Автоматика и телемеханика, Л- 5, 2007
PACS 07.05.Tp
© 2007 г. A.B. КОСТОУСОВ, В.В. КОСТОУСОВ, канд. физ.-мат. наук (Институт математики и механики УрО РАН, Екатеринбург)
РАСПРЕДЕЛЕННЫЕ ВЫЧИСЛЕНИЯ И МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА НАВИГАЦИИ ПО РАДИОЛОКАЦИОННЫМ ИЗОБРАЖЕНИЯМ1
Рассматривается задача моделирования процесса навигации движущегося объекта по радиолокационным изображениям (РЛИ) местности. Описывается алгоритм моделирования РЛИ, постановка задачи навигации по РЛИ и подробно рассматривается структура и реализация моделирующего программного комплекса, который использует распределенные вычисления в сети Шпиктев-машип.
1. Введение
Одним из перспективных путей достижения высокой точности решения навигационных задач для автономных движущихся объектов (самолет, ракета, надводное или подводное судно, робот в помещении или в агрессивной среде и т.п.) является использование методов коррекции навигационных ошибок по наблюдениям физических полей окружающей среды или подстилающей поверхности [1]. Одним из таких полей может выступать поле радиолокационного контраста (РЛК) естественных покровов и искусственных ландшафтов [2].
Суть рассматриваемой проблемы можно описать следующим образом. Во время движения объекта управляющие воздействия формируются по принципу обратной связи в виде функций от измеряемых величин. При этом в системе счисления координат в инерциальной навигационной системе, построенной на гироскопах и акселерометрах, накапливаются большие погрешности. Поэтому реализующаяся траектория может значительно отличаться от желаемой. Эффективным средством борьбы с накапливающимися ошибками является отказ от автономности управления н использование информации о внешних физических полях, наблюдаемых в процессе движения. При этом применяется корреляционно-экстремальный подход, основанный на сравнении полученных измерений поля с априорной (эталонной) информацией о нем. хранящейся в памяти бортового вычислителя.
Практическое внедрение корреляционно-экстремальных систем навигации по полю РЛК осложняется рядом обстоятельств. Среди них главные нестабильность поля РЛК (зависимость от погодных, сезонных условий и т.д.) и сложность построения эталона поля, обусловленная сильной зависимостью интенсивности принятого сигнала от условий визирования и отсутствием прямых измерений поля РЛК в предполагаемых зонах коррекции. С учетом указанных обстоятельств особое значение
1 Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (гранты № 06-01-00229, 04-07-90120).
4 Автоматика и телемеханика, № 5
97
приобретают исследования методами численного эксперимента всего комплекса вопросов. связанных с созданием алгоритмического обеспечения систем навигации по радиолокационным изображениям (РЛИ).
Статья посвящена проблемам моделирования процесса навигации движущегося объекта по РЛИ и является продолжением исследований [3. 4]. Сначала кратко описывается задача моделирования процесса навигации по РЛИ (более детальное описание см. в [3]). затем подробно описывается структура и реализация моделирующего программного комплекса, который для ускорения моделирования РЛИ использует распределенные вычисления в сети АУтЛсжБ-машин.
2. Моделирование процесса навигации по радиолокационным изображениям местности
Процесс навигации включает получение РЛИ сцены, решение задачи навигации путем сопоставления РЛИ с предварительно построенным эталоном сцены и итоговую оценку местоположения движущегося объекта. Моделирование этого процесса включает построение модели РЛИ. реализацию методов создания эталона сцены, моделирование управляемого движения носителя, моделирование ошибок инерци-альной навигационной системы (ИНС), реализацию алгоритма навигации по РЛИ и коррекцию ошибок ИНС. и. наконец, требуется организовать статистический эксперимент. в котором эти действия производятся многократно. В данной работе рассматривается только часть упомянутых задач, но наиболее значимых, а именно: моделирование РЛИ. решение навигационной задачи и организация вычислений.
2.1. Моделирование радиолокационных изображений местности
Математическому моделированию РЛИ уделяется значительное внимание в связи с возрастанием интереса к системам радиовидения [5]. Отличительными особенностями предлагаемого подхода являются: использование развитой специально организованной трехмерной модели местности: введение «радиолокационной текстуры», использующей как экспериментальные отражающие характеристики поверхностей и объектов из базы данных, так и модели отражения радиоволн: последовательное применение лучевого метода моделирования для формирования РЛИ.
