автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Обзорная информационная система беспилотного летательного аппарата экологического мониторинга прибрежных районов

Министерство образования и науки Российской Федерации Балтийский государственный технический университет "ВОЕНМЕХ" им. Д. Ф. Устинова

На правах рукописи УДК 629.782.05:504.06436

Ле Ки Биен

ОБЗОРНАЯ ИНФОРМАЦИОННАЯ СИСТЕМА БЕСПИЛОТНОГО ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА ЭКОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ПРИБРЕЖНЫХ РАЙОНОВ

Специальность 05.13.01- «Системный анализ, управление и обработка информации»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 2004 г.

Работа выполнена в Балтийском государственном техническом университете "ВОЕНМЕХ" им. Д.Ф. Устинова (г. Санкт-Петербург)

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор Шаров Сергей Николаевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Фёдоров Сергей Федорович

кандидат технических наук,

доцент Лентовский Вадим Валентинович

Ведущая организация: ФГУП «Завод "Северный пресс"»

Зашита состоится 27.12.2004 г. в 14 часов на заседании

диссертационного совета К212.010.02 при Балтийском государственном техническом университете "ВОЕНМЕХ" им. Д.Ф. Устинова по адресу: Санкт-Петербург, 1-ая Красноармейская д. 1.

Автореферат разослан 22. 11.

2004 г.

Емельянов В.Ю.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Оперативное обследование больших площадей и протяженных участков земной или водной поверхности, в том числе для экологического мониторинга, производится с помощью авиационных средств - самолетов, вертолетов. В мире в последнее время интенсивно развиваются направления по использованию беспилотных летательных аппаратов (БГША). Эти аппараты обладают рядом преимуществ, не требуют специально подготовленных аэродромов, они сравнительно недороги и не связаны с риском для личного состава. Наибольшее развитие и распространение в мире получили БПЛА самолетного типа [1,5].

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

Для экологического мониторинга прибрежных районов в России на российских судах экологического патрулирования используются БПЛА самолетного типа. Однако эти суда не смогут пройти в районы мелководья и районы, заросшие тростником и другими растениями, которые характерны для Вьетнамского национального заповедника КАТ-БА [4].

Во Вьетнаме проводятся исследования возможности и технических путей создания соответствующих, автоматизированных комплексов экологического мониторинга (АКЭМ) на базе БПЛА [4]. Одним из наиболее сложных вопросов в этой работе является создание эффективной бортовой обзорной информационной системы (ОИС) БПЛА вертолётного типа для экологического мониторинга. Поиску путей решения этой актуальной для Вьетнама задачи посвящена настоящая диссертационная работа.

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

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

- определить состав АКЭМ и функциональные связи обзорной информационной системы (ОИС) БПЛА вертолётного типа для экологического мониторинга прибрежных районов;

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

- исследовать особенности работы ОИС БПЛА экологического мони-юриша прибрежных районов Вьетнамского национального заповедника КАТ-БА.

Методы исследования базируются на теории вероятностей, теории

»ммоделираяияяйНА* [ БИБЛИОТЕКА С.П«г

радио и оптическои локации, статистическ

3

оэ

Научные положения, выносимые на защит}:

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

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

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

4. Методика определения местоположения БПЛА экологического мониторинга по информации локатора ОИС.

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

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

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

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

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на:

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

- научно-технических семинарах кафедры Систем обработки информации и управления БГТУ им. Д.Ф. Устинова (СПб, 15 апреля, 28 октября 2004 г.),

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

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

Структура и объём диссертационной работы. Поставленные задачи определили структуру работы, которая состоит из введения, 4 разделов, заключения, списка используемой литературы из 65 наименований, 3-х приложений. Основная часть работы изложена на 118 страницах машинописного текста, содержит 48 рисунков и 13 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность проводимой работы, формулируются цель и задачи исследования, определяется практическая полезность, обосновывается структура работы.

В разделе 1 показана целесообразность использования БПЛА вертолетного типа, предложен новый АКЭМ для экологического мониторинга прибрежных районов заповедника КАТ-БА Вьетнама. Сформулированы основные задачи АКЭМ. Определена структура АКЭМ, структура бортового комплекса аппаратуры, структура судовой (наземной) аппаратуры системы управления и контрольно-проверочной аппаратуры.

