CC BY
56
The work focuses on prototyping hardware and software application to navigate unmanned underwater vehicle into a port terminal using computer vision system. Within the scope offirst stage, the potential realization of such an approach is demonstrated by working with synthetic image of port terminal in form of ellipsoidal object. Detection in picture and parameter identification of ellipsoidal object are important tasks in computer vision and have wide practical application. The essential outcome of this work is the decision to use our own algorithms instead of external libraries.
Key words: hardware and software application, navigation, unmanned underwater vehicle, computer vision.
Katulin Mikhail Sergeevich, engineer, katulin m a atomintelmash. ru, Russia, Saint Petersburg, LLC "Design-engineering department "Cybershelf",
Perevosshikov Lev Leonidovich, engineer, lev.perevayandex.ru, Russia, Saint Petersburg, LLC "Design-engineering department "Cybershelf",
Shumkov Sergei Grigorevich, chief of researches and developments department, ssg. cbshagmail. com, Russia, Saint Petersburg, LLC "Design-engineering department "Cy-bershelf"
УДК 629.78
ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ВАРИАНТОВ ПОСТРОЕНИЯ СИСТЕМ ЦЕЛЕУКАЗАНИЯ В УСЛОВИЯХ ВОЗДЕЙСТВИЯ ПОМЕХ СПЕЦИАЛЬНОГО ВИДА
С.Б. Беркович, В.Е. Аксенов, Н.И. Котов, Г. А. Мартынюк, Д.В. Смирнов, Д.В. Шолохов, А.Ю.Махаев
Целью статьи является решение задачи формирования уводящих траекторий в структуре спутникового радионавигационного сигнала для интегрированных комплексов целеуказания, обеспечивающих минимальные значения вероятности их распознавания алгоритмами контроля целостности навигационных данных. Представлены механизм формирования структуры и параметров помехи, показатели эффективности их реализации, номограммы для их оперативного расчета при различных условиях и конфигурациях интегрированного комплекса целеуказания. Решения обоснованы методами математического и полунатурного моделирования.
Ключевые слова: интегрированные комплексы, навигация, наведение, целеуказание, вероятность распознавания, алгоритмы контроля целостности навигационных данных.
Технологические возможности повышения точности навигационных датчиков и приборов, обеспечивающих высокоточное автономное позиционирование объектов при безостановочном автономном движении по протяженным маршрутам, на основе реализации методов счисления пути, в настоящее время и на далекую перспективу исчерпаны.
Намечается тенденция сокращения областей самостоятельного применения спутниковой навигационной аппаратуры потребителя (СНАП) из-за низкой информативности радионавигационных сигналов в определенных условиях, например лесистая местность, городские условия и др.
Как следствие, широкое применение стали находить интегрированные навигационные системы и комплексы.
Применение методов и способов интеграции навигационной информации основано на следующем:
- основным фактором гарантированного повышения точности и надежности систем навигации, наведения и целеуказания является использование взаимосвязей (закономерностей) между измеряемыми параметрами, устойчивых в пространстве и во времени («основной корректор погрешностей»), с большим значением градиента навигационного поля;
- создание систем навигации, наведения и целеуказания в соответствии с глубокоинтегрированной структурой обеспечивает интеграцию информации от датчиков различной физической природы, измеряющих параметры полей с большим значением градиента;
- анализ возможных к использованию полей с большим значением градиента предполагает использование наряду с глобальными навигационными (поле инерционных сил, радионавигационное поле спутниковых навигационных систем и др.) локальных навигационных полей (геофизических, антропогенных и др.);
- одним из перспективных направлений является использование взаимосвязей между геометрическими параметрами локальных участков местности, которые устойчивы в пространстве и во времени и обладают требуемым свойством - большим значением градиента поля (данные закономерности отражаются цифровыми картами, в частности цифровыми картами местности повышенной точности);
- учитывая мировые тенденции и масштабность процесса создания цифровых карт, включая цифровые карты местности, можно сделать вывод, что в ближайшем будущем данный информационный ресурс можно будет отнести к глобальному навигационному полю.
В качестве обобщения вышеизложенного можно сделать вывод о наличии объективных тенденций повышения эффективности систем навигации, наведения и целеуказания на основе повышения уровня их информатизации. Как следствие, системы такого рода становятся все более уязвимыми в сбоях информационного обеспечения, и возрастают требования к информационной надежности интегрированных комплексов систем навигации, наведения и целеуказания и оперативной их оценке показателей в условиях непосредственного применения.
