CC BY
174
По сравнению с использованием модели освещения Блинна использование модели освещения Кука-Торренса дает незначительное снижение производительности (скорость заполнения 505 Mpix/s против 355 Mpix/s), а взамен дает более естественный вид бликов на поверхности различных материалов. Как показывает опыт разработки таких систем, расчет освещения занимает лишь часть от всего времени обработки кадра (в приведенных сценах эта величина колеблется от 20% до 50% от общего времени расчета кадра), и, как следствие, падение производительности становится еще менее значимым.
Особый интерес для дальнейших исследований в технологии Deferred Shading представляют материалы, имеющие несколько градаций неровностей; анизотропные материалы; многослойные материалы; материалы, обладающие свойством подповерхностного рассеивания (subsurface scattering).
Литература
1. Cook R.L., Torrance K.E. A Reflectanhce Model for Computer Graphics. - 1982.
2. Ngan A., Durand F., Matusik W. Experimental Analysis of BRDF Models. - 2004.
3. Harris M., Hargreaves S. Deferred Shading. Presentation. - 2004.
4. Shishkovtsov О. Deferred shading in S.T.A.L.K.E.R. - 2005.
5. Michiel van der Leeuw. Deferred Rendering in Killzone 2. Presentation. -2007.
Безгодов Алексей Алексеевич
Стародубцев Эдуард Владимирович
— Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, аспирант, [email protected]
— Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, кандидат технических наук, доцент, [email protected]
УДК 004.49; 629.7.08
ПРОГРАММНО-АППАРАТНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ КОНТРОЛЯ СИСТЕМ ПОСАДКИ ВОЗДУШНЫХ СУДОВ А.О. Саута, В.И. Поляков
Приводится краткое описание спутниковой системы посадки и дифференциального режима работы спутниковой навигационной системы. С учетом этих наработок рассматривается проблема контроля точности существующих систем посадки воздушных судов и предлагается вариант ее решения с применением конкретной аппаратуры, имеющейся на рынке авиационного оборудования.
Ключевые слова: посадка воздушных судов, спутниковая навигационная система, спутниковая система посадки.
Введение
Необходимость оснащения аэропортов и воздушных судов (ВС) оборудованием, облегчающим пилотам посадку на взлетно-посадочную полосу (ВПП), была осознана довольно давно. С середины ХХ века установка радиотехнических посадочных систем производится почти повсеместно. За время развития авиации было разработано несколько типов систем посадки, таких как MLS (Microwave Landing System - микроволновая система посадки), спутниковая система посадки (ССП) и КГС (курсо-глиссадная система, англ. ILS - Instrumental Landing System). Однако международным стандартом на данный момент является именно последняя, поскольку она была разработана раньше других и внедрена во многих аэропортах. Также следует отметить возможность приме-
нения для посадки системы VOR/DME или ее российского аналога РСБН1, которые являются системами ближней навигации. Тем не менее, для гражданской авиации считаться специализированными посадочными системами они не могут.
КГС является довольно сложным и дорогостоящим комплексом аппаратуры, состоящим из нескольких наземных радиомаяков и бортового приемника, обеспечивающего индикацию параметров для экипажа ВС. Он требует постоянного квалифицированного обслуживания и наблюдения. В связи с тем, что излучаемый маяками радиосигнал распределен в довольно большом объеме пространства, на точность работы КГС влияет геометрия местности, наличие источников электромагнитного излучения определенной частоты и другие факторы. Чтобы определить, насколько точно функционирует система, необходимо сравнить полученные с ее помощью данные в нескольких точках (отклонения ВС по курсу и глиссаде от заданной траектории) с эталонными значениями.
В данной работе предлагается решение этой проблемы на основе спутниковой системы посадки (ССП), работающей в дифференциальном режиме и обеспечивающей на данный момент точность, достаточную для посадки по I категории ICAO (реально точность ССП намного выше, может обеспечиваться посадка и по III категории, но такая возможность не сертифицирована на данный момент).
1. Курсо-глиссадная система посадки
КГС является самой распространенной системой посадки, используемой в современной гражданской авиации. В связи с тем, что она была разработана довольно давно, в ней применены морально устаревшие технологии. Однако система зарекомендовала себя как высоконадежная и, как правило, не вызывает нареканий. Рассмотрим кратко ее устройство и принцип работы.
КГС состоит из наземной и бортовой частей. Наземная часть состоит из пары глиссадных и пары курсовых радиомаяков, а также нескольких (как правило, 2-3) маркерных радиомаяков. На борту ВС устанавливается приемник, осуществляющий выдачу на панель пилотажно-навигационного прибора (ИНН) отклонений ВС по курсу и глиссаде. Таким образом, экипаж ВС может контролировать текущее отклонение от заданной траектории захода на посадку. Общая схема КГС приведена на рис. 1.