По сравнению с большой авиацией БПЛА имеют значительное количество преимуществ, а именно [1]:

- повышение мобильности за счёт небольшого размера и веса;

- более высокий уровень готовности к применению в любой момент времени;

- снижение требований к уровню квалификации, численности обслуживающего персонала;

- выполнение задач, недоступных для авиации, из-за наличия на борту лётчика;

- возможность быстрого обновления и совершенствования БПЛА и полезной нагрузки;

- возможность базирования в непосредственной близости от места наблюдения обстановки и объектов наблюдения;

- минимизация требований по наличию взлётно-посадочных условий.

Краткий обзор БПЛА различного назначения других стран мира вынесен в

приложение 1.

Анализ имеющихся данных показывает, что из всех типов БПЛА наибольшее распространение имеют самолёты, поскольку конструктивно они проще вертолётов и объективно обладают наилучшими эксплуатационными, конструктивно-

технологическими, стоимостными и другими показателями.

Но с другой стороны, самолётам присущи недостатки, ограничивающие их применение в ряде случаев, например, в случае экологического мониторинга прибрежных районов: требуют аэродромов, трудность их размещения на малом судне.

Сравнительный анализ БПЛА показывает, что: для экологического мониторинга прибрежных районов наиболее приемлемым является БПЛА вертолётного типа. Важным преимуществом БПЛА вертолётного типа является то, что: обеспечивается вертикальный взлёт и снижение, режим неподвижного зависания в воздухе или перемещения с малой скоростью, сверхмалая высота полёта, недоступная летательным аппаратам других типов [1 ].

На основании анализа известных АКЭМ предлагается новый АКЭМ на базе БПЛА вертолётного типа (рис 1.1), в состав которого входит бортовой комплекс аппаратуры, наземный (судовой) пункт дистанционного управления БПЛА и отображения информации [7].

Сущность предложенного АКЭМ заключается в том, что АКЭМ содержит связанные каналом связи беспилотный летательный аппарат и передвижной наземный (судовой) пульт управления. БПЛА включает в себя бортовую систему управления полетом, навигационную систему, бортовую цифровую вычислительную машину, бортовой приемо-передатчик, запоминающее устройство, ОИС.

Передвижной пульт управления содержит наземный приемопередатчик, дистанционный пульт управления беспилотным летательным аппаратом, устройство отображения информации. При этом выход навигационной системы соединен с входами бортовой системы управления полетом, бортовой цифровой вычислительной машины, бортового приемопередатчика.

Бортовая система управления полетом соединена с бортовой цифровой вычислительной машиной и бортовым приемо-передатчиком, который соединен с бортовой цифровой вычислительной машиной. К бортовой цифровой вычислительной машине также подключены запоминающее устройство и целевая аппаратура. В передвижном пульте управления к наземному приемо-передатчику подключены дистанционный пульт управления беспилотным летательным аппаратом и устройство отображения информации.

Бортовая система управления полетом включает в себя систему дистанционного управления полетом, автопилот, систему программного управления, устройства сопряжения с рулевыми машинами и устройствами управления двигателем летательного аппарата. Система дистанционного управления обеспечивает управление беспилотным летательным аппаратом в соответствии с командами, поступающими от передвижного наземного пульта управления. Кроме этого, управление полетом летательного аппарата может производиться при помощи системы программного управления или по командам, поступающим от бортовой цифровой вычислительной машины.

Рис 1.1

Навигационная система представляет собой инерциальную систему навигации, спутниковую систему навигации или комплексированную систему навигации, содержащую спутниковую и инерциальную подсистемы навигации.

Запоминающее устройство предназначено для хранения эталонных радиолокационных, телевизионных, тепловизионных, лазеролокационных изображений поверхности.

ОИС обеспечивает обзор поверхности при помощи радиолокационной станции, лазерного локатора, телевизионной системы, тепловизионной системы.

Результаты обзора поверхности поступают в бортовую цифровую вычислительную машину. При этом данные могут выдаваться из бортовой цифровой вычислительной машины в бортовой приемо-передатчик и передаваться по каналу связи в передвижной наземный пульт управления, где отображаются при помощи устройства отображения информации.

АКЭМ функционирует следующим образом: БПЛА осуществляет полет по заданной траектории в заданном районе (патрулирование района) ОИС (радиолокационная станция, лазерный локатор, телевизионная система, тепловизионная

система) осуществляют обзор водной или земной поверхности под БПЛА. Из ОИС данные передаются в бортовую цифровую вычислительную машину. Также в бортовую цифровую вычислительную машину из запоминающего устройства передаются данные эталонной локационной карты местности.

