автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.18, диссертация на тему:Виртуальный полигон для исследования систем дистанционного зондирования в реальных условиях эксплуатации

Денисов Андрей Васильевич

ВИРТУАЛЬНЫЙ ПОЛИГОН ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ СИСТЕМ ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ В РЕАЛЬНЫХ УСЛОВИЯХ ЭКСПЛУАТАЦИИ

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

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

17 яне 2013

Санкт-Петербург 2012

005048428

Работа выполнена на кафедре оптико-цифровых систем и технологий при Санкт-Петербургском национальном исследовательском университете информационных технологий, механики и оптики.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Демин А.В.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Коробейников А.Г.

доктор технических наук, профессор Нечаев Ю.И.

Ведущее предприятие: ФГУП «КБ «Арсенал» имени М.В. Фрунзе»,

г. Санкт-Петербург

Защита диссертации состоится «24» января 2013 г. в 17 ч. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д.212.227.06 в Санкт-Петербургском национальном исследовательском университете информационных технологий, механики и оптики по адресу: 197101, г. Санкт-Петербург, Кронверкский пр., Д. 49.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики.

Автореферат разослан «20» декабря 2012 г.

Учёный секретарь диссертационного совета, кандидат физико-математических наук,

доцент

Лобанов И.С.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Современный этап развития космических средств мониторинга поверхности Земли характеризуется продолжающимся ростом числа и многообразия космических аппаратов, выводимых на низкие околокруговые, полярные, геостационарные и -эллиптические орбиты. Свыше 15 стран располагают собственными космическими аппаратами с системами дистанционного зондирования поверхности Земли, а общее число одновременно функционирующих спутников достигает нескольких десятков.

Основные направления и практические задачи, стоящие перед оптико-цифровыми системами дистанционного зондирования поверхности Земли, являются:

1. Мониторинг состояния окружающей среды;

2. Обеспечение производства и воспроизводства;

3. Обеспечение требуемой эффективности и качества военной и гражданской техники;

4. Обеспечение безопасности во всех сферах деятельности.

Использование дистанционного зондирования поверхности Земли в

оптическом диапазоне длин волн позволяет получать информацию как о географических и геофизических ее 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 съемки в панхроматическом и мультиспектральном режимах.

Создание высокоточных и надежных космических оптико-цифровых систем является многоэтапным и многофакторным процессом. Следует отметить, что научно-технические проблемы, возникающие при этом, требуют необходимости проведения большого объема теоретических и экспериментальных исследований, проектирования, производства и испытаний, максимально обеспечивающих формирование космических комплексов, отвечающих реальным условиям их эксплуатации, что приводит к значительным срокам разработки. Основная трудность при проектировании сложных систем заключается в том, что теоретически они являются симбиозом ряда областей наук, таких как физика, специальные разделы математики, теория систем, теория информации, физическая и прикладная оптика, теория управления, теория измерений и т.д. Возрастание объема и детализации информации при дистанционном зондировании поверхности Земли приводят к неоправданному росту стоимости создания и эксплуатации средств получения спутниковой информации, а при летно-конструкторских испытаниях параметры всей системы проверить не реально. Выход из создавшейся ситуации лежит в применении совокупности методов и средств математического моделирования на компьютере при проведении всех видов сопутствующих работ, позволяющие обеспечить принятие оптимального схемотехнического решения с последующей его реализацией. Для интерпретации его результатов привлекаются виртуальные технологии, обеспечивающие «погружение» исследователя в моделируемое явление. В свою

3

очередь, это стимулирует развитие нового класса (без проведения «летно-конструкторских испытаний») вычислительного компьютерного эксперимента -виртуального полигона, основанного на методологии математического моделирования.

Предметом исследования является технология создания виртуального полигона применительно к задачам для исследования оптико-цифровых систем дистанционного зондирования поверхности Земли.

Целью работы является создание виртуального полигона для оценки функционально-параметрических показателей оптико-цифровых систем дистанционного зондирования поверхности Земли, как на этапе проектирования, так и на этапе испытаний.

Задачи исследования. Достижение поставленной цели подразумевает решение следующих задач:

• Анализ принципов построения виртуального полигона для математического моделирования систем дистанционного зондирования поверхности Земли в реальных условиях эксплуатации.

