CC BY
60
УДК 629.052.9
ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ОЦЕНКИ СЕЗОННОЙ СТАБИЛЬНОСТИ ИНФОРМАТИВНОГО ПАРАМЕТРА ЦВЕТНОЙ
ОПТИЧЕСКОЙ КЭСНН ЛА
В.В. Щербинин, Ю.С. Васильева, Е.В. Шевцова
Показано, что одним из перспективных направлений развития систем коррекции ЛА являются цветные (RGB) оптические КЭСНН, для функционирования которых необходимо наличие актуального эталонного изображения. Для КЭСНН данного типа возможно синтезировать эталонное изображение одного сезона по имеющейся видеоинформации другого сезона, которая представляет собой совокупность фаций - однородных природных и искусственных образований. Рассматривается вопрос синтеза эталонных изображений - подтверждение гипотезы о наличии стабильных и нестабильных фаций (по отношению к выбранному информативному параметру навигационного поля), определение критериев и периодов стабильности фаций.
Ключевые слова: КЭСНН, информативный параметр, навигационное поле.
Современные высокоточные системы управления летательных аппаратов (ЛА) базируются на комплексировании инерциальных навигационных систем с высокоточными системы навигации и наведения. Среди различных видов систем навигации и наведения - оптические корреляционно-экстремальные системы навигации и наведения (КЭСНН), функционирующие по геофизическим полям Земли (в рассматриваемом случае по оптическому навигационному полю), которые обладают определенной совокупностью положительных свойств, а именно потенциально высокой точностью определения местоположения ЛА в местной системе координат, автономностью функционирования, практически абсолютной помехозащищенностью и др. КЭСНН предназначены для определения координат ЛА путем корреляционного сравнения эталонного и текущего изображения подстилающей поверхности [1 - 3]. Эталонное изображение (ЭИ) формируется в ходе подготовки маршрутного задания с использованием аэрофотосъемки или космической съемки местности. Текущее изображение (ТИ) формируется во время полета ЛА в вычислителе по информации, получаемой с бортовой видеокамеры.
Перспективным направлением развития оптических КЭСНН является использование спектральных отражательных характеристик местности для формирования эталонного и текущего изображений. Одной из форм использования таких характеристик является формирование цветных (RGB) изображений [4-8]. В цветных оптических КЭСНН используется информативный параметр (ИП) следующего вида:
19
( Гн , ё н , Ьн )
1
\
/ л2 г
V Г0 J
+
2
V
ё о
+
У
' Ь ^
V Ь0 J
Г ё
Ь
V г0
ёо
о J
где г, ё, Ь - элементы вектора гёЬ цветного изображения подстилающей поверхности; г0, ё0, Ь0 - соответствующий элемент вектора гёЬ изображения эталона (белой или серой карты).
ИП цветной оптической КЭСНН был синтезирован [7] из условия инвариантности к суточным изменениям местности - уровню освещенности, спектральному составу падающей радиации и состоянию подстилающей поверхности.
Определение координат местоположения ЛА осуществляется по экстремуму функционала:
* (А,, А., ) = IX (Ч
* ^
(г +АХ)(]+А ^) ]
- значение
где (Ах, А^) - координаты верхнего левого угла ТИ; ~ё(1+А^)(]) информативного параметра г] -го пикселя ЭИ; Тг] - значение информативного параметра г] -го пикселя ТИ.
Для функционирования КЭСНН необходимо наличие ЭИ, подготовленного по актуальной исходной информации для заданной зоны полетов ЛА, что не всегда является возможным (в связи с ограничениями на ресурс спутниковой группировки, наличием облачности в момент съемки и
др.).
Для цветных оптических КЭСНН, использующих выбранный ИП, суще ствует принципиальная возможность синтеза эталонного изображения одного сезона по изображению другого сезона с помощью информации о спектральных характеристиках подстилающей поверхности соответствующих сезонов [8].
Синтез ЭИ включает следующие этапы:
разбиение исходного снимка на фации - однородные структурные единицы природных и искусственных образований, имеющие однородные спектральные отражательные характеристики (рис. 1);
идентификация типа фации в соответствии с классификацией Л. Кринова [9] и определение ее вида - устойчивая в течение года (вариации ИП-фации в течение года сравнимы с «шумом») или неустойчивая (рис. 2);
«заливка цветом» - замена коэффициентов неустойчивой идентифицированной фации одного сезона на коэффициенты идентифицированной фации другого сезона.
В результате формируется синтезированное изображение одного сезона по снимку другого сезона (рис. 3, где нуль-фация - изображение фации, не идентифицированной оператором на снимке, имеющей ИП, равный (0,0,0)).
