[go: up one dir, main page]

RU2758285C1 - Method for group video navigation of aircraft - Google Patents

Method for group video navigation of aircraft Download PDF

Info

Publication number
RU2758285C1
RU2758285C1 RU2021100336A RU2021100336A RU2758285C1 RU 2758285 C1 RU2758285 C1 RU 2758285C1 RU 2021100336 A RU2021100336 A RU 2021100336A RU 2021100336 A RU2021100336 A RU 2021100336A RU 2758285 C1 RU2758285 C1 RU 2758285C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
aircraft
coordinates
earth
navigation
images
Prior art date
Application number
RU2021100336A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Валерий Георгиевич Бондарев
Сергей Викторович Ипполитов
Дмитрий Викторович Лопаткин
Данил Евгеньевич Титов
Никита Валерьевич Полозов
Михаил Андреевич Чернышев
Original Assignee
Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил "Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина" (г. Воронеж) Министерства обороны Российской Федерации
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил "Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина" (г. Воронеж) Министерства обороны Российской Федерации filed Critical Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил "Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина" (г. Воронеж) Министерства обороны Российской Федерации
Priority to RU2021100336A priority Critical patent/RU2758285C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2758285C1 publication Critical patent/RU2758285C1/en

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01CMEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C21/00Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01CMEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C23/00Combined instruments indicating more than one navigational value, e.g. for aircraft; Combined measuring devices for measuring two or more variables of movement, e.g. distance, speed or acceleration
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01SRADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S13/00Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
    • G01S13/02Systems using reflection of radio waves, e.g. primary radar systems; Analogous systems
    • G01S13/06Systems determining position data of a target
    • G01S13/46Indirect determination of position data
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01SRADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S13/00Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
    • G01S13/88Radar or analogous systems specially adapted for specific applications
    • G01S13/89Radar or analogous systems specially adapted for specific applications for mapping or imaging

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)
  • Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)

Abstract

FIELD: navigation equipment.
SUBSTANCE: invention relates to navigation and is intended for calculating the coordinates of aircraft. It can be used both for autonomous navigation and for working in combination with other navigation tools. The proposed method consists in the fact that pairs of monocular vision systems (MVS) of the trail and the lead aircraft of the group form binocular systems, the mutual location of digital cameras of which is determined by an optoelectronic inter-aircraft navigation system, which consists of three laser wide-directional tags of the lead aircraft and the MVS of the trail aircraft. The joint functioning of the MVS pairs is ensured by the exchange of information through a two-way optical-electronic communication line. To determine the current coordinates of the lead aircraft, images of at least three optical contrasts of the earth’s surface are used on the cameras of the trail and the lead aircraft in two consecutive photo expositions, the increments of the coordinates of the master are calculated, these increments are averaged for all pairs of trail and lead aircraft, and then the coordinate increments are calculated during the flight and summed with the initial coordinates of the aircraft.
EFFECT: expansion of the possibilities of using groups of small-sized unmanned aircraft, each of which is equipped with only one video camera.
1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к навигации и предназначено для счисления координат группы летательных аппаратов (ЛА). Может использоваться как для автономной навигации, так и для работы в комплексе с другими навигационными системами.The invention relates to navigation and is intended for reckoning the coordinates of a group of aircraft (AC). It can be used both for autonomous navigation and for work in conjunction with other navigation systems.

Известен способ определения ориентации подвижного объекта по координатам реперных источников (РИ), включающий определение сигналов, соответствующих положению изображения РИ в плоскости фотодетектора, определение углов пеленгов каждого РИ по полученным сигналам с учетом фокусного расстояния объектива и определение координат РИ по данным углов-пеленгов с учетом расстояния между РИ.There is a known method for determining the orientation of a moving object according to the coordinates of reference sources (RI), including the determination of signals corresponding to the position of the RI image in the plane of the photodetector, determining the bearing angles of each RI using the received signals, taking into account the focal length of the lens and determining the coordinates of the RI according to the bearing angles, taking into account distance between RI.

Этот способ реализован в устройстве, содержащем реперные источники на подвижном объекте, а на неподвижном - два фотоприемных оптико-локационных блока и блок определения координат РИ и ориентации подвижного объекта, описанный в патенте на изобретение [Патент GB №2002986 А, опубл. 28.02.1979].This method is implemented in a device containing reference sources on a moving object, and on a stationary one - two photodetecting optical-location units and a unit for determining the coordinates of the RI and the orientation of the moving object, described in the patent for invention [GB Patent No. 2002986 A, publ. 02/28/1979].

Недостатком описанного аналога является использование реперных источников с известным расположением на подвижном объекте, что обеспечивает определение только ориентации подвижного объекта при неизвестном местоположении, то есть не может обеспечить навигацию объекта.The disadvantage of the described analogue is the use of reference sources with a known location on the moving object, which ensures that only the orientation of the moving object is determined at an unknown location, that is, it cannot provide navigation of the object.

Известен наиболее близкий к заявляемому изобретению способ видеонавигации подвижного объекта, основанный на последовательном фотоэкспонировании земной поверхности фотокамерами стереопары установленной на подвижном объекте, выделении на изображении каждой фотокамеры по меньшей мере трех особых точек земной поверхности, вычислении их координат в связанной системе координат, определении углового и линейного перемещения подвижного объекта относительно земной поверхности за временной интервал между двумя фотоэкспозициями, определении углового и линейного перемещения подвижного объекта за время движения и, определении текущих координат местоположения, описанный в патенте на изобретение RU №2626017, Опубл: 21.07.2017 [2].Known closest to the claimed invention is a method of video navigation of a mobile object, based on sequential photo exposure of the earth's surface by cameras of a stereo pair installed on a mobile object, highlighting at least three special points of the earth's surface on the image of each camera, calculating their coordinates in a related coordinate system, determining the angular and linear moving a moving object relative to the earth's surface during the time interval between two photo exposures, determining the angular and linear movement of the moving object during the movement and determining the current coordinates of the location, described in the patent for invention RU No. 2626017, Publ: 21.07.2017 [2].

