Способ одновременного измерения вектора скорости летательного аппарата и дальности до наземного объекта Российский патент 2018 года по МПК G01C23/00 

Изобретение относится к области авиационного приборостроения и может быть использовано для выполнения полетных заданий, связанных с позиционированием летательного аппарата (ЛА) относительно наземного объекта при сближении с ним. Полетным заданием при этом может быть десантирование грузов, коррекция навигационной системы, оценка состояния объекта, пожаротушение, картографирование, формирование эталонов для распознавания объекта и т.п. Позиционирование производится путем одновременного измерения на борту параметров вектора скорости ЛА, дальности до объекта и угловой ориентации линии визирования объекта [1]. При этом дальность относится к основным параметрам, определяющим действия летчика или автомата при сближении с объектом. При отсутствии точных априорных данных о взаимном расположении ЛА и объекта дальность обычно измеряют с помощью лазерных дальномеров или радиолокаторов, т.е. активных (излучающих) средств. Угловые координаты объекта измеряют пассивными средствами, используя телевизионные (ТВ) или тепловизионные (ТП) каналы, которые всегда присутствуют в системах переднего обзора (СПО) (в том числе в прицельных системах). Активные средства, как правило, имеют значительные массогабаритные характеристики и не всегда имеются в СПО. Кроме того в некоторых ситуациях их использование нежелательно, так как их излучение демаскирует ЛА и представляет опасность для глаз. Поэтому актуальной является решение задачи использования пассивных средств для измерения дальности до наземного объекта. Проблематичность такого дальнометрирования заключается в том, что при сближении с объектом (особенно на малых высотах полета) применение угломестных способов затруднено из-за малости угловых скоростей линии визирования объекта, при которых требуется очень большая точность определения углов поворота измерительных осей кардановых подвесов визирного элемента и гироплатформы для определения триангуляционных угловых координат объекта относительно базы, формируемой движением ЛА. В настоящее время ошибки измерения углов поворота осей исключают возможность такого дальнометрирования [1-3]. Требуемые точности возможны при оптических способах измерений в единой инерциальной системе координат.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является Способ измерения курса летательного аппарата [4], основанный на измерениях с помощью гироскопических устройств углов курса, крена, тангажа, измерениях составляющих вектора угловой скорости по строительным осям ЛА, по которым в функции крена и тангажа определяют и за тем интегрируют угловую скорость изменения курса, измерения с помощью спутниковой навигационной системы (СНС) составляющих вектора путевой скорости ЛА по осям географической системы координат, которые используют для определения угла ориентации вектора путевой скорости ЛА относительно географического меридиана, компенсации угла сноса в угле ориентации вектора путевой скорости относительно географического меридиана, использовании разностного сигнала, полученного в результате компенсации, либо для коррекции сигналов курса, полученных прямым измерением и интегрированием угловой скорости изменения курса, либо непосредственно в качестве сигнала курса при отказе других систем измерения курса, измерении в системе переднего обзора углов ориентации относительно строительных осей ЛА гиростабилизированного поля зрения ТВ или ТП датчика изображений (ДИ), в котором оптическое изображение формируется в фокальной плоскости и считывается матричными чувствительными элементами, выделении по ТВ/ТП изображениям опорных точек на поверхности Земли для их дальнейшего сопровождения, фиксировании траекторий перемещения изображений опорных точек по фокальной плоскости ДИ с помощью сопровождения их на последовательности кадров и регистрирования их координат, моментов времени формирования соответствующих кадров, показаний датчиков ускорений и углов ориентации поля зрения ДИ относительно строительных осей ЛА, измерений с помощью СНС и инерциальной навигационной системы (ИНС) составляющих вектора скорости по строительным осям ЛА в эти моменты времени, выделении на траекториях пары одновременно формируемых участков, определении для каждой пары выделенных участков траекторий координат точки схождения как точки пересечения продолжений хорд, стягивающих эти участки, определении параметров угловых положений линий визирования, проходящих через полученные точки схождения, и центр проекции, который используется в ДИ для формирования оптического изображения, находя тем самым направления векторов средних скоростей ЛА на интервалах времени формирования выделенных пар участков траекторий движения изображений опорных точек по фокальной плоскости, корректировании полученных направлений векторов средних скоростей ЛА с использованием зарегистрированных данных и приведением их к текущему моменту времени, определении параметров углового положения вектора скорости ЛА в текущий момент времени относительно системы координат, связанной с полем зрения ДИ, как результата осреднения скорректированных параметров углового положения векторов средних скоростей ЛА, определении углов, задающих направление полета относительно строительных осей ЛА и направление вектора путевой скорости ЛА относительно проекции продольной оси ЛА на горизонтальную плоскость (угол сноса) путем использования найденных параметров углового положения вектора скорости ЛА, углов ориентации поля зрения ДИ относительно строительных осей ЛА и углов крена и тангажа в текущий момент времени.