PN
Lambda
40.6G004963
42.02534029
| Regions statistics
£ '
# Name
0 Global
1 деревья лиственные Total
Рис. 1. Разбиение исходного снимка на (рации
Фации яепкэ лето
Ф(грлд) Крыша 36.13 37.57
Л{град) 46.00 47.13
ф(град> дооога 35.90 34.44
ruvHTUoaR
Мгоад) 4333 41./4
<р{град) 40.66 46./0
Мгрвд} листллнны* А2ХУ2 «5.45
ф(град) 1рл»л 40.71 39.07
А<град) 30.66 ААЛ9
Рис. 2. Идентификация типа и вида фации (по классификации Кринова)
21
нуль-фация
И;лображенргя устойчивых
Изображен шя синтезированных фаций
Рис. 3. Синтезированное изображение местности
Практическая реализация процедуры синтеза ЭИ связана с решением следующих вопросов:
подтверждение гипотезы о наличии стабильных и нестабильных фаций (по отношению к выбранному информативному параметру), определение критериев и периодов стабильности фаций;
формирование базы данных значений информативного параметра основных фаций природных и искусственных образований путем проведения фотосъемки отдельных природных и искусственных образований в течение года;
определение возможности формирования базы данных значений информативного параметра фаций природных и искусственных образований на основе атласа Кринова [9].
Для отработки методики решения первой задачи была проведена сезонная (с мая по ноябрь 2013 г.) съемка характерного участка местности (ландшафтный заказник «Крылатские Холмы») с периодичностью раз в месяц. Фотосъемка проводилась на расстоянии 300 метров. В качестве эталона (для формирования RGB-векторов) использовался стандартный фотографический серый отражатель.
Рассматривались 11 типов фаций, приведенных на рис. 4 (фации 1-8 устойчивого типа, фации 9-11 неустойчивого типа).
Для выбора фаций на фотоснимках, «прорисовки» их границ, формирования и оценки статистических характеристик их RGB-представлений (средние значения и дисперсия) использовалось разработанное в АО «ЦНИИАГ» программное обеспечение. Результат для наглядности представлялся в полярной системе координат: угол Я - в плоскости ORB (положительное направление - по часовой стрелке), угол ср - в плоскости OG А, (положительное направление - от плоскости ORB к оси G).
и
? г
Рис. 4. Изображение исследуемой местности с обозначением
выбранных фаций
На рис. 5 показаны значения (Я, ф) для устойчивой фации № 3 (несколько значений в одном месяце объясняется наличием нескольких фотосъемок в течение суток), на рис. 6 - средние (за месяц) значения (Я, ф) для устойчивой фации № 3.
♦ май
■ июнь
• июль
А август □ сентябрь
■ октябрь
■ ноябрь
Рис. 5. Значения (А, (р) для устойчивой (рации № 3 в период съемки
23
с! си о.
54 53 52 51 50 49 48 47 46 45 44
34,5
35
35,5
3
ср, град
51
50
49
Ш
Р- 48
47
46
45
♦ май
■ июнь
• июль А август
■ сентябрь
■ октябрь
■ ноябрь
35
35,2
35,4
35,6
35,8
36
Ф, град
Рис. 6. Средние (за месяц) значения (X, (р) для устойчивой фации № 3 в период съемки
Из анализа полученных экспериментальных данных следует, что разброс значений информативного параметра навигационного поля находится (относительно среднего за период наблюдения) в пределах 0,5... 0,6 град по оси ср, 4 град - по оси Я.
На рис. 7 для примера показаны средние значения (Я, <р) для неустойчивой фации № 9.
42
40
^ 38 Ш
О- 36
< 34 32 30
34
39
Ф, град
44
♦ май
■ июнь ▲ август
■ октябрь
■ ноябрь
Рис. 7. Средние (за месяц) значения (А, (р) для неустойчивой фации № 9 в период съемки
Из анализа полученных экспериментальных данных следует, что разброс значений информативного параметра навигационного поля находится (относительно среднего за период наблюдения) в пределах 5 град по оси ср, 4.. .5 град - по оси Я.
В общем виде полученные экспериментальные данные приведены на рис. 8.
■ фация 1
■ фация 2 В фация 3
■ фация 4
■ фация 5
■ фация 6 □ фация 7
фация 8 А фация 9 А фация 10 А фация 11
30
35
40
45
50
Ф, град
Рис. 8. Средние (за месяц) значения (X, (р) для фаций № 1 - 9 в период съемки
Из анализа полученных экспериментальных данных можно сделать следующие выводы.
1. В целом гипотеза о наличии стабильных и нестабильных фаций (по отношению к выбранному информативному параметру) подтверждается. При этом следует, что разброс значений информативного параметра навигационного поля находится (относительно среднего за период наблюдения): для стабильных фаций - в пределах 0,4...0,6 град по оси ср, 4...5 град - по оси Я; для нестабильных фаций - в пределах 4...6 град по оси ср, 5... 6 град - по оси Я.
