автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Геоинформационное обеспечение бортовой радиолокационной станции высокого разрешения пилотируемых летательных аппаратов

f

На правах рукописи

400« »1"

Гармаш Виталий Николаевич

ГЕОИНФОРМАЦИОННОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ БОРТОВОЙ РАДИОЛОКАЦИОННОЙ СТАНЦИИ

ВЫСОКОГО РАЗРЕШЕНИЯ ПИЛОТИРУЕМЫХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ

Специальность 05.13.01 - Системный анализ, управление и обработка информации (технические науки)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

|1 3 ОКТ 2011

Санкт-Петербург 2011

4857116

Работа выполнена в Балтийском государственном техническом университете «ВОЕНМЕХ» им. Д.Ф. Устинова.

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент Петров Юрий Витальевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Присяжнюк Сергей Прокофьевич

кандидат технических наук Верещагин Алексей Владимирович

Ведущая организация:

Открытое акционерное общество «Всероссийский научно-исследовательский институт радиоаппаратуры»

Защита диссертации состоится «<??» 2011 г. в часов на заседании диссертационного совета Д 212.010.03 в Балтийском государственном техническом университете «ВОЕНМЕХ» им. Д.Ф. Устинова по адресу: 190005, г. Санкт-Петербург, ул. 1-я Красноармейская 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан 0$ 2011 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.010.03

к.т.н., доцент

Петров Ю.В,

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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. Всепогодностъ, 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 траекторного сигнала современными БРЛС высокого разрешения и проявляется в геометрических искажениях РЖ.

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 радом трудностей. Наиболее существенной из них является необходимость адаптации разрабатываемой ЕИС 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 ЦАП), 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 РЖ 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.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе был выполнен анализ функций бортовых ГИС ЛА. Рассмотрен алгоритм синтезирования искусственной апертуры антенны БРЛС, выявлена проблема недостаточной информативности PJIK Отмечена проблема низкой производительности имеющихся бортовых вычислительных систем, использующихся в составе БРЛС. Выявлены наиболее актуальные направления использования геопространственной информации в бортовых радиолокаторах с синтезированной апертурой (РСА) ЛА.

В ходе обзора существующих бортовых ГИС было установлено, что для их корректного функционирования необходимо наличие возможности коррекции навигационных параметров (координат и истинного курса). Обычно в качестве источников информации для коррекции используются спутниковые навигационные системы (СНС) NAVSTAR и ГЛОНАСС. Главным недостатком СНС является их низкая помехозащищенность, в результате чего использование СНС для обеспечения корректного функционирования ГИС в составе комплекса бортового оборудования ЛА военного и двойного назначения невозможно без наличия средств автономной коррекции навигационной системы. При этом автономная коррекция навигации может производиться на основании расхождения видеокадра цифровой карты и радиолокационного портрета соответствующего участка земной поверхности, и являться функцией самой бортовой ГИС. Наиболее существенной проблемой при реализации ГИС в составе БРЛС является низкая производительность имеющихся бортовых вычислительных систем.

Обзор существующих авиационных БРЛС показал, что для получения РЛИ высокого и сверхвысокого разрешения используется метод искусственного синтезирования апертуры антенны. Построение РЛИ осуществляется в плоской полярной системе координат наклонная дальность - азимут. При этом проективная плоскость представляет собой участок сектора, «входящий» внутрь земной поверхности в центре зоны обзора и

ограниченный ее максимальными и минимальными размерами по дальности К*, и наклонному азимуту втт (рисунок 1).

Получение сигнала РЛИ 1, элемента разрешения по наклонному азимуту в\ осуществляется реализацией алгоритма:

-Тс 12

(1)

где Тс - временной интервал синтезирования, А, (0 - опорная функция для /го элемента разрешения; [/(/) - траекторный сигнал, представляющий в общем случае аддитивную смесь полезного сигнала и шума. Полезный сигнал представляет собой суперпозицию сигналов элементарных отражателей. При квадратичной аппроксимации дальности до цели

Л,(0 = ^М-ехр -у

4-тг

Уч-Соз^+е,)—

К2-Г2

■Зт^в.+в,)

(2)

2 •№+>•,)

где X - длина волны РСА, V - скорость ЛА, ЩО - весовая функция синтезированной апертуры, определяющая уровень боковых лепестков.

о Х„

______ ■

г., 1

ИЬй*/''

проективная уЩ ШШг

плоскость

г,(О = г10

(3)

Рисунок 1. Традиционный подход к построению РЛИ

Разрешение по дальности реализуется посредством использования импульсных периодических сигналов. Сигнал от /-го объекта представляет собой импульс, задержанный на время

2-У-1-Со*(в„+0,) С

где т10 =----задержка сигнала в момент времени / = 0, с- скорость

электромагнитных волн в свободном пространстве.

РЛИ, полученным с помощью общепринятого подхода к синтезированию искусственной апертуры антенны, присущи такие виды геометрических искажений, как разномасштабности по азимуту и по

дальности, а также ошибки, связанные с отсутствием данных о рельефе. Устранение данных искажений возможно посредством использования геопространственных данных в процессе формирования РЛИ.

Вид местности на РЛИ зависит от функции отражения подстилающей поверхности, которая в свою очередь характеризуется удельной эффективной площадью рассеяния (ЭПР). Неоднозначность ЭПР и ее зависимость от множества трудно учитываемых факторов (материал объекта, структура поверхности, влажность, внутренние неоднородности и т. д.) являются основными факторами, затрудняющими узнаваемость местности и идентификацию расположенных на ней объектов. Так, многие физически различные объекты при определенных условиях имеют одинаковую ЭПР, что приводит к идентичности их РЛИ. Имеется ряд малоконтрастных объектов, не различимых на фоне подстилающей поверхности. Существенная зависимость ЭПР от угла облучения приводит к тому, что РЛИ одной и той же местности, полученные с различных ракурсов, будут существенно различаться. Результатом воздействия перечисленных факторов является, как правило, недостаточная информативность РЛИ с точки зрения распознавания объектов местности; произвести их корректную идентификацию под силу лишь опытному оператору БРЛС. Совмещение РЛИ с ЦКМ в режиме реального времени позволит значительно увеличить их информативность за счет использования априорно известной информации о местности.