Недостатком известного способа является низкая информативность при сближении с наземным объектом для решения задач десантирования грузов, коррекции навигационной системы, оценки состояния объекта, пожаротушении, картографировании, формирования эталонов для распознавания объекта и т.п. без использования активных (излучающих) дальномеров, так как точное знание только параметров вектора скорости ЛА в текущий момент времени недостаточно для своевременного формирования команд и сигналов управления, необходимых для выполнения полетного задания, при известных реализациях угломестных методов оценки дальности до объекта в процессе его сопровождения из-за больших ошибок измерений угла между вектором скорости и линией визирования объекта.

Технической задачей изобретения является повышение информативности действий при одновременных измерениях параметров вектора скорости ЛА и дальности до наземного объекта в процессе сближения с ним для выполнения полетного задания.

Решение технической задачи или сущность изобретения заключается в том, что в «Способе измерения курса летательного аппарата» [4], основанном на измерениях с помощью гироскопических устройств углов курса, крена, тангажа, измерениях составляющих вектора угловой скорости по строительным осям ЛА, по которым в функции крена и тангажа определяют и за тем интегрируют угловую скорость изменения курса, измерения с помощью спутниковой навигационной системы (СНС) составляющих вектора путевой скорости ЛА по осям географической системы координат, которые используют для определения угла ориентации вектора путевой скорости ЛА относительно географического меридиана, компенсации угла сноса в угле ориентации вектора путевой скорости относительно географического меридиана, использовании разностного сигнала, полученного в результате компенсации, либо для коррекции сигналов курса, полученных прямым измерением и интегрированием угловой скорости изменения курса, либо непосредственно в качестве сигнала курса при отказе других систем измерения курса, измерении в системе переднего обзора углов ориентации относительно строительных осей ЛА гиростабилизированного поля зрения ТВ или ТП датчика изображений (ДИ), в котором оптическое изображение формируется в фокальной плоскости и считывается матричными чувствительными элементами, выделении по ТВ/ТП изображениям опорных точек на поверхности Земли для их дальнейшего сопровождения, фиксировании траекторий перемещения изображений опорных точек по фокальной плоскости ДИ с помощью сопровождения их на последовательности кадров и регистрирования их координат, моментов времени формирования соответствующих кадров, показаний датчиков ускорений и углов ориентации поля зрения ДИ относительно строительных осей ЛА, измерений с помощью СНС и инерциальной навигационной системы (ИНС) составляющих вектора скорости по строительным осям ЛА в эти моменты времени, выделении на траекториях пары одновременно формируемых участков, определении для каждой пары выделенных участков траекторий координат точки схождения как точки пересечения продолжений хорд, стягивающих эти участки, определении параметров угловых положений линий визирования, проходящих через полученные точки схождения, и центр проекции, который используется в ДИ для формирования оптического изображения, находя тем самым направления векторов средних скоростей ЛА на интервалах времени формирования выделенных пар участков траекторий движения изображений опорных точек по фокальной плоскости, корректировании полученных направлений векторов средних скоростей ЛА с использованием зарегистрированных данных и приведением их к текущему моменту времени, определении параметров углового положения вектора скорости ЛА в текущий момент времени относительно системы координат, связанной с полем зрения ДИ, как результата осреднения скорректированных параметров углового положения векторов средних скоростей ЛА, определении углов, задающих направление полета относительно строительных осей ЛА и направление вектора путевой скорости ЛА относительно проекции продольной оси ЛА на горизонтальную плоскость (угол сноса) путем использования найденных параметров углового положения вектора скорости ЛА, углов ориентации поля зрения ДИ относительно строительных осей ЛА и углов крена и тангажа в текущий момент времени, дополнительно выделяют объект, до которого необходимо измерить дальность, совмещая с его изображением прицельную метку, сопровождают выделенный объект на интервале времени наблюдения, который необходим для определения параметров углового положения вектора скорости ЛА, не изменяя угловую ориентацию поля зрения в инерциальном пространстве, и анализируя изображения, формируемые ДИ на той же последовательности кадров, которые соответствуют построению пар одновременно формируемых участков траекторий перемещения изображений опорных точек для определения параметров углового положения вектора скорости ЛА, используют для определения параметров вектор перемещения ЛА на интервале наблюдения углы ориентации вектора средней скорости относительно системы координат, связанной с полем зрения ДИ, за время наблюдения путем определения координат точки пересечения продолжений пары хорд, стягивающих наиболее длинные из выделенных (при определении направления вектора скорости в текущий момент времени) одновременно формируемых участков траекторий перемещения изображений опорных точек, и определения параметров углового положения линий, проходящих через полученную точку пересечения и центр проекции, который используется в ДИ для формирования оптического изображения, измеряют параметры угловых положений линии визирования объекта в начале и в конце интервала наблюдения относительно системы координат, связанной с полем зрения ДИ, путем измерения координат изображений объекта на фокальной плоскости в моменты формирования первого и последнего кадров анализируемой последовательности изображений и определения параметров угловых положений линий, проходящих через изображения объектов и центр проекции, который используется в ДИ для формирования оптического изображения, определяют, используя зарегистрированные навигационные данные, модуль вектора перемещения ЛА за время наблюдения, определяют дальность до объекта, используя модуль вектора перемещения ЛА за время наблюдения, измеренные параметры угловых положений линии визирования объекта и вектора перемещения ЛА за время наблюдения.