• Разработка архитектуры виртуального полигона.

• Анализ, выбор и реализация методов математического моделирования применительно к системам дистанционного зондирования поверхности Земли.

• Формирование динамических сцен на виртуальном полигоне.

• Демонстрация работоспособности виртуального полигона на примере моделирования съемки поверхности Земли для проверки правильности функционально-параметрических показателей состояния системы. Методы исследования включают в себя разделы математического

моделирования, математической физики, оптики, теории систем, теории информации, теории управления, теории измерений, методы теории вероятности, математической статистики, анализа алгоритмов и программ, обработки изображений, а также научной визуализации.

Научную новизну результатов работы определяют:

• Алгоритм оценки текущих функционально-параметрических показателей систем дистанционного зондирования поверхности Земли на виртуальном полигоне в реальном масштабе времени на этапе испытании.

• Алгоритм прогнозирования функционально-параметрических показателей систем дистанционного зондирования поверхности Земли на виртуальном полигоне на этапе проектирования.

Практические результаты работы составляют:

• Комплект эксплуатационной документации на программное обеспечение виртуального полигона.

• Виртуальный полигон, функционирующий на программно-аппаратном комплексе ЗАО «НПФ «ИнфоСистем-35» реализованный в КИС ОАО «ЛОМО».

Па защиту выносятся следующие положения:

• Алгоритмы оценки функционально-параметрических показателе»'! оптико-

цифровых систем дистанционного зондирования поверхности Земли как на

этапе создания гак и на этапе испытании.

• Результаты моделирования системы дистанционного зондирования

поверхности Земли на виртуальном полигоне.

Достоверность научных ре»ультатов н выводов определяется корректностью использования математического аппарата, и подтверждается результатами компьютерного моделирования.

Внедрение результатов работы. Результат райогы были использованы компаниями ООО «ЛОМО МЕТЕО», ООО «АвтоВизус», а также внедрены в учебный процесс на кафедрах ОЦСиТ и ИПМ НИУ ИТМО.

Апробация работы. Изложенные в диссертации результаты обсуждались на 7 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&lT'll, г. Геленджик-Дивноморское, 2011 г.;

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

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

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

Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ (из них 2- в изданиях из перечня ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, рекомендованных ВАК РФ).

Личный вклад автора. В ходы выполнения диссертационной работы автором лично был выполнен аналитический обзор в проблемной области диссертационной работы, по известным математическим моделям спроектированы объекты-модели дистанционного зондирования поверхности Земли, описаны принципы формирования виртуального полигона. Проведены серии компьютерных экспериментов и интерпретация их результатов.

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

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 проведен аналитический обзор существующих методов математического моделирования. Определён наиболее удобный метод математического моделирования - имитационное моделирование.

Объектом-моделью является оптико-цифровая система дистанционного зондирования поверхности Земли (ОЦСдзз) закрепленная на борту космического аппарата. Основной задачей математического моделирования ОЦСди является оценка текущих и прогнозируемых функционально-параметрических показателей состояния и функционирования технических характеристик. Исследования в такой постановке («на Земле») может быть выполнено только на основе виртуально-компьютерного эксперимента.

Виртуальный полигон - это вычислительная экспериментальная площадка по разработке и формированию динамических сцен для исследования объекта-модели ОЦСдзз. Эффект наблюдения объекта может быть усилен за счет применения интерактивных технологий, отображающих реакцию моделируемого объекта на разнообразные воздействия и факторы. Он развивается в тесной связке с вычислительными технологиями имитационного моделирования и служит основой для создания современных систем принятия решений в области построения имитаций и математических вычислений сложных систем.

Структура виртуального полигона применительно к системам ДЗЗ представляется в следующем виде

{ВПдзз} = [(М17]и{К,;Д0}]п{{Бдс}и{Г100}).

где,

ВПдзз - виртуальный полигон для систем ДЗЗ;

Му - множество моделей подсистем ДЗЗ;

К/, - множество вариаций изменения ситуаций;

фактор времени на решения возможных ситуаций;

БдС - банк возможных ситуаций на динамической сцене;

ПО/,- множество программного обеспечения инструментария на виртуальном полигоне.

