ф&ст
УСТРОЙСТВО НАБЛЮДЕНИЯ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ГЕОГРАФИЧЕСКИХ КООРДИНАТ УДАЛЕННОГО ОБЪЕКТА
В.А. СОЛДАТЕНКОВ, ген. директор ОАО «НПО Геофизика-НВ», д-р техн. наук,
Ю.К. ГРУЗЕВИЧ, зам. ген. директора по науке ОАО «НПО Геофизика-НВ», канд. тех. наук, А.Д. ЛЕВКОВИЧ, вед. специалист ОАО «НПО Геофизика-НВ»
Э.С. ЛИТВАК, инженер ОАО «НПО Геофизика-НВ»
[email protected], [email protected]
В разное время задача определения географических координат удаленного объекта решалась различными способами. Самым распространенным способом решения этой задачи является определение координат по карте местности, при этом азимут на объект наблюдения и дальность до него должны быть измерены заранее, а географически координаты считываются непосредственно с координатной сетки карты. Такая процедура довольно длительная и не поддается автоматизации. Современная геодезия решает эту задачу с помощью специального прибора тахеометра. Тахеометр — геодезический прибор для измерения расстояний, горизонтальных и вертикальных углов. Данный прибор используется, как правило, для вычисления координат и высот точек местности при топографической съемке местности, при разбивочных работах, переносе на местность высот и координат проектных точек. Недостатком тахеометра является то, что для точного отсчета углов требуется установка прибора строго в вертикальном положении, а это достаточно длительная процедура. Кроме того, данный прибор не может использоваться подвижным наблюдателем и, следовательно, при определении географических координат с подвижной платформы, например, с вертолета, тахеометр не используется. При создании наблюдательного устройства необходимо обеспечить определение в реальном времени углов ориентации оптической оси оптико-электронного наблюдательного устройства сразу после измерения дальности до удаленного наблюдаемого объекта. Такие измерения должны осуществляться без формирования опорной горизонтальной плоскости, от которой отсчитываются углы в тахеометре.
В настоящее время, по нашим сведениям, отсутствуют малогабаритные наблю-
дательные оптико-электронные приборы с возможностью определения в ручном режиме с вертолетов географических координат удаленных объектов и отображением их на фото и видео изображениях. Основной причиной этого является необходимость объединения в составе оптико-электронного прибора нескольких отдельных устройств, что приводит к увеличению габаритов и массы прибора, а также высокой его стоимости. В то же время такие приборы необходимы при охране национальных биологических ресурсов, обнаружения пострадавших в стихийных бедствиях, автоматизированной фиксации несанкционированного пребывания объекта в заданной области пространства и выполнения других задач.
Координаты удаленного объекта определяются на основе дальности до объекта, измеряемой входящим в состав прибора лазерным дальномером, измеренным угловым координатам объекта и известным географическим координатам наблюдателя.
Рис. 1. Модель оптико-электронного прибора. 1 - коллимирующий оптический модуль, 2 - цифровой фотоаппарат, 3 - лазерный дальномер, 4 - модуль обработки
ЛЕСНОИ ВЕСТНИК 6/2012
139
Обработку информации и определение географических координат удаленного объекта осуществляет модуль обработки информации. В состав модуля обработки входит приемник сигналов спутниковой навигации Глонасс/GPS, программируемая логическая интегральная микросхема, на базе которой разработана система на кристалле (СнК). В состав СнК входит soft-процессор MicroBlaze, видеоконтроллер, а также необходимая периферия и межкомпонентные интерфейсы.
Дальномер содержит датчик угла места, определяющий склонение оптической оси прибора относительно плоскости горизонта.
Испытания, проведенные ОАО «НПО Геофизика-НВ» в 2009-2010 гг. подтвердили, что современные трехосные магнитометры из-за влияния внешних магнитных полей не позволяют определить азимут на объект наблюдения с необходимой точностью. В связи с эти был разработан алгоритм, позволяющий определять координаты объекта при выполнении измерения дальности до него с трех различных точек [2]. При этом нет необходимости измерять азимут на объект наблюдения.
Трехмерная модель малогабаритного наблюдательного оптико-электронного прибора приведена на рис. 1.
