Задача навигации по радиолокационным изображениям точечных ориентиров тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.18, кандидат физико-математических наук Костоусов, Андрей Викторович

• Костоусов, Андрей Викторович
• кандидат физико-математических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Костоусов, Андрей Викторович

Введение

1 Моделирование радиолокационных изображений

1.1 Математическая модель радиолокационного изображения

1.2 Геометрическое моделирование трехмерных сцен.

1.3 Алгоритм формирования радиолокационного изображения

1.4 Результаты моделирования.

2 Навигация по радиолокационным изображениям точечных ориентиров

2.1 Задача навигации по радиолокационным изображениям

2.2 Задача навигации по изображениям точечных ориентиров

2.3 Выделение точечных особенностей на радиолокационных изображениях.

2.4 Сопоставление точечных изображений: поиск соответственных точек.

2.5 Восстановление параметров движения датчика точечных изображений

2.6 Оценка ошибки навигации. Информативность точечных сцен

2.7 Численный эксперимент.

3 Программный комплекс «РЛ-Навигация»

3.1 Архитектура программного комплекса.

3.2 Применение распределенных вычислений.

3.3 Формат ХМЬ-представления трехмерных сцен.

3.4 База данных отражательных свойств поверхностей

А Описание реализации программного комплекса

РЛ-Навигация»

А.1 Геометрическое моделирование.

А.2 Текстуры

А.З Визуализация сцены.

А.4 Парсер файла сцены.

А.5 Внутреннее представление радиолокационных изображений

А.6 Моделирование радиолокационных изображений.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Задача навигации по радиолокационным изображениям точечных ориентиров»

Навигация движущихся объектов по геофизическим полям (полю рельефа, аномальным магнитному и гравитационному полям Земли, полю радиолокационного контраста и др.) в течение последних 30 лет является интенсивно развивающейся областью научных исследований и технических разработок [2-6,8-11,13,28,29,35,42,44,52,59,60,94]. Ведутся широкомасштабные работы по исследованию навигационных свойств различных геофизических полей с оценкой их применимости в задачах экстремальной навигации и наведения.

Использование поля радиолокационного контраста (РЛК) естественных и искусственных земных покровов для целей высокоточной навигации обусловлено следующими факторами:

• потенциально высокой информативностью (в том числе на равнинных участках местности, где рельеф не информативен);

• технической проработанностью основных компонент измерителей;

• возможностью построения кадрового измерителя поля с малым временем визирования.

Однако практическое внедрение корреляционно-экстремальных систем навигации по полю РЛК осложняется рядом обстоятельств. Среди них главные — нестабильность поля РЛК (зависимость от погодных, сезонных условий и т.д.) и сложность построения Эталона поля, которая обусловлена сильной зависимостью интенсивности принятого сигнала от условий визирования и отсутствием прямых измерений поля РЛК в предполагаемых зонах коррекции.

За последние годы в развитии радиолокационной и вычислительной техники произошел качественный скачок: на порядок увеличилась разрешающая способность радиолокаторов, бортовые вычислительные системы стали более мощными, благодаря чему появилась возможность решать сложные задачи, связанные с обработкой радиолокационных изображений (РЛИ), в реальном масштабе времени. В связи с этим у разработчиков навигационных систем появился реальный спрос на алгоритмическое обеспечение, позволяющее эффективно решать задачи, возникающие в контексте навигации по РЛИ. 4 Из всего вышесказанного следует, что тематика диссертации — навигация движущихся объектов по радиолокационным изображениям — является весьма актуальной.

Диссертация посвящена исследованию задачи навигации движущегося объекта по радиолокационным изображениям сцен точечных ориентиров. Цель работы заключается в разработке методов моделирования радиолокационных изображений сцен на основе их трехмерных геометрических моделей, разработке и исследовании работоспособности алгоритмов навигации по точечным ориентирам, исследовании информативности точечных сцен. Также целью работы является создание моделирующего программного комплекса для всестороннего численного исследования задачи навигации движущихся объектов по РЛИ.

Для того, чтобы исследовать задачу навигации по радиолокационным изображениям, необходимо иметь возможность моделировать РЛИ по ис-^ ходной информации о сцене. Данному вопросу посвящена первая глава диссертации: в ней строится математическая модель радиолокационного изображения, описывается метод представления геометрической информации о трехмерной сцене, на основе которой производится формирование РЛИ, предлагается вычислительный алгоритм формирования РЛИ в соответствии с представленной математической моделью.

