Разработка системы определения координат летательного аппарата на основе совмещения радиолокационной и картографической информации

Актуальность работы. Актуальность данной диссертационной работы связана с общим ходом и тенденциями развития авионики пятого поколения. Резкое повышение сложности и числа решаемых задач, наличие маневренного, информационного и огневого противодействия со стороны противника во многих случаях снижает возможность эффективного выполнения боевого задания при том уровне инструментального, информационного и системного обеспечения, который имел место в авиационных комплексах 80-х годов. Стало очевидным, что увеличение точности вывода ЛА в заданную точку, повышение безопасности полета, обеспечение требуемого уровня боевой эффективности невозможно без комплексного подхода к использованию всех возможных информационных средств.

Появилась необходимость в четкой информационной, индикационной и алгоритмической увязке всех этапов обеспечения жизнедеятельности ЛА с учетом эргономических требований к бортовым системам, накладываемых наличием человека, являющегося главным в процессе управления на всех режимах полета. В этой связи существенное значение приобрела помощь летчику и его разгрузка от вычислительных и многих двигательных операций, т. е. автоматизация процессов пилотирования и управления в условиях ограниченной видимости.

Задача автоматизации требует комплексного подхода к ее решению. Только в этом случае может быть достигнут максимальный результат в увеличении эффективности применения ЛА, способного выполнять задачи по всему миру в дневное и ночное время при неблагоприятной погоде, в различных условиях окружающей среды, включая пустыни и Арктику.

Данная диссертационная работа посвящена созданию системы определения координат местоположения ЛА, изменения маршрутов полетов которых заранее определить невозможно. К таким ЛА можно отнести вертолет и беспилотный летательный аппарат (БПЛА). Такая система может являться одним из средств коррекции навигационных параметров, получаемых от инерциальных навигационных систем (ИНС). Это позволит при пропадании информации от спутниковой навигационной системы (СНС) обеспечить автоматическую коррекцию текущих координат (широты ср, долготы X) на основе методов корреляционно-экстремальной навигации, где в качестве текущей информации используется РЛИ в режиме обзора земной поверхности, а в качестве эталоннойособым образом подготовленная модель РЛИ на базе цифровой карты местности (ЦКМ). Помехозащищенность СНС не достаточно высока, и в случае затенения или отказа СНС корреляционно-экстремальная система навигации (КЭСН) хотя и с меньшей точностью, но может надежно обеспечивать коррекцию счисления координат.

В рамках данной работы рассматривается система определения координат на основе совместной обработки радиолокационной и картографической информации, адаптированная к особому виду представления эталонного изображения, которое формируется из ЦКМ. Важную роль в решении проблемы приведения радиолокационной и картографической информации к сравнимому виду играет использование моделей РЛИ, сформированных по ЦКМ, причем таких которые максимально соответствуют реальному изображению для его наилучшего корреляционного совмещения с текущим РЛИ. Разработаны новые алгоритмы предварительной обработки РЛИ, направленные на выделение радиолокационно-контрастных объектов на фоне подстилающей поверхности, которые позволяют максимально приблизить РЛИ к виду, сопоставимому с картографическим изображением.

Степень разработанности темы. Задача определения координат ЛА на основе совмещения текущего изображения (ТИ) внешнего геофизического поля с эталонным изображением (ЭИ), полученным заранее, известна как задача построения КЭСН. Большой вклад в развитие такого рода систем внесли отечественные ученые Медведев Г. А., Тарасенко В. П., Белоглазов И. Н., Красовский A.A., Чигин Г. П., Алексеев В. И., Козубовский С. Ф., Баклицкий В. К., Юрьев А. Н., Бочкарев A.M.

В настоящее время разработано много КЭСН по геофизическим полям, в качестве которых могут использоваться оптическое, радиолокационное, радиотепловое, магнитное, гравитационное, а также поле рельефа местности.

Основным недостатком подобных систем является то, что для построения ЭИ поля широко используется предварительное картографирование по маршруту полета. В случае использования КЭСН для ЛА определить заранее все возможные маршруты его полета, как правило, невозможно.

Поэтому в данной диссертационной работе рассматривается технология определения координат с помощью КЭСН по полю радиолокационного контраста, в которой ЭИ формируется на основе моделирования РЛИ по ЦКМ. Такой подход является более быстрым и дешевым по сравнению с предварительным радиолокационным картографированием.