Оптическая схема оптико-электронного прибора
В соответствии с требованиями, предъявляемыми к документированию изображений несанкционированных пребываний объектов, необходимо обеспечить оптическое проецирование координатной информации, а также даты и времени съемки на изображения удаленных объектов, т.к. при регистрации фактов нарушения административных и государственных границ недопустим цифровой синтез изображений объектов с его географическими координатами и другой символьной информацией. Поэтому координатную и другую символьную информацию, рассчитанную модулем обработки информации и сформированную на матричном экране микродисплея, необходимо спроецировать оптическим коллимирующим модулем на матрицу фотоаппарата или видеокамеры во время
съемки удаленных объектов. Для формирования алфавитно-цифровой информации, занимающей 40 символов на двух строчках при размере символа не менее 8 на 16 пикселей, целесообразно использовать микродисплей типа «TekGear RS170 OEM».
Координатная информация должна быть спроецирована на изображении объекта сразу во время съемки объекта до регистрации его изображения, поэтому координаты объекта должны быть вычислены и изображение с координатной информацией сформировано на микродисплее до срабатывания затвора фотоаппарата. При этом, поскольку объект находится в бесконечности, фокусироваться на объекте не требуется.
Коллимирующий оптический модуль должен располагаться таким образом, чтобы не мешать работе оператора, поэтому наиболее рациональным его размещением является размещение над объективом (рис. 1), т.к. обычно при работе оператора с длиннофокусным объективом последний поддерживается снизу.
На рис. 2 приведена оптическая схема оптико-электронного прибора.
Коллимирующий модуль должен быть рассчитан таким образом, чтобы горизонтальный размер микродисплея проецировался на горизонтальный размер матрицы фотоаппарата. Рассчитаем требуемое увеличение и фокусное расстояние коллимирующего модуля применительно к объективу с фокусным расстояние /=400 мм. Если фокусное расстояние будет меняться, то размер зоны вывода координатной информации в кадре будет уменьшаться пропорционально уменьшению фокусного расстояния. При этом проецируемые символы будут различаться, т.к. пространственное разрешение матрицы фотоаппарата в несколько раз превышает пространственное разрешение матричного экрана микродисплея.
Увеличение оптической системы «объектив прибора-коллимирующий модуль» составит Г = a/b = 22,3/4,8=4,64, где a = 22,3 мм - размер горизонтальной стороны матрицы фотоаппарата, b = 4,8 - размер длинной стороны экрана 11 микродисплея. Тогда фо-
140
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 6/2012
ДфЭст
Рис. 2. Оптическая схема оптико-электронного прибора. 1 - экран микродисплея, 2 - линза-мениск, 3 - двухлинзовый объектив, 4, 5 - зеркала, 6 - защитное стекло, 7 - объектив фотоаппарата, 8 - фоточувствительная матрица
кусное расстояние модуля равно f = /об / Г = = 400/4,64 = 86 мм, где f - фокусное расстояние модуля.
Максимальный угол, под которым лучи выходят из коллимирующего модуля будет равен tga = (b2+c2)1/2/(2/)=(4,82+3,62)/172 = 0,03488 рад., где b и c - размеры активной области микродисплея. Переводя это значение в градусы, получим a = 2°.
Требуемое фокусное расстояние составляет 86 мм, а длина объектива в сложенном состоянии составляет 190 мм, поэтому габариты модуля позволяют разместить его сверху, над объективом.
Поскольку цвет изображения символьной информации зависит от цвета подсвечивающего светодиода, коллимирующий модуль должен быть ахроматизирован. Вначале мы синтезировали двухлинзовый склеенный объектив. В целях снижения стоимости производства радиусы двояковыпуклой первой линзы сделаем равными. В качестве марок стекол выберем К8 и ТФ5, являющихся ахроматической парой. По программе расчета оптических систем «Zemax» рассчитаны конструктивные параметры объектива коллимирующего модуля. В качестве критерия оптимизации использовалась минимизация среднего квадратического отклонения волно-
вого фронта в узлах гауссовой квадратуры, имеющей 3 кольца и 6 лучей. При расчетах было задано фокусное расстояние объектива, равное 86 мм.
