CC BY
192
Каршаков Евгений Владимирович
Институт проблем управления (ИПУ РАН). E-mail: [email protected].
117997, г. Москва, ул. Профсоюзная, 65.
Тел.: 84953347168."
Павлов Борис Викторович
E-mail: [email protected].
.: 84953349351.
Karshakov Evgeny Vladimirovich
Institute of Control Sciences (ICS RAS).
E-mail: [email protected].
65, Profsoyuznaya street, 117997, Moscow, Russia. Phone: 84953347168.
Pavlov Boris Viktorovich
E-mail: [email protected].
Phone: 84953349351.
УДК 550.837.6
АЖ. Волковицкий
ИЗМЕРЕНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ ДЛЯ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЕМ И НАВИГАЦИИ
Доклад посвящен задачам измерения физических попей и их навигационным приложениям. В докладе представлены результаты, достигнутые при разработке систем измерения физических полей. Дается обзор возможных приложений в задачах навигации и управ. . Навигация; магнитометрия; магнито-градиентометрия; электромагнитные сис-.
A.K. Volkovitskiy
PHYSICAL FIELDS MEASUREMENTS IN MOTION CONTROL AND NAVIGATION TASKS
The report is dedicated to the physical fields measurements and their applications in navigation tasks. The results achieved during physical fields measurement systems development are presented. A review of possible navigation and motion control applications is given. Examples of geophysical systems data processing are also provided.
Navigation; magnetometry; magnetic gradientometry; electromagnetics.
.
связаны с измерением параметров физических полей. Направление силы тяжести служит основой работы инерциальных систем, отклонение магнитной стрелки компаса использовалось для целей навигации с древнейших времен.
Многие разработчики стараются использовать данные гравитационных и магнитных измерений для повышения точности длительной автономной навига-. ,
качестве априорной информации для корреляционно-экстремальных систем позиционной и ориентационной коррекции [1].
Измерение параметров физических полей играют важнейшую роль при решении задач пеленгации и наведения. Магнитная пеленгация и наведение - важ-
нейшая научно-техническая задача, решение которой все еще нельзя считать полным и окончательным.
, -
мерений физических полей Земли в последние десятилетия связано, главным образом с технологическим прогрессом в области геофизических, и в частности, аэ-
.
Последнее десятилетие ознаменовалось широким внедрением техники и методики аэрогравиметрической съемки в арсенал методов геологического картирования. Значительно выросло качество картирования аномалий магнитного поля, активно внедряются средства измерения магнитного и гравитационного градиента.
Эффективное использование новейших достижений современной геофизики в части технологии измерения параметров физических полей позволит существенно расширить возможности современных систем автономной навигации, средств пеленгации и наведения.
. , геофизических исследованиях обладают очень высокой чувствительностью, точностью и быстродействием. К примеру, квантовый скалярный магнитометр ГТ-МВС имеет чувствительность 0,2 пТлТц-1/2 в полосе от 0 до 1 000 измерений в .
измерений магнитного поля могут быть эффективно использованы для систем обнаружения и пеленгации быстродвижущихся объектов, равно как и систем пеленгации и наведения, устанавливаемых на быстродвижущихся объектах.
При использовании магнитных датчиков в составе любого комплекса весьма актуальной является задача компенсации влияния магнитных свойств аппарата-носителя на результаты магнитных измерений. При производстве аэромагнитной съемки эта задача неоднократно решалась различными способами, совершенствовались математические методы, много внимания уделялось оценке адекватности и точности полученного решения.
Использование высокоточной магнитной компенсации позволяет существенно упростить технологию высокоточной аэромагнитной съемки. В частности, для устранения магнитного влияния самолета-носителя обычно датчик приходилось буксировать за ним на удалении 40 - 50 м. Учитывать необходимость выполнения полетов с обтеканием рельефа на предельно малых высотах, такое решение оказывается связанным не только с высокой технической сложностью, но и с серьезным .
необходимые точности при жестком креплении датчика магнитометра к конструкциям самолета. На рис. 1 показан вариант жесткого крепления датчика магнитометра к конструкциям самолета Ан-2.
