Синтез и анализ изображений оптимальных объектов для систем ориентации летательных аппаратов Леухин, Анатолий Николаевич

Введение к работе

Диссертация посвящена исследованию с позиции теории сигналов изображений объек-ов, расположенных на небесной сфере, используемых в целях ориентации летательных ап-іаратов (ЛА), в условиях априорной неопределенности положения оптической оси датчика.

Актуальность темы. Первый эксперимент по съемке участков звездного неба с целью шределения ориентации был проведен в 1967 году на орбитальной станции "Салют". Вопро-;ам цифровой обработки изображений звездного неба для определения ориентации ЛА по-:вящен ряд работ отечественных (Б.В.Анисимов, В.Д.Курганов, В.К.Злобин, Кобзев D.H ^.С.Бурый, С.Н.Михайлов, Я.Л.Зиман, А.В.Кревецкий и др.) и зарубежных авторов П.М.Саломон, Т.А.Главич, Дж.Тоу, Р.Гонзалес, Х.Саламонович, Л.Баритжак, Дж.Мейер и ip.). Бортовой процессор в составе системы ориентации ЛА по изображениям звезд на не-іесной сфере решает задачи формирования цифровой сцены фрагмента небесной сферы; об-гаружения и распознавания изображений объектов в полученной сцене при мешающих воздействиях статистически неоднородного фонового шума и флуктуационных шумов видео-итчика; идентификации и оценки параметров изображения объекта, выбираемого в качестве >риентира; выработки сигналов коррекции траектории ЛА. Развитие элементной базы, по-іьішение требований к быстродействию, надежности и точности ориентации ЛА приводят к іеобходимости совершенствования и поиска оптимальных методов обработки изображений івездного неба. Существующие системы ориентации ЛА по изображениям астроориентиров івляются не оптимизированными по входному сигналу. Поэтому такая система обработки :игналов имеет меньшую эффективность, чем, например, радиолокационная, сигналы для соторой могут быть выбраны наилучшим образом с заданным критерием качества. В связи с ітим представляется актуальным рассматриваемый и исследуемый в диссертации подход к )бработке изображений звездного неба, основанный на синтезе и анализе форм оптимальных >риентиров для решения задач: распознавания ориентира - группового точечного объекта ГрТО); идентификации отдельных его фрагментов; оценки параметров линейных преобра-юваний его формы. Целесообразность поиска оптимальных ориентиров объясняется двумя факторами; такой ориентир обеспечивает наибольшую эффективность решения всех или не-жольких вышеперечисленных задач, а также устраняет необходимость поиска других, более )ффективных, форм объектов для ориентации ЛА.

Отдельно следует отметить актуальность разработки алгоритмов быстрого поиска ква-шоптимальных астроориентиров и идентификации звезд в их составе. Эти алгоритмы долж-іьі обеспечивать высокую скорость обработки изображения и эффективность за счег учета :пецифики анализируемых данных о цифровом поле звезд.

Цель и задачи исследований. Целью диссертации является разработка методов синтеза «ображений оптимальных (квазиоптимальных) ориентиров для систем ориентации ЛА и гнализа их эффективности. Для достижения этой цели в диссертационной работе решаются гледующие задачи:

1. Определение формы вторичных созвездий, оптимальных для распознавания и идентификации составляющих их светил.

2. Синтез и исследование сложных сигналов, эффективных для последовательного решения задач распознавания и оценки параметров.

!. Разработка алгоритмов поиска на небесной сфере оптимальных ориентиров для решения задачи распознавания и оценки параметров. Проведение экспериментов по поиску оптимальных ориентиров на небесной сфере и идентификации светил в их составе на фоне всевозможных созвездий в заданном диапазоне светимостей звезд и ограниченном телесном угле наблюдения.

. Экспериментальное исследование эффективности предложенных алгоритмов поиска оптимальных астроориентиров и идентификации звезд в их составе.

Методы исследований. Для решения поставленных в диссертационной работе задач были использованы методы распознавания образов, цифровой обработки сигналов и изображений, контурного анализа, теории вероятностей, статистического анализа, теории функции комплексного переменного, теории чисел, алгебры гиперкомнлексных чисел, методы математического моделирования.

Научная новизна работы

Показана в общем случае с позиции обработки сигналов некорректность задачи нахождения изображения ориентира, оптимального одновременно для задач распознавания и оценки параметров. Оптимальная для решения задачи распознавания форма вторичного созвездия должна быть простой - в виде правильного многоугольника. Звезды, задающие этот многоугольник, располагаются в его вершинах. Спектр формы правильного многоугольника является монохроматичным, то есть содержит только одну, не равную нулю, спектральнук линию. В качестве количественной меры соответствия произвольного многоугольника правильному введен коэффициент монохроматичности спектра формы созвездия. Оптимальна? для решения задачи оценки параметров форма вторичного созвездия должна быть сложной в виде композиционного контура, обладающего широким равномерным энергетически\ спектром. В качестве количественной меры соответствия произвольного многоугольник, широкополосному введен коэффициент дельтовидности циклической автокорреляционно» функции (АКФ) формы вторичного созвездия.

Разработан алгоритм синтеза сложных сигналов оптимальных по минимаксному кри терию. Получен класс новых оптимальных сигналов со сложной внутренней структурой і кодирующей последовательностью, обладающих равномерным энергетическим спектром.

