Разработка метода применения беспилотной авиационной системы самолетного типа для получения цифровой модели рельефа и цифровой модели местности

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования Новосибирской области

ГБПОУ НСО «Новосибирский авиационный технический колледж имени Б.С. Галущака»

Пояснительная записка к курсовому проекту

по дисциплине: МДК.01.01 Дистанционное пилотирование и летно-технические характеристики беспилотных воздушных судов самолетного типа НАТКиГ.200700.016.000 ПЗ

Разработка метода применения беспилотной авиационной системы самолетного типа для получения цифровой модели рельефа и цифровой модели местности

Разработал:

Студент гр. БАС-20.161

Дажы. Д.Э.

Проверил:

Чередников. И.Д.

Новосибирск 2024 г.

Задание

на курсовое проектирование

МДК.01.01 Дистанционное пилотирование и летно-технические характеристики беспилотных воздушных судов самолетного типа

Выдано обучающемуся 4 курса, группы БАС-20.161, специальности 25.02.08 Эксплуатация беспилотных авиационных систем Дажы Дангыраку Эресовичу

Тема курсового проекта: Разработка метода применения беспилотной авиационной системы самолетного типа для получения цифровой модели рельефа и цифровой модели местности

Исходные данные:

1. Руководство пользователя Agisoft Metashape Professional Edition, версия 2.0.3;

2. Руководство пользователя GeoScan Planner2.8;

3. Руководство пользователя Геоскан lite.

Перечень технических решений, подлежащих разработке:

1. Выбор беспилотной авиационной системы для аэрофотосъемки;

2. Выбор полезной нагрузки для беспилотной авиационной системы;

3. Разработка программы полета беспилотной авиационной системы;

4. Построение цифровой модели местности;

5. Построение цифровой модели рельефа.

Завершенный курсовой проект должен содержать:

1. Пояснительная записка (30-40 страниц).

2. Приложение к пояснительной записке (3d-модели, ортофотопланы, цифровая модель местности, цифровая модель рельефа, панорамы, схемы, чертежи).

3. Презентацию курсового проекта.

Пояснительная записка, технические решения и т.п. презентация курсового проекта записываются на электронный носитель.

Пояснительная записка и комплект технологической документации должны соответствовать требованиям ЕСТД, ЕСКД.



Оглавление

аэрофотосъемка беспилотный авиационный фотограмметрический

Введение

1. Общие сведения об аэрофотосъемке

1.1 Аэрофотосъемка

2. Метод применения беспилотной авиационной системы мультироторного типа для получения цифровой модели рельефа и цифровой модели местности

2.1 Подготовительный этап аэрофотосъемочных работ

2.1.1 Анализ технического задания

2.1.2 Оборудование для аэрофотосъемки

2.1.3 Правила использования воздушного пространства

2.1.4 Планирование полетного задания

2.1.5 Логистика

2.2 Выполнение аэрофотосъемки с использованием беспилотных авиационных систем

3. Камеральные работы

3.1 Фотограмметрическая обработка

3.1.1 Определение положения камер

3.1.2 Плотное облако точек

3.1.3 Построение цифровой модели местности и цифровой модели рельефа

Заключение

Список литературы

Приложения



Введение

Актуальность темы курсовой работы обусловлена тем, что для успешного развития системы цифровых данных географических объектов, рельефа, местности, необходимо применение эффективных технологий и методов, позволяющих получать пространственную информацию в цифровой форме.

Одним из инструментов достижения этих целей служат беспилотные летательные аппараты самолетного типа (далее - БПЛАСТ). Современный уровень технического развития и доступность позволяют рассматривать беспилотные летательные аппараты самолетного типа в качестве надежного средства оперативного мониторинга модели рельефа и модели местности, а также оцифровки географических объектов. Возможности использования изображений, полученных с помощью беспилотных летательных аппаратов самолетного типа, очень огромны. Миниатюризация съемочной аппаратуры позволяет уже в настоящее время получать изображения, по своим свойствам (спектральное разрешение) сопоставимые со спутниковыми данными. В настоящее время изображения, получаемые с беспилотных летательных аппаратов, используются для того, чтобы визуально удаленно оценить какой-либо объект наблюдений. Имеется опыт построения на основе данных беспилотных летательных аппаратов и их компьютерного анализа цифровых моделей рельефа местности, проведения оценки и осуществления мониторинга эродированности почв, оперативной оценки состояния посевов сельскохозяйственных культур. Преимуществом данных, получаемых с использованием беспилотных летательных аппаратов, по сравнению со спутниковыми изображениями является возможность подоблачной съемки. Основное ограничение использования данных, получаемых с помощью беспилотных летательных аппаратов, - недостаточная миниатюрность съемочной аппаратуры и невозможность охвата мониторингом больших территорий.

Учитывая актуальность темы курсовой работы, сформулируем целевые ориентировки исследования.

Объект исследования беспилотные летательные аппараты самолетного типа.

Предмет исследования - функциональные особенности беспилотных летательных аппаратов самолетного типа.

Цель курсовой работы - разработка метода применения беспилотной авиационной системы самолетного типа для получения цифровой модели рельефа и цифровой модели местности.

Для достижения цели курсовой работы были определены следующие задачи:

1. Выбор беспилотной авиационной системы для аэрофотосъемки.

2. Выбор полезной нагрузки для беспилотной авиационной системы.

3. Разработка программы полета беспилотной авиационной системы.

4. Построение цифровой модели местности.

5. Построение цифровой модели рельефа.



1. Общие сведения об аэрофотосъемке

1.1 Аэрофотосъемка

Аэрофотосъемка -- это комплекс работ, который предусматривает фотографирование местности фотоаппаратом, установленном на воздушном носителе, и последующую обработку результатов.

Съемка с пилотируемых летательных аппаратов уже несколько десятилетий является эффективным инструментом для проведения работ по картографированию местности. По сравнению с традиционными полевыми измерениями, аэрофотосъемка требует значительно меньше времени как на процесс съемки, так и на обработку результатов.