Задача моделирования радиолокационных изображений естественным образом разбивается на две достаточно независимые подзадачи: моделирование работы радиолокатора и моделирование процессов распространения радиоволн и рассеяния радиосигнала различными объектами. В литературе эти задачи, как правило, рассматриваются по отдельности.

Большое число работ по радиолокации посвящено вопросам построения различных типов радиолокационных систем и обработке сигналов в радиолокационных станциях [7,24,32,40,56]. В частности, вопросы, связанные с синтезированием апертуры антенны и компенсацией тра-екторных искажений сигналов в радиолокационных станциях, подробно ^ рассмотрены в работах [7,14,15,40,64].

Также имеется множество работ, основной акцент в которых сделан на исследование вопросов, связанных с распространением и отражением радиоволн [36,37,45,47,67,78,81]. В этих работах строятся различные модели отраженного радиосигнала, описываются методы расчета радиолокационных характеристик объектов и методы использования отраженных сигналов для определения свойств отражающих поверхностей. В частности, исследуются методы моделирования отраженного радиосигнала, ф основанные на решении уравнений Максвелла для нахождения поля отраженной объектами сцены радиоволны [36,37,47]. Однако эти методы применимы только для моделирования РЛИ сцен, составленных из тел достаточно простой формы, для которых данные уравнения удается решить хотя бы приближенно.

Важное место в радиолокации занимают работы, в которых для построения модели радиолокационных изображений подробное моделирование работы радиолокатора сочетается с моделированием отраженного сценой радиосигнала. Например, в [38] предложена модель РЛИ сигнального уровня, которая предназначена для исследования алгоритмов обработки сигналов на этапе разработки конкретных радиолокационных станций, а также для исследования эффективности их работы на этапе испытаний. Отметим, что в указанной работе моделирование пространственной сцены заключается в замене подстилающей поверхности набором точечных отражателей, размещенных в сетке по дальности и по азимуту в системе координат радиолокатора.

По структуре описания модели РЛИ настоящая диссертация близка именно к последнему типу работ. Целыо предложенного в диссертации подхода к моделированию РЛИ не является максимально полное и точное описание процесса получения РЛИ реальными радиолокаторами. Наша задача заключается в разработке алгоритма формирования РЛИ, предназначенного для моделирования наблюдающихся на практике явлений на качественном уровне. В контексте исследования задачи навигации по РЛИ важен лишь конечный результат работы такого алгоритма — радиолокационное изображение заданной сцены. Достоинствами предложенного подхода являются: возможность моделирования РЛИ сцен произвольной степени сложности, расширяемость в смысле возможности добавления новых типов моделей отражательных свойств поверхностей, возможность учета переотражений радиосигнала.

Во второй главе диссертации рассматривается непосредственно за-^ дача навигации движущегося объекта по радиолокационным изображениям точечных ориентиров. Дается постановка задачи и предлагается трехэтапный метод ее решения. Первый этап заключается в преобразовании РЛИ в точечное изображение. Второй этап — в сопоставлении текущего точечного изображения с эталонным. Последний этап заключается в вычислении навигационных параметров движущегося объекта на основании построенного на предыдущем этапе соответствия между точками текущего изображения и эталона. Для выполнения этих трех этапов предлагаются соответствующие алгоритмы, проводится их исследование. Также строится оценка ошибки навигации по исходным данным.

Необходимая предварительная обработка РЛИ, которая заключается в преобразовании радиолокационного изображения сцены в точечное, то есть в выделении на РЛИ точечных особенностей, соответствующих ориентирам сцены, представляет собой некорректную задачу восстановления истинного сигнала по его зашумленному образу [22,23,63]. Проблеме обнаружения полезных радиолокационных сигналов на фоне шумов, их различения и точности измерения их параметров посвящено множество работ, среди которых можно выделить [24,32,40,45,56,65,66,77,78]. С указанной проблемой тесно связана задача повышения разрешения радиолокационных изображений, которая также является актуальной [57,79].

Рассматриваемая в диссертации задача навигации относится к области исследований корреляционно-экстремальных систем навигации (КЭСН). Теоретические основы такого рода систем были заложены советскими учеными И.Н. Белоглазовым, A.A. Красовским, В.П. Тара-сенко и др. [8-10,44]. Согласно сложившейся в этой области терминологии, настоящая работа (исследование, проведенное во второй главе) относится к разработкам беспоисковых КЭСН, когда решение навигационной задачи ищется на основе сопоставления текущего изображения с единственным эталонным изображением. Отличительной чертой данного исследования является рассмотрение специфического класса используемых для навигации изображений — в настоящей работе рассматривается случай изображений точечных ориентиров.

