Обеспечение навигации воздушных судов методами микроволновой радиометрии при отсутствии единого радионавигационного поля

Комплекс включал 7 радиометрических каналов на длинах волн =2,53; 3,1; 4,06; 6,2; 8,0; 8,6; 15 мм, работающих на общую антенну.

Каждый радиометрический канал был построен по классической схеме супергетеродинного приемника модуляционного типа. Принцип работы радиометра в модуляционном режиме основан на сравнении шумовых температур антенны и эквивалента. Антенна представляла собой многочастотный рупорный облучатель с изломом, состоящий из двух частей: малого (апертура 80 мм) и основного (апертура 180 мм) рупора, развязка на двух ортогональных поляризациях не хуже 16 дБ. Флуктуационная чувствительность радиометрических каналов лежит в пределах при постоянной времени интегрирования выходного фильтра .

Таким образом, в радиометре был использован как принцип многочастотности, так и принцип многополяризационности.

Для сбора и обработки информации, с участием автора работы, был разработан и изготовлен специальный информационно-вычислительный комплекс, который обеспечивал управление, сбор, обработку, отображение и накопление информации, поступающей с различных датчиков в реальном масштабе времени. Пример панорамного изображения, полученного при радиокартографировании границы вода - суша на длине волны = 8,6 мм (горизонтальная поляризация), показан на рис.7.

Рис.7 Контрастное радиотепловое изображение береговой черты (=8,6 мм, горизонтальная поляризация)

Съемка выполнена с высоты полета 7500 м в условиях облачности 4 - 6 баллов (облака кучевые, нижнего яруса) и охватывает первый Курильский пролив, остров Шумшу и мыс Лопатка (Камчатка). Перепад радиояркостной температуры вода - суша в данном случае превышает . Алгоритм обработки изображения включал выделение контрастного контура береговой черты. Пространственный элемент разрешения на изображении с учетом сглаживания и фильтрации составляет приблизительно 3 км вдоль линии сканирования и 6 км вдоль трассы движения самолета. Радиотепловое изображение построено без учета искажений, вызванных секторным сканированием антенным лучом по образующей конуса.

На рис.8 приведены результаты радиокартографирования морской поверхности в условиях сплошной облачности (облака кучево-дождевые нижнего и среднего ярусов). Здесь вариации радиояркостной температуры обусловлены вкладом излучения кучево-дождевых облаков. На изображении хорошо видна пространственная структура облачности различной радиояркости.

Рис. 8 Радиотепловое изображение морской поверхности кучево-дождевых облаков (l=8,6 мм, горизонтальная поляризация)

В работе рассматриваются радиотепловые профили, полученные при полётах примерно по одному и тому же маршруту. Высота полёта составляла 200 м, что соответствовало линейному разрешению на местности примерно 20 м при зондировании в надир и 25 м - при зондировании под углом 30°. Профили эффективных температур были получены при пяти состояниях атмосферы - сплошной и слоистообразной облачности, в условиях дымки, а также при ясном и пасмурном общем фоне. В качестве примера в табл.3 приведены данные измерений для различных объектов.

Таблица 3

Номера объектов:

1 - лиственный лес, заросли кустов, редколесье; 2 - луг; 3 - поле с редкой растительностью (возможна засорённость камнями); 4 - заболоченные заросли кустов, редколесье с подтоплением водой; 5 - пашня; 6 - стерня со слабой травянистой растительностью, отдельными деревьями или кустами; 7 -огороды с отдельными деревьями и кустами; 8 - населённый пункт с не огнестойкими строениями, приусадебными участками; 9 - заболоченные участки и болота с травянистой и камышово-травянистой растительностью, возможны блюдца открытой воды; 10 - пресный водоём.

Одновременно с регистрацией интенсивности радиотеплового излучения проводилась аэрофотосъёмка трассы полёта, что позволило осуществить привязку полученных радиометрических данных к конкретным типам земных покровов. В качестве относительно однородных объектов при дешифрировании аэрофотоснимков выделялись лишь крупные, протяжённые участки земной поверхности (то есть такие, линейные размеры которых вдоль трассы полета, по крайней мере, были порядка линейного размера одного элемента разрешения). Объектовый состав был аналогичен наименованиям объектов, которые отражаются на крупномасштабных топографических картах и картах использования сельскохозяйственных угодий. Сосредоточенные объекты (такие как дома, постройки, отдельно стоящие дома, дороги и т.д.) не рассматривались.