Структурная схема виртуального полигона представлена на рисунке 1.

Рисунок 1 - Структурная схема виртуального полигона

Процесс проектирования и разработки виртуального полигона требует совокупности учета особенностей методов математического моделирования в конкретной предметной области. Сущность методологии математического моделирования состоит в замене исходного объекта его «образом» -математической объект-моделыо. Такой подход сочетает в себе достоинства как теории, так и эксперимента, поскольку предоставляет возможность относительно быстро и без существенных финансовых затрат исследовать свойства и поведение сложной системы в любых теоретически реализуемых ситуаций вычислительной техникой. Виртуальный полигон с построенными на нем моделями объектов позволяют изучить, предсказать и скорректировать его свойства.

Свойства объекта-модели функционально подобны свойствам объекта-оригинала рассматриваемой системы, но в деталях могут отличаться. В этой связи, объект-модель всегда ограничена и лишь соответствует целям моделирования, отражая ровно столько свойств объекта-оригинала и в такой полноте, сколько необходимо для конкретного исследования и принятия решения.

Имитационное моделирование способом просмотра активностей блоков, является наиболее «прозрачным» и удобным из рассмотренных в работе методов для решения поставленных задач. Его преимущество заключается в том, что представление объекта-модели ОЦСд» (с действующими на него возмущениями и силами) 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.

Блок-схема имитационного моделирования объекта-модели ОЦСдп способом просмотра активностей блоков методом квазипараллельного моделирования объектов-моделей подсистем представлена на рисунке 2.

Начало имитации обусловлено установкой значений начальных состояний имитационного моделирования блоков. Проверка выполнимости условия инициализации активностей производится тремя способами:

• Путем определения параметров имитируемых блоков;

• Путем вычисления момента активизации блоков;

• Путем проверки значений переменных модели.

В первом цикле управления последовательно передается на проверку выполнимости условий активизации инициализируемых блоков.

Во втором цикле с параметром, равным числу инициализируемых блоков управлении последовательно передается на выполнение алгоритмов.

Перед началом имитации соответствующая подпрограмма устанавливает значения начальных состояний компонентов модели и параметров, определяющих условия инициализации алгоритмов. После корректировки времени моделирования осуществляется проверка списка на предмет окончания времени имитации.

Следует отметить, что для компьютерной реализации объекта-модели ОЦСдзз необходим специальный аппарат моделирования, которым является -виртуальный полигон.

г

Имитатор

атмосферы |_5£.

Алг 1

Имитатор атмосферных возмущений

К

Алг 2

Имитатор съемки

Алг 3

Имитатор СППИ

Алг 4

Ал г 5

Имитатор ПОС

М(,

л/6

мг3

ми

Мь

Управляющая программа моделирования ОЦСдзз на виртуальном полигоне для выбранных из базы данных ситуаций

I | I | I |

ПО

атмосферы и атмосферных возмущений

ПО съемки

шшшь.

ПО СППИ

ПО

ПОС

Рисунок 2 - Блок-схема имитационного моделирования ОЦСдзз на виртуальном полигоне где,

СППИ - объект-модель системы приема и преобразования информации; ПОС - объект-модель приемной оптической системы; М/ - модельное время имитируемой подсистемы объекта-модели ОЦСдзз; Алг - алгоритм имитации объекта-модели ОЦСдзз; ПО - программное обеспечение имитационного моделирования с известными значениями начальных состояний их компонентов.

Вторая глава посвящена подробному рассмотрению известных математических моделей систем дистанционного зондирования поверхности Земли и развитию метода математического имитационного моделирования.

Как отмечалось выше моделирование непосредственно алгоритмами функционирования блоков или моделирование способом просмотра активностей позволяет реализовать квазипараллельное моделирование, что позволяет выполнять имитационное моделирование объекта-модели ОЦСдез, являющихся функционально сложной системой, как по структуре, так и по физическим законам, на основе которых она функционирует. Тем самым данный способ позволяет реализовать моделирование систем, функциональные свойства подсистем которых различны, причем для выполнения действий каждой из них требуется выполнение своих условий. Эти условия конкретны, известны заранее и могут быть представлены алгоритмически.

