CC BY
108
2008
НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА серия Радиофизика и радиотехника
№ 133
УДК 621.396
ИНФОРМАЦИОННОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ РАДИОТЕПЛОВЫХ
СИСТЕМ НАВИГАЦИИ
Ю.А. ИЛЬИН, В.И. ТРОИЦКИЙ
Рассмотрены особенности методов создания цифровых карт местности в микроволновом диапазоне, основанные на использовании априорной информации. Использование таких карт расширяет возможности интерпретации данных, получаемых при дистанционном зондировании земной поверхности, а также дает возможность создавать эталонные изображения в корреляционно-экстремальных систем ах навигации.
Непрерывное повышение плотности воздушного движения, дальнейшее освоение околоземного космического пространства, полеты межпланетных станций, необходимость совершенствования авиационной техники, рост требований к безопасности полетов - все это предъявляет к современным средствам навигационных летательных аппаратов (ЛА) требования высокой точности, надежности, помехозащищенности, автономности и полной автоматизации.
Наиболее распространенным методом навигации, реализуемым в автономных системах, является метод счисления пути. При построении автономных навигационных комплексов ЛА в качестве основы, как правило, применяются инерциальные навигационные системы [1], которые в целом удовлетворяют указанным выше требованиям, но имеют один принципиальный недостаток: двойное интегрирование ускорений приводит к нарастанию погрешности местооп-ределения ЛА с увеличением продолжительности полета. Эта погрешность в ряде случаев может превышать допустимые пределы. Возникает необходимость осуществления автоматической корректировки измерений инерциальной навигационной системы либо на протяжении всего полета, либо на определенных, заранее выбранных участках коррекции.
В течение последних десятилетий интенсивно развивалась теория и практика автономных систем, реализующий другой метод навигации - обзорно-сравнительный [2]. В таких системах оценка степени сходства сравниваемых текущего и эталонного изображений осуществляется с помощью функционалов, в той или иной степени отражающих корреляционную связь между этими изображениями. В случае совпадений изображений функционал принимает экстремальное значение. Системы, в основе которых лежит описанный подход, в литературе подучили название корреляционно-экстремальных навигационных систем (КЭНС).
Современные КЭНС представляют собой весьма широкий и перспективный класс систем навигации ЛА. В качестве источников, несущих сведения о местоположении объекта навигации, используются разнообразные геофизические поля, которые подразделяются на пространственные (геомагнитные, гравитационные) и поверхностные (рельефа, радиолокационного контраста, радиотепловое, инфракрасное, оптическое).
Подробные классификации КЭНС, анализ их достоинств и недостатков при решении конкретных навигационных задач приведены в работе [2].
В системах, работающих по поверхностным геофизическим полям, априорная информация хранится в блоке памяти КЭНС в виде детальной цифровой карты местности. В дальнейшем такие системы будем называть картосличительными системами навигации (КЭСН). Следует отметить, что такие КЭСН используются, как правило, в комплексе с грубой навигационной системой, работающей по методу счисления пути: инерциальной, курсодоплеровской, курсовоздушной. Поскольку коррекция грубой системы осуществляется на относительно небольших участках местности, то в результате значительно снижаются требования к объему памяти бортовой ЭВМ и упрощаются алгоритмы работы КЭСН.
За последние десятилетия с появлением новых полупроводниковых технологий достигнуты значительные успехи в микроминиатюризации СВЧ узлов. Созданы малогабаритные, легкие, с хорошими эксплуатационными характеристиками радиотехнические приборы, работающие в сантиметровом и атмосферных окнах прозрачности миллиметрового диапазона длин волн. Указанная область длин волн является оптимальной в смысле получения изображений поверхностных полей (рельефа, радиотеплового, радиолокационного контраста) с достаточно высоким линейным разрешением на местности (от единиц до десятков метров) при относительно слабой зависимости от метеоусловий и времени суток по сравнению с инфракрасным и оптическими диапазонами. Поэтому радиотехнические КЭСН (рельефометрические, радиолокационные, радиометрические) являются наиболее перспективными средствами навигации.
