Использование ГНСС-технологий для определения пространственного местоположения беспилотного летательного аппарата

Завгородняя Диана Викторовкна Студент ФГБОУ ВО «Вологодский государственный университет»

Аннотация: В работе рассматривается такой способ определения пространственного меcтоположения беспилотного летательного аппарата как ГНСС-технологии, способствующие быстрому и качественному нахождению координат объекта. Также затронут непосредственно алгоритм проведения съемки с помощью БПЛА.

Ключевые слова: Аэрофотосъемка, беспилотный летательный аппарат (БПЛА), снимки, навигация, ГЛОНАСС, GPS, автоматическое управление.

THE USE OF GNSS TECHNOLOGIES FOR DETERMINING THE SPATIAL LOCATION OF THE UNMANNED AERIAL VEHICLE

Zavgorodnyaya Diana Viktorovna

Abstract: this paper considers a method of determining the spatial mestopolojenie unmanned aircraft how GNSS technology contributes to the rapid and qualitative finding of the object's coordinates. Also directly affect the algorithm of the shooting with the help of UAVs.

Key words: Aerial photography, unmanned aerial vehicle (UAV), pictures, navigation, GLONASS, GPS, automatic control.

В современном мире все чаще для решения гражданских задач мониторинга территории с воздуха, в картографии и аэрофотосъёмке для создания топографических карт применяют сверхлегкие беспилотные летательные аппараты (БПЛА) (рис.1, а, б), различные по типу, размеру и установленному оборудованию. Одним из основных критериев гарантии выполнения поставленной им задачи является их автономное позиционирование в пространстве [1, с. 3].

Как правило, современные операторы беспилотных самолетов используют в своей ежедневной работе небольшой, размахом до 3 м, беспилотный самолет с обычной, бытовой или студийной фотокамерой на основе ПЗС матрицы. Аэрофотоснимки высокого качества дают зеркальные фотоаппараты (Canon 550D, Canon 5D Mark II) [2, с. 293].

Беспилотник для аэрофотосъемки осуществляет полет на заданной местности в автоматическом и полуавтоматическом режиме, получает высококачественные изображения с привязкой к географическим координатам, что позволяет использовать их для создания топографических карт высокой точности. Фото и видеоданные, после обработки в специализированном программном обеспечении, служат основой для создания образно-знаковых моделей пространства в виде плоских, рельефных и объемных карт и глобусов. Беспилотные аппараты позволяют специалистам создать в кратчайшие сроки ортофотопланы, матрицы высот местности и отдельных объектов. Картография требует максимально точных данных и высококачественных снимков, которые получают беспилотники благодаря усовершенствованным целевым нагрузкам на электромагнитном подвесе с обеспеченным стабилизированным положением камер независимо от порывов ветра и других воздействующих факторов.
 

а)                                                                           б)

Рис. 1. Квадрокоптер (а), беспилотный самолет (б)
 

Во время полета беспилотник в автоматическом режиме рассчитывает свою скорость и частоту срабатывания затвора (скорость кадров) так, чтобы обеспечить заданное перекрытие кадров. Перекрытие снимков с БПЛА отвечает обычным требованиям для аэрофотосъемки и составляет, как правило, 60% кадра. Снимки с БПЛА перекрываются на 60% в продольном перекрытии и на 30% в поперечном перекрытии [3, с. 291-293]. В результате полета формируются набор фотографий (рис. 2) и данные телеметрии, которые включают в себя координаты центра фотографирования, а та кже углы крена, рыскания и курса.

Сейчас основным методом позиционирования не только для БПЛА, но и в других областях является глобальная система навигации [4, с. 114-120]. Приемник устанавливается на борт БПЛА и получает данные со спутников.

В простейшем случае это обычный малогабаритный GPS приемник с антенной, например Ublox.

В настоящее время Российские производители комплексов с БПЛА практически повсеместно переходят на приемники сигналов систем спутникового позиционирования совмещенного типа ГЛОНАСС/GPS.
 