Новыми признаками, обладающими существенными отличиями по способу, является следующая совокупность действий:

1. Выделяют объект, до которого необходимо измерить дальность, совмещая с его изображением прицельную метку.

2. Сопровождают выделенный объект на интервале времени наблюдения, который необходим для определения параметров углового положения вектора скорости ЛА, не изменяя угловую ориентацию поля зрения в инерциальном пространстве, и анализируя изображения, формируемые ДИ на той же последовательности кадров, которые соответствуют построению пар одновременно формируемых участков траекторий перемещения изображений опорных точек для определения параметров углового положения вектора скорости ЛА.

3. Используют для определения параметров вектор перемещения ЛА на интервале наблюдения углы ориентации вектора средней скорости относительно системы координат, связанной с полем зрения ДИ, за время наблюдения путем определения координат точки пересечения продолжений пары хорд, стягивающих наиболее длинные из выделенных (при определении направления вектора скорости в текущий момент времени) одновременно формируемых участков траекторий перемещения изображений опорных точек, и определения параметров углового положения линий, проходящих через полученную точку пересечения и центр проекции, который используется в ДИ для формирования оптического изображения

4. Измеряют параметры угловых положений линии визирования объекта в начале и в конце интервала наблюдения относительно системы координат, связанной с полем зрения ДИ, путем измерения координат изображений объекта на фокальной плоскости в моменты формирования первого и последнего кадров анализируемой последовательности изображений и определения параметров угловых положений линий, проходящих через изображения объектов и центр проекции, который используется в ДИ для формирования оптического изображения.

5. Определяют, используя зарегистрированные навигационные данные, модуль вектора перемещения ЛА за время наблюдения.

6. Определяют дальность до объекта, используя модуль вектора перемещения ЛА за время наблюдения, измеренные параметры угловых положений линии визирования объекта и вектора перемещения ЛА за время наблюдения.

Заявляемый способ позволяет использовать оптические точности измерений углов для оценки дальности до сопровождаемого объекта, обеспечивая скрытность действия ЛА и безопасность для глаз без увеличения массогабаритных характеристик СПО с пассивными информационными каналами и организуя одновременные измерения параметров вектора скорости ЛА, дальности и угловой ориентации линии визирования объекта как единой процедуры.

Вышеуказанные отличительные признаки являются существенными, поскольку каждый в отдельности и все совместно направлены на решение поставленной задачи с достижением технического результата - измерения дальности до обнаруженного объекта без демаскирующего излучения энергии в оптическом или радио диапазонах длин волн с одновременным измерением параметров вектора скорости ЛА. Использование единой совокупности существенных отличительных признаков в известных технических решениях не обнаружено, что характеризует соответствие рассматриваемого технического решения критерию «новизна».

Рассмотрим альтернативные варианты последовательности действия для определения дальности до объекта без использования единой совокупности отличительных признаков.

1. Использование признаков 1, 2, 4, 5, 6 без признака 3, т.е. с измерением необходимых углов ориентации вектора средней скорости ЛА другими способами, отличными от способа, соответствующего признаку 3. Это приведет к потере точности и необходимости значительного увеличения общего времени наблюдения по следующим причинам:

А) Автономная оценка дальности до объекта без активных (излучающих) дальномеров требует точного знания направления перемещения ЛА за время наблюдения, т.е. прецизионных оценок параметров вектора средней скорости на этом интервале. Оценка этих параметров любым способом без использования признака 3 связанна с необходимостью обработки результатов измерений параметров векторов мгновенных скоростей в текущие моменты времени на интервале наблюдения, например, способом, предложенном в прототипе, который обеспечивает по сравнению с другими способами максимальную точность измерений. Реальные траектории полета ЛА на интервале 3-4 секунды всегда существенно отличаются от прямолинейных, т.е. параметры векторов мгновенных скоростей все время изменяются. Поэтому при усреднении измерений этих параметров неизбежно накапливаются ошибки. В структуре этих ошибок, кроме оптических составляющих (связанных с прецизионными измерениями координат на фокальной плоскости ДИ) присутствуют составляющие, возникающие из-за измерений (например, ускорений), которые проводятся в системе координат, не связанных с полем зрения ДИ, и, следовательно, требующих преобразований из одной системы координат в другую. В результате в оценках параметров вектора перемещения ЛА за время наблюдения присутствуют значительные ошибки из-за погрешностей определения углов поворота измерительных осей (например, в кардановом подвесе ДИ). Использование признака 3 без изменения угловой ориентации поля зрения ДИ в инерциальном пространстве (см. признак 2) обеспечивает прямое измерение параметров вектора перемещения ЛА в инерциальном пространстве на интервале наблюдения независимо от фактической реализации траектории полета ЛА на этом интервале, т.е. при любой форме траектории перемещения изображений опорных точек на фокальной плоскости ДИ между первым и последним кадрами анализируемой последовательности изображений.

