автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.14, диссертация на тему:Система идентификации космических изображений поверхности Земли для автономной навигации ИСЗ

Министерство общего и профессионального образования

Российской Федерации Рязанская государственная радиотехническая академия

На правах рукописи

КУРБАСОВ Михаил Вячеславович

СИСТЕМА ИДЕНТИФИКАЦИИ КОСМИЧЕСКИХ ИЗОБРАЖЕНИЙ ПОВЕРХНОСТИ ЗЕМЛИ ДЛЯ АВТОНОМНОЙ НАВИГАЦИИ ИСЗ

Сиепиалыюаь 05.13.14 - Системы обработки информации и управления

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Рязань 1998

Работа выполнена в Рязанской государственно» радиотехнической академии

Научный руководитель: заслуженный деятель науки и техники

Российской Федерации, доктор технических наук, профессор Злобин В.К.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Журкин И.Г.

кандидат технических наук Гусев И.А.

Ведущая организация: Центральный НИИ машиностроения

Защита состоится 10 апреля 1998 г. в 12 часов на заседании диссертационного совета ССД 063.04.01 в Рязанской государственной радиотехнической академии по адресу:

391000, г.Рязань, ул.Гагарина, д.59/1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Рязанской государственной радиотехнической академии.

Автореферат разослан " 4 " марта 1998 года

Ученый секретарь

диссертационного совета, ____~

к.т.н., доцент В.Н.Пржегорлинский

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальное!ь проблемы. В Федеральной космической программе России на период до 2005 г. в числе приоритетных направлений определены: удовлетворение потребностей народного хозяйства в области дистанционного зондирования Земли и навигационного обеспечения, повышение обороноспособности страны, решение научных задач по изучению Земли и космоса. Эффективная деятельность по указанным направлениям включает решение таких задач, как создание и обновление карт и кадастров природных ресурсов, контроль экологической обстановки, наблюдение за заданным районом земной поверхности, автоматическое наведение и посадка и др. Эти задачи требуют высококачественного навигационного обеспечения систем наблюдения земной поверхности, т.е. точного определения их местоположения на орбите и углов пространственной ориентации.

Традиционный подход к навигационному обеспечению спутников состоит в определении их траектории с помощью наземных средств. Такой подход обладает рядом недостатков: уязвимостью наземного комплекса управления и, как следствие, неустойчивостью всей системы навигационного обеспечения в конфликтных ситуациях, малой оперативностью обновления навигационной информации, неспособностью определять ориентацию си\т ников и др.

Поэтому с конца 60-х гг. ведутся активные поиски методов и средств автономного спутникового навигационного обеспечения. В числе таких средств были исследованы и введены в эксплуатацию системы астронавигации и глобальные спутниковые навигационные системы. Однако они не сняли окончательно проблему автономной навигации ИСЗ. Во-первых, системы астронавигации не позволяют определять координаты спутника только на основе распознавания звездных конфигураций и требую г использования дополнительных ориентиров для измерения угловых расстояний, по которым рассчитываются навигационные параметры ИСЗ. При этом угломерная точность с\щесш>юших систем астроориентации недостаточна для обеспечения.необходимой точности навигации. Во-вторых, глобальные спутниковые навигационные системы (ГЛОНАСС, NAVSTAR) хотя и позволяют с высокой точностью определять положение спутника в пространстве, однако не обеспечивают точной оценки углов ориентации н не обладают устойчивостью в конфликтных ситуациях. Поэтому поиск альтернативных методов автономной навигации цо-прежнему является акгуальной научно-технической проблемой,

В настоящей работе исследуется один из перспективных подходов к решению этой проблемы - автономная навигация ИСЗ по изображениям земной поверхности, существо которой состоит в следующем. Для заданного маршрута спутника предварительно создается каталог эталонных изображений, для которых с большой точностью известны навигационные параметры ИСЗ на момент съемки. В расчетное время на борту ИСЗ включается аппаратура наблюдения земной поверхности и формируется реально наблюдаемое изображение того же участка местности. Вследствие случайных отклонений спутника от заданной

траектории и изменения углов его ориенташш эталонное и реально наблюдаемое изображения будут обладать взаимными геометрическими деформациями, проявляющимися в неодинаковом положении одноименных объектов на этих изображениях. Задача автономной навигации при этом формулируется следующим образом: как по различиям местоположения одноименных объектов на паре изображений оценить изменение параметров движения и ориентации ИСЗ. Центральным вопросом здесь является автоматическая идентификация одноименных объектов на паре изображений и установление их координатного соответствия с максимально возможными точностью и надежностью. Эти вопросы составляют основное содержание диссертационной работы.

Степень разработанности проблемы. В настоящее время имеется значительный теоретический задел в области идентификации изображений и построения на этой основе систем навигации, в создание которого внесли и клад отечественные ученые: Баклицкий В.К., Белоглазов И.Н., Бочкарев A.M., Бран-динВ.К., Василенко Г.И., ЗлобинВ.К., КиричукВ.С., Красовский A.A., Курганов В.Д., Омельченко В.А., Тарасенко В.П., Ярославский Л.П. и зарубежные исследователи: Anuta P., Barnea D., Casasent D., Duda R., Goshtasby A., Hall E., Kuglin C., Lovvitz G., Mostafaví H., Nack M., Pratt W., Rosenfeld A., Silverman H., Svedlow M., Wong R.