По данным ОИС в бортовой цифровой вычислительной машине и по данным эталонной локационной карты местности на основании признаков отраженных сигналов осуществляется принятие решений о наличии или отсутствии различных объектов (лодки моторные, лодки вёсельные, бочки, плавающий мусор и т.д.) на водной поверхности и аномалий на земной поверхности (насекомые, выжженные и обгорелые места, залитые водой участки, разливные нефтепродукты, дым, изменение растительности покрова).

В настоящее время, во Вьетнаме проводить разработку БПЛА вертолётного типа для экологического мониторинга прибрежных районов нереально. По этой причине целесообразно использовать научно-технический задел и опыт эксплуатации БПЛА, предназначенных для военных целей, которые позволяют создать аппаратуру с минимальной стоимостью и высокой надёжностью.

Наиболее сложной системой АКЭМ, во многом определяющей качество экологического мониторинга, является бортовая обзорная информационная система, исследование которой проводится в разделе 2.

В разделе 2 проведено исследование возможностей ОИС. Основным назначением ОИС является обнаружение различных объектов (лодки моторные, лодки вёсельные, бочки, плавающий мусор и т.д.) на водной поверхности и аномалий на земной поверхности (насекомые, выжженные и обгорелые места, залитые водой участки, разливные нефтепродукты, дым, изменение растительности покрова).

Функциональная схема информационных каналов (ИК) показана на рис 2.1.

В настоящее время указанные приборы (в серой рамке) можно реализовать на одной БЦВМ, переключение режима работы в зависимости от установленного модуля ОИС осуществляется программой, заданной полётным заданием.

Анализ функциональной схемы информационных каналов показывает, что для сменных модулей можно использовать различные приёмно-передающие, антенные устройства и обтекатель (объектив), а устройство обработки сигналов для всех каналов может быть реализовано на одной БЦВМ.

С развитием вычислительной техники, повышением её быстродействия и объёма памяти всё большая функциональная нагрузка ложится на уст-рожлва обработки, реализуемые в БЦВМ. Однако датчики сигналов различной физической природы будут существенно различными для ИК.

Сравнительный анализ ИК показал, что все они принципиально могут быть использованы для экологического мониторинга прибрежных районов вьетнамского национального заповедника КАТ-БА.

Перс (ятчик « < Сии\роии»атор

Вюричны«.

ИС10Ч1ШМ1 ПИ1ЯКНЯ

т» т т

. /иная < ьяш

\игенно-отичсскос

>С1|>0Г1С1В0 4

Обнкаи' 1ь

л. ▼

► Приемник

Ирибвр ► авюмагкк»

У« реве I ВО >С1рОНСТВО I , Ус1рт1К1К0

^ первичш») ^ вторичной 4 * трпьей ^ обработки обработки ойрабенки

информации информации ' иифорчяцнм

* I |

А 4 А А

Вычис ттк шюя с ш тс 1/1

Реализация в БЦВМ

Усчройчво встроенною КОН1рО(и

А Л А

Рис 2 1.

Учитывая возможность сохранения плохой погоды в течение длительного времени в районе заповедника КАТ-БА, предпочтение следует отдать радиолокационному каналу (РК). При наличии его на борту БПЛА обеспечивается максимальная дистанция мониторинга в любую погоду.

В качестве основного информационного канала рекомендуется активный радиолокационный канал (АРК), использующий экологически безопасный сложный (фазоманипулированный) зондирующий сигнал.

Для более точного определения координат наблюдаемых объектов целесообразно использовать канал с высоким разрешением по углу и дистанции. Таким каналом в ОИС БПЛА может быть лазерный канал (ЛК), тепловой канал (ТК), телевизионный канал (ТВК) или тепловизионной канал (ТПВК) [7]:

- ТВК обладает наименьшей массой и габаритами, наивысшей разрешающей способностью но угловым координатам, но меньшими по сравнению с ТК и ЛК возможностями селекции и обнаружения наземных объектов особенно в ночное время;

- ТК требует наибольшего из всех каналов времени выхода на режим, в связи с применением глубокого охлаждения чувствительного элемента, но имеет дополнительные возможности по спектральной селекции объектов на фоне помех.

- Перспективным оптическим каналом является ТПВК, который сочетает в себе преимущества телевизионного канала по угловой разрешающей способности и теплового (инфракрасного) канала, который меньше подвержен воздействию естественных помех (условий освещенности).

- - Ж используется для решения следующих, основных задач:

1. Обнаруживать и классифицировать наблюдаемые объекты по геометрическим размерам и конфигурации в сложных условиях.