Недостатком этого способа является невозможность его использования для решения задачи счисления координат посредством стереопары, установленной на малоразмерном беспилотном летательном аппарате поскольку для достижения высокой точности измерения требуется значительное расстояние между фотокамерами стереопары.The disadvantage of this method is the impossibility of using it to solve the problem of reckoning coordinates by means of a stereo pair installed on a small unmanned aerial vehicle, since a significant distance between the cameras of the stereo pair is required to achieve high measurement accuracy.

Технический результат изобретения достигается тем, что в способе видеонавигации подвижного объекта, основанном на фотоэкспонировании земной поверхности стереопарой, обработке ее оцифрованных изображений и вычислении координат местоположения подвижного объекта, регистрируют излучения трех лазерных меток с широкой диаграммой направленности, установленных на ведущем ЛА группы посредством бортовой фотокамеры ведомого ЛА, осуществляют обработку оцифрованного изображения лазерных меток, определяют координаты их изображений на фотоматрице, определяют линейные и угловые координаты взаимного расположения ведущего и ведомого летательных аппаратов, посредством видеокамер ведущего и ведомого выполняют фотоэкспонирование, стереоотождествление и определение координат изображений трех особых точек земной поверхности, не лежащих на одной прямой в моменты двух последовательных фотоэкспозиций фотокамер, вычисляют приращение линейных и угловых координат ведущего ЛА относительно земной поверхности за время между фотоэкспозициями и осредняют их для всех ЛА группы, вычисляют приращение линейных и угловых координат ведущего ЛА относительно земной поверхности за время полета, вычисляют местоположение ведущего ЛА с учетом его начальных координат.The technical result of the invention is achieved by the fact that in the method of video navigation of a mobile object, based on photo exposure of the earth's surface with a stereo pair, processing its digitized images and calculating the coordinates of the location of the moving object, the radiation of three laser marks with a wide directivity pattern is recorded, installed on the leading aircraft of the group by means of the onboard camera of the slave The aircraft carry out the processing of the digitized image of laser marks, determine the coordinates of their images on the photomatrix, determine the linear and angular coordinates of the relative position of the master and slave aircraft, use the video cameras of the master and slave to take photographic exposure, stereo identification and determine the coordinates of the images of three special points of the earth's surface that do not lie on one straight line at the moments of two successive photo exposures of cameras, the increment of the linear and angular coordinates of the leading aircraft relative to the earth's surface is calculated over time i between photo exposures and averaging them for all aircraft of the group, calculating the increment of the linear and angular coordinates of the leading aircraft relative to the earth's surface during the flight, calculating the position of the leading aircraft taking into account its initial coordinates.

Сущность изобретения заключается в том, фотоэкспонируют земную поверхность стереопарой, обрабатывают ее оцифрованные изображения и вычисляют координаты местоположения подвижного объекта, отличающийся тем, что регистрируют излучения трех лазерных меток с широкой диаграммой направленности, установленных на ведущем ЛА группы посредством бортовой фотокамеры ведомого ЛА, осуществляют обработку оцифрованного изображения лазерных меток, определяют координаты их изображений на фотоматрице, определяют линейные и угловые координаты взаимного расположения ведущего и ведомого летательных аппаратов, посредством видеокамер ведущего и ведомого выполняют фотоэкспонирование, стереоотождествление и определение координат изображений трех особых точек земной поверхности, не лежащих на одной прямой в моменты двух последовательных фотоэкспозиций фотокамер, вычисляют приращение линейных и угловых координат ведущего ЛА относительно земной поверхности за время между фотоэкспозициями и осредняют их для всех ЛА группы, вычисляют приращение линейных и угловых координат ведущего ЛА относительно земной поверхности за время полета, вычисляют местоположение ведущего ЛА с учетом его начальных координат.The essence of the invention lies in the fact that the earth's surface is photo-exposed with a stereo pair, its digitized images are processed and the coordinates of the location of the moving object are calculated, characterized in that the radiation of three laser marks with a wide directivity pattern, installed on the leading aircraft of the group by means of the on-board camera of the slave aircraft, is processed, and the digitized images of laser marks, determine the coordinates of their images on the photomatrix, determine the linear and angular coordinates of the relative position of the master and slave aircraft, photographic exposure, stereo identification and determination of the coordinates of the images of three special points of the earth's surface that do not lie on the same straight line at the moments two successive photo exposures of cameras, calculate the increment of the linear and angular coordinates of the leading aircraft relative to the earth's surface during the time between photo exposures and average them for all aircraft groups, calculate the increment of the linear and angular coordinates of the leading aircraft relative to the earth's surface during the flight, calculate the location of the leading aircraft, taking into account its initial coordinates.

Способ обеспечивает расширение возможностей применения групп малоразмерных беспилотных летательных аппаратов, каждый из которых оснащен только одной видеокамерой. При этом критически важным условием является возможность высокоточного определения их взаимного расположения. Рассмотрим задачу определения местоположения двух ЛА (ведущего и одного из ведомых группы), оснащенных монокулярными системами технического зрения и выполняющих полет строем, относительно земной поверхности.The method provides for expanding the possibilities of using groups of small-sized unmanned aerial vehicles, each of which is equipped with only one video camera. In this case, a critical condition is the ability to accurately determine their relative position. Consider the problem of determining the location of two aircraft (the leader and one of the wingmen of the group), equipped with monocular vision systems and flying in formation, relative to the earth's surface.