Для исследования задачи навигации по радиолокационным изображениям был создан программный комплекс «РЛ-Навигация». Следует отметить, что на данный момент в области средств моделирования РЛИ и навигации по ним наблюдается определенный недостаток программных продуктов, позволяющих проводить всестороннее численное исследование указанных задач. Имеющиеся работы, как правило, либо реализуют слишком упрощенный подход к этой проблеме [43], либо ориентированы на решение слишком узкого круга задач, например, связанных с моделированием работы конкретных приборов [16,39].

При разработке программного комплекса «РЛ-Навигация» использовались современные технологии и средства создания программного обеспечения [17-21,27,34,46,50,53,55,62,71,72,76,89-91,93,98]. В частности, широко применялись принципы объектно-ориентированного программирования [1,19,62,82], использовались паттерны проектирования [25,27,74] и технологии параллельных/распределенных вычислений [17,26].

Программному комплексу «PJI-Навигация» посвящена третья глава диссертации. В ней содержится описание его архитектуры; рассматриваются вопросы, связанные с организацией распределенных вычислений; приводится спецификация формата XML-представления трехмерных сцен и описание структуры и наполнения базы данных отражательных свойств поверхностей, используемой при моделировании радиолокационных изображений. Кроме того, в приложении раскрываются детали реализации основных компонентов программного комплекса.

Научная новизна полученных в диссертации результатов заключается в следующем:

• Разработан алгоритм моделирования РЛИ трехмерных сцен на основе лучевого метода в сочетании с использованием понятия радиолокационных текстур. В отличие от известных методов алгоритм позволяет учесть переотражения радиосигнала.

• Предложены и исследованы новые алгоритмы решения задачи навигации по точечным ориентирам и разработан подход к оценке локальной информативности точечных сцен.

• Созданный для апробации предложенных моделей и алгоритмов программный комплекс «РЛ-Навигация» разработан с применением технологии распределенных вычислений.

Диссертация не содержит закрытой информации. Основные параметры радиолокаторов, использовавшиеся при моделировании РЛИ (раздел 1.4), и при проведении численных экспериментов по навигации (раздел 2.7), были взяты из открытой литературы, в частности, из [4-0].

Основные результаты диссертации были опубликованы в работах [101-111] и докладывались на следующих международных и всероссийских конференциях: Региональные молодежные конференции «Проблемы теоретической и прикладной математики» (Екатеринбург, Кунгурка — 2003, 2004 гг.), Всероссийская конференция «Актуальные проблемы прикладной математики и механики» (Екатеринбург — 2003 г.), 10th Saint Petersburg International Conference on

Integrated Navigational Systems (Санкт-Петербург, ЦНИИ «Электроприбор» — 2003 г.), Всероссийская конференция «Высокопроизводительные вычисления и технологии» (Ижевск — 2003 г.), X International Scientific-Research Conference RLNC-2004 (Воронеж, НПФ «САКВОЕЕ»

• — 2004 г.), II Международная конференция «Параллельные вычисления и задачи управления» РАСО'2004 (Москва, Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова РАН — 2004 г.), I Всероссийская научно-техническая конференция «Радиовысотометрия-2004» (Екатеринбург — 2004 г.). Кроме того, полученные результаты обсуждались на научных семинарах отдела дифференциальных уравнений и отдела прикладных проблем управления ИММ УрО РАН и кафедры информатики и процессов управления Уральского госуниверситета, а также на совещаниях с участием представителей РФЯЦ ВНИИТФ (г. Снежинск).

Материал диссертации основан на ряде работ, выполненных коллективом авторов. Личный вклад диссертанта в эти работы заключается в следующем. Он принимал непосредственное участие в разработке математической модели и алгоритма формирования РЛИ (см. Главу, 1). Им были разработаны и исследованы алгоритмы выделения точечных особенностей на РЛИ и сопоставления точечных изображений, решена задача навигации по точечным ориентирам, получены оценки локальной информативности точечных сцен (см. Главу 2). Он является разработчиком архитектуры моделирующего программного комплекса «РЛ-Навигация», методов геометрического моделирования трехмерных сцен, формата внешнего представления моделей сцен и структуры базы данных отражательных свойств поверхностей (см. Главу 3). Им были реализованы основные компоненты моделирующего программного комплекса «РЛ-Навигация» (см. Приложение А).