Предполагалось, что они обуславливают случайные флуктуации радиояркостной температуры внутри протяжённых объектов.

Привязка радиотепловых профилей к аэрофотоснимкам позволила выделить для осенней трассы - 28, для зимней трассы - 25, протяжённых объектов, которые могут служить надежными реперными ориентирами. Среди них луг, боронованное поле, пресный водоем, пашня, лиственный лес и т.д.

Согласно полученным результатам радиотепловые поля участков земной поверхности без открытых водоёмов соответствуют слабым и нормальным навигационным полям. Увеличения отношения сигнал/шум можно добиться, учитывая дополнительные дискретные объекты в эталонных картах местности, которые вызывают заметные радиотепловые контрасты.

В ходе проведения измерений были также получены профили радиотеплового поля на вертикальной поляризации при угле наблюдения 30°. Вид этих профилей, а также результаты других экспериментов позволяют сделать вывод, что при зондировании под достаточно большими углами наблюдения на вертикальной поляризации в целом радиотепловые контрасты между протяжёнными объектами земных покровов меньше, чем в случае наблюдения в надир или под теми же углами на горизонтальной поляризации. Поэтому в навигационных системах предпочтительнее использовать последние два способа. Наибольшие радиотепловые контрасты наблюдаются при измерениях под углом на горизонтальной поляризации, однако недостатками данного способа по сравнению с надирными измерениями являются повышенная чувствительности сигнала радиометрического датчика к случайным флуктуациям угла наблюдения и худшее линейное разрешение при прочих одинаковых условиях.

Из приведённых результатов обработки экспериментальных данных можно сделать следующие выводы.

Радиотепловые поля ландшафтных зон с развитой географической сетью обладают потенциально высокой информативностью. На трассах, где достаточно велик удельный вес открытых водоёмов, можно ограничиться двумя классами - суша, вода, что значительно облегчает задачу синтеза эталонных карт и построения навигационных систем.

На трассах без открытых водоёмов, когда по результатам дешифрирования аэрофотоснимков удаётся выделить большое количество различных объектов (порядка 10 и более), возможно значительное сокращение числа градаций эффективной температуры без существенного ограничения точности навигационной привязки. В этом случае достаточно ограничиться 4 - 6 градациями и даже менее, если общее число классов объектов на трассе невелико. Минимально необходимое число градаций для конкретной трассы целесообразно устанавливать, исходя из следующих сведений: требуемые точности и надёжности навигационной привязки; объектового состава и его структуры вдоль предполагаемой трассы; сезонных изменений и метеоусловий; данных наземных наблюдений и измерений (толщина снежного покрова, влажность и т.д.).

В целом для района проведения экспериментов можно отметить следующие особенности, вызывающие ухудшение навигационных характеристик радиотеплового поля: холмистость и пересечённость местности; значительную площадь занимают такие существенно неоднородные объекты, как болота и заболоченности (15-20 % от общей длины трассы).

В случае равнинных, слабопересечённых местностей с относительно невысоким содержанием заболоченных участков и болот соотношение сигнал/шум более высокое (около двух и более, т.е. в зоне нормального навигационного поля).

Таким образом, результаты экспериментальных исследований, приведенные в настоящей главе, показали, что с помощью радиотепловых полей возможно выполнить требования по навигации воздушных судов в рамках ТНХ 12,6 и ТНХ 20, что вытекает из полученных численных значений.

Требования по посадке воздушного судна, сформулированные в документах ИКАО, не могут быть применимы, так как эти требования предполагают наличие аэродромов с ВПП или специально оборудованных площадок. В работе же рассматривается ситуация возможности посадки в местах, для этих целей не предназначенных. Следовательно, необходимо было исследовать вопрос о возможностях определения твердости наземного покрытия, наличия открытых водоемов, болотистых мест, полыней в ледовых массивах, степень шероховатости. Общие принципы определения физических свойств поверхностей с помощью радиометров описаны во второй главе. Таким образом, выявление твердых участков земной поверхности на фоне болот, открытых водоемов, песчаных покрытий не составляет труда.

