Введение к работе
Актуальность работы. Современный этап развития космических средств мониторинга поверхности Земли характеризуется продолжающимся ростом числа и многообразия космических аппаратов, выводимых на низкие околокруговые, полярные, геостационарные и эллиптические орбиты. Свыше 15 стран располагают собственными космическими аппаратами с системами дистанционного зондирования поверхности Земли, а общее число одновременно функционирующих спутников достигает нескольких десятков.
Основные направления и практические задачи, стоящие перед оптико-цифровыми системами дистанционного зондирования поверхности Земли, являются:
-
Мониторинг состояния окружающей среды;
-
Обеспечение производства и воспроизводства;
-
Обеспечение требуемой эффективности и качества военной и гражданской техники;
4. Обеспечение безопасности во всех сферах деятельности.
Использование дистанционного зондирования поверхности Земли в
оптическом диапазоне длин волн позволяет получать информацию как о географических и геофизических ее параметрах, так и о техногенных процессах, происходящих на земной поверхности, что повышает ценность этой информации. Оно осуществляется методами маршрутной, объектовой, стереоскопической, статической, динамической, топографической и спектрометрической съемки в панхроматическом и мультиспектральном режимах.
Создание высокоточных и надежных космических оптико-цифровых систем является многоэтапным и многофакторным процессом. Следует отметить, что научно-технические проблемы, возникающие при этом, требуют необходимости проведения большого объема теоретических и экспериментальных исследований, проектирования, производства и испытаний, максимально обеспечивающих формирование космических комплексов, отвечающих реальным условиям их эксплуатации, что приводит к значительным срокам разработки. Основная трудность при проектировании сложных систем заключается в том, что теоретически они являются симбиозом ряда областей наук, таких как физика, специальные разделы математики, теория систем, теория информации, физическая и прикладная оптика, теория управления, теория измерений и т.д. Возрастание объема и детализации информации при дистанционном зондировании поверхности Земли приводят к неоправданному росту стоимости создания и эксплуатации средств получения спутниковой информации, а при летно-конструкторских испытаниях параметры всей системы проверить не реально. Выход из создавшейся ситуации лежит в применении совокупности методов и средств математического моделирования на компьютере при проведении всех видов сопутствующих работ, позволяющие обеспечить принятие оптимального схемотехнического решения с последующей его реализацией. Для интерпретации его результатов привлекаются виртуальные технологии, обеспечивающие «погружение» исследователя в моделируемое явление. В свою
очередь, это стимулирует развитие нового класса (без проведения «летно-конструкторских испытаний») вычислительного компьютерного эксперимента -виртуального полигона, основанного на методологии математического моделирования.
Предметом исследования является технология создания виртуального полигона применительно к задачам для исследования оптико-цифровых систем дистанционного зондирования поверхности Земли.
Целью работы является создание виртуального полигона для оценки функционально-параметрических показателей оптико-цифровых систем дистанционного зондирования поверхности Земли, как на этапе проектирования, так и на этапе испытаний.
Задачи исследования. Достижение поставленной цели подразумевает решение следующих задач:
Анализ принципов построения виртуального полигона для математического моделирования систем дистанционного зондирования поверхности Земли в реальных условиях эксплуатации.
Разработка архитектуры виртуального полигона.
Анализ, выбор и реализация методов математического моделирования применительно к системам дистанционного зондирования поверхности Земли.
Формирование динамических сцен на виртуальном полигоне.
Демонстрация работоспособности виртуального полигона на примере моделирования съемки поверхности Земли для проверки правильности функционально-параметрических показателей состояния системы. Методы исследования включают в себя разделы математического
моделирования, математической физики, оптики, теории систем, теории информации, теории управления, теории измерений, методы теории вероятности, математической статистики, анализа алгоритмов и программ, обработки изображений, а также научной визуализации.
Научную новизну результатов работы определяют:
Алгоритм оценки текущих функционально-параметрических показателей систем дистанционного зондирования поверхности Земли на виртуальном полигоне в реальном масштабе времени на этапе испытаний.
Алгоритм прогнозирования функционально-параметрических показателей систем дистанционного зондирования поверхности Земли на виртуальном полигоне на этапе проектирования.
Практические результаты работы составляют:
Комплект эксплуатационной документации на программное обеспечение виртуального полигона.
Виртуальный полигон, функционирующий на программно-аппаратном комплексе ЗАО «НПФ «ИнфоСистем-35» реализованный в КИС ОАО «ЛОМО».
На защиту выносятся следующие положения:
Алгоритмы оценки функционально-параметрических показателей оптико-цифровых систем дистанционного зондирования поверхности Земли как на этапе создания так и на этапе испытаний.
Результаты моделирования системы дистанционного зондирования поверхности Земли на виртуальном полигоне.
Достоверность научных результатов и выводов определяется корректностью использования математического аппарата, и подтверждается результатами компьютерного моделирования.
Внедрение результатов работы. Результаты работы были использованы компаниями ООО «ЛОМО МЕТЕО», 000 «АвтоВизус», а также внедрены в учебный процесс на кафедрах ОЦСиТ и ИПМ НИУ ИТМО.
Апробация работы. Изложенные в диссертации результаты обсуждались на 7 международных и российских научных конференциях и конгрессах:
- XXXIX Научной и учебно-методической конференции Санкт-
Петербургского государственного университета информационных технологий,
механики и оптики, г. Санкт-Петербург, 2010 г.;
XL Научной и учебно-методической конференции Санкт-Петербургского национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики, г. Санкт-Петербург, 2011 г.;
VIII Всероссийской межвузовской конференции молодых ученых Санкт-Петербургского национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики, г. Санкт-Петербург, 2011 г.;
Международном конгрессе по интеллектуальным системам и информационным технологиям IS&IT'11, г. Геленджик-Дивноморское, 2011 г.;
VII Международной конференции молодых ученых и специалистов «Оптика-2011», г. Санкт-Петербург, 2011 г.;
XLI Научной и учебно-методической конференции Санкт-Петербургского национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики, г. Санкт-Петербург, 2012 г.;
III Молодежной научно-технической конференции «Инновационный арсенал молодежи 2012», г. Санкт-Петербург, ФГУП «КБ «Арсенал» имени М.В. Фрунзе», 2012 г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ (из них 2 - в изданиях из перечня ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, рекомендованных ВАК РФ).
Личный вклад автора. В ходы выполнения диссертационной работы автором лично был выполнен аналитический обзор в проблемной области диссертационной работы, по известным математическим моделям спроектированы объекты-модели дистанционного зондирования поверхности Земли, описаны принципы формирования виртуального полигона. Проведены серии компьютерных экспериментов и интерпретация их результатов.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и перечня сокращений.