Рис. 1. Общая схема КГС
1.1. Принцип работы КГС
Пара курсовых радиомаяков устанавливается за взлетно-посадочной полосой (ВПП) и излучает вдоль нее направленный радиосигнал. Излучение маяков происходит под небольшим углом друг к другу на частоте около 108 МГц. Однако излучение каж-
1 Слово «аналог» употреблено здесь в смысле общности решаемых задач. Аппаратура VOR/DME и РСБН несовместимы друг с другом.
дого маяка модулируется разной частотой, 80 и 150 Гц. Ровно посередине, на осевой линии ВПП, интенсивность сигналов обоих маяков одинакова. Это позволяет делать вывод о том, что при равенстве амплитуд принимаемого сигнала приемник находится точно на заданном курсе. При различии интенсивности принимаемых сигналов можно определить, в какую сторону произошло отклонение от курса и насколько далеко. Кроме навигационных сигналов, курсовой маяк передает свой идентификационный код -две или три буквы азбукой Морзе. Это позволяет пилоту или штурману удостовериться, что он настроился на нужную КГС.
Рис. 2. Схема действия курсовых и глиссадных радиомаяков
Пара глиссадных радиомаяков устанавливается в районе приземления и, аналогично курсовым маякам, излучает пару направленных сигналов. Однако, в отличие от курсовых маяков, излучение происходит в плоскости горизонта. Это позволяет получить информацию об отклонении приемника от траектории в вертикальной плоскости (по глиссаде). Схема действия курсовых и глиссадных радиомаяков приведена на рис. 2.
Угол наклона линии глиссады определяется взаимной ориентацией глиссадных маяков и составляет, как правило, около 3°. Чем меньше угол наклона, тем удобнее садиться самолету. Однако в зависимости от конкретной местности он может изменяться и составлять 4° и более (например, в горной местности).
Помимо курсового и глиссадного, в состав КГС входят также маркерные радиомаяки. Их назначение - проинформировать экипаж о правильной работе посадочной системы и позволить контролировать правильность захода. Маркерные маяки работают на частоте 75 МГц, излучая узконаправленный сигнал вверх. При нахождении ВС над маркерным маяком экипаж оповещается специальным индикатором на приборной панели и звуковым сигналом.
1.2. Ограничения КГС
Из-за применяемых частот и других особенностей системы она имеет свои ограничения по применению. Директорные системы в самолетах чувствительны к отражениям сигналов КГС, способным вызвать серьезные ошибки в определении отклонения от заданной траектории захода. Форма земной поверхности, различные крупные объекты, металлические конструкции и пр. могут отражать сигнал, искажая тем самым пространственную картину излучения КГС. С целью устранения указанных факторов при-
нимаются различные меры, такие как выравнивание поверхности земли, устранение крупных объектов из прилегающей к КГС зоны, ограничение руления самолетов при использовании системы и пр. Из других ограничений следует отметить возможность захода на посадку лишь по прямой траектории.
С точки зрения потребителя сигналов КГС (бортовой аппаратуры) означенные искажения вызывают искривление заданной траектории захода, которые необходимо удерживать в пределах, допустимых заявленной категорией КГС. Однако на данный момент не существует простого и эффективного метода контроля точности работы посадочной системы. В работе предлагается в качестве контрольной использовать спутниковую систему посадки, основные принципы работы которой описаны в следующем разделе.
2. Спутниковая система посадки
ССП - сравнительно новая разработка, имеющая большие перспективы. Для определения местоположения ВС и других навигационных параметров она использует глобальную спутниковую навигационную систему (ГНСС) любого типа, NAVSTAR и/или ГЛОНАСС. Основные принципы функционирования ГНСС хорошо документированы и изложены во множестве источников, например в [1-4]. В данной работе остановимся на вопросах, непосредственно связанных с обеспечением посадки ВС.
Главные проблемы, которые должны быть решены при построении ССП, это ее точность и надежность. Для решения этих задач используется дифференциальный режим работы ГНСС. При этом ГНСС дополняется дифференциальными подсистемами, снижающими погрешность навигационных измерений.