С целью контроля достоверности информации данных систем разработаны различные способы контроля целостности навигационной информации, в частности, бортовая автономная система контроля целостности AAIM (Airborne Autonomous Integrity Monitoring) [1 - 4].
Сутью данных алгоритмов является формирование статистики на основе невязок различных уравнений связей и их анализа, значения которых связаны со значениями вероятности распознавания факта несоответствия модельных данных измерительной информации, в конечном счете, с показателями достоверности формируемых оценок навигационных параметров.
Физической предпосылкой организации данных процедур контроля достоверности является различный спектр погрешностей элементов интегрированных систем и наличие избыточности измерений.
Тем не менее, активно проводятся работы по изучению стойкости интегрированного решения к так называемым интеллектуальным помехам, которые могут при определенных условиях полностью не распознаваться системой встроенного контроля целостности интегрированных навигационных систем, например инерциально-спутниковых.
Учитывая вероятностный характер оценок, как следствие и вероятностный характер принятия решения о возможном наличии такого рода помех, в работе ставится задача обоснования структуры и параметров уводящих траекторий (помех), обеспечивающих минимум значений вероятности их обнаружения и разработки механизма оценки возможных последствий их нераспознавания в зависимости от конфигурации и параметров интегрированных комплексов.
Учитывая сложность задачи, ее многомерность, решение обосновывается методами математического моделирования.
При этом авторы осознают, что данный метод анализа не дает ответа на главный вопрос: обоснованность решения во множестве всех возможных исходных данных, что является следствием применимого метода.
Этот недостаток можно рассматривать как постановку задачи молодым исследователям на будущее.
Исходные данные.
- Задан интегрированный комплекс навигации, наведения и целеуказания на примере крылатых ракет, который представлен на рис. 1: система TERCOM, бесплатформенная инерциальная навигационная система (БИНС), спутниковая навигационная аппаратура потребителя (СНАП), система DSMAC, цифровые карты местности, точность позиционирования объектов и элементов, которая определяется характеристиками средств дистанционного зондирования местности (ДЗМ), алгоритмы комплекесной обработки информации (алгоритмы коррекции 1, 2, 3), математические модели погрешностей TERCOM, DSMAC, СНАП, БИНС, средств ДЗМ.
-Алгоритмы контроля целостности, которые характеризуются заданным значением вероятности обнаружения Робн. помех специального вида, а также несоответствия измерительных моделей реальным процессам и другие, которые основываются на анализе значений сформированной статистики невязок алгоритмов оптимальной обработки информации [1,2].
-Требуемые значения вероятности обнаружения уводящих траекторий (помех специального вида), значения времени достижения терминальной точки движения объекта к цели или требуемые значения отклонения от цели к терминальному моменту времени.
Необходимо определить следующие зависимости в виде номограмм:
- вероятности Робн распознавания факта наличия уводящей траектории в виде погрешностей НАЛ, (вероятности обнаружения уводящей траектории (УТ) в структуре радионавигационного сигнала, в функции времени Т движения объекта до терминальной точки (цели) и заданной величины требуемого бокового отклонения ¿/ в терминальной точке;
- вероятности достижения цели Рп (поражения) в функции времени воздействия уводящей траектории в структуре радионавигационного сигнала и заданной величины требуемого бокового отклонения (Л в терминальной точке;
- показателя эффективности П (отношение значений вероятности достижения цели при воздействии и без воздействия уводящей траектории) в функции времени Т движения объекта до терминальной точки (цели) и заданной величины требуемого бокового отклонения ¿/ в терминальной точке.
Рис. 1. Структурная схема интегрированного комплекса навигации
наведения и целеуказания
Учитывая вероятностный характер оценок как следствие и вероятностный характер принятия решения о возможном наличии такого рода помех, в работе ставится задача обоснования структуры и параметров уводящих траекторий (помех), а также разработки механизма оценки возможных последствий их нераспознавания.
Сложность решения определяется многими факторами, в частности, тем, что задача является:
- динамической, стохастической, поскольку такова модель погрешностей инерциальных навигационных систем;
- минимаксной (с одной стороны, необходимо найти минимум вероятности обнаружения интеллектуальной помехи, с другой, искомый минимум вероятности определяется, как максимальное значение вероятности обнаружения помехи интегрированной системой на интервале времени движения объекта);
- некорректной в части формирования ее модели, поскольку априорно неизвестна структура искомых функций, определяющих зависимости погрешностей координат, измеренных СНАП, от времени движения. Необходимы некоторые дополнительные предположения об этих функциях, например, что они с достаточной точностью приближения могут быть представлены степенными многочленами;
- с принятием решений, выбором, поскольку в ней присутствует процедура обнаружения интеллектуальной помехи в интегрированной навигационной системе (принятия соответствующего решения);
- нелинейной, что предполагает на практике поиск оптимума численными методами.
