Оптимальная организация экологического мониторинга на базе группы беспилотных летательных аппаратов Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

ISSN 0868-5886 НАУЧНОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, 2012, том 22, № 4, c. 115-118

РАЗНОЕ

УДК 623.746; 519.7; 517.977.5 © Ф. Ф. Гулиев

ОПТИМАЛЬНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА НА БАЗЕ ГРУППЫ БЕСПИЛОТНЫХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ

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. Результаты исследования зависимости требуемой площади полезного груза, предназначенной для размещения аппаратуры дистанционного зондирования, показали, что с увеличением длины волны указанная площадь неизбежно увеличивается.

Кл. сл.: экологический мониторинг, беспилотные летательные аппараты, оптимизация, дистанционное зондирование, групповой полет

ВВЕДЕНИЕ

Как отмечено в работе [1], дистанционное зондирование с использованием беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) является наиболее подходящим техническим решением для менее развитых стран. Использование спутниковых систем проведения локального или регионального мониторинга является практически недосягаемым и слишком дорогим для них, 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 БПЛА в отдельности.

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ О ДИСТАНЦИИ МЕЖДУ БПЛА

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

Как указано в работе [2], взаимосвязь между мощностью сигнала периферийного БПЛА и мощ-

ностью сигнала, принимаемого центральным БПЛА (Ргцентр), определяется по следующему выражению:

Pr центр ЩТ ЩR

Srec Щсап

nZ2

Л

2n D„

(1)

где Srec — площадь апертуры спектральной аппаратуры центрального БПЛА; РгБПЛА — мощность оптического сигнала БПЛА; г)Т — оптическая эффективность передатчика; т]н — оптическая эффективность приемника; Z — расстояние между

1

передатчиком и приемником;

nD„

угол рас-

хождения лазерного луча, обусловленный дифракцией; т]сап — пропускание канала, определяемое как

Графическая иллюстрация оптической связи при групповом ^ полете двух БПЛА

2

t

л — е

I сап

-„^ <Л)

где а(Л^) — оптическая плотность канала.

Л

Согласно [2], при ——<< 1 имеем

Л

V 2%Всош /

I2

4^2 Л2

Следовательно, получаем

Р — k9 В2 ■ е~2а(Л),

г центр 2 сош '

где

k2 —

4лПт Ля ■ Агес ■ Р

22Л2

I = Я ■ Р

центр. БПЛА гцентр'

где Я — чувствительность приемника.

С учетом выражений (1)-(4) и разложения

а(Л) —а0 +а'Л

отношение сигнал / шум канала коммуникации определится как

А е-2(а0 Л)

SNR —-—-, (5)

где

А —

2 2л2

Я ■ Р2ош ■ 4плт 'Ля ■ Srec ■ Р

N0 В

(6)

Лтах а е~Р(Л)(о>+аЛ)

F1 — [ 1п —-2-d Л

1 £ р(Л)2 ■ Л2

(7)

Лта:

F2 — | (р(Л)dЛ — С.

(8)

Лт1г

РЕШЕНИЕ СФОРМУЛИРОВАННОИ ОПТИМИЗАЦИОННОЙ ЗАДАЧИ

Безусловный информационный функционал, подлежащий оптимизации, имеет следующий вид:

V а е~р(Л)(ст»+аЛ) К — | 2 2 dЛ + у | ср(Л)dЛ, (9)

Лт1п Р(Л) ^ Л

Лт1п

(2)

(3)

где у — множитель Лагранжа.

Согласно методу Эйлера, решение вышеуказанной оптимизационной задачи определяется по следующему условию:

d (К + К2) dр(Л)

— 0.

(10)

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

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

(4)

-[(а0 +а'Л)р(Л) + 2] р(Л\ Л2

Из выражения (11) имеем

р(л)—~ "

у ■ Л2 + (а0 +а' Л)' С учетом выражений (8) и (12) получим

+ у — 0. (11)

(12)

Лп.х

I

Лт1п

у ■ Л2 -(а0 +а' Л)

dЛ — С.

