автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.18, диссертация на тему:Разработка и исследование имитационной модели дистанционного зондирования поверхности Земли

На правах рукописи

Денисов Андрей Васильевич

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ИМИТАЦИОННОЙ МОДЕЛИ ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ПОВЕРХНОСТИ ЗЕМЛИ

Специальность: 05.13.18 - «Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 2014 г.

Работа выполнена в Санкт-Петербургском национальном исследовательском университете информационных технологий, механики и оптики.

Научный руководитель: Демин Анатолий Владимирович

доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты: Хомоненко Анатолий Дмитриевич

доктор технических наук, профессор, Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I, заведующий кафедрой «Информационные и вычислительные системы»

Лосенкова Мария Игоревна кандидат технических наук, ООО «НПО «СтарЛайн», программист

Ведущее предприятие: Санкт-Петербургский филиал Федерального

государственного бюджетного учреждения науки Института земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова Российской академии наук (СПбФ ИЗМИРАН), г. Санкт-Петербург

Защита диссертации состоится «26» марта 2015 г. в 15 ч. 30 мин. на заседании диссертационного совета Д.212.227.06 при Санкт-Петербургском национальном исследовательском университете информационных технологий, механики и оптики по адресу: 197101, г. Санкт-Петербург, Кронверкский пр., д. 49, конференц-зал Центра Интернет-образования (ЦИО).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики по адресу: 197101, г. Санкт-Петербург, Кронверкский пр., д. 49 и на сайте fppo.ifmo.ru .

Автореферат разослан «16» января 2015 г.

Учёный секретарь диссертационного совета, /

кандидат физико-математических наук,

доцент Лобанов И.С.

-01.СИИСКАЯ .СУ^'СТВСННАЯ Г.ИЬЛИПТЕКА ?015

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Современный этап развития космических средств мониторинга поверхности Земли характеризуется продолжающимся ростом числа и многообразия исследовательского оборудования, входящего в состав космического аппарата, выводимого на околокруговые, полярные, геостационарные и эллиптические орбиты. Одной из важных задач космических исследований является дистанционное зондирование поверхности Земли в оптическом диапазоне спектра излучения, что позволяет решать задачи мониторинга, геодезии и картографии, а также специальные задачи в реальном масштабе времени. Свыше 15 стран располагают собственными космическими аппаратами с системами дистанционного зондирования поверхности Земли в оптическом диапазоне спектра излучения, а общее число одновременно функционирующих спутников достигает нескольких десятков.

Основными направлениями и практическими задачами, стоящими перед системами дистанционного зондирования поверхности Земли, являются:

1. Мониторинг состояния окружающей среды.

2. Задачи картографии и геодезии.

3. Задачи геологоразведки.

4. Задачи специального назначения.

5. Обеспечение требуемой эффективности и качества военной и гражданской техники.

6. Обеспечение безопасности во всех сферах деятельности.

Использование дистанционного зондирования поверхности Земли в оптическом диапазоне спектра излучения позволяет получать информацию как о географических и геофизических параметрах, так и о техногенных процессах, происходящих на земной поверхности, что повышает ценность этой информации. Оно осуществляется методами маршрутной, объектовой, стереоскопической, статической, динамической, топографической и спектрометрической съемок в панхроматическом и мультиспектральном режимах.

Создание высокоточных и надежных систем дистанционного зондирования поверхности Земли является многоэтапным и многофакторным процессом. Следует отметить, что научно-технические проблемы, возникающие при этом, требуют необходимости проведения большого объема теоретических и экспериментальных исследований, производства и испытаний, максимально обеспечивающих формирование космических комплексов, отвечающих реальным условиям эксплуатации, что приводит к значительным срокам их разработки. Основная трудность при проектировании указанных систем заключается в том, что теоретически они являются симбиозом ряда областей наук, таких как информатика, прикладная математика, прикладная оптика, математическое моделирование, теория эксперимента, теория автоматизированного проектирования, компьютерная графика и вычислительная техника. Возрастание объема и детализации информации при дистанционном зондировании поверхности Земли приводит к значительному росту стоимости создания и эксплуатации средств получения спутниковой информации, а при летно-конструкторских испытаниях

качественные и количественные показатели всей системы проверить весьма затруднительно. Выход из создавшейся ситуации лежит в применении методов математического моделирования на современных ЭВМ при возможности проведения всех видов сопутствующих работ, что позволяет обеспечивать принятие оптимального схемотехнического решения для систем космического назначения с последующей его реализацией. Для интерпретации прогнозных результатов сложных космических систем привлекаются современные компьютерные технологии, разрабатываются имитационные модели и виртуальные полигоны, обеспечивающие погружение исследователя в имитируемые моделируемые явления. При этом имитируемые условия, на основании которых производятся компьютерные эксперименты, должны соответствовать реальным в оговариваемых пределах разрабатываемых имитационных моделей и виртуального полигона.

