Влияние погрешности знания рельефа местности на выбор проектных параметров космических аппаратов дистанционного зондирования Земли

ВЛИЯНИЕ ПОГРЕШНОСТИ ЗНАНИЯ РЕЛЬЕФА МЕСТНОСТИ

НА ВЫБОР ПРОЕКТНЫХ ПАРАМЕТРОВ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ЗЕМЛИ

Макаров Вячеслав Петрович

Кандидат технических наук НПО им. С.А. Лавочкина г. Химки

Москатиньев Иван Владимирович

НПО им. С.А. Лавочкина г. Химки

Самойлов Сергей Юрьевич

НПО им. С.А. Лавочкина г. Химки

АННОТАЦИЯ

В статье рассмотрены составляющие погрешности координатной привязки космических снимков, рассмотрено влияние погрешности знания высоты рельефа снимаемой местности на общую погрешность координатной привязки космических снимков, а так же влияние погрешности знания высоты рельефа снимаемой местности на значения проектных параметров космических аппаратов дистанционного зондирования Земли.

ABSTRACT

In article the making errors of a coordinate binding of space pictures are considered, influence of an error of knowledge of height of a relief of the removed diflrict on the general error of a coordinate binding of space pictures, and also influence of an error of knowledge of height of a relief of the removed diflrict on values of design parameters of spacecrafts of remote sensing of Earth is considered.

Ключевые слова: погрешность, рельеф, координатная привязка, космический аппарат.

Keywords: error, relief, coordinate binding, spacecraft.

В настоящее время широкое распространение получило использование снимков с космических аппаратов (КА) дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) для решения целого ряда задач. Большинство этих задач требуют определения координат объектов по их изображениям на снимках. Для определения координат объектов по их изображениям на снимках эти снимки должны иметь географическую координатную привязку к земной поверхности.

Географическая привязка изображения заключается в установлении зависимости между координатами элемента изображения и географическими координатами соответствующей ему точки поверхности Земли. Например, прямая задача географической привязки состоит в построение функции:

где u и v номер столбца и строки пикселя спутникового изображения, ф и X географические широта и долгота соответствующей пикселю точки на поверхности Земли.

Простейшие известные методы определения координат объектов основаны на использовании топографических карт. Согласно этому методу опознанный на снимке объект переносится (идентифицируется) на карту, и по ней определяются его координаты. Такой способ не может быть применен для определения координат объектов, находящихся на местности, на которую в данный момент нет достоверной картографической продукции. В связи с этим метод определения координат объектов, основанный на использовании топографических карт, имеет узкую область применения.

Аналитические методы основаны на знании законов движения и геометрических аспектов работы съемочной системы [1].

Если законы движения известны недостаточно точно, то в процессе привязки изображения неизбежно возника-

ют ошибки. Для коррекции этих ошибок применяются методы, основанные на использовании опорных точек. При этом оператором или автоматически выбираются опорные точки с известными, эталонными координатами, затем изменяются все или часть параметров (значений параметров), определяющих движение съемочной системы, с целью минимизации невязок между «наблюдаемыми» и эталонными координатами. Обычно, оптимальные значения параметров находятся с использованием метода наименьших квадратов.

Формирование изображения сопровождается различного рода нелинейными искажениями. Неравномерность движения носителя регистрирующей аппаратуры также приводит к невозможности точного воссоздания условий съемки. Поэтому привлекают методы полиномиальной аппроксимации (используется редко). Полиномиальное преобразование может иметь вид:

ф = a0 + alф+ a2X + aъq>2 + aAфX + a5X1 + ... + apXm X = Ь0 + Ъф + Ь2Х + Ь3ф + Ь4фЛ + Ь5Л2 +... + Ьр1т

где (ф, V) - «наблюдаемые» координаты точки; ф', V - полиномиальная аппроксимация «наблюдаемых» координат.

Коэффициенты полиномов выбираются из условия минимизации среднеквадратичного отклонения аппроксимации «наблюдаемых» координат от эталонных координат, для набора заданных опорных точек.

