Обзорная информационная система беспилотного летательного аппарата экологического мониторинга прибрежных районов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.01, кандидат технических наук Ле Ки Биен

• Ле Ки Биен
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Ле Ки Биен

Введение Автоматизированный комплекс экологического мони- g торинга на базе БПЛА

Обоснование целесообразности БПЛА вертолетного типа для

1.1. экологического мониторинга прибрежных районов заповедника 8 КАТ-БА Вьетнама

1.2. Состав АКЭМ

1.3. Основные задачи АКЭМ

1.4. Основные тенденции развития АКЭМ

1.5. Бортовой комплекс аппаратуры

1.6. Передвижной наземный (судовой) пульт управления 16 1.7 Работа АКЭМ 16 1.8. Контрольно-проверочная аппаратура

Выводы по разделу 1 17 ^ Обзорная информационная система (ОИС) БПЛА эколо- ^ гического мониторинга

Основные сведения об обзорных информационных системах

2Л' БПЛА

2 ^ Обобщенная структура и состав обзорной информационной ^q системы

2.3. Сравнительный анализ информационных каналов (ИК) ^ Исследование особенностей сигналов, отражённых от покровов ^ естественного и искусственного происхождения

2.4.1. Объекты, подлежащие обнаружению локатора ОИС

Методика расчёта эффективной площади рассеяния (ЭПР)

2.4.2. локационных объектов с заданными параметрами локатора 28 ОИС

2.4.3. Статистические признаки отряженных сигналов

2.4.3.1. Амплитудные признаки

2.4.3.2. Временные признаки

2.4.3.3. Поляризационные признаки

2.4.3.4. Пространственные признаки 45 Выводы по разделу Исследование влияния метеорологических условий на ^ дальность обнаружения заданных объектов

3.1. Радиолокационный канал

3.1.1. Энергетический расчёт дальности

3.1.2. Выбор длины волны излучения

3.1.3. Количественная оценка влияния затухания радиоволн на 56 дальность обнаружения заданных объектов

3.1.4. Методика статистического расчёта дальности обнаружения

3.2. Лазерный канал

3.3. Инфракрасный канал

3.3.1. Энергетический расчёт дальности

3.3.2. Затухание инфракрасного излучения в атмосфере 66 Выводы по разделу Особенности работы (экологического мониторинга) ^^ БПЛА в условиях заповедника КАТ-БА

4.1. Обзор способов приведения БПЛА к заданным объектам

4.2. Построение эталонной карты 72 ^ Учёт корреляции отражательных (излучающих) свойств ^ ' ' однородных покровов

4.4. Модель погрешностей бортового локатора ОИС ^ Критерии оценки качества определения местонахождения ^ БПЛА по данным локатора ОИС , Моделирование задачи определения местоположения БПЛА ог.

4.0. глллг^ по данным локатора ОИС

• ^ ^ Оценка качественных показателей определения местонахож- g ^ дения БПЛА в зоне мониторинга

Построение эталонных РЛ карт зоны экологического мони-4.8. торинга для различных параметров локатора ОИС и дистан- 93 ции наблюдения д Выбор порога бинарной обработки сигналов бортового ло- ^ катора

4.10. Исследование влияния величины порога обнаружения

• 4 11 Исследование влияния величины порога обработки при фор- ^ ^ мировании эталонной карты ^ ^ ^ Особенности функционирования обзорных информационных ^^ систем БПЛА вблизи береговой черты

Выводы по разделу

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Обзорная информационная система беспилотного летательного аппарата экологического мониторинга прибрежных районов»

Оперативное обследование больших площадей и протяженных участков земной, водной поверхности, в том числе для экологического мониторинга, производится с помощью авиационных средств - самолетов, вертолетов. В мире в последнее время интенсивно развиваются направления по использованию беспилотных летательных аппаратов (БПЛА). Эти аппараты обладают, рядом преимуществ, не требуют специально подготовленных аэродромов, они сравнительно недороги, и не связаны с риском для личного состава. Наибольшее развитие распространение в мире получили БПЛА самолетного типа [59,62].