2. Повышение точности приведения беспилотных летательных аппаратов к заданному объекту, участку поверхности. ОИС должна быть выполнена в виде сменных модулей с телевизионной, тепловизионной, лазерной, радиолокационной аппаратурой и в наибольшей степени удовлетворять конкретному (преимущественному) использованию БПЛА. Модули могут быть установлены на БПЛА непосредственно перед вылетом, если того требует конкретный характер поставленной задачи.

Сравнительный анализ ИК позволил определить задачи, для решения которых целесообразно использовать каждый из них:

- для обнаружения объектов типа катеров, лодок моторных, лодок вёсельных и др. рекомендуются РК и ЛК;

-для обнаружения объектов типа пожара (очага), загрязненной -юны и др. рекомендуется ТПВК;

- для обнаружения объектов типа облака, дымооброзования и др. рекомендуется ЛК.

В качестве основных признаков отражённых сигналов в работе рассмотрены следующие [2]:

Ь Амплитудные признаки, характеризующие интенсивность отражённого сигнала: среднее значение А,р, средне квадратическое отклонение а А, изменение во времени А(у.

2. Временные признаки, характеризующие: длительность отражённого сигнала Тт длительность переднего и заднего фронта Тф„ и Тф„ отношение фронтов К„= Тфп / Тф1, их дисперсии йТ„ , ВКт и изменение во времени ТМ

3. Поляризационные признаки: амплитуда отраженного сигнала с поляризацией зондирующего сигнала А" и с перпендикулярной поляризацией

А , поляризационное отношение К„ = А / А ", его дисперсия ИКп и изменение во времени

4. Геометрические признаки распределения отраженного сигнала в пространстве: изменение дистанции Д(и, у), в частном случае длина Ь, высота Я и площадь 5 наблюдаемого объекта.

Эффективность обнаружения заданного объекта на окружающем фоне может быть оценена с помощью двух показателей: вероятность селекции (Рмт) и вероятность ложной тревоги (рЦ^ ). Решающее правило в виде порогов (я;, а:) определяется исходя из заданной вероятности ложной тревоги: Р™ = I"1 \У(ф}{а)(1а > гДе Щ<р)(а)" плотность вероятностей распределения

признака а фона.

Соответственно вероятность селекции распознаваемого объекта на

фоне:

РГт. = ^ Щооъект){а)<1а ' Цовъект)^) ' ПЛОТНОСТЬ вероятностей распределения признака а распознаваемого объекта.

В работе показаны:

1. Возможность использования признаков (амплитудных, временных и пространственных) для распознавания рассмотренных объектов при экологическом мониторинге заповедника КАТ-БА

2. Непригодность использования поляризационных признаков для обнаружения рассмотренных в работе объектов на фоне другого объекта при экологическом мониторинге заповедника КАТ-БА (кроме случая распознавания патрульного катера на фоне береговой поверхности).

В разделе 3 проведены энергетический расчёт дальности обнаружения, исследование влияния метеорологических условий на дальность обнаружения заданных объектов для различных ИК (радиолокационного, лазерного и инфракрасного).

Для радиолокационного канала максимальная дальность обнаружения Б определяется известным уравнением радиолокации:

Р СЛ' 1

где а - коэффициент поглощения, характеризующий уменьшение плотности потока энергии излучения, дБ/км.

Амплитуда сигнала ис определяется по формуле:

С пр пр

а = ■

1

-1В-

16яг.£4 и.\6лг.О*

10"

(2) (3)

0,2/) К^Ы^ С учетом возможности сохранения плохой погоды в районе заповедника КАТ-БА в течение длительного времени, выбирается оптимальная длина волны радиоизлучения - 3 см. В работе показано, что необходимо тщательно определять значение а при составлении полётного задания БПЛА для определения дистанции возможного обнаружения заданных объектов и выбора стратегии мониторинга (стратегии осмотра земной и водной поверхности) [3].

Для определения значения а предложена следующая методика:

1. 1.' По ходу движения экологического судна, выбирается стационарный ориентир с известной эффективной поверхностью рассеяния

2. На известной дистанции Б включается локатор ОИС, и определяется величина ис ■

3. По соотношению (3), решая обратную задачу, по значениям Б , ис

определяется значение а, которое учитывается далее при составлении полётного задания БПЛА.