При разработке алгоритмов математического моделирования систем дистанционного зондирования поверхности Земли необходимо учитывать не только свойства объекта-оригинала проектируемой системы, но и физические параметры атмосферы, подстилающей поверхности Земли, а также параметры орбиты. Данные имитируемые условия на виртуальном полигоне, в которых во время имитации находится объект-модель системы в составе космического аппарата, и позволяют обеспечить правильность математического моделирования, что в свою очередь, стимулирует развитие вычислительного компьютерного эксперимента.

Таким образом, задача разработки и исследования имитационной модели дистанционного зондирования поверхности Земли в оптическом диапазоне спектра излучения с учетом реальных условий имитируемых на виртуальном полигоне является перспективной и актуальной темой не только на сегодняшний день, но и на последующие десятки лет.

Целью работы является разработка и исследование имитационной модели дистанционного зондирования поверхности Земли в оптическом диапазоне спектра излучения с целью прогнозирования качественных и количественных показателей системы в реальных условиях эксплуатации.

Задачи исследования. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Обосновать подход к математическому моделированию процесса дистанционного зондирования поверхности Земли в оптическом диапазоне с целью прогнозирования качественных и количественных показателей системы в реальных условиях эксплуатации.

2. Проанализировать методы математического моделирования применительно к системам дистанционного зондирования поверхности Земли.

3. Разработать структуру виртуального полигона для инициализации динамических сцен имитационного моделирования системы дистанционного зондирования.

4. Разработать имитационную модель системы дистанционного зондирования поверхности Земли с учетом реальных условий эксплуатации.

5. Обосновать алгоритм и методологию имитационного моделирования применительно к системам дистанционного зондирования на виртуальном полигоне.

6. Разработать компьютерно-ориентированную модель и алгоритм имитационного моделирования системы дистанционного зондирования на виртуальном полигоне.

7. Разработать методику и алгоритм прогнозирования качественных и количественных показателей системы дистанционного зондирования поверхности Земли на основе результатов имитационного моделирования с учетом реальных условий, имитируемых на виртуальном полигоне.

Методы исследования включают в себя разделы информатики, прикладной математики, прикладной оптики, математического моделирования, теории эксперимента, теории автоматизированного проектирования, компьютерной графики и вычислительной техники.

Научную новизну работы составляют:

1. Методология математического моделирования процесса дистанционного зондирования поверхности Земли в оптическом диапазоне с целью прогнозирования качественных и количественных показателей системы в реальных условиях эксплуатации.

2. Метод моделирования систем дистанционного зондирования с учетом реальных условий, имитируемых на виртуальном полигоне.

3. Имитационная модель системы дистанционного зондирования поверхности Земли с учетом реальных условий эксплуатации.

4. Алгоритм и методология имитационного моделирования системы дистанционного зондирования на виртуальном полигоне.

5. Алгоритм прогнозирования качественных и количественных показателей системы дистанционного зондирования поверхности Земли на основании результатов имитационного моделирования, с учетом реальных условий, имитируемых на виртуальном полигоне.

Практические результаты работы составляют:

1. Алгоритм прогнозирования качественных и количественных показателей системы дистанционного зондирования поверхности Земли с учетом реальных условий, имитируемых на виртуальном полигоне.

2. Виртуальный полигон для инициализации динамических сцен имитационного моделирования дистанционного зондирования.

3. Программное обеспечение виртуального полигона, функционирующее на программно-аппаратном комплексе ЗАО «НПФ «ИнфоСистем-35» и реализованное в контрольно-измерительной станции ОАО «ЛОМО».

4. Комплект эксплуатационной документации на программное обеспечение виртуального полигона.

5. Имитационное моделирование для оценки прогнозирования качественных и количественных показателей дистанционного зондирования поверхности Земли в оптическом диапазоне спектра излучения с учетом реальных условий, имитируемых на виртуальном полигоне.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Методология математического моделирования процесса дистанционного зондирования поверхности Земли в оптическом диапазоне с целью прогнозирования качественных и количественных показателей системы в реальных условиях эксплуатации.

