CC BY
12
СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ, УПРАВЛЕНИЕ И ОБРАБОТКА ИНФОРМАЦИИ
УДК 629.052.9
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-1-3-8
ВОЗМОЖНЫЕ ПОДХОДЫ К ОПРЕДЕЛЕНИЮ ФУНКЦИИ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ RGB ЭТАЛОННОГО И ТЕКУЩЕГО ИЗОБРАЖЕНИЙ ЦВЕТНОЙ ОПТИЧЕСКОЙ КЭСН
А.И. Макаренко, Д.А. Малыхин, В.В. Щербинин
Представлены обобщенные результаты исследований по устранению влияния оптического канала приемника и атмосферы на формирование изображений различных RGB-каналов цветной оптической КЭСН на основе модели прозрачности атмосферы и с помощью специального оптического стенда. Предложен адаптивный подход на основе методов кластерного анализа изображений, позволяющий упростить данную процедуру.
Ключевые слова: корреляционно-экстремальные авиационные навигационные системы, оптические датчики, передаточная функция, влияние атмосферы, цветные изображения, информативный параметр.
Современные высокоточные системы навигации летательных аппаратов (ЛА) базируются на комплексировании инерциальных навигационных систем (ИНС) с системами спутниковой коррекции или с системами навигации по геофизическим полям (ГФП) Земли (корреляционно-экстремальными системами) [1]. Использование для коррекции ИНС спутниковых навигационных систем - достаточно простой и эффективный способ. Однако он имеет ряд недостатков, заключающихся в низкой помехоустойчивости систем коррекции и неавтономности функционирования комплексированной навигационной системы. Этих недостатков лишены корреляционно-экстремальные системы [2, 3], осуществляющие периодическое определение местоположения ЛА в местной системе координат путем сравнения эталонного изображения (ЭИ), которое сформировано заранее по исходной видеоинформации (например, аэро- или космический фотоснимок), с текущим изображением (ТИ), формируемым в полете ЛА. В этом заключается большое преимущество системы навигации по ГФП -
они вычисляют местоположение ЛА относительно реальной поверхности Земли, а не относительно ее математической модели, которая используется в инерциальных и спутниковых системах навигации.
Перспективным направлением развития оптических корреляционно-экстремальных систем навигации (КЭСН) горизонтально летящего ЛА является использование спектральных отражательных характеристик местности для формирования эталонного и текущего изображений местности. Одной из форм использования спектральных отражательных характеристик местности является формирование цветных изображений с применением аддитивной цветовой модели RGB (традиционная и широко распространенная форма цветной фотографии). В этом случае [3, 4] цветные (RGB) текущие изображения формируются на борту ЛА с помощью бортовой цветной видеокамеры, а в качестве изображений, предназначенных для формирования ЭИ, используются цветные (RGB) фотоснимки, полученные с помощью космической или аэро- фотоаппаратуры. Тогда соответствие ТИ для k-й зоны коррекции определенному участку ЭИ той же зоны коррекции устанавливают по экстремуму функционала, связывающего информативные параметры изображений:
R(AX ,Ду )= lj(e(i+Ax)а+Ду) *to0 , (1)
где (Дх ,Ау ) - координаты верхнего левого угла ТИ; )(;+ду ) - значение информативного параметра (7 + Ах )(/ + Ау )-го пикселя ЭИ; ttj - значение информативного параметра ij-го пикселя ТИ.
Информативный параметр (ИП) цветной оптической КЭСН, синтезированный в соответствии с методологией [3] и являющийся инвариантным к суточным изменениям местности - уровню освещенности, спектральному составу падающей радиации и состоянию подстилающей поверхности - представляет собой трехкомпонентный вектор [3, 4]
(гн, дМ=--1-(2)
Со) + Go) +(ь0)
Здесь г, g, b - компоненты вектора (r,g,b) изображения поверхности (где г -Red-цветовая координата модели (системы) RGB; g - Green-цветовая координата модели RGB; b-Blue-цветовая координата модели RGB); r0,g0,b0 -компоненты вектора изображения некоторого эталонного отражателя (например, лист белой бумаги); гн, дн,Ьн - нормированные компоненты вектора.
Теоретические исследования и результаты математического моделирования показывают, что использование КЭСН данного типа для навигации ЛА позволяет уменьшить (по сравнению с черно-белой оптической КЭСН) размеры текущего изображения при сохранении заданных точностных характеристик определения местоположения ЛА: идентифицировать на ТИ площадные помехи (облачность, туманы и др.) и исключить их из
4
корреляционного сравнения эталонного и текущего изображений; синтезировать эталонные изображения одного сезона по фотоснимкам местности другого сезона [5 - 9].