В заключение третьей главы была выполнена оценка точности определения наземных ориентиров при навигации с помощью радиометра в сравнении с аналогичными характеристиками активного бортового метеорадиолокатора, работающего в режиме "Земля". Анализ показал, что для получения сравнимых по точности характеристик необходимо иметь в радиометре нестабильность коэффициента усиления приемного тракта не хуже Если же величина будет находиться в пределах (что возможно при условии применения в радиометре специальных схем стабилизации коэффициента усиления, например, синтезированных на основе применения методов нелинейной марковской фильтрации), то точностные характеристики радиометра по разрешающей способности на местности превосходят соответствующие характеристики активного радиолокатора.

Таким образом, к основным результатам, полученным в третьей главе, доказывающим возможность обеспечения навигации летательного аппарата по данным радиометрической аппаратуры, можно отнести: закономерности взаимосвязи поляризационных характеристик собственного микроволнового излучения поверхностей с их физико-механическими свойствами; результаты анализа возможности использования общих радиотепловых полей земных покровов применительно к решению навигационных задач летательного аппарата; данные экспериментальных исследований различных земных профилей для осеннего и весеннего периодов с определением максимальных, минимальных и средних значений температур, а также их среднеквадратических значений; классификация полей рельефа в зависимости от отношения сигнал/шум; оценку точностных характеристик определения наземных ориентиров при навигации воздушного судна с помощью радиометра.

Заключение. Целью данной диссертационной работы являлась разработка принципов обеспечения навигации и посадки летательного аппарата с помощью бортовой автономной радиометрической аппаратуры при обеспечении заданного уровня безопасности полетов для ГА и заданной вероятности выполнения задачи.

Для достижения поставленной цели исследований в работе:

- доказана достаточность информативности радиометрических измерений для решения задач обеспечения автономной навигации летательного аппарата и определения состояния подстилающих поверхностей (земные покровы, морской лед);

- доказана возможность обнаружения реперных ориентиров на фоне подстилающих покровов и других наземных объектов, а также возможность осуществления навигационных привязок без привлечения наземных навигационных средств, что принципиально дает возможность обеспечения навигации летательного аппарата в труднодоступных географических районах Российской Федерации, где отсутствует единое радионавигационное поле;

- доказана возможность оценки состояния предполагаемых мест посадки летательных аппаратов, а также мест парашютирования и эвакуации людей, сброса почты и грузов;

- обоснованы технические требования к бортовым радиометрическим навигационным системам;

- экспериментально доказана возможность использования микроволновых радиометров в качестве автономных бортовых навигационных средств;

- разработаны рекомендации по модернизации эксплуатируемых радиометров с учетом пространственно-временной стохастичности микроволнового радиоизлучения.

В приложении П.I рассматриваются общие принципы построения радиометрических приемников с позиций учета поляризационного состояния приходящего радиотеплового поля.

В приложении П.II рассматривается синтез оптимальных алгоритмов приема радиометрических сигналов.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах

1. Козлов А.И., Старых А.В,. Троицкий В.И. Оптимизация пространства признаков в задаче классификации земных покровов. - Научный вестник МГТУГА. Сер. Радиофизика и радиотехника, 2001, №36.

2. Старых А.В. Информативность радиополяриметрических измерений характеристик объектов. - Научный вестник МГТУГА. Сер. Радиофизика и радиотехника, 2003, №61.

3. Старых А.В. Классификация зондируемых объектов на основе применения методов калмановской фильтрации. - Научный вестник МГТУГА. Сер. Радиофизика и радиотехника, 2005, №87.

4. Старых А.В. Методы классификации объектов при дистанционном зондировании. - Научный вестник МГТУГА. Сер. Радиофизика и радиотехника, 2005, №93.

5. Старых А.В. Навигационные характеристики радиотепловых полей. - Научный вестник МГТУГА. Сер. Радиофизика и радиотехника, 2005, №87.