На фиг. 1 представлена оптическая схема счисления координат, где показано расположение трех лазерных ИК меток M1, М2 и М3 на ведущем ЛА1 и система координат O1X1Y1Z1 связанная с ним, а также система координат O2X2Y2Z2 связанная с ведомым ЛА2 и фотокамера с ее элементами, фотообъективом ФО2 и фоточувствительной матрицей ФМ2 с изображениями меток S1, S2 и S3 на ней, установленные на ведомом ЛА, в процессе определения угловой ориентации и местоположения ведущего ЛА относительно ведомого, Pn,m - n-я точка на земной поверхности (n=1…3) в момент m-й фотоэкспозиции, -S1n,m, S2n,m - изображения точки Pn,m на фотоматрицах ФМ1 и ФМ2, F1, F2 - оптические центры фотообъективов.FIG. 1 shows the optical diagram of the reckoning of coordinates, which shows the location of three laser IR marks M 1 , M 2 and M 3 on the master aircraft 1 and the coordinate system O 1 X 1 Y 1 Z 1 associated with it, as well as the coordinate system O 2 X 2 Y 2 Z 2 connected to the slave aircraft 2 and a camera with its elements, a photo lens FO 2 and a photosensitive matrix FM 2 with images of marks S 1 , S 2 and S 3 on it, installed on the slave aircraft, in the process of determining the angular orientation and location of the master aircraft relative to the slave, P n, m - the n-th point on the earth's surface (n = 1 ... 3) at the moment of the m-th photo exposure, -S1n, m, S2 n, m - images of the point P n, m on photomatrices FM1 and FM2 , F 1 , F 2 - optical centers of photo lenses.

На фиг. 2 изображена структура системы групповой видеонавигации, включающая две монокулярные системы технического зрения, расположенные на двух беспилотных летательных аппаратах, связанных информационно посредством системы межсамолетной навигации. Монокулярная система технического зрения ведущего и ведомого ЛА включает в себя следующие элементы: фотокамера (1, 2); цифровой вычислитель (3, 4); фотоприемник (5, 6); три лазерные ИК метки (M1, М2, М3 и М4, М5, М6).FIG. 2 shows the structure of a group video navigation system, which includes two monocular vision systems located on two unmanned aerial vehicles, informationally connected by means of an interplane navigation system. The monocular vision system of the master and slave aircraft includes the following elements: camera (1, 2); digital computer (3, 4); photodetector (5, 6); three laser IR tags (M 1 , M 2 , M 3 and M 4 , M 5 , M 6 ).

Способ реализуется следующим образом.The method is implemented as follows.

Прямоугольная система координат O2X2Y2Z2 связанная с ведомым ЛА (фиг. 1), ось О2Х2 - параллельна продольной оси ЛА, O2Z2 - параллельна поперечной оси, а ось O2Y2 дополняет их до правой системы координат. Фоточувствительная матрица ФМ2, размещенная в фокальной плоскости фотообъектива ФО, находится в плоскости координат O2Y2Z2. Оптическая ось фотообъектива О2Х2 параллельна продольной оси ЛА. Система координат O1X1Y1Z1 связана с ведущим ЛА, где ось O1X1 направлена по продольной оси ЛА, ось O1Z1 - поперечная ось ЛА, а ось O1Y1 дополняет их до правой системы координат. В этой системе координат рассматриваются три точки M1, М2, М3 (лазерные ИК-метки), связанные с окончаниями элементов конструкции, причем важно, чтобы эти точки не перекрывались другими элементами при любых взаимных положениях ЛА.Rectangular coordinate system O 2 X 2 Y 2 Z 2 associated with the driven aircraft (Fig. 1), the axis O 2 X 2 is parallel to the longitudinal axis of the aircraft, O 2 Z 2 is parallel to the transverse axis, and the O 2 Y 2 axis complements them to right coordinate system. Photosensitive matrix FM 2 , placed in the focal plane of the photo lens FO, is in the plane of coordinates O 2 Y 2 Z 2 . The optical axis of the photo lens O 2 X 2 is parallel to the longitudinal axis of the aircraft. The O 1 X 1 Y 1 Z 1 coordinate system is associated with the leading aircraft, where the O 1 X 1 axis is directed along the longitudinal aircraft axis, the O 1 Z 1 axis is the aircraft's transverse axis, and the O 1 Y 1 axis complements them to the right coordinate system. In this coordinate system, three points M 1 , M 2 , M 3 (laser IR marks) are considered, associated with the ends of structural elements, and it is important that these points do not overlap with other elements at any relative positions of the aircraft.

Уравнения, описывающие положение ведомого ЛА2 относительно ведущего, полученные в работе [Патент RU №2700908, Опубл: 23.09.2019] имеют видThe equations describing the position of the slave aircraft 2 relative to the master, obtained in [Patent RU No. 2700908, Publ: 09/23/2019] have the form

Figure 00000001
Figure 00000001

где

Figure 00000002
- фокусное расстояние объектива фотокамеры;
Figure 00000003
- координаты лазерных меток в системе координат связанной с ведущим ЛА; X1, Y1, Z1, α, β, χ - искомые координаты взаимного положения ведомого относительно ведущего; aij(i,j=1..3) - коэффициенты матрицы A направляющих косинусов, описывающие угловое движение ведомого ЛА относительно ведущегоwhere
Figure 00000002
- focal length of the camera lens;
Figure 00000003
- coordinates of laser marks in the coordinate system associated with the leading aircraft; X 1 , Y 1 , Z 1 , α, β, χ - the required coordinates of the relative position of the follower relative to the leader; a ij (i, j = 1..3) are the coefficients of the matrix A of the direction cosines describing the angular motion of the driven aircraft relative to the leading

Figure 00000004
Figure 00000004

Используя решение системы уравнений (1) вычисляются линейные

Figure 00000005
и угловые
Figure 00000006
координаты ведомого летательного аппарата относительно ведущего. Решение этой системы уравнений осуществляется методом Ньютона-Рафсона.Using the solution of the system of equations (1), linear
Figure 00000005
and corner
Figure 00000006
the coordinates of the slave aircraft relative to the master. The solution of this system of equations is carried out by the Newton-Raphson method.