Для лазерного канала максимальная дальность обнаружения

объекта определяется уравнением:

где: р^ - импульсная мощность лазерного излучения (10-10 )Вт; и 9э углы расхождения (рад) лазерного луча на выходе ЛК по азимуту и тангажу; /л - коэффициент атмосферного ослабления; Котр - коэффициент отражения

лазерного излучения; £ - площадь приемной антенны; 5

площадь

проекция объекта на плоскость, перпендикулярную линии визирования; Ршт - минимальная мощность сигнала, необходимая для обнаружения заданного объекта.

Методика определения значения аналогична изложенной для радиолокационного канала.

Для инфракрасного канала максимальная дальность обнаружения объекта определяется уравнением:

где: ¡(<р) - индикатриса излучения; ^ - площадь оптической системы; ц коэффициент затухания инфракрасного излучения в атмосфере; - пороговая чувствительность приёмника инфракрасного канала, р - соотношение сигнал/шум, обеспечивающее заданный уровень ложной тревоги по критерию Неймана-Пирсона;

Коэффициент затухания инфракрасного излучения в атмосфере в сильной степени зависит от длины волны излучения. В спектральном инфракрасном диапазоне можно выделить два окна прозрачности атмосферы: ближнюю область (2,7 - 5,5 мкм) и дальнюю (8 - 14 мкм). Значение коэффициента затухания ц зависит не только от но и от метеорологической дальности видимости (МДВ).

МДВ в районе заповедника КАТ-БА колеблется от единиц метров (сильный туман) до десятков километров в хорошую погоду, соответственно значение ц - от единиц до сотых и тысячных долей 1/км.

Методика определения значения // аналогична изложенной для радиолокационного канала.

Для оценки дальности обнаружения инфракрасного канала проведены расчёты, результаты показаны в таблице 3.1.

Приведённые результаты получены при таких условиях:

1(<р) = 40Вт для зоны (очаг) пожара; 1(<р) = 2Вт для зоны (очаг)

загрязнения; Фп=\0'9Вт;р = 4;= 0,2м1.

Таблица 3.1

Расстояние до заданных объектов (км) Д ¡1=0,1 Д я =0,1 Д /1=0,6 Д/»=1

Зона (очаг) пожара 60 54 32 22

Зона (очаг) загрязнения (нефтепродукты) 3,0 27 16 1,1

В разделе 4 рассмотрены особенности экологического мониторинга с использованием БПЛА в условиях заповедника КАТ-БА.

Обзор способов приведения БПЛА к заданным объектам при экологическом мониторинге показал, что при отсутствии спутниковой коррекции ошибки приведения БПЛА становятся столь большими, что обеспечить условия обнаружения заданного объекта с достаточной вероятностью и

точностью невозможно. В такой ситуации целесообразно использовать информацию локатора ОИС для уточнения текущего местоположения БПЛА.

Основные показатели качества определения местонахождения БПЛА по данным ОИС следующие [6]:

Основной показатель качества - суммарная (срединная) ошибка в

единицах разрешения _ ^(д. + Д )2 или и метрах

= -Д-)2 +(Д2 >Д-)2' где Д- - величины разрешения по осям хиг в метрах.

В связи с тем, что зависимости критериев качества имеют локальные экстремумы, в работе введён дополнительный показатель качества §2- относительная величина близости локального экстремума к глобальному на исследуемом интервале в %. Этот показатель, названный в работе запасом достоверности, определяется выражением:

ё2 = 100*(Р1-Ро)/Рс. где: - среднее значение критерия сравнения на всем анализируемом участке эталонной карты; р - значение критерия в окрестности искомой точки, соответствующей глобальному экстремуму; р- значение признака идентификации в точке локального минимума, ближайшего по величине к значению . Предлагается методика определения местоположения БПЛА экологического мониторинга по информации локатора ОИС, основанная на принципах, применяемых в корреляционно-экстремальных системах.

Эта методика включает в себя 3 этапа:

1. Построение эталонной карты исследуемой зоны заповедника КАТ-БА для конкретных параметров ОИС (параметр измеряемого сигнала, разрешение по углу и дистанции), траекторных параметров (высота и дистанция наблюдения).

2. Получение измеренного массива параметров отражённых (излучающих) сигналов.

3. Сравнение эталонных и измеренных данных, по выбранному заранее критерию и поиск экстремума, на основании которого определяется местоположение БПЛА и зоны поиска заданных объектов.

Каждый из этих этапов имеет свои особенности. Построение эталонной карты состоит из двух этапов:

1. Построение эталонной карты для идеального измерителя.