2. Метод моделирования систем дистанционного зондирования поверхности Земли с учетом реальных условий, имитируемых на виртуальном полигоне.

3. Структура виртуального полигона для формирования динамических сцен имитационного моделирования дистанционного зондирования поверхности Земли в оптическом диапазоне спектра излучения.

4. Имитационная модель системы дистанционного зондирования поверхности Земли с учетом реальных условий эксплуатации.

5. Алгоритм и методология имитационного моделирования системы дистанционного зондирования на виртуальном полигоне.

6. Алгоритм прогнозирования качественных и количественных показателей системы дистанционного зондирования поверхности Земли на основании результатов имитационного моделирования с учетом реальных условий, имитируемых на виртуальном полигоне.

7. Результаты имитационного моделирования дистанционного зондирования поверхности Земли с учетом реальных условий, имитируемых на виртуальном полигоне.

Достоверность научных результатов и выводов определяется корректностью использования математического аппарата и подтверждается результатами компьютерного моделирования.

Внедрение результатов работы. Результаты работы были использованы компаниями ООО «JIOMO МЕТЕО», ООО «АвтоВизус», а также внедрены в учебный процесс на кафедре ОЦСиТ НИУ ИТМО.

Апробация работы. Изложенные в диссертации результаты обсуждались на 8 международных и российских научных конференциях и конгрессах:

- XXXIX Научной и учебно-методической конференции Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики, г. Санкт-Петербург, 2010 г.;

- XL Научной и учебно-методической конференции Санкт-Петербургского национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики, г. Санкт-Петербург, 2011 г.;

- VIII Всероссийской межвузовской конференции молодых ученых Санкт-Петербургского национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики, г. Санкт-Петербург, 2011 г.;

- Международном конгрессе по интеллектуальным системам и информационным технологиям IS&IT'l 1, г. Геленджик-Дивноморское, 2011 г.;

- VII Международной конференции молодых ученых и специалистов «0птика-2011», г. Санкт-Петербург, 2011 г.;

XLI Научной и учебно-методической конференции Санкт-Петербургского национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики, г. Санкт-Петербург, 2012 г.;

- (II Молодежной научно-технической конференции «Инновационный арсенал молодежи 2012», г. Санкт-Петербург, ФГУП «КБ «Арсенал» имени М.В. Фрунзе», 2012 г.;

- VIII Международной конференции молодых ученых и специалистов «0птика-2013», г. Санкт-Петербург, 2013 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ (из них 2 - в изданиях из перечня ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, рекомендованных ВАК РФ).

Личный вклад автора. В ходе выполнения диссертационной работы автором лично был выполнен аналитический обзор в проблемной области диссертационной работы, разработаны и исследованы модели дистанционного зондирования поверхности Земли, проведены серии компьютерных экспериментов и интерпретация их результатов.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, перечня сокращений и списка литературы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, отражены основные цели и задачи исследования, отмечаются научная новизна и практическая значимость результатов, перечисляются основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе описаны принципы дистанционного зондирования поверхности Земли в оптическом диапазоне спектра излучения. Представлены методы и средства моделирования систем дистанционного зондирования поверхности Земли с учетом реальных условий, имитируемых на виртуальном полигоне. Разработана архитектура виртуального полигона для имитируемых условий. Определён наиболее подходящий метод математического моделирования -имитационное моделирование способом просмотра активностей блоков.

Объектом исследования является объект-модель системы дистанционного зондирования поверхности Земли (Сдэт) в составе космического аппарата (КА). Принцип работы Сда представляет собой процесс анализа энергии в оптическом диапазоне, отраженной или излученной подстилающий поверхностью Земли (ППЗ). Поэтому получаемую с СД11 информацию можно рассматривать как результат прохождения информации от ППЗ через тракт, состоящий из атмосферы, атмосферных возмущений, системы приема и преобразования информации (СППИ) и приемной оптической системы (ПОС). Математическая модель Сдзз в рамках теории линейных систем представима в виде следующего функционала

Л с v> j у = {В \1П\ккф1'ры® СЛтикошщений ® & Съемки ® Есппи ® Fnocí,

где

{ВА,тнкферы® сAmv„0¡v,,„.„,„■, ® Dcw, ® Есппи ® Fm>cí - суперпозиции оптических свойств атмосферы, оптических возмущений, изображения объекта съёмки и способов приёма и обработки оптической информации.