При наличии измеренных значений линейных X1, Y1, Z1 и угловых α, β, χ координат ведомого летательного аппарата относительно ведущего, монокулярные системы технического зрения ЛА1 и ЛА2 используются для создания бинокулярной системы, при этом формируется двусторонний обмен информацией, используемой для вычислений посредством оптико-электронных средств измерения (лазерных меток и фотоприемников).In the presence of measured values of linear X 1 , Y 1 , Z 1 and angular α, β, χ coordinates of the slave aircraft relative to the master, monocular vision systems of aircraft 1 and 2 are used to create a binocular system, while forming a two-way exchange of information used for calculations by means of optoelectronic measuring instruments (laser tags and photodetectors).

Для описания функционирования такой системы технического зрения выразим связь между измеряемыми координатами X1, Y1, Z1, α, β, χ, а также координатами изображений особых точек на фотоматрицах бинокулярной СТЗ. Связь ортов систем координат O1X1Y1Z1 и O2X2Y2Z2 описывается известными соотношениямиTo describe the functioning of such a technical vision system, let us express the relationship between the measured coordinates X 1 , Y 1 , Z 1 , α, β, χ, as well as the coordinates of the images of singular points on the photomatrices of the binocular STZ. The connection between the unit vectors of the coordinate systems O 1 X 1 Y 1 Z 1 and O 2 X 2 Y 2 Z 2 is described by the known relations

Figure 00000007
Figure 00000007

где матрица преобразования имеет видwhere the transformation matrix has the form

Figure 00000008
Figure 00000008

Двумя способами выражается вектор

Figure 00000009
и приравниваются правые части этих выражений:The vector is expressed in two ways
Figure 00000009
and the right-hand sides of these expressions are equated:

Figure 00000010
Figure 00000010

Вектора

Figure 00000011
и
Figure 00000012
выражаются посредством следующих соотношений, которые следуют из подобия пар треугольников
Figure 00000013
Figure 00000014
и
Figure 00000015
а также запишем выражения векторов
Figure 00000016
и
Figure 00000017
Vectors
Figure 00000011
and
Figure 00000012
are expressed by means of the following relations, which follow from the similarity of pairs of triangles
Figure 00000013
Figure 00000014
and
Figure 00000015
and also write down expressions of vectors
Figure 00000016
and
Figure 00000017

Figure 00000018
Figure 00000018

Figure 00000019
Figure 00000019

Figure 00000020
Figure 00000020

где

Figure 00000021
и
Figure 00000022
- проекции векторов
Figure 00000023
и
Figure 00000024
на оси O1X1 и О2Х2;
Figure 00000025
Figure 00000026
Figure 00000027
Figure 00000028
Figure 00000029
Figure 00000030
- координаты изображения особой точки
Figure 00000031
на фотоматрицах ФМ1 и ФМ2;
Figure 00000032
и
Figure 00000033
- единичные орты в системах координат O1X1Y1Z1 и O2X2Y2Z2; F=OF=O1F1 - фокусное расстояние объектива; первый индекс в обозначении координат - номер фотоматрицы.where
Figure 00000021
and
Figure 00000022
- vector projections
Figure 00000023
and
Figure 00000024
on the axis O 1 X 1 and O 2 X 2 ;
Figure 00000025
Figure 00000026
Figure 00000027
Figure 00000028
Figure 00000029
Figure 00000030
- coordinates of the image of the singular point
Figure 00000031
on photomatrices FM1 and FM2;
Figure 00000032
and
Figure 00000033
- unit vectors in coordinate systems O 1 X 1 Y 1 Z 1 and O 2 X 2 Y 2 Z 2 ; F = OF = O 1 F 1 - lens focal length; the first index in the designation of coordinates is the number of the photomatrix.

С учетом полученных выражений перепишем векторное равенство (2), выразим связь измеряемых посредством межсамолетной системы навигации вектора

Figure 00000034
и координат изображений особой точки на фотоматрицах бинокулярной СТЗ запишем в виде следующего соотношенияTaking into account the obtained expressions, we rewrite the vector equality (2), express the relationship between the vectors measured by the interslane navigation system
Figure 00000034
and the coordinates of the images of the singular point on the photomatrices of the binocular STZ we write in the form of the following relation

Figure 00000035
Figure 00000035

Используя выражения для ортов

Figure 00000036
получимUsing expressions for unit vectors
Figure 00000036
get

Figure 00000037
Figure 00000037

Проецируя последнее равенство на оси системы координат O1X1Y1Z1, получимProjecting the last equality on the axis of the coordinate system O 1 X 1 Y 1 Z 1 , we get

Figure 00000038
Figure 00000038

Figure 00000039
Figure 00000039

Используем в этих уравнениях следующие обозначенияWe use the following notation in these equations

Figure 00000040
Figure 00000041
Figure 00000042
Figure 00000043
Figure 00000044
Figure 00000045
Figure 00000046
получим
Figure 00000040
Figure 00000041
Figure 00000042
Figure 00000043
Figure 00000044
Figure 00000045
Figure 00000046
get

