Исследование влияния пиксельной структуры экрана на точность визуализации местоположения объекта в геоинформационных системах пилотируемых летательных аппаратов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Исследование влияния пиксельной структуры экрана на точность визуализации местоположения объекта в геоинформационных системах пилотируемых летательных аппаратов

М.О. Костишин ФГУП ОКБ “Электроавтоматика” им. П.А. Ефимова”

Аннотация

Автором рассматривается проблема оценки точности отображения местоположения объекта в геоинформационных системах и системах индикации навигационных комплексов пилотируемых летательных аппаратов. Рассматриваются особенности применения различных типов жидкокристаллических экранов с разным числом пикселей по вертикали и горизонтали при отображении геоинформационных данных в различных масштабах.

Введение

В процессе полета летательного аппарата (ЛА) в бортовом навигационном комплексе производится оценивание значений пилотажно-навигационных параметров: широты и долготы позиционирования объекта в заданной системе координат, скорости самолета, относительного и барометрического давление и др. Для информирования экипажа о местонахождении ЛА значения оценок ряда навигационных параметров отображаются на бортовых средствах индикации. Основным элементом индикации современных навигационных комплексов являются бортовые индикаторы класса МФЦИ (многофункциональные цветные индикаторы), выполненные на базе плоских жидкокристаллических (ЖК) панелей [1, 2].

Отображение оценок значений навигационных параметров на борту ЛА может осуществляться двумя способами:

- непосредственно -- на экране МФЦИ индицируется числовое значение параметра;

- мнемонически -- на экране МФЦИ отображается силуэт объекта на фоне подложки, в качестве которой используется графическое изображение карты местности в зоне полетов (в проекциях «вид с земли на самолет» или «вид с самолета на землю»).

Непосредственный способ индикации значений оценок навигационных параметров прост в использовании экипажем, однако требует от штурмана выполнения дополнительных операций позиционирования ЛА на местности. Мнемонический способ отображения более нагляден для экипажа, т.к. в совмещенном режиме одновременно отображаются и карта местности, и местоположение объекта, однако он менее точен и используется сегодня для геоинформационной поддержки и повышения ситуационной осведомленности экипажа о географическом рельефе местности в зоне полетов.

Целью настоящей статьи является представление широкому кругу читателей результатов научных исследований авторского коллектива в области получения оценок точности отображения местоположения объекта в геоинформационных системах и системах индикации современных навигационных комплексов пилотируемых ЛА для мнемонического способа.

1. Индикация геоинформационных данных на борту ЛА. Погрешность отображения навигационных параметров

Как было показано нами ранее [3-9], синтез и отображение геоинформационных данных на экране МФЦИ, имеющем дискретную (пиксельную) структуру экрана, осуществляется в совмещенном режиме. Совмещенный режим (см. рис. 1, а) предполагает одновременное отображение на одном средстве индикации навигационной информации и картографической информации, представляющей собой цифровой массив карты местности в зоне полетов ЛА.

Рис.1. Режим совмещения навигационной и картографической информации: а) режим отображения совмещенной навигационной информации и картографической информации, б) различия в оценке истинной, оцениваемой и отображаемой точки привязки положения летательного аппарата на местности в зоне полетов.

Для совмещения двух видов разнородных изображений используется опорная точка, в качестве которой могут выступать: точка начала системы координат ЖК-панели; географические координаты широты и долготы объекта, измеряемые (оцениваемые) в процессе полета. При этом принято различать (см. рис.1,б): истинное положение ЛА в географических координатах, оцениваемое положение ЛА в географических координатах и отображаемое положение ЛА в географических координатах. Истинное положение ЛА определяется проекцией центра масс объекта на физическую карту местности. Оцениваемое положение ЛА определяется проекцией оцененных значений широты и долготы положения ЛА на карту местности с учетом существующих погрешностей измерений и программно-алгоритмической обработки. Отображаемое положение ЛА определяется проекцией опорной точки мнемонического силуэта объекта на индицируемую карту местности. При отсутствии систематических погрешностей отображаемое и оцениваемое положение ЛА на экране МФЦИ совпадают.

В зависимости от масштаба отображения цифровой карты местности и типа применяемого в системе индикации навигационного комплекса ЖК-экрана, размера сторон ЖК-матрицы и числа пикселей экрана по вертикали и по горизонтали матрицы, цена деления одного пикселя будет различной.

В настоящее время в авиационной промышленности получили широкое распро-странение следующие масштабы отображения цифровой карты местности [10]: 1:0,25 км; 1:2 км; 1:5 км; 1:10 км; 1:15 км. Применяемые сейчас на борту ЖК-экраны имеют размеры сторон (в дюймах): 5”х5”; 6”х6”; 6”х8”; 7,2”х9,6”; 9”x12” со следующим числом пикселей по сторонам матрицы: 480х480; 640х480; 768x576; 800x600; 768x768; 1024x768; 1400x1050; 1600x1200.