На рисунке / представлена обобщенная схема приема и обработки инфор-

Рисунок 1 - Принцип работы Сдзз

Основной задачей диссертационной работы является разработка и исследование имитационной модели Сдзз в оптическом диапазоне спектра излучения с учетом реальных условий эксплуатации, имитируемых на виртуальном полигоне, создание программного обеспечения и возможность прогнозирования функционально-параметрических показателей Сдзз на виртуальном полигоне. Исследование в такой постановке может быть выполнено только с применением технологий математического моделирования на основе компьютерного эксперимента.

Процесс проектирования и технология разработки математической модели Сдзз для исследования НИЗ требуют совокупности применения особенностей методов математического моделирования в конкретной предметной области. Основными требованиями, предъявляемыми при использовании методов математического моделирования, являются требования адекватности реальных и моделируемых процессов в зависимости от вида решаемых задач, возможностей ЭВМ и алгоритмического обеспечения. Формализованная математическая модель, как правило, охватывает только основные, существенные закономерности, оставляя в стороне второстепенные, не подлежащие исследованию факторы.

Принципиальной задачей математического моделирования является адаптация и доработка уже существующих методов, подходов и технологий к специфике постановки компьютерных экспериментов Сдзз и отображение их результатов. Для реализации поставленных задач необходимо рассмотреть методы математического моделирования и по результатам выбора разработать общий алгоритм и архитектуру имитационной модели на виртуальном полигоне.

Имитационное моделирование позволяет с применением набора математических инструментальных и программных средств выполнить целенаправлен-

ное исследование Сд33 в режиме имитации с целью оптимизации ее структуры и функциональных параметров, а виртуальное моделирование позволяется реализовать имитационную модель путем инициализации динамических сцен.

Архитектура виртуального полигона (рисунок 2) по формированию динамических сцен для получения прогнозных функционально-параметрических показателей имитационного объекта-модели Сдзз создается в результате работы имитируемых критериев и заданных условий, занесенных в программный аппарат.

Рисунок 2 - Архитектура виртуального полигона

Для решения задач, поставленных при реализации разработки имитационной модели Сдзз, гю сравнению с другими методами, имитационное моделирование способом просмотра активностей блоков является наиболее удобным. Его преимущество заключается в том, что представление Сдзз в виде активируемых блоков позволяет в процессе моделирования управлять и изменять параметры модели, что крайне удобно при поиске оптимальных проектных решений. Также следует отметить, что этот метод применим в тех случаях, когда имеется большое количество достаточно простых алгоритмов проверки условий на процесс активации. Это связано с тем, что алгоритмы активируются на выполнение только тогда, когда выполняются все необходимые условия инициализации.

Выполнение одних алгоритмов может привести к процессу инициализации других, поэтому в управляющей профамме имитационного моделирования могут иметь место повторные циклы проверки выполнимости условий инициализации. События объекта-модели Сдзз не регламентируются, а лишь указывают условия, при которых они могут произойти. Блок-схема имитационного моделирования объекта-модели Сдзз способом просмотра активностей блоков методом квазипараллельного моделирования объектов-моделей подсистем, обоснованная в диссертационной работе, представлена на рисунке 3.

Имитатор

атмосферы

Ллг. 1

\Г

Имитатор атмосферных вогщщений

Й

Имитатор съечки ППЗ

<s

.4.V.J

Имитатор СППИ

К

A-v. 4

A.V.S

Имитатор ПОС

Й

11

Мч

Мц

Ми

-К

Ми

Ми

"V

Управляющая программа имитащюнногомоОелирования CJ33c юоанными имитирующими условиями на виртуальном полигоне

ПО атмосферы и атмосферных возмущений

ПО съемки ППЗ

ПО СППИ

ПО ПОС

Рисунок 3 - Алгоритм имитационного моделирования Сш

СППИ - объект-модель имитации системы приема и преобразования информации;

ПОС - объект-модель имитации приемной оптической системы;

М, - модельное время имитируемого блока Сдзз;

Апг - алгоритм имитации имитируемого блока;

ПО - программное обеспечение имитационного моделирования Сдзз по принятым аналитическим соотношениям.

Вторая глава посвящена подробному анализу имитационных и математических моделей систем дистанционного зондирования поверхности Земли. Разработана имитационная модель Сдзз с учетом реальных условий эксплуатации. Развит метод имитационного моделирования применительно к имитационной модели Сдзз.

