Введение к работе
Актуальность работы. Актуальность диссертационной работы обусловлена интенсивным развитием современных радиолокационных средств, устанавливаемых на пилотируемых летательных аппаратах, внедрением единой цифровой вычислительной среды в авионике, а также общими тенденциями разработки алгоритмов и методов комплексирования информации об окружающей обстановке от различных бортовых источников с целью обеспечения безопасности полета и повышения боевой эффективности.
В настоящее время бортовые авиационные радиолокационные станции (БРЛС) позволяют производить видовую разведку, селекцию и автосопровождение подвижных и стационарных объектов, обнаружение скрытых целей, анализ изменений в заданной области пространства; в перспективе - автоматическое распознавание объектов, радиолокационную видеосъемку. Всепогодность, независимость от времени суток и условий видимости, возможность получения изображений сцен, скрытых от глаз наблюдателя сделали БРЛС одним из важнейших источников информации об окружающей обстановке.
Большая часть задач БРЛС связана с использованием радиолокационных изображений (РЛИ) участков земной поверхности. В ряде случаев информативность РЛИ оказывается недостаточной для безошибочной географической привязки зоны обзора и идентификации объектов местности, расположенных в ее пределах, оператором БРЛС, что вызвано двумя основными группами факторов. Первая группа связана с особенностями функции отражения подстилающей поверхности, и включает в себя такие явления, как идентичное отображение на РЛИ физически различных объектов, неразличимость ряда объектов на фоне земли, существенные различия РЛИ одного и того же участка местности, полученных с разных ракурсов. Вторая группа факторов обусловлена особенностями обработки траєкторного сигнала современными БРЛС высокого разрешения и проявляется в геометрических искажениях РЛИ.
Бурное развитие геоинформатики, начавшееся в конце 20 века и обусловленное повсеместным внедрением компьютерных технологий, привело к широкому применению геоинформационных систем (ГИС) в разнообразных сферах человеческой деятельности. Основным назначением ГИС является использование заранее известных, априорных геопространственных данных с целью получения новой информации и знаний на их основе.
Применение современных геоинформационных технологий в составе авиационных БРЛС позволит существенно повысить информативность РЛИ и эффективность их анализа (как визуального, оператором БРЛС, так и автоматического, с помощью методов цифровой обработки изображений),
производить геометрическую коррекцию РЛИ высокого разрешения, осуществлять автономную коррекцию навигационных параметров в случае отсутствия информации от спутниковой навигационной системы. Однако реализация данного подхода связана с рядом трудностей. Наиболее существенной из них является необходимость адаптации разрабатываемой ГИС к условиям низкопроизводительных бортовых вычислительных машин. Кроме того, необходимо произвести интеграцию разрабатываемой системы с уже существующим комплексом программного обеспечения БРЛС, удовлетворяющим требованиям бортовых вычислителей, без доработки аппаратной части.
Настоящая диссертационная работа выполнена в рамках программы по модернизации авиационных комплексов четвертого поколения и посвящена разработке геоинформационного обеспечения современных БРЛС высокого разрешения.
Степень разработанности темы. Идея совмещения РЛИ с картами местности возникла достаточно давно, а реализующие ее системы развиваются параллельно с эволюцией аппаратных средств. Первая система совмещения содержала последовательно соединенные блок телевизионной камеры с картой местности района РЛИ, выполненной на бумажной основе, устройство масштабирования, видеосмеситель и телевизионный индикатор. Данная система имела низкие эксплуатационные характеристики в связи с необходимостью ручного выбора карты участка подстилающей поверхности района РЛИ.
С появлением цифровых вычислительных машин и цифровых карт местности (ЦКМ) стало возможным автоматическое формирование карты участка зоны обзора по параметрам БРЛС и навигационной системы. Однако в условиях остававшихся аналоговыми РЛС системы совмещения РЛИ и ЦКМ представляли собой довольно сложные аппаратные решения, содержащие специализированную цифровую вычислительную машину (СЦВМ) (специально для формирования кадров ЦКМ и их синхронизации с РЛИ), видеопроцессоры ЦКМ и РЛИ, блок сопряжения, аналого-цифровой и цифро-аналоговый преобразователи (АЦП и ПАП), видеосмеситель. Отдельно стоит отметить сложность синхронизации кадров РЛИ и ЦКМ при использовании подобных систем, поскольку для этого требуется синхронизировать работу видеопроцессоров, преобразователей и развертки телевизионного сигнала.
С переходом на цифровую обработку сигналов БРЛС возникла возможность программной реализации алгоритмов совмещения РЛИ с ЦКМ без привлечения каких-либо дополнительных аппаратных средств. Также с данным этапом развития аппаратной базы связано появление различных методов комплексирования радиолокационной информации с информацией от других бортовых источников, в том числе и ЦКМ. Однако до сих пор основным назначением подобных решений являлась поддержка навигации, а реализующие их алгоритмы входили в состав программного обеспечения
навигационных комплексов. В отечественных БРЛС геоинформационное обеспечение не использовалось.