Б) Применение способа, предложенного в прототипе, позволяет с высокой точностью измерить параметры вектора мгновенной скорости в момент завершения построений траекторий перемещения изображений опорных точек на фокальной плоскости ДИ. Для формирования последовательности столь же точных измерений на всем интервале наблюдения объекта необходимо заранее (до этого интервала) начать многократно повторять применение этого способа, прослеживая на фокальной плоскости траектории перемещения изображений все новых и новых пар опорных точек. Поэтому общее время наблюдения сцены при сопровождении обнаруженного объекта увеличивается на время прослеживания траекторий перемещения одной пары точек, которое для достижения требуемых точностей составляет 3-4 секунды, т.е. столько же, сколько необходимо для дальнейшего сопровождения обнаруженного объекта. Поэтому общее необходимое время формирования анализируемой последовательности изображений увеличивается приблизительно в 2 раза по сравнению со случаем использования всей совокупности признаков, включая признак 3, что приводит, например, при скорости ЛА 200-250 м/с к уменьшению расстояния ЛА-объект в момент измерения дальности с 4 км до 3 км, существенно ограничивая возможности маневра для выполнения полетного задания.

2. Использование признаков 1, 4, 5, 6 (без сохранения неизменным угловой ориентации поля зрения в инерциальном пространстве /см. признак 2/ и формирования траекторий перемещения изображений опорных точек /см. признак 3/), т.е. использование традиционного метода сопровождения объекта не электронной меткой, а осью симметрии поля зрения (визирной линией), приводит не только к потере точности по причине А), но и к недопустимо большим ошибкам оценивания триангуляционных углов визирования объекта относительно базы (которая формируется движением ЛА), т.к. эти углы измеряются не оптически в единой системе координат, связанной с полем зрения, а путем измерений и преобразований угловых положений визирной линии относительно строительных осей ЛА, т.е. с переносом в оценки триангуляционных углов всех ошибок измерения углов механических поворотов карданова подвеса ДИ и ошибок измерений углового положения гироплатформы относительно строительных осей ЛА.

Следовательно, изложенная выше совокупность новых существенных признаков в сочетании с предложенными в прототипе обеспечивает наиболее эффективное решение поставленной технической задачи с расширением области применения и характеризует предложенное техническое решение существенными отличиями по сравнению с известным уровнем техники, что характеризует соответствие рассматриваемого технического решения критерию «изобретательский уровень».

Заявляемый способ является результатом научно-исследовательской и экспериментальной работы по одновременному измерению направления вектора скорости ЛА и дальности до наземного объекта без использования излучающих дальномеров.

На фиг. 1 показаны траектории перемещения изображений опорных точек и объекта на фокальной плоскости ДИ за время наблюдения, а также построение точки схождения, положение которой определяет направление вектора средней скорости ЛА.

На фиг. 2 показаны геометрические построения (в системе координат, связанной с полем зрения), использованные для определения дальности до объекта D₂ по данным о векторе средней скорости ЛА (о его модуле - и его направлении - ориентация линии визирования точки схождения продолжений хорд на фокальной плоскости) и оптическим измерениям углов визирования объекта относительно оси симметрии поля зрения ДИ.

На фиг. 3 представлены зависимости относительной ошибки измерения дальности от высоты полета и пути, оставшегося до пролета над объектом D_Г2, при перемещении за время наблюдения на ΔD=1 км, поле зрения 2° и размерности матриц 600×600 и 1000×1000 элементов.

Способ реализуется следующим образом. В процессе полета ЛА, оборудованного системой переднего обзора (СПО), формируется последовательность ТВ или ТП изображений подстилающей поверхности. По этим изображениям летчик (на пилотируемом ЛА) или автомат (на беспилотным ЛА) производят обнаружение объекта, определенного в полетном задании, и включают режим автосопровождения изображения объекта корреляционным и/или контрастным методами при гиростабилизированном в инерциальном пространстве поле зрения. Одновременно автомат анализирует изображение сцены в окрестности обнаруженного объекта для выделения наиболее контрастных опорных точек и их автосопровождения на последующих кадрах видеопоследовательности. Точность определения углов ориентации вектора скорости ЛА по видеопоследовательности, формируемой СПО в значительной степени определяется точностью и временем надежного сопровождения выделенных опорных точек при движении ЛА. При этом достаточно сопровождать на изображениях хотя бы две опорные точки и, следовательно, имеется возможность значительного ужесточения требований к свойствам захватываемых для сопровождения точек, по сравнению с требованиями к ним при решении традиционных задач выделения на изображениях возможно большего количества характерных точек.