В частности, в работе [107] Костоусовым А.В. получены следующие результаты: разработана модель представления трехмерной сцены, формат файла описания сцены и структура базы данных отражательных свойств поверхностей; предложено понятие радиолокационной текстуры в качестве способа моделирования радиолокационных отражательных свойств поверхностей; получены результаты численного моделирования. В работе [110] Костоусовым А.В. разработан алгоритм сопоставления точечных изображений, решена задача восстановления навигационных параметров датчика по заданному соответствию между эталонным и текущим изображениями, получена оценка погрешности этого решения по ошибкам входных данных.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Костоусов, Андрей Викторович, 2006 год

1. Александреску А. Современное проектирование на С++. Серия С++ 1.-Depth. — М.: Издательский дом «Вильяме», 2002. — 336 с.

2. Андреев Г.А., Потапов A.A. Активные системы ориентации по геофизическим полям. // Зарубежная радиоэлектроника. — 1988.- № 9. С. 62-85.

3. Андреев Г.А., Потапов A.A. Алгоритмы обработки навигационной пространственно-временной информации. Часть 1. // Зарубежная радиоэлектроника. — 1989. — № 3. — С. 3-18.

4. Андреев Г.А., Потапов A.A. Алгоритмы обработки навигационной пространственно-временной информации. Часть 2. // Зарубежная радиоэлектроника. — 1989. — № 4. — С. 3-21.

5. Андросов В.А., Бойко Ю.В., Бочкарев A.M., Однорог А.П. Совмещение изображений в условиях неопределенности. // Зарубежная радиоэлектроника. — 1985. — № 4. — С. 54-70.

6. Антипов В.Н., Горяинов В.Т., Кулин А.Н. и др. Радиолокационные станции с цифровым синтезированием апертуры антенны.М.: «Радио и связь», 1988. — 304 с.

7. Баклицкий В.К., Бочкарев A.M., Мусьяков М.П. Методы фильтрации сигналов в корреляционно-экстремальных системах навигации. — М.: «Радио и связь», 1986. — 216 с.

8. Белоглазов И.Н., Джанджгава Г.И., Чигин Г.П. Основы навигации по геофизическим полям. — М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1985. — 328 с.

9. Белоглазов И.Н., Тарасенко В.П. Корреляционно-экстремальные системы. — М.: «Сов. радио», 1974. — 392 с.

10. Вердышев В.И. Полиномиальная аппроксимация, связанная с навигацией по геофизическим полям. // Доклады Академии наук. Сер. Математика. 1992. - Т. 325, № 6. - С. 1099-1102.

11. Бердышев В.И., Петрак Л.В. Аппроксимация функций, сжатие численной информации, приложения. — Екатеринбург: УрО РАН, 1999. 298 с.

12. Бердышев В.И., Костоусов В.Б. Навигация движущихся объектов по геофизическим полям. // Современная математика и ее приложения. Институт кибернетики АН Грузии. — 2005. — Т. 26. — С. 15-41.

13. Богачев A.C., Толстов Е.Ф. Компенсация траекторных искажений сигналов в радиолокационных станциях с синтезированной апертурой антенны. // Зарубежная радиоэлектроника. — 1981. — № 3. С. 3-21.

14. Богачев A.C., Толстов Е.Ф. Цифровое синтезирование искусственной апертуры антенны при маневре. // Зарубежная радиоэлектроника. 1975. - № 6. - С. 64-79.

15. Боков A.C., Важенин В.Г., Воробьев Л.П. и др. Имитатор отраженных сигналов радиолокационных систем. // Труды I Всероссийской НТК «Радиовысотометрия-2004». Екатеринбург: Изд,-во АМБ. 2004. - С. 164-168.

16. Бокс Д. Сущность технологии СОМ. Библиотека программиста. СПб.: Питер, 2001. - 400 с.

17. Бумфрей Ф., Диренцо О., Дакетт Й. и др. XML. Новые перспективы WWW. М.: ДМК, 2000. - 688 с.

18. Буч Г. Объектно-ориентированный анализ и проектирование с примерами приложений на С++. — СПб.: «Невский Диалект»; М.: Издательство «Бином», 1998. — 560 с.

19. Буч Г., Якобсон А., Рамбо Дж. UML. Классика Computer Science.- СПб.: Питер, 2006. 736 с.