Требования к аэрофотосъемке:

для минимизации искажений на снимках площадей и размеров объектов, съемка должна производится на одной высоте на протяжении всего маршрута;

продольное и поперечное перекрытие аэрофотоснимков должны быть не менее 60% и не менее 30% соответственно;

маршрут полета должен быть прямолинейным;

для получения высокого качества снимков, съемка должна производится при отсутствии облачности и дымов промышленных предприятий над фотографируемой местностью, а высота Солнца над горизонтом должна быть не менее 20-25°.

Учитывая особенности аэросъемочного полета, используемый для этих целей самолет должен отвечать ряду специальных требований [18]:

обеспечивать устойчивый горизонтальный полет и разворот с одного курса на другой;

иметь достаточный диапазон скоростей и необходимую дальность полета, обеспечивающую беспосадочное время работы не менее 6-7 ч;

обладать хорошей постоянной продольной, поперечной и путевой устойчивостью;

в режиме установившегося горизонтального полета углы крена, тангажа и рысканья не должны превышать ±1°;

быть оснащенным высокоточным навигационным оборудованием, позволяющим выполнять автоматизированный полет по заданному маршруту с высокой точностью в разных геомагнитных и широтных условиях;

иметь удобное, с хорошим обзором местности, место для штурмана, а также соответствующее место для установки аэрофотооборудования.

Традиционная аэрофотосъемка позволяет достаточно оперативно получать информацию об объектах и состоянии земной поверхности с точностью 0,1-0,3 м. Однако, она требует высоких экономических затрат на обслуживание и заправку, что приводит к повышению стоимости конечной продукции.



2. Метод применения беспилотной авиационной системы мультироторного типа для получения цифровой модели рельефа и цифровой модели местности

2.1 Подготовительный этап аэрофотосъемочных работ

Для запуска БПЛА необходимо иметь наземную станцию управления и специальное программное обеспечение. Программное обеспечение является важной частью Комплекса, поскольку именно через наземную станцию управления осуществляется подготовка полетного задания и настройка Комплекса в целом.

Выполнение полетов включает несколько этапов:

проектирование полетного задания;

подключение БПЛА к наземной станции управления;

подготовка к полету;

выполнение полета, который может включать в себя: запуск и отмену запуска, корректировку полетного задания во время полета, возврат борта, посадку, полет по требованию, дистанционное управление;

действия после приземления: запись данных аэрофотосъемки и анализ полета.

Для выполнения полетов компания «Геоскан» использует программу GeoScan Planner. Она предназначена для проектирования полетного задания, подключения к борту, прохождения предстартовых проверок, контроля выполнения полетного задания, видеомониторинга местности.

Программа Geoscan Planner представляет собой специально разработанный инструмент для подготовки и осуществления полетов с использованием беспилотного Комплекса Геоскан.

До начала выполнения полетов, необходимо спроектировать полетное задание. Программа Geoscan Planner автоматически сохраняет проект полетного задания в памяти компьютера для дальнейшего использования. Это позволяет разработать проект заблаговременно, до выезда на место проведения работ.

Полетное задание может в себя включать:

ПАФС - площадную аэрофотосъемку (съемку полигонов). Оператор задает вершины многоугольника (не менее 3), а программа автоматически рассчитывает маршрут обхода;

ЛАФС - линейную аэрофотосъемку (съемку линейных протяженных объектов, таких как трубопроводы, дороги, ЛЭП). Оператор задает по точкам линейный объект, программа обсчитывает маршрут обхода с учетом требований для съемки протяженных объектов;

перелет - движение по заданной траектории с указанием высот полета. Используется, главным образом, для обхода точечных объектов (например, вышек) и неровностей рельефа;

точку ожидания - точку, над которой самолет летает по кругу в течение указанного промежутка времени, для измерения направления и скорости ветра. Эта процедура необходима для того, чтобы корректно составить полетное задание (ветер должен дуть в бок самолета);

маршрут посадки.

При необходимости многократного повторения одного маршрута за один полет (контроль территории, например), можно активировать функцию Зациклить ПЗ. В данной ситуации БЛА будет повторять все полетные элементы, кроме посадки.

Соединение с БПЛА происходит по радиосвязи. Для передачи команд на автопилот и получения с автопилота данных телеметрии и паспортов снимков в комплексе «Геоскан» используется командно-телеметрическая радиолиния, реализованная с помощью двух приемопередатчиков (модемов): бортового и наземного. Наземный модем подключается к порту USB ноутбука, на который установлена программа Geoscan Planner. Программа MdmDisp выполняет поиск бортовых модемов в радиусе действия и в процессе работы периодически сканирует эфир. Время обнаружения видимого бортового модема составляет не более 30 секунд.

Структура командно-телеметрической радиолинии приведена на рисунке 1.

Рис. 1. Состав и устройство командно-телеметрической радиолинии

В функции программы NetTopology входит получение данных о текущем состоянии командной радиолинии от MdmDisp и их отображение в интерфейсе пользователя, а также формирование команд для настройки наземного и бортового модема и передача их в MdmDisp.

Программа NetTopology позволяет оператору получать информацию о ведущем и всех ведомых модемах, которые были найдены, а также производить настройку параметров модемов. Всю информацию о модемах NetTopology получает от сервера MdmDisp. Если используется один комплекс и при подключении не возникает проблем, то работа с NetTopology не требуется.

Внешний вид главного окна программы NetTopology показан на рисунке 2.



Рис. 2. Вид главного окна программы NetTopology

В секции «Устройства» отображается список модемов, которые были обнаружены сервером. Зеленая галочка указывает на наличие связи с модемом. В случае если модем был обнаружен, но затем связь с ним прервалась, галочка сменится красным крестиком (Рис. 3).

Рис. 3. Вид окна NetTopology при потере связи с бортовым модемом

Все ранее обнаруженные модемы будут доступны для подключения к мастермодему каждый раз при запуске MdmDisp (сервер сохраняет список всех ранее подключенных модемов). Таким образом, если нужно подключиться к борту, с которым ранее уже работали, нет необходимости нажимать кнопку поиска для добавления модема.