Топографическая карта заповедника КАТ-БА разбивается равномерной сеткой на элементы с линейными размерами, равными разрешающей способности карты. Считаем, что идеальный измеритель имеет такую разрешающую способность.

2. Построение эталонной карты для конкретных параметров ОИС.

Методика преобразования эталонной карты для конкретных параметров ОИС в карту интенсивности (или количественно определённого другого признака) отраженного сигнала основана на интегрировании эффективной поверхности рассеяния (ЭПР) в элементах разрешения локатора ОИС на анализируемой поверхности заповедника. Коэффициент отражения каждого элемента разрешения карты определяется соответствующим значением из базы справочных данных.

В одном элементе разрешения измерителя отражательная (излуча-тельная) способность находится как суммарное по площади значение.

где: - число элементов разрешения карты площадью коэффициентом

отражения в элементе разрешения измерителя.

Таким образом, каждому элементу разрешения эталонной карты присваивается числовое значение анализируемого признака, например эффективной отражательной способности.

Примеры эталонных РЛ карт одного района заповедника приведены на рис. 4.1 для дистанций 4 км (б), 2 км (г) , 1 км (в), и 0,5 км (д), полученные из исходной РЛ карты (а) (при разрешении по углу 6 градусов и по дистанции 17 м).

отр

или

а)

б)

в)

•V/I

\ -у т.

С)

Д)

Рис. 4.1

При моделировании с целью исследования возможности мониторинга и прогнозирования статистических характеристик качества решения поставленных задач для получения измеренного массива параметров отражённых (излучающих) сигналов в РЛ карту вводятся флуктуации отражательной способности - как средних значений, так и в каждом элементе разрешения относительно средних значений. Используется диапазон возможных значений, указанных в базе данных, и закон изменения ЭПР (или другого признака), моделируется случайное изменение (флуктуация) ЭПР каждого элемента относительно усреднённого значения для этого типа покрова.

В известных работах (С.Н. Шарова, И.О. Суханова, А.Г. Елисеенко) не учитывается возможная взаимосвязь флуктуации элементов на поверхности Земли. В их моделях рассмотрены и реализованы два частных случая отражения от поверхности, с коэффициентом корреляции равным 1 и 0 .

В общем случае распределение флуктуации отражательных свойств элементов поверхности описывается двумерным законом распределения случайной величины и рассматривается как случайное поле (по терминологии Шалыгина А.С.).

Для двухмерного распределения случайной величины необходимо учитывать все возможные направления корреляции с соседними элементами. При помощи корреляционной функции Тц(Ах, Лг), заданной в декартовой системе координат х,г, значение изменения ЭПР каждого элемента разрешения Л^ корректируется в соответствии с удалением от него других элементов покрова этого типа, с учётом ограничений на границы однородной зоны земной поверхности. Здесь необходимо учесть границы однородной зоны, где справедлива заданная корреляционной функции г^(Длг, Дг). В этом случае:

где д- скорректированное значение ЭПР (амплитуды отражённого сигнала) элемента ац с учётом взаимосвязи (взаимной корреляции) с соседними элементами в N направлениях;

1,} - номера элемента разрешения по осям х и г; I - переменное расстояние от элемента д, упо направлению N. а

¡х, ¡_ его проекции на оси х и г;

1р\>1гр1~ расстояния до границ "однородной" зоны по направлению N.

'■1 ~ ' N ><Л

N

Рис. 4.2

На рис.4.2 обозначены ближняя и дальняя точки границы "'однородной" зоны по направлению N (одного из 8 указанных направлений), относительно точки с координатами у внутри этой зоны. Например, пх11, пг12- граничные точки направления 1 (одного из 8 указанных направлений). Первый индекс у направления N соответствует координатам по оси х и г, второй индекс номеру направления, а третий соответствует ближней (1) и дальней (2) точке пересечения с границей однородной зоны.

Если коэффициент корреляции г, можно принять одинаковым во всех направлениях

г, ] С= П ДДг) = г,) (Дх, Дг) = г,,, гпе Ах, Л7 - линейные размеры элемента разрешения, то алгоритм определения флуктуации А1 / для учета ближайшего пояса элементов его окружения имеет вид:

Пример радиолокационного изображения, полученный из идеальной РЛ карты (рис.4.3,а) при введении флуктуации интенсивности показан на рис. 4.3,6. На рис.4.3,в РЛ представлена карта с дополнительным введением пространственной флуктуации, на рис.4.3,г - РЛ карта с учётом влияния погоды и на рис.4.3,д. - РЛ карта после двухпороговой обработки (бинарное изображение).