Известно большое число работ, посвященных разработке и исследованию алгоритмов идентификации изображений. Однако не все полученные в них результаты можно напрямую использовать в задаче автономной навигации ИСЗ, поскольку предложенные в них алгоритмы не обеспечивают необходимой точности и надежности определения координат одноименных точек на спутниковых изображениях. Связано это, прежде всего, с тем, что в большинстве работ модели взаимного различия изображений далеко не соответствуют тому многообразию искажений, которое претерпевают реальные спутниковые изображения земной поверхности. Наиболее часто фотометрическое искажение изображений моделируется в виде аддитивного яркостного шума, дополненного детерминированным преобразованием амплитуд, либо полагается отсутствующим. Геометрические искажения обычно моделируются в виде плоскопараллельного смещения или афинного преобразования. Часть алгоритмов идентификации разработана применительно к задачам поиска объектов простой структуры (типа реперных меток) на сложном фоне, распознавания объекта среди ограниченного набора реализаций, отождествления точечных объектов.

Эти модели являются упрощенными по отношению к задаче автономной навигации ИСЗ по изображениям земной поверхности, что позволяет говорить о том, что вопрос применения известных алгоритмов идентификации к реальным спутниковым изображениям остается в значительной степени неисследованным.

Конкретно, в контексте рассматриваемой задачи нерешенными остаются следующие ключевые вопросы: обеспечение высокой точности и надежности идентификации изображений с учетом полного спектра фотометрических, геометрических и содержательных искажений, комплексирование информации нескольких спектральных диапазонов с учетом многозональной структуры видео-

данных, опенка точности идентификации отдельных фрагментов изображений. Кроме того, в научной литературе практически отсутствуют математические модели автономного уточнения параметров движения и ориентации ИСЗ на основе идентификации одноименных объектов на паре изображений земной поверхности.

Цель диссертации состоит в разработке системы идентификации космических изображений земной поверхности, обеспечивающей точную и падежную идентификацию одноименных объектов при решении задачи автономной навигации ИСЗ.

Задачи исследований. Поставленная цель достигается путем решения следующих основных задач:

• построения математических моделей уточнения параметров движения и ориентации ИСЗ на основе идентификации изображений земной поверхности;

• разработки системы идентификации космических изображений поверхности Земли, реализующей информационную технологию по определению координат одноименных объектов на паре спутниковых изображений;

• разработки алгоритмов улучшения эксплуатационных характеристик (точности, надежности, производительности) системы идентификашш космических изображений.

Следует отметить, что постановка вопроса о бортовой реализации разработанных алгоритмов и технологий на сегодняшний день является преждевременной. поскольку не выполнены исследования принципиальной возможности решения задачи автономной навигации по изображениям земной поверхности, не получены опенки потенциально достижимой точности и надежности данного подхода, нет экспериментального подтверждения теоретических результатов на реальной спутниковой информации. Исследование именно этих вопросов составляет основную задачу настоящей работы.

Научная новизна работы определяется, главным образом, тремя обстоятельствами. Во-первых, в связи с созданием систем наблюдения поверхности Земли с высокой разрешающей способностью и развитием компактных высокопроизводительных вычислительных систем появились технические предпосылки для глубокого научного исследования информационной технологии автономной спутниковой навигации по изображениям земной поверхности. Поэтому в диссертации разработаны математические модели и алгоритмы уточнения параметров движения и ориентации ИСЗ на основе идентификации изображений поверхности Земли и выполнена их экспериментальная апробация на реальной спутниковой информации. Во-вторых, в отличие от предшествующих работ, в которых рассматривались, в основном, некоторые модели взаимного различия изображений, в диссертации алгоритмы идентификации разрабатываются и исследуются применительно к реальной спутниковой видеоинформации с учетом фотометрических, геометрических и содержательных искажений. Точность и надежность идентификашш изображений поверхности Земли существенно улучшены по сравнению с известными подходами. В-третьих, ранее не решены такие важные вопросы идентификашш спутниковых изображений, как использование многозональной структуры видеоинформации и оценка точно-

сти идентификации отдельных фрагментов изображений. В настоящей работе предложены и исследованы соответствующие алгоритмы.

Конкретно, на защиту выносятся следующие новые научные результаты:

• математические модели уточнения параметров движения и ориентацш ИСЗ на основе идентификации изображений земной поверхности;

• алгоритмы повышения точности и надежности идентификации изображений поверхности Земли, обеспечивающие возможность применения разработанной технологии идентификации в задаче автономной навигации ИСЗ;

• алгоритмы комплексирования многозональной информации при идентификации изображений земной поверхности, обеспечивающие улучшение результатов идентификации многозональных изображений по сравнению с соответствующими однозональными;

• информационная технология высокоточного совмещения изображен™ различных спектральных каналов многозонального кадра, позволяющая эффективно выполнять комплексирование многозональной информации при автономной навигации ИСЗ;

• методика оценки точности идентификации отдельных фрагментов изображений, позволяющая применять методы оптимальной фильтрации к результатам идентификации изображений для последовательного уточнения параметров движения и ориентации ИСЗ.