Таким образом, наиболее актуальными направлениями использования геопространственной информации в БРЛС высокого разрешения являются:

• совмещение РЛИ и ЦКМ в реальном времени;

• оценка информативности РЛИ при использовании ЦКМ;

• геометрическая коррекция РЛИ высокого разрешения на этапе формирования;

• автономная коррекция навигационных параметров по расхождению радиолокационного и картографического изображений.

Во второй главе предложена структура бортовой ГИС в составе БРЛС, разработаны методики и алгоритмы навигационного совмещения РЛИ и ЦКМ, количественной оценки прироста информативности РЛИ при использовании ЦКМ, встроенной геометрической коррекции РЛИ высокого разрешения, автоматического совмещения ЦКМ и РЛИ с последующей коррекцией навигационных параметров.

Предложенный алгоритм создания кадра цифровой карты, совмещенного с РЛИ, состоит из следующих основных этапов: привязки к местности рамки РЛИ; выбора листов исходных карт (формат БХР), покрытых рамкой РЛИ; выбора объектов местности, покрытых рамкой РЛИ; компоновки кадра ЦКМ; пересчета координат объектов из геодезической системы координат в систему Гаусса-Крюгера, а затем в экранную систему; перевода кадра ЦКМ в формат индикации.

Для обеспечения совмещения РЛИ и ЦКМ в режиме реального времени предлагается ряд мер, реализуемых на этапе предполетной подготовки и направленных на минимизацию времени формирования кадров цифровой карты в полете ЛА: «облегчение» исходных карт; включение в ЦКМ описателей условных обозначений всех объектов; создание библиотеки условных знаков; создание списка листов карты, содержащих имена листов и координаты их рамок; создание для каждого листа ЦКМ списка объектов, содержащего номера объектов, координаты их ограничивающих прямоугольников и смещения от начала файла с соответствующего листа карты; создание структуры данных, необходимых для быстрого расчета плоских координат объектов, аналогично с построением Таблиц Ларина.

Ключевым моментом задачи совмещения изображений является выбор количественных показателей их качества с целью сравнения и оценки эффективности совмещения. Данная проблема существенно усложняется, если исходные изображения имеют физически различные принципы формирования и разные форматы представления. Именно таким случаем является задача совмещения РЖ и ЦКМ. Поскольку изображение является носителем информации о характеристиках наблюдаемых объектов, наиболее универсальным показателем качества изображений является их информативность.

Количество информации, содержащейся в 1 пикселе РЖ, предлагается оценивать следующим образом:

где Лмх - максимальное значение функции изображения А(х,у); Р(х,у) -функция, характеризующая различие элемента изображения и окружающего фона; ц{х,у) — весовые коэффициенты элементов РЛИ, значения которых определяются типом радиолокационного объекта (РЛО) в зависимости от поставленной задачи (режима работы БРЛС).

На рисунке 2 отражена взаимосвязь величин, использующихся в формуле (4). Отношение Р(х,у)/Атх здесь аналогично отношению сигнал/шум с учетом того фактора, что в рассматриваемом случае решающую роль играют не уровни полезного сигнала и шума, а контрастность объекта с устойчивыми характеристиками отражения на фоне помехи. Очевидно, что при и(х,у) = 1, отсутствии шума и А(х,у) = Апш в соответствии с выражением (4) 1ет (х, у) = (х, у) = 1 бит, что

соответствует достоверной идентификации местоположения объекта и справедливо в случае ЦКМ.

(4)

Рисунок 2. Взаимосвязь величин, использующихся для расчета количества информации в элементах РЛИ

Произведем оценку метрической информативности РЛИ в терминах теории множеств. Пусть Я, - множество элементов исходного РЛИ, идентифицируемых как некий отдельный объект местности I, а М, -множество элементов, соответствующих растровому представлению данного объекта в ЦКМ в системе координат РЛИ:

Ц| = 1 /,«(*•*)

'■> (5)

Информативность совмещенного изображения РЛИ и ЦКМ:

(6)

где гк - время формирования кадра РЛИ.

Абсолютный прирост информативности РЛИ, полученный за счет совмещения с ЦКМ, равен:

ДI? =1

'к 'к

Относительный прирост информативности:

К =1- . . ,-юо%

(7)

(8)

Семантикой называется совокупность данных о классе и некоторых характеристиках объектов местности. Ранее описанный подход применим и для оценки прироста семантического вида информативности:

(9)

гМ _ ГК

д/(С=£1_А

гМ _ гК

(цс = 1'

Ш1 ^м

•100%

(10)

Отличие состоит в том, что в этом случае вместо ^ и М, используются количества информации о классе и характеристиках РЛО, содержащейся в РЛИ (/,") и сосредоточенной в ЦКМ (/"):

\кч\

с,

(И)

Лм= (12)

№

где I - общее число определяемых характеристик объекта местности, Ки -множество значений 7-й характеристики, которые в принципе данная характеристика может принимать, с,у - подмножество значений у'-й характеристики, определяемое по виду объекта на РЛИ (Си с Ки).

Для устранения геометрических искажений РЛИ, получаемых методом искусственного синтезирования апертуры антенны, предлагается осуществлять их построение в плоскости земной поверхности с использованием данных о рельефе местности. Для этого при обработке траекторного сигнала необходимо производить фокусировку на объектах, расположенных на земной поверхности в системе координат (ж, у) (рисунок 3) с постоянным шагом по осям А = сЫ = Ау, равным величине требуемой разрешающей способности. Построение РЛИ в системе координат (х,у) с использованием данных цифровой модели рельефа (ЦМР) обеспечит получение изображений прямоугольной формы, обладающих равными масштабом и требуемой разрешающей способностью на местности и представленных в горизонтальной проекции (ортопланов).