20. Вандевурд Д., Джосаттис Н.М. Шаблоны С++: справочник разработчика. — М.: Издательский дом «Вильяме», 2003. — 544 с.

21. Василенко Г.И., Тараторин A.M. Восстановление изобраэ/сений. — М.: «Радио и связь», 1986. 304- с.

22. Васин В.В., Агеев A.JI. Некорректные задачи с априорной информацией. — Екатеринбург: УИФ «Наука», 1993. — 260 с.

23. Васин В.В., Власов О.В., Григорин-Рябов В.В., Дудник П.И., Степанов Б.М. Радиолокационные устройства (теория и принципы построения). — М.: «Советское радио», 1970. — 680 с.

24. Влиссидес Дж. Применение шаблонов проектирования. Дополнительные штрихи. — М.: Издательский дом «Вильяме», 2003. — 144- с.

25. Воеводин В.В., Воеводин Вл.В. Параллельные вычисления. — СПб.: БХВ-Петербург, 2002. 608 с.

26. Гамма Э., Хелм Р., Джонсон Р., Влиссидес Дж. Приемы объектно-ориентированного проектирования. Паттерны проектирования.- СПб.: Питер, 2001. 368 с.

27. Гасилов В.Л., Костоусов В.Б. Задача идентификации параметров движения объекта на основе обработки изображения внешнего информационного поля. // Изв. РАН, сер. Техническая Кибернетика. 1994. - № 3. - С. 78-86.

28. Гасилов В.Л., Красовский H.H., Осипов Ю.С. Задачи повышения точности навигации движущихся объектов. // Тез. докл. Всесоюзной Школы по проблемам математического обеспечения и архитектуры бортовых вычислительных систем. — 1988. — Ташкент. — С. 6.

29. Геоинформационная система «Карта 2000». Руководство разработчика прикладных задач. Редакция 2.1. — Ногинск, 2001.

30. Гонсалес Р., Вудс Р. Цифровая обработка изображений. — М.: Техносфера, 2005. 1072 с.

31. Гришин Ю.П., Ипатов В.П., Казаринов Ю.М. и др. Радиотехнические системы: Учеб. для вузов по спец. «Радиотехника». — М.: Высш. шк., 1990. 496 с.

32. Гуннерсон Э. Введение в С#. Библиотека программиста. — СПб.: Питер, 2001. 304 с.

33. Джосыотис Н. С++ Стандартная библиотека. Для профессионалов. СПб.: Питер, 2004. - 730 с.

34. Дмитриев С.П., Шимелевич Л.И. Верхняя граница ошибки нелинейного оценивания и априорный анализ точности корреляционно-экстремальных систем. // Автоматика и телемеханика. 1988. - № 10. - С. 41-45.

35. Жуковский А.П. Рассеяние электромагнитных волн земной поверхностью. Учебное пособие. — М.: Изд-во МАИ, 1991. — 80 с.

36. Зубкович С.Г. Статистические характеристики радиосигналов, отраженных от земной поверхности. — М.: Сов. Радио, 1968. — 223 с.

37. Киреев С.Н. Эффективные алгоритмы моделирования принятого сигнала для бортовой когерентной РЯС при переднебоковом обзоре. // Труды I Всероссийской НТК «Радиовысотометрия-2004». Екатеринбург: Изд.-во АМВ. 2004. - С. 268-273.

38. Киреев С.Н., Цыганков М.В. Программно-аппаратный комплекс для получения и обработки цифровых радиолокационных изображений. // Труды I Всероссийской НТК «Радиовысотометрия-2004». Екатеринбург: Изд.-во АМВ. 2004. - С. 34-38.

39. Кондратенков Г.С., Фролов А.Ю. Радиовидение. Радиолокационные системы дистанционного зондирования Земли. Учебное пособие для вузов. — М.: «Радиотехника», 2005. — 368 с.

40. Кормен Т., Лейзерсон Ч., Ривест Р., Штайн К. Алгоритмы: построение и анализ. — М.: Издательский дом «Вильяме», 2005. — 1296 с.

41. Костоусов В.В., Кукушкин А.П. Идентификация состояния механических систем по измерениям границ. Оценка точиости. // Задачи моделирования и оптимизации. — Свердловск: УрО АН СССР, 1991. С. 110-121.

42. Красильщиков М.Н., Себряков Г.Г. Управление и наведение беспилотных маневренных летательных аппаратов на основе современных информационных технологий. — М.: Физматлит, 2003. — 280 с.44