В объекте-модели ОЦСдез последовательно выполняются следующие основные функциональные действия (или режимы функционирования), которые и являются объектом имитации:

• Установление параметров съемки;

• Установление приемной оптической системой оптического контакта с поверхностью Земли;

• Обработка оптического сигнала СППИ;

• Определение управляющих параметров;

• Управление линией визирования;

• Тестирование и контроль функционального состояния ОЦСдо.

Так как ДЗЗ представляет из себя процесс анализа энергии, отраженной или излученной поверхностью Земли, то получаемые с ОЦСдзз снимки можно рассматривать как результат работы набора передаточных функций объектов-моделей атмосферы, атмосферных возмущений, СППИ и ПОС. Математическая модель ОЦСдез представима в следующем символьном виде

^ОЦСдзз {ВАтмосферы. ^Атм.возмп{ени(1^ С Съемки: Осппи; Опое}-

На рисунке 3 представлена обобщенная схема приема и обработки информация о поверхности Земли в оптическом диапазоне спектра излучения системы приема и преобразования информации объекта-оригинала ОЦСдзз. Облучённость входного зрачка как энергетический образ поверхности формируется за счет собственного излучения (как отраженным, так и рассеянным излучением) от внешних источников (Солнца, Луны). В СППИ происходит фильтрация излучения с целью выделения информативного участка поверхности Земли. В этой связи важнейшим из характеристик работы ОЦСдез является его линейное разрешение на местности для случая геометрического образа поверхности Земли.

Космический аппарат

Фоны, Источник

помехи излучения

Рисунок 3 - Схема работы оптико-цифровой системы ДЗЗ

При расчете линейного разрешения на местности на первом этапе определяется разрешающая способность системы в фокальной плоскости. Вычисляется зенитный угол на космическом аппарате из точки наблюдения

íRo + Нкл \

<Г = arcsin [ R ■ sin (в)),

где,

в - угол визирования;

R3 = 6371 км - средний радиус Земли;

Нка ~ высота космического аппарата над поверхностью Земли.

Рассчитывается наклонная дальность съемки:

п -R

D"~R3' sin (б) •

Затем в соответствии с определением оцениваемого показателя, линейное разрешение на местности вычисляется с использованием следующего выражения

ALМ = 7 > -77Т'

2 -V* ■ f ■ cos (()

где,

/- фокусное расстояние ПОС;

V - значение разрешаемой частоты.

Результат моделирования оценки линейного разрешения на местности для изображения, выполненного в панхроматическом режиме съемки (рисунок 4) представлен на рисунке 5. В таблице 1 указанны точечные результаты оценки линейного разрешения для размера пикселя 9 мкм.

Рисунок 4 - Снгшок, выполненный в панхроматическом режиме съемки для оценки линейного разрешения на

местности

Рисунок 5 — График оценки линейного разрешения на местности для размера пикселя 9 мкм

Таблица 1

Точка на графике Разность кодов яркости Значение линейного разрешения на местности (лип/мм)

1 15,86 21,11

2 15,48 22,48

3 15,03 23,62

4 14,65 24,99

5 14,27 26,13

6 13,63 27,72

7 13,25 29,54

8 12,61 32,05

9 12,04 34,10

10 11,40 37,06

И 10,70 40,70

12 10,13 44,35

13 9,24 49,58

14 8,54 55,51

15 7,52 63,70

16 6,69 74,41

17 5,61 88,99

18 4,59 110,85

19 3,44 148,20

20 2,42 222,45

Математические модели для систем дистанционного зондирован* поверхности Земли достаточно подробно приведены и рассмотрены автором диссертационной работе. Некоторые из них представлены ниже.

<?) = 6я<Л. 0 = о°) + |в = 45°) - ЬЯ(Х, е = о')] • - модель спектр; льной яркости воздушной дымки для высот Солнца (А,) 10°, 30° и 70° и утло визирования (в) 0° и 45°.