X—г-'А 1 X у- -

УН

\

проективная ^ЩШ -У

Рисунок 3. Построение РЛИ в плоскости земной поверхности

В этом случае опорная функция для получения РЖ /-го элемента по формуле (1) имеет вид:

h,^t) = W(t)■exV\-J

4-я

У-1-А, А,2)

Я

2-Я,

(13)

где

Я, = V*,2 +2-Я„ у, + +У,2 +2,2 (14)

Д, = Д, ■С<м(в,).Со5(Д)+>( .ам(а„)-*, •&>;(«„) (15)

Задержка огибающей сигнала от заданного объекта в соответствии с (3) подчиняется закону:

2 •к-/-С<м(0„+6>() 2-У-1-А, г,(0 = т(0--^- ~г'о—^г1 (16)

В случае холмистой или горной местности часть РЛИ может оказаться в зоне радиотени; при отсутствии бортовой ГИС местонахождение подобных участков неизвестно. Наличие данных о рельефе местности позволяет определить положение зон радиотени в пределах радиолокационного кадра и исключить синтезирование РЛИ элементов, находящихся внутри данных участков, что приводит к сокращению времени формирования изображения.

Предложенный алгоритм коррекции ошибок позиционирования ЛА на основании расхождения соответствующих кадров РЛИ и ЦКМ состоит из следующих основных этапов: сегментации РЛИ; выбора «характерных» точек цифровой карты; описания характерных точек в пространстве инвариантных моментов; поиска характерных точек на РЛИ; привязки изображений с определением их рассогласования в плоской прямоугольной системе координат; расчета ошибок позиционирования ЛА в географической системе координат.

Сегментация РЛИ необходима для выделения наиболее информативных участков (в данном случае границ объектов местности) с целью сравнения с эталонными объектами цифровой карты, т. е. приведения РЛИ к сопоставимому с ЦКМ виду. Объекты местности на РЛИ высокого разрешения обладают структурными различиями, и выделение их контуров возможно лишь посредством структурной сегментации. Как один из наиболее быстродействующих, был выбран алгоритм марковской сегментации, для реализации которого необходимы следующие априорные данные об изображении:

• 4 матрицы одношаговых вероятностей перехода

я-м(0|0) ... *<*>(Лг-1|0)

...

задающие условные вероятности проявления типа текстуры Я, в направлении к при заданном типе текстуры на предыдущем шаге ХгЛ;

• априорное распределение вероятностей типов текстуры <и(Аг);

• одношаговая функция правдоподобия т(у, | Л,);

• распределение текущего элемента изображения при его фиксированном значении на предыдущем шаге, а также при фиксированных значениях типа текстуры на текущем и предыдущем шагах ■

С целью повышения эффективности сегментации эти данные предлагается получать из соответствующего кадра ЦКМ на основе состава и взаимного расположения объектов местности с различными отражающими характеристиками. В этом случае каждый элемент матриц одношаговых вероятностей перехода определяется в соответствии с выражением:

Априорное распределение вероятностей типов текстуры определяется соотношением площадей входящих в кадр ЦКМ основных видов поверхности Земли:

V;

«^-^тг-: г=о..м-1 (18)

м

где м -размер РЖ в пикселях.

Одношаговая функция правдоподобия <о{уг\Хг) совпадает с распределением амплитуды элемента фона для заданного типа поверхности. Известно, что данное распределение подчинено закону Рэлея:

= (19)

У* I

Единственным параметром распределения является наиболее вероятное значение функции яркости у,0 для данного типа текстуры. Эта величина зависит от удельной ЭПР соответствующего вида поверхности при заданном угле облучения. В настоящее время зависимости удельных ЭПР различных видов поверхности от угла облучения изучены достаточно хорошо, и определение значения уг0 не представляет сложной задачи.

Практический анализ РЖ сантиметрового диапазона показал, что распределение а>,0'И^ЛЛ-.) зависит от корреляционных свойств изображения соответствующего типа поверхности, и с приемлемой точностью может быть аппроксимировано следующим выражением:

'—' .ехр(- 0у^->2 ■

где РЛг - коэффициент одношаговой корреляции для типа текстуры Л,. На рисунке 4 представлены результаты марковской сегментации РЖ

(а) при использовании равновероятной модели появления различных текстур

(б) и с использованием априорных данных, полученных на основе соответствующего кадра ЦКМ (в).

В качестве эталонных фрагментов для привязки изображений предлагается использовать наиболее информативные области ЦКМ, содержащие наибольшее количество единичных значений функции яркости:

*+я/2 у+т/2

= £ 2>(и) (21)

где А(1,]) - функция яркости, принимающая в каждой точке изображения нулевое либо единичное значение.

а б в

Рисунок 4. Результаты сегментации изображения (а) при использовании равновероятной модели проявления различных текстур (б) и с использованием априорных данных, полученных на основе соответствующего кадра цифровой карты (в)

После того, как характерные точки на эталонном изображении выделены, строится их описание в пространстве инвариантных моментов Ху, удовлетворяющих требованиям инвариантности к сдвигу, повороту и масштабированию изображения. В качестве меры сходства для сравнения инвариантов, описывающих текущий и эталонный фрагмент изображения, предлагается использовать следующий критерий:

(22)

7 м

где ф, - г-й инвариант эталонного фрагмента, ф,{х,у) - 1-Й инвариант фрагмента текущего изображения в положении (х,у). Максимум функции К(х,у) соответствует минимальному среднему относительному отклонению наборов инвариантов, описывающих текущий и эталонный фрагменты.

После нахождения всех пар сопряженных точек для ЦКМ и РЛИ по их взаимному расположению требуется определить угловое и линейное рассогласование изображений. Для формализации описания пространственных отношений между двумя группами сопряженных точек предлагается использовать направляющие - линии, наименее удаленные от совокупности точек (рисунок 5). Угловое рассогласование направляющих в этом случае будет соответствовать ошибке определения истинного курса. Поправки к текущим географическим широте и долготе определяются на основании линейного смещения кадров РЛИ и ЦКМ путем решения прямой геодезической задачи.