2.1. Дифференциальная подсистема ГНСС
Основным фактором, позволяющим повышать точность ГНСС за счет дополнения ее дифференциальными подсистемами, является относительное постоянство значительной части погрешностей спутниковой радионавигационной системы в пространстве и времени. Построение дифференциального режима предполагает наличие минимум двух спутниковых приемоизмерителей (ПИ). Измеритель ПИ1, расположенный на контрольно-корректирующей станции (ККС), имеет точную геодезическую привязку и формирует кодовые коррекции PRC, и скорости их изменения для каждого спутника наблюдаемого созвездия:
PRC, (k) = R, (k) - PR, (k) - tsv ns,n,t (k),
rrCi (k) = PRCt(k)-pRC (k -1) ,
где PR, - псевдодальность, измеренная ПИ1 для t -го спутника, t = 1 к M, М - число
сопровождаемых ПИ1 спутников, R, - расчетная дальность, tsv g^sst (k) - временная
поправка шкалы спутника относительно шкалы спутниковой системы, k - временной отсчет, RRCt - скорость изменения кодовой коррекции. При расчете дальности до
спутника Rt или эфемеридном расчете ККС по линии связи передает сформированные коррекции и скорость их изменения в ПИ потребителя ПИ2, расположенные на борту воздушного судна. Из измеренных в ПИ2 псевдодальностей и полученных коррекций формируется уточненное измерение псевдодальности:
PRAt (k) = PRat (k) + PRC, (k) + (k - kzcount )RRCt (k) + TCt, где PRai (k ) - измеренная псевдодальность до i -го источника дальности, kzcount - дискретный момент времени формирования дифференциальной поправки, TCi - тропо-
сферная коррекция. Тропосферная коррекция / -го спутника рассчитывается в соответствии с [5]:
ТС = МЛ
10
-6
Я '0
•(1 - ехр(-АН)), к
^0,002 + вт2( Е1 г) -о
где ИК и к0 - индекс рефракции и высота по тропосферной шкале, передаваемые наземной станцией, АН - высота воздушного судна над опорной точкой ЛККС, ЕI - угол
возвышения спутника. Таким образом, дифференциальный режим работы ГНСС позволяет компенсировать ошибки измерения псевдодальности, обусловленные задержкой радиосигнала в верхних слоях атмосферы (ионосфере, тропосфере).
В зависимости от радиуса рабочей зоны выделяют широкозонные, региональные и локальные дифференциальные подсистемы. Последние позволяют добиться наибольшей точности, поэтому именно их целесообразно использовать при посадке ВС.
В задачи локальной ККС авиационного назначения (ЛККС-А) входит также контроль целостности, достоверности и доступности всех передаваемых данных. Это достигается за счет применения стандартных методов цифрового отказоустойчивого кодирования, резервирования всех функциональных блоков, использования нескольких (3-4) приемоизмерителей (ПИ) ГНСС, дополнительных систем контроля.
Кроме того, для решения задачи посадки необходимо также передавать на борт ВС информацию о параметрах траектории захода (координаты начала ВПП, смещение относительно нее по широте и долготе конца ВПП, угол наклона глиссады по отношению к горизонту). Эти данные также передаются в цифровом виде по тому же радиоканалу, что и дифференциальные поправки.
2.2. Принцип работы ССП
Общий принцип работы ССП с использованием дифференциального режима ГНСС и ЛККС можно проиллюстрировать схемой (рис. 3).
Рис. 3. Схема спутниковой системы посадки
Как видно из схемы, наземная часть ССП, представленная функциональным дополнением ЛККС-А, принимает сигналы ГНСС и производит вычисление дифференциальных поправок. Следует отметить, что для этого должна быть выполнена геодезическая привязка ЛККС с достаточно высокой точностью.
Вычисленные поправки и данные о траектории захода упаковываются в формат 1САО ЯТСА, после чего передаются по радиоканалу всем ВС, находящимся в зоне действия ЛККС. Бортовая часть ССП также оснащена ПИ ГНСС, на вход которого пода-
ются дифференциальные поправки, предварительно принятые специальной бортовой аппаратурой и преобразованные во внутренний формат приемоизмерителя. При решении навигационной задачи ИИ ГНСС учитывает указанные поправки и выдает внешним потребителям уточненные координаты. Одним из потребителей координат является бортовой прибор, способный на их основе рассчитать в реальном времени текущее отклонение ВС от заданной траектории захода, также принятой от ЛККС-А.
ЛККС передает дифференциальные поправки, которые могут использоваться всеми ВС (или другими потребителями, оснащенными ИИ ГНСС, способными работать в дифференциальном режиме), находящимися в зоне ее действия. Однако аэропорт, как правило, имеет несколько ВИИ, параметры траектории захода на которые различаются. Иоэтому ЛККС передает одновременно параметры для всех обслуживаемых полос, а бортовые приемники должны выбрать нужную.
3. Контроль КГС
С учетом вышеизложенных принципов может быть предложена структура программно-аппаратного комплекса, предназначенного для контроля точности работы КГС. В основе его функционирования лежит получение значений отклонений от траектории захода от исследуемой (КГС) и эталонной (ССИ) систем посадки и последующего их сравнения. В зависимости от результатов сравнения делается вывод о необходимости коррекции и дополнительной настройки КГС.
Однако при разработке комплекса необходимо учесть, что в России в настоящее время практически нет аэропортов, оборудованных ССИ. А это значит, что необходимо предусмотреть возможность ее быстрого временного развертывания. Для этого наземная часть комплекса выполняется в виде мобильной станции. Так как в данном случае собственно посадка с использованием данной системы производиться не будет, то нет необходимости сертификации оборудования как посадочного. Также возможно некоторое смягчение требований по надежности и резервированию аппаратной части.
3.1. Структура и принцип работы контрольного комплекса
Структура контрольного комплекса (КК) приведена на рис. 4. Наземная часть представляет собой систему, состоящую из двух блоков - «Архат» и РСБН. Аппаратура «Архат» представляет собой систему навигации и управления полетом и предназначена для решения таких задач, как зональная навигация, планирование полета в горизонтальной и вертикальной плоскостях, инженерно-штурманский расчет, выдача сигналов в систему автоматизированного управления (САУ) и директорные приборы. Однако в рамках данной задачи используется его встроенный ИИ ГНСС и вычислитель, позволяющий рассчитать дифференциальные поправки.
Второй компонент наземной части комплекса - аппаратура РСБН-85. Она представляет собой прибор для обеспечения ближней навигации, способный решать множество задач. В рамках КК предполагается использовать данное устройство для приема и передачи данных по радиоканалу. Иначе говоря, устройство используется в качестве приемопередатчика. В наземной части аппаратура РСБН предназначена для передачи рассчитанных в первом блоке поправок и параметров траектории захода на борт ВС.
Бортовая часть состоит из трех блоков, два из которых идентичны наземным (по крайней мере, в аппаратной части). Это приборы «Архат» и РСБН-85. Аппаратура РСБН обеспечивает прием дифференциальных поправок, передаваемых наземной частью, которые затем передаются устройству «Архат», которое использует их во встроенном ИИ ГНСС для обеспечения дифференциального режима. Это позволяет получить уточненные координаты ВС и, с использованием принятых от наземной части параметров траектории захода, рассчитать отклонения от нее по курсу и глиссаде.
Третьим блоком бортовой части комплекса является аппаратура УГМ-95, принимающая сигналы контролируемой КГС и выдающая в «Архат» отклонения ВС по курсу и глиссаде, которые затем сравниваются с вычисленными вышеописанным способом отклонениями. Результаты выводятся на дисплей «Архат» и могут быть зарегистрированы несколькими способами для последующего анализа.
Рис. 4. Структура контрольного комплекса
Рассмотрим алгоритм работы комплекса и маршруты передачи данных в нем. Наземная часть осуществляет прием сигнала ГНСС с помощью антенны, подключенной к встроенному в «Архат» ПИ ГНСС, который осуществляет необходимые измерения и предоставляет необработанные измерения псевдодальности для каждого спутника вычислителю устройства. Так как предполагается, что геодезическая привязка выполнена заранее и географические координаты антенны известны с большой точностью, то можно с применением упомянутых выше алгоритмов сформировать кодовые коррекции для каждого спутника (РЯС;). Далее коррекции, упакованные в формат ЯТСА, передаются в цифровой канал стандарта АМКС-429, с помощью которого осуществляются информационный обмен между всеми блоками в составе комплекса. Поправки принимаются прибором РСБН-85, преобразуются внутри него в аналоговую форму, усиливаются и подаются на антенну прибора для выдачи в эфир. Дополнительно «Архат» передает в РСБН заранее заданные параметры траектории захода.
На борту ВС аппаратура РСБН осуществляет прием сигнала от наземной части. Она производит его перевод в цифровой вид и преобразование в формат АШКС-429 для выдачи в «Архат». Внутри аппаратуры «Архат» принятые дифференциальные поправки преобразуются в формат интерфейса ЯБ-232 и подаются на вход встроенного ПИ ГНСС. ПИ ГНСС осуществляет прием спутникового навигационного сигнала с помощью антенны, после чего решает навигационную задачу с использованием принятых дифференциальных поправок. Полученные таким образом уточненные координаты ВС используются вычислителем для расчета отклонений по курсу и глиссаде от принятой от наземной части траектории захода. Аппаратура У1М-95 осуществляет прием сигнала от контролируемой КГС. Полученные с ее помощью отклонения преобразуются в формат АЯШС-429 и передаются в «Архат» для сравнения с рассчитанными в нем параметрами.