Включенные модемы, которые не были ранее добавлены, будут игнорироваться сервером.

После подключения наземного и бортового модемов необходимо подключить БПЛА в программе GeoScan Planner. При следующих полетах к одному и тому же БПЛА программа будет подключаться автоматически.

При подключении БПЛА ГНСС-приемник, установленный на борту, определит свои координаты. При этом на карте появится условный знак БПЛА (Рис.4). Карта однократно приблизится к этому месту.

Рис. 4. Условный знак БПЛА

Кроме того, при подключении БПЛА появляется панель телеметрии и панель приборов (Рис. 5).

На панели телеметрии автоматически выводятся данные автопилота и показания датчиков. В ходе полета оператор наблюдает за численными значениями абсолютной высоты, воздушной скорости и заряда батареи. Если эти величины не соответствуют норме, оператор принимает решение о досрочном завершении полета или об аварийном выпуске парашюта.



Рис. 5. Панель телеметрии

На панели приборов находится компас, ниже индикатор курса и индикатор авиагоризонта (Рис. 6).

В процессе полета значения курса, крена и тангажа будут меняться.

Рис. 6. Панель приборов

Спроектировав полетное задание и подключив БПЛА к НСУ необходимо пройти предстартовую подготовку. Она так же проводится с помощью программы GeoScan Planner.

Большинство проверок выполняется автоматически.

На данном этапе при помощи «мастера проверок» будут пройдены следующие проверки:

Предварительная проверка. На данном этапе происходит запуск автопилота и его первичная проверка;

Выполнимость полетного задания;

Выполнение следующих требований к полетному заданию обязательно:

? ПЗ не должно быть пустым;

? ПЗ прошло валидацию;

? имеется маршрут посадки;

? количество путевых точек не должно превышать максимальное, поддерживаемое автопилотом;

? полетная дистанция (с учетом маршрута и полета до него) не должна превышать максимальную согласно тактико-техническим характеристикам (далее - ТТХ) БПЛА;

? расчетное время выполнения полетного задания не должно превышать максимальное согласно ТТХ БПЛА;

? значения барометрических высот точек должны удовлетворять ограничениям автопилота;

Приемник воздушного давления. На данном этапе проверяется работоспособность приемника воздушного давления (Рис. 7);



Рис. 7. Проверка приемника воздушного давления

Парашютный отсек. На данном этапе происходит проверка укладки и зацепа парашюта в парашютном отсеке (Рис. 8);

Рис. 8. Окно проверки парашютного отсека

Навигационный ГНСС приемник. На данном этапе происходит проверка сигналов навигационных спутников;

Настройка параметров. На данном этапе происходит настройка радиуса автоматического отцепа парашюта и времени автономного полета (времени, в течение которого осуществляется полет независимо от наличия связи между НСУ и БЛА);

Загрузка полетного задания. На данном этапе происходит отправка полетного задания на автопилот и его сверка;

Проверка полезной нагрузки. На данном этапе происходит проверка на работоспособность используемой полезной нагрузки, в зависимости от комплектации:

Фотоаппарат. Происходит проверка работоспособности фотоаппарата и прихода автоматических паспортов сделанной фотографии;

Видеокамера. Происходит проверка работоспособности видеокамеры и джойстика для управления видеокамерой;

Рули. На этом этапе необходимо повращать БПЛА вокруг осей крена и тангажа и убедиться, что элероны правильно отрабатывают эти вращения;

Состояние БПЛА. Данная проверка позволяет перейти к запуску БПЛА (Рис. 9).

Рис. 9. Отображение состояния БПЛА

После прохождения предстартовой подготовки борт устанавливают на катапульту и переводят в стартовый режим. После чего БПЛА перейдет в режим «КАТАПУЛЬТА», отображенный в панели телеметрии (Рис. 10).



Рис. 10. Отображение режима КАТАПУЛЬТА

Далее требуется снять предохранитель с катапульты и активировать пусковую установку, потянув за пусковой шнур. БПЛА осуществит взлет.

БПЛА выполняет полет в автоматическом режиме, но это не освобождает оператора от обязанностей по наблюдению за процессом полета. Оператор наблюдает по карте за прохождением БПЛА по маршруту и наличием радиосвязи с бортом. Постоянное наличие связи по радиолинии не является необходимым для успешного выполнения задания. Если в процессе полета радиосвязь с БПЛА потеряна, необходимо выполнить следующие действия:

не выключать наземный модем и НСУ;

убедиться, что наземный модем расположен антенной вверх и не заслоняется автомобилем или прочими препятствиями. По возможности нужно поднять модем как можно выше от земли;

если связь не восстановилась, фиксируют последние координаты самолета и время потери связи;

если БПЛА не вышел на точку посадки за расчетное время, начинают поиск вблизи последних полученных с борта координат.

Если во время полета изменились направление или сила ветра, и посадка по существующему маршруту может оказаться небезопасной, допускается изменить маршрут посадки во время полета. Если БПЛА совершает полет в штатном режиме, то корректировать полетное задание не нужно.

Изменение перелетов, областей площадной и линейной аэрофотосъемки в полёте возможно, но требует ручного подтверждения после внесения изменений в маршрут. Так же возможно отправить БПЛА к выбранной точке построенного маршрута.

Возможен возврат борта к точке взлета на текущей высоте. Достигнув стартовой точки по высоте, БПЛА встает в круг в ожидании следующих команд от оператора.

Помимо этого, возможен полет по требованию (Рис. 11). Он позволяет отправить БПЛА на указанную точку на карте (с указанием высоты). По достижении указанной точки БПЛА начнет удержание данной точки, пока оператор не вмешается в выполнение полетного задания, либо пока не сработает автоматический возврат по отсечке батареи.

Рис. 11. Пример полета по требованию

Частью полетного задания является посадка. После выполнения других полетных элементов БПЛА полетит к маршруту посадки и осуществит снижение с выбросом парашюта в автоматическом режиме. Также возможно досрочно завершить полет, «вручную» (с помощью программы) отправив на точку посадки.