Основная трудность, возникающая при реализации КЭСН, заключается в создании эталонных цифровых карт местности [3-5]. Достоинствами поля рельефа как навигационного являются высокая стабильность (а значит и высокий потенциальный уровень предсказуемости), а также хорошая изученность и картографическая обеспеченность. По этим причинам рельефометрические КЭСН получили наибольшее распространение. Однако при полетах ЛА над равнинными местностями со слабо выраженным рельефом (например в районе аэропорта - в условиях плохой видимости) применение рельефометрических КЭСН оказалось малоэффективным. В этом случае целесообразно применять датчики радиотепловых либо радиолокационных контрастов земных покровов [5]. Для обеспечения эффективной работы КЭСН над любыми территориями предлагался вариант комплексного использования рельефометрических и радиометрических датчиков [5]. Кроме того, рассматривались варианты использования многорежимных устройств, сочетающих в себе радиометрический и радиолокационный датчики. Отмечалось, что такое техническое решение позволит повысить качество получаемых изображений местности.
В настоящее время разработка и внедрение радиометрических и радиолокационных КЭСН сдерживаются из-за недостаточной изученности соответствующих полей (особенно их навигационных свойств), а также недостаточной отработки процесса получения эталонных карт местности, отсутствия эффективных алгоритмов и моделей, необходимых при синтезе эталонных карт. Поэтому выбор конкретного типа КЭСН (радиометрической или радиолокационной) определяется в основном возможностями создания надежной и подробной эталонной карты для заданного района. Радиометрические КЭСН обеспечивают хорошую скрытность из-за пассивного принципа работы.
При построении радиотепловых КЭСН особое внимание уделяется формированию эталонной информации, используемой для уточнения местоположения летательного аппарата, и разработке алгоритмов, по которым сопоставляются ТИ и ЭИ и определяются истинные координаты летательного аппарата.
Эти задачи являются составной частью общей проблемы информационного обеспечения радиотепловых КЭСН, под которой мы понимаем круг вопросов, связанных с разработкой методов формирования радиотепловых ЭИ, методов получения, хранения, накопления, преобразования, использования совокупности данных о местности, необходимых для создания ЭИ по заданным маршрутам полета ЛА, методов оценки информативности местности и выбора районов коррекции и др. Важным элементом проблемы информационного обеспечения является также разработка комплекса технических средств с ППО для решения перечисленных задач.
При разработке корреляционно-экстремальных систем, использующих изображения местности, формируемые оптической, ИК- и радиолокационной аппаратурой, исходная информация может быть получена в результате предварительной съемки из космоса интересующих районов соответственно оптической, ИК и радиолокационной аппаратурой с синтезированной апертурой (РСА). Получение подобных изображений радиометрической аппаратурой с космических орбит для построения теплового ЭИ пока не представляется возможным (радиометр 3-х мм диапазона с раскрывом антенны около 10 м формирует с высоты 200 км изображение поверхности размером элемента разрешения примерно 60 м).
Поскольку для формирования радиотеплового ЭИ, как правило, невозможно непосредственное использование данных, получаемых радиометрической аппаратурой, при проведении исследований радиотепловых КЭСН нами велась разработка методики создания ЭИ, основанной на формировании радиотепловых изображений местности применительно к условиям наблюдения с заданных участков траектории полета ЛА с использованием различного рода априорной информации (топографических и специальных карт участков коррекции, их изображений в тепловом, ИК и РЛ диапазонах) [4-6].
Такой метод построения ЭИ получил название метода синтеза ЭИ [4, 5].
Невозможность использования радиотеплового поля непосредственно в задачах формирования ЭИ (за некоторыми исключениями) выделяет задачу создания радиотепловых ЭИ из ряда аналогичных задач построения ЭИ для КЭСН, использующих иные физические поля, сообщает ей ряд специфических свойств и требует поиска принципиально новых путей ее решения.