У

1

х

О

1

2

3

Рисунок 5. Прямая, наименее удаленная от совокупности точек

В третьей главе проведено экспериментальное исследование разработанных алгоритмов геоинформационного обеспечения БРЛС высокого разрешения как методом математического моделирования, так и посредством натурных испытаний.

Произведена экспериментальная оценка повышения информативности РЛИ при их совмещении с ЦКМ как для математических моделей РЛИ, так и для реальных изображений, полученных самолетной БРЛС в ходе летных испытаний. Выявлен нормальный характер распределения относительного прироста информативности с математическим ожиданием 41% и среднеквадратическим отклонением 6 %. Пример обычного и совмещенного с цифровой картой РЛИ представлен на рисунке 6.

Установлено, что использование алгоритма встроенной геометрической коррекции РЛИ целесообразно при дальности привязки менее 60 км или среднеквадратическом отклонении (СКО) высоты в пределах зоны обзора, превышающем величину разрешения БРЛС.

а

б

Рисунок 6. РЛИ (а), совмещенное с цифровой картой (б)

Произведена оценка точностных показателей автоматического совмещения РЛИ и ЦКМ и автономной коррекции координат и истинного курса ЛА как при математическом моделировании РЛИ, так и в случае реальных изображений. Максимально возможные точности определения координат и истинного курса составили соответственно 89 м и 0.17° при точности совмещения изображений 0.89 пикселя. Пример рассогласованных изображений и результатов автоматического совмещения приведен на рисунке 7.

Оценка быстродействия и объемов памяти, необходимых для функционирования разработанных алгоритмов геоинформационного обеспечения БРЛС, показала, что все разработанные алгоритмы, за исключением алгоритма встроенной геометрической коррекции РЛИ, могут быть использованы в условиях низкопроизводительных БЦВМ.

а б

Рисунок 7. Рассогласованные изображения (а) и результаты автоматического совмещения (б)

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

Основные результаты работы состоят в следующем:

1. Произведен анализ функций ГИС, используемых в составе комплексов бортового оборудования ЛА, выявлены достоинства и недостатки существующих бортовых ГИС. Определены наиболее актуальные направления использования геопространственных данных в составе БРЛС высокого разрешения.

2. Определена структура интегрированной ГИС в составе БРЛС высокого разрешения, адаптированная к условиям низкопроизводительных бортовых вычислителей. Разработан алгоритм совмещения кадров РЛИ и ЦКМ по данным навигационной системы и параметрам привязки БРЛС, ориентированный на использование в низкопроизводительных БЦВМ;

предложен ряд мер, направленных на минимизацию времени формирования кадров ЦКМ в ходе полета ЛА с целью обеспечения работы системы в режиме реального времени.

3. Разработана методика оценки информативности кадров РЛИ и ЦКМ, позволяющая осуществлять их совмещение на основе предложенного критерия максимума информативности в каждой точке композитного изображения.

4. Разработан алгоритм встроенной геометрической коррекции РЛИ высокого разрешения, основанный на использовании цифровой модели рельефа местности в процессе его формирования на уровне обработки радиолокационного сигнала. Предложенный алгоритм позволяет синтезировать РЛИ прямоугольной формы, обладающие равными масштабом и разрешающей способностью на местности и представленные в горизонтальной проекции.

5. Разработан алгоритм текстурной сегментации РЛИ высокого разрешения, основанный на использовании марковской сегментации; впервые предложен способ повышения эффективности сегментации посредством определения необходимых априорных статистических данных на основе соответствующего кадра цифровой карты.

6. Разработан алгоритм автоматической привязки радиолокационного и картографического изображений на основе сопоставимых информационных признаков с последующим определением текущих координат и истинного курса летательного аппарата; предложена полуавтоматическая модификация алгоритма, ориентированная на использование в низкопроизводительных БЦВМ и позволяющая сократить время поиска сопряженных точек на изображениях.

7. Проведено экспериментальное исследование разработанных алгоритмов геоинформационного обеспечения БРЛС высокого разрешения как методом математического моделирования на персональной ЭВМ, так и посредством натурных испытаний на БЦВМ «Багет-55-06». Оценка информативности РЛИ при совмещении с ЦКМ выявила нормальный характер распределения ее относительного прироста с математическим ожиданием 41% и среднеквадратическим отклонением 6%. Установлено, что использование алгоритма встроенной геометрической коррекции РЛИ целесообразно при дальности привязки менее 60 км или СКО высоты в пределах зоны обзора, превышающем величину разрешения БРЛС. Выполнена оценка точностных характеристик алгоритма автоматического совмещения РЛИ и ЦКМ и автономной коррекции навигационных параметров ЛА; точности определения координат и истинного курса составили соответственно 89 м и 0.17° при точности совмещения изображений 0.89 пикселя. Произведена оценка требуемых объемов памяти и быстродействия разработанных алгоритмов, показавшая, что все разработанные алгоритмы, за исключением алгоритма встроенной

геометрической коррекции РЛИ, могут быть использованы в условиях низкопроизводительных БЦВМ.

8. Разработано и внедрено программно-математическое обеспечение, реализующее предложенные алгоритмы геоинформационного обеспечения БРЛС высокого разрешения. Данная разработка внедрена в ОАО «НИИРЭК» и в ОАО «НТЦ «Завод Ленинец» в составе версий специального программного обеспечения реальных радиолокационных систем, о чем имеются соответствующие акты внедрения.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Гармаш В.Н., Петров Ю.В. Оценка информативности радиолокационных изображений при их совмещении с цифровыми картами местности // Информация и космос. 2011. №1. - С. 41-46.

2. Гармаш В.Н. Марковская сегментация радиолокационных изображений с использованием априорных данных цифровой карты местности // Вестник Рязанского государственного радиотехнического университета. Выпуск 36. - Рязань: РГРТУ, 2011. - С. 13-17.

3. Овчарук ДА., Петров Ю.В., Гармаш В.Н. Создание совмещенных изображений радиолокационных портретов и цифровых карт местности в реальном времени // Сборник докладов 16-й Междунар. научно-технической конф. «Радиолокация, навигация, связь», т.З. - Воронеж, 2010. - С. 19161925.