Минимальное значение цены деления пикселя составляет 3,2 м и достигается в комбинации: экран 6”x8” с числом пикселей по сторонам 1600х1200 и масштабом отображения 1:0,25 км. Аналогично, максимальная цена деления пикселя составит 238,1 м и достигается в комбинации: экран 9”x12” с числом пикселей по сторонам 640х480 и масштабом отображения 1:5 км. Расчет цены деления одного пикселя ЖК-панели производился по формуле:

где m - цена деления одного пикселя ЖК-панели, м; M - масштаб отображаемой карты местности, м; L - сторона ЖК-матрицы, м; l - число пикселей в стороне L ЖК-матрицы; c=0,01 - размерный коэффициент, м.

2. Оценка погрешности отображения положения ЛА на местности

Для оценки погрешности отображения положения ЛА на местности использовались результаты измерений оценочных значений навигационных параметров, зарегистрированные при выполнении программы полетов пилотируемого ЛА [11]. Результаты измерений для широты и долготы положения ЛА, полученные в процессе 3ч 20мин. полета от спутниковой навигационной системы (СНС) и от инерциальной навигационной системы (ИНС), представлены на рис.2, а и рис.2, б соответственно.

Рис.2. Результаты измерения (оценки) навигационных параметров для: а) широты и б) долготы местоположения ЛА в процессе выполнения программы полетов, г. Жуковский, 2013г.

Расчет значений широты и долготы полета произведен по формулам:

л*=111,12 лcosц, ц*=111,12ц,

где ц - географическая широта в градусах, л - географическая долгота в градусах, ц* - географическая широта в километрах, л* - географическая долгота в километрах. В предположении, что «истинное» значение местоположения ЛА может с определенной погрешностью оцениваться по результатам измерений СНС, на рис.2 штриховкой залита область разности результатов оценки значений географической широты и долготы для результатов измерений СНС и ИНС.

Анализ рис.2 показывает, что в течение 3ч 20мин. полета максимальное значение разности измерений между СНС и ИНС составило 612 м для широты и 22 км для долготы. При этом существенный рост разницы в результатах измерений СНС и ИНС начинается примерно с 45 минут полета (момент t0 на графиках рис.2), что объясняется собственной погрешностью ИНС в процессе инерциального счисления координат местоположения ЛА.

На рис.3 приведены результаты экспериментальных расчетов оценки точности ? (в пикселях) отображения «измеренного» значения навигационных параметров по СНС ц*_снс по отношению к значениям, оцененным навигационным комплексом по ИНС ц*_инс [12-15]: ?*ц= ц*_снс- ц*_инс. Следует заметить, что использование режима СНС на борту ЛА осложняется условиями эксплуатации объекта и не всегда возможно, в связи с чем, семейство зависимостей на рис.3 следует рассматривать как характеристики ошибки визуализации местоположения ЛА на карте местности, возникающие в режиме чистого счисления пути, начиная с момента времени t₀ [16-17].

навигационный пиксель геоинформационный

а) б)

в) г)

д) е)

Рис.3. Семейство зависимостей ошибки визуализации местоположения объекта в гео-информационных системах и системах индикации навигационных комплексов при оценке широты полета для бортовых индикаторов МФЦИ со следующими характеристиками: а) размер экрана 6”x8”, масштаб 1:0,25 км; б) размер экрана 6”x8”, масштаб 1:2 км; в) размер экрана 7.2”x9.6”, масштаб 1:0,25 км; г) размер экрана 7.2”x9.6”, масштаб 1:2 км; д) размер экрана 9”x12”, масштаб 1:0,25 км; е) размер экрана 9”x12”, масштаб 1:2 км.

Заключение

В результате проведенного исследования и натурных экспериментов была совершена серия полетов пилотируемого летательного аппарата с использованием спутниковой навигационной системы и инерциальной навигационной системы. В качестве ИНС использовалась лазерная инерциальная навигационная система ИНС-2000. Как следует из рис.2, через примерно 45-50 мин. полета ошибка измерения широты и дол-готы полета летательного аппарата начинает монотонно возрастать из-за влияния собственной погрешности инерциальной системы, вследствие чего опорная точка совмещения навигационных и геоинформационных данных смещается. Семейство зависимостей приведенное рис.3, иллюстрирует разницу (в пикселях) между отображаемой и измеренной опорной точкой объекта на цифровой карте местности для МФЦИ с различными техническими характеристиками. Величина ошибки позиционирования объекта на карте местности, накопленная за 2,5 часа полета, варьируется от 16 до 190 пикселей жидкокристаллического экрана.

Приведенные на рис.3 семейства зависимостей могут быть использованы как для оценки величины ошибки отображения местоположения объекта на местности в существующих навигационных системах, так и для учета величины будущей ошибки при модернизации объектов с использование инерциальных навигационных систем других типов:

- при замене многофункциональных индикаторов на индикаторы с более совер-шенными характеристиками жидкокристаллических матриц;

- при загрузке в бортовую систему картографической информации геоинформа-ционных данных в других масштабах;

- при разработке системы индикации и навигационных подсистем на различных проектных предприятиях и при использовании более совершенных инерциальных навигационных систем [18].