Практическая ценность работы состоит в том, что она создает основу для реализации информационной технологии автономной навигации ИСЗ по наземным ориентирам. Разработанные в диссертации математические модели и алгоритмы позволяют существенно увеличить точность и надежность идентификации изображений земной поверхности, получить численные оценки характеристик системы идентификации, экспериментально исследовать точность определения параметров движения и ориентации ИСЗ.

Реализация и внедрение. Диссертационная работа является частью научных исследований, выполненных Рязанской государственной радиотехнической академией в рамках Государственных контрактов с Российским космическим агентством № 754-8491/93 от 09.06.93, № 027-5208/95 от 02.08.95 по приоритетным направлениям Федеральной космической программы.

Научно-исследовательские работы, в которых соискатель является исполнителем, поддержаны грантом Российского фонда фундаментальных исследований № 94-07-01569 и грантом Министерства общего и профессионального образования РФ на 1997-1998 гг.

Результаты диссертационной работы в виде математических моделей, алгоритмов, информационных технологий и программного обеспечения использованы и внедрены в Центральном НИИ Машиностроения, АО "Совзонд", ГП ОКБ "Спектр" при РГРТА.

Документы, подтверждающие внедрение результатов диссертации, приведены в приложении.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на 3 международных и 3 Всероссийских научных конференциях и

семинарах: Международной на\ чно-тсхнической конференции ''К.Э.Циолковский - 140 лет со дня рождения. Космонавтика. Радиоэлектроника. Геоииформагика" (Рязань. 1997): IV Российско-германском семинаре "Распознавание образов и понимание изображений"" (Валдай, 1996); Международной конференции "Методы дистанционного зондирования и ГИС-технолопш для контроля и диагностики окружающей среды"' (Москва. 1996); Всероссийских молодежных научных конференциях "ХХТТ Гагаринские чтения" и "ХХШ Гагаринские чтения" (Москва, 1996. 1997): Всероссийской научно-технической конференции "Новые информационные технологии в научных исследованиях радиоэлектроники" (Рязань, 1996).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 статей и 8 тезисов докладов на Международных и Всероссийских конференциях. Результаты исследований изложены также в 3 научно-технических отчетах, прошедших государственную регистрацию.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 разделов. заключения и приложения. Объем работы составляет 192 страницы, в том числе: основное содержание - 145 страниц, рисунки - 22 страницы, таблицы - 11 страниц, список литературы (128 наименований) - 14 страниц. Приложение содержит документы, подтверждающие внедрение полученных результатов.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первом разделе выполнен анализ характеристик современных и перспективных систем навигационного обеспечения космических аппаратов, сформулирована задача идентификации космических изображений земной поверхности и определено ее место в информационной технологии автономной навигации ИСТ проведен анализ известных методов идентификации изображений и выявлены их ограничения, определены основные направления научных исследований по созданию системы идентификации космических изображений.

Проведенный анализ характеристик современных систем навигации космических аппаратов показал, что развитие методов автономной навигации по изображениям земной поверхности является перспективным направлением решения проблемы точного и оперативного навигационного обеспечения ИСЗ.

На основе анализа научной литературы опреяелетл содержание и основные элементы информационной технологии автономной навигации ИСЗ по изображениям земной поверхности, включающие:

• создание каталога эталонных изображений участков земной поверхности, для которых с высокой степенью точности должны быть определены параметры орбиты и углы ориентации ИСЗ на момент съемки;

• получение реально наблюдаемого изображения на борту спутника в заданный момент времени; «

• идентификацию множества фрагментов на эталонном и реально наблю даемом изображениях и определение с максимально возможной точностью ко ординат одноименных точек;

• оценку параметров движения и ориентации ИСЗ на основе найденного геометрического рассогласования изображений,

В работе дана формальная постановка задачи уточнения параметров дви жения и ориентации ИСЗ по изображениям земной поверхности. Пуст /(х,у) - эталонное изображение некоторого участка земной поверхности. Бу дем считать, что /(х,у) - распределение энергетической яркости пикселов ] целочисленной системе координат (х,у), заданное в виде матрицы отсчетов Положим, что для /(х, у) точно известно значение вектора параметров движе ния и ориентации ИСЗ на момент съемки. Пусть в расчетное время на борг ИСЗ включается аппаратура наблюдения земной поверхности и в системе коор динат (т,п) формируется матрица реально наблюдаемого изображения g(щ>l) Вектор параметров движения и ориентации ИСЗ обозначим при этом + А^ Геометрическое рассогласование изображений /(х,у) и фп,п), т.е. юмененш

у

положения некоторой точки, имеющей координаты /у = [х _)•] на эталонно\ и г^ =[»1 на реально наблюдаемом изображениях, можно в общем случа* описать функцией зависящей от изменения вектора пара

метров движения и ориентации А£, :

Лг = г8~г/ = +

Зададим в плоскости изображения /{х,у) К прямоугольных фрагменте! достаточно малого размера с известными координатами центральных точеь г д. = [х/с к = 1,К. Выполним идентификацию одноименных сюжетов г

определим на изображении g{m, я) координаты одноименных точек

гнк =\тк пк]Т> к=\,К. Получим в аналитическом виде выражение дда ф(*), подставим координаты гд, г^. к- \,К, в уравнение (1) и решим его относительно искомых поправок к параметрам движения ИСЗ (конкретизация вида функции ф(») и методов решения уравнения (1) производится в разделе 2 при разработке математических моделей автономной навигации ИСЗ). Ясно, что чем точнее будут определены координаты одноименных точек гд, г^.