4. Гармаш В.Н. Использование геопространственной информации в бортовых радиолокационных комплексах // Современные проблемы радиотехники и телекоммуникаций (РТ-2009): материалы 5-ой Междунар. молодежной научн.-техн. конф. / Севастопольский нац. технический ун-т. -Севастополь: Вебер, 2009. - С. 220.

5. Гармаш В.Н. Оценка информативности радиолокационных объектов при использовании геопространственных данных // Современные проблемы радиотехники и телекоммуникаций «РТ-2010»: Материалы 6-ой Междунар. молодежной науч.-техн. конф. / Севастопольский нац. технический ун-т. -Севастополь: СевНТУ, 2010. - С. 332.

6. Гармаш В.Н. Коррекция ошибок позиционирования летательных аппаратов по расхождению радиолокационного и картографического изображений // Современные проблемы радиотехники и телекоммуникаций «РТ-2011»: Материалы 7-ой Междунар. молодежной науч.-техн. конф. / Севастопольский нац. технический ун-т. - Севастополь: СевНТУ, 2011. - С. 314.

7. Гармаш В.Н. Встроенная геометрическая коррекция радиолокационных изображений // 15-й Юбилейный Мевдунар. молодежный форум «Радиоэлектроника и молодежь в XXI веке». Сб. материалов форума. Т. 3. -Харьков: ХНУРЭ. 2011. -С. 201-202.

8. Корректировка разработанных алгоритмов обработки смесей сигнала и помехи. Разработка высокоточных алгоритмов управления: отчет о НИР- N° У-07-8504 / БГТУ «ВОЕНМЕХ»; рук. НИР В.В. Смирнов. - СПб., 2010. - 81 е.: Соисполн.: Астанин Л.Ю., Полосин Л.Л., Петров Ю.В., Гармаш В.Н. и др.

9. Гармаш В.Н., Петров Ю.В. Меры информативности радиолокационных изображений // Инновационные технологии и технические средства специального назначения: труды 3-й Общероссийской научн.-практ. конф. / БГТУ «Военмех» им. Д. Ф. Устинова. - СПб., 2010. - С. 92-96. (Библиотека журнала «Военмех. Вестник БТГУ», № 10).'

10. Гармаш В.Н. Наложение цифровой карты местности на радиолокационное изображение по параметрам навигационной системы летательного аппарата // Системы управления и передачи информации: материалы межвуз. науч.-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых. / БГТУ «Военмех» им. Д. Ф. Устинова. - СПб., 2009. - С. 42-43.

11. Гармаш В.Н. Совмещение радиолокационного изображения и электронной карты местности // Информационные технологии в области науки и техники: материалы 6-й откр. научн.-практ. конф. учащихся, студентов и аспирантов. Ч. 2. / ГОУ «СПбГДТЮ». - СПб., 2008. - С. 25-28.

12. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2011611701 Гармаш В.Н., Овчарук Д.А. «Интегрированная геоинформационная система бортовых радиолокационных станций пилотируемых маневренных летательных аппаратов»

Подписано в печать 19.09.2011. Формат бумаги 60x84 1/16. Бумага документная. Печать трафаретная. Усл. печ. л. 1. Тираж 100 экз. Заказ № 190 Балтийский государственный технический университет

Типография БГТУ 190005, Санкт-Петербург, 1-я Красноармейская ул., д.1

ВВЕДЕНИЕ.

1 АНАЛИЗ ФУНКЦИЙ ГЕОИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ В СОСТАВЕ КОМПЛЕКСА БОРТОВОГО ОБОРУДОВАНИЯ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ.

1.1 Геоинформационные системы и их применение в комплексах бортового оборудования летательных аппаратов.

1.2 Бортовые радиолокационные станции высокого разрешения.

1.3 Разработка направлений использования геопространственных данных в составе бортовой радиолокационной станции высокого разрешения.

1.3.1 Совмещение радиолокационных изображений с цифровыми картами местности.

1.3.2 Оценка информативности радиолокационных изображений при использовании цифровых карт местности.

1.3.3 Геометрическая коррекция радиолокационных изображений высокого разрешения.

1.3.4 Автономная коррекция навигационных параметров по расхождению радиолокационного и картографического изображений.

2 СИНТЕЗ МЕТОДИК И АЛГОРИТМОВ ГЕОИНФОРМАЦИОННОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ БОРТОВОЙ РАДИОЛОКАЦИОННОЙ СТАНЦИИ.

2.1 Структура интегрированной геоинформационной системы в составе бортовой радиолокационной станции высокого разрешения.

2.2 Разработка методики оценки информативности радиолокационных изображений при использовании цифровых карт местности.

2.3 Геометрическая коррекция радиолокационных изображений при использовании цифровой модели рельефа местности.

2.4 Автоматическое совмещение радиолокационного и картографического изображений и автономная коррекция навигационных параметров.

2.4.1 Разработка алгоритма сегментации радиолокационных изображений высокого разрешения.

- 2.4.2 Разработка алгоритма автоматической привязки радиолокационного и картографического изображений.

3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ИНТЕГРИРОВАННОЙ ГЕОИНФОРМАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ В СОСТАВЕ БОРТОВОЙ РАДИОЛОКАЦИОННОЙ СТАНЦИИ.

3.1 Разработка математической модели бортовой геоинформационной системы в составе радиолокационной станции.

3.2 Экспериментальная оценка повышения информативности радиолокационных изображений.

3.2.1 Математическое моделирование.

3.2.2 Натурные испытания.

3.3 Экспериментальная оценка эффективности геометрической коррекции радиолокационных изображений.

3.3.1 Устранение ошибок разномасштабности.

3.3.2 Устранение ошибок, связанных с рельефом местности.

3.4 Экспериментальная оценка точности совмещения радиолокационного и картографического изображений и определения навигационных параметров.

3.4.1 Математическое моделирование.

3.4.2 Натурные испытания.

3.5 Оценка быстродействия разработанных алгоритмов.