Облучённость входного зрачка оптической системы, как энергетический образ поверхности, формируется за счет излучения, проходящего от нее в виде отраженного излучения от внешних источников (например, засвечиванием Солнцем). В фокальной плоскости оптической системы формируется изображение ППЗ заданного качества, а в СППИ - его преобразование и фильтрация с целью получения сигнала в заданном формате для передачи на наземный пункт приема информации. Работа оптико-электронной съемочной аппаратуры осно-

вана на регистрации движущего изображения, формируемого в фокальной плоскости ПОС с помощью линейки матричных полупроводниковых сенсоров.

В пространстве изображений анализируемая поверхность Земли описывается распределением полезной составляющей спектральной освещенности х\ у\ что в пространственно-частотной области эквивалентно выражению, связывающему спектры входного ¿д(х ,у ) и выходного Ел(х ,у ) сигналов через оптическую передаточную функцию (функция передачи модуляции)

ЕдО^'. V ) = ЯоV ) • №./).

где

vy' ) - Фурье-образ нормированной функции рассеяния Н0л(х',у')

для излучения с длиной волны Я.

00 00

Яох(ух.,уу.)= | | Н0А(х',у')ехр(-12л^х. ■ х'+ ■ у')) (1х'■ йу'.

— со —оо

В соответствии с задачами наблюдения при проектировании Сдзз, отмеченное выше преобразование должно быть более высокого порядка, чем это требуется по техническому заданию на линейное разрешение на местности для системы дистанционного зондирования поверхности Земли. В этой связи имитационная модель разрешающей способности системы дистанционного зондирования в фокальной плоскости из точки наблюдения будет иметь вид

ДЦу) = "

2 ■ V' ■ / • соб (О'

(К* + Нк Ь

51П (( - 0)

. /Кз + Ика . Л I, = агсБШ ^-—--slnвJ,

Он = «з

где

С, - зенитный угол; в - угол визирования на объект наблюдения относительно местной вертикали; = 6371 км - средний радиус Земли; НКА - высота космического аппарата над поверхностью Земли; - имитируемая наклонная дальность съемки; /- фокусное расстояние ПОС; V* - значение разрешаемой частоты в изображении, штр/мм.

В космической технике для СППИ применяются одноэлементные и многоэлементные фотоприемные устройства (ФПУ) в виде линеек и матриц, работающие на различных физических принципах. Как правило, это фокальные матрицы фоточувствительных элементов (пикселов), например, матрицы приборов с зарядовой связью (ПЗС), чувствительных в видимой и ближней ИК-области оптического диапазона излучений. Электрический сигнал на выходе матричного СППИ представляет собой результат пространственной и временной фильтрации, выполняемой в процессе работы ФПУ в заданном режиме.

Время накопления /„ определяется размером пикселя £ и скоростью движения изображения (СДИ) и„

I

= —.

V»

Для увеличения /„ (от чего зависит величина сигнала при заданных условиях освещенности на ППЗ) необходимо при выбранной величине £ (из соображений получения заданного линейного разрешения на местности для выбранных параметров ПОС) уменьшать ии путем тангажного замедления или увеличить /„ непосредственно за счет использования большего числа шагов накопления в матрице фотоприемного устройства на основе прибора с зарядовой связью (ФПЗС).

В этом случае время считывания зарядов из ПЗС регистра 1СЧ должно быть меньше /„ в одном пикселе /„/

1,4 < /*/,

НО

I

поэтому

где

и =

*Н1 >

0„

е„

/ - количество пикселов в строке матрицы ФПЗС;

0П1С - частота работы ПЗС регистра.

На стадии проектирования из этого неравенства определяется частота сдвигающих импульсов впк, поскольку величина / определяется полосой захвата на ППЗ, что является одним из основных требований технического задания на проектировании Сд33.

В связи с тем, что диапазон высот в диссертационной работе рассматривается выше линии Кармана, наиболее благоприятной имитационной моделью атмосферы является модель ионосферы.

Таким образом, общая имитационная модель Сдзэ имеет следующий вид

[Ш'1

Ш'

я

пос

0 X 0

= Лав Год пос 0 + ^сппи 0 + Вдтм £

^пос .0.

