CC BY
50
УДК 621.396.96
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ИЛЛЮСТРАЦИЯ ВОЗМОЖНОСТЕЙ МИКРОВОЛНОВОЙ РАДИОМЕТРИИ ДЛЯ НАВИГАЦИИ ВОЗДУШНЫХ СУДОВ ПО НАЗЕМНЫМ ОРИЕНТИРАМ
А.В. СТАРЫХ, А.И. КОЗЛОВ, Г.Н. ЖИЛИНСКАЯ, А.Ю. ШАТРАКОВ
Приводятся результаты анализа экспериментальных измерений микроволнового излучения некоторых видов земной поверхности.
Ключевые слова: микроволновая радиометрия, навигация, экспериментальные результаты.
Несмотря на широкие исследования особенностей радиотеплового излучения для разработки методов интерпретации спектральных и поляризационных измерений покровов суши и морской поверхности, эти вопросы, как правило, рассматривались применительно к отдельным элементам разрешения, а экспериментальные результаты в силу особенностей их получения (со спутников, с борта летательных аппаратов и т.д.) не позволяют осуществлять привязку радиометрических данных ко всему объектовому составу.
Ниже на основании имеющихся у авторов работы экспериментальных данных, в свое время любезно предоставленных нам ныне, к нашему огромному сожалению, покойным профессором, доктором технических наук Орловым Олегом Евгеньевичем, эти данные были получены при пролётах вертолёта в зоне хвойно-мелколиственной лесостепи, пересечённой и холмистой местности при помощи радиометра, имеющего приведённую к постоянной времени 1 с флуктуационную чувствительность, равную 0,12 К, ширина диаграммы направленности антенны по уровню 3 дБ равнялась 5,5°, а рабочая длина волны - 0,8 см. Измерения проводились на горизонтальной и вертикальной поляризации под углами наблюдения от 0 до 30 градусов.
Ниже рассматриваются радиотепловые профили, полученные при полётах примерно по одному и тому же маршруту. Высота полёта составляла 200 м, что соответствовало линейному разрешению на местности АЬ примерно 20 м при зондировании в надир и 25 м - при зондировании под углом 30°. Условия, при которых получены профили эффективных температур, были достаточно разнообразны. Так длина маршрутов варьировалась в пределах 6-12 км, атмосферное давление, влажность и облачность во время измерений, которые проводились в феврале и марте 2002 - 2003 гг., менялись слабо и имели значения соответственно 730-740 мм рт. ст. и 7075%. При полётах по трассе в зимних условиях снежный покров в 2002 году имел толщину примерно 10 - 15 см, а в 2003 году -30 - 40 см. Одновременно с регистрацией интенсивности радиотеплового излучения проводилась аэрофотосъёмка трассы полёта, что позволило осуществить привязку полученных радиометрических данных к конкретным типам земных покровов. В качестве относительно однородных объектов при дешифрировании аэрофотоснимков выделялись лишь крупные, протяжённые участки земной поверхности Объектовый состав был аналогичен наименованиям объектов, которые отражаются на крупномасштабных топографических картах и картах использования сельскохозяйственных угодий.
Привязка радиотепловых профилей к аэрофотоснимкам позволила выделить 38 классов протяжённых объектов, среди которых: смешанный лес, лиственный лес, заросли кустов, редколесье, сенокос, поле с редкой растительностью (возможна засорённость камнями), луг, пашня, огороды с отдельными деревьями и кустами, болото и т.д. и т.п. Анализ полученных экспериментальных данных с позиций оценки средних и средних квадратичных значений радиоярко-стных температур, их максимальных и минимальных значений для каждого из рассмотренных классов объектов проводился в рамках следующих моделей. В первой из них принималось, что для каждого /-го участка значения эффективной температуры Т принимались постоянными и равными среднему значению Т, полученному для реального профиля. В отдельных случаях ис-
пользовалась линейная аппроксимация температур между соседними участками, а протяжённость границы элементарной площадки выбиралась равной от одного до трёх размеров «антенных пятен» в зависимости от её естественной размытости и условности и геометрических условий наблюдения при полёте. Вторая модель получалась путём усреднения значений температуры по однотипным объектам.
В последующих моделях проводилось дальнейшее сокращение общего числа градаций эталонных профилей температуры путём объединения объектов различных типов в одну группу, исходя из степени близости значений радиояркостной температуры. Число градаций доводилось для каждого маршрута до определённого минимума, когда дальнейшее уменьшение их числа приводило к заметному изменению значения радиуса взаимной корреляции реального и модельного профилей эффективных температур, а также уменьшению их коэффициента корреляции.
Проведенный анализ экспериментальных данных позволил сделать достаточно общих выводов, дающих возможность говорить о наличии некоторых закономерностей.
Обращает на себя внимание тот факт, что при зондировании поверхностей под достаточно большими углами наблюдения на вертикальной поляризации в целом радиотепловые контрасты между протяжёнными объектами земных покровов меньше, чем в случае наблюдения в надир или под теми же углами на горизонтальной поляризации. Поэтому в навигационных системах предпочтительнее использовать последние два способа. Наибольшие радиотепловые контрасты наблюдаются при измерениях под углом на горизонтальной поляризации, однако недостатками данного способа по сравнению с надирными измерениями являются повышенная чувствительность сигнала радиометрического датчика к случайным флуктуациям угла наблюдения и худшее линейное разрешение АЬ при прочих одинаковых условиях.