При стабилизированном в инерциальном пространстве поле зрении ДИ изображения выделенных опорных точек двигаются на фокальной плоскости по расходящимся траекториям так, что положение точки пересечения (точки схождения) продолжений хорд, стягивающих одновременно формируемые участки этих траекторий на любом интервале времени однозначно определяется направлением вектора перемещения ЛА на том же интервале времени [5], т.е. направлением вектора средней скорости ЛА на этом интервале в приборной системе координат (связанной с полем зрения СПО). В пределах поля зрения, как правило, выделяются более 5 опорных точек, уверенно сопровождаемых до их выхода за пределы поля зрения. Для определения координат точки схождения необходимо сопровождать хотя бы 2 опорные точки, траектории которых в фокальной плоскости расходятся под достаточно большими углами (45°-135°).

В прототипе [4] для оценки параметров ориентации вектора мгновенной скорости ЛА в текущий момент рассматривается последовательность вложенных друг в друга временных интервалов Δt_i=T_i-t_i, соответствующих различным пикселям, формирующим участки траектории движения пары опорных точек на фокальной плоскости ДИ за время наблюдения Δt₀=T₀-t₀ до выхода хотя бы одной из них за пределы поля зрения. На каждом интервале Δt_i с помощью метода «двух засечек» по траекториям движения опорных точек определяются положения двух прямых линий на фокальной плоскости и координаты точки их пересечения. Если на этом интервале ЛА двигается с ускорением , то выражения для тангенсов углов ориентации вектора скорости в приборной системе координат в момент времени T₀, определенных по двум засечкам положения опорных точек на i-м интервале, могут быть записаны в следующем виде:

где - проекции вектора скорости ЛА на оси координат X, Y, Z в момент времени t (ось X является оптической осью ДИ);

- средняя величина проекции вектора скорости на интервале времени (t_i, T_i), при этом может быть точно измерена по сигналам МФ РЛС или ДИСС;

a_x(t), a_y(t), a_z(t) - проекции вектора ускорения на оси координат X, Y, Z;

F - фокусное расстояние объектива ОЭС;

- координаты пересечения продолжений отрезков прямых линий (называемых хордами), соединяющих изображения опорной точки на фокальной плоскости в моменты времени t_i и T_i то есть построенных по двум засечкам положений каждой опорной точки на концах интервала времени Δt_i.

Каждое (i-ое) косвенное измерение этих тангенсов соответствует измерению положения точки схождения на фокальной плоскости для одного и того же момента времени T₀. Оценку каждого из двух искомых тангенсов углов ориентации вектора скорости определяют как среднее взвешенное K таких косвенных измерений (i=0, 1, …, K-1). Эти измерения соответствуют построению точек схождения по продолжениям хорд, которые соединяют различные пары пикселей на выбранном (активном) участке траектории движения каждой опорной точки. Этот участок соответствует заданному интервалу времени сопровождения Δt₀ и времени T₀, при котором формируется последняя точка траектории движения. При этом нулевое измерение производится по двум крайним пикселям этого участка, а каждое следующее измерение соответствует двум ближайшем к ним, но не использованным ранее пикселям на выбранном участке траектории движения опорной точки. Таким образом, если за время сопровождения двух опорных точек Δt₀=T₀-t₀ их траектории на фокальной плоскости сформированы n+1 пикселями (будем всегда выбирать число n+1 четным), то на каждой траектории может быть построено (n+1)/2 хорд со статистически независимыми ошибками измерения координат их краевых точек и, следовательно, возможно провести K-(n+1)/2 независимых измерений направления движения ЛА, то есть искомых тангенсов углов в момент времени T₀. Тогда средние взвешенные оценки тангенсов угловой ориентации вектора скорости в момент времени T₀ определяется выражениями

где - результаты i-го косвенного измерения величин tgϕ_Z, tgϕ_Y, рассчитанные с помощью выражений (1), (2) по оценкам величин

- величина обратная квадрату СКО i-го косвенного измерения направления движения, то есть искомых тангенсов, рассчитанных только по засечкам положений опорных точек в моменты времени t_i и T_i.

