بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
زمین مرجع کردن مستقیم با تلفیق GPS و : INS قابلیتها و مشکلات
چکیده
با توسعه فن آوری ناوبری اینرشیال در سالهای اخیر امکان زمین مرجع کردن مستقیم داده های مکانی جمع آوری شده بروش فتوگرامتری هوایی بدون نیاز به اندازهگیری نقاط کنترل زمینی فراهم شده است. زمین مرجع کردن مستقیم با تلفیق GPS/INS اهمیت فراوانی در کاهش هزینه و زمان تهیه نقشه به روش فتوگرامتری و نیز در به کار گیری اسکنرهای رقومی روی هواپیما و هلی کوپتر دارد و به همین دلیل این موضوع در سالهای اخیر توجه گسترده مراکز تحقیقاتی را به خود جلب کرده است. این مقاله به بررسی قابلیتها و مشکلات تلفیق GPS/INS در زمین مرجع کردن مستقیم تصاویر هوایی و برخی ملاحظات عملی در به کار گیری این فن آوری میپردازد.
واژگان کلیدی: فتوگرامتری، GPS، INS، توجیه خارجی سنجنده، زمین مرجع کردن مستقیم تصاویر، مثلث بندی هوایی
-1 مقدمه
فتوگرامتری هوایی در قالب کلاسیک آن وابسته به عملیات زمینی برای محاسبه غیر مستقیم پارامترهای توجیه خارجی دوربین است. با توسعه فن آوری ناوبری اینرشیال در سالهای اخیر امکان اندازه گیری مستقیم وضعیت (زوایای دوران) سنجنده تصویر برداری در لحظه عکسبرداری بوجود آمده است. با تلفیق یک گیرنده GPS برای اندازه گیری موقعیت و یک INS١ برای اندازه گیری وضعیت دوربین داده های مکانی را می توان به طور مستقیم و بدون نیاز به اندازه گیری نقاط کنترل زمینی از سیستم مختصات عکسی به سیستم مختصات مبنا انتقال داد. به این عملیات اصطلاحاﹰ زمین مرجع کردن مستقیم٢ گفته میشود.
در روش زمین مرجع کردن مستقیم، موقعیت و وضعیت دوربین در هر لحظه عکسبرداری توسط سیستم تلفیقی GPS/INS تعیین میشود و بنابر این نیاز به عملیات زمینی برای اندازهگیری نقاط کنترل مرتفع میگردد.
اینکار موجب کاهش قابل توجه هزینه و زمان لازم برای تهیه نقشه بروش فتوگرامتری میشود. اگر چه اندازه گیری پارامترهای موقعیت دوربین با استفاده از GPS به تنهایی نیز منجر به کاهش تعداد نقاط کنترل مورد نیاز برای مثلث بندی هوایی میگردد، ولی در این سیستم که به GPS Photogrammetry موسوم است هنوز عملیات مثلثبندی هوایی متکی به نقاط کنترل زمینی است. از طرفی در این روش، فقط موقعیت دوربین اندازهگیری شده است و تعیین وضعیت آن وابسته به استحکام هندسی دسته اشعه در بلوک مثلثبندی است. بنابر این در کاربردهایی مانند طراحی راه و خطوط انتقال نیرو و تهیه نقشه از نواحی ساحلی و خطوط لوله که عکسبرداری در امتداد فقط یک یا تعداد محدودی نوار انجام میشود، پارامترهای دورانی دوربین به دلیل پایین بودن استحکام هندسی دسته اشعه دقت کمتری خواهند داشت .(Schwarz, 1995) این در حالیست که در روش زمین مرجع کردن مستقیم با سیستم تلفیقی GPS/INS، تمام المانهای توجیه خارجی دوربین در لحظه عکسبرداری اندازه گیری شده و بنابراین وابستگی به نقاط کنترل از بین میرود (به جز در مواردی که به دلیل تغییر پارامترهای کالیبراسیون در بازه زمانی بین پرواز کالیبراسیون و پرواز عکسبرداری اصلی، استفاده از تعداد حداقلی از نقاط کنترل ضروری میباشد). همچنین استفاده از GPS به تنهایی در حالت عکسبرداری بلوک مستلزم انجام عکسبرداری اضافی در راستای نوارهای متقاطع است که با تلفیق INS نیاز به انجام این عکسبرداری نیز مرتفع میگردد که نتیجه آن فارغ شدن اپراتور مثلثبندی از انجام عملیات مشکل انتقال نقاط بین نوارهای موازی و متقاطع (اصطلاحاﹰ (cross bugging و نیز سهولت بیشتر پرواز عکسبرداری است.