Ниже рассмотрены особенности методов создания ЭИ для радиотепловых КЭСН, основанных на использовании априорной информации и характеристик радиотеплового поля, позволяющих получить достаточно информативное изображение земной поверхности с использованием признаков, наиболее устойчивых к воздействию погодных временных, а возможно, и сезонных условий (инвариантов радиотеплового поля).
В ряде случаев, как показали исследования, более информативными и устойчивыми оказываются комбинации нескольких информативных признаков радиотеплового поля. Возможность оперировать с такими комбинациями признаков в КЭСН появляется благодаря использованию векторного представления признаков радиотепловых полей.
Подходы, используемые при построении ЭИ для компонент векторных радиотепловых полей, аналогичны рассматриваемым ниже методам построения ЭИ для скалярных полей.
Проблемы создания (синтеза) радиотепловых эталонных изображений при такой постановке сводятся к следующим:
1. Определение требований к ЭИ применительно к конкретной КЭСН размер ЭИ, число элементов в нем, количество градаций и т. д. В болеее широкой постановке эта задача включает в себя выбор маршрута полета, определение числа и расположения по трассе участков коррекции, выбор информативных параметров и др., рассмотренных в данной работе.
2. Отработка методов использования топогеодезической информации и материалов специальной космической съемки (КС) для формирования основы ЭИ, под которой понимается изображение в плановой коррекции контуров площадных и линейных объектов, содержащихся в радиотепловом ЭИ.
Исследования показали, что в ряде случаев отдельно используемая топогеодезическая информация (как и материалы КС) не обеспечивает требуемой точности в задании границ элементов ОС, кроме того, необходимо учитывать, что картографическая информация достаточно быстро устаревает. В связи с этим большой практический интерес представляет разработка методов совместного использования материала КС и топографических (специальных) карт для улучшения точностных характеристик синтезируемых ЭИ и обновлении информации, содержащихся в ЭИ.
Возможности использования топогеодезической информации связаны с решением таких задач, как:
- обоснование требований к составу, объемам и качеству исходной топогеодезической информации;
- оценка точности воспроизведения планового положения контуров взаимного положения объектов по картографической информации.
Использование материалов КС при синтезе ЭИ предполагает решение таких задач, как:
- выбор наиболее информативных видов КС и зон спектра;
- исследование устойчивости элементов ОС на космических снимках в различных сезонных условиях (в зависимости от физико-географических факторов), классификацию объектов
местности на них по показателю устойчивости, выявление наиболее существенных физикогеографических факторов, влияющих на устойчивость изображений;
- оценку точности воспроизведение планового положения контуров и взаимного положения объектов по КС;
- автоматизацию процессов дешифрирования материалов КС для определения границ однородных элементов ОС (анализ текстур, автоматизированное выделение контуров, выявление оптимального объема дешифрируемой информации);
- исследование взаимосвязи различных изображений, получаемых оптической, ИК, радиолокационной и радиотепловой аппаратурой для определения по оптическим, ИК и радиолокационным изображениям элементов ОС, присущих радиотепловым изображениям.
3. Разработка автоматизированных методов построения цифровых карт объектового состава (ЦКОС) и цифровых карт рельефа местности (ЦКРМ) по топографическим и специальным картам, а также создание ЦКОС по материалам КС. При этом необходимо обоснование выбора оптимального шага при создании цифровых карт местности (ЦКМ), а также требуемой точности воспроизведения контуров и взаимного положения элементов ОС.
4. Разработка методов автоматизированного трансформирования текущих изображений, имеющих геометрическую структуру, обусловленную конкретными параметрами радиометрического датчика, в плановые проекции ЭИ. Проведенные исследования показали, что первоначальные изображения о необходимости трансформирования эталонных участков местности из системы координат ЭИ в систему координат ТИ не достаточно обоснованы. Во-первых, неопределенность положения ЛА в районе коррекции приведет к искажениям трансформированного ЭИ, обусловленным неопределенностью положения системы координат ТИ, величину и влияние которых необходимо оценить, а во-вторых, проведение дополнительных вычислений на борту, связанных с трансформированием изображений, в ближайшем будущем не будет вызывать особых проблем в связи с быстрым ростом вычислительных возможностей БЦВМ.