2. Разброс информативного параметра одной фации в ходе суточной съемки составляет 0,3...0,4 град по осям ср и Я и сравним с «шумом» фотоаппаратуры.
Данные выводы являются предварительными и нуждаются в дальнейшей экспериментальной проверке. При этом необходимо обеспечить сезонную стабилизированную вертикальную съемку с высот 5.. .20 м с гарантированной идентификацией наблюдаемых фаций.
Работа выполняется при поддержке Гранта РФФИ № 15-07-06928.
Список литературы
1. Белоглазов И.Н., Джанджгава Г.И., Чигин Г.П. Основы навигации по геофизическим полям. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1985.
2. Щербинин В.В. Построение инвариантных корреляционно-экстремальных систем навигации и наведения летательных аппаратов. М.: Наука, 2011.
3. Степанов О. А., Торопов А.Б. Методы нелинейной фильтрации в задаче навигации по геофизическим полям. Ч. 1. Обзор алгоритмов // Гироско-пия и навигация. С.-Петербург, 2015. Вып. 3 (90). С. 102 - 126.
4. Щербинин В.В., Шевцова Е.В. Алгоритмы фрагментации цветных фотоснимков для формирования разносезонных эталонных изображений оптических КЭС навигации ЛА // Известия ЮФУ. Технические науки. Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ, 2010. Вып. 3(104). С. 87 - 92.
5. Щербинин В.В., Шевцова Е.В. Алгоритмы фрагментации цветных фотоснимков, предназначенных для формирования разносезонных изображений для оптических КЭС навигации ЛА // Вопросы оборонной техники. Сер. 9. Специальные системы управления, следящие приводы и их элементы. М.: НТЦ «Информтехника», 2011. Вып. 1(246) - 2(247). С. 70 - 74.
6. Щербинин В.В., Шевцова Е.В., Шевцов А.В. Программный комплекс фрагментации цветных фотоснимков, предназначенных для формирования эталонных изображений для оптических корреляционно-экстремальных систем навигации летательных аппаратов // Вопросы оборонной техники. Сер. 9. Специальные системы управления, следящие приводы и их элементы. М.: НТЦ «Информтехника», 2011. Вып. 1 (246) - 2 (247). С. 74 - 78.
7. Щербинин В.В., Чижевская О.М. Выбор информативного параметра и исследование потенциальных точностных характеристик цветной оптической корреляционно-экстремальной системы навигации летательных аппаратов // Вопросы оборонной техники. Сер. 9. Специальные системы управления, следящие приводы и их элементы. М.: ФГУП «НТЦ «Информтехника», 2012. Вып. 6(258). С. 41 - 42.
8. Методы и алгоритмы функционирования цветной оптической корреляционно-экстремальной системы навигации летательных аппаратов / В.В. Щербинин, Е.В. Шевцова, Ю.С. Васильева, О.М. Чижевская // Гироско-пия и навигация. С.-Петербург, 2015. Вып. 4 (79). С. 34 - 49.
9. Кринов Е.Л. Спектральная отражательная способность природных образований. М.: АН СССР, 1947.
Щербинин Виктор Викторович, д-р техн. наук, нач. научно-технического отделения, [email protected], Россия, Москва, АО «Центральный научно-исследовательский институт автоматики и гидравлики»,
Васильева Юлия Сергеевна, инженер, [email protected], Россия, Москва, АО «Центральный научно-исследовательский институт автоматики и гидравлики»,
Шевцова Екатерина Викторовна, канд. техн. наук, доц., catrin [email protected], Россия, Москва, МГТУ им. Н.Э. Баумана
PRELIMINARY ESTIMATION RESULTS OF SEASONAL STABILITY COLOR VISION-BASED CENSINFORMA TIVE PARAMETER
V.V. Scherbinin, Yu.S. Vasil'eva, E.V. Schevtsova
One of the most perspective ways of development an aircraft correction systems is applying a color (RGB) vision-based CENS. For their functioning is necessary to keep a true RI. For this kind of CENS it is possible to synthesize current season RI on the basics of another season video data which represents a collection of facies - natural or artificial homogeneous formations. The main problems of RI synthesis are confirmation of hypothesis of the existence of stable and unstable facies (with respect to current informative parameter of navigation field) and determination of criterions and stability phase of facies. These questions are discussed in this article.
Key words: CENS, informative parameter, navigation field.
Scherbinin Victor Victorovich, doctor of technical sciences, head of research department, [email protected], Russia, Moscow, PS "Central Research Institute for Automatics and Hydraulics ",
Vasil'eva Yulia Sergeevna, engineer, [email protected], Russia, Moscow, PS "Central Research Institute for Automatics and Hydraulics",
Schevtsova Ekaterina Victorovna, candidate of technical sciences, docent, catrin victor a mail.rii, Russia, Moscow, Moscow Bauman State Technical University