زمین مرجع کردن مستقیم با سیستم تلفیقی GPS/INS اهمیت فراوانی به خصوص در اسکنرهای رقومی چند طیفی و فراطیفی، سیستمهای اسکنر لیزری هوایی ALS٣ و سنجنده های رادار SLAR٤ دارد. این امر به خاطر آنست که به دلیل اعوجاجات زیادی که در دادههای خام تهیه شده توسط اسکنرهای رقومی، سنجنده های رادار و اسکنرهای لیزری هوایی وجود دارد، زمین مرجع کردن این داده ها با نقاط کنترل بدون داشتن اطلاعات مربوط به موقعیت و وضعیت دوربین در لحظه عکسبرداری عملی نیست .(Toth , 2002)
با توجه به اهمیت فراوان زمین مرجع کردن مستقیم با تلفیق GPS/INS در کاهش هزینه و زمان تهیه نقشه به روش فتوگرامتری و نیز در به کارگیری اسکنر های رقومی روی هواپیما و هلی کوپتر، این موضوع در سالهای اخیر توجه گسترده مراکز تحقیقاتی را به خود جلب نموده است (ر.ک. برای نمونه به.(Heipke et al., 2002 هدف این مقاله بررسی قابلیتها و مشکلات تلفیق GPS/INS در زمین مرجع کردن مستقیم تصاویر هوایی و اشاره به مهمترین ملاحظات عملی در به کار گیری این فنآوری در کشور است.
-2 اصول زمین مرجع کردن مستقیم
در زمین مرجع کردن مستقیم، پارامترهای مربوط به موقعیت دوربین در لحظه عکسبرداری توسط یک گیرنده GPS، و پارامترهای مربوط به وضعیت دوربین توسط یک INS مستقیماﹰ اندازهگیری میشوند. در این حالت بردار مختصات یک نقطه در سیستم مختصات نقشه،rim ، با استفاده از بردار مختصات عکسی آن نقطه،ric ، بصورت زیر قابل محاسبه خواهد بود (شکل ۱):
که در آن بردار مختصات مرکز INS در سیستم مختصات نقشه در زمان t است، ماتریس دوران سه بعدی است که سیستم مختصات قاب INS را موازی با سیستم مختصات نقشه می کند، Rcb ماتریس دوران سه بعدی است که سیستم مختصات دوربین را موازی با سیستم مختصات بدنه INS میکند، si ضریب مقیاس و نیز بردار acb فاصله بین مرکز پرسپکتیو دوربین و مرکز INSدر سیستم مختصات بدنه آن است.
در رابطه (۱) فاصله مرکز دوربین تا مرکز INS و نیز ماتریس دوران دوربین نسبت به INS مستقل از تصویر و زمان هستند و مقادیر آنها طی عملیات کالیبراسیون تعیین میشود. کالیبراسیون سیستم تلفیقیGPS/INS اصولاﹰ بر مبنای محاسبه پارامترهای توجیه خارجی دوربین با یک روش استاندارد مثلثبندی هوایی و مقایسه این پارامترها با پارامترهای اندازهگیری شده توسط سیستم تلفیقی GPS/INS میباشد. جزییات بیشتر در مورد کالیبراسیون و توجیه مستقیم سنجنده در (خوش الهام، 1386) آمده است.
-3 تلفیق GPS و INS برای توجیه مستقیم دوربین هوایی
اگر چه GPS در مقایسه با ناوبری اینرشیال فن آوری جدیدتری محسوب می شود، با اینحال استفاده از آن در فتوگرامتری هوایی قدمت بیشتری دارد. سیستمهای ناوبری اینرشیال در ابعاد کوچک، وزن کم و قیمت نسبتاﹰ ارزان فقط در سالهای اخیر فراگیر گشته و قابل استفاده بر روی سکوهای هوایی شدهاند. یک سیستم ناوبری اینرشیال دارای دو نوع سنجنده است:
• ﮊیروسکوﭖ٥، سنجندهای است که فاصله (دوران) زاویه ای یا سرعت زاویهای را اندازهگیری میکند.
• شتاب سنج، سنجندهای است که شتاب را در یک راستای مشخص اندازهگیری می کند.
با اندازهگیری شتاب و داشتن سرعت اولیه در یک نقطه، سرعت با محاسبه انتگرال شتاب در هر نقطه قابل محاسبه خواهد بود. به همین ترتیب، با داشتن موقعیت اولیه یک نقطه و محاسبه انتگرال سرعت، موقعیت هر نقطه به دست می آید. بعبارت دیگر ﮊیروسکوﭖ و شتاب سنج به ترتیب فاصله زاویهای و فاصله خطی را اندازهگیری میکنند. بنابراین ناوبری اینرشیال بر اساس دانستن یک موقعیت اولیه و اندازهگیری فاصله زاویه ای (تغییر وضعیت) و فاصله خطی (تغییر موقعیت) در هر لحظه استوار است.