Основное содержание настоящей диссертационной работы составляет разработка методологии и алгоритмов использования геопространственных данных в составе современных авиационных БРЛС высокого разрешения. Предлагаемые технические решения направлены на повышение информативности РЛИ и поддержку принятия решений оператором бортового радиолокатора.
Целью диссертации является повышение эффективности решения задачи обзора земной поверхности БРЛС пилотируемого летательного аппарата (ЛА) за счет использования геопространственных данных путем ввода в состав БРЛС интегрированной ГИС.
Задачи. Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:
анализ основных функций бортовых ГИС ЛА для выявления основных направлений применения геопространственной информации в составе современной БРЛС высокого разрешения;
определение структуры бортовой ГИС;
разработка алгоритмов совмещения РЛИ и ЦКМ;
разработка методики оценки информативности РЛИ и ЦКМ;
разработка алгоритмов устранения геометрических искажений РЛИ;
разработка алгоритмов устранения ошибок совмещения РЛИ и ЦКМ, а также автономной корректировки координат ЛА;
экспериментальное исследование предложенных методик и алгоритмов геоинформационного обеспечения.
Научная новизна диссертации определяется тем, что в ней впервые выполнена разработка многофункциональной ГИС, предназначенной для применения в составе современной БРЛС высокого разрешения и использующей геопространственную информацию на различных этапах функционирования бортового радиолокатора.
На защиту выносятся следующие научные результаты:
структура интегрированной ГИС в составе БРЛС высокого разрешения, предназначенной для повышения информативности РЛИ и поддержки принятия решений оператором в условиях низкопроизводительной бортовой вычислительной системы;
новая методика оценки информативности РЛИ при их сопоставлении с ЦКМ, в отличие от известных оперирующая как метрическими, так и семантическими данными об объектах местности;
алгоритм встроенной геометрической коррекции РЛИ на этапе формирования, позволяющий устранить присущие им геометрические искажения за счет использования данных о рельефе местности;
алгоритм текстурной сегментации РЛИ высокого разрешения, основанный на использовании марковской сегментации и обладающий повышенной эффективностью за счет определения и использования
необходимых априорных статистических данных на основе соответствующего кадра цифровой карты;
алгоритм автоматической привязки радиолокационного и
картографического изображений на основе сопоставимых информационных
признаков с последующим определением текущих координат и истинного
курса летательного аппарата.
Практическая ценность работы состоит в том, что в ней предложены структура, алгоритмы функционирования и программная реализация интегрированной ГИС в составе БРЛС ЛА. На основе результатов диссертационной работы появляется возможность повышения эффективности решения задачи обзора земной поверхности БРЛС пилотируемого ЛА за счет использования геопространственных данных на различных этапах функционирования, включая формирование РЛИ участка земной поверхности, его индикацию, а также коррекцию пространственного рассогласования с ЦКМ с последующим определением ошибок местоположения и истинного курса ЛА.
Реализация и внедрение. Результаты диссертационной работы внедрены в научно-исследовательском институте радиоэлектронных комплексов ОАО «НИИРЭК» и научно-техническом центре ОАО «НТЦ «Завод Ленинец» в виде алгоритмов и методик, реализующих ГИС в составе специального программного обеспечения БРЛС авиационных комплексов четвертого поколения.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях:
16-й Международной научно-технической конференции «Радиолокация, навигация, связь» (Воронеж, 2010 г);
5-й, 6-й и 7-й Международных молодежных научно-технических конференциях «Современные проблемы радиотехники и телекоммуникаций» (Севастополь, 2009, 2010 и 2011 гг);
15-м Юбилейном Международном молодежном форуме «Радиоэлектроника и молодежь в XXI веке» (Харьков, 2011 г);
3-й Общероссийской научно-практической конференции «Инновационные технологии и технические средства специального назначения» (Санкт-Петербург, 2010 г);
межвузовской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Системы управления и передачи информации» (Санкт-Петербург, 2009 г);
6-й открытой научно-практической конференции учащихся, студентов и аспирантов «Информационные технологии в области науки и техники» (Санкт-Петербург, 2008 г).
Публикации. По теме диссертации самостоятельно и в соавторстве опубликовано 12 работ: 2 статьи в изданиях из перечня ВАК РФ, 8 материалов докладов на научно-технических конференциях (в том числе 5 международных), один отчет о НИР и одно свидетельство о регистрации
программы для ЭВМ в Федеральной службе по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам (Роспатент).
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 3-х глав, заключения, списка источников и приложения. Основной текст работы содержит 147 страниц, 56 рисунков и 6 таблиц. Список источников на 9 страницах состоит из 85 наименований. В приложении на 3 страницах представлены документы о внедрении и практическом использовании результатов диссертации и свидетельство о регистрации программы для ЭВМ в Федеральной службе по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам.