Известны попытки создания систем совмещения радиолокационной и картографической информации (патент 1Ш 2 231 082 С2). Однако в данных системах не решалась задача определения географических координат летательного аппарата, а выполнялось только совместное отображение РЛИ на фоне ЦКМ.

Основное содержание настоящей диссертации составляет разработка технологий, алгоритмов и программного обеспечения системы определения координат на основе совмещения РЛИ и модели РЛИ, полученной по ЦКМ.

Цель диссертации состоит в разработке системы определения координат для навигационного комплекса ЛА на основе совместного использования радиолокационной и картографической информации, позволяющей обеспечить увеличение надежности автономного определения навигационных параметров, и повышения эффективности действий экипажа в условиях ограниченной видимости.

Задачи. Для достижения поставленной цели решаются следующие основные задачи: системный анализ методов определения координат в системах навигации.

ЛАразработка направлений использования цифровой картографической информации для уточнения координат ЛАразработка алгоритмов предварительной обработки информации, позволяющей повысить надежность корреляционного совмещения РЛИразработка алгоритмов и технологий использования информационных признаков РЛИ для вычисления географических координат ЛАразработка технологий хранения и доступа к эталонной информации, находящейся на борту ЛА в процессе выполнения полетного заданияпроектирование программной системы определения координат ЛА, способной функционировать на бортовых вычислительных системах с необходимыми временными характеристиками.

Научная новизна диссертации определяется тем, что в ней впервые выполнена разработка системы автономного определения географических координат на основе совместного использования РЛИ от бортовой радиолокационной станции (БРЛС) ЛА и модели РЛИ, полученной с использованием ЦКМ.

На защиту выносятся следующие новые научные результаты: технология определения координат ЛА на основе сопоставимых информационных признаков РЛИ, полученного от БРЛС и признаков ЭИ, полученного путем моделирования по ЦКМ, характеристикам БРЛС и навигационным параметрам ЛАалгоритмы фильтрации текущего и эталонного РЛИ, основанные на использовании симметричного оператора с весовыми коэффициентами, обеспечивающие повышение производительности работы бортовых вычислительных системалгоритмы сегментации текущего и эталонного РЛИ, основанные на использовании градиентного оператора, позволяющие выделять на изображении границы сегментов, и, совместно с фильтрацией обеспечить выделение на РЛИ информативных участков, повышающих коррелированность текущего и эталонного РЛИалгоритмы определения признаков РЛИ на основе инвариантных моментов и корреляционного совмещения текущего и эталонного РЛИ, позволяющие повысить производительность работы системы определения координат и надежно исключить ложные результаты совмещения при аномальных ошибках ИНСархитектура бортовой СУБД и алгоритмы поиска эталонной информации по текущим навигационным параметрам с помощью индексов, основанных на бинарных деревьях.

Практическая ценность работы состоит в том, что в ней предложены технология, алгоритмы и программная реализация системы определения координат местоположения ЛА на основе совмещения текущего и эталонного РЛИ, а также технология получения эталонного РЛИ, путем моделирования по ЦКМ. Данная система позволяет выполнять экспериментальные исследования алгоритмов определения координат в условиях различной местности, которая отражается на ЦКМ, и для различных параметров БРЛС, осуществляющей обзор земной поверхности впереди ЛА.

Реализация и внедрение. Диссертация выполнена в Рязанском государственном радиотехническом университете в рамках НИР 4−03, 4−04, 6−05, 3−06.

Результаты диссертационной работы внедрены в Научно-конструкторском центре видеокомпьютерных технологий (НКЦ ВКТ) ФГУП «Государственный рязанский приборный завод» в виде алгоритмов, реализующих информационную технологию определения координат местоположения ЛА.

Разработанные в процессе работы над кандидатской диссертацией программные средства «Система управления базами данных для навигационных комплексов летательных аппаратов» внедрены в учебном процессе кафедры электронных вычислительных машин Рязанского государственного радиотехнического университета и используются студентами направления 230 100 специальности «Информатика и вычислительная техника» в курсах «Базы данных», «Офисные и геоинформационные системы» и специальности 90 102 «Компьютерная безопасность» в курсе «Системы управления базами данных».

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на 2-х международных научных конференциях: 14-й международной научно-технической конференции «Проблемы передачи и обработки информации в сетях и системах телекоммуникаций» (Рязань, 2005, 2 доклада) — 5-ой международной научнотехнической конференции «Электроника и информатика 2005» (Москва, 2005, 1 доклад).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 работ: 5 статей, 3 тезиса докладов на международных научно-технических конференциях и одно свидетельство об отраслевой регистрации разработки.

Личный вклад соискателя в опубликованных материалах состоит в следующем:

— работа [36] выполнена без соавторов;

— в работе [37] соискателем предложена технология приведения радиолокационной и картографической информации к сравнимому виду;

— в работе [40] соискателем разработаны и исследованы алгоритмы фильтрации РЛИ с помощью операторов с симметричной весовой функцией;

— в работе [59] соискателем разработаны и исследованы алгоритмы выделения границ сегментов на РЛИ с помощью градиентных операторов;

— в работе [60] соискателем предложены и исследованы алгоритмы предварительной обработки РЛИ с целью их совмещения с моделью РЛИ, полученной с использованием ЦКМ;

— работа [61] выполнена без соавторов;

— в работе [74] соискателем предложена технология совмещения РЛИ, полученного от БРЛС с моделью РЛИ, полученной с использованием ЦКМв работе [75] соискателем разработаны и исследованы алгоритмы совмещения РЛИ на основе инвариантных моментов;

— в работе [76] соискателем разработана архитектура бортовой СУБД и алгоритмы доступа к информации, основанные на бинарных деревьях.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4-х глав, заключения, списка используемых источников и приложения. Основной текст работы содержит 144 стр., 34 рисунка и 11 таблиц.

Список используемых источников

на 7 стр. включает 79 наименований. В приложении на 3 стр. приведены документы о внедрении и практическом использовании результатов диссертации и свидетельство об отраслевой регистрации разработки.

Основные результаты работы состоят в следующем:

1. Разработана технология определения координат ЛА на основе сопоставимых информационных признаков РЛИ, полученного от БРЛС переднего обзора земной поверхности и признаков ЭИ, полученного путем моделирования РЛИ по ЦКМ, параметрам БРЛС и навигационным параметрам ЛА.

2. Разработаны алгоритмы фильтрации текущего и эталонного РЛИ, основанные на использовании симметричного оператора с весовыми коэффициентами, обеспечивающие выделение на РЛИ полезного сигнала со значительной степенью шумовой фильтрации и с достаточным быстродействием.

3. Разработаны алгоритмы сегментации текущего и эталонного РЛИ, основанные на использовании градиентного оператора, позволяющие выделять на изображении границы сегментов и обеспечивающие коррелированность текущего и эталонного РЛИ.

4. Разработана технология получения ЭИ, основанная на использовании методики моделирования РЛИ по ЦКМ, параметрам БРЛС и положению ЛА в пространстве.

5. Разработан алгоритм корреляционного совмещения текущего и эталонного РЛИ на основе инвариантных моментов. Для данного алгоритма разработаны пути повышения надежности совмещения и производительности.

6. Разработана архитектура бортовой СУБД и алгоритмы доступа к данным на основе бинарных деревьев. Разработана БД ЭИ, позволяющая хранить информацию для работы КЭСН и алгоритмы поиска БД по текущим навигационным параметрам. Для хранения информации о маршруте, содержащем 100 участков коррекции ИНС, в данной БД требуется 15 464 килобайта.

7. Выполнена экспериментальная оценка точности определения координат с помощью данной системы. Максимально возможная точность составляет 55,9 метров.

8. Разработана программная система определения координат, позволяющая выполнять экспериментальные исследования надежности, точности и быстродействия разработанных алгоритмов.

Данное программное обеспечение внедрено в НКЦ ВКТ ФГУП «Государственный рязанский приборный завод».

Программные средства «Система управления базами данных для навигационных комплексов летательных аппаратов» внедрены в учебном процессе кафедры электронных вычислительных машин Рязанского государственного радиотехнического университета и используются студентами направления 230 100 специальности «Информатика и вычислительная техника» в курсах «Базы данных», «Офисные и геоинформационные системы» и специальности 90 102 «Компьютерная безопасность» в курсе «Системы управления базами данных».

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.