Алгоритм работы
оптико-электронного прибора
Для создания малогабаритного оптико-электронного прибора регистрации изображений удаленных объектов с высокоточным определением его географических координат необходимо обеспечить измерение дальности и угловых координат удаленных объектов с помощью малогабаритных дальномеров и датчиков углов азимута и места. Отсутствие высокоточных малогабаритных датчиков углов азимута, обеспечивающих измерение азимута с точностью менее 30 угловых минут, потребовало разработки алгоритма расчета географических координат удаленных объектов по результатам высокоточных измерений из различных точек наблюдения дальностей и углов места до удаленного объекта. На рис. 3 приведена схема, поясняющая разработанный алгоритм.
В соответствии с разработанным алгоритмом оператором из трех или более точек наблюдения с помощью лазерного дальномера измеряется дальность до удаленного объекта,
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 6/2012
141
ФбсТуЛ-----------------------------
а датчиком угла - его угол места. При каждом измерении дальности до объекта при новом положении оператора становятся известны параметры окружности, центром которой является положение оператора, а радиус равен проекции наклонной дальности (рис. 3). По измеренным дальностям определяются координаты точек пересечения окружностей. При получении более двух точек пересечения необходимо определить условие однозначности определения группы точек пересечения окружностей. С этой целью необходимо определить угол между прямыми, соединяющими 3 точки, не лежащие на одной прямой, а затем сравнить величину угла с его пороговым значением. Экспериментально определено пороговое значение, которое равно 10°. Кроме этого установлено, что расстояние между точками пересечения не должно быть менее порогового значения, равного 200 м. Если оба условия выполняются, то координаты удаленного объекта определяются как среднее значение группы точек пересечения, в которой расположен объект. На данном этапе вычисляются координаты удаленного объекта в декартовой системе координат, начало которой расположено в точке А с географическими координатами (А,, ф Н0) (рис. 3), где обозначены: А, - долгота, фо - широта и h, - высота над поверхностью Земли.
Для вычисления географических координат объекта необходимо предварительно определить декартовые координаты точек пересечения трех окружностей. В соответствии
ко-электронного прибора
с разработанным алгоритмом в результате трех измерений дальности получается шесть точек пересечений трех окружностей, которые можно разделить на две группы. Из двух групп точек выбирается такая группа, в которой расстояния между точками пересечений минимально.
Вычисление координат точек пересечения окружностей целесообразно проводить в декартовой системе координат. В качестве начала координат данной системы выберем точку А с географическими координатами: ф , Аа, На (рис. 3). Декартовы координаты других точек, из которых производится измерение дальности до объекта, с географическими координатами (ф., А., Н) вычисляются по формулам
s]2((R3+Ha )cos(<p0 ))2 (l-cos(8X,)) если 5Х>0
! -V2((i?3+tfJCO<90))2(l^os(5X)) если 6А<0
yj2(R3+НА )2 (1- сол(5ф)) если 5ф>0 -yj2(R3+Ha )2 (1-сау(5ф)) если 5ф<0
Таким образом, если заданы декартовы координаты центров окружностей (xp у}), (x2, y2) и их радиуса r2, то чтобы найти ко-
ординаты точек их пересечения необходимо выполнить следующие действия (рис. 4) [3].
1. Вычислить расстояние между центрами окружностей по формуле
l = J(x2-xi)2+(y2-yi)2
ле
ле
2. Найти длину отрезка О2Н по форму-
ОгН =
r?+l2-rt
21
3. Найти длину отрезка НР по форму-
НР = ^г2-0]Н2
4. Определить направление отсчета [ 1 если(х2- JCj)>0 1—1 если (х2 - хг) < 0
142
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 6/2012
Дф&ст
5. Определить кордиты точки пересечения окружностей по формулам xt = хх + ОхН cos(a)0, yt = ух + ОхН sin(a)0
a = <!
arctan^ -y2)l(xl -x2)) если xx - x2 ^ 0 7c/2 если xx - x2 = 0,
6. Вычислить координаты точек пересечения окружностей вычисляются по формулам
- если (x1-x2)=0, то координаты точек пересечения окружностей вычисляются по формулам
х1 =х-HP х2=х + HP
y1 =y+ ОН
у2=у.+°Н
- если (y1-y2) = 0, то координаты точек пересечения окружностей вычисляются по формулам
х1=х.
I
х2=х.