+ Ми

КОЭФ • ^СЪЕМКИ-

где

/Чюс - матрица хода лучей, входящих в ПОС; /г'Пос - матрица лучей, выходящих из ПОС; ^од пот - матрица, представляющая собой оператор действия ПОС; £сппи - матрица действия СППИ; х ~ вектор параметров СППИ; Адв -матрица, учитывающая движение Сдзз по орбите; ВАТм - матрица действия атмосферы и помех; ( - вектор параметров помех; 0СЪЕМКИ - вектор управления съёмкой; Л/коэф - матрица постоянных коэффициентов Сдзз.

В третьей главе представлены алгоритмы имитационного моделирования прогнозирования качественных и количественных показателей системы дистанционного зондирования поверхности Земли с учетом реальных условий, имитируемых на виртуальном полигоне. Инициализирована динамическая сцена виртуального полигона.

Алгоритмы имитационного моделирования Сдзз реализуются на практике программно-аппаратным комплексом, разработанным организацией ЗАО «НПФ «ИнфоСистем-35» и реализованным в контрольно-измерительной станции ОАО «ЛОМО». Комплекс представлен в виде двух высокоскоростных ЭВМ (рисунок 5).

Формой реализации виртуального моделирования Сдзз является среда имитационного моделирования, которая содержит следующие подсистемы:

1. Ядро виртуального полигона, представляющее собой следующие подсистемы:

• библиотека математики (стандартные и сложные математические объекты);

• интерфейс программного обеспечения и файловой системы;

• система конфигураций.

2. Библиотека виртуального полигона для инициализации динамической сцены, обеспечивающая:

• загрузку, обработку и сохранение полученных данных;

• загрузку, обработку и сохранение изображений;

• загрузку, обработку и сохранение имитации.

Схема общего алгоритма представляется в следующем виде (рисунок 4)

Рисунок 4 -

Схема общего алгоритма Сд13

С помощью данного алгоритма исследованы прогнозируемые заданные характеристики, влияющие на результирующее полученное изображение и параметры при движении КА. Эффективность предлагаемого подхода подтверждается результатами имитационного моделирования на разработанном виртуальном полигоне, представленными в четвертой главе.

В четвертой главе представлены результаты экспериментальных исследований имитационной модели Сдзз с учетом реальных условий, имитируемых на виртуальном полигоне. Представлено программное обеспечение имитационного моделирования, примененное на программно-аппаратном комплексе ЗАО «НПФ «ИнфоСистем-35» и реализованное в контрольно-измерительной станции ОАО «ЛОМО». Произведена оценка прогнозных функционально-параметрических показателей Сдзз путем реализации имитационного моделирования. Выявлены качественные и количественные характеристики объекта-модели Сдзз в режимах панхроматической (ПХ) и мультиспектральной (МС) съемок.

Имитационное моделирование реализуется на программно-аппаратном комплексе, который представляет собой набор технических средств:

• Аппаратная часть (Hardware) комплекса состоит из двух ЭВМ ЗАО «НПФ «ИнфоСистем-35» (ПК-1 и ПК-2) рисунок 5).

• Программная часть (Software) - это специализированное программное обеспечение имитационного моделирования для прогнозирования функционально-параметрических показателей Сдзз с учетом реальных условий, имитируемых на виртуальном полигоне.

и) б)

Рисунок 5 - Программно-аппирипшый комплекс ЗАО «НПФ «ИнфоСистем-35» 11К-1 (а) и ПК-2 (б)

В данном разделе отображение режима съемки Г1Г13 для разных высот орбит (300, 500 и 700 км) рассматривается как тест на работоспособность программного аппарата имитационного моделирования Сдзз. Съемка происходит в двух режимах - ПХ и МС.

В качестве исходного изображения для всех компьютерных исследований был использован фрагмент натурного изображения (30 * 30 км), полученного посредством цифровой компьютерной съемки и наложенного на картографическую сетку имитационной модели подстилающей поверхности Земли. Характеристики режимов съемок представлены в таблице 1.

Таблица 1 - Характеристики режимов съемки

Наименование характеристики Канал

ПХ МС

Спектральный диапазон 0,5 ~ 0,8 мкм 0,5 ~ 0,59, 0,6 ~ 0,68, 0,7 ~ 0,8, 0,73 ~ 0,89, 0,8- 1,1,0,9-1,1 мкм

Число ПЗС 9 шт. 9 шт.

Число каналов видеоинформации 36 шт. 54 шт.

Размеры элементов дискретизации 6 х 6 мкм2 12 х 12 мкм2

Количество элементов разложения на длине фотозоны 36096 шт. 18048 х 3 шт.