к-\,К, тем более точно можно оценить изменение параметров орбиты и углов ориентации спутника АЪ. Поэтому главное внимание в работе уделено достижению высоких показателей точности и надежности при идентификации космических изображений земной поверхности.

Главной особенностью задачи идентификации космических изображений является наличие на них сложных взаимных искажений, Проведенный анализ известных методов идентификации показал, что при наличии геометрических, фоюметрических и содержательных искажений эти методы не обеспечивают необходимого качества идентификации и требуют доработки в плане повышения точности и надежности. Наиболее перспективным с этой точки зрения представляется корреляционный алгоритм, на основе которого предложено построить систему идентификации космических изображений поверхности Земли с улучшенными характеристиками точности, надежности и производительности. Определены и другие направления научных исследований: предварительная унифицирующая обработки изображений, комплексирование многозональной информации, оценка точноеш идентификации отдельных фрагментов изображений.

Второй раздел посвящен разработке информационной технологии идентификации космических изображений поверхности Земли для задачи автономной навигации ИСЗ. В рамках этого раздела рассмотрены следующие вопросы:

- разработка математических моделей уточнения параметров движения и ориентации ИСЗ по изображениям земной поверхности;

- организация корреляционно-экстремальной идентификации многозональных изображений в задаче автономной навигации:

- организация предварительной унифицирующей обработки изображений;

-разработка алгоритмов комнлексирования мноючональной информации

при идентификации космических изображений поверхности Земли;

- формирование регрессионных моделей геометрическою искажения изображений.

В работе предложены три математические модели автономной спутниковой навигации, конкретизирующие представленную выражением (1) зависимость геометрического рассогласования эталонного и реально наблюдаемого изображений от изменения параметров движения и ориентации спутника Ас,.

В первой математической модели рассматривается движение спутника на малом учас [ ке траектории, в пределах которого можно пренебречь кривизной и вращением Земли и считать движение спутника прямолинейным. В работе показано, что в этом случае геометрическое искажение эталонного и реально наблюдаемого изображений описывается афинным преобразованием

т-= а$ + сц.г + С12}'. п - ¿о + Ь\Х + Ьту. (2)

коэффициенты которого связаны взаимно-однозначными зависимостями с изменением параметров движения снушика: высоты АН. скорости Дг, курса Да. координат подспутниковой точки АХ, А Г. На основе идентификации изображений определим координаты одноименных точек ),

к = \,К, подставим их в (2) и полученную систему уравнений решим относительно коэффициентов методом наименьших квадратов. По найденным коэффициентам рассчитаем поправки к параметрам движения ИСЗ.

Во второй математической модели рассматривается движение спутника по кеплеровской орбите. Здесь геометрическое рассогласование эталонного и

реально наблюдаемого изображений описывается разложением в ряд Тейлор; функции преобразования изображений в картографическую проекцию с фикси рованным началом координат, аналитическое выражение для которой известш из литературы. Оценка изменения параметров кеплеровской орбиты и утло) ориентации спутника А£.у, / = 1,7, производится на основе решения системь линейных уравнений

^к - Ъ* - г/к =2---= 0 • А4у, к = \,К, (3

где гд,к = \,К, - координаты одноименных точек эталонного и реальж наблюдаемого изображений, дФ(•)/дc,j - производные функции преобразования изображений в картографическую проекцию по элементам вектора навигационных параметров спутника.

В третьей математической модели система автономной навигации рассматривается как нелинейная динамическая система с изменяющимся вектором состояния, элементами которого являются параметры кеплеровской орбиты 1; углы ориентации спутника. Определение вектора состояния осуществляется т основе применения алгоритма Калмана для многошаговых переходов к результатам идентификации изображений земной поверхности (приводятся выражения для движения спутника по невозмущенной кеплеровской орбите):

кТ

Ъ ■ = ? ■ + Р-

'I

(4)

' ' ' \5l-J

дc,¡ \d\iJ Г

А

ал,

~ (5)

СГ,- \ СГ; )

где с, и - априорная и апостериорная оценки вектора навигационных параметров спутника, М / и Р/ - априорная и апостериорная оценки ковариационной матрицы этого вектора, А, (с,) - функция вы числе! пи географических кот

ординат точки реально наблюдаемого изображения ту = и,] по известному значению вектора навигационных параметров с,,, г/ - вектор географических координат точки эталонного изображения, которая при идентификации одноименных объектов поставлена в соответствие точке г,-, Л,- - ковариационная матрица ошибки измерения географических координат, V,- - ковариационная матрица вектора плоскопараллельного смещения одноименных точек.