В заявляемом изобретении дополнительно, для оценки дальности до обнаруженного объекта, рассматривается общий (т.е. Δt₀ - самый большой из упомянутой последовательности) временной интервал - интервал наблюдения (от начала сопровождения выбранной пары опорных точек до выхода хотя бы одной из них за пределы поля зрения). На том же интервале рассматривается перемещение по фокальной плоскости изображения сопровождаемого объекта, до которого необходимо измерить дальность (фиг. 1). Таким образом, на фокальной плоскости путем обработки сигналов матричного фотоприемника производятся оптические измерения координат шести положений сопровождаемых объектов: двух опорных точек и объекта, до которого необходимо измерить дальность. После деления на фокусное расстояние эти координаты преобразуются в тангенсы угловых координат, которые далее будем называть безразмерными координатами точек на фокальной плоскости ДИ, т.е. измеряются

• (y_C1, z_C1), (y_C2, z_C2) - безразмерные координаты начала и конца траектории изображения объекта;

• - безразмерные координаты начала и конца траектории изображения левой опорной точки;

• - безразмерные координаты начала и конца траектории изображения правой опорной точки;

В результате геометрических построений, показанных на фигуре 1, можно определить безразмерные координаты точки пересечения (точки схождения) продолжений хорд, стягивающих траектории, т.е. проходящих через начало и конец каждой траектории. Безразмерные координаты точки схождения (y₀, z₀) определяют направление средней скорости ЛА (или вектора перемещения) в системе координат, связанной с полем зрения. На фигуре 2 показаны геометрические построения для определения дальности D₂ до объекта в конце интервала наблюдения по данным о векторе средней скорости ЛА и оптическим измерениям углов визирования объекта путем прослеживания формируемой им траектории движения его изображения по фокальной плоскости на интервале наблюдения Δt из-за перемещения ЛА .

Результатом решения соответствующей геометрической задачи является определение дальности D₂ по результатам прямых прецизионных оптических измерений величин с пиксельной или субпиксельной точностью и определения модуля вектора перемещения

по данным навигационной системы или непосредственно доплеровских измерителей скорости и сноса (ДИСС), которые с большими ошибками измеряя направление вектора скорости (СКО=6-12 угл. мин), обеспечивают достаточно точное измерение его модуля [6]. Таким образом, производится косвенное измерение дальности до объекта с помощью следующих выражений:

где W является взятой с обратным знаком вертикальной координатой точки схождения y_O и определяется по формуле

Рассмотрим точность определения дальности с помощью заявляемого способа. Предполагая малость ошибок измерений дисперсию оценки дальности представим в виде суммы четырех составляющих

где σ_об - СКО оценки D₂, возникающая из-за погрешностей измерения безразмерных координат изображения объекта на фокальной плоскости ДИ с СКО и ;

σ_W - СКО оценки D₂, возникающая из-за погрешностей измерения безразмерных координат изображения опорных точек на фокальной плоскости ДИ с СКО .

σ_Г - СКО оценки D₂, возникающая из-за погрешностей гиростабилизации поля зрения ДИ относительно инерциальной системы координат с СКО σ_{ст y} и σ_{ст z};

σ_ΔD - СКО оценки D₂, возникающая из-за относительных ошибок измерения модуля вектора скорости ЛА с СКО при определении модуля вектора перемещения ΔD на интервале наблюдения с ошибкой .

Используя полный дифференциал для величины D₂ как функции (5), (6) результатов измерения, составляющие дисперсии оценки дальности D₂ можно представить в виде следующих выражений

где Z_ω - отношение горизонтального размера матрицы чувствительных элементов к фокусному расстоянию ДИ (Z_ω приблизительно равно ширине поля зрения Z_ω≈ω)

N - число пикселей в горизонтальной строке изображения;

k₁, k₂ - коэффициенты пропорциональности, связывающие СКО измерения координат на фокальной плоскости с шагом матрицы при определении положений изображений объекта (k₁) и опорных точек (k₂);

σ_{ст y}, σ_{ст z} - СКО погрешностей гиростабилизации в вертикальной и горизонтальной плоскостях.

- СКО оценки модуля вектора скорости ЛА.

Исследование зависимости СКО оценки дальности от ширины поля зрения ω показали, что для диапазона 2000 < D_Г2 < 8000 м величина ω=2° близка к оптимальному значению. При близких к субпиксельным методах обработки изображений для сопровождения объекта и опорных точек [7] коэффициенты k₁=k₂=0,5 (в случае небольших изменений ракурса за время наблюдения), т.е. ошибки сопровождения с вероятностью 0,8 не выходят за пределы ±1 пиксель. Для этих значений ω, k₁, k₂ и типичных величин σ_{ст y}=σ_{ст z}=10 угл. сек и ; [1, 3-7] с использованием выражений (5)-(11) были получены зависимости от DГ₂ для разных высот полета и двух размерностей матриц 600×600 и 1000×1000 элементов. Графики этих зависимостей представлены на фиг. 3. Из графиков следует, что применение заявляемого способа при диапазоне 2000 м < D_Г2 < 8000 м (D_Г2 - оставшееся после измерений расстояние до пролета над объектом) и высоте полета 200 м < H < 500 м позволяет получить однопроцентную точность косвенных измерений дальности, если в ДИ используется матрица с размерность 1000×1000 элементов и полуторопроцентную точность при матрице 600×600 элементов. Такая точность измерения дальности до объекта при мало высотном полете в направлении на объект в сочетании с одновременным высокоточным измерением угловой ориентации вектора скорости с СКО 1-2 угл. мин [4] позволяют выполнять указанные выше полетные задания без использования активных (излучающих) дальномеров, что свидетельствует о практической ценности заявляемого способа.