Диапазон СДИ 6 ~ 86 мм/с 6-86 мм/с

Частота в регистре ПЗС 14,7 МГц 7,3 МГц

Размеры секций накопления 128,64, 32, 16,8 строк ФПЗС 64, 32, 16 строк ФПЗС

Мах информационный поток на выходе канала 5,28 Гбод 3,96 Гбод

Мах информационный поток на выходе ФПУ 240 х 3 Мбит/с 240 х 2 Мбит/с

Информационная производительность 5,3 • 10* пикселей/с 3,9 • 10* пикселей/с

На рисунках 6-8 представлены результаты ПХ и МС съемок, полученные программным обеспечением имитационного моделирования в оптическом диапазоне спектра излучения с учетом реальных условий, которые имитируются на виртуальном полигоне при моделировании объекта-модели СДЗэ для орбит с высотами 300, 500 и 700 км. Белой линейкой на фотоснимках представлена мира, которая позволяет классифицировать объект небольшой площади.

При реализации компьютерного эксперимента для высоты полета КА 700 км использовался метод тангажного замедления, который улучшает качество съемки, но образует «слепые» участки (их приходится пропускать в процессе перенацеливания объекта-модели Сдзз с ППЗ с одного участка на другой). При этом, как показал эксперимент, время фотографирования маршрута увеличивается. Соответственно увеличивается и величина остаточных скоростей. Время же СДИ в фокальной плоскости снимающей системы сокращается до десяти раз.

Рисунок 8 - Результаты моделирования ИХ (а) и МС (б) съемок. Н = 700 к.и

В связи с тем, что фотосъемка в космическом пространстве является нестационарным процессом, для анализа его воспроизводимости рассматривалось

проведение трех имитируемых компьютерных экспериментов для разных высот орбит (300, 500 и 700 км) с различными начальными условиями. Это позволило классифицировать и описать основные характеристики имитационной модели Сдзз исходя из диаграмм углов крена, тангажа, рыскания, диапазона частот съемки, стабилизации СДИ и полученных значений линейного разрешения на местности в момент моделирования. На рисунках 9 и 10 представлены некоторые результаты имитационного моделирования.

Рисунок 9 - Прогнозирование линейного разрешения на местности и динамики стабилизации СДИ во время движения КА при фотосъемке. Заданные высоты орбит - 300 (а), 500 (б) и 700 (в) км

о •20

23.2

52.6

-----

\

■^149.9 \

154.6

20 40 60 80 100 120 140 160 Длимо -Маршрута, км/с

а)

ч

1

7

20 40 60 80 100 120 140 160 180 Длина маршрута, км/с б)

27.,

«2.»

10 20 >0 40 »0 60 70 Длим.перидота км/с

'О юо 110 120

в)

Рисунок 10 - Прогнозирование траектории движения КА на орбитах 300 (и), 500 (б) и 700 (в) км

Имитационной моделью Сдп в оптическом диапазоне спектра излучения с учетом реальных условий, имитируемых на виртуальном полигоне, получены эталонные фотоизображения, представленные на рисунках 11 и 12.

Рисунок 11- Эталон панхроматической съемки

Рисунок 12- Эталон мулыниснектральной съемки

Таким образом, результаты моделирования демонстрируют способность программного аппарата имитационной модели СДТ) в оптическом диапазоне спектра излучения с учетом реальных условий, имитируемых на виртуальном полигоне, воспроизводить качественные фотоизображения, а также прогнозировать качественные и количественные показатели СДЗэ в имитируемых условиях эксплуатации.

В заключении представлены основные результаты диссертационной работы. В ходе выполнения диссертационной работы автором лично был выполнен аналитический обзор в проблемной области диссертационной работы, разработаны и исследованы модели дистанционного зондирования поверхности Земли, проведены серии компьютерных экспериментов и выполнена интерпретация их результатов. В диссертационную работу включены результаты, соответствующие участию автора, а именно:

1. Обоснованы подходы к математическому моделированию процесса дистанционного зондирования поверхности Земли в оптическом диапазоне с целью прогнозирования качественных и количественных показателей системы в реальных условиях эксплуатации.

2. Проанализированы методы математического моделирования применительно к системам дистанционного зондирования поверхности Земли.

3. Разработана структура виртуального полигона для инициализации динамических сцен имитационного моделирования системы дистанционного зондирования.