Рис. 2 Снимок с БПЛА
 

Обычно точность ГЛОНАСС/GPS навигации и особенности систем автоматического управления БПЛА позволяют достигать следующих параметров при полете по маршруту аэрофотосъемки:

•  поперечное смещение от оси маршрута — ± 10 м;

•  удержание БПЛА на заданной высоте — ± 15 м;

•  расстояние от запроектированного центра фотографирования до точки срабатывания затвора фотоаппарата — ± 5 м;

•  изменение угла крена БПЛА на маршруте между двумя снимками — 10°;

•  изменение угла тангажа на маршруте между двумя снимками — 6° [5].
  
  

Но точности данных параметров бывает не достаточно для проведения серьезной съемки.

Данные со спутников обновляются с частотой 1-5 Гц, что позволяет автопилоту довольно часто оценивать курс движения и вносить в него поправки. К сожалению, и они не могут обеспечить требуемую точность. Поэтому в более дорогих и солидных аппаратах устанавливается дополнительный высокоточный приемник GPS, который позволяет при постобработке сырых данных определить координаты центра снимка с точностью до 5-10 см.

Также для увеличения точности показаний данных с глобальной системы сейчас активно стали использоваться сети наземных стационарных вышек. Такие вышки являются реперными для системы навигации БПЛА, они определяют погрешности показаний глобальной системы навигации и отправляют поправки по радио-каналу на приемники БПЛА. Одной из распространенных, на данный момент, систем наземного типа, взаимодействующей с ГЛОНАСС/GPS, за счет которой на борт БПЛА приходят поправки к данным со спутников, является DGPS (differential global positioning system). В связи с этим точность позиционирования таких систем может достигать 5 см [6, с. 371-374].

Для выполнения съемки используются базовые GPS-станции, данные которых применяются для вычисления дифференциальных поправок при определении траектории летательного аппарата. Для определения траектории летательного аппарата и уточнения угловых данных инерциальной системы применяется метод совместной обработки GPS-данных и данных инерциальной системы. Привязка снимков к координатам, как правило, выполняется при помощи программ, написанных специально под конкретный тип приемника и БПЛА. Применение такого метода расчета повышает точность определения как угловых параметров, так и местоположения.

Безусловно, доработка старого и разрабатывание нового оборудования являются важной частью развития аэрофотосъемки. Вспоминая историю, мы видим, что определять координаты можно, используя наземные ориентиры. Можно – по часам, звёздам, Солнцу и компасу, а также, применяя данные геодезических наземных измерений, и в последние годы возможности ГНСС-технологий. Следовательно, возможно использовать как природные объекты, так и инфраструктуру, созданную человеком. А можно все эти методы свести воедино и получить устойчивую к изменению внешней среды навигационную систему, с помощью которой определение местоположения необходимого объекта, в данном случае БПЛА, будет простым, точным и займет минимальное количество времени.

Список литературы

1. К. С. Амелин. Метод ориентирования сверхлегкого БПЛА при редком обновлении данных о его местоположении // Санкт-Петербургский государственный университет. — 2014. — С. 3.

2. Денисова В. В. Аэрофотосъемка // Молодежь и научно-технический прогресс. — Белгород : Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова, 2015. — С. 292-294.

3. Завгородняя Д. В. Преимущества аэрофотосъемки над наземными видами съемки // European research. — Пенза: "Наука и Просвещение", 2017. — С. 291-293.

4. Заварин Д. А. Современное оборудование, приборы и методы исследования землеустройства и кадастров // Проблемы предпринимательской и инвестиционно-строительной деятельности. — СПб. : Автономная некоммерческая организация "Институт проблем экономического возрождения", 2015. — С. 114-120.

5. Аэрофотосъемка с БПЛА - ортофотоплан // unmanned Беспилотные системы. URL: http://unmanned.ru/service/aerophoto.htm.

6. Тесаловский А. А. Особенности кадастрового обеспечения разработки схемы размещения объектов переработки и хранения отходов при планировании развития территорий // Евразийский юридический журнал . — 2017. — №1(104). — С. 371-374.