Особенностью 3 этапа является выбор критерия сравнения эталонного и измеренного массива и оценка качества решения задачи.

Практичным (с точки зрения простоты реализации вычислений) признаком идентификации является невязка измеренного и эталонного массива или сумма модулей разницы этих массивов [4]:

где N - меньшее из общего числа элементов, имеющих определенное значение измеряемой величины сигнала измеренного и эталонного массивов.

В случае бинарной обработки сигналов, в качестве критерия сравнения принимается сумма совпадений знаков интенсивности сигналов, отраженных от элементов измеренного и эталонного массивов. Решение об идентификации определяется по минимуму или по максимуму числа совпадений 5 :

а 1

Для предварительной оценки возможности решения постановленной задачи проведено статистическое моделирование.

Проведенные в работе исследования показали [6].

- тенденцию возрастания запаса достоверности при увеличении зоны, осматриваемой бортовой ОИС, до 30x30 элементов разрешения

- качественные показатели определения местоположения БПЛА практически не зависят от величины ошибки предварительного выведения в заданную точку в исследованных пределах от 20x20 до 40x40 элементов разрешения; Однако запас достоверности при увеличении зоны ошибок (зоны неопределенности) снижается при ее увеличении, что свидетельствует о возможности фиксировать ложный экстремум при ее увеличении;

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

- изменение интенсивностей отражений отдельных элементов в диапазоне до 40дб для принятой модели флуктуации практически не сказывается на качественных показателях определения местоположения БПЛА

- пространственные флуктуации интенсивности отраженных сигналов более существенно влияю1 на ошибки определения местоположения БПЛА. В данном случае допустимы пространственные флуктуации в пределах не более 30м.

- возрастание амплитудных флуктуации при наличии пространственных флуктуации оказывает более сильное отрицательное влияние на качественные показатели определения местоположения БПЛА.

Предложена методика выбора порога бинарной обработки сигналов основанная на моделировании процесса определения местоположения БПЛА с учётом внешних условий и оценкой качественных показателей Суть её в итеративном подборе значения порога для уменьшения ошибки определения местоположения БПЛА при ограничении на запас достоверности.

Для получения высокого качества определения координат заданных точек целесообразно проводить измерения на дистанции, где минимальный уровень сигнала превышает порог обнаружения локатора ОИС. Исследование величины порога при формировании эталонной карты показало, что величина допустимого значения порога обработки эталонного изображения находится в интервале (0,2-1,8) градаций или (1-9)дБ относительно оптимального значения порога обработки измеренного массива.

Исследованы особенности обнаружения заданных объектов вблизи береговой черты. Для этой цели предложена вышеуказанная методика, дополненная следующими этапами:

- вычитание сигналов от береговых объектов (селекция изображения акватории);

- фильтрация сигналов с целью селекции наиболее значимых (крупных объектов) по распределению интенсивности отраженного сигнала по акватории.

Сравнительный анализ различных способов фильтрации показал целесообразность использования нелинейною фильтра с интегрированием измеряемого сигнала А[г,. xj в прямом и обратном направлении по двум координатам.

A,[z„ xr]] = A|[z„ л-j] + (A[z„ xJ+I] - A|[z„ x,]) /7ф при j от 1 до n-1;

Aifz,,*)] = А+ (A,[z„ x,] - A2[z„ /7'ф при j от n-1 до 1;

A-,[zH 7, л-J = A3[z„ xj + (A2[z, ,Xj]-A3[r„ х^уГф при i от 1 до m-1;

A4[z.„ x,] =A4[z, ,, xj + (A3[z„ x}] - A4[z,_;, XjD/Гф при i от m-1 до 1.

Далее следует пороговая обработка сигнала и принятие решения о наличии или отсутствии искомого объекта на наблюдаемом участке поверхности акватории.

Если А > Ап, то искомый объект Ап определяется по заданному критерию (идеального наблюдателя, среднего риска, и др.)

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

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

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

2. На основе сравнительного анализа информационных каналов (АРК, ПРК, ЛК, ТК, ТВК или ТПВК) БПЛА показано, что все они принципиально могут быть использованы для экологического мониторинга и охранных функций заповедника КАТ-БА.

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

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

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

Сравнительная оценка различных признаков отражённых сигналов ОИС показывает возможность и целесообразность использования этих признаков для обнаружения заданных объектов при экологическом мониторинге

заповедника КАТ-БА.