Источники информации

1. Краснов A.M., Донгаев Г.А. и др. Оптико-электронные системы авиационного вооружения. Под ред. A.M. Краснова. - изд. ВВИА им. Н.Е. Жуковского, 2007. - 1272 с.

2. Дрогалин В.В., Дудник П.И. и др. Определение координат и параметров движения источников радиоизлучений по угломерным данным в однопозиционных бортовых радиолокационных системах // Успехи современной радиоэлектроники. 2002. №3. С. 64-94.

3. Августов Л.И., Бабиченко А.В., Орехов М.И. и др. Навигация летательных аппаратов в околоземном пространстве / под ред. Джанджгавы Г.И. - М.: ООО «Научтехлитиздат», 2015. 592 с.

4. Патент РФ на изобретение №2556286. Способ измерения курса летательного аппарата. Патентообладатели: Мужичек С.Н., Обросов К.В. и др.

5. Мужичек С.М. и др. Определение направления полета по сигналам оптико-электронной системы переднего обзора // Вестник компьютерных и информационных технологий. 2012. №5. С. 8-14.

6. Авиационная радионавигация: Справочник / Сосновский А.А., Хаймович И.А. и др. под ред. Сосновского А.А. М.: Транспорт, 1990. 264 с.

7. Курячий М.И., Костевич А.Г., Гальчук И.В. Обработка малоразмерных объектов в видеосистемах с высокочувствительными телевизионными датчиками / Электротехнические средства и системы управления: Материалы докум. Международной научно-практической конф. (13-16 окт. 2010 г) [6-я конф.]. Томск 2011 г. в 2 частях. Часть 2. стр. 154-160

8. Современные информационные технологии в задачах навигации и наведения беспилотных маневренных летательных аппаратов / под ред. Красилыцикова М.Н., Себрякова Г.Г. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2009. - 556 с.

9. David G. Lowe Distinctive Image Features from Scale-Invariant Keypoints // International Journal of Computer Vision, 60, 2 (2004), pp. 91-110.

10. Березин B.B., Гатаулин B.M., Цыцулин A.K. Стабилизация изображения при наблюдении с БПЛА // Изв. вузов приборостроение. 2005. Т. 48, №4. С. 65-72.

11. Василюк Н.Н. Косвенная стабилизация программного движения оси оптического прибора, установленного на подвижном основании // Авиакосмическое приборостроение, 2007. №4. С. 7-11.

12. Titterton Н., Weston J.L. Strapdown Inertial Navigation Technology, Second Edition, Progress in Astronautics and Aeronautics Series, 207 Published by AIAA, © 2004, 2 nd Edition, 574 p.

Изобретение относится к области авиационного приборостроения и может быть использовано для выполнения полетных заданий, связанных с позиционированием летательного аппарата (ЛА) относительно наземного объекта при сближении с ним. Технический результат – повышение информативности. Для этого с помощью оптико-электронной системы переднего обзора выделяют объект, до которого необходимо измерить дальность, совмещая с его изображением прицельную метку, сопровождают выделенный объект на интервале времени наблюдения, который необходим для определения параметров углового положения вектора скорости ЛА, не изменяя угловую ориентацию поля зрения в инерциальном пространстве и анализируя изображения, формируемые датчиком изображения (ДИ) на той же последовательности кадров, которые соответствуют построению пар одновременно формируемых участков траекторий перемещения изображений опорных точек для определения параметров углового положения вектора скорости ЛА, используют для определения параметров вектор перемещения ЛА на интервале наблюдения углы ориентации вектора средней скорости относительно системы координат, связанной с полем зрения ДИ, за время наблюдения путем определения координат точки пересечения продолжений пары хорд, стягивающих наиболее длинные из выделенных (при определении направления вектора скорости в текущий момент времени) одновременно формируемых участков траекторий перемещения изображений опорных точек, и определения параметров углового положения линий, проходящих через полученную точку пересечения и центр проекции, который используется в ДИ для формирования оптического изображения, измеряют параметры угловых положений линии визирования объекта в начале и в конце интервала наблюдения относительно системы координат, связанной с полем зрения ДИ, путем измерения координат изображений объекта на фокальной плоскости в моменты формирования первого и последнего кадров анализируемой последовательности изображений и определения параметров угловых положений линий, проходящих через изображения объектов и центр проекции, который используется в ДИ для формирования оптического изображения, определяют, используя зарегистрированные навигационные данные, модуль вектора перемещения ЛА за время наблюдения, определяют дальность до объекта, используя модуль вектора перемещения ЛА за время наблюдения, измеренные параметры угловых положений линии визирования объекта и вектора перемещения ЛА за время наблюдения. 3 ил.