Литература

1. Жаринов И.О., Жаринов О.О. Бортовые средства отображения информации на плоских жидкокристаллических панелях: Учеб. пособие / Информационно-управляющие системы. СПб: ГУАП, 2005, 144 с.

2. Копорский Н.С., Видин Б.В., Жаринов И.О. Бортовые средства отображения информации современных пилотируемых летательных аппаратов / В кн. Современные технологии // Под ред. С.А. Козлова и В.Л. Ткалич, СПб: СПбГУ ИТМО, 2004. - С. 154-165.

3. Парамонов П.П., Ильченко Ю.А., Жаринов И.О. Теория и практика статистического анализа картографических изображений в системах навигации пилотируемых летательных аппаратов // Датчики и системы. - 2001. -№8. - С. 15-19.

4. Парамонов П.П., Ильченко Ю.А., Жаринов И.О., Тарасов П.Ю. Структурный анализ и синтез графических изображений на экранах современных средств бортовой индикации на плоских жидкокристаллических панелях // Авиакосмическое приборостроение. - 2004. - №5. - С. 50-57.

5. Копорский Н.С., Видин Б.В., Жаринов И.О. Система бортовой картографической информации пилотируемых летательных аппаратов. Основные принципы построения // Сб. трудов 10-й международной конференции «Теория и технология программирования и защиты информации». - СПб: СПбГУ ИТМО, 2006. - С. 18-23.

6. Парамонов П.П., Коновалов П.В., Жаринов И.О., Кирсанова Ю.А., Уткин С.Б. Реализация структуры данных, используемых при формировании индикационного кадра в бортовых системах картографической информации // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. - 2013. - №2. - С. 165-167.

7. Парамонов П.П., Костишин М.О., Жаринов И.О., Нечаев В.А., Сударчиков С.А. Принцип формирования и отображения массива геоинформационных данных на экран средств бортовой индикации // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. - 2013. - №.6 - С. 136-142.

8. Жаринов И.О., Коновалов П.В. Классификация структуры данных, используемых при отображении геоинформационных ресурсов в бортовых системах картографической информации // Сборник трудов молодых ученых, аспирантов и студентов научно-педагогической школы кафедры ПБКС «Информационная безопасность, проектирование и технология элементов и узлов компьютерных систем» / Под ред. Ю.А. Гатчина, СПб: НИУ ИТМО, 2013, ч.1, с.118-121.

9. Жаринов И.О., Емец Р.Б. Индикационное оборудование в авиации XXI-го века // Научно технический вестник Санкт-Петербургского государственного института точной механики и оптики (технического университета), 2003, №5 (вып. 11), с 193-195.

10. Парамонов П.П., Копорский Н.С., Видин Б.В., Жаринов И.О. Многофункциональные индикаторы на плоских жидкокристаллических панелях: наукоемкие аппаратно-программные решения // Санкт-Петербургского государственного института точной механики и оптики (технического университета), 2004, №3 (вып. 14), с.238-245.

11. Суслов В.Д., Шек-Иовсепенц Р.А., Видин Б.В., Жаринов И.О., Немолочнов О.Ф. К вопросу об унификации бортовых алгоритмов комплексной обработки информации // Известие вузов. Приборостроение, 2006, т.49, №6, с.39-40.

12. Жаринов И.О. Системный подход при проектировании комплексов бортового радиоэлектронного оборудования // Научная сессия ГУАП: сб. докл., СПб: ГУАП, 2006, ч.2, с. 68-74.

13. Парамонов П.П., Видин Б.В., Есин Ю.Ф., Жаринов И.О., Колесников Ю.Л., Кофман М.М., Сабо Ю.И., Шек-Иовсепенц Р.А. Теория и практика системного проектирования авионики: Монография, Тула: Гриф и К, 2010, 265 с.

14. Жаринов И.О. Жаринов О.О. Бортовые системы картографической информации. Принципы построения геоинформационных режимов: учеб. пособие, СПб: СПбГУ ИТМО, 2008, 48с.

15. Kostishin M.O., Zharinov I.O. Precision characteristics of the positioning of ob-jects in aircraft geoinformation systems // Automation & Control: Proceedings of the International Conference of Young Scientists «ISCAC-2013» (21-22 November, 2013), Saint Peters-burg, National Research University Saint-Petersburg State Polytechnical University, 2013, рр.92-96.

16. Carl Swail, Sion Jennings. Enhanced and synthetic vision system concept for application to search and rescue missions // Flight research laboratory institute for Aerospace research national research council Montreal Road Ottawa, 2006, pp.15-21.

17. Jones D.R., Prinzel III L.J. Runway incursion prevention for general aviation operations. Proceeding of the 25th digital avionics systems conference, 2008, pp.28-34.

18. Young S., Kakarlapudi S., Uijt de Haag M.A. Shadow detection and extraction algorithm using digital elevation models and X-Band weather radar measurements. International Journal of Remote Sensing, Vol. 26, No. 8, pp. 1531-1549, April 20, 2005.

Размещено на Allbest.ru