Однако для реализации данных преимуществ цветной оптической КЭСН необходимо учитывать влияние оптического канала приемника и атмосферы на формирования изображений различных каналах (RGB), т.е. фактически определить передаточную функцию:
< flfi} = wnoh(Pll,Pl2,^,Pln)Watm(P21,P22,^,P2fc)fl,hi]' (3)
где ^Пои(•),^пои (•),^пои (•) - передаточные функции приёмника оптического изображения в каналах R,G,B соответственно; ^атм(^),^атм(^),^атм(^) - передаточные функции атмосферы в каналах R,G,B соответственно; (Pn,Pi2,—,Piп) ~ набор параметров, характеризующих приёмник оптического изображения, ^i=(Pn,Pi2'—'Pm); (P2i'P22',,,,P2fc) — набор параметров, характеризующих текущее состояние атмосферы, Р2=(Р21,Р22,,,Р2 fc);
^пои (•)=[^пои (•),^пои (•),^пси (•)].
Алгоритм формирования watm(^) с точностью 5...10 %, которая зависит от коэффициентов прозрачности атмосферы (Р21) и яркости воздушной дымки ((Р22)), предложен в работе [4].
В работах [10 - 12] представлены результаты исследований по формированию И^ПОИ (•) на основе нелинейной математической модели передаточных характеристик фоточувствительных элементов цветного цифрового ФА и с помощью специального оптического стенда, использующего узкополосные тестовые сигналы, формируемые путём пространственного спектрального разложения эталонного широкополосного оптического сигнала дифракционной решеткой, с одновременной регистрацией информации обо всем изучаемом спектральном диапазоне. Точность определения 1/КПОИ(^), полученная в ходе экспериментальных исследований, составила 5...10 %.
Таким образом, теоретически задача определения искомой передаточной функции решена с точностью до 10.15 %.
Однако с практической точки зрения данный путь решения задачи затруднителен, так как:
требует фиксации определенных параметров атмосферы во время съемки;
предполагает определение передаточных функций с помощью специального оптического стенда для каждого приемника оптического изображения (как при формировании текущего, так и при формировании эталонного изображений);
метод является избыточным ввиду того, что используется для определения передаточных функций для всего пространства RGB.
Можно предложить более рациональный подход, заключающийся
в:
выделении в пространства RGB кластеров, в которые группируются векторы (гн, дн,Ьн) эталонного изображения, физически соответствующие фациям (элементарным однородным образованиям, составляющим изображение конкретного аэроландшафта) -
ег
выделении в пространства RGB кластеров, в которые группируются вектора текущего изображения, физически соответствующие фациям (элементарным однородным образованиям, составляющим изображение конкретного аэроландшафта) -
tm
определении угла поворота (а) системы кластеров текущего изображения { г системе кластеров { обеспечивающего минимальную
tm е1
сумму разницы углов между соответствующими срединными векторами кластеров эталонного и текущего изображений.
В таком (адаптивном) подходе величина угла а фактически является ^атм(^>^пои (•).
Для реализации данного подхода необходимо прежде всего разработать робастную процедуру кластеризации векторов RGB изображений местности.
Список литературы
1. Шаповалов А.Б., Солунин В.Л., Костюков В.В. Системы управления, наведения и приводы. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2017. 416 с.
2. Белоглазов И.Н., Джанджгава Г.И., Чигин Г.П. Основы навигации по геофизическим полям. М.: Наука, 1985. 328 с.
3. Щербинин В.В. Построение инвариантных корреляционно-экстремальных систем навигации и наведения летательных аппаратов. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2011. 232 с.
4. Методы и алгоритмы функционирования цветной оптической корреляционно-экстремальных систем навигации летательных аппаратов / В.В. Щербинин, Е.В. Шевцова, Ю.С. Васильева, О.М. Чижевская // Гиро-скопия и навигация. 2012. № 4 (79). С. 34 - 49.
5. Сравнительная оценка точностных характеристик цветных и монохромных оптических КЭСНН ЛА / В.В. Щербинин, Е.В. Шевцова, Г.А. Кветкин, И.О. Дегтярев // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2015. Вып. 11: в 2 ч. Ч. 2. С. 3 - 18.
6
6. Щербинин В.В., Шевцова Е.В., Васильева Ю.С. Предварительные результаты оценки сезонной стабильности информативного параметра цветной оптической КЭСНН ЛА // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2015. Вып. 11: в 2 ч. Ч. 2. С. 19 - 27.
