автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.16, диссертация на тему:Математическое и программное обеспечение центра приема и обработки спутниковых данных

-V гч-

^ .Су

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ Вычислительный центр

На правах рукописи

КОПЫЛОВ Василий Николаевич

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ И ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЦЕНТРА ПРИЕМА И ОБРАБОТКИ СПУТНИКОВЫХ ДАННЫХ

Специальность 05.13.16 - применение вычислительной техники, математического моделирования и математических методов в научны* исследованиях

ДИССЕРТАЦИЯ а виде научного доклада на соискание ученой степени кандидата технических наук

Новосибирск -]996

Работа выполнена в Вычислительном центре Сибирского отделения Российской академии наук и в Западно-Сибирском региональном центре приема н обработки спутниковых данных Федеральной службы по гидрометеорологии.

Научный руководитель: доктор технических паук, профессор Пяткин В.П.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Оскорбим Н.М. кандидат физико-математических наук, с.н.с Дебслов В.А.

Ведущее предприятие: Институт аатоматики и электрометрии СО РАН.

Защита состоится "26" ноября 1900 года в 16 часов на заседании диссертационного совета Д 002.10.02 в Вычислительном центре СО РАН по адресу:

630090, Новосибирск- 90, проспект академика Лаврентьева, 6.

С диссертацией в виде научного доклада можно ознакомиться в читальном зале библиотеки ВЦ СО РАН.

Диссертация в виде научного доклада разослана

октября 1996 года.

Ученый секретарь диссертационного совета

Введение

Состояние природных и антропогенных объектов, оперативное управление ими стали важнейшими проблемами современной науки, экономики и политики. Большую роль и решении этих проблем играют методы дистанционного исследования Земли из космоса. Спутниковая информация открыла широкие возможности для изучения поверхности Земли и атмосферы: обзор большой территории, организация наблюдений за которой обычными методами весьма затруднительна, пысокая периодичность получения, многообразие используемых спектральных каналов, оперативность получения. Для решения ключевых проблем были разработаны и активно используются спутниковые системы: метеорологическая, картографическая, океанографическая, природноресурсная.

На первом зтапе развития методов дистанционного исследования Земли из космоса в 70-х - начале 80-х годов обнаружилась диспропорция между высокой эффективностью процессов получения спутниковой информации и низкой производительностью способов ее обработки [ 23 ]. Большой поток информации, поступающий со спутников, был несоизмерим с ограниченными возможностями технических средств обработки, кроме того, слабо был развит математический и программный аппарат тематической обработки. 80-е - 90-е годы характеризуются бурным развитием методов тематической обработки спутниковой информации. Значительно расширилась сфера использования данной информации: от ставших классическими метеорологии, картографии, океанографии до геологии, географии, сейсмологии, гляциологии, сельского хозяйства, землепользования, лесного хозяйства, контроля за загрязнением окружающей среды и т.д. Развитию методов обработки данных дистанционного зондирования Земли из космоса в немалой степени способствовал прогресс в области вычислительной техники: создание спецпроцессоров для обработки видеоинформации, распространение доступных персональных компьютеров с расширенными графическими возможностями и, цаконец, применение специальных графических станций высокой производительности.

Новый уровень развития технических и программных средств тематической обработки предъявляет на современном этапе, в свою очередь, повышенные требования к качеству исходной информации, к ее достоверности, к видам ее

представления и способам передачи потребителям. Существующая систем приема, предварительной обработки и передачи потребителям спутниково информации оказалась неадекватна более развитым системам тематическо обработки, что отрицательно сказывается на эффективности применения методо дистанционного зондирования Земли в целом.

Миниатюризация вычислительной техники и доступность информации метеорологических спутников позволяет реализовать настольную систем автоматизированного приема и обработки этой информации, обеспечивающу! полную технологическую цепочку обработки информации (от предварительной л тематической) как в исследовательских целях, так и для "решения практически задач. Информация с океанографических и природноресурсных спутнике отличается более высоким пространственным разрешением, что резко увеличива< объем и скорость передачи информации, соответственно усложняются и дорожак устройства приема и предварительной обработки, для обслуживания там устройств требуются высококвалифицированные специалисты. Для приема обработки данной информации в 60-е - 70-е годы была, создана система сбора обработки на базе специализированных центров. Автору представляется, ч^ структура технических и программных средств Центра приема и обработ1 спутниковых данных (ЦПОД), являющегося структурным звеном наземно! комплекса приема и Предварительной обработки информации метеорологических, океанографических и природноресурсных спутников, долж: стать предметом серьезного системного 41Сследования. Основной объе: исследований И научно-техническая проблема, решаемая в диссертациошк работе - это разработка концепции и создание комплекса апппратно-ппограммш средств для приема и обработки спутниковой информации в Центре приема обработки данных с последующей передачей этого комплекса для промышленно использования в существующих Центрах.

Исследования автора в области автоматизации процессов приема обработки спутниковой информации были начаты в 1979 году и проводились ВЦ СО РАН (1979-1985 гг.) и в ЗапСиб РЦПОД Росгидромета (1986- 1996гг.).

Непосредственными предпосылками работ были: « расширение области применения спутниковой информации при решен прикладных задач, отраженное в работах российских и зарубежных ученых;

♦ диспропорция между запросами потребителей спутниковой информации и сачсстпом п формам» представления распространяемой информации в Центрах "|риема и обработки данных; .

♦ отсутствие комплексного подхода к проблеме автоматизации приема и збработки спутниковой информации в Центрах приема и обработки данных;

Теоретические исследования и разработки, а также прикладные исследования, исполненные автором в области автоматизации приема и обработки спутниковой информации, связаны с проектом " Центр обработки геоинформации. Создание гистемного и функционального программного обеспечения обработки данных дистанционных измерений" (1981-1984гг., ВЦ СО РАН, научный руководитель академик А.С.Алексеев ), с рядом научно-исследовательских н опытно-конструкторских работ НПО "Планета" и ЗапСиб РЦПОД Росгидромета (19851996гг.)

1. Общая характеристика исследований

Диссертационная работа обобщает результаты теоретических и прикладных исследований и разработок, выполненных под научным руководством и при личном участии автора в области автоматизации приема и обработки спутниковой информации.

Актуальность. Актуальность теоретических и прикладных исследований и разработок в области автоматизации приема и обработки спутниковой информации определяется:

I) необходимостью использования спутниковой информации при решении широкого спектра научных и народнохозяйственных задач;

. 2) необходимостью повышения уровня гзтоматизации процессов приема информации с целью улучшения качества получаемой информации;

3) существованием нерешенных проблем, имеющих фундаментальный характер и важное прикладное значение в связи с задачами повышения качества, достоверности и оперативности предварительной обработки спутниковой информации.

Цель и задачи исследований. Теоретические исследования включали разработку и анализ концепции аппаратно-программного обеспечения типового Центра приема и обработки спутниковых данных, постановку и решение ряда актуальных

задач обработки и анализа спутниковой информации. Прикладные исследования включали разработку и исследования ряда конхреггных алгоритмов приема и обработки спутниковой информации, их реализацию в виде комплекса взаимосвязанных программ, обеспечивающего общее управление работой наземного комплекса, автоматическое ведение антенн, оцифровку и регистрацию информации, предварительную и некоторую тематическую обработку в типовом Центре приема и обработки спутниковых данных.

Научная новизна. Проведенные исследования позволили получить ряд новых результатов. Предложена и обоснована структура комплекса ■ для приема и обработки спутниковой информации, обеспечивающая его функциональную полноту, гибкость, способность к развитию. Разработаны и исследованы новые алгоритмы для расчета координат движения антенн, регистрации информации, предварительной обработки изображений, учитывающие особенности процесса съема информации и специфику решаемых задач.