Сформулирована применительно к ориентации ЛА гипотеза о существовании уникаль пых вторичных созвездий (УВС) - комбинаций звезд, образующих ориентиры оптимальної формы для их распознавания на фоне точечных фигур, образуемых всеми остальными звез дами. Термин "уникальность" вторичного созвездия предполагает высокую степень изоли рованности формы по величине ее коэффициента монохроматичности относительно форі всевозможных созвездий одинаковой размерности. Сформулированы в аналитическом вид условия, при которых вторичное созвездие может быть признано уникальным.

Разработан алгоритм поиска уникальных вторичных созвездий на небесной сфері Экспериментально подтверждено наличие уникальных монохроматических звездных обрг зований на примере шести вторичных созвездий.

Разработан алгоритм поиска уникальных композиционных вторичных созвезди (УКВС) - комбинаций звезд, образующих ориентиры оптимальной формы для решения з.^-дачи идентификации звезд в их составе. Композиционное вторичное созвездие образуется t базе уникального вторичного созвездия путем присоединения дополнительной звезды, ДОС раивающей форму созвездия до сложной. Экспериментально подтверждено наличие уш кальных композиционных вторичных созвездий на небесной сфере.

Разработаны алгоритмы идентификации звезд в составе уникальных композиционнь вторичных созвездий. Оценена эффективность предложенных алгоритмов в условиях во действия координатных флуктуационных шумов и шумов дискретизации.

Практическая ценность работы. Разработанные алгоритмы распознавания астр ориентиров и идентификации звезд в их составе на изображениях могут быть использоваї в бортовых вычислительных системах с целью ориентации при полной априорной neonf деленности положения ЛА. Полученные оптимальные формы изображений ориентиров г зволяют реализовать потенциальные возможности системы ориентации ЛА.

Реализация результатов работы. Результаты работы использованы в следуют НИР (подтверждены актами о внедрении), выполняемых по грантам:

1. "Новые оптимальные сигналы для задач разрешения/распознавания", грант РФС проект №97-01-00196, 1997-98 г.

2. "Интеллектуальные системы ориентации летательных аппаратов па базе систем обработки изображений ориентиров специальной формы, расположенных на подстилающей поверхности или небесной сфере", грант Министерства общего и профессионального образования РФ в области авиационно-космической техники, 1997-98 г.

3. "Оптимальные сигналы в виде форм точечных изображений. Поиск уникальных звездных образований для ориентации летательных аппаратов", грант РФФИ, проект № 99-01-00186,1999-2000 г.

Алгоритмические и программные средства, разработанные в рамках диссертации, используются в учебном процессе Марийского государственного технического университета.

Апробация работы. Результаты работы обсуждались па LII, LIV и LV Научных сессиях, посвященных Дню Радио (Москва, 1997,1999, 2000); на 1-ой Международной конференции и Выставке "Цифровая обработка сигналов и ее применение", (Москва, 1998); на Всероссийской научной конференции "Телекоммуникаїшонио-информациошше системы" (Йошкар-Ола, 1998); на III Всероссийской междисциплинарной научной конференции "Вавиловские чтения" (Йошкар-Ола, 1999); на 1-ой Всероссийской научно-технической конференции "Компьютерные технологии в науке, проектировании и производстве", (Н. Новгород, 1999); на Ш Всероссийской научно-технической конференции "Динамика нелинейных дискретных электротехнических и электропных систем", (Чебоксары, 1999); па IV Международной научно-технической конференции "Оптико-электронные приборы и устройства в системах распознавания образов, обрабопш изображений и символьной информации", (Курск, 1999); на ежегодных научных конференциях по итогам НИР МарГТУ.

Публикации. Всего по теме диссертации опубликовано 28 работ. Из них: 5 работ опубликованы в центральных научно-технических журналах, 11 депонированных работ, 9 работ содержатся в сборниках материалов научных конференций, 3 тезисов доклада на конференции. При участии автора написано 5 отсчетов по НИР.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и одного приложения. Она изложена на 195 страницах (вместе с приложениями), содержит 97 рисунков и 39 таблиц. Список литературы включает 110 наименований.

На защиту выносятся

1. Форма изображения оптимального объекта в качестве сигнала для системы ориентации ЛА при решении задачи распознавания должна иметь дельтовидный спектр и может быть реализована на основе элементарного контура.

2. Форма изображения оптимального объекта в качестве сигнала для системы ориентации ЛА при решении задачи идентификации звезд в его составе должна иметь равномерный спектр и может быть реализована на основе композиционного контура.

3. Алгоритм поиска оптимальных для распознавания астроориенткров по значениям коэффициента монохроматичности спектра формы вторичных созвездий.

4. Алгоритм поиска уникальных композиционных вторичных созвездий по значениям коэффициента дельтовндности циклической АКФ фермы вторичных созвездий.

5. На небесной сфере существуют квазиоптимальные для решения задачи распознавания ориентиры в виде уникальных вторичных созвездий, обладающих высокой степенью монохроматичности формы и сильной изолированностью по величине коэффициента монохроматичности спектра формы от других возможных вторичных созвездий.

6. На небесной сфере существуют квазиоптимальные для решения задачи оценки параметров ориентиры в виде уникальных композиционных вторичных созвездий, отличающихся от других возможных вторичных созвездий максимальным по величине коэффициентом лельтовидности циклической АКФ формы.

7. Результаты исследования эффективности разработанных алгоритмов распознавания УВС и идентификации звезд в составе УКВС.