Рис. 1. Установка датчика магнитометра на борту самолета Ан-2
Научные результаты по данному направлению [2, 3] могут быть использованы в системах высокоточных магнитных измерений, устанавливаемых на любых подвижных и неподвижных объектах, в том числе на автономных подводных роботах. На рис. 2 показаны результаты магнитной компенсации - карты магнитного поля, полученные в двух вариантах: с буксировкой на расстоянии 40 м от самолета и с жестким креплением датчика.
Рис. 2. Результат использования методов магнитной компенсации
Магнито-градиентные измерения. Важной особенностью магнитного поля Земли является его вариационная изменчивость. Естественные вариации магнитного поля существенно ограничивают возможность использования его моделей в качестве априорной информации.
Еще на ранних этапах выполнения магнитных съемок в геофизических исследованиях применялись методы синхронных магнито-градиентных измерений, позволяющие существенно снизить влияние вариаций при построении карт маг. -вости в существенно меньшей степени.
В настоящее время при геофизическом картировании достаточно распро-- - , -ряющие градиент скалярной величины - модуля вектора индукции магнитного поля. На рис. 3. приведены примеры таких систем.
Исследование проблем геофизического картирования выявило особенности таких измерительных систем, а также свойства самого измеряемого параметра. В числе прочего показано, что векторный магнито-градиентометр можно в некотором смысле считать магнитным пеленгатором. Направление вектора градиента лишь незначительно отклоняется от направления на возмущающий магнитный объект. Ошибка направления не превышает 14°. Отметим, что направление векто-
ра индукции целиком определяется ориентацией дипольного момента магнитного , .
Измерительные возможности векторных магнито-градиентометров уже используются при решении ряда задач, связанных с обнаружением локальных на, , -рвавшихся боеприпасов. Очевидно, что полученные достижения векторной маг-нито-градиентометрии могут быть использованы для решения задач обнаружения, пеленгации и наведения.
Рис. 3. Горизонтальный и пространственный векторные магнито-градиентометры
Одной из важных особенностей глобального магнитного поля Земли является его "дипольный" характер. Это означает, что вектор градиента магнитного поля в отсутствие магнитных возмущающих тел имеет преимущественно вертикальное направление, незначительно изменяющееся в зависимости от широты. Это свойство представляется весьма важным, поскольку может служить основой для систем негравитационного представления вертикали.
Еще большей привлекательностью для решения задач пеленгации и наведения обладает тензорный магнито-градиентометр, измеряющий компоненты тензора вектора индукции магнитного поля. Такой магнито-градиентометр позволяет не только строго определить направление на магнитный объект, но и направление его дипольного момента.
,
еще недостаточно точны и стабильны для использования в составе тензорного магнито-градиентометра, однако анализ тенденций развития показывает, что создание таких приборов возможно, а, следовательно, изучение и моделирование методов тензорных магнито-градиентных измерений важно для развития высокоточных систем обнаружения, пеленгации и наведения.
Электромагнитные методы относительной навигации. При современных аэрогеофизических исследованиях широко применяются электромагнитные системы зондирования земных недр. Сложная, пространственно распределенная система электромагнитного зондирования нуждается в точном мониторинге пространственного расположения передатчика и приемника низкочастотного переменного магнитного поля.
В ходе исследований были получены очень важные результаты [4]. Во, , -ника и передатчика не обязательно использовать спутниковые навигационные , - , -раметры угловой ориентации чувствительных осей трехкомпонентного приемника
по отношению к передающим рамкам. На рис. 4 приведен пример реального определения параметров взаимной геометрии в системе передатчик-приемник (с индексом EM) в сравнении с данными дифференциального режима спутниковой навигации (с индексом GPS) и с данными, полученными методом, предложенным Ричардом Смитом [5] (с индексом Sm). Расстояние между передатчиком и приемником - R, уголы смещения в вертикальной плоскости 0, и в горизонтальной у.