Учитывая сложность задачи, ее многомерность, решение обосновывается методами математического моделирования.
Решение задачи включает следующие этапы:
- формирование показателей эффективности реализации методов генерации уводящих траекторий;
- формирование уводящих траекторий;
- построение номограмм.
Значения показателя должны обеспечить оценку эффекта при генерации радионавигационного поля с введением уводящей траектории (интеллектуальной помехи) относительно варианта при нормальном функционировании всех подсистем навигации, наведения и целеуказания (при заданных значениях: погрешностей БИНС, градиентах рельефа местности, погрешностей определения координат спутниковой навигационной аппаратурой потребителя, внутренних границ областей работы систем терминального наведения, погрешностей цифровых карт ориентиров и цифровых карт местности из-за ошибок средств ДЗМ, времени нахождения объ-
екта в зоне воздействия ложного радионавигационного сигнала, требуемых значений погрешностей в районе цели, вероятности обнаружения воздействия встроенной системой контроля целостности радионавигационного поля).
Алгоритм оценки значений показателя эффективности сводится к расчетам вероятности достижения цели:
- без воздействия уводящей траектории (УТ);
- при наличии дополнительного бокового отклонения (из-за действия УТ) без учета работы системы встроенного контроля:
' ^d+d0) /л-^YI ( - ^
-erf
РЛИ = \\ег/
л/2О
( d-d0^
X )
42(5
X
erf
dt
О
л/2о
Y J
при наличии УТ и функционирования системы встроенного кон-
троля целостности:
М)
Схематично алгоритм решения задачи оценки эффективности вариантов построения систем навигации, наведения и целеуказания (алгоритм оценки вероятности достижения цели) представлен на рис. 2.
Алгоритм оценки значений вероятности Алгоритм оценки значений вероятности достижения цели при наличии УТ и возможностей достижения цели без УТ и с УТ их идентификации встроенной системой контроля целостности
'Мин
Воздействие ложного навигационного поля на систему наведении РТК
Р.-«/
\j2oJ 'War
(J-P0/Wl , 1 ' ров»
Воздействие не обнаружено Воздействие обнаружено
I Л
tot ta
Координаты Автономный режим БИНС
вырабатываются с (погрешности возрастают
использованием во времени f)
сигналов СНС (ложных)
Цель достигнута
Цель не достигнута
<=
-ОБИ
Pn(7,d)= (1- PqehM- РОВНЫ Ф)
?
Рис. 2. Алгоритм решения задачи оценки эффективности вариантов построения систем навигации, наведения и целеуказания (алгоритм оценки вероятности достижения цели)
Наиболее сложным вычислением (и основным) является вычисление вероятности обнаружения РОБН. В дальнейшем этому вопросу и будет уделено основное внимание, так как это определяющим образом зависит от структуры интегрированного комплекса, алгоритмов комплексной обработки информации и контроля целостности навигационной информации.
Этап формирования уводящей траектории схематично представлен на рис. 3 (вверху слева).
На рис. 2 (слева) приведена возможная уклоняющая траектория (УТ), которая показана, для простоты, в виде прямолинейного отрезка, соединяющего точку начала воздействия ложного навигационного поля и точку цели, причём точка цели намеренно отклонена на расстояние С. Этой форме УТ соответствует некоторая (неоптимальная в общем случае) зависимость вероятности РОБН обнаружения воздействия от времени I. В последней зависимости условно можно выделить часть с максимальными значениями РОБН и часть с «провалом» относительно минимально возможного уровня вероятности. В первом приближении можно считать, что площадь под кривой РоБН^) является фиксированной величиной, зависящей от продолжительности Т воздействия УТ и требуемой величины отклонения С. Это выступает в качестве основного ограничения в решаемой задаче.