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 част£ 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 . .5' \ . траекторного 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, ©днако: 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 [1]. 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 навигационной1 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 ЦАП), видеосмеситель [2]. Отдельно стоит отметить сложность синхронизации кадров > РЛИ и ЦКМ при использовании подобных систем, поскольку дляз 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;

• создание методики оценки информативности РЛИ и .ЦКМ;

• синтез 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 задач 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 к товарным знакам (Роспатент).

Личный вклад соискателя в опубликованных материалах состоит в следующем:

• работы [24], [48], [51], [54], [61], [67], [68] выполнены без соавторов;

• в работе [25] соискателем рассмотрены существующие способы оценки информативности радиолокационных изображений и доказана их нецелесообразность в случае необходимости сопоставления с картографическими изображениями;

• в работе [49] соискателем предложены и исследованы алгоритмы формирования кадров цифровой карты местности и их синхронного отображения с радиолокационными снимками в режиме реального времени;

• в работе [56] соискателем предложена новая методика оценки информативности радиолокационных изображений при их совмещении с цифровыми картами местности.

• в работе [85] соискателем выполнена экспериментальная оценка информативности РЛИ при совмещении с цифровыми картами. Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 3-х

Основные результаты работы состоят в следующем:

1. Произведен анализ функций ГИС, используемых в составе комплексов бортового оборудования ЛА, выявлены достоинства и недостатки существующих бортовых ГИС. Определены актуальные направления использования геопространственных данных в составе БРЛС высокого разрешения: совмещение кадров РЛИ и ЦКМ на индикаторе БРЛС в режиме реального времени; оценка информативности РЛИ и ЦКМ при формировании композитного изображения; автономная коррекция координат и истинного курса ЛА по расхождению радиолокационного и картографического изображений; геометрическая коррекция РЛИ высокого разрешения на этапе его формирования.

2. Определена структура интегрированной ГИС в составе БРЛС высокого разрешения, адаптированная к условиям низкопроизводительных бортовых вычислителей. Разработан алгоритм совмещения кадров РЛИ и ЦКМ по данным навигационной системы и параметрам привязки БРЛС, ориентированный на использование в низкопроизводительных БЦВМ; предложен ряд мер, направленных на минимизацию времени формирования кадров ЦКМ в ходе полета ЛА с целью обеспечения работы системы в режиме реального времени.

3. Разработана методика оценки информативности кадров РЛИ и ЦКМ, позволяющая осуществлять их совмещение на основе предложенного критерия максимума информативности в каждой точке композитного изображения и оперирующая как метрическими, так и семантическими данными об объектах местности.

4. Разработан алгоритм встроенной геометрической коррекции РЛИ высокого разрешения, основанный на использовании цифровой модели рельефа местности в процессе его формирования на уровне обработки радиолокационного сигнала. Предложенный алгоритм позволяет синтезировать РЛИ прямоугольной формы, обладающие равными масштабом и разрешающей способностью на местности и представленные в горизонтальной проекции.

5. Разработан алгоритм текстурной сегментации РЛИ высокого разрешения, основанный на использовании марковской сегментации; впервые предложен способ повышения эффективности сегментации посредством определения необходимых априорных статистических данных на основе соответствующего кадра цифровой карты.

6. Разработан алгоритм автоматической привязки радиолокационного и картографического изображений на основе сопоставимых информационных признаков с последующим определением текущих координат и истинного курса летательного аппарата; предложена полуавтоматическая модификация алгоритма, ориентированная на использование в низкопроизводительных БЦВМ и позволяющая сократить время поиска сопряженных точек на изображениях за счет уменьшения зоны поиска первой характерной точки и исключения вероятности отбраковки результата ее привязки.

7. Проведено экспериментальное исследование разработанных алгоритмов геоинформационного обеспечения БРЛС высокого разрешения как методом математического моделирования на персональной ЭВМ, так и посредством натурных испытаний на БЦВМ «Багет-55-06». Оценка информативности РЛИ при совмещении с ЦКМ выявила нормальный характер распределения ее относительного прироста с математическим ожиданием 41 % и среднеквадратическим отклонением 6 %. Установлено, что использование алгоритма встроенной геометрической коррекции РЛИ целесообразно при дальности привязки менее 60 км или в случае холмистой (горной) местности с перепадом высот на интервале синтезирования, превышающим величину разрешения БРЛС. Выполнена оценка точностных характеристик алгоритма автоматического совмещения РЛИ и ЦКМ и автономной коррекции навигационных параметров ЛА; точности определения координат и истинного курса составили соответственно 89 м и

0.17° при точности совмещения изображений 0.89 пикселя. Произведена оценка требуемых объемов памяти и быстродействия разработанных алгоритмов, показавшая, что все разработанные алгоритмы, за исключением алгоритма встроенной геометрической коррекции РЛИ, могут быть использованы в условиях низкопроизводительных БЦВМ.

8. Разработано программно-математическое обеспечение, реализующее предложенные алгоритмы геоинформационного обеспечения БРЛС высокого разрешения. Данная разработка внедрена в ОАО «НИИРЭК» и в ОАО «НТЦ «Завод Ленинец» в составе версий специального программного обеспечения реальных радиолокационных систем, о чем имеются соответствующие акты внедрения. Получено свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ «Интегрированная геоинформационная система бортовых радиолокационных станций пилотируемых маневренных летательных аппаратов» в Федеральной службе по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам (свидетельство №2011611701 Гармаш В.Н., Овчарук Д.А.).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. US Patent № 4081802. Radar and navigation chart overlay video display system / Richard E. Elmore, Richard L. Plumb.

2. Патент № 2231082 РФ. Способ повышения достоверности распознавания цели и система для его осуществления / Панин А.Н., Клепов A.M., Рудаков С.Е.

3. Основы геоинформатики: В 2 кн. Кн. 1: Учеб. пособие для студ. вузов / Е.Г. Капралов, A.B. Кошкарев, B.C. Тикунов1 и др.; Под ред. B.C. Тикунова. М.: Издательский центр «Академия», 2004. - 352 с.

4. Основы геоинформатики: В 2 кн. Кн. 2: Учеб. пособие для студ. вузов / Е.Г. Капралов, A.B. Кошкарев, B.C. Тикунов и др.; Под ред. B.C. Тикунова. М.: Издательский центр «Академия», 2004. - 480 с.