Как следует из рассмотрения математических моделей автономной навигации, центральной задачей является определение координат одноименных то-

Рис. Корреляционно-экстремальная система идентификации космических изображений поверхности Земли

чек эталонного и реально наблюдаемого изображений с максимально возможными точностью и надежностью. Для решения этой задачи спроектирована система идентификации космических изображений поверхности Земли и определено функциональное назначение ее основных подсистем (см. рисунок):

1 - предварительная унифицирующая обработка изображений:

2 - вычисление взаимно-корреляционной функции фрагментов изображений и поиск ее максимума;

3 - уточнение координат одноименных точек до долей пиксела:

4 - оценка точности идентификации отдельных фрагментов изображений:

5 - комнлексирование результатов идентификации отдельных спектральных каналов многозональных изображений;

6 - отбраковка аномальных ошибок идентификации:

7 - предсказание области поиска одноименного сюжета на изображениях;

8 - формирование регрессионных моделей геометрического рассогласования эталонного и реально наблюдаемого изображений;

9 - уточнение параметров движения и ориентации ИСЗ.

В основе функционирования системы идентификации изображений лежит корреляционно-экстремальный алгоритм, заключающийся в вычислении плоскопараллельного смещения одноименных точек в виде координат максимума взаимно-корреляционной функции фрагментов изображений.

'»¿.•=•4-+а0, и/, =Я+Ро- («оЛП))^ тахР(«.(а»Р) 6 Аф > (7)

М-1 N-1 __

X X/к(х>Мх + а»;' + Р)-/к-8

где

р(а,р) =

1

1

МЛГ

л=0 г=0

(8)

(хк 'Ук ) " координаты центральной точки к-то фрагмента изображения /(х,у), (шд. ) - одноименная точка изображения g(ш>и), а f,ag и - средне-

квадратические отклонения и средние значения отсчетов яркости фрагментов изображений. Приведенный алгоритм устанавливает координатное соответствие одноименных элементов изображений с точностью до одного пиксела. В разделе 3 предложены и исследованы алгоритмы повышения точности идентификации до долей пиксела

В работе исследован вопрос о целесообразности вычисления первого начального момента фрагментов изображений, входящего в выражение (3), через быстрое преобразование Фурье. Установлено, что при небольших размерах зоны поиска одноименного сюжета £>ар вычисления быстрее выполняются в

сигнальном пространстве.

В диссертации определены и исследованы задачи, решаемые на этапе предварительной унифицирующей обработки в системе идентификации изображений: предварительная контурная обработка снимков, устранение геометрического рассогласования изображений различных спектральных каналов в составе многозонального кадра и комплексирование видеоданных многозонального изображения с целью увеличения информативности отдельных спектральных каналов.

Экспериментальное исследование нескольких алгоритмов контурной обработки изображений показало, что наилучшим с точки зрения повышения точности и надежности идентификации спутниковых изображений является алгоритм Собела. При его использовании надежность идентификации увеличивается в среднем в 2.0 раза, точность - на 15%. "Платой" за улучшение характеристик системы идентификации является увел1гчение времени обработки на 45%.

Разработана информационная технология высокоточного совмещения изображений различных спектральных каналов в составе многозонального кадра. Ядром этой технологии является система идеотификации изображений, с помощью которой определяются координаты одноименных точек на изображениях различных спектральных каналов, строится модель их геометрического рассогласования и выполняется трансформация в единую систему координат. Разработанная технология позволяет в задаче автономной навигации ИСЗ на этапе предварительной обработки изображений устранять геометрическое рассогласование различных спектральных каналов многозонального кадра с точностью до 0.2 пиксела. Также эта технология может использоваться самостоятельно, для улучшения качества многозональной информации дистанционного зондирования Земли.

В диссертационной работе предложены и исследованы алгоритмы ком-плексирования многозональной информации при идентификации спутниковых изображений: алгоритм комплексирования видеоданных и алгоритм комплек-сирования результатов идентификации. Первый из этих алгоритмов выполняется на этапе предварительной обработки изображений и заключается в линейном

декоррелирующем преобразовании Р* - ФТ- р}, где Р*, Р и Р - преобразованное, исходное и среднее значения вектора спектральной яркости отсчетов многозонального кадра, Ф - матрица собственных векторов ковариационной матрицы отсчетов яркости многозонального кадра. В результате этого преобра-

зования изображение в одном из спектральных каналов более качественно представляет информацию о подстилающей поверхности и в дальнейшем используется для идентификации. Второй алгоритм заключается в вычислении плосконараллельного смешения одноименных точек многозонального изобра-

/ ,

жеиия как взвешенной суммы Л г ~ ^ и', Лг,- / , где - число снектраль-

1=1 / /=1

ных каналов многозонального изображения, и-,- = \(1еГУ;\ ' / = - веса измерений, Лг; = [от, -.г, п, - г, Y - вектор плоскопаратлелыюго смещения одноименных точек, вычисленный в /-м спектральном канале. Экспериментальное исследование разработанных алгоритмов подтвердило их эффективность: точность идентификации многозональных изображений увеличена па 13% по сравнению с соответствующими однозоналыгыми.

В диссертации рассмотрены особенности формирования регрессионных моделей взаимного геометрического искажения спутниковых изображений. Показано, что для ряда задач это искажение описывается обобщенной линейной регрессионной моделью У — HZ + U, где У - К * 2- матрица координат точек реально наблюдаемого изображения к- К. II - К х Р- матрица, со-

держащая значения базисных функций ф^ (.т, >'),./ = 1, Р. в точках (х^у^).