Исходными данными для формирования модели РЛИ являются электронная карта местности и справочник отражательных свойств поверхностей (БД ОСП). На основе электронной карты строится трехмерная иерархическая модель сцены. На верхнем уровне иерархии находится понятие сцены. Сцена содержит в себе объекты. Понятие объекта является ключевым это контейнер, который выполняет две функции: с одной стороны, он содержит геометрическую информацию о части моделируемой сцены в виде примитивов, а с другой служит средством структурирования модели сцены. Допускается наличие объектов без геометрических примитивов, которые содержат только дочерние объекты. Вся информация о геометрии сцены сосредоточена в геометрических примитивах. Примитивы могут быть как простыми фигурами, такими как треугольник, плоскость, сфера, параллелепипед, конус и т.п.. так и более сложными образованиями: например, рельеф, заданный матрицей высот, моделируется специальным примитивом. Кроме описания геометрии, примитивы используются для задания отражательных свойств поверхностей моделируемых ими участков сцены.
Опишем алгоритм моделирования РЛИ. Пусть в некоторой «глобальной» декартовой системе координат задан радиолокатор: его положение задано радиус-вектором /, ориентация — единичными векторами (направление обзора) и ¿и (направление верха). Пусть визируемая сцена представляет собой некоторую поверх-
ность. Свяжем с радиолокатором локальную сферическую систему координат такую. что положение локатора определяет начало координат этой системы, а каждая точка пространства характеризуется расстоянием до радиолокатора г € [0, те) и двумя углами: азимутом < € [—п, п] - это угол между вектором в и проекцией радиус-вектора, соответствующего данной точке, на плоскость, перпендикулярную вектору в"; углом ме ста •& € [0, п] - это угол между век тором ви и радиус-вектором, соответствующим данной точке.
Радиолокационные отражательные свойства сцены зададим в виде функции Т(г, <,-&), называемой радиолокационной текстурой сцены, следующим образом. Если луч, выходящий из начала координат новой сферической системы в направлении, заданном углами (<, •&), пересекает поверхность сцены и ближайшая к началу
г
Т(г, <, •&) полагаем равным коэффициенту отражения в этой точке поверхности сцены; для всех остальных точек указанного луча полагаем Т(г, <, $) = 0. Если данный луч не пересекает поверхность сцены, то для всех точек этого луча также полагаем Т(г, <, $) = 0. Коэффициент отражения в точке поверхности сцены показывает, какая доля сигнала, пришедшего от радиолокатора, переизлучается в обратном направлении в данной точке. Радиолокационная текстура играет ту же роль, что и известная в литературе удельная эффективная площадь рассеяния (УЭПР) [5].
Результатом моделирования РЛИ является далыгостно-азимутальный портрет I(г, <) - функция мощности отраженного сценой радиосигнала в зависимости от г<
ного портрета при фиксированном азимуте называется дальностным портретом, соответствующим этому азимуту.
Рассматриваются два способа формирования РЛИ: режим реальной апертуры и режим синтезированной апертуры [5]. В основе обоих методов лежит уравнение дальности радиолокации, которое устанавливает зависимость мощности отраженного сигнала на входе радиолокатора от его параметров, дальности до облучаемого объекта и его отражательных характеристик.
Формирование РЛИ в режиме реальной апертуры происходит за счет сканирования в азимутальной плоскости. При сканировании ось диаграммы направленности антенны радиолокатора поворачивается, занимая последовательно положения, соответствующие различным азимутам на РЛИ, таким образом, каждый дальностный портрет обрабатывается независимо.
В случае режима синтезированной апертуры формирование изображения происходит при постоянном относительно вектора скорости угловом положении диаграммы направленности антенны и основано на использовании эффекта Доплера. Развертка изображения по азимуту обеспечивается за счет зависимости величины доплеровского смещения частоты отраженного сигнала от угла между вектором скорости радиолокатора и направлением, с которого принимается сигнал. Поэтому в данном случае формирование РЛИ происходит в два этапа. Сначала формируется дальностно-частотный портрет аналог далыгостно-азимуталыгого портрета, где вместо азимута первым аргументом функции выступает величина доплеровского смещения частоты. Затем полученный дальностно-частотный портрет преобразуется в далыгостно-азимутальный портрет.
Шумы приемника моделируются при помощи аддитивного гауссового шума случайной величины N имеющей нулевое среднее и некоторую дисперсию а^] N добавляется сразу к далыюстно-азимуталыюму портрету в случае режима реальной апертуры и к дальностно-частотному портрету в случае режима синтезированной апертуры. Поскольку на практике искажения РЛИ, обусловленные движением радиолокатора, могут быть значительными, для их подавления в модель РЛИ был добавлен механизм компенсации траекториых искажений.
4* 99
Рис. 1. Трехмерная модель сцены.
Рис. 2. Модель РЛИ в режиме синтезированной апертуры без учета переотражепий.
Реализованный вычислительный алгоритм формирования РЛИ [6] использует трехмерную модель сцены и радиолокационные текстуры. Для формирования одного дальностного портрета (в случае режима реальной апертуры) или всего дальност-но-частотного портрета (в случае режима синтезированной апертуры) используется известный в компьютерной графике
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.