Способ одновременного измерения вектора скорости летательного аппарата (ЛА) и дальности до наземного объекта по телевизионным (ТВ) или тепловизионным (ТП) изображениям, формируемым оптико-электронной системой переднего обзора ЛА, основанный на измерениях с помощью гироскопических устройств углов курса, крена, тангажа, измерениях составляющих вектора угловой скорости по строительным осям ЛА, по которым в функции крена и тангажа определяют и затем интегрируют угловую скорость изменения курса, измерения с помощью спутниковой навигационной системы (СНС) составляющих вектора путевой скорости ЛА по осям географической системы координат, которые используют для определения угла ориентации вектора путевой скорости ЛА относительно географического меридиана, компенсации угла сноса в угле ориентации вектора путевой скорости относительно географического меридиана, использовании разностного сигнала, полученного в результате компенсации, либо для коррекции сигналов курса, полученных прямым измерением и интегрированием угловой скорости изменения курса, либо непосредственно в качестве сигнала курса при отказе других систем измерения курса, измерении в системе переднего обзора углов ориентации относительно строительных осей ЛА гиростабилизированного поля зрения ТВ или ТП датчика изображений (ДИ), в котором оптическое изображение формируется в фокальной плоскости и считывается матричными чувствительными элементами, выделении по ТВ/ТП изображениям опорных точек на поверхности Земли для их дальнейшего сопровождения, фиксировании траекторий перемещения изображений опорных точек по фокальной плоскости ДИ с помощью сопровождения их на последовательности кадров и регистрирования их координат, моментов времени формирования соответствующих кадров, показаний датчиков ускорений и углов ориентации поля зрения ДИ относительно строительных осей ЛА, измерений с помощью СНС и инерциальной навигационной системы (ИНС) составляющих вектора скорости по строительным осям ЛА в эти моменты времени, выделении на траекториях пары одновременно формируемых участков, определении для каждой пары выделенных участков траекторий координат точки схождения как точки пересечения продолжений хорд, стягивающих эти участки, определении параметров угловых положений линий визирования, проходящих через полученные точки схождения, и центр проекции, который используется в ДИ для формирования оптического изображения, находя тем самым направления векторов средних скоростей ЛА на интервалах времени формирования выделенных пар участков траекторий движения изображений опорных точек по фокальной плоскости, корректировании полученных направлений векторов средних скоростей ЛА с использованием зарегистрированных данных и приведением их к текущему моменту времени, определении параметров углового положения вектора скорости ЛА в текущий момент времени относительно системы координат, связанной с полем зрения ДИ, как результата осреднения скорректированных параметров углового положения векторов средних скоростей ЛА, определении углов, задающих направление полета относительно строительных осей ЛА и направление вектора путевой скорости ЛА относительно проекции продольной оси ЛА на горизонтальную плоскость (угол сноса) путем использования найденных параметров углового положения вектора скорости ЛА, углов ориентации поля зрения ДИ относительно строительных осей ЛА и углов крена и тангажа в текущей момент времени, отличающийся тем, что выделяют объект, до которого необходимо измерить дальность, совмещая с его изображением прицельную метку, сопровождают выделенный объект на интервале времени наблюдения, который необходим для определения параметров углового положения вектора скорости ЛА, не изменяя угловую ориентацию поля зрения в инерциальном пространстве и анализируя изображения, формируемые ДИ на той же последовательности кадров, которые соответствуют построению пар одновременно формируемых участков траекторий перемещения изображений опорных точек для определения параметров углового положения вектора скорости ЛА, используют для определения параметров вектор перемещения ЛА на интервале наблюдения углы ориентации вектора средней скорости относительно системы координат, связанной с полем зрения ДИ, за время наблюдения путем определения координат точки пересечения продолжений пары хорд, стягивающих наиболее длинные из выделенных (при определении направления вектора скорости в текущий момент времени) одновременно формируемых участков траекторий перемещения изображений опорных точек, и определения параметров углового положения линий, проходящих через полученную точку пересечения и центр проекции, который используется в ДИ для формирования оптического изображения, измеряют параметры угловых положений линии визирования объекта в начале и в конце интервала наблюдения относительно системы координат, связанной с полем зрения ДИ, путем измерения координат изображений объекта на фокальной плоскости в моменты формирования первого и последнего кадров анализируемой последовательности изображений и определения параметров угловых положений линий, проходящих через изображения объектов и центр проекции, который используется в ДИ для формирования оптического изображения, определяют, используя зарегистрированные навигационные данные, модуль вектора перемещения ЛА за время наблюдения, определяют дальность до объекта, используя модуль вектора перемещения ЛА за время наблюдения, измеренные параметры угловых положений линии визирования объекта и вектора перемещения ЛА за время наблюдения.