к -], К . Z - Я х 2 -матрица параметров регрессии, V - матрица невязок координат. В качестве башеных функций (х, _у),у = 1, Р при решении различных

задач используются полиномиальные функции, множество 5-сплайнов. производные функции преобразования изображений в картографическую проекцию по вектору параметров движения и ориентации ИСЗ. Парамефы модели оцениваются взвешенным методом наименьших квадратов, для которого предложен алгоритм формирования весов измерений, основанный на опенке точности идентификации отдельных фрагмешов изображений (см. раздел 3) и позволяющий вдвое сократить объем вычислений при оценке параметров регрессии.

В третьем разделе рассматриваются вопросы повышения точности, надежности и производительности системы идентификации космических изображений, а также вопрос оценки точности идентификации отдельных фрагментов изображений.

Алгоритмы увеличения точности идентификации до долей пиксела основаны на аппроксимации взаимно-корреляционной функции изображений непрерывными функциями, имеющими куполообразную форму максимума. В качестве таких функций в работе исследованы одномерные и двумерные квадратичные полиномы, гауссоиды и обратная полиномиальная функция. Выражения, устанавливающие соответствие одноименных точек до долей пиксела, примет вид /и д. = х^ +ао + 5а , п^ = д. +Рд +8р, где (5а - координаты

экстремума аппроксимирующей функции, остальные обозначения совпадают с (7), (8). Экспериментальное исследование разработанных алгоритмов на реальной спутниковой видеоинформации показало, что они обеспечивают идентифи-

кацию изображений с СКО ошибки не более 0.2 пиксела против 0.3-0.4 пиксела для классического корреляционного алгоритма.

В работе предложены некоторые приближенные оценки точности идентификации отдельных фрагментов изображений, не требующие наличия априорной информации о статистических характеристиках изображений и помех и основанные на применении --преобразования Фишера к отсчетам взаимно-корреляционной функции изображений. Разработанные алгоритмы позволяют вычислять, в частности, ковариационную матрицу вектора плоскопараллельного смещения одноимешшх точек и используются при оптимальной фильтрации параметров движения и ориентации ИСЗ по результатам идентификации изображений и в ряде других задач.

В диссертации разработаны алгоритмы повышения надежности идентификации, основанные на распознавании и отбраковке аномальных ошибок с помощью группы признаков, сформированных в результате экспериментального изучения множества спутниковых изображений. Эти признаки характеризуют информативность фрагментов снимков, степень их сходства, взаимно-корреляционную функцию изображений и т.п. Отбраковка аномальных ошибок производится с помощью оптимальной разделяющей границы для правильных и ложных результатов идентификации, построенной в пространстве признаков на основе минимаксного критерия. Рассмотрен и другой подход к отбраковке аномальных ошибок идентификации, основанный на проверке статистической гипотезы о совпадении результатов идентификации нескольких фрагментов изображений. В результате экспериментального исследования предложенных алгоритмов отбраковки установлены их характеристики: относительная частота пропусков аномальных ошибок - не более 0.01, относительная доля отбрасываемых правильных результатов - 0.2... 0.5, вероятность получения правильного результата идентификации - не менее 0.95.

Для повышения производительности системы идентификации космических изображений в работе использованы два подхода: предсказание области поиска одноименного сюжета на основе построения промежуточной модели геометрического рассогласования изображений и применение рекурсивных алгоритмов для вычисления статистических характеристик фрагментов изображений. Приводятся результаты экспериментальной оценки эффективности предложенных алгоритмов.

Четвертый раздел Посвящен экспериментальному исследованию системы идентификации космических изображений в задаче автономной навигации ИСЗ.

Приводится описание программной реализации системы идентнфикацш космических изображений поверхности Земли и методика оценки основных характеристик системы: точности и надежности идентификации. Показателям! точности выступают среднеквадратические отклонения ошибок определен!« координат по координатным осям и большая полуось эллипса правдоподобш вектора плоскопараллельного смещения одноименных точек. Показателем надежности является относительная доля аномальных ошибок на выходе алгоритма идентификации. Установлено, что предложенные в работе алгоритмь

повышения точное!и и надежности идентификации удовлетворяют заданным требованиям качества.

Экспериментальное исследование точности определения параметров движения и ориентации ИСЗ проводилось с использованием реальных орбитальных данных ИСЗ серии "Ресурс-01" и многозональных изображений земной поверхности, сформированных датчиками МСУ-Э и МСУ-СК на борту этих спутников. Выполнено несколько серий экспериментов в рамках трех математических моделей автономной навигации (см. главу 2).

Первая группа результатов идентификации относится к математическим моделям автономной навигации, в которых на основе идентификации одноименных сюжетов строится регрессионная модель геометрического искажения изображений и по ней определяются навигационные параметры ИСЗ. В частности, получены следующие оценки СКО ошибки определения:

• параметров движения спутника: высоты - 450 м, скорости —1.12 м/с, координат подспутниковой точки - 5 м, угла изменения курса - 1.5';

• параметров кеплеровской орбиты: большой полуоси - 140 м, эксцентриситета - 2.3 -10~5, долготы восходящего узла - 5", наклонения орбиты - 5", аргумента широты перицентра - 10'. времени прохождения перицентра - 2.7 с;

• углов ориентации: крепа - 30". 1ангажа - 23". рысканья -31".