Исходя из вышесказанного, можно ввести следующую условную классификацию методов географической привязки изображения:

1) с использованием топографических карт;

2) аналитические методы;

2.1) фотограмметрические;

2.1.1) без использования опорных точек;

2.1.1.а) без учета высоты местности;

2.1.1.6) с учетом высоты местности;

2.1.2) с использованием опорных точек;

2.1.2.а) без учета высоты местности;

2.1.2.6) с учетом высоты местности;

2.2) полиномиальные.

Самую широкую область применения, а, следовательно, и распространение получили аналитические методы, кроме того аналитические методы являются очень удобными в применении (могут быть реализованы полностью автоматически и использоваться практически без оператора) [1]. Модель координатной привязки космических снимков при помощи аналитического метода подробно рассмотрена в [1,2], отмечается, что погрешность определения координат точек снимка Л0 складывается из двух составляющих:

• Погрешности, обусловленной неточностью знания высоты рельефа снимаемой местности;

• Погрешности, обусловленной параметрами КА.

Обе эти составляющие случайные и независимые, поэтому выразим значение погрешности определения координат точек снимка в виде

Ло =\1А2ка + Л

где ДКА - значение погрешности определения координат точек снимка, обусловленная параметрами КА, ДРельеф - значение погрешности определения координат точек снимка, обусловленная неточностью знания высоты рельефа.

Если высота снимаемой местности над земным эллипсоидом известна с погрешностью ДЬ, то возникает ошибка определения координат точек снимка ДРельеф (см. рисунок 1).

Радиус-вектор точки ви геоцентрической систе]

У

/

реальная снимаемая мест]

АЬ -<

Предполагаемая снимаем

АРельеф

Рисунок 1 Ошибка привязки из-за погрешности рельефа Исходя из рисунка 1 можно записать [3]:

А =Лh • tg

где ДЬ-погрешность знания высоты снимаемой местности, 2- зенитный угол съемки.

Для определения координат объектов по одиночному скану, полученному при углах съемки отличных от надира (2=0), с использованием только орбитальных данных всегда требуется информация о рельефе местности. Эту информацию можно получить по данным стереосъемки местности, или, используя данные о рельефе, которые известны по карте снимаемой местности.

Если информация о высоте рельефа снимаемой местности получается с топографических карт, то значение ДЬ по-

грешности определения высоты местности будет зависеть от масштаба используемой карты. В таблице 1 приведены значения погрешности знания высоты снимаемой местности для карт различного масштаба для равнинной местности [4].

На рисунке 2 условно показаны составляющие погрешности привязки снимка. Так как при увеличении зенитного угла съемки значение ДРельеф возрастает, то при больших значениях зенитного угла составляющая ДРельеф может быть соизмерима, а порой и превышать ошибки, обусловленные бортовыми системами КА (рисунок 2а). При малых значениях зенитного угла значение ДРельеф уменьшается и может быть меньше значения ДКА (рисунок 2б). При съемке в надир значение ДРельеф становится равным нулю.

лад конкретного чностного параметра КА |

> Ак,

УАр,л1,

а б

Рисунок 2. Составляющие погрешности привязки снимка а - для съемки с большими зенитными углами; б - для съемки с малыми зенитными углами.

Ошибка высоты рельефа для карт разного масштаба для равнинной местности

Таблица 1

Масштаб карты Предельная ошибка высоты ДЬ

1:1 000 000 100

1:500 000 50

1:200 000 20

1: 100 000 10

Цифровая карта местности 5

Рельеф снимаемой местности, так или иначе, тем или иным способом учитывается при привязке изображения (ор-тотрансформирование, ортовыравнивание, ортокоррекция, и др.) [5], однако, погрешность знания рельефа снимаемой местности может также повлиять на значения (выбор значений при проектировании) проектных параметров как самого КА ДЗЗ, так и его целевой аппаратуры (телескоп, приемники излучения, и т.д.) [2].

Погрешность привязки снимка из-за точности знания высоты рельефа снимаемой местности, в особенности при больших зенитных углах съемки, может быть соизмерима, а порой и превышать ошибки, обусловленные бортовыми системами КА [2]. Введем величину:

Q = А КА

А

На рисунке 3 представлена зависимость отношения Q от зенитного угла для различных масштабов карт, используемых для получения данных о рельефе снимаемой местности (см. Таблицу 1). При построении графиков значение ДРельеф вычислялось по формуле (2), а значение ДКА вычислялось по

известному значению ДРельеф и заданному значению (21 м) по формуле (1).

Из графика видно, что с увеличением зенитного угла величина погрешности привязки изображения, обусловленная неточностью знания высоты рельефа, быстро растет и при зенитном угле более 70° становится больше погрешности привязки, обусловленной параметрами КА даже при использовании цифровой карты местности (ЦКМ) для снятия рельефа.

На рисунке 4 представлена координатная плоскость в осях зенитный угол съемки (2), погрешность знания высоты рельефа (ДЬ). Ось зенитного угла ограничена эксплуатационным диапазоном при съемке 0°^90°(съемка с 2>90° невозможна, т.к. 2=90° соответствует геометрическому месту точек горизонта поверхности Земли с КА). Ось погрешности знания высоты рельефа снимаемой местности ограничена значениями 0м^100 м, что соответствует погрешности карт самых распространённых масштабов от ЦКМ до 1:1000 000 (см. Таблицу 1). На данной плоскости представлены кривые соответствующие различным значениям Д0 (10м^50м) (см. формулу(1)). Площадь над соответствующей кривой соответствует совокупности параметров, при которых , соответственно площадь под кривой соответствует совокупности параметров при которых ДРельеф <ДКА .

А

А

Рисунок 3 Зависимость отношения разных составляющих погрешности привязки от зенитного угла съемки

Из рисунка 4 видно, что с уменьшением значения Д0 область ДРельеф >Дкд увеличивается, следовательно, с уменьшением значения требуемой погрешности координатной привязки космического

Рельеф снимаемой с КАДЗЗ местности необходимо учитывать как при обработке уже полученных снимков при их координатной привязке, так и при проектировании самих КА ДЗЗ. Знание погрешности определения высоты рельефа снимаемой местности влияет на выбор значений проектных параметров разрабатываемого КА ДЗЗ. Иными словами КА ДЗЗ должен соответствовать условиям эксплуатации, для которых он проектировался (снимать ту местность, погрешность знания рельефа которой соответствует заданному значению при проектировании). Вышесказанное позволят сделать вывод об исключительной важности обязательного учета такого параметра как погрешность знания высоты снимаемой местности для координатной привязки космических снимков и проектировании КА ДЗЗ [1,2], а в некоторых

рельефа снимаемой местности оказывает все большее влияние на общую погрешность привязки снимка, чем значения проектных параметров самого КА ДЗЗ [1,2].

случаях (при жестких требованиях к погрешности привязки, т. е. при малых значениях Д0) рассматривать погрешность рельефа как проектный параметр космического аппарата дистанционного зондирования поверхности Земли.

Литература:

1 Самойлов С.Ю., Модель определения географических координат объектов по космическим снимкам при помощи аналитического метода. Вестник НПО им. С.А. Лавочкина, №4 2011 - М., «Полистар» (МАИ), С. 58-65.

2 Самойлов С.Ю., Метод выбора проектных параметров космических аппаратов дистанционного зондирования Земли по заданной погрешности привязки космических

снимка погрешность незнания высоты

Рисунок 4 Области преобладания разных составляющих погрешности привязки

снимков. Вестник НПО им. С.А. Лавочкина, №5 2011 - М., «Полистар» (МАИ), С. 18-25.

3 Тюфлин Ю.С. «Космическая фотограмметрия при изучении планет и спутников», М, «Недра», 1986 г. 245 с.

4 Иваньков П.А. Основы геодезии, топографии и картографии. М.: Просвещение, 1972. С. 48-50.

5 Назаров А.С., Учет влияния рельефа местности при фотограмметрической обработке аэроснимков. Автоматизированные технологии изысканий и проектирования №1 (20) 2006 г. -М., «Кредо-диалог».