Многие страны мира занимаются созданием и внедрением БПЛА вертолётного типа для экологического мониторинга. Особенностью БПЛА вертолётного типа является возможность обеспечения вертикального взлёта и посадки, что определяет их основные преимущества (по сравнению с БПЛА самолётного типа).

Для экологического мониторинга прибрежных районов в России на российских судах экологического патрулирования используется БПЛА самолетного типа. Однако они не могут пройти в районы мелководья и районы, заросшие тростником и другими растениями, которые характерны для Вьетнамского национального заповедника КАТ-БА [60].

Во Вьетнаме проводятся исследования возможности и технических путей создания соответствующих, автоматизированных комплексов экологического мониторинга (АКЭМ) на базе БПЛА [64]. Один из наиболее сложных вопросов этой работы является создание эффективной бортовой обзорной информационной системы (ОИС) БПЛА вертолётного типа для экологического мониторинга. Поиску путей решения этой актуальной для Вьетнама задачи посвящена настоящая диссертационная работа.

Целью диссертационной работы является исследование возможности и технических путей создания ОИС БПЛА вертолётного типа для экологического мониторинга прибрежных районов Вьетнамского национального заповедника КАТ-БА.

Для достижения цели, поставленной в работе, необходимо решить следующие основные задачи:

- определить состав АКЭМ и функциональные связи ОИС БПЛА вертолётного типа для экологического мониторинга прибрежных районов;

- на основе сравнительного анализа выбрать информационные каналы и признаки сигналов для решения задач экологического мониторинга;

- исследовать особенности работы обзорной информационной системы (ОИС) БПЛА экологического мониторинга прибрежных районов Вьетнамского национального заповедника КАТ-БА.

Методы исследования базируются на теории вероятностей, теории радио и оптической локации, статистическом моделировании.

Научные положения, выносимые на защиту

1. Обоснование целесообразности использования БПЛА вертолетного типа и создания АКЭМ на основе БПЛА вертолетного типа для экологического мониторинга прибрежных районов заповедника КАТ-БА Вьетнама.

2. Рекомендации по выбору информационных каналов (ИК) и признаков отражённых сигналов на основе сравнительного анализа для решения задачи экологического мониторинга

3. Методика прогнозирования возможной зоны и дальности обнаружения, селекции и классификации заданных объектов при составлении полётного задания БПЛА.

4. Методика определения местоположения БПЛА экологического мониторинга по информации локатора обзорной информационной системы.

5.Методика обнаружения и классификации заданных объектов вблизи береговой черты.

Достоверность научных положений и практических рекомендаций базируется на корректной постановке общих и частных задач, использовании известных фундаментальных теоретических положений, достаточном объёме статистического моделирования и экспериментальном материале исходных данных для численных оценок достижимых качественных показателей.

Практическая ценность работы состоит в том, что все полученные результаты и рекомендации могут быть использованы, а ряд из них уже используется на практике. Практическая значимость результатов диссертационной работы заключается в том, что предложена методика моделирования, позволяющая оценить влияние параметров ОИС на качество экологического мониторинга прибрежных районов заповедника КАТ-БА. Предложенная ОИС на базе БПЛА для экологического мониторинга и охраны национального заповедника КАТ-БА позволит улучшить наблюдение за охраняемой территорией. Ожидаемый экономический эффект от её использования более 52000 американских долларов ежегодно.

Реализация результатов работы. Разработанный пакет прикладных программ определения местоположения БПЛА экологического мониторинга по информации локатора ОИС. Методика обнаружения и классификации заданных объектов вблизи береговой черты, используются в учебном процессе по курсу «Проектирование систем управления летательными аппаратами» и курсу «Информационные каналы систем управления» в Балтийском государственном техническом университете «ВОЕНМЕХ» им. Д.Ф. Устинова.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на:

- пятой российской научно-технической конференции «Современное состояние и проблемы навигации и океанографии Н0-2004», (СПб, 10-12 марта 2004 г.).

- научно-техническом семинаре кафедры систем обработки информации и управления БГТУ им. Д.Ф. Устинова (СПб, 15 апреля, 28 октября 2004 г.),

- научно-техническом семинаре НТО «Судостроение», секция «Радиоэлектронное вооружение кораблей» (СПб, 1 ноября, 2004 г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано: 5 статьей, 1 тезисов докладов и получен патент на изобретение.

Структура и объём диссертационной работы. Поставленные задачи определили структуру работы, которая состоит из введения, 4 разделов, заключения, списка используемой литературы из 65 наименований, 3-х приложений. Основная часть

Заключение диссертации по теме «Системный анализ, управление и обработка информации (по отраслям)», Ле Ки Биен

Выводы

1. Обзор способов приведения БПЛА к наземным стационарным объектам или зонам обследования при экологическом мониторинге показал, что при отсутствии спутниковой коррекции ошибки приведения БПЛА становятся столь большими, что обеспечить условия обнаружения заданной точки с достаточной точностью невозможно. В такой ситуации необходимо использовать информацию локатора ОИС для уточнения текущего местоположения БПЛА.

1.1. Исследование возможности определения местоположения БПЛА по данным локатора ОИС показывало тенденцию возрастания запаса достоверности при увеличении зоны осматриваемой бортовым локатором ОИС.

1.2. Качественные показатели определения местоположения БПЛА по данным ОИС практически не зависят от величины ошибки предварительного выведения в заданную точку в исследованных пределах от 20x20 до 40x40 элементов разрешения (соответственно от 200x200м до 400x400м). Однако запас достоверности при увеличении зоны ошибок (зоны неопределенности) снижается при ее увеличении, что свидетельствует о возможности фиксировать ложный экстремум при ее увеличении.

1.3.Пропорциональное изменение контраста интенсивности отраженного сигнала не влияет на качественные показатели определения местоположения зоны измерений (привязки к карте).

1.4. Изменение интенсивностей отражений отдельных элементов в диапазоне до 40дб практически не сказываются на качественных показателях определения местоположения БПЛА для рассматриваемого случая (при условии, что средняя круговая ошибка в пределах 1 -2 элемента разрешения).

1.5. Пространственные флуктуации интенсивности отраженных сигналов более существенно влияют на ошибки определения местоположения БПЛА. В данном случае допустимы пространственные флуктуации в пределах не более 30м (при условии, что средняя круговая ошибка в пределах 1-2 элемента разрешения).

1.6. Влияние возрастания амплитудных флуктуаций при наличии пространственных флуктуаций оказывает более сильное отрицательное влияние на качественные показатели определения местоположения БПЛА. Для рассматриваемых параметров при диапазоне угловых флуктуаций 20м допустимы флуктуации амплитуды не более 40Д6 (при средней круговой ошибке 1-3 элемента разрешения).

1.7. Исследование влияния величины порога обнаружения показало, что: для получения высокого качества определения координат заданных точек целесообразно проводить измерения на дистанции, где минимальный уровень сигнала превышает порог обнаружения бортовой ОИС.

1.8. Исследование величины порога при формировании эталонной карты показало, что величина допустимого значения порога обработки эталонного изображения находится в интервале (0,2-1,8) градаций или (1-9)дБ относительно оптимального значения порога обработки измеренного массива. Таким образом, целесообразно принять для бинарной обработки эталонного массива значение порога, одинаковое с порогом измеренного массива.

2. Предложена методика обнаружения надводных объектов вблизи береговой черты. При помощи её можно определить зона осмотра поверхности бортовой ОИС, обеспечивающую точность определения координат заданного надводного объекта вблизи береговой черты. Результаты моделирования показали, что точность определения координат заданного надводного объекта по дистанции и боковому смещению соответствует 1-2 элементам разрешения локатора ОИС по дистанции.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Исследование возможности и технических путей создания ОИС БПЛА вертолётного типа для экологического мониторинга прибрежных районов Вьетнамского национального заповедника КАТ-БА привело к следующим основным результатам:

1. Показана целесообразность БПЛА вертолетного типа для экологического мониторинга прибрежных районов заповедника КАТ-БА Вьетнама. Обоснованы состав и функциональные связи ОИС БПЛА вертолётного типа в составе АКЭМ.

2. Сравнительный анализ ИК ОИС БПЛА показал, что все они принципиально могут быть использованы для экологического мониторинга и охранных функций заповедника КАТ-БА.

2.1. Предпочтение следует отдать радиолокационному каналу (РК), при наличии его на борту БПЛА обеспечивается максимальная дистанция в любую погоду.

2.2. Для более точного определения координат наблюдаемых объектов целесообразно использовать канал с высоким разрешением по углу и дистанции, таким каналом в ОИС БПЛА может служить ЛК, ТК, ТВК или ТПВК.

2.3. При наличии в составе бортовой аппаратуры БПЛА только РК, целесообразно его использовать в режиме высокого разрешения.

Оценки различных признаков ОИС показывают возможность и целесообразность использования этих признаков для обнаружения заданных объектов при экологическом мониторинге заповедника КАТ-БА.

3. Исследования особенностей работы ОИС БПЛА в зоне экологического мониторинга показали, что:

3.1. Очаг пожара обнаруживается инфракрасным каналом на дистанции от 22 до 60 км, а зона (очаг) загрязнения (нефтепродукты) на дистанции от 1,1км до 3,0 км.

3.2. Для выбора стратегии мониторинга (траектории полёта) БПЛА необходимо знать значения коэффициентов затуханий в атмосфере. Предложена методика их определения при составлении полётного задания БПЛА.

3.3. Исследования возможности определения местоположения БПЛА по данным локатора ОИС показывали:

- оптимальный размер зоны обзора локатора ОИС от 20x20 до 40 элементов разрешения;

- качественные показатели практически не зависят от величины ошибки предварительного выведения в заданную точку в исследованных пределах от 20x20 до 40x40 элементов разрешения.

- пропорциональное изменение контраста интенсивности отраженного сигнала вследствие изменения погодных условий не влияет на качественные показатели.

- изменение интенсивностей отражений отдельных элементов в диапазоне до 40дб и пространственные флуктуации интенсивности отраженных сигналов до 30 м допустимы для определения местоположения БПЛА.

- для получения высокого качества определения координат БПЛА целесообразно проводить измерения на дистанции, где минимальный уровень сигнала превышает порог обнаружения локатора ОИС.

- предложена методика определения оптимальной величины порогов обработки эталонного и измеренного массивов.

3.4. Предложена методика обнаружения надводных объектов вблизи береговой черты. Результаты моделирования показали, что точность определения координат заданного надводного объекта по дистанции и боковому смещению соответствует 1-2 элементам разрешения бортового локатора ОИС по дистанции.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Ле Ки Биен, 2004 год

1. Информационно-управляющие системы для подвижных объектов. Семинары ASK Lab 2001 / Под общ.ред. М.Б. Сергеева; СПб.: Политехника, 2002.

2. Невский Бастион // Серия вооружение и военная техника: БЛА; СПб, 1999.

3. Анцев Г.В, Тупиков В.А, Турнецкий Л.С. и др. Мониторинговый комплекс с малогабаритным дистанционно пилотируемым вертолётом // Проблемы транспорта, 2000, №3.

4. Александров А.Д, Андреев В.П., Кейц В.М. и др. Системы цифрового управления самолетом. М.: Машиностроение, 1998г.

5. Бажин С.А., Шаров С.Н. Лазерный локатор для мониторинга акватории и земной поверхности // Мир авионики, 1999,№7.

6. Бакулев П. А., Сосновский А. А. Радиолокационные и радионавигационные системы. М.: Радио и связь, 1994.

7. Баклицкий В. К., Юрьев А. Н. Корреляционно-экстремальные методы навигации. М.: Радио и связь, 1982.

8. Белоглазов И. Н. И др. Основы навигации по геофизическим полям. -М.: Радио и связь, 1985.

9. Бесекерский В. А., Попов Е. П. Теория систем автоматического управления. М.: Наука, 1975.

10. Белов Е.Ф., Губанов Б.С, Зельченко В.Я. и др. Проектирование и эксплуатации лазерных приборов в судостроении, СПб.: Судостроение, 1986.

11. Вентцель Е. С. Исследование операций: задачи, принципы, методология. М.: Наука, 1988.

12. Вениш В. Расчет отражения радиолокационных сигналов от земли по топографической карте местности // Зарубежная радиоэлектроника, 1972 , №4.

13. Вовк А. И., Гришин Ю. П. Улучшение характеристики целостности радионавигационных систем за счет комплексной обработки данных на борту летательных аппаратов // Радиотехника, 1996, №8.

14. Теоретические основы радиолокации. /Под редакцией В.Е.Дулевича. -М.: Советское радио, 1978.

15. Емельянов В. Е. Методы моделирования стохастических систем управления: Учебное пособие. СПб, БГТУ, 1997.

16. Землянов А.Б, Ткачёв В.Р, Турнецкий Л.С. Состояние и перспективы развития дистанционно пилотируемых летательных аппаратов для решения задач разведки и целеуказания тактических ГЖР // Проблемы транспорта, 2004, №10.

17. Зукович С.Г. статистические характеристики радиосигналов отраженных от земной поверхности. М.: Советское радио, 1968.

18. Ильин. В. Беспилотные летательные аппараты: состояние и перспективы развития // Вестник авиации и космонавтики , 2002, №2.

19. Ильин. В. Беспилотные летательные аппараты корабельного базирования // Вестник авиации и космонавтики, 2001, №6.

20. Кузовский С.Ф. Корреляционно-экстремальные системы. К.: Науко-ва думка, 1973.

21. Кузьмин С. 3. Основы проектирования систем цифровой обработки радиолокационной информации. М.: Радио и связь, 1986.

22. Липатов Е.Т. Подоплекин Ю.Ф., Войнов E.A.On-Board Autonomous

23. Control System for Helicopter-Type Pilotless Aircraft with Gas Dynamic Vanes Инф. // Журнал МАКС-99, Москва, 1999.

24. Липатов Е.Т., Подоплекин Ю.Ф., Кочергин В.Г. К проблеме обеспечения безопасности важнейших объектов промышленности Минобороны России // Тезисы докладов 3 всероссийской НГПС «Актуальные проблемы защиты и безопасности», РАРАН, СПб, 2000.

25. Лёгкий В.Н, Миценко И.Д., Орлов В.Н, Орлова М.В, Останина Н.П. Системы ближней локации, учебное пособие. Новосибирск, 2000.

26. Льюнг Л. Идентификация систем. Теория для пользователя. М.: Наука, 1991.

27. Лазарев Л.П. Информационные и световые приборы наведения летательных аппаратов. М.: Машиностроение, 1976.

28. Левин Б.Р. Теоретические основы статистической радиотехники. Книга 1. -М.: Советское радио, 1974.

29. Логвин А.И., Лютин Э. А. Синтез оптимальной структуры комплексной системы дистанционного зондирования // Радиотехника, 1999, №1.

30. Максимей И.В. Имитационное моделирование на ЭВМ. М.: Радио и связь, 1988.

31. Максимов М.В., Горгонов Г. И. Радиолокационные системы самонаведения. М.: Радио и связь, 1982.

32. Моисеев Н.Н. Математические задачи системного анализа. М.: Наука,1981.

33. Мочалов С.А. Метод решения задачи синтеза комплекса бортового оборудования летательного аппарата // Проблемы транспорта, 2000, №3.

34. Малашин М.С., Борисов Ю.Б. Основы проектирования лазерных локационных систем. М.: Высшая школа, 1983.

35. Николаев А.Г., Перцев С.В. Радиотеплолокация. М.: Воениздат,1970.

36. Прокопенков Ю. П., Тимофеев Н. Н. Проектирование нестационарных динамических систем управления. Учеб. Пособие по курсовому и дипломномупроектированию. СПб, ЛМИ, 1989.

37. Розенвассер Е.Н., Юсупов P.M. Чувствительность систем управления.-М.: Наука, 1981.

38. Саблин В. Н., Викулов О. В., Меркулов В. И. Авиационные многопозиционные радиолокационные системы многоканального наведения. Разведывательно-ударные комплексы // Зарубежная радиоэлектроника, 1998, №9.

39. Саблин В. Н., Шапошников В. И. Вопросы создания и применения радиолокационных средств нового поколения // Радиотехника, 1995, №11.

40. Смирнова Н.Н. Новые информационные технологии в управлении // Сб. трудов БГТУ «ВОЕНМЕХ» им. Д.Ф.Устинова. Новые информационные технологии в управлении, СПб, БГТУ, 1998.

41. Скол ник М.И, справочник по радиолокации, том 3.- М.: Советское радио, 1977.

42. Спицнадель В.Н. Основы системного анализа. Учебное пособие. БГТУ «Военмех». СПб.: БГТУ, 1998.

43. Турнецкая У.Л. , Турнецкий Л.С. Внедрение принципов интеллектуализации систем в бортовые автоматические комплексы мониторинга поверхности // Проблемы транспорта, 2000, №3.

44. Проектирование комплексных приборов и систем летательных аппаратов / Под редакцией Филатова И. В. ЛИАП, 1982.

45. Филатов И. В. Методы комплексирования информационно-измерительных систем // Сб. трудов БГТУ «ВОЕНМЕХ» им. Д.Ф.Устинова. Новые информационные технологии в управлении, СПб, БГТУ, 2003.

46. Основы математического моделирования с примерами на языке Matlab / Под ред. А. Л. Фрадкова; СПб, БГТУ, 1996.

47. Черняк В. С. Многопозиционная радиолокация.- М.: Радио и связь,1993.

48. Шаров С.Н. Основы проектирования информационно-измерительных приборов систем управления движущимися объектами. Мин. общего и проф. образования РФ, БГТУ. СПб, 1998.

49. Шаров С. Н. и др. Отражательные характеристики объектов и покрытий на длине волны 1,06 мкм: Справочник по вопросам исследования отражательных свойств естественных и искусственных покрытий / Под ред. Шарова С. Н. СПб., ЦНИИ «Гранит», 1993.

50. Штагер Е.А. Рассеяние радиоволн на телах сложной формы. М.: Радио и связь, 1986.

51. Ширман Я. Д., Манжос В. Н. Теория и техника обработки радиолокационной информации на фоне помех. М.: Радио и связь, 1981.

52. Шаров С.Н. Исследование некоторых признаков ориентации движущегося объекта по береговой черте // Изв. ВУЗов, Приборостроение, СПб,1994,№7-8.

53. Шаров С. Н. Некоторые возможности лазерного локатора для ориентации движущегося объекта на местности // Сб. трудов БГТУ «ВОЕНМЕХ» им. Д.Ф.Устинова. Вопросы повышения качества управления движущимися объектами. СПб.: БГТУ, 1995.

54. Ширман Я.Д. Теоретические основы радиолокации. М.: Советское радио, 1970.

55. Шалыгин А.С, Палагин Ю.И. Моделирование случайных процессов и полей. Учебное пособие: Учебное пособие. СПб, БГТУ, 1997.

56. Ле Ки Биен. Особенности построения эталонных карт для экологического мониторинга заповедника КАТ-БА // Тез. докл. V Российской научнотехнической конференции «Современное состояние и проблемы навигации и океанографии НО-2004», СПб, 2004.

57. Ле Ки Биен, До Куанг Тхонг, С.Н. Шаров. О возможности использования беспилотного летательного аппарата для мониторинга вьетнамского заповедника КАТ-БА // Проблемы транспорта, № 10. СПб: Логос, 2004.

58. Ле Ки Биен, С.Н. Шаров. Система экологического контроля: Патент РФ №39319.