еФП - (1 ~4£У' (1 ~ *е • У2 + • тпос • гсф • ШК) ■ Р • т^ +

7Г • 0)) — модель спектральной освещенности, создаваемая подстилающе

поверхность и воздушной дымкой в фокальной плоскости ПОС. где,

Атос - диаметр объектива в ПОС;

/— фокусное расстояние;

е - коэффициент центрального экранирования;

<5е — коэффициент виньетирования на краю поля зрения;

г - координата рассматриваемого изображения в фокальной плоскости;

^пос — спектральный коэффициент светопропускания ПОС;

тсф - спектральный коэффициент пропускания светофильтра;

14

р - альбедо подстилающей поверхности.

Потенциал возмущающихся сил от Луны на движение космического аппарата выражается в следующем виде

.. _ ДЛуны X ' ^Луны + У ' ^Луны + % ' ^Луны

"Луны - з Клуны ~3 -

'КА 'Луны

где,

Циу„,л - коэффициент притяжения Луны;

г к- расстояние КЛ до центра Луны;

глуны - расстояние от центра Земли до центра Луны;

Хпуны, У луны, 2ду„ы — координаты центра Луны во вращающейся вместе с Земле системе координат.

Потенциал возмущающих сил от Солнца на движение КА выражается в следующем виде

г» _ Солнца _ ^ ' ^Солнца ^ У * ^Солнца % ' ^Солнца

"Солнца — з ^Солнца 3 .

'КА ГСолнца

где,

МСолнца коэффициент притяжения Солнца;

г ¡а — расстояние КА до центра Солнца;

гСотца - расстояние от центра Земли до центра Солнца;

Хсотца, Усата, ?со.тЩ - координаты центра Солнца во вращающейся вместе с Земле системе координат.

Результат моделирования при воздействии на объект-модель ОЦСдзз возмущающих сил от Луны и Солнца продемонстрирован на рисунке 11 (г).

Модель атмосферы, примененная на виртуальном полигоне представлена в следующем виде (данная модель является общеизвестной)

где,

Ри — Ро 1 ехР [«1 — а2(Н — а3)г| — плотность ночной атмосферы;

К1 - коэффициент, учитывающий суточный эффект в распределении плотности;

К2 - поправка на полугодовой эффект;

К3 - коэффициент, учитывающий изменения плотности, связанные с отклонением среднесуточного значения индекса солнечной активности от среднего уровня за рассматриваемый период (квартал, год);

К4 - коэффициент, учитывающий корреляцию между плотностью атмосферы и геомагнитной возмущенностью.

Для прохождения оптического излучения сквозь атмосферу в результате наличия турбулентности происходит размытие изображения (как представлено на рисунке 11). При временах экспозиции, характерных для съемки из космоса, математическая модель турбулентности атмосферы представляется формулой Фризера

т , х / , 2 02Т • Г\У1 + Уу)\ т„„(ух, УУ) = ехр 1-2 - я2-—2-).

\ ОЦСдзз 1

15

где,

/-фокусное расстояние ПОС;

Ьоцсдзз - высота съемки;

От — параметр турбулентности атмосферы, значение которого изменяется от 0,017 при хороших условиях наблюдения до 0,1 при плохих.

Для определения скорости движения изображения (СДИ) в фокальной плоскости используется модель на основе фотограмметрического подхода.

Модель СДИ в продольном и поперечном направлениях представляются следующими выражениями

= Мн ■ Лу;

!х = fx'Мн- Лх.

где,

= -^-относительная декомпенсация СДИ в продольном направлении;

— —- относительная декомпенсация СДИ в поперечном направлении;

Ц)

Aj, - период дискретизации изображения в продольном направлении;

\х - период дискретизации изображения в продольном направлении;

Vy - составляющая СДИ в продольном направлении;

Vx - составляющая СДИ в поперечном направлении;

V0 - программная скорость перемещения зарядовых пакетов.

В третьей главе представлено программное обеспечение виртуального полигона примененного в программно-аппаратном комплексе ЗАО «НПФ «ИнфоСистем-35».

В целом виртуальный полигон представляет собой совокупность программного обеспечения (расчет параметров функционирования объекта-модели ОЦСдаз; рассмотрение возможных ситуаций; действующие возмущения и помехи) сформулированного на языке программирования С++ Borland.