7. Исследование характеристик цветной корреляционно-экстремальной системы навигации и наведения летательного аппарата / В.В. Щербинин, Е.В. Шевцова, Г.А. Кветкин, И.О. Дегтярев // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2016. Вып. 6. С. 103 - 112.
8. Щербинин В.В., Шевцова Е.В., Васильева Ю.С. Предварительные результаты оценки влияния геометрических искажений на точностные характеристики цветной оптической КЭСНН ЛА // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2016. Вып. 6. С. 142 - 146.
9. Исследование точностных характеристик оптических КЭСНН ЛА для нормированных цветных изображений / В.В. Щербинин, Е.В. Шевцова, Г.А. Кветкин, А.А. Калинина // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2016. Вып. 11: в 3 ч. Ч. 3. С. 145 - 153.
10. Разработка программно-аппаратного комплекса полунатурного моделирования функционирования цветной оптической корреляционно-экстремальной системы навигации и наведения / В.В. Щербинин, Г.А. Кветкин, А.В. Пущин, В.А. Скибин // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2016. Вып. 11: в 3 ч. Ч. 3. С. 75 -85.
11. Линеаризация функции преобразования цифрового цветного фотоаппарата для обработки изображений цветной оптической КЭСН / В.В. Щербинин, Г.А. Кветкин, А.В. Пущин, Е.В. Шевцова // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2018. Вып. 3. С. 3 - 11.
12. Модернизация программно-аппаратного комплекса полунатурного моделирования функционирования цветной оптической корреляционно-экстремальной системы навигации и наведения / В.В. Щербинин, Г.А. Кветкин, А.В. Пущин, Е.В. Шевцова // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2018. Вып. 5. С. 3 -11.
Макаренко Алена Игоревна, студентка, Alna.makarenko.99@bk.ru, Россия, Москва, МГТУ им. Н.Э. Баумана,
Малыхин Дмитрий Андреевич, ассистент, dmitriam@,mail.ru, Россия, Москва, МГТУ им. Н. Э. Баумана,
Щербинин Виктор Викторович, д-р техн. наук, старший научный сотрудник, начальник научно-технического отделения, cniiag@cniiag. ru, Россия, Москва, АО «Центральный научно-исследовательский институт автоматики и гидравлики»
7
POTENTIAL APPROACHES TO RGB TRANSFORMATION OF MODEL AND CURRENT COLOUR-VISION OPTICAL CENS IMAGES IDENTIFICATION
A.I. Makarenko, D.A. Malykhin, V.V. Shcherbinin
The paper presents a summary of the study concerned with the elimination of the receiver optical channel and atmosphere influence on images creation in RGB optical CENS channels based on the atmosphere transparency model and with a help of the special optical test bench. An adaptive approach based on the methods of images cluster analysis application is developed in order to simplify this procedure.
Key words: CENS, correlation-extreme aircraft navigation systems, optical sensors, transfer function, atmosphere influence.
Makarenko Alena Igorevna, student, Alna.makarenko.99@bk.ru, Russia, Moscow, Moscow Bauman State Technical University,
Malykhin Dmitry Andreevich, assistant, dmitriam@mail.ru, Russia, Moscow, Moscow Bauman State Technical University,
Shcherbinin Victor Victorovich, doctor of technical sciences, head of research division, cniian@cniiag.ru, Russia, Moscow, JSC «Central Research Institute of Automatics and Hydraulics»
УДК 623.54
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-1-8-14
ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПРИМЕНЕНИЮ КОЭФФИЦИЕНТА ДИНАМИЧЕСКОЙ СВЯЗИ КАК ОДНОГО ИЗ СПОСОБОВ ИДЕНТИФИКАЦИИ ПАРАМЕТРОВ ДИНАМИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ДВИЖЕНИЯ БАЛЛИСТИЧЕСКИХ
ОБЪЕКТОВ
А.А. Кобзарь, Г.И. Ребриков, А.С. Устинов
Описана новая физическая закономерность - статистическое постоянство коэффициентов динамической связи модуля вектора скорости и продольной перегрузки различных головных частей ракет в различных условиях проведения пусков. Предложена математическая модель коэффициента динамической связи, устанавливающая прямую функциональную связь с параметрами движения баллистических объектов в атмосфере. С использованием реальных опытных данных исследованы ее свойства. Описан один из возможных способов определения баллистического коэффициента по результатам экспериментального пуска.
Ключевые слова: баллистический объект, динамическая модель, вход в атмосферу.
В работе [1] изложен метод динамических связей применительно к параметрам головных частей ракет как баллистических объектов (БО). Метод предполагает проведение анализа и оценки летно-технических