Практическая значимость и реализация. .

Основные научные результаты диссертационной работы были использованы при создании аппаратно-программного комплекса Западно-Сибирского Регионального центра приема и обработки спутниковых данных (г, Новосибирск), входящего в наземный комплекс приема и обработки информации с. космических систем метеорологического, океанографического и природиоресурсного направлений и находящегося в ведении Федеральной службы Россия по гидрометеорологии.

Часть программ в виде пакетов прикладных программ и наборов программных модулей внедрены в ряде организаций страны: НПО " Планета" (г.Мосхва), Обнинском центре приема и обработки данных (г. Обнинск), Дальневосточном региональном центре приема и обработки данных (г.Хабаровск), Надымском и Кызыльском автономных пунктах приема информации, Алтайском государственном университете ( г.Барнаул ). Результаты диссертационной работы используются в оперативной работе вышеперечисленных центров приема и обработки данных с существенным экономическим эффектом. Только технология автоматизированного приема и обработки метеорологической видеоинформации, поступающей в режиме непосредственной передачи "АРТ- монтаж'' дает экономический эффект около 20 млн. руб. (на 1995 г.) для каждого центра в год.

Апробация работы. Основные теоретические результаты," отдельные положения, а также результаты конкретных прикладных исследований и разработок обсуждались на научных семинарах ВЦ СО РАН (1979-1984 гг.), на научном семинаре НПО "Планета" (г. Москва ,1995 г.), на Всесоюзной конференции "Автоматизация научных исследований (г.Новосибирск,1979 г.), на Всесоюзной конференции по обработке изображений (г. Днепропетровск, 1980 г.), на Региональной конференции по обработке изображений и дистанционным исследованиям (г.Нопосибнрск,1931 г.), на Псесоюзном семинаре по получению и использованию спутниковой информации при гидрометеорологическом обеспечении народного хозяйства (г.Новосибирск, ¡984 г.), на Всесоюзной конференции "Проблемы гидрометеорологического обеспечения народного хозяйства Сибири" (г.Красиоярск, 1938 г.), на Региональном семинаре по вопросам развития и применения геониформационных технологий (г.Новоснбирск, 1995 г.), на Региональной научно-практической конференции "О создании единой региональной системы мониторинга окружающей природной среды и здоровья населения Сибири" (г.Новоснбирск, 1956 г.).

Разработка автора "Аппаратно-программный комплекс АРТ-монтаж", представленная в состава авторского коллектива на конкурс рационализаторских работ Федеральной службы России по гидрометеорологии в 1995 году, заняла 1-е место.

Личный пклал. Постановка рассматриваемых в работе проблем н основные научные и практические результаты принадлежат лично автору. Разработка программных средств, входящих в аппаратно-программный комплекс, выполнена автором лично, разработка технических средств - совместно с сотрудниками руководимого автором отдела цифровой обработки данных ЗапСиб РЦПОД (1979-1996 гг.).

2. Исследования по структуре технических средств аппаратно-программного комплекса центра приема и обработки спутниковой информации.

Исследования автора в этой области [10,14,16,21] включали:

♦ анализ функциональных требований к аппаратно-программному комплексу ЦПОД;

♦ выбор и обоснование архитектуры аппаратно-программного комплекса ЦПОД;

♦ выбор и обоснование структуры Технических средств ЦПОД.

2.1 Функциональные требования к аппаратно-прграммному комплексу ЦПОД.

ЦПОД входит в структуру космического сегмента наблюдения Земли Росгидромета и является главным звеном этой структуры в пределах своей зоны радиовидимости. Основные функция центра - прием, предварительная обработка, архивация и оперативное распространение потребителям спутниковой информации, поступающей с космических систем гидрометеорологического ( системы "Метеор-2", "Метеор-3", ЫОАЛ, "Электро"), океанографического ("Океан") и природноресурсного ("Ресурс") направлений.

До последнего времени информация с этих систем принималась на магнитофоны в аналоговом виде ( кроме "Ресурса") , регистрировалась на фототелеграфных аппаратах и фоторегистрирующнх устройствах на фотоноагсели для распространения в таком виде потребителям и архивации.

На современном этапе развития вычислительной техники и методов тематической обработки качество и достоверность распространяемой информации с ИСЗ оказались неудовлетворительными, В сложившихся условиях технология приема и обработки спутниковой информации предполагает комплексную автоматизацию, основной целью которой является:

♦ минимизация ошибок приема, регистрация в цифровом виде;

♦ представление потребителям широкого-спектра методов предварительной обработки;

♦ распространение информации потребителям в цифровом виде в стандартных формах на общедоступных носителях или по каналам связи.

б

В соответствии с основными функциями ЦПОД удобно представлять комплекс приема и обработки в виде модели, представленной на рис. 1

От системы \ / Подкомплекс

сбора приема и

информации N регистрации

"У

Подкомплекс пргдваритель ной обработки

N

Подкомплекс распространения

Подкомплекс архивации

Рис. 1

Особенности организации приема и регистрации таковы, что данные, получаемые при проведении сеансов связи с ИСЗ, регистрируются в центре большими порциями ( квантами ). Эти кванты снабжаются необходимой сопутствующей информацией, что делает удобным рассматривать их в качестве основной информационной единицы, подлежащей обработке и обычно называемой просто сеансом. Поэтому под обработкой информации в дальнейшем понимается обработка данных одного сеанса.

На первом этапе предварительной обработки должна обеспечиваться возможность получения достоверных результатов при наличии сбоев структуры информации, например от радиопомех. В этом случае должна быть предусмотрена локализация сбоев и восстановление структуры полного потока информации, и, поэтому, сжатие этого по тока п процессе регистрации не желательно. Объемы же регистрируемых потоков большие, так объем одного сеанса ЙСЗ " Ресурс" - около 700 Мбайт, сеанса ИСЗ " Океан " - около 200 Мбайт, сеанса ИСЗ " Метеор " -около 70 Мбайт. Итак, одно из функциональных требований к подкомплексу приема и регистрации - возможность регистрации больших квантов информации.

Подкомплекс приема и регистрации предназначен для получения и записи информации в реальном времени проведения сеанса связи с ИСЗ, причем в ряде случаев на него могут возлагаться и другие функции, реализуемые в ходе поступления информации, например автоматическое ведение антенны. Одной из наиболее важных характеристик подкомплекса приема и регистрации является "мертвое время", в течение которого подкомплекс не может принять поступающее на его вход очередное телеметрическое сообщение. Для обеспечения ввода

информации без потерь необходимо, чтобы период следования информации, поступающей на вход системы, был больше "мертвого времени"! Таким образом, другое функциональное требование к подкомплексу приема и регистрации -возможность оцифровки и овода без потерь информации, поступающей с большой скоростью в режиме реального времени, например скорость передачи с ИСЗ "Ресурс" - 7,68 Мбит/сек, с ИСЗ "Океан" - 2 Мбит/сек.

ЦПОД работает с несколькими космическими системами, движение ИСЗ между ними совершенно не согласуется из-за различий в параметрах орбит и разного назначения ИСЗ, поэтому возможны совпадения сеансов связи по времени. Одно из функциональных требовании к подкомплексу приема и регистрации -возможность проведения одновременно нескольких сеансов связи с ИСЗ.