С учётом замечания, в осях РОБН, ? задача оптимизации УТ состоит в выборе таких её параметров, которые обеспечивают уменьшение пиковых значений зависимости РОБН^) за счёт увеличения минимальных значений, в результате чего максимум этой функции на интервале [0, Т] снижается до минимально возможного значения. Схематически это показано на рис. 2 (справа, вверху). В результате достигается минимально возможный уровень вероятности обнаружения помехи на всём рассматриваемом интервале, как следствие, ему соответствует оптимизированная УТ, схематично показанная в нижней части правого рисунка.
Таким образом, обоснование структуры и параметров УТ одновременно решает задачу определения минимально возможных значений вероятности ее обнаружения.
Для реализации вышеизложенного подхода разработано программно-математическое обеспечение автоматизированного расчета требуемых показателей и построения номограмм с целью оперативного расчета данных параметров.
Основные исходные данные, необходимые для решения задачи, представлены в нижней части рис. 3.
На рис. 4 представлены номограммы для оценки значений вероятности обнаружения УТ, а также показателей эффективности и вероятности достижения цели:
- вероятности Робн распознавания факта наличия уводящей траектории в виде погрешностей НАП (вероятности обнаружения уводящей траектории (УТ)) в структуре радионавигационного сигнала, в функции времени Т движения объекта до терминальной точки (цели) и заданной величины требуемого бокового отклонения (Л в терминальной точке;
- вероятности достижения цели Рп (поражения) в функции времени воздействия уводящей траектории в структуре радионавигационного сигнала и заданной величины требуемого бокового отклонения (Л в терминальной точке;
- показателя эффективности П (отношение значений вероятности достижения цели при воздействии и без воздействия уводящей траектории) в функции времени Т движения объекта до терминальной точки (цели) и заданной величины требуемого бокового отклонения (Л в терминальной точке.
Т • пра*июпс.«ыюстк юисДстм ;пш
*им ГЪраиж««*** 1 же
АткМчятап ■ 1<Л
И
С«*!*«* VI
(итмт ж
чм
СИП » ОС,» ОЛшротОС м
[■Цг
/
^ ^ л» АО .«.»ЛЮОгЛЮ» м ■г «Ос < 1ИС < 2ЯЮсш« (
405
ЛООмш
■яОЙЮ <
11Й1
О Г661 аш ф Вишяг»
800 «Сетоюхлнлрпт^житие»,* и» СмеармгооадяотдоДЗЗ.м
® МЯФО •Ма'МОмбП "СМ
пнитяV»сш»оо»:т—ц*с«иаг:под О Пошгп )ИКТ1М<Г1
П»тт>.3& ,
1 Г4ш»т>Д
, г>бамг»|»,
¿>
с»
ДА
Р • ^
Ч. «V
Г/
-ф
о
-о
Рис. 3. Алгоритм решения задачи оценки эффективности вариантов построения систем навигации, наведения и целеуказания (алгоритм оценки вероятности обнаружения уводящей траектории)
d[m]
Изолинии вероятности значений показателя эффективности П в функции времени Т движения объекта до терминальной точки и заданной величины бокового отклонения </ в терминальный момент
Изолинии вероятности обнаружения VT в структуре радионавигационного сигнала в Функции времени т движения объекта до терминальной точки и заданной величины бокового отклонения ¿ в терминальный момент времени
Рис. 4. Номограммы для оценки значений вероятности обнаружения УТ, показателей эффективности и вероятности достижения цели
Применение полученных зависимостей обеспечивает расчет требуемых показателей при условии генерации оптимальной уводящей траектории с минимальным значением ее обнаружения средствами контроля целостности интегрированных структур.
В общем случае можно сформировать класс функций изменения погрешностей СНАП (уводящих траекторий), нераспознаваемых встроенной системой контроля целостности интегрированных навигационных систем, приводящих к погрешности выведения объекта навигации в терминальную точку с заданной погрешностью.
При этом значение погрешности в терминальной точке определяется временем движения объекта навигации к терминальной точке маршрута.
Механизм появления данных погрешностей может быть как случайным (влияние природных факторов), так и детерминированным (преднамеренным).
Вероятность обнаружения такого рода помехи тем меньше, чем больше времени достижения цели и чем меньше величина заданного бокового отклонения.
Вероятность обнаружения помехи почти линейно зависит от величины бокового отклонения при фиксированном аргументе - времени.
Зависимость вероятности обнаружения помехи от времени является нелинейной сложной функцией. Она имеет максимумы и минимумы при значениях времени до »1000 с и является убывающей функцией при больших значениях аргумента времени.
Если время достижения терминальной точки менее 800...1200 с, то построение уводящей траектории, которая обеспечивает увод объекта от цели более чем на 1000 м по боку, является малоэффективным (вероятность обнаружения помехи интегрированной системой превышает 0.1...0.2).
Список литературы
1. Глобальная радионавигационная система ГЛОНАСС / под ред. В.Н. Харисова, А.И. Перова, В.А. Болдина. М.: ИПРЖР,1998. 400 с.
2. Веремеенко К.К., Зимин Р.Ю. Целостность навигационного поля // ИСНС. 2009. №4. С.38 - 42.
3. Сейдж Э., Мелсе Дж. Теория оценивания и ее применение в связи и управлении. М.: Связь, 1976. 121 с.
4. Степанов О.В. Применение нелинейной фильтрации в задачах обработки навигационной информации. Изд. 3-е. СПб.: ЦНИИ «Электроприбор», 2003. 370 с.
Беркович Сергей Борисович, д-р техн. наук, проф., начальник управления, испч-serp5аiifmail.ги, Россия, Серпухов, Межрегиональное общественное учреждение «Институт инженерной физики»,
Аксенов Виктор Ефимович, д-р техн. наук, проф., проф., naviserp5аiifmail.ги, Россия, Серпухов, Филиал ВА РВСН им. Петра Великого,
Котов Николай Иванович, канд. техн. наук, проф., заместитель начальника управления ко1о\'1949 аи^уаИги, Россия, Серпухов, Межрегиональное общественное учреждение «Институт инженерной физики»,
Мартынюк Геннадий Анатольевич, канд. техн. наук, преподаватель кафедры, naviserp5а iifmail. ги, Россия, Серпухов, Филиал ВА РВСН им. Петра Великого,
Смирнов Дмитрий Вячеславович, д-р техн. наук, проф., генеральный директор-первый вице-президент, naviserp5аiifmail.ги, Россия, Серпухов, Межрегиональное общественное учреждение «Институт инженерной физики»,
Шолохов Алексей Викторович, д-р техн. наук, проф., начальник кафедры, ид\ч-serp5а iifmail. ги, Россия, Серпухов, Филиал ВА РВСН им. Петра Великого,
Махаев Александр Юрьевич, начальник отдела, mahaevl960аiifmail.ги, Россия, Серпухов, Межрегиональное общественное учреждение «Институт инженерной физики»
SOLUTION OF EFFICIENCY EVALUATION PROBLEM SYSTEMS OF TARGETING IN THE CONDITIONS OF EXPRESS HINDRANCES INFL UENCE
S.B. Berkovich, V.E. Aksenov, N.I. Kotov, G.A. Martynyuk, D. V. Smirnov, A. V. Sholokhov, A. U. Mahaev
Problems of formation of the taking-away trajectories for the integrated guidance systems using a GPS signal are considered. The formed trajectories have to minimize probabilities of recognition of influence by data integrity monitoring. The mechanism of formation of structure and parameters of a special type noise are presented. Indicators of efficiency of their realization are proved. Nomograms for their on-line calculation under various operating conditions of the integrated guidance system are provided and for different variants of its structure. Considered decisions are confirmed by mathematical and semi-natural modeling.
Key words: the integrated complexes, navigation, targeting, targeting, probability of recognition, algorithms of control of integrity of navigation data.
Berkovich Sergey Borisovich, doctor of technical science, professor, navi-serp5@,iifmail. ru, Russia, Serpukhov, Institute of Engineering Physics,
Aksenov Victor Efimovich, doctor of technical science, professor, navi-serp5@,iifmail.ru, Russia, Serpukhov, Branch VA RVSN them. Peter the Great,
Kotov Nikolay Ivanovich, candidate of technical science, professor, ko-tov1949@,iifmail. ru, Russia, Serpukhov, Institute of Engineering Physics,
Martynyuk Gennady Anatolyevich, candidate of technical science, navi-serp5@,iifmail.ru, Russia, Serpukhov, Branch VA RVSN them. Peter the Great,
Smirnov Dmitry Vyacheslavovich, doctor of technical science, professor, navi-serp5@,iifmail. ru, Russia, Serpukhov, Institute of Engineering Physics,
Sholokhov Alexey Viktorovich, doctor of technical science, professor, navi-serp5@,iifmail.ru, Russia, Serpukhov, Branch VA RVSN them. Peter the Great,
Makhayev Alexander Yuryevich, mahaev1960@,iifmail. ru, Russia, Serpukhov, Institute of Engineering Physics,