3. Исследования особенностей работы ОИС БПЛА в зоне эколо1иче-ского мониторинга показали, что:

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

3.2. Для выбора стратегии мониторинга (траектории полёта) БПЛА необходимо знать значения коэффициентов затуханий в атмосфере. Предложена методика их определения при составлении полётного задания БПЛА, заключающаяся в использовании имеющихся в заповеднике ориентиров (объектов с известными отражательными свойствами).

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

-оптимальный размер зоны обзора локатора ОИС от 20x20 до 40x40 элементов разрешения;

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

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

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

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

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Ле Ки Биен. Выбор беспилотного летательного аппарата для экологического мониторинга прибрежных районов // Сб. трудов БГТУ «ВОЕН-МЕХ» им. Д.Ф.Устинова. Вопросы проектирования систем управления беспилотных летательных аппаратов для экологического мониторинга, СПб, БГТУ, 2003. С.35-40.

2. Ле Ки Биен. Оценка признаков сигналов лазерного локатора для экологического мониторинга заповедника КАТ-БА. // Сб трудов БГТУ «ВОЕНМЕХ» им. Д.Ф.Устинова. Вопросы проектирования систем управления беспилотных летательных аппаратов для экологического мониторинга, СПб, БГТУ, 2003. С. 80-84.

3. Ле Ки Биен. Количественная оценка влияния затухания радиоволн на дальность обнаружения заданных объектов при экологическом мониторинге заповедника КАТ-БА // Сб. трудов БГТУ «ВОЕНМЕХ» им. Д.Ф.Устинова. Вопросы проектирования систем управления беспилотных летательных аппаратов для экологического мониторинга, СПб, БГТУ, 2003. С. 117-118.

4. Ле Ки Биен. Особенности построения эталонных карт для экологического мониторинга заповедника КАТ-БА // Тез. докл. V Российской научно-технической конференции «Современное состояние и проблемы навигации и океанографии НО-2004», СПб, 2004. С. 121.

5. Ле Ки Биен, До Куанг Тхонг, С.Н. Шаров. О возможности использования беспилотного летательного аппарата для мониторинга вьетнамского заповедника КАТ-БА // Проблемы транспорта, № 10, СПб, Логос, 2004. С .199-201.

6. Ле Ки Биен. Исследования точности и достоверности определения местоположения беспилотного летательного аппарата (БПЛА) при экологическом мониторинге заповедника КАТ-БА // Сб. трудов БГТУ «ВОЕНМЕХ» им. Д.Ф.Устинова. Актуальные вопросы управления в организационно-технических системах, СПб, БГТУ, 2003С. 112-115.

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

Подписано R печать 11.11.2004 .Формат 60х84 . бумага документная. Печать трафаретная Уч.-изд. л Л ,0. Тираж 100 экз. Заказ № 66

Балтийский государственный технический университет

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

»24 414

Введение Автоматизированный комплекс экологического мони- g торинга на базе БПЛА

Обоснование целесообразности БПЛА вертолетного типа для

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

1.2. Состав АКЭМ

1.3. Основные задачи АКЭМ

1.4. Основные тенденции развития АКЭМ

1.5. Бортовой комплекс аппаратуры

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

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

Основные сведения об обзорных информационных системах

2Л' БПЛА

2 ^ Обобщенная структура и состав обзорной информационной ^q системы

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

2.4.1. Объекты, подлежащие обнаружению локатора ОИС

Методика расчёта эффективной площади рассеяния (ЭПР)

2.4.2. локационных объектов с заданными параметрами локатора 28 ОИС

2.4.3. Статистические признаки отряженных сигналов

2.4.3.1. Амплитудные признаки

2.4.3.2. Временные признаки

2.4.3.3. Поляризационные признаки

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

3.1. Радиолокационный канал

3.1.1. Энергетический расчёт дальности

3.1.2. Выбор длины волны излучения

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

3.1.4. Методика статистического расчёта дальности обнаружения

3.2. Лазерный канал

3.3. Инфракрасный канал

3.3.1. Энергетический расчёт дальности

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

4.1. Обзор способов приведения БПЛА к заданным объектам

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

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

4.0. глллг^ по данным локатора ОИС

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

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

4.10. Исследование влияния величины порога обнаружения

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

Выводы по разделу

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Научные положения, выносимые на защиту

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

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

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

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

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

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

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

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

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на:

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

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

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

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

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

Выводы

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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