3.2. Программная часть комплекса
Поскольку решаемая комплексом задача довольно специфична, требуется разработка специализированного программного обеспечения (ПО), устанавливаемого в прибор «Архат», что и позволяет использовать его в вышеописанном качестве. Темп расчета отклонений ВС от заданной траектории должен составлять около 20 Гц, что является довольно высоким требованием. «Архат» содержит в своем составе высокоинтегриро-ванную ЭВМ архитектуры х86, имеющую оперативную память объемом 16 Мб и тактовую частоту процессора 33 МГц. Это позволяет использовать на нем операционную систему реального времени ОКХ, хорошо зарекомендовавшую себя при решении похожих задач. ПО, разрабатываемое под ОКХ, должно пройти тщательное тестирование и удовлетворять требованиям к производительности. Кроме того, в бортовой и наземной части его функции несколько разнятся.
ПО прибора «Архат» должно позволять оператору на борту ВС в реальном времени проводить экспресс-анализ работы обеих посадочных систем, а в наземной части осуществлять слежение за полетом ВС, для чего может потребоваться передача данных с борта к наземной части. Также данные от обеих систем должны выдаваться по каналу АЯШС для обеспечения возможности регистрации другими бортовыми системами.
Заключение
Поскольку во многих аэропортах России мероприятия по контролю точности работы посадочной системы проводятся нерегулярно и явно недостаточны по объему, необходимо в ближайшее время ввести контрольный комплекс в эксплуатацию. Данные, полученные с его помощью, помогут повысить безопасность воздушных перевозок.
Предложенное решение может быть реализовано в ближайшее время и использовано на специальном ВС, предназначенном для исследовательских и контрольных ра-
бот. Ири реализации комплекса необходимо использовать современные вычислительные средства со специально разработанным программным обеспечением.
К достоинствам данного решения можно отнести такие качества, как мобильность (наземная часть может переноситься даже одним человеком), точность выполняемых расчетов, относительную дешевизну оборудования, а также использование оборудования, которое имеется в свободной продаже на рынке авиационных приборов. К недостаткам комплекса можно отнести необходимость выполнения геодезической привязки во время развертывания на аэродроме.
Иредставляется целесообразным изготовление опытного образца в ближайшее время и его введение в эксплуатацию после завершения соответствующих испытаний.
Литература
1. Радиотехнические системы: Учебное пособие для вузов по спец. «Радиотехника» / Иод ред. Ю.М. Казаринова. - М.: Высш. шк., 1990. - 496 с.
2. ГЛОНАСС. Иринципы построения и функционирования. / Иод ред. А.И. Иерова, В.Н. Харисова. - Изд. 3-е, перераб. - М.: Радиотехника, 2005. - 288 с.
3. Соловьев Ю.А. Системы спутниковой навигации. - М.: Эко-Трендз, 2000. - 270 с.
4. Соловьев Ю.А. Спутниковая навигация и ее приложения. - М.: Эко-Трендз, 2003. -326 с.
5. ЯТСА/БО-253А
Саута Александр Олегович Поляков Владимир Иванович
— Санкт-Иетербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, аспирант, [email protected]
— Санкт-Иетербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, кандидат технических наук, доцент, [email protected]
УДК 004.93
СЕГМЕНТАЦИЯ ИЗОБРАЖЕНИЯ ДЛЯ РАСПОЗНАВАНИЯ ПЕЧАТНЫХ ДОКУМЕНТОВ
З. Хоанг, А.Г. Коробейников
Разработан алгоритм многошкальной сегментации на базе динамической локальной карты связи (ДЛКС) изображения для получения иерархического дерева блоков документов, имеющих сложную структуру (присутствие рисунков, пятен, текстовых символов разных шрифтов и т.д.). Ключевые слова: конференция, распознавание символов, сегментация изображения.
Введение
Хотя коммерческое программное обеспечение для распознавания печатных документов давно появилось и достигло высокой точности, все оно представлено закрытыми системами, используемые в них алгоритмы скрываются.
Как известно, процесс преобразования документов, хранимых в традиционных форматах (газета, книга и т.д.), в текстовый вид производится через многие этапы (дискретизация, бинаризация, подавление шумов, блок-сегментация, извлечение строк и символов, распознавание и т.д.). Цель данной работы - решить одну из задач, встречающихся при обработке изображения для распознавания, а именно - задачу сегментации изображения. В данный момент большинство исследований в области распознавания текста