Вюрая группа ретулыаюв относшся к третьей математической модели

авт ономной навигации, в ко юрой к результатам идентификации серии изображений. сформированных на протяжении одного витка спутника, применялись алгоритмы оптимальной фильтрации для последовательного уточнения параметров дв1гження и ориентации ИСЗ. Здесь для орбиты со значением эксцентриситета е = 0Л получены следующие оценки погрешности измерения пара-

м-ров орбиты: большой полуоси - 2 м. эксцентриситета - 1.0-10-6, аргумента шпроты перицентра - 0.9", наклонения орбиты - 0.2', долготы восходяшего узла- 0.6'. времени прохождения перицентра - 13 мс. Задача уточнения параметров орбиты решена успешно, невязки уменьшились в среднем в 20...500 раз, погрешность определения пространственного положения спутника составила 49 м. Вместе с тем точное определение параметров почти круговой орбиты

—Д

(е ~ 10 ) оказалось затруднительным вследствие плохой обусловленности вычислений. вызванной сильной взаимной коррелированностыо отдельных параметров движения спутника. Вопросы достоверного определения параметров движения и ориентации ИСЗ на почти круговых орбитах, а также построение динамических моделей ориентации и оценка возможности решения навигационной задачи в реальном масштабе времени бортовыми средствами ИСЗ могут составить предмет самостоятельного научного исследования по совершенствованию информационной технологии автономной спутниковой навигации по изображениям земной поверхности.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Разработаны математические модели уточнения параметров движения и ориентации ИСЗ на основе идентификации одноименных объектов на эталонном и реально наблюдаемом изображениях поверхности Земли. Оценка навигационных параметров спутника производится на основе регрессионной модели геометрического искажения эталонного и реально наблюдаемого изображений, либо на основе применения методов оптимальной фильтрации к результатам идентификации изображений для последовательного уточнения состояния динамической системы автономной навигации ИСЗ.

Для решения центральной задачи - определения координат одноименных точек на паре спутниковых изображений - разработана корреляционно-экстремальная система идентификации космических изображений поверхности Земли.

2. Определены и исследованы задачи предварительной обработки изображений в системе идентификации, вытекающие из специфики рассматриваемого вопроса. Показано, что применение контурной обработки изображений увеличивает надежность идентификации примерно в 2 раза, точность - на 15%. Разработана информационная технология высокоточного совмещения изображений различных спектральных каналов многозонального кадра, обеспечивающая совмещение зональных изображений с точностью не менее 0.2 пиксела.

3. Разработаны алгоритмы увеличения точности идентификации изображений земной поверхности до долей пиксела. Среднеквадратическая ошибке идентификации с использованием разработанных алгоритмов составляет 0.1-0.2 пиксела против 0.3-0.4 пиксела для классического корреляционного алгоритма.

4. Разработана система критериев и процедур многоуровневой отбраковки аномальных ошибок идентификации изображений, обеспечивающая получение достоверного результата идентификации с вероятностью не ниже 0.95.

5. Предложены и экспериментально исследованы алгоритмы комплекси-рования многозональной информации, которые позволили повысить точности идентификации многозональных изображений на 13% по сравненню с соответствующими однозональными изображениями.

6. Рассмотрены алгоритмы формирования обобщенной линейной регрессионной модели геометрического искажения изображений в задаче автономно? навигации ИСЗ. Предложен усовершенствованный алгоритм взвешенного оценивания параметров регрессии.

7. Предложена методика оценки точности идентификации отдельны> фрагментов изображений, не требующая наличия априорной информации с статистических характеристиках изображений и помех. Алгоритмы оценки использованы при оптимальной фильтрации параметров движения и ориентации ИСЗ и в ряде других задач.

8. Проведено экспериментальное исследование точности оценки параметров движения и ориентации ИСЗ с помощью разработанной информационно! технологии автономной навигации спутников по наземным ориентирам. Полу

чсны следующие оценки погрешности измерений: пространственного положения спутника - 50 м. углов ориентации - 30".

9. Разработано программное обеспечение системы идентификации космических изображений земной поверхности, выполнено его экспериментальное исследование и оценены эксплуатационные характеристики. Результаты диссертационной работы в виде математических моделей, алгоритмов и программного обеспечения использованы и внедрены в Центральном НИИ Машиностроения, АО "Совзонд". ГП ОКБ "Спектр" при РГРТА.

Основные m бликлщш но теме диссертации

1. Костров Б.В., Курбасов М.В. Экспериментальные исследования некоторых

методов контрастировать изображений // Проектирование ЭВМ: Меж-вуз. сб. науч. тр. / Рязан. гос. радиотехн. акад. Рязань, 1994. С.47-51.

2. Математические модели определения положения и ориентации ИСЗ по на-

земным ориентирам: Отчет о НИР / РГРТЛ: Руководитель В.К.Злобин: 1'ема № 39-94Г: Л1» IT 01940008471: Инв. № 02940004687. Рязань. 1994. 48 с. Соиснолн.: Еремеев В.В.. Кузнецов А.Е., Курбасов М В.