2.1.1 Анализ технического задания

Перед началом съемки необходимо провести анализ технического задания, определить требования к точности и разрешению моделей рельефа и местности, а также оценить необходимость специфических съемочных условий, например, времени суток и погоды.

Техническое задание заказчика направляется в адрес исполнителя в соответствии с договором на выполнение работ. Техническое задание содержит следующую информацию: наименование заказчика; наименование объекта; основание для выполнения работ; местоположение объекта исследования; основные цели и задачи выполнения работ; перечень основных нормативных документов; исходные данные, предоставляемые заказчиком; исходные данные, собираемые исполнителем; состав и результаты работ; требования к содержанию работ; характеристика сложившейся ситуации по ОДД исследуемой территории; принципиальные предложения и решения по основным мероприятиям; требования к результатам работ; требования к качеству выполняемых работ; гарантийные обязательства; сроки выполнения работ.

После анализа технического задания необходимо получить выписки из каталогов координат пунктов государственной геодезической сети в местной системе координат. Предоставление выписок из каталогов координат пунктов государственной геодезической сети в местной системе координат осуществляется по заявлению о передаче в пользование документов государственного фонда данных, полученных в результате проведения землеустройства по форме приказа Минэкономразвития Российской Федерации от 14.11.2006 № 376 «Об утверждении Административного регламента Федерального агентства кадастра объектов недвижимости по предоставлению государственной услуги кадастровых работ и проведения землеустройства».

Далее необходимо провести комплекс рекогносцировочных работ. Рекогносцировочное обследование участка работ проводится с целью получения информации по следующим вопросам: геометрические характеристики сооружения; характер рельефа прилегающей территории; отыскание пунктов государственной геодезической сети; наличие факторов, осложняющих выполнение аэрофотосъемочных и геодезических работ (застроенность территории, наличие в непосредственной близости к объекту обследования сооружений связи, ЛЭП, ВЛ, высотных сооружений); выработка основных решений по производству топогеодезических работ; выбор мест взлета и посадки БПЛА, выбор траектории полета для создания качественных снимков объекта исследования; выбор мест закладки знаков опознавания. Перед выполнением полетов БПЛА необходимо согласовать план полета ВС.

2.1.2 Оборудование для аэрофотосъемки

Аэросъемку производят с использованием специального аэросъемочного и навигационного оборудования, устанавливаемого на самолетах, вертолетах, искусственных спутниках Земли космических аппаратах, а также для производства крупномасштабных съемок на мотодельтапланах и БПЛА (рис. 12).

Рис. 12. Беспилотный летательный аппарат



Современные аэросъемочные системы сложные устройства, состоящие из АФА (аэрофотосъёмочной аппаратуры), гиростабилизирующей аэроустановки для автоматического приведения оптической оси АФА (рис. 13) в положение, близкое к отвесному, и управляющего (командного) прибора.

Рис. 13. Схема устройства АФА

Основным средством, позволяющим получить аэрофотоснимки, является аэрофотоаппарат (АФА) сложный высокоточный оптико-механический и электронный прибор. АФА не имеет приспособлений для наводки на резкость, поскольку высота фотографирования всегда больше гиперфокального расстояния (2). Типы и конструкции современных АФА различны, но все они в своей основе имеют единую принципиальную схему. Типы АФА в зависимости от высоты фотографирования:

- короткофокусные с фокусным расстоянием ft 50 и 70 мм;

- среднефокусные ей 100 и 140 мм;

- длиннофокусные с ft 200. 350 и 500 мм;

- сверхдлиннофокусные с fk более 500 мм.

Основными их узлами является корпус, конус, кассета и командный прибор (рис. 13).

Корпус АФА(1) служит для размещения механизмов, обеспечивающих работу всех частей фотокамеры счетчика кадров, часов, уровня, числового индекса фокусного расстояния и др. В верхней части корпуса размещена прикладная рамка, плоскость которой совпадает с главной фокальной плоскостью объектива.

Конус АФА (2) крепится к нижней части корпуса и содержит оптическую систему, в которую входит объектив, светофильтры, компенсатор сдвига изображения и др.

Кассета (3) служит для размещения фотопленки и приведения ее светочувствительного слоя при экспонировании в соприкосновение с плоскостью прикладной рамки. В промежутке между экспозициями фотопленка перематывается с подающей катушки на принимающую. Перематываемый участок пленки соответствует формату кадра с учетом промежутка между кадрами. Выравнивание пленки в плоскость выполняется механическим прижимом к плоскому стеклу или путем откачивания воздуха из промежутка между пленкой и прикладной рамкой.

Командный прибор (4) предназначен для дистанционного управления всеми механизмами аэрофотоаппарата измерения времени между экспозициями и их продолжительности, подачи команд на срабатывание затвора АФА, перемотки фотопленки, отсос воздуха между фотопленкой и прикладной рамкой и т. п. В современных аэрофотоаппаратах командный прибор управляет двумя - тремя съемочными камерами.

Аэрофотоустановка (5) служит для крепления аэрофотоаппарата на борту носителя, ориентирования его в пространстве и предохранения от толчков и вибрации.



Рис. 14. Аэрофотосъёмочная система RC-30

При топографической аэрофотосъемке кроме аэрофотоаппарата устанавливают вспомогательное оборудование, которое обеспечивает стабилизацию съемочной камеры, контроль высоты, скорости, прямолинейности полета, интервал между экспозициями. Кроме того, обеспечивает заход на очередной съемочный маршрут и определение данных для последующей фотограмметрической обработки - высоты фотографирования, превышений между центрами фотографирования, их координаты и др. С этой целью на борту самолета устанавливают статоскоп, радиовысотомер, гиростабилизирующую установку и др.

Фотографический объектив и его характеристики

Фотографический снимок (аэроснимок, аэронегатив), в соответствии с законами геометрии, представляет собой перспективное изображение, построенное в центральной проекции, в которой все лучи света, отраженные от объекта съемки, проходят через одну точку, называемую центром проекции.