5. ГОСТ Р 52155-2003 Географические информационные системы федеральные, региональные, муниципальные. Общие технические требования.

6. Открытый формат цифровой информации о местности. Структура двоичного файла: Код фомата* SXF. Редакция 4.0. Ногинск: Панорама, 2000.-39 с.

7. Открытый формат цифровой информации о местности. Структура текстового файла. Код фомата SXF. Редакция 4.0. Ногинск: Панорама, 2000.-21 с.

8. Яценков B.C. Основы спутниковой навигации. Системы GPS NAVSTAR и ГЛОНАСС. М.: Горячая линия - Телеком, 2005. - 272 с.

9. Помыкаев И.И. Инерциальный метод измерения параметров движения летательных аппаратов. М.: Машиностроение, 1969. - 216 с.

10. Магнус К. Гироскоп: теория и применение. М.: Мир, 1974. - 526 с.

11. Кузнецов Н.Т., Салычев О. С. Инерциальная навигация и оптимальная фильтрация. -М.: Машиностроение, 1982. 216 с.

12. Мартыненко Ю.Г. Инерциальная навигация // Соросовский образовательный журнал. 1998. №8. —С. 102-108.

13. Гапионок A.B., Катенин В.А., Катенин A.B., Меркушов Н.С. Опыт боевого использования спутниковых навигационных систем второго поколения в современных войнах // Морская радиоэлектроника. 2004. №1. С. 26-31.

14. Филатов И.Ю. Алгоритмы совместной обработки информации от бортовых источников летательного аппарата на основе логики взаимного расположения объектов: Автореф. диссер. на соиск. ученой степени канд. техн. наук. Рязань: РГРТУ, 2006. — 20 с.

15. Костров Б.В., Конкин Ю.В. Алгоритмическое обеспечение системы автономной коррекции погрешностей навигационной системы летательных аппаратов // Цифровая обработка сигналов. 2007. №3. — С. 37-40.

16. Универсальный процессорный модуль БТ23-202 на базе микропроцессора R3081 М.: НИИСИРАН, 1999. - 72 с.

17. Кондратенков Г.С., Фролов А.Ю. Радиовидение. Радиолокационные системы дистанционного зондирования Земли. Учебное пособие для вузов / Под ред. Г. С. Кондратенкова. М.: «Радиотехника», 2005. - 368 с.

18. Радиолокационные станции с цифровым синтезированием апертуры антенны / В.Н. Антипов, В.Т. Горяинов, А.Н. Кулин и др.; Под ред. В.Т. Горяинова. -М.: Радио и связь, 1988. 304 с.

19. Саблин В.Н. Разведывательно-ударные комплексы и радиолокационные системы наблюдения земной поверхности. — М.: Радиотехника, 2002. — 181 с.

20. Неронский Л.Б., Михайлов В.Ф., Брагии К.В. Микроволновая аппаратура дистанционного зондирования поверхности Земли и атмосферы. Радиолокаторы с синтезированной апертурой антенны. СПб.: СПбГУАП, 1999. - 220 с.

21. Сосулин Ю. Г. Теоретические основы радиолокации и радионавигации: Учеб. пособие для вузов. — М.: Радио и связь, 1992. 304 с.

22. Нарышкин А.К. Информативность радиолокационных объектов, сигналов и систем. М.: МЭИ, 1993. - 98 с.

23. Корчинский В.М. Информативность многоспектральных проекционных изображений // Автоматика. Автоматизация. Электротехнические комплексы и системы. 2005. №1. С. 52-55.

24. Кирсанова E.H., Садовский М.Г. Об информационной значимости цифровых изображений // Радиоэлектроника, Информатика, Управление. 2001. №2.-С. 88-95.

25. Bugaenko N.N., Gorban A.N., Sadovsky M.G. Maximum entropy method inanalysis of genetic text and measurement of its information content // Open System &.Information Dynamics, 1998. y.5, №3.-pp. 265-278.

26. Gorban A.N., Popova Т.О., Sadovsky MiG. Classification of symbol sequences over their frequency dictionaries: towards the connection between structure and natural taxonomy // Open System & Information Dynamics, 2000. v.7, №1. -pp. 1-17. .■•, ■

27. Kirsanova E.N., Sadovsky M.G. Entropy approach to a comparison of images // Open System & Information,Dynamics, .2001/. v.8, №1. -pp. 183-199:

28. Кирсанова E.H., Садовский М.Г. Метод статистического сравнения объектов // Радиоэлектроника;. Информатика, Управление. 2000; №2. — С. 71-82:-. ' / \ • /

29. Стоян IO.I'., Яковлев С.В. Математические модели и оптимизационные методы геометрического проектирования. К.: Наукова думка, 1986.268 с. . ";" ■ ■'.' . ; . • ■

30. Стоян Ю.Г. Пространства геометрической информации. — Харьков: 1985. 68 с. (Препринт Ин-та проблем машиностроения АН УССР, № 223).

31. Лепский А.Е., Броневич A. F., Бачило С. А. Выделение контрольных : точек на- основе меры информативности^ контур»а // Сборник трудов 4-ймеждународной конференции «Цифровая обработка сигналов и ее применение».- М:: 2002.- С. 288-291:, •

32. Каркищенко А.Н., Броневич A.F., Лепский А.Е. Неаддитивные меры: приложения: к обработке информации с высокой неопределенностью // Вестник Южного научного центра РАН, т.1, вып.З; 2005. С. 90 -95.

33. Бирюков B.C. Цифровые снимки в фотограмметрии // Геодезия и картография. 2000. №10. С. 33-36.

34. Урмаев М.С. Космическая фотограмметрия: Учебник для вузов М.: Недра, 1989.-279 с.

35. Новиков А.И., Конкин Ю.В., Федорович Я".А. Применение градиентных методов в задачах обработки радиолокационной информации // Математические методы в научных исследованиях: Межвуз. сб. / Рязан. гос. радиотехн. акад. Рязань, 2006. С. 55-63.