3. Злобин В.К.. Еремеев В.В.. Курбасов М.В. Восс1ановление параметров вза-

имной геометрической трансформации двух изображений па основе идентификации одноименных сюжетов / Рязан. гос. радиотехн. акад. Рязань, 1995. 7 с. Деп. в ВИМИ 10.11.95 № ДО-8622.

4. Система межотраслевой обработки космических изображений поверхности

Земли. Подсистема автономной навигации ИСЗ по наземным ориентирам: Отчет о МИР / РГРТА; Руководитель В.К.Злобин; Тема № 39-94Г; № ГР 01940008471: Инв.№ 02960000155. Рязань. 1995. 60 с. Соисполн.: Еремеев В.В., Кузнецов А.Е., Курбасов М.В.

5. Злобин В.К.. Еремеев В.В., Курбасов М.В. Уточнение параметров движения

ИСЗ по наземным ориентирам //Электросвязь. 1996. №4. С.8-10.

6. Zlobin V.K., Eremeyev V.V., Kurbasov M.V. Automatic image identification in

the tasks of remote sensing of the Earth И Extended Abstracts of the 4-th Open Russian-German Workshop "Pattern Recognition and Image Understanding". V aid ay. March 3-9, 1996. P. 157-159.

7. Курбасов М.В. Автономная навигация космических аппаратов по наземным

ориентирам // "XXII Гагаринские чтения": Тез. докл. молодежной науч. конф., 2-6 апреля 1996 г. /МГАТУ. М.,1996. 4.7. С.18-19.

8. Злобин В.К., Еремеев В.В., Курбасов М.В. Информационная технология ко-

ординатно-временной привязки данных дистанционного исследования Земли // Всероссийская науч.-техн. конф. студентов, молодых ученых и специалистов "Новые информационные технологии в научных исследованиях радиоэлектроники": Тез. докл. / Рязан. гос. радиотехн. акад.; Рязань, 1996. С.25.

9. Злобин В.К., Курбасов М.В. Высокоточная идентификация одноименных

сюжетов на изображениях поверхности Земли // Вычислительные машины, комплексы и сети: Межвуз. сб. науч. тр. / Рязан. гос. радиотехн. акад. Рязань, 1996. С.25-30.

10. Курбасов М.В. Автоматическая идентификация изображений при формиро-

вании геоинформационных ресурсов по данным дистанционного зондирования Земли // 3-я международная конф. "Методы дистанционного зондирования и ГИС-технологии для контроля и диагностики окружающей среды", Москва, 20-23 ноября 1996 г.: Тез. докл. / М., 1996.

11. Методы и алгоритмы уточнения параметров движения ИСЗ по изображени-

ям земной поверхности: Отчет о НИР / РГРТА; Руководитель В.К.Злобин: Тема № 13-96; № ГР 01960013156; Инв.№ 02960008214. Рязань, 1996 53 с. Соисполн.: Еремеев В.В., Кузнецов А.Е., Курбасов М.В. и др.

12. Курбасов М.В. О геометрическом рассогласовагаш изображений различны>

спектральных каналов / Рязан. гос. радиотехн. акад. Рязань, 1997. 10 е.: ил Библиогр.: 3 назв. Рус. Деп. в ВИМИ 01.03.97 № ДО-8692.

13. Курбасов М.В. Исследование влияния параметров движения ИСЗ на геомет-

рию формируемых изображений // "XXIII Гагаринские чтения": Тез. докл молодежной науч. конф., 8-12 апреля 1997г. / МГАТУ. М., 1997. Ч.З. С.34.

14. Горшков Ю.А., Курбасов М.В. Программный комплекс предварительно!

обработки изображений // Там же. 4.5. С.67.

15. Злобин В.К., Еремеев В.В., Курбасов М.В. Автономное уточнение парамет-

ров движения и ориентации ИСЗ на основе идентификации изображенга земной поверхности // Международная науч.-техн. конф "К.Э.Циолковский - 140 лет со дня рождения. Космонавтика. Радиоэлек троника. Геоинформатика": Тез. докл. / Рязан. гос. радиотехн. акад. Ря зань, 1997. С.47-49.

16. Еремеев В.В., Курбасов М.В. Высокоточное совмещение изображений раз

личных спектральных каналов датчика МСУ-Э в составе многозональной кадра // Там же. С. 159-160.

17. Курбасов М.В. Оценки точности совмещения изображений на основе коэф

фициента корреляции // Вестник РГРТА, вып.2. Рязань, 1997. С.23-28.

18. Еремеев В.В., Курбасов М.В., Федоткин Д.И. Экспериментальное исследо

вание методов автоматического совмещения космических изображений I электронной картой местности // ЭВМ и информационные технологии Межвуз. сб. науч. тр. / Рязан. гос. радиотехн. акад. Рязань, 1997. С.26-33.

19. Еремеев В.В., Курбасов М.В. Отбраковка аномальных ошибок вдентифика

ции космических изображений поверхности Земли // Там же. С.42-49.

20. Злобин В.К., Курбасов М.В. Информационная технология улучшения каче

ства многозональных изображений поверхности Земли // Геодезия и кар тография. 1997. №7. С.29-34.