м /Ч
Рис. 4. Определение взаимной пространственной ориентации передатчика и приемника низкочастотной электромагнитной системы
Результаты этих исследований могут быть применены для решения задач навигации подвижных объектов в зоне действия ближнего привода. Техническая простота системы и высокая точность определения расстояний и углов могут быть использованы, например, для системы автоматической посадки беспилотного вертолета.
Заключение. Обобщая все вышеизло женное следует сказать, что в арсенале современной геофизики нашли свое место технические средства и методы, позволяющие существенно усилить возможности систем управления, основанные на измерении параметров физических полей. К сожалению, публикация результатов
, ,
программно-аппаратного комплекса и самой технологии высокоточных измере-.
их применительно к задачам длительной автономной навигации, позиционной и угловой коррекции по естественным полям, задачам, специфическим для корреляционно-экстремальных систем, задачам обнаружения, пеленгации и наведения.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Пешехонов ВТ. Навигационные системы // Вестник Российской академии наук. - 1997.
- № 1 (67). - С. 43-48.
2. Волковицкий АЖ., Каршаков ЕМ., Харткин М.В. Система аэромагнитной съемки аномалий магнитного поля // Датчики и системы. - 2007. - № 8. - С. 17-21.
3. Каршаков ЕМ., Харткин М.В. Стохастическая задача оценивания при компенсации
// . - 2008. - 7. - . 68-77.
4. . ., . ., . .
// 16-
интегрированным навигационным системам, СПб., 2009. - С. 236-243.
5. Smith R.S. Tracking the transmitting-receiving offset in fixed-wing transient EM systems: methodology and aplication // Exploration Geophysics. - 2001. - № 32. - P. 014-019.
Волковицкий Андрей Кириллович
( ).
E-mail: [email protected].
117997, г. Москва, ул. Профсоюзная, 65.
Тел.: 84953347168.'
Volkovitskiy Andrey Kirillovich
Institute of Control Sciences (ICS RAS).
E-mail: [email protected].
65, Profsoyuznaya street, Moscow, 117997, Russia. Phone: 84953347168.
УДК 681.3.01
. . , . .
АЛГОРИТМЫ ФРАГМЕНТАЦИИ ЦВЕТНЫХ ФОТОСНИМКОВ ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ РАЗНОСЕЗОННЫХ ЭТАЛОННЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ ОПТИЧЕСКИХ КОРРЕЛЯЦИОННО-ЭКСТРЕМАЛЬНЫХ СИСТЕМ
НАВИГАЦИИ ЛА
В работе рассматриваются алгоритмы фрагментации цветных фотоснимков для формирования разносезонных эталонных изображений корреляционно-экстремальных систем навигации ЛА с помощью базы данных спектральных коэффициентов яркости элемен-. : ,
RGB- , -
- .
Корреляционно-экстремальная система навигации; цветное изображение; кластер; - .
V.V. Scherbinin, E.V. Shevtsova
THE COLOR PICTURES FRAGMENTATION ALGORITHMS FOR FORMATION DIFFERENT SEASONAL REFERENCE IMAGES OF THE
AIRCRAFT CORRELATION-EXTREME NAVIGATION SYSTEMS
This paper presents the color pictures fragmentation algorithms for formation different seasonal reference images of the aircraft correlation-extreme navigation systems by means of brightness spectral factors database of landscape elements. The three types of fragmentation algorithms are offered: the operator algorithm, the cluster analysis algorithm of corresponding vectors in RGB-space and the image wavelet-transformation algorithm.
orrelation-extreme navigation; system color; picture cluster analysis; wavelet-transformation.
Перспективным направлением развития оптических корреляционноэкстремальных систем наведения (КЭСН) летательных аппаратов (ЛА) является использование спектральных отражательных характеристик местности для формирования эталонного и текущего изображений местности. Одной из форм использования спектральных отражательных характеристик местности является формирование цветных (RGB) изображений. В этом случае цветные (RGB) изображения, предназначенные для формирования текущего изображения (ТИ) мест, ,
(RGB) ,
изображения (ЭИ) местности, используются цветные (RGB) фотоснимки, полученные космической или аэро-фотоаппаратурой. Для цветных изображений выбрана следующая форма представления принимаемого оптического сигнала [1]:
