Синтез и анализ изображений оптимальных объектов для систем ориентации летательных аппаратов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.16, кандидат технических наук Леухин, Анатолий Николаевич

• Леухин, Анатолий Николаевич
• кандидат технических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат технических наук Леухин, Анатолий Николаевич

Введение

1. Обзор состояния проблемы ориентации летательных аппаратов по астроизображениям

1.1 Введение

1.2 Задачи, решаемые системой ориентации ЛА по изображениям объектов на звездном небе

1.3 Оптимальные сигналы для информационных систем и их обработка

1.4 Контурный анализ изображений

1.4.1 Задание контуров изображений

1.4.2 Специальные виды контуров

1.4.3 Контурная согласованная фильтрация

1.4.4 Математическое представление формы изображений

1.5 Обработка групповых точечных объектов

1.6 Известные подходы к обработке ГрТО для ориентации ЛА в режиме обзора звездного неба

1.7 Пример технической реализации системы ориентации ЛА по изображениям звезд

1.8 Формулировка задач диссертационного исследования

2. Оптимальные сигналы для системы ориентации летательных аппаратов по изображениям групповых точечных объектов

2.1 Некорректность задачи поиска единого ориентира оптимальной формы и пути перехода к корректной задаче

2.2 Композиционные контуры из полного семейства элементарных контуров и их частотно-временные характеристики

2.3 Особенности обработки сигналов на базе композиционных контуров

2.4 Задание композиционного контура, ассоциированного с многофазным кодом класса р

2.5 Задание композиционного контура, ассоциированного с многофазным кодом - аналогом Л ЧМ сигнала

2.6 Общий подход к синтезу контуров с нулевыми боковыми лепестками циклической автокорреляционной функции

2.7 Выводы

3. Оптимальные вторичные созвездия для ориентации ЛА

3.1 Оптимальные формы вторичных созвездий для решения задачи 77 распознавания

3.1.1 Требования к форме вторичных созвездий, используемых для ори- 77 ентации летательных аппаратов

3.1.2 Форма уникального вторичного созвездия

3.1.3 Коэффициент монохроматичности формы вторичного созвездия

3.2 Связь коэффициента монохроматичности с пространственными ис- 85 кажениями плоских фигур

3.2.1 Вводные замечания

3.2.2 Решение задачи в общем виде

3.2.3 Коэффициент монохроматичности формы вторичного созвездия 91 размерностью к-Ъ

3.2.4 Коэффициент монохроматичности формы вторичного созвездия 93 размерностью к =

3.2.5 Коэффициент монохроматичности формы вторичного созвездия 95 размерностью к =

3.3 Оптимальные формы вторичных созвездий для идентификации 96 звезд в их составе

3.4 Двухэтапный метод решения задачи трехосной ориентации лета- 101 тельных аппаратов по изображениям оптимальных астроориентиров

3.5 Выводы

4. Результаты экспериментальных исследований по поиску УВС и 107 УКВС для ориентации ЛА

4.1 Алгоритм поиска УВС на звездном небе

4.2 Результаты поиска квазиоптимальных ориентиров в виде УВС на 114 небесной сфере

4.3 Обсуждение результатов эксперимента

4.4 Результаты экспериментального исследования по поиску УКВС для 122 идентификации звезд в составе УВС

4.4.1 Алгоритм поиска УКВС третьего порядка

4.4.2 Алгоритм поиска УКВС четвертого порядка

4.5 Выводы

5. Прикладные вопросы, связанные с проблемой реализации системы 137 ориентации ЛА по УВС

5.1 Вариант реализации системы ориентации на принципе 137 "всевидящего глаза"

5.2 Характеристики распознавания УВС при воздействии координатно- 139 го шума

5.2.1 Алгоритм исследования характеристик правильного распознавания 139 при воздействии координатного шума

5.2.2 Результаты экспериментальных исследований влияния координат- 142 ного шума на характеристики правильного распознавания УВС

5.3 Характеристики правильной идентификации звезд в составе УВС 147 при воздействии координатного шума

5.3.1 Методика проведения эксперимента и результаты исследования 147 характеристик правильной идентификации

5.3.2 Выводы по результатам исследования влияния флуктуационных 152 координатных шумов на характеристики правильной идентификации звезд в составе уникальных вторичных созвездий

5.4 Характеристики распознавания уникальных вторичных созвездий 152 при шумах дискретизации в матрице ПЗС

5.4.1 Алгоритм построения характеристик распознавания УВС при влия- 152 нии шумов дискретизации

5.4.2 Результаты экспериментальных исследований влияния шумов дис- 155 кретизации на характеристики правильного распознавания УВС

5.4.3 Выводы по результатам исследования влияния шумов дискретиза- 160 ции на вероятность правильного распознавания УВС

5.5 Технические характеристики перспективной системы ориентации 161 летательных аппаратов по уникальным вторичным созвездиям

5.6 Сравнительный анализ трудоемкостей алгоритмов идентификации 165 звезд в поле зрения датчика со звездами из бортового электронного каталога

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Синтез и анализ изображений оптимальных объектов для систем ориентации летательных аппаратов»

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

Актуальность темы. Первый эксперимент по съемке участков звездного неба с целью определения ориентации был проведен в 1967 году на орбитальной станции "Салют" [1]. Вопросам разработки систем ориентации (СО) ЛА по изображениям звездного неба посвящен ряд работ отечественных [2-10] и зарубежных авторов [11-15]. Система ориентации ЛА по изображениям групп звезд на небесной сфере в условиях помех в виде мешающих звездных образований решает: задачи распознавания ориентира - группового точечного объекта (ГрТО), идентификации отдельных его фрагментов и оценки параметров линейных преобразований его формы с целью выработки сигналов коррекции траектории ЛА. Изображения ориентиров формируются различными техническими датчиками - оптическими, ИК, рентгеновскими, радиолокационными, и вводятся в бортовой процессор системы ориентации ЛА.

Развитие элементной базы, повышение требований к быстродействию, надежности и точности ориентации ЛА приводят к необходимости совершенствования и поиска оптимальных методов ориентации ЛА. Существующие СО ЛА по изображениям ориентиров являются не оптимизированными по входному сигналу. Поэтому такая система обработки сигналов имеет меньшую эффективность, чем, например, радиолокационная, сигналы для которой могут быть выбраны наилучшим образом с заданным критерием качества. Целесообразность поиска оптимальных ориентиров объясняется двумя факторами: такой ориентир обеспечивает наибольшую эффективность решения всех или нескольких вышеперечисленных задач и также устраняет необходимость поиска других, более эффективных, форм объектов для ориентации ЛА. В связи с этим представляется актуальной тема диссертационной работы.

Цель и задачи исследований. Цель диссертационной работы заключается в разработке методов синтеза изображений оптимальных (квазиоптимальных) ориентиров для систем ориентации ЛА и анализа их эффективности. Для достижения этой цели в диссертационной работе решаются следующие задачи:

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

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

3. 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.

4. Исследование эффективности предложенных алгоритмов распознавания оптимальных астроориентиров и идентификации звезд в их составе. Определение требований к техническим характеристикам системы ориентации ЛА по изображениям оптимальных астроориентиров.

Методы исследования. Для решения поставленных в диссертационной работе задач были использованы методы распознавания образов, цифровой обработки сигналов и изображений, теории вероятностей, статистического анализа, теории функции комплексного переменного, теории чисел, алгебры гиперкомплексных чисел, численные методы и 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 моно-хроматичным, то есть содержит только одну, не равную нулю, спектральную линию. В качестве количественной меры соответствия произвольного много9 угольника правильному введен коэффициент монохроматичности спектра формы созвездия (КМФ). Оптимальная для решения задачи оценки параметров форма вторичного созвездия должна быть сложной - в виде композиционного контура (КК), обладающего широким равномерным энергетическим спектром (РЭС). В качестве количественной меры соответствия произвольного контура широкополосному введен коэффициент дельтовидности циклической автокорреляционной функции (АКФ) формы вторичного созвездия (КДФ).

Разработан алгоритм синтеза сложных сигналов оптимальных по минимаксному критерию. Получен класс новых оптимальных сигналов со сложной внутренней структурой и кодирующей последовательностью, обладающих РЭС.

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

Разработан алгоритм поиска УВС на небесной сфере. Экспериментально подтверждено наличие уникальных монохроматических звездных образований на примере шести вторичных созвездий (см. табл. В.1).

Таблица В. 1 Уникальные вторичные созвездия

N Название Состав сошсипи Ко.1. >»еи Кчюрл-ты центра >1.11-011 днам. к'<>)ф. мопох.

1 МарГТУ 3/1 ^ Геркулеса Ц.Т., о Геркулеса, а Геркулеса 3 17ч 21116,1с 25° 11' 14,4" 21.75° 503.76

2 МарГТУ 3/2 а М. Медведицы, а Треугольника, С, Лебедя 3 23ч 34м 28с 54° 24' 45" 70.13° 2205.9

3 МарГТУ 3/3 8 Голубя, а Киля, НО6440 Кормы 3 6ч 53м 34с -42°-43' -14,1' 22,29° 1405.5

4 МарГТУ 3/4 и Весов, а Кентавра, 7] Павлина 3 15ч 4м 8,7с .51° -40' -40,5" 48,7° 2915.6

Таблица В. 1 Продолжение

5 МарГТУ 4/1 т Геркулеса, С, Геркулеса Ц.Т., а Сев. Короны, ¡5 Волопаса 4 15ч 54м 22с 36° 38'35" 21,81° 146.27

6 МарГТУ 4/2 Н094510 Киля, ф Киля, у Мухи, е Юж. Креста 4 11ч 29м 49,8с -66°-0' -0.3" 16,27° 33.441

Разработан алгоритм поиска уникальных композиционных вторичных созвездий (УКВС) - комбинаций звезд, образующих ориентиры оптимальной формы для решения задачи идентификации звезд в их составе. Композиционное вторичное созвездие образуется на базе УВС путем присоединения в состав созвездия дополнительной звезды, достраивающей форму созвездия до сложной. Экспериментально подтверждено наличие УКВС на небесной сфере.

Разработаны алгоритмы идентификации звезд в составе УКВС. Оценена эффективность предложенных алгоритмов в условиях воздействия координатных флуктуационных шумов и шумов дискретизации.

Практическая ценность работы. Разработанные алгоритмы распознавания астроориентиров и идентификации звезд в их составе на изображениях могут быть использованы в бортовых вычислительных системах с целью трехосной ориентации при полной априорной неопределенности положения ЛА. Полученные оптимальные формы изображений ориентиров позволяют реализовать потенциальные возможности системы ориентации ЛА.

Реализация результатов работы. Теоретические и практические результаты диссертационной работы использованы в следующих НИР, выполняемых по грантам, выделенных МарГТУ:

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

2. "Интеллектуальные системы ориентации летательных аппаратов на 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.

А также внедрены в учебный процесс по специальности 200700 ''Радиотехника" при изучении дисциплин "Основы теории радиотехнических систем" и "Цифровая обработка радиотехнических сигналов", по специальности 220100 при изучении дисциплины "Основы теории управления", по специальности 210100 при изучении дисциплины "Математические основы теории систем", что подтверждается соответствующими актами.

Апробация работы. Результаты работы обсуждались на Ы1, ЫУ и ЬУ 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 "Телекоммуникационно-информационные 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 III Всероссийской научно-технической конференции "Динамика нелинейных дискретных электротехнических и электронных систем", (Чебоксары, 1999); на IV Международной научно-технической конференции "Оптико-электронные приборы и устройства в системах распознавания образов, обработки 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 отчетов по НИР.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из Введения, 5 глав, Заключения и Приложений, содержит 97 рисунков и 39 таблиц. Список литературы включает 110 наименований.

Заключение диссертации по теме «Применение вычислительной техники, математического моделирования и математических методов в научных исследованиях (по отраслям наук)», Леухин, Анатолий Николаевич

Основные результаты диссертационной работы состоят в следующем:

1. Показано, что требования, предъявляемые к сигналу оптимальному для решения двух задач, задачи распознавания и оценки параметров, являются противоречивыми. Для решения задачи распознавания амплитудно-частотный спектр сигнала должен иметь всего одну ненулевую составляющую, а циклическая автокорреляционная функция сигнала должна быть равномерной. Для решения задачи оценки параметров спектр сигнала должен быть равномерным во всей полосе частот, а циклическая автокорреляционная функция дельтовидной.

2. Для устранения возникающей некорректности решения задач распознавания и оценки параметров при совместном использовании одного и того же сигнала предложено использовать сигнал, ассоциированный со сложным композиционным контуром, составные части которого являются оптимальными для решения задачи распознавания, а целиком весь контур оптимален для решения задачи оценки параметров. В качестве композиционных контуров с такими свойствами предложены следующие контуры: композиционный контур из полного семейства элементарных контуров; композиционный контур, ассоциированный с многофазным кодом-аналогом ЛЧМ сигнала и композиционный контур, ассоциированный с многофазным кодом класса р.

3. Разработан алгоритм синтеза сложных сигналов и получен класс новых сигналов, обладающих равномерным энергетическим спектром.

4. Показано, что форма изображения вторичного созвездия, оптимального для решения задачи распознавания, должна иметь дельтовидный спектр, и задается элементарным контуром. Порядок контура выбирается из условия реализуемости метода ориентации ЛА. Время поиска оптимального ориентира при переборе всевозможных комбинаций форм, образуемых всеми звездами на небесной сфере в заданном диапазоне их светимости, резко возрастает при больших размерностях контура. Поэтому целесообразно осуществлять поиск созвездий из трех, четырех и пяти звезд.

5. Показано, что форма изображения оптимального объекта в качестве сигнала для системы ориентации ЛА при решении задачи идентификации звезд в го составе должна иметь равномерный спектр, и может быть реализована на зснове композиционного контура.

6. Сформулированы в аналитическом виде условия, при которых вторичное созвездие является уникальным. Коэффициент монохроматичности М спектра формы У ВС должен быть максимальным среди коэффициентов монохроматичности спектров форм вторичных созвездий в заданной области небесной сферы, величина отношения сигнал/помеха должна превышать пороговое значение и вокруг значения коэффициента монохроматичности формы уникального вторичного созвездия должна быть достаточно широкая "мертвая" зона. Разработан алгоритм поиска оптимальных для распознавания астроориентиров по значениям коэффициента монохроматичности формы вторичных созвездий.

7. Сформулированы в аналитическом виде условия, при которых композиционное вторичное созвездие является уникальным. Изучены распределения коэффициентов дельтовидности формы для всевозможных комбинаций композиционных контуров на базе УВС, в случае к = 3 число таких комбинаций равно 6, в случае к-А число таких комбинаций равно 8. Разработан алгоритм поиска УКВС по значениям коэффициента дельтовидности Ациклической АКФ формы вторичных созвездий.

8. Экспериментально подтверждено существование на небесной сфере квазиоптимальных для решения задачи распознавания ориентиров в виде УВС, обладающих высокой степенью монохроматичности формы и сильной изолированностью по величине коэффициента монохроматичности спектра формы от других возможных вторичных созвездий.

9. Экспериментально подтверждено существование на небесной сфере квазиоптимальных для решения задачи оценки параметров ориентиров в виде УКВС, отличающихся от других возможных вторичных созвездий максимальным по величине коэффициентом дельтовидности V.

10. Проведены экспериментальные исследования эффективности разработанных алгоритмов распознавания УВС и идентификации звезд в составе УКВС. Получены оценки вычислительной сложности предлагаемых алгоритмов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