НЕКОТОРЫЕ ВОПРОСЫ ОПТИМАЛЬНОГО ПОСТРОЕНИЯ СИСТЕМ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА НА БАЗЕ ГРУППЫ БЕСПИЛОТНЫХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

ЭНЕРГЕТИКА И ЭКОЛОГИЯ

ENERGY AND ECOLOGY

Статья поступила в редакцию 21.05.12. Ред. рег. № 1332 The article has entered in publishing office 21.05.12. Ed. reg. No. 1332

УДК 623.746; 519.7; 517.977.5

НЕКОТОРЫЕ ВОПРОСЫ ОПТИМАЛЬНОГО ПОСТРОЕНИЯ СИСТЕМ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА НА БАЗЕ ГРУППЫ БЕСПИЛОТНЫХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ

Ф.Ф. Гулиев

Институт космических исследований природных ресурсов AZ1106, Азербайджанская Республика, г. Баку, ул. С.С. Ахундова, д. 1 E-mail: ffguliev@prompribor.az

Заключение совета рецензентов: 22.05.12 Заключение совета экспертов: 23.05.12 Принято к публикации: 24.05.12

Результаты информационной оптимизации лазерного канала связи между элементами группы беспилотных летательных аппаратов (БПЛА), осуществляющих групповое дистанционное зондирование, показали, что в оптимальном режиме увеличение длины волны оптического сигнала неизбежно приводит к уменьшению достижимого расстояния между БПЛА.

Результаты исследования зависимости допустимой площади полезного грузового объема, предназначенной для размещения аппаратуры дистанционного зондирования, показали, что с увеличением длины волны указанная площадь неизбежно уменьшается.

Ключевые слова: оптимизация, экологический мониторинг, БПЛА, дистанционное зондирование, оптическая связь.

QUESTIONS OF OPTIMAL DEVELOPMENT OF SYSTEMS OF ECOLOGICAL MONITORING ON THE BASIS OF UAV

F.F. Guliyev

Space Research Institute of Natural Resources 1 Ahundov str., Baku, AZ1106, Azerbaijan Republic E-mail: ffguliev@prompribor.az

Referred: 22.05.12 Expertise: 23.05.12 Accepted: 24.05.12

The results of information optimization laser channel of communication between elements of group of UAV carrying out cooperative remote sensing show that in the optimal regime the increase of wavelength used for communication leads to decrease of attainable distance between two UAV.

The results of research of dependence of allowable area of payload designated for remote sensing systems show that increase of wavelength leads to decrease of that area.

Keywords: optimization, environmental monitoring, unmanned aerial vehicle (UAV), remote sensing, optical communication.

Как отмечено в работе [1], дистанционное зондирование с использованием беспилотных летательных аппаратов является наиболее подходящим техническим решением для менее развитых стран. Использование спутниковых систем проведения локального или регионального мониторинга является практически недосягаемым и слишком дорогим для малоразвитых стран, что подчеркивает актуальность разработки высокоэффективных технологий дистанционного зондирования, предусматривающих оптимальное использование ресурсов указанных носителей. В настоящей статье мы проанализируем возможность оптимального выбора основных режимных параметров группы

БПЛА, совершающих совместное дистанционное зондирование, и покажем пути эффективного использования геометрического ресурса каждого БПЛА в отдельности.

Проанализируем вопрос об оптимальном выборе длины волны в канале лазерной связи, используемой для организации коммуникации при групповых полетах БПЛА между центральным БПЛА и периферийными БПЛА (рисунок). С этой целью проанализируем достижимую величину отношения сигнал/шум в лазерном оптическом канале при передаче по этому каналу информации спектрального дистанционного зондирования.

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 05-06 (109-110) 2012

© Scientific Technical Centre «TATA», 2012

Ф.Ф. Гулиев. Некоторые вопросы оптимального построения систем экологического мониторинга на базе группы БПЛА

"^Тценгр ^R

Srec П

rec i can

nZ2 [/i (2rcD_)]

Pn

(1)

P = к D2 e"

гцентр 2 com >

где

к2 =

nRArecpБПЛА

Z2 А2

(2)

(3)

I = RP

центр. БПЛА гцентр *

(4)

SNR = у =

Ae

-Z (а0 +а'А)

z 2 А2

(5)

где

А =

RDCom П R Srec рБПЛА

Nо 5

(6)

где Ао - спектральная плотность шумов; В - ширина полосы частот приемника.

Задача оптимизации ставится следующим образом. Следует вычислить оптимальную функцию 2 = ф( ), которая привела бы нижеуказанный интегральный информационный функционал

Ат„ Ае-<КА)К +а'А)

Графическая иллюстрация оптической связи

при групповом полете двух БПЛА Graphic illustration of the optical communication with the group flight of two UAVs

Как указано в работе [2], взаимосвязь между мощностью сигнала периферийного БПЛА и мощностью сигнала, принимаемого центральным БПЛА (Рщентр), определяется по следующему выражению:

Fi = J In

ф(А)2 А2

d А

(7)

к его максимальному значению при соблюдении следующего ограничительного условия:

F2 = J ф(А^А = C .

(8)

Безусловный информационный функционал, подлежащий оптимизации, имеет следующий вид:

F0 = ГЬ

Ae

-ф(А)(а +а'А)

ф(А)2 А2

dА +у J ф(А^А, (9)

где Srec - площадь апертуры спектральной аппаратуры центрального БПЛА; РжПЛА - мощность оптического сигнала БПЛА; Пт - оптическая эффективность передатчика; Пд - оптическая эффективность приемника; Z - расстояние между передатчиком и приемником; A/(nDcom) - угол расхождения лазерного луча, ограниченный дифракцией; цсст - пропускание канала, определяемое как ncam = e Zc(A), где с( ) - оптическая плотность канала.