Процесс моделирования на виртуальном полигоне, обеспечивает:

• формирование динамической сцены;

• настройку параметров имитационного моделирования;

• сценарий моделирования;

• визуализацию полученных данных в виде изображения, числовых данных, графиков и диаграмм.

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

Ядро программного обеспечения включает в себя следующие подсистемы:

• библиотека математики (стандартные и сложные математические объекты);

• интерфейс программного обеспечения и файловой системы;

• система конфигураций.

Библиотека обеспечивает следующие возможности:

• настраивать параметры виртуального полигона;

• визуализировать модели систем ДЗЗ, объективно отображая текущее положение КА в пространстве;

• отправлять команды управления ОЦСдаз;

• получать промежуточные результаты и редактировать команды ОЦСдН.

Для оценки функционально-параметрических показателей системы на виртуальном полигоне формировались образы местности возможной съемки упакованной в координатной сетке, в частности как представлено на рисунке 6. Координатная сетка виртуального полигона имеет следующую структуру:

• «Земные материки» используется для отображения картографических материков земной поверхности;

• «Морская поверхность» используется для отображения морской | поверхности Земли (океаны, моря, реки, озера);

• «Область горизонта» - горизонт поверхности Земли.

Рисунок 6 Координатная сетка виртуального полигона

Программное обеспечение виртуального полигона адаптировано для применения в программно-аппаратном комплексе ЗАО «НПФ «ИнфоСистем-35» реализованного в КИС ОАО «ЛОМО».'

В четвертой главе представлены результаты моделирования на виртуальном полигоне. В данном разделе воспроизведение режима съемки объекта-модели ОЦСдчз поверхности Земли для разных высот орбит, рассматривается как тест на работоспособность виртуального полигона. Фотосъемка происходит в двух

режимах - панхроматическом и мультиспектральном. Характеристики режимов съемки представлены в таблице 2.

В качестве исходного изображения для всех компьютерных исследований был использован фрагмент натурного изображения (30 х 30 км), полученного посредством цифровой компьютерной съемки и наложенного на виртуальный полигон.

Таблица 2

Наименование характеристики Канал

Панхромати ческий Мультиспектральный

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 6x6 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 • 108 пикселей/с 3,9 • 108 пикселей/с

На рисунках 7-9 показаны результаты полученных изображений при моделировании объекта-модели ОЦСде для орбит высотой 300, 500 и 700 км панхроматической и мультиспекгральной съемки. Для высоты полета КА 700 км применялся метод тангажного замедления, который улучшает качество съемки, но образует слепые участки.

Рисунок 7- Результат полученного изображения путем панхроматической (а) и мультиспектралыюй (б) съемки на высоте 300 км

Рисунок 8 Результат полученного изображения путем панхроматической (а) и мультиспектрапьной (б) съемки на высоте 500 км

■ ' ' ' ■

ЪЩШ^гЩ.

гШ Щ

'Ш

Рисунок 9 Результат полученного изображения путем панхроматической (а) и мультиспектралыюй (б) съемки на высоте 700 км методом тоннажного замедления

Также по результатам моделирования были получены композитные изображения, представленные на рисунке 10, которые позволяют: * Классифицировать субъекты отражающей поверхности (поля, лесная

местность, вода, здания, объекты транспорта и т.д.); ® Отмечать изменения, произошедшие за время между съемками.

ШЯШИШВшШШШ

а б

Рисунок 10 Композитные изобра ж ения зеленый (а) и голубой (б)

Для проверки правильности работы виртуального полигона была проведена специальная засветка кадров путем светового давления, а также проверенно влияние на объект-модель ОЦСдез атмосферных возмущений. Результаты моделирования приведены на рисунке 11.

Рисунок 1 I - Результаты моделирования: а преднамеренная засветка кадра, б змущения от сопротивления атмосферы поверхности Земли движению КА, в путем змущений от потенциала сил притяжения Земли, г - путем возмущений от силы

влияния Луны и Солнца

Получены эталонные изображения, представленные на рисунках 12 и 13.