ПРОВЕДЕНИЕ ЭКСПЕРТИЗЫ ПРОМЫШЛЕННОЙ БЕЗОПАСНОСТИ СОСУДОВ ПРИ ОТСУТСТВУЮЩЕМ

РЕГЛАМЕНТЕ

Сенаторова Елена Васильевна

Ведущий специалист ЗАО НДЦНПФ «Русская лаборатория», г. Санкт-Петербург

Новосёлова Елена Александровна

Ведущий специалист ЗАО НДЦ НПФ «Русская лаборатория», г. Санкт-Петербург

Смирнов Алексей Игоревич

Ведущий специалист ЗАО НДЦ НПФ «Русская лаборатория», г. Санкт-Петербург

Шабалин Михаил Владимирович

Ведущий специалист ЗАО НДЦ НПФ «Русская лаборатория», г. Санкт-Петербург

АННОТАЦИЯ

В статье рассмотрен пример проведения экспертизы промышленной безопасности сосуда при отсутствующем регламенте. Рассмотрен алгоритм действий по поиску нормативной документации и составлению методики экспертизы промышленной безопасности. Показана последовательность выбора браковочных критериев и параметров разрешенной эксплуатации.

ABSTRACT

In the present paper there was considered the example of a vessel safety expert review in case of absence of the technical guidelines. The scheme of the regulatory documents search was highlined together with the determination of the safety expert review scope. Finally, it was performed how to choose the rejection criteria and the allowed operation parameters.

Ключевые слова: сосуды среднего давления, экспертиза промышленной безопасности, нормативная документация.

Keywords: mid-pressure vessels, safety expert review, regulatory documents.

Для предотвращения аварий, инцидентов, производственного травматизма на объектах при использовании оборудования, работающего под избыточным давлением, необходимо проводить экспертизу промышленной безопасности оборудования. Мероприятия, составляющие экспертизу промышленной безопасности, регламентируются техническими регламентами, руководящими документами и другой нормативной документацией, относящейся к данному классу оборудования. Тем не менее, в производственной практике имеют место случаи, когда то или иное оборудование впрямую не подпадает под действие той или иной нормативной документации. В таких случаях для проведения экспертизы промышленной безопасности и определения условий дальнейшей эксплуатации оборудования необходимо хорошее знание околоотраслевых стандартов и нормативной документации. Рассмотрим в качестве примера техническое освидетельствование гидропневмобака системы пожаротушения.

Гидропневмобак системы пенопожаротушения представляет собой стальной сварной вертикальный цилиндрический сосуд, состоящий из обечайки и двух эллиптических днищ. На верхнем днище расположен люк-лаз наружным диаметром 530 мм. Обечайка и верхнее днище выполнены из стали марки 09Г2С, нижнее днище выполнено из стали марки Ст3сп2. На днищах и обечайке сосуда расположены

технологические штуцеры. Сосуд установлен на три опорные стойки, приваренные к нижнему днищу через подкладные листы.

Сосуд работает при давлении р = 0,3 МПа и температуре от 0 до 100°С с рабочей средой - 10%-м водным раствором пенообразователя. Среда относится к IV классу опасности, не взрывопожароопасная. Так как сосуд изготовлен в 1996 году, на него распространяются положения [2], согласно которым его можно отнести к IV группе сосудов. Отметим также, что данный сосуд не подпадает под требования [5], поскольку условия его эксплуатации не отвечают области распространения [5].

Сосуды, на которые не распространяется [5], подпадают под действие [1]. В [1] содержатся требования к эксплуатации, надзору, техническому освидетельствованию, отбраковке, ремонту и рекомендуемой форме ведения технической документации. В соответствии с требованиями [1] гидропневмобак системы пенопожаротушения не подлежит регистрации в органах Ростехнадзора.

В ходе визуального осмотра было установлено, что контрольно-измерительные приборы, установленные на гидропневмобаке, метрологически не поверены, что не соответствует требованиям [1]. Кроме того, не реже одного раза в 6 месяцев владельцем сосуда должна производиться дополнительная поверка рабочих манометров контрольным