5. Создание банков экспериментальных данных по характеристикам излучения земных покровов в различных сезонных и погодных условиях с учетом влияния атмосферы, формирование каталогов информативных признаков радиотеплового излучения, разработка методов информационного заполнения основы ЭИ с использованием разработанной методики прогнозирования характеристик излучения и создания радиотепловых аналогов топокарт.
6. Разработка алгоритмов определения местоположения ЛА, оптимизация объема вычислений.
7. Разработка методов оценки информативности местности и методов выбора районов коррекции.
8. Автоматизация процессов синтеза радиотепловых ЭИ и создание для синтеза ЭИ комплектов технических средств.
Рассмотрим кратко разработанные методы синтеза ЭИ.
Исследования вопросов синтеза радиотепловых ЭИ для КЭСН показывает, что ЭИ должны формироваться для конкретных систем с учетом конкретных условий их использования. При этом необходимо определить размер синтезируемого участка местности, число элементов эталонной матрицы, точность синтезирования элементов земных покровов, время подготовки ЭИ, информационную емкость синтезируемого изображения.
В соответствии с изложенным сформулируем требования к синтезированным ЭИ:
- проекции ТИ и ЭИ должны соответствовать друг другу;
- выбранный шаг дискретизации, связанный с размером и числом элементов ЭИ, должен обеспечивать необходимую точность совмещения;
- размеры ЭИ должны быть выбраны с учетом ошибок выведения ЛА в зону коррекции.
ЛИТЕРАТУРА
1. Белоглазов И.Н., Джандгава Г.И., Чичин Г.П. Основы навигации по геофизическим полям. - М.: Наука,
1985.
2. Боклицкий В.К., Юрьев А.Н. Корреляционно - экстремальные методы навигации. - М.: Радиосвязь, 1982.
3. Выставкин А.Н., Кутуза Б.Г. Синтез изображений геофизических полей по трассовым СВЧ радиометрическим спутниковым изображениям // Исследование Земли из космоса, №4, 1989.
4. Логвин А.И., Троицкий В.И. Синтез радиолокационного изображения местности по топографическим картам и материалам аэрокосмической съемки // Совершенствование радиолокационных систем гражданской авиации и процессов их технической эксплуатации. - М.: МИИГА, 1995.
5. Троицкий В.И., Шестопалов Ю.К., Подковко Н.Ф. Радиотепловые карты местности, используемые в корреляционно-экстремальных навигационных системах вопросы радиоэлектроники // Общие вопросы радиоэлектроники, №10, 1992.
6. Maslovsky E., Troitsky V., Shestopalov Yu. Joint use of spektrozonal and radiothermal images of microwave range in problems of interpretation of aerospace survey results. Internat. Archives of Photogrammetry and Remote Sensing, 1990, vol. 22, part 2.
INFORMATION SUPPORT OF THERMAL NAVIGATION SYSTEMS
Iljin Yu.A., Troitsky V.I.
In paper there are considered the properties of generation of data field in microwave band that based on prior information use. The application of these fields extends the possibilities of data interpretation which are given at remote sensing of earth surface and also gives possibility to generate the reference image in extreme-correlated navigation systems.
Сведения об авторах
Ильин Юрий Александрович, 1937 г.р., окончил МФТИ (1965), доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой физики Московского государственного университета геодезии и картографии, автор более 100 научных работ, область научных интересов - геолокация, дистанционное определение параметров подстилающей поверхности, процессов взаимодействия водной поверхности и атмосферы.
Троицкий Владимир Иванович, 1942 г.р., окончил МФТИ (1965), доктор технических наук, профессор кафедры физики Московского государственного университета геодезии и картографии, автор более 150 научных работ, область научных интересов - теория антенн (синтез антенн, фазированных антенных решеток), оптических систем, лазерная локация, волоконно-оптическая связь, исследование радиотеплового излучения земных покровов в СВЧ диапазоне и его использование в прикладных задачах.