Заслуживает внимание то, что радиотепловые поля ландшафтных зон с развитой географической сетью обладают потенциально высокой информативностью. На трассах, где достаточно велик удельный вес открытых водоёмов, можно ограничиться двумя классами - суша, вода, что значительно облегчает задачу синтеза эталонных карт и построения навигационных систем.
Напротив, на трассах без открытых водоёмов, когда по результатам дешифрирования аэрофотоснимков удаётся выделить большое количество различных объектов (порядка 10 и более), возможно значительное сокращение числа градаций эффективной температуры без существенного ограничения точности навигационной привязки. В этом случае достаточно ограничиться 46 градациями и даже менее, если общее число классов объектов на трассе невелико. Минимально необходимое число градаций для конкретной трассы целесообразно устанавливать, исходя из следующих сведений: требуемой точности и надёжности навигационной привязки; объектового состава и его структуры вдоль предполагаемой трассы; сезонных изменений и метеоусловий; данных наземных наблюдений и измерений (толщина снежного покрова, влажность и т.д.).
Нельзя не отметить, что навигационные характеристики осенних профилей 2003 года оказались заметно ухудшенными по сравнению с аналогичными характеристиками осенней трассы за предыдущий год. Это, по-видимому, обусловлено, во-первых, тем, что накануне измерений прошли интенсивные осадки, которые привели к возрастанию неоднородности увлажнения почвы, вплоть до появления множества участков открытой воды. Во-вторых, ввиду увядания растительности в конце сентября появилось больше неоднородностей радиотеплового поля внутри растительных сообществ (более всего это относится к болотной растительности).
В целом для района проведения экспериментов можно отметить следующие особенности, вызывающие ухудшение навигационных характеристик радиотеплового поля: а) холмистость и пересечённость местности; б) наличие занимающих значительную площадь существенно неоднородных объектов, таких как болота и заболоченности (15-20% от общей длины трассы).
В случае равнинных, слабопересечённых местностей с относительно невысоким содержанием заболоченных участков и болот соотношение сигнал/шум более высокое (около двух и более, т.е. в зоне нормального навигационного поля). Таким образом, результаты экспериментальных исследований показали, что с помощью радиотепловых полей, возможно, выполнить требования по навигации воздушных судов в рамках ТНХ 12,6 и ТНХ 20.
Пожалуй, один из наиболее значимых выводов, вытекающих из анализа экспериментальных данных, состоит в доказательстве возможности определения определенных классов подстилающих покровов по результатам радиометрических измерений, что является следствием достаточно узких плотностей распределения вероятностей радиояркостных температур для некоторых, что достаточно наглядно видно из рис. 1-3, где приведены названные ПРВ для ряда разнообразных типов покровов.
Рис. 1. Плотности распределения вероятностей радиояркостных температур в диапазоне 265°-285°К для некоторых типов земных покровов
9. Заболоченный участок с травой и отдельными блюдцами воды;
10. Небольшие участки поля между лесами с низкой с/х культурой;
11. Поле со снегозадержанием.
Рис. 2. Плотности распределения вероятностей радиояркостных температур в диапазоне 245°-265°К для некоторых типов земных покровов
Т°К
242 240 238 236 234 232 230 228 226 224
Рис. 3. Плотности распределения вероятностей радиояркостных температур в диапазоне 225°-2645°К для некоторых типов земных покровов
THE EXPERIMENTAL ILLUSTRATION OF THE POSSIBILITIES MICROWAVE RADIOMETRY FOR NAVIGATION AIR ON OVERLAND LANDMARK
Starych A.V., Kozlov A.I., Zhilinska G.N., Shatrakov A.J.
Given to the results of the analysis of the experimental measurements of the microwave radiation some type to terrestrial surface.
Key words: microwave radiometry, navigation, experimental results.
Сведения об авторах
Старых Александр Васильевич, 1957 г.р., окончил МИИГА (1985), доктор технических наук, профессор кафедры технической эксплуатации радиоэлектронных систем воздушного транспорта МГТУ ГА, автор более 50 научных работ, область научных интересов - радиолокация, радионавигация, радиополяриметрия.
Козлов Анатолий Иванович, 1939 г.р., окончил МФТИ (1962), профессор, доктор физикоматематических наук, Соросовский профессор, заслуженный деятель науки и техники РФ, академик Академии транспорта РФ и Международной академии информатизации, советник ректора МГТУ ГА по общим вопросам, автор более 300 научных работ, область научных интересов - радиофизика, радиополяриметрия, радиолокация.
Жилинская Г алина Николаевна, окончила Рижский Краснознаменный институт инженеров гражданской авиации (1976), кандидат технических наук, преподаватель Рижского института телекоммуникаций, автор более 25 научных работ, область научных интересов - микроволновая радиометрия, дистанционное зондирование окружающей среды.
Шатраков Артем Юрьевич, 1972 г.р., окончил Академию ФСБ (1997), заместитель начальника Управления ОАО «Концерн ПВО «Алмаз-Антей», доктор экономических наук, профессор, автор более 200 научных работ, область научных интересов - создание бортовой интегрированной аппаратуры.