Как указывалось выше, одна из задач подкомплекса предварительной обработки - локализация сбоев и восстановление структуры потека информации, нарушенной в процессе регистрации. Другая задача - проведение форматной обработки данных, получаемых с бортовых приборов со сложной логикой преобразования информации. Алгоритмы форматной обработки базируются на априорных сведениях о структуре потоков информации, типе и режимах функционирования используемых радпотелеметрнчсских систем. Не менее важные операции предварительной обработки - радиометрические преобразования, в процессе которых исправляются • радиометрические ' искажения, пызпанные датчиками и характеристиками среды, вносятся поправки на "дрейф" электроники, различия детекторов, на изменения освещенности, атмосферных условий. Типичными операциями предварительной обработки являются геометрические преобразования ( масштабирование, повороты, преобразования проекции, исправление систематических геометрических искажений ), улучшение изображений ( усиление контуров, сглаживание локальных "шумоз", уменьшение размытости ). Одним из наиболее важных показателей 'эффективности подкомплекса предварительной обработки ¡¡шляется производительность

Р = У*М/'Г

где V - объем информации сеанса, М - среднее количество операций, производимых при обработке единицы информации, Т - время обработки информации сеанса. Важное функциональное требование к подкомплексу предварительной обработки - пртаъодитслыюсть должт абеахечитпь оОрдйогпгу

информации за время, не превышающее время между двумя последовательными сеансами свят с ИСЗ.

Сложность и разнообразие алгоритмов предварительной обработки информации диктует необходимость организации в ЦПОД преимущественно цифровой обработки. Она обладает гибкостью в программной реализации сложных по содержанию алгоритмических процедур, отличается стабильностью и воспроизводимостью, обеспечивает высокую точность выполнения операций. Подобные преимущества отсутствуют у оптических и других аналоговых систем.

Выходная продукция ЦПОД разнообразна: негативы, фотоснимки, тематические карты, информация в цифровом виде на магнитных носителях. В современных условиях быстрого развития вычислительной техники диапазон магнитных носителей, применяемых потребителями достаточно широк: магнитные ленты, дискеты, стриммерные ленты с различными способами записи, видеокассеты. Для передачи видеоинформации все шире используются межмашинные сети, хотя есть проблемы с качеством линий связи и скоростью передачи, которая существенна при передаче больших массивов данных. Необходимым условием распространения информации должно быть представление ее в стандартных, наиболее применяемых форматах. Итак, еще одно функциональное требование, теперь уже к • подкомплексу распространения -максимальный учет запросов по формированию и выдаче информации потребителям, в том числе удаленным.

Основные функциональное требование к подкомплексу архивации информации - надежность и удобство в эксплуатации, большой объем запоминаемой информации ( сотни гигабайт ). легкий и быстрый доступ к информации, оптимальная стоимость оборудояання.

Сформулированные функциональные требования являются определяющими при выборе архитектуры аппаратно-программного комплекса ЦПОД.

2.2 Архитектура аппаратно-программного комплекса ЦПОД.

Аппаратно-программный комплекс ЦПОД реализует технологический процесс приема и обработки спутниковой информации и объединяет технические средства, программное л информационное обеспечение в вычислительную-систему. При построении згой системы необходимо делать выбор ^ежду двумя основными типами архитектуры ее технических средств:

♦ централизованная вычислительная система, состоящая из центральной ЭВМ

к нескольких периферийных; «распределенная вычислительная система, в которой возможности для . обработки обеспечиваются совокупностью нескольких взаимодействующих ' ЭВМ.

При выборе первого варианта гибкость и развпваемость системы являются проблематичными, к тому же обеспечение надежности требует .резервирования центральной ЭВМ с иглыо предотвращения выхода из строя всей системы при ее сбое, а это почти удваивает стоимость системы без увеличения ее возможностей. При запуске новых ИСЗ мощность потока данных можот увеличиться настолько, что превысит возможности обработки центральной ЭВМ, в этом случае потребуется значительная перестройка оборудования . и математического обеспечения. Требования высокой надежности п адаптируемости к изменяющимся потребностям приподит к выбору распределенной многомашинной системы, как основы архитектуры аппаратно-программного комплекса ЦПОД. Отдельные ЭВМ будут осуществлять прием и обработку " информации по направлениям космических систем, при это»! они будут образовывать сеть ЭВМ

Реализация локальной: сети ЭВМ может Сыть. осуществлена' на ;сспово существующих систем передачи данных и разработанных протоколов:' обмена информации!. Такая сеть обладает, достаточна»! гибкостью и способностью к расширению, ие т-рсбующей крупных изменений в системном матобеспечений. -

Итак, общая концепция структуры аппаратно-программного комплекса. Ядро системы составляет локальная вычислительная ■■сеть, - Ядро скрукегю. рядом подсистем с различными функциями. Опиову подсистем ■■составляет' одна или несколько персональных ЭВМ с сортвстствующсн периферией.

Ключевое положение в системе занимают подсистемы регистрации и предварительной обработки, соответствующие тпп&м ИСЗ (Рпс.2.) Они должны

Рис.2

Структура аппаратно- программного комплекса ЦГТОД

удовлетворять очень высоким требованиям надежности и соответствовать функциональным требованиям для работы с данными типами ИСЗ , При запуске новых типов ИСЗ крупной перестройки системы не потребуется, достаточно будет добавить новую подсистему регистрации и предварительной обработки с требуемыми параметрами.

Необходимой является подсистема управления комплексом, предназначенная для усвоения баллистических данных на все типы ИСЗ и информации о режимах работы с ИСЗ, поступающих по выделенным каналам связи из центра управления полетами, расчета на их основе расписаний сеансов связи'с ИСЗ и производства баллистических расчетов, обеспечивающих управление антеннами.

Подсисгема тематической обработки обеспечивает углубленную обработку информации по заявкам потребителей. Особое внимание должно быть уделено интерактивней обработке и многообразию видов выходной продукции. Для обеспечения быстрой обработки целесообразно использовать рабочие станции. Компьютеры соединяются в единую сеть по схеме, • в которой каждый из участников является равноправным. Если какой-либо компьютер выйдет из строя,' то это никак не скажется на работе сети в целом, функции неисправного компьютера легко-перенести на другой. Реализация сети позволяет соединить компьютеры в единую систему, обладающую большим дисковым пространством, мощными вычислительными и графическими средствами.

Еще одна подсистема, требующая современных аппаратно-программных средств для компактного хранения и быстрого доступа к информации - это подсистема архивации. При выборе технических средств здесь особое снимание надо уделять долговременности хранения информации.

Назначение подсистемы вывода двоякое: она должна давать как окончательный результат обработки (карты, таблицы, фотоснимки, цифровую информацию), так и промежуточные результаты предварительной обработки (в основном в цифровом виде на магнитных носителях). Выбор устройств, объединяемых о подсистему вывода, зависит в большой степени от описания требуемых выходных материалов, с другой стороны, выбор должен быть оптимальным с точки зрения стоимости получаемых материалов.

Эффективность подсистемы вывода оценивается в основном по способности выходных материалов дать желаемую информацию в пригодном формате, поэтому особое внимание нужно уделять поддержке общепринятых форматов.

Очень важной представляется подсистема интерфейса с коммуникациями, предназначенная для организации ввода в систему извне баллистических данных, информации об изменениях режимов работы ИСЗ и отдельных приборов на НСЗ, а также для вывода обработанной информации потребителям в выделенные каналы н глобальные сети.

2.3 Структура технических средств ЗапСиб РЦПОД.

Основная концепция организации технических средств ЦПОД была разработана автором и использована при создании аппаратно-программного комплекса Западно-Сибирского Регионального ЦПОД. Комплекс в техническом плане реализуется в виде многомашинной локальной сети на базе сетевых адаптеров Ethernet. Комплекс технических и программных средств предназначен для выполнения всех операций технологического цикла РЦПОД. К ним относятся:

♦ расчет расписаний сеансов связи с ИСЗ и координат движения антенн;

♦ прием,оцифровка к регистрация информации;

♦ предварительная обработка;

ф тематическая обработка;

■ " ■ ♦ архивация;

4 визуализация изображений на дисплеях, бумаге, фотопленке;

♦ вывод на магнитные носители и в сети ЭВМ;

В составе комплекса используются как специальные устройства, предназначенные для работы с изображениями, так и типовые средства вычислительной техники. Как показано на схеме технических средств ( Рис. 3 ), функции управляющей ЭВМ выполняет IBM PC 486DX2 - 80 Мгц, которая производит расчеты расписаний сеансов связи, баллистические прогнозы и расчеты целеуказаний ( координаты движения антенн ). Исходные данные для расчетов и данные о режимах работы с ИСЗ поступают с коммуникационной IBM PC 4S6 DX - 40 Мгц, имеющей интерфейс с центром коммутации сообщсний( 1ДКС) автоматизированной службы передачи данных (АСПД) Росгидромета и связь по

Подкомплексы обработки и архивации

Подкомплекс приема

Перспективные средства

исз -ЫОАА"

■-1 "Скакмсс" а.

"Уран"

V

1вмрс 386

ИСЗ "Метеор-2"

ИСЗ "Мегеор-3"

иез

"Океан"

ИСЗ "Ресурс"

"Уран"

"Фобос"

1БМРС 4«

-Фобос'

ТНА

твмрс

«4

СРЛ

. Молем "Игасот"

СРЛ

Упршлогашй пшкомаяак

Г )

Инт-с ктс

1 "Диск"

Цветной струйный принтер

РЕАО

Монохромный лазерный принтер

Моден НПО

гухЕь "Планета"

г.Москва

ГТМЦ г.Москва

Рис.3. Схема технических соелств ЗапСиб РЦПОД

выделенному четырехпроводному каналу с НПО " Планета" (г.Москва) через модем 2YXEL U-1496.

Управление антеннами "Сканэкс", "Уран", "Фобос" и "ТНА-57" осуществляют компьютеры типа IBM PC 386 и IBM PC 486. Ретрансляция информации из пункта приема в центр обработки и архивации производится по стационарной радиолинии (CPJI).

Для оцифровки, регистрации и предварительной обработки используется несколько ЭВМ:

♦ Pentium - 120 Мгц/ RAM 16 Мб /HDD 2Г6 - для ИСЗ серии " Ресурс";

о IBM PC 486 DX2- 80 Мгц/ RAM 8. Мб /HDD 1.2 Гб - для ИСЗ серии " NOAA", информации HRPT;

♦ IBM PC 486 DX2-66 Мгц/ RAM 8 Мб /HDD I Гб - для ИСЗ серии " Океан";

о две IBM PC 386 DX-40 Мгц/ RAM 4 Мб /2*HDD 270Мб - для ИСЗ серий " Метеор-2", " Метеор-Э";

о IBM PC 386 DX- 40 Мгц/ RAM 4 Мб /HDD 270 Мб - для ИСЗ серии " NOAA", информации APT;

« специализированная ЭВМ обработки видеоданных на базе дисплейных процессов КТС " Диск" (А-6473) - для поточной обработки информации с ИСЗ "Ресурс";

Программно-технические интерфейсы КТС " Диск" с IBM PC и ЦКС АСПД с IBM PC выполнены под научным руководством и при непосредственном участии автора. В состав подсистемы, работающей с ИСЗ " Ресурс" включен магнитофон высокой плотности записи ML060I ( фирма Shlumberger, Франция ), на который ведется параллельная регистрация информации. Магнитофон имеет интерфейс с IBM PC.

Тематическая обработка осуществляется на вышеперечисленных персональных компьютерах (ПК) в соответствии с типами ИСЗ. Для более оперативной и углубленной обработки требуется графическая станция,.которая взяла бы на себя основную тяжесть тематической обработки.

Архивация информации также осуществляется на разных технических устройствах в зависимо!- ги от типа спутника: с ИСЗ " Метеор-2" и " Метеор-3" -отправляется по каналам связи АСПД в центральный архив, информация с ИСЗ "Океан" н "NOAA" записывается на видеомагнитофон, сопряженный с ПК, информация с ИСЗ " Ресурс" архивируется на магнитофоне ML0601 на лентах

высокой плотности записи. В перспективе планируется архивация на высокоплотные стриммеры типа DATA, DLT.

Вывод информации производится на струйный черно-белый и цветной принтеры фирмы Epson, на лазерный черно-белый принтер фирмы Hewlett Packard, на фотопленку устройства ввода-вывода "FEAG" фирмы " Karl Zeiss-Jena" и фототелеграфный аппарат (ФТА) "Изотоп" ( программно- технический интерфейс ФТА с ПК разработан при участии автора ), на магнитные ленты в формате ЕС ЭВМ, на дискеты, на стриммерные ленты Jumbo Colorado, в каналы связи АСПД, в выделенные кналы связи через модем ZYXEL. На современном этапе развития йычислнтельных сетей важным представляется возможность выдавать информацию в глобальные сети в распространенном графическом формате со сжатием.

3. Исследования в области математического обеспечения аппаратно-программного комплекса Центра приема и обработки спутниковой информации.

В 1979-96 гг. автором проводились исследования и разработки по математическому обеспечению автоматизации приема и обработки спутниковой информации [9,1),12,13,1S]. Исследования касались всех звеньев технологии приема и обработки: предсеансной подготовки [17,18]. приема , регистрации, предварительной обработки [19], тематической обработки [20,22], архивации данных, выдачи потребителям [1,2,4].

3.1 Программное обеспечение приема и регистрации.

В плане автоматизации приема и регистрации спутниковой информации решались следующие основные задачи: ■ у

1) Расчет с заданной заблаговременносгью на основе баллистических данных расписаний сеансов связи с ИСЗ.

' 2) Расчет координат движения антенн во время сеансов связи с ИСЗ. Рассматривался как случай антенн с широкой диаграммой направленности (до 30 градусов), так и с узкой диаграммой (от 3 градусов до 20 минут).

3) Задача оптимального использования ресурсов ПЭВМ в процессе пегистрации информации в режиме реального времени.

Основой решения первых двух задач является быстрый и экономичный по памяти ПЭВМ алгоритм расчета положения ИСЗ , движущегося по орбите близкой к круговой. Для учета постоянно действующих сил применяется метод оскулирующнх элементов, в нем для каждого момента времени I истинная орбита представляется а виде некоторой кеплеровой орбиты, эта непрерызно меняющаяся кеплерова орбита называется оскулирующей, а ее элементы - оскулнрующимн. Преимуществом данного алгоритма является его совместимость с повитковым прогнозом движения ИСЗ, при котором рассчитываются оскулирующне элементы орбиты спутника на начало каждого витка, что нужно для решения первой задачи.

? При расчете координат ИСЗ достигается точность, необходимая для решения второй задачи. •

Алгоритм разделяется на следующие этапы:

♦ определение средних элементов орбиты.' то есть элементов, получаемых с учетом вековых н долгопернодических возмущений движения ИСЗ;

♦ расчет короткопериодических возмущений положения ИСЗ в орбитальной системе координат;

♦ вычисление прямоугольных экваториальных координат ИСЗ;

С целью обеспечения совместимости предлагаемого метода с повитковым прогнозом, потребуем совпадения средних элементов с оскулирующнми при прохождении спутником восходящего узла орбиты. Выберем следующую систему средних элементов: а- большая полуось орбиты, е- эксцентриситет , ¡- наклонение, <1- долгота восходящего узла, \у- угловое расстояние спутника от восходящего узла, г- время соответствующее углу и , где и- угловое расстояние спутника от восходящего узла, отсчитываемое в оборотах от начала первого витка. Для определения значений средних элементов применяется метод, описанный в работе-[ 24}. Введем понятие среднего спутника. Под средним спутником будем понимать воображаемый спутник, движущийся по орбите, оскулирующне элементы которого в каждый момент времени совпадают со средними элементами орбиты реального спутника. Очевидно, что положение среднего спутника и реального совпадают в моменты прохождения спутником восходящего узла орбиты, но, вообще говоря, отличаются внутри витка, так как модель движения среднего спугника не учитывает короткопериодичесхие возмущения.

Найдем среднюю аномалию среднего спутника:

М = Е-еипЕ + 2л[.и! (I)

где эксцентрическая аномалия Е определяется как обычно:

Е = 2 arctg( tg j ), v= 2rtu-w

Для учета изменения периода обращения из-за вековых и долгопериодических возмущений рассматривается квадратичный член

tc -to = Ki(M-M¡>) + Кг(М-М^, где Ki и Кг находятся как коэффициенты интерполирующего полинома для t с использованием значений t и М в трех восходящих узлах орбиты.

Геоцентрическое расстояние среднего спутника Re и его скорость Ve определим по формулам кеплерова движения:

Rc = а (1-е cos Е) (2)

ус=[ _JQlL_(l-^ecosv + e2)]"2 (3) a(i-e')

где fm - произведение гравитационной постоянной на массу Земли. Для достижения необходимой точности нужно учесть короткопериодические возмущения, наиболее оптимальным способом учета этих возмущённо, совместимым с повитковым прогнозом, представляется использование выражений, полученных в работе ( 25 ] для случая круговой орбиты. Эти выражения представляют собой формулы для возмущеннй координат спутника в орбитальной системе RLH, ось R которой направлена по радиусу, соединяющему центр Земли с центром масс среднего спутниха, ось Н - по направлению момента движения спутника, а ось L дополняет систему до правой тройки. В системе RLH выражения для короткопериодических возмущений первого порядка относительно сжатия Земли имеют вид:

AR » Cr (2- а+ р eos <¡> - a cos 2ip)

дН = Си sin (4)

At = Ct ( P sin v + ^-s'in 29)

4 3 a J 2Cn

где<р = 2ки, a = sin2¡, p=-a-2, Cr= ^ C2o£~.Ct~ k

3 4 R ' V,

с

Сн= Cr sin 2¡, a« - экваториальный радиус Земли, c20 - значение 2- й зональной гармоники геопотенциала.

Зная значения средних элементов и короткопериодические возмущения координат и времени при заданной величине утла и переходим к прямоугольным экваториальным координатам X,Y,Z,t: t = tc+ At

R = Rc+AR

X= R (cos d eos 9 - sin d sin <p sin i) + ДН sin d $in i (5) Y= R (sin 9 eos <p - cos d sin <p eos i) - ДН cos d sin i Z = R sin q> sin i + ДН eos i

Для задач определения координат движения антенны и определения координат подспутниковой точки требуется найти координаты на заданный момент времени t. В этом случае применяется модификация описанного алгоритма. По значениям оскулирующих элементов, рассчитанным для интересующих восходящих узлов, получаем на момент t средние элементы а, е, i, d, w и М. Затем по формулам кеплерова движения по значениям средних элементов н М находим Re и фс, далее находим короткопериодические возмущения AR, ДН и

ДЧ>= С0 (р sin 9 + ^ sin 2<р) 4

где С,, = -2 Cr / Re , а остальные коэффициенты имеют тот же смысл, что и в формулах ( 4 ). Наконец/экваториальные координаты спутника находим по формулам (5), п которых <р = > с + Д<?- Анализ результатов расчетов по данному алгоритму показал, что алгоритм дает точность порядка 50 км, что вполне удовлетворительно для метода, не учитывающего возмущений от гармоник более высокого, чем С20 порядка и этого достаточно для решаемых задач.

На основе данного алгоритма автором разработана программа, рассчитывающая расписания входа ИСЗ в зону радиовидимости пункта приема, затем эти расписания сопоставляются с планами сброса информации, поступающими из центра управления, получаются расписания связи с отдельными ИСЗ, далее производится программная сортировка расписаний н составляется общее расписание работы ЦПОД на несколько суток вперед.

Для определения координат движения антени ( целеуказаний ) с узкой диаграммой направленности, прямоугольные экваториальные координаты XrY,Z,

рассчитанные в момент времени t, преобразуются в топоцентрическую систему с началом координат в точке пункта приема, ось Хт направлена на север, ось Zt направлена вверх перпендикулярно касательной плоскости в точке пункта приема, ось Yt дополняет систему до правой. Координаты пункта приема заданы в гринвичской системе координат: В - широта, L - долгота, Н - высота над уровнем моря, поэтому сначала эти координаты переводятся в экваториальную систему по формулам:

Хр = (N + Н) eos В eos L '

Yp = (N + Н) eos В sin L (б)

Zp = (N(l-e2) + Ш sin В

где N=a/ Vi - ег sin2 В .

Переход из экваториальной системы в топоцентрическую осуществляется по формуле:

С?)

V -sinB eos L -sinB sinL eos B" X-Xp"

= -sin L .cosL 0 X Y-V,

А. eos В eos L eos В sin L sin В Z-Zp

Окончательный вид координат антенны в момент времени t:

R= jxr2 +YX3 + ZTJ -расстояниедоИСЗ,

ÍVtI

Л = arctg ^~J - азимут, 2Т

G = arctg

- угол места.

(S)

На высоких углах места в , в соответствии с техническими ограничениями на изменение азимута антенны между соседними по времени точками, автоматически уменьшается вдвое шаг по времени при О = 60° и Ф = 80°. При значениях в близких к 90° (момент " переброса" антенны) для выполнения технических условий осуществляется интерполяция координат. .

Для управления антеннами с широкой диаграммой направленности рассчитываются так называемые стандартные целеуказания, которые действительны в течение нескольких дет при условии стабильности орбиты ИСЗ.

Модельная орбита рассчитывается по вышеизложенному алгоритму (I) - (5) в экваториальных ннерциальных координатах, затем по формулам (6) - (8) вычисляется таблица движения антенны для заданного витка, определяется время движения.ИСЗ от экватора до зоны радиовидимости, далее долгота восходящего узла витка сдвигается на Ad градусов по часовой стрелке, для нового витка рассчитывается таблица движения антенны в зоне радиовидимости и время движения до зоны и так далее, сдзиг орбиты осуществляется с помощью преобразований координат. Таким образом рассчитываются таблицы движения антенн для N орбит, где N = [ЗбО/ДсЕ]. Перед приемом реального витка автоматически выбирается таблица витка ближайшего к реальному по долготе восходящего узла и по ней происходит управление антенной.

На основе вышеперечисленных алгоритмов автором разработан пакет программ " Баллист", блок-схема которого приведена на рис. 4. Пакет реализован в MS-DOS и включает программы, написанные на языках Фортран и С++ , объединенные оболочкой-меню, написанной в среде Turbo-Vision.

'■■■.■■.■■■■■..'■■■■ Рис. 4 •

Регистрация информации на ЭВМ в темпе приема с ИСЗ - процесс, протекающий в режиме реального времени и потому требующий тщательного подхода к, алгоритму записи по избежание потерь, информации. Автором разработан алгоритм регистрации информации на жесткий диск персонального

компьютера в режиме прерываний с буферизацией в оперативной памяти. В процессе регистрации. для контроля качества приема производится выдача видеоинформации на экран монитора в режиме " пролета", который наиболее естественен для просмотра поступающей информации. В случаях, когда период следования информации оказывается меньше " мертвого "времени", выдача на экран монитора прекращается для обеспечения бессбойной регистрации.

3.2 Программное обеспечение предварительной обработки.

Форматные преобразования занимают значительное место в предварительной обработке спутниковой информации из-за большого объема поступающей информации и сложности структуры этой информации, содержащей в себе данные с нескольких бортовых у стронет. При разработке программного обеспечения форматных преобразований для всех типов ИСЗ решались дэо основные задачи: ❖ разделение поступающего потока данных по видам информации, которые

определяются бортовыми устройствами; « форматные преобразования ыногоспектрадмюй видеоинформации. Решение первой задачи базируете» на априорных сведениях о характеристиках устройств и в значительной степени определяется логикой их функционирования. Рассматривались два основныхкласса данных: данние пространственного сканирования (видеоинформация) с данные спегсгрального-сканировання. Данные спектрального сканирования получают с устройств, ведущих измерения в широком, разбитом на небольшие интервалы диапазоне электромагнитного спектра. Обычно записывается средний уровень энергии, приходящейся на единицу площади в поле зрения прибора, как функция длины волны. Эти данные нельзя представить в виде изображения, их природа сильно отличается от данных пространственного сканирования, поэтому понадобились другие форматы для ш хранения. В процессе дальнейшей обработки эти данные используются . для определения вертикальных профилей температуры и влажности/ атмосферы, количества озона в атмосфере п т.д. .

Задача форматных преобразований многоспектралыюн с идсо информации решалась автором сначала на дисплейной системе КТС "Диск" (ВУ$А-6473). Был разработан пакет программ "ВЮШ", предназначенный для форматной обработки больших изображений (превышающих стандартный размер дисплейных

систем 512x512 пикселов), а именно - выделение спектральных каналов, преобразование ме;кду попиксельным и поблочным форматами, выбор фрагментов изображения в интерактивном режиме, обмен изображениями между магнитофоном, диском, дисплейной памятью. Пакет программ оформлен в виде системы меню-страниц с оперативной визуализацией преобразований. Алгоритм реализован на макроассемблере, что позволяет использовать предельные возможности КТС "Диск". На основе данного пакета программ разработан аппаратно-программный интерфейс между дисплейной системой и ЭВМ класса 1ВМ РС для обмена видеоинформацией. Аналогичный пакет программ форматных преобразований реализован на языке С++ на ПК.

Одним из видов предварительной обработки является географическая привязка. Географическая привязка данных спектрального сканирования, отличающихся низким пространственным разрешением, осуществляется таюке на основа алгоритма, описанного в п.3.1, на последнем этапе производится преобразование экваториальной гшерциальноП системы в экваториальную вращающуюся систему с помощью матрицы перехода г.1лр О

М=

-зт<р созр О О 0 1

где ф = со + озз(1 - 1о)

сад - угловая скорость вращения Земли,

ео - угловое расстояние Гринвичского меридиана отточки весны на момент

■ времени I -текущий момент времени, В результате получается так называемый след орбиты, то есть широты и долготы подспутниковых точек с некоторым шагом ьо времени. Программа, реализующая данный алгоритм, входит в состав пакета программ "Баллист" (рис.4). ■

. Для экспресс-обработки видеоинформации метеорологического характера часто требуется нанесение географической сетки без трансформации в проекцию карты в режиме реального времени. В результате использования построчного алгоритма, а осиспс которого. ле::;аг политические соотношения, связыпающие систему координат снимка и земную систему координат, получаются разрывы "пологих" линий географической сетки. Автором предложен логический корректирующий алгоритм, устраняющий зти разрывы в процессе построчной обработки. Он

основывается на запоминании номеров пикселов, в которых широты и долготы пересекают данную строку, сохраняются аналогичные номера пикселов и для предыдущей строки. В результате логического анализа данных о пересечении сетки с текущей и предыдущей строками определяется тип линий: выпуклые или вогнутые. На следующем этапе алгоритма определяется вид участка линий: край линии, точка перегиба или регулярный участок. В случае обнаружения разрыва любой из линий сетки, на основании анализа участка линии,. этот разрыв устраняется в процессе обработки текущей строки. Программа, применяющая данный алгоритм, используется при нанесении географической сетки на видеоинформацию, принимаемую с ИСЗ "Метеор", "Океан" и "ЬЮАА" [3,5].

В плане тематической обработки видеоинформации автором проводились исследования в области метеорологии [6,7,8]. В частности решалась задача определения площадей затопления пойм крупных рек в период половодья. Заблаговременно составлялся банк снимков на интересующие участки рек в меженный период (средний уровень воды). Снимки трансформировались в картографическую проекцию Гаусса-Крюгсра по известному алгоритму [ 26 ], на них определялись площади водной поверхности. Снимки нужных участков рек, принятые в период половодья, тоже трансформируются в картографическую проекцию, далее вычисляется площадь водной поверхности и по разности со снимками меженного периода вычисляется площадь затопления.

Рассматривается основная проблема - использование Методов обработки спутниковых изображений с целью уменьшения трудоемкости и повышения достоверности результатов обработки изображений. Для уменьшения влияния атмосферы используется ближний к инфракрасному видимый диапазон спектра. Сначала выделяется нужный фрагмент изображения» в пределах которого вычисляется гистограмма яркости. Фрагмент желательно ограничивать участками пойм. Это повышает достоверность результатов. В результате обычно получается двухмодовая гистограмма, на которой выделяются моды яркости затопленных участков и суши. Мода с большей яркостью относится к незатопленным участкам, а с меньшей яркостью - к затопленным. В процессе автоматического анализа гистограммы определяются два порога, которые используются при классификации фрагмента изображения на три класса: вода, влажная почва, суша. Для повышения достоверности имеется возможность интерактивно корректировать значения порогов при наличии данных о-затопленных участках, поступающих с сети гидрометпостов. После классификации осуществляется расчет гистограмм

обработанного трехцветного фрагмента изображения, далее по количеству пикселов данного класса и разрешению пиксела вычисляются площади. Описанный алгоритм одобрен Западно-Сибирским Гидрометцентром, пакет программ " КлассЗ", созданный на его основе используется в оперативной работе н период есссшшх половодий в Западной Сибири.

Автором также проводились нссследования в плане использования математического обеспечения обработки изображений в метеорологических прогнозах. Исследовалась задача прогноза движения Циклонических облачных систем по изображениям низкого разрешения с ИСЗ серий "Метеор" и "NOAA". За оснояу была взята .методика Гидрометцентра России (автор Федорова H.H.), связывающая скорость перемещения участков облачных систем со стадией развития систем, направлением перемещения и характером участков (передняя кромка, тыловая кромка и т.д.).

На первом этапе выбираются два изображения, содержанию нужную облачную систему и полученные с разницей около 4-6 часов по времени. Использование меньшего промежутка времени нецелесообразно из-за низкого пространственного разрешения изображений, а при использовании больших временных промежутков неоднозначно определяется участок облачной системы, для которого вычисляется скорость. Производится автоматическая предварительная обработка контрастирование, нанесение географической сетки. Программное обеспечение позиоляет а интерактивном режиме определить стадию развития облачной системы, выбрать нужный участок системы, при этом используются цветовые палитры, облегчающие процесс идентификации структур облачности. Вычисляется фактическая скорость и направление перемещения выбранного участка. На последнем этапе рассчитывается прогностическая скорость данного участка облачной системы- с учетом стадии--развития системы, характера участка и направления движения. Результатом ¡шяется- исстоположенно участка системы через h;cko:il:;d чассс, сбозпаченпге графически на последнем изображении. Данная программная-'разработка. •"Видеопрошоз"' успешно, используется о оператирнсП практике.

Лажным условием при работе с потребителями спутниковой информации является выдача информации в общепринятых форматах. Автором разработан ряд алгери rr.iCiï, !.'.rrpr-ï)i:!;.ix н люты программ предварительной обработай по видам ИСЗ, позволяющих получпт;, на пмходс видссннфсрмацйю л таких известных графических форматах, как TIFF, GIF, PCX, BMP. He менее важной задачей

является обеспечение быстрого доступа к архивной информации. Под руководством автора на базе СУБД "Microsoft Access 2.0" создан каталог архивной информации с ИСЗ всех типов и каталог заявок потребителей. Связывание этих дзух каталогов через общее поле данных позволяет быстро найти нужную информацию для каждого потребителя. Для простоты и удобства работы с каталогами создан ряд форм ввода, запросов, выборок, отчетов. Интерактивность в процессе выбора "нужных районов съема информации достигается с помощью процедурных модулей, написанных на встроенном языке Access-Basic. Картосхемы нужного района и имеющегося в архиве накладываются на экране графического дисплея и позволяют потребителю принимать решение о пригодности имеющегося снимка.

Примером использования ш.ниеописаиных алгоритмов в практике центра приема и обработки спутниковых данных является пакет прикладных программ "АРТ-монтаж".

3.3. Пакет прикладных программ "АРТ-монтаж".

Пакет прикладных программ "АРТ-монтаж" обеспечивает полный технологический цикл приема и обработки видеоинформации с метеорологических ИСЗ серий "МЕТЕОР-2", "МЕТЕОР-3" и "NOAA". Данный пакет программ вместе с техническими средствами представляет собой систему экспресс-обработки информации, в которой время получения конечных результатов становится одним из наиболее важных факторов процесса обработки. Все алгоритмы и программы, входящие в пакет " АРТ-монтаж", разрабатывались с учетом фактора времени, ч

Программное обеспечение позволяет, прежде всего, выполнять расчет расписаний сеансов связи с ИСЗ по баллистическим данным. Прием информации с ИСЗ осуществляется по расписанию без участия оператора с помощью резидентной программы, отслеживающей выполнение расписания. Заблаговременно по долготе восходящего узла выбирается соответствующая таблица координат движения антенны из стандартных целеуказаний (см. п. 3.1). В процессе приема ведется разделение информации по спектральным каналам (ТВ и ИК) и регистрация на жесткий магнитный диск. Географическая привязка, осуществляемая на следующем этапе, основывается на времени начала приема и баллистических данных, поэтому точность времени таймера существенно влияет на точность географической привязки. Разработан программный модуль,

26 .

уточняющий время таймера ПК по меткам времени, замешанным а служебную информацию, поступающую с ИСЗ. В процессе географической привязки на изображение наносится сетка, широт и долгот, с помощью специально разработанного знакогенератора надписываются крупные населенные пункты.

Гистограмма распределения яркостей типичного изображения обычно имеет ярко выраженный перекос в сторону малых уровней: яркость большинства пикселов ниже средней. На темных участках подобных изображений детали часто о.казываются неразличимыми. : Появляется необходимость в улучшении изображений. Кроме того, на следующем этапе обработки - комплекенрованин соседних витков в монтаж, требуется выравнивание средних яркостей комплексируемых изображений. Для решения этих двух задач используется один га методов видоизменения гистограмм - выравнивание гистограмм распределения яркости, при котором достигается равномерность распределения яркости обработанного изображения. Процедуру видоизменения гистограммы можно рассматривать как монотонное поэлементное преобразование gk = Т{ 0} входной интенсивности fo 5 fj S fj в выходную интенсивность go-S gk S gK , в результате которого исходное распределение вероятности Р{ fj} переходит в распределение вероятности Р{ gk }, имеющее желательную форму. На языке непрерывных распределении вероятности, где рг( Г ) и pg( g ) - плотности вероятности fug соответственно, можно записать плотность вероя+ности равномерного преобразования pg( g ) = !/( gma* - grain ) , где. gmin S g i gmax, a характеристика передачи уровнен, обеспечивающая выравнивание гистограммы, имеет вид: g = ( gmax - groin ) Pit f) + gmln ,

где Pr( f) - функция распределений вероятности f. ■ Пороги выходной интенсивности определяются по ярхостному клниу, замешанному в служебную часть информации, поступающей с ИСЗ. Существует необходимость коррекции этих порогов в зависимости от времени года, поэтому предусмотрена возможность интерактивно корректировать пороги помесячно.

Улучшение изображения и ианесение географической сетки производится за один проход изображения. При необлодимостк уточнения географической привязки предусмотрен второй проход, при котором привязка уточняется по интерахтнвио выбранным па изображении опорным точкам.

Дли получения целостной картины распределения облачности над обширными территориями, соизмеримыми с основными синоптическими объектами, требуется составление монтажа из нескольких последовательных витков. Автором разработан алгоритм комплексирования до 4-х последовательных витков в монтажн. Каждый виток представляет собой массив видеоинформации объемом 3-3.5 Мб, поэтому в алгоритме уделяется много внимания оптимальному использованию оперативной памяти и дискового пространства с целыо повышения скорости обработки, определяющей эффективность системы экспресс-обработки. Самая трудоемкая манипуляция при комплгкекровашш - поворот изображений. Прежде всего вычисляется угод поворота последующего изображения относительно предыдущего. В качестве Опорных точек автоматичсски выбираются два узла географической сетки, присутствующие на обоих изображениях ( ху.уу), i = 1,2 - номера изображений, j = 1,2 - номера точек. Угол поворота вычисляется по формуле

ЧХ22 -Х„; \Х|2 -Х||/

Далее вычисляется поворот координат опорных точек изображения N2:

ли - xjí cos <f> • уц sin <p ba = xa sin <p + yj¡ eos <j> и определяется величина усредненных сдвигов по осям X.Y .

¡i 1 1 <**-X 5>л-x,i).dy= г 5>й-Ун) •

Поворот изображений осуществляется блоками, размер которых: устанавллвается программой в зависимости от размеров свободной оперативной памяти. Для оптимального использования оперативной памяти сначала вычисляются сдвиги и результате поворота начала строк по горизонтали: si = sin ч> +i cos ф, где i - номер строки. В дальнейшем , при манипуляциях с повернутым изображением, первые si - I элементов каяедой строки, являющиеся («информативными, опускаются, что экономит память и уменьшает время работы программы. " Выколотые точки" , появляющиеся в результате перехода от вещественных значений коордииат к целым, устраняются путем усреднения по 8 соседним элементам. :

Ряд программ пакета предназначен для расширения пользовательского сервиса в част» визуализации и интерпретации изображений: масштабнроваиие.выделенке

28

фрагментов, преобразования цветовой палитры,, представление инфракрасных изображений в виде полей с однородной температурой.

Результатом обработки пакета программ "АРТ-монтаж" являются изображения в распространенном формате TIFF. Выбор формата не случаен, автором используется возможность хранения в заголовке TIFF- файлов дополнительной информации, в частности, баллистических данных и данных о географической сетке. Эти данные 11спользуются при обработке архивной информации.

В пакете предусмотрена возможность ' выдачи монтажсй на фототелеграфный аппарат (ФТА), используемый п центрах приема и обработки, для чего разработан программно-технический интерфейс между ПК и ФТА " Изотоп", производящий цифро- аналоговое преобразование информации и регистрацию на фотопленку в режиме прерываний.

Данный пакет программ предназначен для работы на обычных неспециализированных ПК. В совокупности с интерфейсами приемник - ПК, поворотное устройство антенны - ПК и ФТА - ПК он образует персональную станцию приема и обработки спутниковых данных, осуществляющую полный цикл работ. Пакет внедрен в оперативную практику трех ЦПОД и двух автономных пунктов приема, использующих спутниковую , информацию для метеорологического обеспечения гражданской авиации.

Основные результаты диссертационной работы

' В работе получены следующие основные результаты:

1. Разработана концепция аппаратно - программного комплекса Центра приема и обработки спутниковых данных (ЦПОД ) , многие принципы которой реализованы в действующем комплексе - ЗапСнб РЦПОД.

2. Создано общесистемное программное обеспечение ЦПОД, реализующее набор функций управления различными устройствами комплекса технических средств ЦПОД, и позволяющее проводить обмен данных между ними. Программное обеспечение передано для практического использования в шесть организаций.

. 3. Разработаны алгоритмы, а на их основе пакет программ " Баллист" для расчета на ПК расписаний сеансов связи с ИСЗ, координат движения антенн нескольких типов, следа орбит. Пакет используется в трех Региональных ЦПОД:

4. Разработано функциональное программное обеспечение предварительной обработки спутниковых данных, которое используется в ЗапСиб РЦПОД для обработки данных с космических систем " Метеор 2",'" Метеор 3", " Океан", "Ресурс", "NOAA".

5. Разработаны алгоритмы и на их основе пакеты программ для тематической обработки видеоинформации с ИСЗ:КлассЗ"," APT - монтаж", "Видеопрогноз". Пакеты внедрены в пяти центрах приема н обработки.

6. Математическое и программное обеспечение, предлагаемое в данной работе, образует базовый набор средств оперативной обработки спутниковых данных и может найти применение при разработке систем мониторинга окружающей среды по данным дистанционного зондирования Земли из космоса, при создании геоинформациоиных систем.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ и 14 научных отчетов. Основные результаты диссертации отражены в следующих работах:

Печатные работы:

1. Сжатие изображений и улучшение их изобразительных свойств./ Совместно с В.П. Пяткиньш,- В кн.: Автоматизация научиых исследований: Тсэ.докл.Всесоюзной копф. Новосибирск, 1979, с 39-40

2. Сжатие информации посредством преобразования Каруиена- Лоэва. В кн.: Бюллетень алгоритмов и программ обработки видеоинформации, N1, Новосибирск, 1979, с. 47-48. . ;

3. Комплекс программно-технических средств географической привязки спутниковой информации в оперативном режиме J Совместно с А.Е.Малыхимым, П.Е.Юшнным. -в сб.: Математические и технические проблемы обработки изображений, Новосибирск, 1986, с.95-97 ; ;

4. Комплекс программно-технических средств обработки спутниковой информации в оперативном режиме-/ Совместно с А.Е.Малыхиным, П.Е.Юшнным. -Серия: Изучение верхних сюеа атмосферы и спутниковая гидрометеорология., Гидрометсоиздат,Москва, 1988,с; 1-3 . '

5. Автоматизация первичной обработки спутниковой метеорологической видеоинформации. В кн.: Проблемы гидрометеорологического обеспечения народного хозяйства Сибири: Тез.докл. Всесоюзной конф., Красноярск, 1988, с.56

6. Динамика изменения площади озера Чаны..- В кн.: Состояние окружающей природной среды в Новосибирской области в 1994 году.. Новосибирск, 1995, с. 108.

7. Космический мониторинг окружающей природной среды. / Совместно с В.П.Крысовым, В.И.Костомаиовым.- В кн. : Состояние окружающей природной среды в Новосибирской области в 1994 году., Новосибирск,'1995, с. 155-156 .

8. Комбинированный способ оценки состояния природной среды Сибири по данным дистанционного зондирования Земли из космоса. /Совместно с В.П.Крысовым,- В кн.: Создание единой региональной системы мониторинга окружающей природной среды и здоровья населения Сибири": Тез. докл. Региональной конф., Новосибирск, 1996.

Научно-технические отчеты, проекты:

9. Космос - программе "Сибирь"./ Совместно с А.С.Алексеевым, В.П.Пяткиным и др. Отчет. ДСП/СО АН СССР.- Новосибирск, 1980.- 309 с.

10. Разработка макета регионального центра обработки аэрокосмических изображений./ Совместно с А.С.Алексеевым, В.П.Пяткиным и др. Отчет. / ВЦ СО АН СССР.-ГР.Хг 79044183,-Новосибирск, 1982.-98 с. '

11. Пакет прикладных программ обработки изображений для ЭВМ БЭСМ-6. /Совместно с В.Н.Дементьевым, В.П.Пяткиным и др. Отчет. / ВЦ СО АН СССР.-Новосибирск, 1982.- 82 с.

12. Пакет прикладных программ "БАРС". / Совместно с В.Н.Дементьевым, В.П.Пяткиным и др. Документация/ВЦ СО АН СССР.-ГР.№П007372. -Новосибирск, 1983.-244 с. •

13. Пакет прикладных программ "ЭЙДОС". / Совместно с В.Н.Дементьевым, В.П.Пяткиным и др. Документация/ ВЦ СО АН СССР,- ГР. № П007373. -Новосибирск, 1983.-303 с.

14. Центр комплексной обработки данных (эскизный проект). / Совместно с В.П.Пяткиным и др. - Новосибирск, ВЦ СО АН СССР, 1984,-55 с.

15. Центр обработки геоинформации (ЦОГИ). Создание системного и функционального программного обеспечения данных дистанционных измерений. / Совместно с А.С.Алексеевым, В.П.Пяткиным и др. Отчет. / ВЦ СО АН СССР,-ГР. № 81032966, -Новосибирск, 1984,- 168 с.

16. Эскизные предложения по организации государственной сети Центров обработки данных дистанционного зондирования. / Совместно с А.С.Алексеевы»!, В.П.Пяткиным и др. Отчет. ДСП/ ВЦ СО АН СССР.- - Новосибирск, 1985,- 309 с.

17. Пакет прикладных программ длярасчета целеуказаний на ЕС ЭВМ. Отчет. / ЗапСиб РЦПОД.- Новосибирск, 1986.- 23 с.

18. Пакет прикладных программ " Баллист". Отчет. / ЗапСиб РЦПОД.-Новосибирск, 1987.-16 с.

19. Пакет пробами " ВК31М" форматных преобразований многоспектральной спутниковой видеоинформации на КТС '* Диск ". Отчет. / НПО " Планета". -

Москва, 1989. -18 с.

20. Определение площадей затопления пойм по данным дистанционного зондирования Земли из космоса. Пакет'программ " КпассЗ ".

Отчет./ЗапСиб Гидрометцентр, Новосибирск, 1990.-22 с.

21. Аппаратно - программный комплекс Регионального центра ьриема и обработки спутниковых данных (эскизный проект). / Совместно с В.П.Крысовым. /ЗапСиб РЦПОД,-Новосибирск, 1993. 15 с.

71. Аппаратно- программный комплекс " АРТ - монтаж". Отчет./ЗапСиб РЦПОД.-Новосибирск, 1995.-21 с.

Литература

23. Алексеев А.С., Кульков Н.В., Пяткии В.П. Региональный центр азтоматизированной обработки аэрокосмических изображений С концепция ). Препринт ВЦ СО АН СССР № 94, Новосибирск, 1978.

24. Кугаенко Б.В., Эльясберг П.Е. Долгосрочный прогноз движения ИСЗ по почта круговым орбитам с учетом произвольного числа зональных гармоник.- В ки,: Математические методы моделирования в космических исследованиях. М.: Наука, 1971.

25. Эльясберг П.Е. Введение в теорию полета ИСЗ. М.: Наука, 1965.

26. Хижниченко В.И. Алгоритмическое обеспечение задач нанесения широтно-долготных сеток, геометрической коррекции и поддержки банха опорных точек./ Труды ГосНИЦИПР, М., 1986, вып. 27.

Подписано в печать 30.09.96 Формат бумаги 60x84 1/16

Объем 2.0 п.л. Тираж 100 экз.

Заказ № ! та

ЗапСнб ГВЦ, Новосибирск- 33, ул.Обогатнтельная 6