Введение к работе
Актуальность проблеиы. Системы дистанционного изучения Земли в настоящее время применяются в различных областях деятельности человека наиболее распространенными из которых являются: геодезические исследования и космическое картографирование, исследования поверхности суши в интересах землеведения, лесного и водного хозяйства, поиска и учета природных ресурсов, исследования атмосферы и метереология, экологический контроль, оперативное обнаружение, диагностика и отслеживание крупномасштабных чрезвычайных-природных и экологических ситуаций, слежение за техногенным загрязнением околоземного космического пространства и т.д. В общем виде системы.дистанционного зондирования включают: носитель аппаратуры, собственно измерительные приборы, а также средства запоминания, передачи, приема, обработки и интерпретации данных, полученных из измерений. Как правило, в качестве носителей аппаратуры используются искусственные спутники и воздушно-транспортные средства, а в качестве бортовых зондирующих систем используются фотокамеры, многозональные фотографические системы, телевизионные системы, многозональные сканеры, оптико-электронные системы с приборами зарядовой связи,-радиолокаторы бокового обзора и др. Результаты измерений от бортовых научных приборов и телеметрическая информация в реальном масштабе времени фиксируются в бортовых запоминающих устройствах в специальных файлах, содержимое которых периодически сбрасывается в моменты прохождения носителя над наземными станциями приема. Собственно результаты измерений' и сопутствующая им телеметрия образуют информацию нулевого уровня. Пользователи научной информации требуют представления в их распоряжение не всей исходной необработанной информации, а лишь тех данных, которые имеют непосредственное отношение к тематике их научных исследований, причем они желают получать данные, преобразованные в цифровую форму, позволяющие им воссоздать картину наблюдаемого явления, пригодную для визуальной интерпретации и привязанную в пространстве и времени к наблюдаемому физическому объекту. Поэтому информация нулевого уровня подвергается дальнейшей обработке в наземных информационно-вычислительных центрах. По мере расширения круга пользователей данными дистанционного зондирования, и постоянно усложняющимися требованиями с их стороны К оперативности и точности получаемых данных, сильно возрастает информационная нагрузка на средства траєкторних измерений, передачи и обработки измерительной информации.
Одним из важнейших, процессов при преобразовании информации нулевого уровня в информацию, пригодную для последующей интерпретации и применению в практических целях, является процесс координатно-временной привязки измерительных данных, позволяющий исследователю установить взаимно-однозначное соответствие между значениями измеряемых параметров и наблюдаемыми физическими объектами, от которых пришла информация на регистраторы излучения данного прибора. Причем этот процесс требуется выполнять всегда и для всех приборов расположенных на борту. Помимо данных, непосредственно измеренных в системах приборов наблюдения, процесс координатно-временной привязки требует для. своего осуществления знания траектории движения носителя и его ориентации. Эти данные поступают от наземных служб слежения и Сортовых систем управления ориентацией. Создается дополнительная информационная нагрузка'не только на пункты приема, но и на станции слежения. К настоящему времени уже сложилась такая ситуация, когда оперативная обработка данных дистанционного зондирования становится трудновыполнимой из-за огромного объема информации и ограниченного количества станций слежения и пунктов приема и обработки. В тоже время, ряд достаточно сложных этапов обработки, в частности, процессы траєкторних измерений и их обработки, измерения и обработки данных для определения ориентации носителя, осуществление координатно-временной привязки оперативных данных бортовых измерений, можно воз--дожить на долю комплекса аппаратуры бортового базирования.' Приборные средства для практической реализации этих идей уже созданы. Это измерительная аппаратура спутниковых радио-навигационных систем типа "Глонасс" - "Navstar" и звездные видеоприборы. Технология же, математическое и программное обеспечение для совместного использования данных от этих приборов с целью осуществления координатно-временной привязки в полном объеме'не были созданы. Данная диссертация посвящена решению указанных выше проблем, что свидетельствует об актуальности ее темы.
Основными целями исследование при выполнении данной работы являлись:
- разработка новой технологии, обеспечивающей оперативную, высокоточную и однородную по точности координатно - временную привязку данных дистанционного изучения Земли зондирующими системами, расположенными на борту искусственных спутников Земли (ИСЗ), космических станций (КС), самолетов и других наземных и воздушно - транспортных
носителей;
построение математических моделей и численных ЭВМ-алгоритмов, описывающих все этапы приема и обработки информации, объединение которых и образует собственно технологию координатно-временной привязки;
создание моделирующей и способной к обработке реальных данных программной системы, реализущей в автономном или наземном режимах работы все этапы обработки информации на ЭВМ, необходимые для осуществления навигационной привязки данных дистанционного зондирования по созданной технологии;
проведение численных экспериментов на ЭВМ для определения наиболее критичных и управляемых параметров с точки зрения оперативности привязки, достижимой и требуемой точности ее осуществления, анализа возможностей тех или иных систем дистанционного зондирования и выбора видов и состава навигационных измерений.
Научная новизна работы определяется следупцшш результатами ее выполнения, которые выносятся на защиту:
1. Технология координатно-временной привязки данных дистанционного
зондирования Земли, основанная на применении спутниковых радио
навигационных систем, звездных видеоприборов и аппаратных
средств, формирующих распределение измеряемых и контролируемых
параметров в системах приборов наблюдения.
Математические модели и численные ЭВМ-алгоритмы, описывающие ряд новых процессов, необходимых для программной реализации предложенной технологии, а именно:
-
Алгоритм решения задачи прямой пространственной засечки для случая, когда используются наблюдения разными приборами.и с разных носителей, с учетом ковариационных матриц ошибок всех параметров, используемых для вычисления координат целевого ориентира.'