В действительности фотографическое изображение строится при помощи объектива, представляющего собой сложную оптическую систему, состоящую из комбинации собирательных и рассеивающих линз и предназначенную для получения действительного обратного изображения фотографируемого объекта. Все линзы объектива ограничены шаровыми поверхностями различных радиусов и точно центрированы относительно прямой, проходящей через центры кривизны всех линз. Эта прямая называется главной оптической осью, а совпадающий с ней луч - главным оптическим лучом.

Рис. 15. Идеальная оптическая система, состоящая из двух сферических поверхностей

На главной оптической оси расположены передняя (S₁)

и задняя (S₂) узловые точки, отнесенные к пространству предметов и пространству изображения соответственно.Передняя узловая точка называется центром фотографирования, а задняя - центром проектирования. Луч, попадающий в переднюю узловую точку S₁, при выходе из задней узловой точки S₂ сохраняет первоначальное направление.

Плоскости H₁ иH₂, проходящие через узловые точки перпендикулярно к главной оптической оси, называются главными плоскостями объектива, в которых и происходит преломление лучей.

Луч, параллельный главной оптической оси, после преломления пересекает ее в точке, называемой главным фокусом. Таких точек две: передний фокус F₁в пространстве предмета и задний фокусF₂ в пространстве изображения.

Плоскость, в которой получается резкое изображение фотографируемого объекта, называется фокальной плоскостью. В зависимости от расстояния между объективом и фотографируемым объектом положение фокальной плоскости изменяется, и при достаточном удалении объекта она проходит через главный фокус. Плоскости, проходящие через главные фокусыF₁ и F₂ перпендикулярно к главной оптической оси, называются главными фокальными плоскостями. Расстояние между узловыми точками объективов и точками фокуса одинаково. Оно называется фокусным расстоянием объектива и обозначается символом f.

Луч, проходящий через передний фокус, после преломления становится параллельным главной оптической оси.

Удаления точек A и a от передней и задней узловых точек связаны с фокусным расстоянием известной формулой оптического сопряжения

, (1.1)

где f - фокусное расстояние объектива; D, d - расстояния вдоль главного оптического луча от передней и задней узловых точек до точки объекта A и точки изображения a соответственно.

В фотограмметрических построениях узловые точки объектива S₁ и S₂ (рис. 15) объединяют в одну, рассматриваемую как центр фотографирования и одновременно как проектирования. В связи с этим обе части каждого проектирующего луча будут представлять одну прямую линию.

При аэрофотосъемке можно полагать, что объект находится в бесконечности, и величиной 1/D в формуле (1.1) можно пренебречь. В этом случае d = f, т. е. изображение объекта (местности) строится в главной фокальной плоскости. В этой плоскости и помещают светочувствительный материал (фотопленку), на которой получается резкое изображение фотографируемой местности.Это позволяет применять для определения масштаба горизонтального аэроснимка простую зависимость, вытекающую из подобия треугольников Sab и SAB (рис. 16):

(1.2)



Рис. 16. Масштаб аэрофотоснимка

Здесь AB и ab - расстояния между точками на местности и их изображениями на снимке; f - фокусное расстояние объектива съемочной камеры; H- высота фотографирования.

Рис. 17. Угол и поле зрения изображения

Реальный фотографический объектив характеризуются фокусным расстоянием, полем и углом зрения и изображения, относительным отверстием (диафрагмой), светосилой, глубиной резкости, разрешающей способностью и искажениями, называемыми аберрациями.

Если на экран P (рис. 17), установленный в фокальной плоскости, спроектировать через объектив удаленный ландшафт, то в центральной части экрана получится четкое, равномерно освещенное изображение, которое по мере удаления от центральной части к краям становится все более размытым, а его освещенность уменьшается до нуля.

Полем зрения объектива называется часть изображения, в пределах которой наблюдается хотя бы минимальная освещенность. Угол 2 между лучами к диаметрально противоположным точкам поля зрения называется углом зрения.

между лучами к диаметрально противоположным точкам поля изображения называется углом изображения . Полем изображения называется часть поля зрения, в пределах которого изображение получается одинаково ярким и достаточно резким. Вписанный в это поле квадрат называется форматом кадра.

Угол2

Рис. 18. К определению глубины резкости изображения

Практически все поле изображения не используется, поскольку его освещенность E связана с освещенностью в центре поля зренияE₀ , составленным направлением луча с главной оптической осью, следующей зависимостьюи углом

.

Например, при угле зрения 120⁰освещенность на краю изображения падает в 16 раз, поэтому уменьшение потерь света в оптических системах является одной из основных задач при их создании.

Относительное отверстие объектива характеризует количество проходящего через него света и, следовательно, его способность создавать изображение с определенной степенью яркости. Величина относительного отверстия 1/n связана с диаметром действующего отверстия d и фокусным расстоянием объектива f зависимостью

1/n = d/f или n = f/d (1.3)

Величина действующего отверстия регулируется с помощью диафрагмы. Поскольку количество пропускаемого диафрагмой света пропорционально квадрату относительного отверстия, то величину 1/n² называют светосилой объектива.

Глубина резкостиобъектива характеризует его способность строить резкие изображения объектов, расположенных от него на различных расстояниях.

На рис. 8Д изображены проекции двух точек пространства, одна из которых расположена в бесконечности, а вторая - на конечном расстоянии от объектива. Изображение первой получено в точке фокуса F, а второй - в виде точкиa, расположенной на расстоянииxот нее. Изображение точки пространстваA в главной фокальной плоскости будет представлено кружком нерезкости диаметромaa=. Из подобных треугольников (рис. 1.7) следует, чтоб

или(1.4)

Заменив в основной формуле оптики (1.1) величину d наf+x, получим (f+x)f+Df=D(f+x) илиx=f²/(D-f). После постановки этого выражения в (1.4) получим:



(1.5)

:Отсюда минимальное удаление объекта, начиная с которого и до бесконечности величина кружка нерезкости не превысит

(1.6)

Найденная по формуле величина D называется гиперфокальным расстоянием.