Figure 00000047
Figure 00000047

Из этих уравнений выразим неизвестные

Figure 00000048
и
Figure 00000049
From these equations we express the unknowns
Figure 00000048
and
Figure 00000049

Figure 00000050
Figure 00000050

Figure 00000051
Figure 00000051

Используя ранее полученные соотношения (3), выразим координаты точки Р земной поверхности в системе координат O1X1Y1Z1 Using the previously obtained relations (3), we express the coordinates of the point P of the earth's surface in the coordinate system O 1 X 1 Y 1 Z 1

Figure 00000052
Figure 00000052

Полученные соотношения позволяют определять координаты любой контрастной точки земной поверхности в системе координат связанной с фотоматрицей ведущего ЛА. Это дает основание говорить о возможности построения измерительной системы технического зрения, размещенной на двух летательных аппаратах группы, связанных между собой системой межсамолетной навигации.The obtained ratios make it possible to determine the coordinates of any contrasting point of the earth's surface in the coordinate system associated with the photomatrix of the leading aircraft. This gives grounds to speak about the possibility of constructing a measuring system of technical vision, located on two aircraft of the group, interconnected by an inter-aircraft navigation system.

Работа системы групповой системы видеонавигации сводится к измерению координат контрастных точек

Figure 00000053
земной поверхности посредством распределенной бинокулярной системы технического зрения, включающей фотокамеры 1, 2 и цифровые вычислители 3, 4 обоих ЛА. Информационное взаимодействие цифровых вычислителей осуществляется через двунаправленный оптико-электронный канал связи (фотоприемники 5 и 6 - лазерные метки M1, М2, М3). Импульсное излучение лазерных меток имеет две составляющие - навигационную и информационную. Первая из них воздействует на фотокамеру 2 второго ЛА и обеспечивает измерение взаимного положения летательных аппаратов. Информационная составляющая сигналов лазерных меток обеспечивает взаимный обмен цифровых вычислителей 3 и 4, в которых осуществляется обработка изображений земной поверхности, отыскание оптических контрастов (Р) и их стереоотождествление, а также решение вычислительной задачи в соответствии с алгоритмом (соотношения 8).The work of the group video navigation system is reduced to measuring the coordinates of contrast points
Figure 00000053
the earth's surface by means of a distributed binocular vision system, including cameras 1, 2 and digital computers 3, 4 of both aircraft. Information interaction of digital computers is carried out through a bi-directional optoelectronic communication channel (photodetectors 5 and 6 - laser marks M 1 , M 2 , M 3 ). Pulsed radiation of laser marks has two components - navigation and informational. The first of them acts on the camera 2 of the second aircraft and ensures the measurement of the relative position of the aircraft. The information component of the signals of the laser marks ensures the mutual exchange of digital computers 3 and 4, in which the images of the earth's surface are processed, the optical contrasts (P) are found and their stereo identification, as well as the solution of the computational problem in accordance with the algorithm (relations 8).

Рассмотрим схему измерения пространственного перемещения ведущего группы летательных аппаратов посредством установленных на них фотокамер стереопары (фиг. 1), при этом на земной поверхности используется группа из трех особых точек

Figure 00000054
(индекс n=1, 2, 3, … - номер особой точки). Здесь прямоугольная система координат
Figure 00000055
связана с подвижным объектом в m-м пространственном положении (в m-й момент времени), фотоматрицы ФМ1, ФМ2 цифровых фотокамер 1 и 2 стереопары расположены в плоскости
Figure 00000056
а оптические оси объективов параллельны оси
Figure 00000057
Центры фотоматриц O1,m (O2,m) расположены симметрично относительно начала координат Om (Om+1 - его положение в m+1-й момент времени) на расстояниях В/2. Системы координат
Figure 00000058
и
Figure 00000059
лежат в плоскости фотоматриц, причем оси
Figure 00000060
и
Figure 00000061
параллельны оси
Figure 00000062
а оси
Figure 00000063
и
Figure 00000064
совпадают с осью
Figure 00000065
В точках F1 и F2 располагаются геометрические центры объективов левой и правой фотокамер, формирующих оптические изображения S1m и S2m особой точки земной поверхности
Figure 00000066
а в следующий момент времени - S1m+1 и S2m+1. Точки D1 и D2 - проекции точки P1m на плоскости фотоматриц ФМ1 (O1Y1Z1) и ФМ2 (O2Y2Z2).Let us consider the scheme for measuring the spatial movement of the leading group of aircraft by means of the stereo pair cameras installed on them (Fig. 1), while a group of three special points is used on the earth's surface
Figure 00000054
(index n = 1, 2, 3,… is the number of the singular point). Here the rectangular coordinate system
Figure 00000055
is connected with a moving object in the m-th spatial position (at the m-th moment of time), photomatrix FM1, FM2 of digital cameras 1 and 2 of the stereo pair are located in the plane
Figure 00000056
and the optical axes of the lenses are parallel to the axis
Figure 00000057
The centers of the photo matrices O 1, m (O 2, m ) are located symmetrically relative to the origin of coordinates O m (O m + 1 is its position at the m + 1st moment of time) at distances B / 2. Coordinate systems
Figure 00000058
and
Figure 00000059
lie in the plane of the photo matrices, and the axes
Figure 00000060
and
Figure 00000061
parallel axis
Figure 00000062
and the axes
Figure 00000063
and
Figure 00000064
coincide with the axis
Figure 00000065
At points F 1 and F 2 are the geometric centers of the lenses of the left and right cameras, forming optical images S 1m and S 2m of the singular point of the earth's surface
Figure 00000066
and at the next moment in time - S 1m + 1 and S 2m + 1 . Points D 1 and D 2 are projections of point P 1m on the plane of photo matrices FM1 (O 1 Y 1 Z 1 ) and FM2 (O 2 Y 2 Z 2 ).

Выделение на изображении каждой фотокамеры по меньшей мере трех особых точек земной поверхности может быть выполнено путем программной обработки изображений земной поверхности, которая может осуществляться, например, методом ускоренной проверки сегментов (FAST) яркости точек, образующих окружность заданного радиуса.The selection of at least three specific points of the earth's surface in the image of each camera can be performed by software processing of images of the earth's surface, which can be carried out, for example, by the method of fast checking of segments (FAST) of the brightness of points forming a circle of a given radius.

Определение координат

Figure 00000067
изображений трех особых точек
Figure 00000068
на фотоматрицах из положений в моменты времени m-й фотоэкспозиции обеспечивает вычисление координат
Figure 00000069
n-й особой точки
Figure 00000070
относительно подвижного объекта в связанной системе координат по формулам (8).Determination of coordinates
Figure 00000067
images of three special points
Figure 00000068
on the photomatrix from the positions at the moments of time of the m-th photoexposure provides the calculation of the coordinates
Figure 00000069
n-th singular point
Figure 00000070
relative to a moving object in a connected coordinate system according to formulas (8).

Положение системы координат

Figure 00000071
связанной с подвижным объектом, относительно ее предыдущего положения
Figure 00000072
задается вектором смещения начала координат
Figure 00000073
а изменение углового положения системы
Figure 00000074
- матрицей направляющих косинусов.Coordinate system position
Figure 00000071
associated with a moving object, relative to its previous position
Figure 00000072
given by the offset vector of the origin
Figure 00000073
and the change in the angular position of the system
Figure 00000074
- a matrix of direction cosines.

Figure 00000075
Figure 00000075

где

Figure 00000076
Figure 00000077
Figure 00000078
- углы последовательных разворотов подвижного объекта вокруг осей
Figure 00000079
Figure 00000080
Figure 00000081
соответственно, за время между двумя последовательными фотоэкспозициями.where
Figure 00000076
Figure 00000077
Figure 00000078
- angles of successive turns of the moving object around the axes
Figure 00000079
Figure 00000080
Figure 00000081
respectively, for the time between two successive photo exposures.

Запишем соотношение, связывающее измеряемые вектора

Figure 00000082
и
Figure 00000083
в системах
Figure 00000084
соответственноLet us write down the relation connecting the measured vectors
Figure 00000082
and
Figure 00000083
in systems
Figure 00000084
respectively

Figure 00000085
Figure 00000085

где

Figure 00000086
- вектор, с началом в точке
Figure 00000087
а конец в точке
Figure 00000088
отсчитанный в системе координат
Figure 00000089
а также очевидное векторное равенство, связывающее m и m+1 экспозицииwhere
Figure 00000086
- vector, with the origin at the point
Figure 00000087
and the end at the point
Figure 00000088
referenced in the coordinate system
Figure 00000089
and also the obvious vector equality connecting m and m + 1 exposures

Figure 00000090
Figure 00000090

Поскольку, вектор

Figure 00000091
измерить методом прямых измерений не возможно, то для того чтобы воспользоваться равенством (9), необходимо выразить этот вектор в проекциях на оси системы координат
Figure 00000092
получимSince the vector
Figure 00000091
it is not possible to measure by the method of direct measurements, in order to use equality (9), it is necessary to express this vector in projections on the axes of the coordinate system
Figure 00000092
get

Figure 00000093
Figure 00000093

Полученное соотношение содержит шесть неизвестных величин

Figure 00000094
а также вектора
Figure 00000095
и
Figure 00000096
доступные для прямых измерений, и для совокупности трех особых точек представляет собой систему 9 нелинейных алгебраических уравнений, которая может быть решена применением специальных численных методов, использующихся для таких переопределенных систем.The resulting ratio contains six unknown quantities
Figure 00000094
as well as vectors
Figure 00000095
and
Figure 00000096
available for direct measurements, and for a set of three singular points is a system of 9 nonlinear algebraic equations, which can be solved using special numerical methods used for such overdetermined systems.

Чтобы избежать этого, найдем аналитическое решение задачи. Применим соотношение (10) для трех особых точек земной поверхности, на положение которых накладывается следующее условие, они образуют треугольник ненулевой площади (не лежат на одной прямой)To avoid this, we will find an analytical solution to the problem. We apply relation (10) for three singular points of the earth's surface, on the position of which the following condition is imposed, they form a triangle of nonzero area (do not lie on one straight line)

Figure 00000097
Figure 00000097

Вычитая из второго соотношения первое, а из третьего второе, получимSubtracting the first from the second ratio, and the second from the third, we get

Figure 00000098
Figure 00000098

Запишем также соотношение, описывающее преобразование координат вектора равного векторному произведению этих векторов, поскольку, для нашей цели необходим вектор, не являющийся линейной комбинацией выбранных векторовWe also write down the relation describing the transformation of the coordinates of a vector equal to the vector product of these vectors, since, for our purpose, we need a vector that is not a linear combination of the selected vectors

Figure 00000099
Figure 00000099

Три последних соотношения используем для записи матричного соотношения, в котором матрицы-столбцы занимают место столбцов в блочных матрицах, такая запись следует из правила умножения матрицWe use the last three relationships to write a matrix relationship, in which column matrices take the place of columns in block matrices, such a notation follows from the matrix multiplication rule

Figure 00000100
Figure 00000100

Из последнего матричного равенства выразим искомую матрицу (Am) путем умножения справа обеих частей равенства на матрицу обратную сомножителю матрицы (Am). Отметим, что определитель этой матрицы не равен нулю, поскольку три вектора, координаты которых записаны в столбцах матрицы, являются линейно не зависимыми и, следовательно, обратная матрица существует.From the last matrix equality, we express the required matrix (A m ) by multiplying both sides of the equality on the right by the matrix inverse of the matrix factor (A m ). Note that the determinant of this matrix is not equal to zero, since the three vectors whose coordinates are written in the columns of the matrix are linearly independent and, therefore, the inverse matrix exists.