Согласно [2], при A/Dcom << 1 имеем t2 (А/2nD ) = AV4п2D2 .

am V / com) / com

Следовательно, получаем

где - множитель Лагранжа.

Согласно методу Эйлера решение вышеуказанной оптимизационной задачи определяется по условию

d (F + F2) d ф(А)

= 0.

(10)

С учетом выражений (9) и (10) получаем следующее уравнение:

-[(а 0 + а'А)ф(А) + 2] ф(А)А2

Из выражения (11) имеем

ф(А) = ■ "

уА2 + (а0 + а'А)' С учетом выражений (8) и (12) получим

+ Y = 0 . (11)

(12)

Величина фототока в приемнике центрального БПЛА связана с мощностью принятого оптического сигнала следующим образом:

J

уА2 -(а +а'А)

d А = C .

(13)

где Я - чувствительность приемника.

С учетом выражений (1) - (4) отношение сигнал/шум канала коммуникации с учетом разложения ст(А) = ст0 + ст'А определится как

Не останавливаясь подробно на раскрытии определенного интеграла (13), примем условное обозначение

У = В (Ашах, Ашт, сто, ст', С) = Во. (14)

С учетом выражений (11) и (14) получим

2

ф(А) =

А2 В -а-а'А

(15)

А

А

2

А

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 05-06 (109-110) 2012 © Научно-технический центр «TATA», 2012

Энергетика и экология

Как видно из полученного решения (15), при отрицательной величине а' наблюдается уменьшение при увеличении 2. Однако при положительном значении а можно ждать появление максимума функции ф( ) при значении длины волны

С учетом выражения (5) и (6) имеем

Х_(ао +|4)/2B.

(16)

Далее в настоящей статье, следуя методике, изложенной в [2], рассмотрим вопрос об оптимальном распределении полезного объема грузового отсека БПЛА с учетом размещения в нем как аппаратуры дистанционного зондирования, так и аппаратуры связи и управления.

Считаем, что осуществляется групповой полет БПЛА, где центральный БПЛА оборудован приемопередатчиком оптического сигнала. При этом остальные БПЛА могут иметь лазерный трансивер или ретрорефлектор, способный модулировать пучок лазера, посланного с центрального БПЛА. При проектировании таких систем с использованием БПЛА должно быть учтено следующее равенство:

D + D _ D ,

sens com var >

(17)

где - одномерный размер отсека, где размещаются приборы дистанционного зондирования; Бсот -одномерный размер отсека, где размещается трансивер; Дуа,. - одномерный размер суммарного приборного отсека, который подлежит определению.

Как указывается в [2], способность оптической аппаратуры к двухмерному зондированию сверху ограничено дифракционным пределом. Согласно критерию Релея по пространственному разрешению, минимальная длина объекта, которая может быть различена оптической системой, определяется как

а/ = 1,22 f Х/Ф,

(18)

где - длина волны оптического сигнала; f - фокусное расстояние линзы; Ф - диаметр линзы.

Как указывается в работе [1], с учетом вышеуказанных дифракционных ограничений максимальная скорость формирования информации может быть вычислена по следующей формуле:

Rd _ К (Dsens IХ)2

(19)

где

k1 = (а/1,22)2 FQ; (20)

а - угол зрения оптики; F - частота кадров; Q -уровни квантования.

Оценим пропускную способность оптического канала с учетом аэрозольного загрязнения атмосферы. Если в системе действует только аддитивный Гауссовский шум, то пропускная способность определяется как

c _ b iog2 (1+sn).

(21)

C _ B log2

1 +

[ Rk2 Dime' Z °(Х)]2

No B

(22)

Известно, что при широкой полосе частот имеет место следующий предельный переход:

lim Blog2 (1 + S/N0B) ^ 1,44S/N0 . (23) Следовательно, имеет место следующее равенство:

k,

D2 - D2 R2 k2 e-2Z°(x)DA

sens com _ 1 44 _ 2 com

Х2

N

(24)

Из выражения (24) окончательно имеем

Dsens = 1,12[Rke Zo(X)DL ]. (25)

Таким образом, как видно из полученного выражения (25), выражение Dsens растет с увеличением . Суммируя результаты двух сформулированных и решенных в данной статье задач, необходимо отметить, что любое увеличение используемой длины волны в канале коммуникации в групповых системах ДЗ на базе БПЛА приведет к двум негативным последствиям, а именно произойдет:

1) уменьшение величины допустимого расстояния между парой БПЛА, связанных лазерным каналом связи;

2) уменьшение части приборного отсека, предназначенного для размещения приборов дистанционного зондирования.

В заключение сформулируем основные выводы и положения проведенного исследования:

1. Результаты информационной оптимизации лазерного канала связи между элементами группы БПЛА, осуществляющих групповое дистанционное зондирование, показали, что в оптимальном режиме увеличение длины волны оптического сигнала неизбежно приводит к уменьшению достижимого расстояния между БПЛА.

2. Результаты исследования зависимости допустимой площади полезного грузового объема, предназначенной для размещения аппаратуры дистанционного зондирования, показали, что с увеличением длины волны указанная площадь неизбежно уменьшается.

Список литературы

1. Dascalu S. Remote sensing using autonomous UAVs suitable for less developed countries // The International Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences, Vol. 34, Part XXX

2. Arnon Sh., Kedar D. Sensing and communication trade-offs in picosatellite formation Aying missions // J. Opt. Soc. Am. 2009, A/Vol. 26, No. 10/üctober.

ГхГ*

— TATA —

IXJ

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 05-06 (109-110) 2012

© Scientific Technical Centre «TATA», 2012