При n = 4,5, = 0,1 мм и f = 200 ммD = 88,8 м.

Разрешающая способность объектива, выражаемая числом раздельно различаемых линий (штрихов) на 1 мм, характеризует его возможность воспроизводить раздельно мелкие детали изображения. Теоретически возможная разрешающая способность объектива R_об вычисляется по следующей формуле, полученной на основе дифракционной теории света:

R_об=1480d/f=1480/n, (1.7)

где d- диаметр действующего отверстия объектива.

Коэффициент 1480 применяется, когда раздельно воспринимаемые элементы изображения различаются по яркости на 25 %; при использовании для обработки изображений оптических приспособлений этот коэффициент может достигать 1800.

Найденная по формуле (1.7) теоретическая разрешающая способность объектива при d = 4,5 мм может колебаться в пределах 300 - 400 линий на 1 мм.4

Фактическая разрешающая способность, определяемая путем фотографирования специального теста (миры) на оптической скамье, существенно ниже теоретической разрешающей способности из-за влияния различного рода искажений и доходит до 40-60 линий на 1 мм. Лучшие современные аэрофотосъемочные камеры имеют разрешение 100-150 линий на 1 мм.

Качественные показатели получаемого с помощью объектива изображения зависят от качества составляющих его линз и их конструктивного сочетания. Последним, как известно, присущи оптические недостатки, называемые аберрациями.

Хроматическая аберрация вызывается неодинаковым преломлением лучей с различной длиной волны. Наиболее преломляемыми лучами являются синие (их фокус ближе), а наименее - красные. Хроматическая аберрация устраняется подбором линз с различными коэффициентами преломления.

Сферическая аберрация вызывается несовпадением коэффициентов преломления линзы в точках, различно удаленных от главной оптической оси. Устраняется комбинацией выпуклых и вогнутых линз и отсечением крайних лучей с помощью диафрагмы.

Астигматизм возникает из-за несоответствия точек фокуса для горизонтальных и вертикальных лучей и устраняется подбором линз по кривизне, толщине и коэффициенту преломления.

Кривизна поля изображения проявляется в том, что фокальная поверхность линзы представляет собой не плоскость, а искривленную поверхность сложной формы. Степень кривизны этой поверхности определяется конструктивными особенностями объектива.

Дисторсия является следствием нарушения подобия (ортоскопии) построенного объективом изображения объекта, расположенного в плоскости, перпендикулярной к главной оптической оси. Эти нарушенияприводят к смещению точек изображения как в радиальном направлении (радиальная дисторсия), так и перпендикулярно к ней(тангенциальная дисторсия). Лучшие современные объективы имеют дисторсию, не превышающую 2 мкм.

Все виды аберраций, кроме дисторсии, ухудшают разрешающую способность объектива, и их стремятся уменьшить или свести к минимуму путем подбора линз. Такие объективы, к которым относятся и аэрофотосъемочные, называют анастигматами.

К объективам предъявляется ряд требований специального характера. К ним относится высокая разрешающая способность, достаточные углы зрения и изображения, высокая точность в части подобия изображений объектам местности (ортоскопия), минимальная дисторсия и все виды аберраций, достаточная светосила и постоянство показателей при колебании температуры окружающей среды от -50⁰до + 60⁰.

Четкой классификации объективов, основанной на каком-либо признаке, не существует. Однако известны характерные группы объективов, различающиеся некоторыми параметрами и имеющие определенную область применений. Сверхширокоугольные объективы удобны для обзорных съемок и пригодны для высокоточного изображения рельефа местности, широкоугольные и нормальноугольные объективы - при контурных съемках, а узкоугольные - при съемках с больших высот.

Статоскоп представляет собой высокочувствительный дифференциальный барометр, позволяющий измерять изменение давления воздуха, возникающие при колебании высоты фотографирования. Способ основан на известном положении, что при малых разностях высот (порядка 50-100 м) колебание высоты полета H связано с разностью давления p и барометрической ступенью Q_H простой линейной зависимостью

H = Q_H p.

Поскольку барометрическая ступень для стандартной атмосферы известна, для определения превышения между центрами фотографирования необходимо лишь измерить разность давлений в точках съемки.

В аэрофотосъемочном производстве применяются статоскопы-автоматы непрерывного действия С-51и С-51М. Определяются превышения между центрами фотографирования с точностью ±1 м.

Радиовысотомер представляет собой радиолокационную установку, предназначенную для измерения высоты полета в моменты фотографирования. Принцип его действия основан на использовании импульсного метода измерения расстояний и измерении времени прохождения радиоволны, направленной к земной поверхности и отраженной обратно. Тогда пройденный радиоволной путь, соответствующий высоте фотографирования:

где v_c - скорость

распространения радиоволн, равная 300000 км/сек; t - время прохождения радиоволной расстояния от самолета до ближайшей точки местности и обратно.

Рис. 19. Принцип работы радиовысотомера

Принцип работы радиовысотомера заключается в следующем. В момент экспонирования передатчик 1 (рис. 19) генерирует и через антенну 2 излучает импульс, который, отразившись от земли, улавливается приемной антенной 3 и через приемник 4 передается на экран индикатора 5. Изображения направленного и принятого радиоимпульсов строятся в виде развертки шкалы на экране электронно-лучевой трубки, которая в моменты срабатывания затвора фотокамеры фотографируется на фотопленку, называемую высотограммой (рис. 19).

Кадры высотограммы содержат изображение индикатора со шкалой развертки от 0 до 500 м и два выступа («выброса»), соответствующие моментам регистрации начального и отраженного импульсов. Для определения высоты фотографирования к разности отсчетов по высотограмме прибавляется произведение 500 м на целую часть частного от деления найденной по формуле (1.9) приближенной высоты фотографирования на 500. Так, при m= 17000 и f17000/500=3, и отсчету по высотограмме на рис. 1.12 соответствует высота фотографирования=100 мм целая часть равна 0,1 H 500 =1675 м.= 175 + 3 и выбранная длина волны (68 см) обеспечивают отражение радиоволн от точек земной поверхности (а не от растительности), расположенных на различных расстояниях. После приема первого отраженного импульса приемник радиоволн запирается, что исключает многозначность определений.Широкая направленность антенны. С увеличением рельефа местности показания радиовысотомера начинают отличаться от истинного значения высоты фотографирования и приближаются к наклонному расстоянию до ближайшей точки.