Figure 00000101
Figure 00000101

Поскольку все координаты векторов в выражении матрицы

Figure 00000102
непосредственно измеряются с помощью СТЗ в моменты m и m+1 экспозиций, то соотношение (12) используется для вычисления углового перемещения подвижного объекта относительно земной поверхности за интервал времени между двумя фотоэкспозициями. Для определения вектора линейного перемещения подвижного объекта
Figure 00000103
воспользуемся соотношением (11) при n=1.Since all the coordinates of the vectors in the matrix expression
Figure 00000102
are directly measured using the STZ at the moments of m and m + 1 exposures, then relation (12) is used to calculate the angular displacement of a moving object relative to the earth's surface during the time interval between two photo exposures. To determine the vector of linear displacement of a moving object
Figure 00000103
we use relation (11) for n = 1.

Figure 00000104
Figure 00000104

Матрица, описывающая вращательное движение подвижного объекта из начального в конечное положение записывается в виде произведения матриц, описывающих вращения за интервалы времени между двумя последовательными фотоэкспозициями.The matrix describing the rotational motion of the movable object from the initial to the final position is written in the form of a product of matrices describing the rotations during the time intervals between two successive photo exposures.

Figure 00000105
Figure 00000105

Для определения координат подвижного объекта необходимо учесть начальное угловое и пространственное его положение, которое зададим географическими координатами ϕ0 - широтой, λ0 - долготой, R0 - удалением от центра земли, а его угловое положение относительно земли углами курса - ψ0, крена - γ0 и тангажа - υ0, тогда конечное угловое положение подвижного объекта определим посредством матрицы.To determine the coordinates of a moving object, it is necessary to take into account its initial angular and spatial position, which will be set by the geographical coordinates ϕ 0 - latitude, λ 0 - longitude, R 0 - distance from the center of the earth, and its angular position relative to the ground by course angles - ψ 0 , roll - γ 0 and pitch - υ 0 , then the final angular position of the moving object is determined by means of the matrix.

Figure 00000106
Figure 00000106

гдеwhere

Figure 00000107
Figure 00000107

Матрица, определяющая начальное угловое положение подвижного объекта.Matrix defining the initial angular position of the movable object.

Задача определения начального положения подвижного объекта в навигации известна как начальная выставка системы, для ее осуществления используется несколько известных методов.The problem of determining the initial position of a moving object in navigation is known as the initial exhibition of the system, and several well-known methods are used for its implementation.

Находим приращения географических координат за один m-й интервал времени между последовательными фотоэкспозициями, а путем суммирования выразим текущие координаты подвижного объекта в m-й (текущий) момент, при этом учтем начальное местоположение объекта. Вычисляем текущие координаты местоположения подвижного объекта по следующим формуламWe find the increments of geographical coordinates for one m-th time interval between successive photo exposures, and by summation we express the current coordinates of the moving object at the m-th (current) moment, while taking into account the initial location of the object. We calculate the current coordinates of the location of the moving object according to the following formulas

Figure 00000108
Figure 00000108

где

Figure 00000109
- элементы матрицы направляющих косинусов вида (15) определяемые текущими углами крена, курса и тангажа подвижного объекта.where
Figure 00000109
- elements of the matrix of direction cosines of the form (15) determined by the current angles of roll, course and pitch of the moving object.

Поскольку изображения земной поверхности содержат значительное число контрастных точек, то целесообразно обеспечить многократные измерения координат подвижного объекта с обработкой их результатов. Это обеспечит снижение погрешностей измерений, а также текущий контроль уровня этих ошибок.Since the images of the earth's surface contain a significant number of contrast points, it is advisable to provide multiple measurements of the coordinates of a moving object with processing of their results. This will ensure the reduction of measurement errors, as well as monitoring the level of these errors.

Claims (1)

Способ групповой видеонавигации летательных аппаратов, основанный на фотоэкспонировании земной поверхности стереопарой, обработке ее оцифрованных изображений и вычислении координат местоположения подвижного объекта, отличающийся тем, что регистрируют излучения трех лазерных меток с широкой диаграммой направленности, установленных на ведущем ЛА группы посредством бортовой фотокамеры ведомого ЛА, осуществляют обработку оцифрованного изображения лазерных меток для определения координат их изображений на фотоматрице, определяют линейные и угловые координаты взаимного расположения ведущего и ведомого летательных аппаратов, посредством видеокамер ведущего и ведомого выполняют фотоэкспонирование, стереоотождествление и определение координат изображений трех особых точек земной поверхности, не лежащих на одной прямой в моменты двух последовательных фотоэкспозиций фотокамер, вычисляют приращение линейных и угловых координат одного из ЛА относительно земной поверхности за время полета, вычисляют местоположение ЛА с учетом его начальных координат.The method of group video navigation of aircraft, based on photographic exposure of the earth's surface with a stereo pair, processing of its digitized images and calculating the coordinates of the location of a moving object, characterized in that the radiation of three laser marks with a wide directivity pattern, installed on the leading aircraft of the group by means of the on-board camera of the slave aircraft, is carried out processing of the digitized image of laser marks to determine the coordinates of their images on the photomatrix, determine the linear and angular coordinates of the relative position of the master and slave aircraft, photographic exposure, stereo identification and determination of the coordinates of the images of three special points of the earth's surface that do not lie on one straight line are performed using the video cameras of the master and slave at the moments of two successive photo exposures of cameras, the increment of the linear and angular coordinates of one of the aircraft relative to the earth's surface is calculated during the flight, the location of the aircraft, taking into account its initial coordinates.
RU2021100336A 2021-01-11 2021-01-11 Method for group video navigation of aircraft RU2758285C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2021100336A RU2758285C1 (en) 2021-01-11 2021-01-11 Method for group video navigation of aircraft