4. Разработана имитационная модель системы дистанционного зондирования поверхности Земли с учетом реальных условий эксплуатации.

5. Обоснован алгоритм и представлена методология имитационного моделирования систем дистанционного зондирования на виртуальном полигоне.

6. Разработана компьютерно-ориентированная модель и алгоритм имитационного моделирования систем дистанционного зондирования на виртуальном полигоне.

7. Разработана методика и алгоритм прогнозирования качественных и количественных показателей системы дистанционного зондирования поверхности Земли на основе результатов имитационного моделирования, с учетом реальных условий, имитируемых на виртуальном полигоне.

8. Произведено имитационное моделирование дистанционного зондирования поверхности Земли с учетом реальных условий, имитируемых на виртуальном полигоне, и выполнена интерпретация его результатов.

По теме диссертации опубликованы следующие работы из перечня ВАК:

1. Демин A.B., Денисов A.B., Летуновский A.B. «Оптико-цифровые системы и комплексы космического назначения». Научно-технический журнал «Известия вузов. Приборостроение», выпуск № 3 - 2010 г. - С. 51-59 -0,5625 п.л./0,3987 пл.;

2. Демин A.B., Денисов A.B., Перл И.А., Третьякова A.A. «Оптико-электронный комплекс повышенной производительности». Научно-технический вестник Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики, выпуск № 3 (73) - 2011 г. -С. 1-5-0.3125 п.л./0,1992 п.л.;

тезисы международных конференций и сборников трудов:

3. Денисов A.B. «Моделирование оптико-электронных систем дистанционного зондирования поверхности Земли способом просмотра активностей блоков».VIII Всероссийская межвузовская конференция молодых ученых. - г. Санкт-Петербург, 12-15 апреля 2011 г. - НИУ ИТМО. Сборник тезисов докладов VIII конференции молодых ученых. Выпуск № 2. М.: СПбГУ ИТМО, 2011 г.-С. 220-221 -0,125 п.л.;

4. Демин A.B., Денисов A.B. «Имитационная модель системы приема и преобразования информации комплексов дистанционного зондирования Земли». Международный конгресс по интеллектуальным системам и информационным технологиям IS&IT' 11. - г. Геленджик-Дивноморское, 02-09 сентября 2011 г. Труды конгресса по интеллектуальным системам и информационным технологиям «AIS-IT'll». Научное издание в 4-х томах. - М. : Физматлит, 2011 г.-С. 133-137-0,3125 п.л./0,2346 п.л.;

5. Денисов A.B. «Система приема и преобразования информации для оптико-цифровых комплексов дистанционного зондирования поверхности Земли». VII Международная конференция молодых ученых и специалистов «Оптика-2011». - г. Санкт-Петербург, 17-21 октября 2011 г. - НИУ ИТМО. Сборник трудов VII Международной конференции молодых ученых и специалистов «0птика-2011». - М.: НИУ ИТМО, 2011 г. - С. 453-457 - 0,3125 п.л.;

6. Денисов A.B. «Математические модели оптико-электронных систем дистанционного зондирования поверхности Земли». Ill научно-техническая конференция «Инновационный арсенал молодежи 2012». - г. Санкт-Петербург, 30 мая-1 июня 2012 г. - ФГУП «КБ «Арсенал» им. М.В. Фрунзе». Труды III научно-технической конференции «Инновационный арсенал молодежи 2012». -М.: ФГУП «КБ «Арсенал» им. М.В. Фрунзе», БГТУ «Военмех», 2012 г. -С. 76-77-0,125 п.л.;

7. Денисов A.B. «Разработка и исследование моделей, алгоритмов и методов анализа проектных решений для систем дистанционного зондирования поверхности Земли» VIII Международная конференция молодых ученых и специалистов «0птика-2013». - г. Санкт-Петербург, 14-18 октября 2013 г. - НИУ ИТМО. Сборник трудов VIII Международной конференции молодых ученых и специалистов «0птика-2013». - М.: НИУ ИТМО, 2013 г. - С. 184-187 - 0,25 п.л.

i о id

2014250601

Формат: 60x84 l/l6 Печать офсетная. Бумага офсетная. Гарнитура Times. Тираж: 130 экз. Заказ: 5 Отпечатано: Учреждение «Университетские телекоммуникации» 197I0I, Санкт-Петербург, Саблинская ул., д. 14 +7(812) 9151454, zakaz@tibir.ru, www.tibir.ru

2014250601