I
y1=y+ HP y=y-HP
7. Если (x1-x2) Ф 0 и (y1-y2) ф 0,то координаты точек пересечения окружностей вычисляются по формулам
х^х.+соэфуНР х2=х. - cos(P) HP y1=y.+sin(P)HP y2=yi- sin(P) HP,
где верхним индексом обозначен номер группы точек, а угол в вычисляется по формуле Р = arctanC-C^ - х2) /(ух - у2)).
При наличии трех и более точек измерений необходимо найти точки их пересечения и определить группу точек, к которой принадлежит объект. Для этого необходимо вычислить расстояние между точками, принадлежащими разным группам. Объект принимается принадлежащим той группе, в которой расстояние между точками минимально.
Преобразование декартовых координат в сферические выполняется в следующей последовательности. Вначале определяется
Рис. 4. К вычислению координат точек пересечения окружностей
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 6/2012
143
фйстД
магнитный азимут ф по известным координатам х и у по формуле
arctg(x / у), если х > 0 и у > О n/2 + axctg(y/х), еслих>0 и у< О
Ф =
тт: + arctg(jt / у), еслих<0 и у<0
37i/2 + arctg(^/x), еслих<0и у>0
где х и у - декартовы координаты объекта.
Далее вычисляются приращения широты и долготы
С
dtp - arccos
dk - arccos
1-
i-i 2
C
V
/ со£(ф)
\R3 +HA J
l cos(\|/)
\2>|
ч Х^ + Я^)с08(Фо)у ^
В зависимости от знака приращений и dk, широта и долгота объекта вычисляются по формулам
ф0 + dp при (90 > \|/ > 0)
Ф =
или(270 > \|/ > 360)
Ф0 - dp при (180 > ф > 270)
А.0 + dk при 180 > А. > 0 к0 - dk при 180 > к > 360
Особенностью используемого дальномера является его способность измерять дальность до объекта в течение промежутка времени до 10 секунд. После окончания измерения дальномер посылает пакет данных с информацией об измеренной дальности в модуль обработки информации. В этом пакете содержится и значение проекции наклонной дальности. Географическими координатами наблюдателя считаются обработанные на момент поступления пакета от дальномера данные от приемника СНС. Таким образом, необходимо вычислить координаты точек пересечения окружностей. В случае если количество точек превышает три, требуется вычислить средние значения координат этих точек и преобразовать их в географическую систему координат. После этого формируется изображение координатной информации на микродисплее. При этом съемка объекта может проводиться и до вычисления координат объекта.
После вычисления декартовых координат объекта происходит преобразование
координат в географические и формирование на микродисплее координатной информации. После этого активизируется затвор фотоаппарата и происходит съемка объекта. Во время срабатывания затвора оператор не должен смещать перекрестие прицельной метки дальномера с объекта.
Объединение в составе прибора лазерного дальномера с инерциальными датчиками спутниковой навигационной системы позволяет определить положение оптической оси в пространстве, что при известной дальности до объекта и известных географических координатах наблюдателя позволяет вычислить географические координаты наблюдаемого объекта.
В результате практической реализации предложенного способа определения географических координат был разработан принципиально новый класс оптико-электронных устройств, предназначенных для регистрации изображения удаленных объектов с автоматизированным определением и документированием их географических координат, даты, времени, дальности и другой необходимой информации.
Работа проводилась при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации в рамках государственного контракта от 13 сентября 2011 г. № 16.523.12.3006.
Библиографический список
1. Солдатенков, В.А. Системы позиционирования для оптико-электронных систем наблюдения и ориентации / В.А. Солдатенков, Ю.К. Грузевич,
B. М. Ачильдиев, А.Д. Левкович и др. //Вестник МГУЛ. - М.: МГУЛ, 2009. - № 6. - С. 52-57.
2. Солдатенков, В.А. Оптико-электронный прибор для определения географических координат удаленного объекта с комплексированной микромеханической бесплатформенной навигационной системой / В.А. Солдатенков, Ю.К. Грузевич, В.М. Ачильдиев, А.Д. Левкович и др. //Сб. трудов XVII Санкт-Петербургской международной конференции по интегрированным навигационным системам, - СПб: ЦНИИ «Электроприбор», 2010. -
C. 269-276
3. Андреева, Е.В. Вычислительная геометрия на плоскости / Е.В. Андреева, Ю.Е. Егоров. - М.: Информатика, 2002. - № 14.
144
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 6/2012