یک سیستم ناوبری اینرشیال، INS، از یک واحد اندازهگیری اینرشیال یا ٦IMU، و یک واحد پردازنده تشکیل شده است. هر IMU دارای سه شتاب سنج و سه ﮊیروسکوﭖ است که در راستای سه محور عمود بر هم نصب شدهاند و شتاب و زاویه را در راستای سه محور اندازهگیری میکنند. واحد پردازنده کار محاسبه انتگرال و برآورد فاصله خطی را به عهده دارد. از نظر طراحی مکانیکی، IMU ها را میتوان به دو دسته اصلی Strapdown تقسیمبندی کرد. طرح Gimbaled IMU دارای قطعات متحرک مکانیکی پیچیده و ظریفی است. این نوع IMU ها غالباﹰ حجیم و گران قیمت هستند و در طی زمان فرسوده میشوند. از اینرو برای استفاده در فتوگرامتری هوایی معمولا طرح Strapdown IMU ترجیح داده میشود. از طرفی بر خلاف طرح Gimbaled که در آن ﮊیروسکوﭖها در عمل فقط زوایای دوران کوچک تا چند ده درجه را اندازه گیری می کنند، در طرح Strapdown ﮊیروسکوﭖها قادر به اندازه گیری زوایای دوران کامل (۰۶۳ درجه) میباشند. بطور کلی ﮊیروسکوﭖها اصلی ترین قسمت IMU هستند و برای ساخت آنها از فن آوری های مختلفی استفاده شده است.
1-3 انواع ژیروسکوپ ها
از نظر طراحی انواع مختلف ﮊیروسکوﭖ وجود دارد که مهمترین آنها عبارتند از:
ﮊیروسکوپهای طرح جرم چرخان٧. این طرح بر اساس استفاده از پدیده Precession است و بیشتر در Gimbaled IMU ها به کار می رود. بر اثر پدیده Precession اعمال تیلت به جرم چرخان موجب ایجاد یک چرخش دوم حول راستای عمود بر راستای تیلت می شود که با سنجش آن مقدار زاویه تیلت قابل اندازه گیری خواهد بود.
• ﮊیروسکوپهای نوری٨. در این طرح یک شعاع لیزر بین چند نقطه در یک فضای بسته گردش می کند. دوران این فضای بسته موجب تغییر در طول زمانی می شود که شعاع لیزر بین نقطه مبدا و نقطه مقصد حرکت می کند (پدیده (Sagnac که با اندازه گیری آن مقدار زاویه دوران نیز قابل اندازه گیری خواهد بود. دو نوع ﮊیروسکوپهای نوری وجود دارد. در نوع RLG ٩ شعاع لیزر توسط چند آینه هدایت می شود. در نوع FOG ١٠ از فیبرهای نوری برای هدایت شعاع لیزر استفاده میشود.
• ﮊیروسکوپهای ارتعاشی١١. این طرح بر اساس استفاده از پدیده کوریولیس است که بر اثر اعمال دوران به یک جسم در حال ارتعاش ایجاد می شود و موجب یک ارتعاش دوم در راستای عمود بر ارتعاش اول میگردد. با سنجش ارتعاش دوم نرخ دوران قابل محاسبه خواهد بود.
• ﮊیروسکوپهای گازی١٢. این ﮊیروسکوپها بر اساس اسپری کردن گاز در لولههای حرارت داده شده و اندازه گیری تغییر دمای لولهها که به خاطر دوران منبع گاز ایجاد می شود کار می کنند. این طرح در عمل دارای موارد استفاده محدودی است.
ﮊیروسکوپهای طرح جرم چرخان دارای دقت بالایی هستند ولی برای نصب روی هواپیما معمولا حجیم، سنگین و گران قیمت هستند و عمر مفید کوتاهتری نسبت به سایر طرحها دارند. ﮊیروسکوپهای DTG ١٣ که جزو دسته ﮊیروسکوپهای جرم چرخان به شمار می روند سبکتر و کوچکتر هستند ولی نیاز به مراقبت دائمی دارند.
ﮊیروسکوپهای نوری ارزانتر از ﮊیروسکوپهای طرح جرم چرخان هستند و در ابعاد کوچکتر و سبکتر مناسب Strapdown IMU ها ساخته میشوند. اگر چه در این طرح نیز به مرور زمان منبع لیزر و فیبرهای نوری فرسوده شده و از کارآیی آنها کاسته می شود، ولی در فتوگرامتری هوایی ﮊیروسکوﭖهای نوری بیشتر از سایر طرحها مورد استفاده قرار گرفتهاند. ﮊیروسکوپهای ارتعاشی ارزان، سبک و دارای ابعاد کوچک هستند ولی غالبا به ارتعاشات خارجی حساس هستند. از اینرو بیشتر در کاربرد های فضایی از آنها استفاده می شود؛ اگر چه برای کاربردهای غیر فضایی نیز تدابیری برای کاهش حساسیت به لرزش در برخی از آخرین انواع ﮊیروسکوپهای ارتعاشی به کار گرفته شده است.
به دلیل اهمیت دقت پارامترهای دورانی در فتوگرامتری معمولا از ﮊیروسکوﭖهایی با نرخ خطای دریفت بین 0.002 تا 0.01 درجه در ساعت که به ﮊیروسکوﭖ های ناوبری١٤ موسوم هستند استفاده می شود. ﮊیروسکوﭖهای دقیقتر (موسوم به استراتژیک١٥) بسیار گرانقیمت هستند و در کاربرد های نظامی مانند ناوبری موشک مورد استفاده قرار میگیرند. ﮊیروسکوﭖهای با دقت کمتر که ارزانتر نیز هستند در mobile mapping و زمین مرجع کردن تصاویر زمینی استفاده