-
Итерационный алгоритм с последовательным уточнением оценок для определения траектории носителя аппаратуры по данным измерений от спутниковых радио-навигационных систем, построенный на основе фильтра Калмана, учитывающий нелинейность, каналов измерений и дифференциальных уравнений движения носителя и способный к подавлению процесса расходимости при неточно заданных статистических характеристиках шумов измерений и модели движения носителя.
- б -
4. Алгоритм формирования рабочего звездного ЭВМ-каталога, обеспечи
вающий его разбиение на записи таким.образом, что среди них всег
да найдется запись, содержащая полностью параметры всех звезд,
попадающих в поле зрения видеоприбора при любом направлении его
оптической оси.
5. Алгоритм определения ориентации видеоприбора по измерениям
координат изображений звезд в его поле зрения,.построенный на
основе обработки полной выборки измерений нелинейным методом
наименьших квадратов с учетом нелинейных ограничений на оцени
ваемые и измеряемые параметры и с учетом априорных статистичес
ких данных об определяемых параметрах ориентации.
-
Алгоритм вычисления ковариационной матрицы ошибок направления, произвольно выбранной в .системе прибора оси, с учетом ковариационной матрицы ошибок в параметрах ориентации прибора.
-
Программный комплекс, реализующий предложенную технологию навигационной привязки и способный к обработке информации при его эксплуатации на ЭВМ, как в режиме моделирования, так и в режиме обработки.реальных данных, допускающий варьирование 58ю параметрами.
8. Результаты 22х численных экспериментов на ЭВМ, показывающие
эффективность принятых алгоритмов и собственно предложенной тех
нологии в различных режимах обработки данных с зондирующих сис
тем.
Реализация результатов исследований. К -настоящему времени практическое использование разработанной технологии и, реализующей ее программной системы, в полном объеме осуществлено лишь в режимах моделирования на ЭВМ процессов навигационной привязки с целью поиска оптимальных конструктивных параметров аппаратуры наблюдения при выполнении дистанционного зондирования с орбиты ИСЗ, с борта самолета, и со стационарного положения экологических платформ. Эти работы проведены в рамках выполнения хоздоговорных тем, акты о приемке результатов которых заказчиками, приложены в документации к диссертации. Кроме того, ряд алгоритмов и программных модулей, составляющих данную технологию, были использованы при обработке результатов экспериментов с КА "Марс", "Зонд" и ИСЗ серии "Космос", о чем свидетельствуют соответствующие публикации.
- 7 .-
Апробация работы.
Предложенная здесь технология координатно-времеїшой привязки, разрабатывалась автором в течение довольно длительного периода времени. Большинство алгоритмов конструировались и отрабатывались на задачах навигационной привязки данных дистанционного зондирования с различных космических объектов: ИСЗ серий "Метеор", "Космос", "Протон", межпланетных космических станций "Луна","Зонд", "Марс","Венера". Эти алгоритмы -обсуждались на Всесоюзных и Международных конференциях, на совещаниях рабочих групп:
Всесоюзном совещании по проблемам алгоритмизации задач небесной механики и космической геодезии в ИТА АН СССР, Ленинград,1976г;
Всесоюзной конференции по проблемам математической обработки геодезических сетей,Новосибирск,1977г;
Международном симпозиуме комиссии ш Международного фотограмметрического общества МФО, Москва,1978г;
220Я астромвтрической конференции СССР, Москва,1981г;
Всесоюзном научно-координационном совещании рабочей группы "Луна" Москва,1982г;
Всесоюзной конференции "Исследование гравитационного поля и природных ресурсов Земли космическими средствами",Львов,1984г;
Всесоюзной конференции "Селенодезия и динамика Луны",Киев,1987г;
На 12 и 16 Советско-Американской рабочих встречах по планетологии, Москва,1990,1992 гг;
Секции Н8 "Методы определения координат объектов по изображениям" при- РАН,Москва,1993г.
Основные алгоритмы, использованные при построении технологии навигационной привязки, разработанной в данной диссертации, опубликованы в 29 научных статьях и 4х научно-технических отчетах.
Практическая значимость и область применения. Созданные технология и программная система предназначены для осуществления автономной, оперативной и высокоточной координатно-временной привязки данных наблюдений с борта научных и экологических платформ. Поэтому область применения технологии и программной системы полностью совпадает с целевыми задачами эксплуатации научных и экологических платформ, наиболее распространенными среди которых являются: космическое картографирование, крупномасштабная аэросъемка, экологический' мониторинг, оперативное обнаружение, диагностика и отслеживание чрезвычайных экологических,'стихийных и аварийных ситуаций, наведе-
ниє средств спасения людей и ликвидации чрезвычайных ситуаций, космическая метереология, исследование природных ресурсов, отслеживание техногенного загрязнения околоземного космического пространства Помимо обработки реальных данных, собственно программная система может эксплуатироваться на ЭВМ в режимах моделирования процессов навигационной привязки, поскольку допускает варьирование 58ю параметрами. Это дает возможность получить близкие к реальным данные из результатов численных экспериментов на ЭВМ, не прибегая к дорогостоящим экспериментам с лабораторными вариантами создаваемых бортовых зондирующих систем.
Структура диссертации.
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Ее объем без списка литературы составляет 293 страницы машинописного текста. В диссертации имеется 71 рисунок и 12 таблиц. Список литературы содержит 102е работы из них 16 на иностранных языках.