Применяемые при аэрофотосъемке радиовысотомеры РВТД и РВТД-А обеспечивают определение высоты фотографирования над равнинной местностью с точностью 1,2-1,5 м.

Гиростабилизирующая установка предназначена для стабилизации в полете положения съемочной камеры и уменьшения углов отклонения ее главной оптической оси от отвесной линии. В основе конструкции современных гироскопов лежит принцип волчка, стремящегося сохранить неизменным пространственное положение своей оси вращения при наклоне плоскости, на которой он установлен. Применяемые гиростабилизирующие установки Н-55, ТАУ, ГУТ-9 и др. использует трехстепенные гироскопы, стабилизирующие положение съемочной камеры с точностью 10-15 минут.

Системы определения координат центров фотографирования в процессе аэрофотосъемки применяют с 50-х гг. прошлого столетия. В начале это были радиотехнические системы, основанные на фазовых методах измерения расстояний от самолета до двух наземных станций. Широко применяемые в то время радиогеодезическая станция ЦНИИГАиК (РГСЦ) и самолетный радиодальномер (РДС) обеспечивали определение координат центров с ошибкой 1-5 метров.

Системы глобального позиционирования GPS(Global Positioning System), появившиеся в 90-х гг., заменили радиогеодезические системы. Они работают по принципу измерения дальностей (расстояний) от самолета до геодезических спутников и скоростей их изменения (вследствие перемещения этих спутников). Определяемые с помощью системы пространственные координаты центров фотографирования могут использоваться как для целей навигации, так и последующей фотограмметрической обработки снимков. В обоих случаях через заданный промежуток времени определяются координаты точки и заносятся на магнитный носитель вместе со временем их определения и временем срабатывания затвора фотокамеры (экспозиции).

Последующая обработка данных позволяет вычислить пространственные координаты центров фотографирования путем интерполяции GPS_измерений на моменты экспозиции и учесть положение антенны приемника относительно узловой точки объектива фотокамеры. Ошибка определения координат центров фотографирования этим методом не превышает 0,1 м при удалении от базовой станции не более 20 км.



Рис. 20. Современный аэрофотосъемочный комплекс

2.1.3 Правила использования воздушного пространства

Планирование и выполнение полетов (использование воздушного пространства) беспилотных воздушных судов (БВС) производится в соответствии с действующим Воздушным законодательством РФ.

Беспилотные гражданские воздушные суда с максимальной взлетной массой от 0,25 до 30 кг, ввезенные в Российскую Федерацию или произведенные в Российской Федерации, должны быть поставлены на учет в порядке, установленном Правительством Российской Федерации.

Беспилотные гражданские воздушные суда с максимальной взлетной массой более 30 кг подлежат государственной регистрации. Правила государственной регистрации и государственного учета воздушных судов устанавливаются соответствующим уполномоченным органом.

Использование воздушного пространства БВС осуществляется посредством установления временного, местного режимов, а также кратковременных ограничений.

Временный режим устанавливается при планировании полетов на воздушных трассах, местных воздушных линиях, открытых для международных полетов, а также в районах аэродромов, открытых для международных полетов.

Местный режим устанавливается в воздушном пространстве классов С и G, за исключением случаев, когда требуется установление временного режима.

Выполнение полетов БВС в воздушном пространстве классов С и G осуществляется на основании плана полета и разрешения на использование воздушного пространства.

Представление на установление местного режима подается в зональный центр Единой системы на бумажном носителе, включая факсимильное сообщение (факс (343) 205-80-68), или по электронной почте (zc@ur.gkovd.ru) с последующим уточнением через 15 мин по тел. (343) 205-80-71.

В представлениях указывается достоверная и полная информация о планируемой деятельности по использованию воздушного пространства:

а) дата проведения мероприятия (не более трех основных и трех резервных дней) и вид деятельности;

б) при установлении временного или местного режимов для района проведения мероприятия:

- границы района, обозначаемые в системе географических координат (градусы, минуты, секунды), и диапазон используемых высот (метры); границы должны быть установлены по трем точкам. При описании зоны полетов в виде окружности указываются радиус (км) и координаты центра (градусы, минуты, секунды);

- абсолютная высота (диапазон высот) полета БВС (от уровня моря AMSL) с учетом максимальных отклонений и ошибок от расчетной траектории полета и максимальной высоты рельефа местности;

- время начала и окончания мероприятия (всемирное координированное время);

в) при установлении временного или местного режимов для обеспечения полетов воздушных судов по маршруту:

- маршрут полета БВС с указанием пунктов маршрута в системе географических координат (градусы, минуты, секунды);

- необходимая высота (диапазон высот) для полета БВС. Абсолютная высота (диапазон высот) полета БВС (от уровня моря AMSL) указывается с учетом максимальных отклонений и ошибок от расчетной траектории полета и максимальной высоты рельефа местности;

- количество и типы БВС;

г) разрешения на использование запретных зон и зон ограничения, полученные в соответствии с Федеральными правилами использования воздушного пространства Российской Федерации;

д) разрешение территориального органа Федеральной службы безопасности Российской Федерации при использовании воздушного пространства приграничной полосы;

е) разрешения органа местного самоуправления при планировании полетов над населенным пунктом;

ж) порядок управления полетами БВС с указанием географического месторасположения пунктов управления, частот воздушной радиосвязи и порядка установления связи с ними;

з) фамилия, имя, отчество, должность руководителя мероприятия и способ связи с ним;

и) фамилия, инициалы, должность лица, разработавшего представление на установление режима, и способ связи с ним.

При проведении мероприятия с участием нескольких пользователей воздушного пространства представление на установление временного или местного режима подается пользователем воздушного пространства, осуществляющим общую организацию проводимого мероприятия.