Рисунок 13 - Эталон муяътиспектралънсм съемки

Таким образом, результаты моделирования демонстрируют способность виртуального полигона воспроизводить качественные фотоизображения в реальных условиях эксплуатации. А также:

• Отмечать и анализировать «до летно-конструкторских испытаний» возможные экстремальные ситуации поведения оптической системы в космосе;

• Варьировать функционально-параметрическими показателями ОЦСдзз «на Земле».

качество брожения

100

90 80 70 60 50 АО 30 20 10 0

0.4

ПХт

0.5

0.6

0.70.73 0.80.850.890.9 1.0 1.1

X, спектральный диапазон

Рисунок 14 - График данных соотношений качества изображений полученных экспериментальными исследованиями для разных высот орбит

где,

---пх,мс~ качество изображений полученных ОЦСдзз на высоте 300 км;

' '' их, мс — качество изображений полученных ОЦСдаз на высоте 500 км; - пхмс ~ качество изображений полученных ОЦСдзз на высоте 700 км. В заключении представлены основные результаты диссертационной работы, а именно:

• Проанализированы принципы построения виртуального полигона для математического моделирования систем дистанционного зондирования поверхности Земли в реальных условиях эксплуатации.

• Изучены возможные архитектуры построения виртуального полигона.

• Проанализированы математические модели применительно к системам дистанционного зондирования поверхности Земли.

• Разработана архитектура виртуального полигона.

Р)

• Развит метод формирования динамических сцен на виртуальном полиго

путем математического моделирования съемки поверхности Земли д.

проверки правильности функционально-параметрических показателе

состояния системы.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Демин A.B., Денисов A.B., Летуновский A.B. «Оптико-цифровые систем и комплексы космического назначения». Научно-технический журнал «Извест] вузов. Приборостроение», выпуск № 3 — 2010 г. - стр. 51-59 [входит в перече! ВАК];

2. Демин A.B., Денисов A.B., Перл И.А., Третьякова A.A. «Оптик электронный комплекс повышенной производительности». Научно-техничесю вестник Санкт-Петербургского государственного университета информационнь технологий, механики и оптики, выпуск № 3 (73) - 2011 г. - стр. 1-5 [входит перечень ВАК];

3. Денисов A.B. «Моделирование оптико-электронных систе дистанционного зондирования поверхности Земли способом просмот( активностей блоков».УШ Всероссийская межвузовская конференция молодь ученых. - г. Санкт-Петербург, 12-15 апреля 2011 г. - НИУ ИТМО. Сборни тезисов докладов VIII конференции молодых ученых. Выпуск 2. М.: СПбГ ИТМО, 2011 г.;

4. Демин A.B., Денисов A.B. «Имитационная модель системы приема преобразования информации комплексов дистанционного зондирования Земли Международный конгресс по интеллектуальным системам и информационны технологиям IS&IT'll. - г. Геленджик-Дивноморское, 02-09 сентября 2011 Труды конгресса по интеллектуальным системам и информационны технологиям «AIS-IT'll». Научное издание в 4-х томах. - М. : Физматли 2011 г.;

5. Денисов A.B. «Система приема и преобразования информации для оптик-цифровых комплексов дистанционного зондирования поверхности Земли». V Международная конференция молодых ученых и специалистов «0птика-2011». г. Санкт-Петербург, 17-21 октября 2011 г. - НИУ ИТМО. Сборник трудов V Международной конференции молодых ученых и специалистов «Оптик; 2011».-М.: НИУ ИТМО, 2011 г.;

6. Денисов A.B. «Математические модели оптико-электронных систе дистанционного зондирования поверхности Земли». III научно-техническ; конференция «Инновационный арсенал молодежи 2012». - г. Санкт-Петербур 30 мая-1 июня 2012 г. - ФГУП «КБ «Арсенал» им. М.В. Фрунзе». Труды I научно-технической конференции «Инновационный арсенал молодея 2012». -М.: ФГУП «КБ «Арсенал» им. М.В. Фрунзе», БГТУ «Военмех», 2012

Тиражирование и брошюровка выполнены в учреждении «Университетские телекоммуникации» 197101, Санкт-Петербург, Саблинская ул., 14 Тел.(812)233 46 69. Объем 1,0 у.п.л. Тираж 100 экз.