(13)

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

у — В (Лтах,Лтш,^', С)— Во. (14)

С учетом выражений (11) и (14) получим

а N — спектральная плотность шумов, В — ширина полосы частот приемника.

Задача оптимизации ставится следующим образом. Следует вычислить оптимальную функцию 2 —р(Л), которая привела бы интегральный информационный функционал

г = р(л) —

2

Л2В-а -а'Л'

(15)

Как видно из полученного решения (15) при отрицательной величине а' наблюдается уменьшение 2 при увеличении X. Однако при положительном значении а' можно ждать появления максимума функции р(Л) при значении длины волны

к его максимальному значению при соблюдении следующего ограничительного условия:

Л —

ао + а

2 В

(16)

Далее в настоящей статье, следуя методике, изложенной в [2], рассмотрим вопрос об оптимальном распределении полезного объема грузового

2

t

2

ОПТИМАЛЬНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА.

117

отсека БПЛА с учетом размещения в нем как аппаратуры дистанционного зондирования, так и аппаратуры связи и управления.

РЕШЕНИЕ ЗАДАЧИ ОПТИМИЗАЦИИ ГЕОМЕТРИИ ОБОРУДОВАНИЯ БПЛА

Считаем, что осуществляется групповой полет БПЛА, где центральный БПЛА оборудован прие-мо-передатчиком 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:

Di

+В2 = п,2

(17)

АI=1.22

/Л

Ф '

(18)

где Л — длина волны оптического сигнала; / — 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:

Я = К \1Л

где

^ =

а 1.22

• Р • б;

(19)

(20)

а — угол зрения оптики; Р — частота кадров; б — 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

с = ^ 1оё2 ^ + ^}.

С учетом выражений (5) и (6) имеем

S

(21)

С = В • ^

[я-к2 • В2 • е^«!

I 2 сот I 1 +--—

N В

(22)

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

(

lim В •

S

Л

1 +-

V *оВ у

с

^1.44—. (23)

N

где Вепп,, — одномерный размер отсека, где размещаются приборы дистанционного зондирования; йсот — одномерный размер отсека, где размещается трансивер; йуаг — одномерный размер

суммарного приборного отсека, который подлежит определению.

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

Следовательно, имеет место следующее равенство:

^ •

^В2 - В2 ^

зет_сот

Л2

( Я2 • • е-^^ п4 ^

= 1.44

• В4

N

Из выражения (24) окончательно имеем

В = 1.12' Л

V

1

кх N

Я^ • е

-г вгсо

. (24)

(25)

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

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

2) увеличение части приборного отсека, необходимой для размещения приборов дистанционного зондирования.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В заключение сформулируем основные выводы и положения проведенного исследования.

1. Результаты информационной оптимизации лазерного канала связи между элементами группы БПЛА, осуществляющими 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 необ-

2

2

ходимой площади, предназначенной для размещения аппаратуры дистанционного зондирования, показали, что с увеличением длины волны указанная площадь неизбежно увеличивается.

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. V. 34. Part XXX.

2. Arnon Sh., Kedar D. Sensing and communication

trade-offs in picosatellite formation flying missions // J. Opt. Soc. Am. A. 2009. V. 26, N 10.

Национальное аэрокосмическое агентство, г. Баку, Азербайджан

Контакты: Гулиев Фалах Фахраддин оглы, falakh2005@rambler. ru

Материал поступил в редакцию 29.06.2012

OPTIMAL ORGANIZING OF ENVIRONMENTAL MONITORING ON THE BASIS OF UAV GROUP

F. F. Guliev

National Aerospace Agency, Baku, Azerbaijan

The results of information optimization of laser channel communication between elements of UAV group carrying out cooperative remote sensing have shown that in the optimal mode the increase of wavelength of the optical signal used for communication leads inevitably to decreasing of the attainable distance between two UAV.

The results of research of dependence of allowable area of payload designated for apparatus arrangement of remote sensing have shown that increasing of wavelength leads inevitably to decreasing of the mentioned area.

Keywords: ecological monitoring, unmanned aerial vehicle, optimization, remote sensing, formation flight