В представлении на установление местного режима, направляемого в зональный центр Единой системы, делается запись:

«Границы района (маршрута) полета, диапазон используемых высот даны с учетом максимальных отклонений от расчетных траекторий полета и максимальной высоты рельефа местности».

С учетом того, что полеты БВС выполняются в сегрегированном воздушном пространстве, в представлениях на установление местного режима необходимо указывать минимально необходимые границы и время использования районов для проведения полетов БВС.

В соответствии с п. 135 Федеральных правил использования воздушного пространства Российской Федерации при возникновении потребности в использовании воздушного пространства одновременно двумя и более пользователями ограничение их деятельности в определенных районах воздушного пространства осуществляется в соответствии с государственными приоритетами в использовании воздушного пространства. Такие приоритеты установлены Воздушным кодексом Российской Федерации, в соответствии с которым, полеты БВС относятся к иной деятельности по использованию воздушного пространства, осуществляемой в целях удовлетворения потребностей граждан (подпункт 14 ст. 13). Это означает, что зональным центром Единой системы может быть отказано в установлении местного режима в случае, если заявленная деятельность существенно препятствует полетам, выполняемым в целях, указанных в подпунктах 1/13 ст. 13 Воздушного кодекса Российской Федерации.

В случае несоответствия содержания представления требованиям, указанным в п. 6 приказа Министерства транспорта РФ от 27 июня 2011 г. № 171 «Об утверждении инструкции по разработке, установлению, введению и снятию временного и местного режимов, а также кратковременных ограничений», а также, если в представлении не содержится информации, необходимой для определения места, времени и высоты установления запрещения, с учетом мнения заинтересованного органа ОВД соответствующего Центра ОВД или нарушены сроки подачи, зональный центр оформляет мотивированный отказ в рассмотрении представления не позднее двух часов после его получения и доводит его до подателя представления.

Полеты БВС над населенными пунктами выполняются при наличии у пользователей воздушного пространства разрешения соответствующего органа местного самоуправления.

2.1.4 Планирование полетного задания

План полета БВС подается для получения разрешения на ИВП независимо от класса воздушного пространства. В соответствии с п. 12 Табеля сообщений о движении воздушных судов (приказ Министерства транспорта Российской Федерации от 24 января 2013 г. № 13, в ред. приказа Минтранса России от 22.12.2016 г. № 403) для заполнения полей сообщения о представленном плане полета воздушного судна используются буквы латинского алфавита. При использовании воздушного пространства в пределах Российской Федерации российскими пользователями допускается использование букв русского алфавита в поле 18 после буквенных признаков OPR/ и RMK/. Представленный план (заявка на использование воздушного пространства) содержит следующую информацию: об опознавательном индексе ВС (бортовой номер БВС); о количестве, типе ВС; о месте площадки старта и времени вылета; о маршруте полета (зоне полета); о месте площадки посадки и общем расчетном истекшем времени до посадки БВС; прочую информацию, необходимую для описания особенностей маршрута полета, и иную необходимую информацию.

При отсутствии опознавательного индекса БВС (не подлежит государственной регистрации) в поле 7 сообщения о плане полета обозначается [ZZZZZ], в РМК/ указывается «не подлежит государственной регистрации в соответствии со статьей 33 Воздушного кодекса РФ».

В представленном плане полета беспилотного воздушного судна (SHR) в поле 15 (маршрут) обозначается абсолютная высота полета БВС по маршруту (М0050) или диапазон высот в районе (зоне) полетов (М0000/М0050), т. е. от уровня моря (AMSL). Высота (диапазон высот) полета БВС должна находиться в пределах вертикальных границ, определенных местным (временным) режимом.

При описании зоны полетов после указания диапазона высот полета (M0000/M0050) через пробел после признака "/ZONA" записываются границы (/ZONA4955 N04312 E4815 N04210 E5012 N04410E/). Вся информация относительно границы зоны полетов обозначается с обеих сторон наклонными чертами. Границы зоны должны иметь не менее трех точек.

При описании зоны полетов в виде круга после указания диапазона высот полета (M0000/M0050) и признака "/ZONA" через пробел обозначается радиус после R без пробела до трех цифр в километрах, далее через пробел указываются координаты центра (градусы, минуты, при необходимости секунды) M0000/M0050 /ZONA R001 4955N04312E/.

При выполнении полетов на всей территории зон ограничения или запретных зон указываются номера зоны ограничения полетов, постоянной опасной зоны или в соответствующих случаях запретной зоны (пример: /ZONA USP216/ или /ZONA USR901/).

Маршрут (зона) полета должен находиться в горизонтальных и вертикальных границах установленных временного, местного режимов.

Допускается при необходимости указывать при описании точек географические координаты в градусах, минутах, секундах.

Рекомендуется в поле 18:

- EET/ указывать четырехбуквенные обозначения индекса (индексов) районов Единой системы, а при полетах в воздушном пространстве класса G - район полетной информации, в котором выполняется полет;

- OPR/ указывать сокращенное наименование федерального органа исполнительной власти, название организации или данные физического лица (фамилия, имя, отчество), при этом применяются буквы русского алфавита;

- TYP/BLA указывать полет беспилотного воздушного судна;

- RMK/ указывать номер установленного местного, временного режима. При желании (необходимости) в этом же поле в произвольной форме можно указать истинные высоты полета от уровня AGL (над уровнем земли). Рекомендуем в поле 18 указывать фамилию и телефон внешнего пилота и, если есть, руководителя полетов.

Представленный план полета (SHR) подается не менее чем за одни сутки до начала полетов в ЗЦ ЕС ОрВД. Условия подачи SHR применяются только в отношении БВС, безопасность использования которых предварительно обеспечена установлением временного или местного режимов. Установление местного (временного) режима необходимо уточнять перед подачей плана полета: в зональном центре Единой системы по тел. 8(343) 205-80-67, в главном центре Единой системы по телефону (495)601-07-45 или (495) 601-06-64.

...