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2021100336A RU2758285C1 (en) 2021-01-11 2021-01-11 Method for group video navigation of aircraft

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2758285C1 true RU2758285C1 (en) 2021-10-28

Family

ID=78466385

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2021100336A RU2758285C1 (en) 2021-01-11 2021-01-11 Method for group video navigation of aircraft

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2758285C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2820355C1 (en) * 2022-06-09 2024-06-03 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт автоматики и процессов управления Дальневосточного отделения Российской академии наук (ИАПУ ДВО РАН) Method for coordinated movement of group of autonomous unmanned underwater vehicles

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2347240C2 (en) * 2007-04-23 2009-02-20 Василий Иванович Конотоп Method of determination of situation and corners of orientation of flying machine concerning runway and device for its realisation
RU2550811C1 (en) * 2014-04-15 2015-05-20 Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего профессионального образования "ВОЕННАЯ АКАДЕМИЯ СВЯЗИ имени Маршала Советского Союза С.М. Буденного" Министерства обороны Российской Федерации Method and device for object coordinates determination
US20150301529A1 (en) * 2012-02-13 2015-10-22 C & P Technologies, Inc. Method and apparatus for dynamic swarming of airborne drones for a reconfigurable array
RU2626017C1 (en) * 2016-07-25 2017-07-21 Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил "Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина" (г. Воронеж) Министерства обороны Российской Федерации Method of navigating mobile object
CN108955722A (en) * 2018-05-22 2018-12-07 北京和协导航科技有限公司 Unmanned plane target position indicator system and indicating means

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2347240C2 (en) * 2007-04-23 2009-02-20 Василий Иванович Конотоп Method of determination of situation and corners of orientation of flying machine concerning runway and device for its realisation
US20150301529A1 (en) * 2012-02-13 2015-10-22 C & P Technologies, Inc. Method and apparatus for dynamic swarming of airborne drones for a reconfigurable array
RU2550811C1 (en) * 2014-04-15 2015-05-20 Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего профессионального образования "ВОЕННАЯ АКАДЕМИЯ СВЯЗИ имени Маршала Советского Союза С.М. Буденного" Министерства обороны Российской Федерации Method and device for object coordinates determination
RU2626017C1 (en) * 2016-07-25 2017-07-21 Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил "Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина" (г. Воронеж) Министерства обороны Российской Федерации Method of navigating mobile object
CN108955722A (en) * 2018-05-22 2018-12-07 北京和协导航科技有限公司 Unmanned plane target position indicator system and indicating means

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
В.Г. БОНДАРЕВ, ВИДЕОНАВИГАЦИЯ ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА, НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА, N213, 2015. *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2820355C1 (en) * 2022-06-09 2024-06-03 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт автоматики и процессов управления Дальневосточного отделения Российской академии наук (ИАПУ ДВО РАН) Method for coordinated movement of group of autonomous unmanned underwater vehicles
RU2833284C1 (en) * 2024-04-09 2025-01-16 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт автоматики и процессов управления Дальневосточного отделения Российской академии наук (ИАПУ ДВО РАН) Method for coordinated movement of several mobile robotic objects

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8494225B2 (en) Navigation method and aparatus
Malowany et al. Multi-camera digital image correlation method with distributed fields of view
US8886366B2 (en) Device and method to estimate the state of a moving vehicle
US20130236107A1 (en) Moving image processing device, moving image processing method, and recording medium having moving image processing program
Di et al. Geospatial technologies for Chang’e-3 and Chang’e-4 lunar rover missions
Huang et al. Measurement method and recent progress of vision-based deflection measurement of bridges: a technical review
CN101963500A (en) Computer vision large-scale distance measuring method and portable distance measurer for applying same
US12152904B2 (en) Single star-based orientation method using dual-axis level sensor
RU2758285C1 (en) Method for group video navigation of aircraft
Liu et al. Parallel camera network: Motion-compensation vision measurement method and system for structural displacement
Negahdaripour et al. Undersea optical stationkeeping: Improved methods
RU2626017C1 (en) Method of navigating mobile object
Dolloff et al. Temporal correlation of metadata errors for commercial satellite images: Representation and effects on stereo extraction accuracy
CN102436657A (en) Active light depth measurement value correction method based on application of Internet of things
Zhang et al. INS assisted monocular visual odometry for aerial vehicles
RU2706444C1 (en) Method for local navigation of mobile object
Serwa et al. Integration of soft computational simulator and strapdown inertial navigation system for aerial surveying project planning
RU2027144C1 (en) Parallax method of measuring coordinates of object
RU2422772C1 (en) Method of locating vehicle relative to traffic mark
RU2521972C1 (en) Measurement method of position of road building machine
Yamada et al. Evaluation of calibration methods to construct a 3-D environmental map with good color projection using both camera images and laser scanning data
US12142153B2 (en) Vehicle motion controller via off-axis beam measurement
RU2334945C1 (en) Method of detection of helicopter translation movement at landing and device for its implementation
Huang et al. A bio-inspired array skylight compass for urban ground navigation
RU2368920C1 (en) Method and device for flickering moving point coordinate measurement