36. Демин В.М. Теория и практика применения карт в авиации. М.: Машиностроение, 1969. -204 с.

37. Таблицы для вычисления плоских конформных координат Гаусса в пределах широт от 30 до 80°. Эллипсоид Красовского / Под ред. В. А. Бирюкова. -М.: Издательство геодезической литературы, 1958. — 120 с.

38. Закатов П.С. Курс высшей геодезии. Изд. 4, перераб. и доп. — М.: Недра, 1976.-511 с.

39. Д. Роджерс. Алгоритмические основы машинной графики. М.: Мир, 1989. -512 с.

40. Порев В.Н. Компьютерная графика. СПб.: БХВ-Петербург, 2004. - 432 с.

41. Корогодин В.И., Корогодина В.Л. Информация как основа жизни. — Дубна: Феникс, 2000. 208 с.

42. Гармаш В.Н. Оценка информативности радиолокационных объектов при использовании геопространственных данных // Современные проблемы радиотехники и телекоммуникаций «РТ-2010»: Материалы 6-ой

43. Междунар. молодежной науч.-техн. конф. / Севастопольский нац. технический ун-т. — Севастополь: СевНТУ, 2010. — С. 332.

44. Хэмминг Р.В. Теория кодирования и теория информации: Пер. с англ. — М.: Радио и связь, 1983. 176 с.

45. Гармаш В.Н., Петров Ю.В. Оценка информативности радиолокационных изображений при их совмещении с цифровыми картами местности // Информация и космос. 2011. №1. — С. 41-46.

46. Rafael С. Gonzalez, Richard Е. Woods. Digital Image Processing. 2nd Ed. -NJ: Prentice Hall, 2002. 813 p.

47. Хорн Б.К.П. Зрение роботов: Пер. с англ. M.: Мир, 1989. - 487 с.

48. Верещагин Н.К., Шень А. Лекции по математической логике и теории алгоритмов. Часть 1. Начала теории множеств. М.: МЦНМО, 1999. — 128 с.

49. Пензов Ю.Е. Элементы математической логики и теории множеств. — Саратов: изд-во Саратовского ун-та, 1968. 143 с.

50. Гармаш В.Н. Встроенная геометрическая коррекция радиолокационных изображений // 15-й Юбилейный Междунар. молодежный форум «Радиоэлектроника и молодежь в XXI веке». Сб. материалов форума. Т. 3.- Харьков: ХНУРЭ. 2011. С. 201-202.

51. Военная топография. Уч. для военных училищ. / Под ред. А.С. Николаева- М.: Воениздат, 1977. 280 с.

52. Geman S., Geman D. Stochastic Relaxation, Gibbs Distributions and the Bayesian Restoration of Images // IEEE Transaction on Pattern Analysis and Machine Intelligence, 1984. №6. pp. 721-741.

53. Лебедев Д. С., Безрук А. А., Новиков В. М. Марковская вероятностная модель изображения и рисунка. М.: ИППИ АН СССР, 1983. - 40 с.

54. Цифровая обработка изображений в информационных системах: Учеб. пособие / И.С. Грузман, B.C. Киричук и др. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2002. - 352 с.

55. Ковтун И.В. Текстурная сегментация изображений на основании марковских случайных полей // Управляющие системы и машины. 2003. — № 4. С. 46-55.

56. Гармаш В.Н. Марковская сегментация радиолокационных изображений с использованием априорных данных цифровой карты местности // Вестник Рязанского государственного радиотехнического университета. Выпуск 36.-Рязань: РГРТУ, 2011.-С. 13-17.

57. Попов С.А., Ватолин Д.С. Панорамное изображение в видеонаблюдении // Системы безопасности. 2009. № 2. - С. 84-86.

58. Teh С-Н, Chin R.T. On image analysis by the methods of moments // IEEE Transaction on Pattern Analysis and Machine Intelligence, 1988. v. 10, №4. -pp. 496-513.

59. Ни M.K. Visual pattern recognition by moment invariants // IRE Trans. Inf. Theory, 1962.v.IT-8.-pp. 179-187.

60. Khotanzad A., Hong Y.H. Invariant image recognition by Zernike moments // IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence, 1990. v. 12, №5. pp. 489-497.

61. Злобин B.K., Еремеев B.B. Обработка аэрокосмических изображений. -М.: ФИЗМАТЛИТ, 2006. 288 с.

62. Никулин Е.А. Компьютерная геометрия и алгоритмы машинной графики. СПб.: БХВ-Петербург, 2005. - 576 с.

63. Методы математического моделирования радиотехнических систем: Учебное пособие / Под ред. Ю.В. Петрова СПб.: БГТУ, 2005. - 120 с.

64. Архангельский А.Я., Тагин М.А. Программирование в С++ Builder 6 и 2006. М.: ООО «Бином-Пресс», 2007. - 1184 с.

65. Шилдт Г. Полный справочник по С++, 4-е издание: Пер. с англ. — М.: Издательский дом «Вильяме», 2008. 800 с.

66. Шилдт Г. Полный справочник по С, 4-е издание.: Пер. с англ. — М.: Издательский дом «Вильяме», 2007. 704 с.

67. Бендат Дж., Пирсол А. Измерение и анализ случайных процессов: Пер. с англ. М.: Мир, 1974. - 408 с.

68. Ван дер Варден Б.Л. Математическая статистика: Пер. с немец. — М.: Иностранная литература, 1960. — 435 с.

69. Жовинский А.Н., Жовинский В.Н. Инженерный экспресс-анализ случайных процессов — М.: Энергия, 1979. — 112 с.

70. Мирский Г.Я. Аппаратурное определение характеристик случайных процессов М.: Энергия, 1972. - 456 с.

71. Большев Л.Н., Смирнов Н.В. Таблицы математической статистики М.: Наука, 1983.- 416 с.

72. Хан Г., Шапиро С. Пер. с. англ. Е.Г. Коваленко / Под ред. В.В. Налимова. Статистические модели в инженерных задачах. М.: Мир, 1969. 396 с.