6. Старых А.В. Представление векторных случайных полей для решения навигационных задач. - Научный вестник МГТУГА. Сер. Радиофизика и радиотехника, 2005, №93.

7. Старых А.В. Синтез приемного устройства радиометра при случайном времени переключения опорного канала. - Научный вестник МГТУГА. Сер. Радиофизика и радиотехника, 2003, №62.

8. Старых А.В. Хрисанфов М.Е.. Построение оптимизированного функционала для радиолокационных приемников. - Научный вестник МГТУГА. Сер. Радиофизика и радиотехника, 1999, №14.

Прочие научные работы:

9. Starykh А.V. Adaptive algorithms and Signal Processing. IRCTR-S-041-99, Delft, Netherlands, 1999, p. 8 - 16.

10. Starykh А.V. Application of the KLL-sphere and evaluation of efficiency of this application for distinguishing geophysical objects. IRCTR-S-020, Delft, Netherlands, 2004, p. 10 - 16.

11. Starykh А.V. Comparisons between Theory and Experiments, IRCTR-S-016-01, Delft, Netherlands, 2001, p. 4 -12.

12. Starykh А.V. Criteria for evaluation of methods to distinguish targets and geophysical objects on the basis for various polarization parameters. IRCTR-S-009, Delft, Netherlands, 2004, p. 8 - 15.

13. Starykh А.V. Criteria for testing Radar Function. IRCTR-S-022-00, Delft, Netherlands, 2000, p. 17 - 24.

14. Starykh А.V. Data Processing and Data analysis of Experiments. IRCTR-S-015-01, Delft, Netherlands, 2001, p. 5 - 17.

15. Starykh А.V. Description of direct interfering electromagnetic waves in scattering problem. IRCTR-S-019-99, Delft, Netherlands, 1999, p. 14 - 22.

16. Starykh А.V. Determination of analytical associative relation between targets parameters and the reflected radiowave parameters. IRCTR-S-011, Delft, Netherlands, 2003, p. 18 - 24.

17. Starykh А.V. Determination of radar contrast using various polarization and evaluation of its limiting significance. IRCTR-S-021, Delft, Netherlands, 2003, p. 17 - 23.

18. Starykh А.V. Development of statistical models describing the process of reflected radiowaves from various geophysical objects. IRCTR-S-013, Delft, Netherlands, 2004, p. 16 - 22.

19. Starykh А.V. Effects of antenna polarization characteristics of distinguishing geophysical objects. IRCTR-S-003, Delft, Netherlands, 2005, p. 17 - 26.

20. Starykh А.V. Measurement Campaigns Using an 1,8 cm and 3,2 cm Coherent Radar With Controlled Polarization Capabilities, IRCTR-S-038-00, Delft, Netherlands, 2000, p. 18 - 24.

21. Starykh А.V. Measurement Campaigns Using an 1,8 cm and 3,2 cm Coherent Radar With Controlled Polarization Capabilities, IRCTR-S-035-01, Delft, Netherlands, 2001, p. 4 - 10.

22. Starykh А.V. Methods for Parameter Evaluation, IRCTR-S-039-00, Delft, Netherlands, 2000, p. 9 - 14.

23. Starykh А.V. Methods to increase the radar contrast. IRCTR-S-020-99, Delft, Netherlands. 1999, p. 29 - 34.

24. Starykh А.V. Overview and new Areas of Research on Modeling and Verifications of Earth Based Radar Objects. IRCTR-S-038-01, Delft, Netherlands, 2001, p. 28 - 35.

25. Starykh А.V. Refinement of Theory and Experiments, IRCTR-S-031-01, Delft, Netherlands, 2001, p. 7 - 13.

26. Starykh А.V. Requirements system specifications and functional diagrams of radar equipment for experiments allowing polarization diagnostics. IRCTR-S-042-99, Delft, Netherlands, 1999, p. 6 - 17.

27. Starykh А.V. Requirements to the accuracy and riability of the equipment for determing objects parameters and signal characteristics. IRCTR-S-038-01, Delft, Netherlands, 1999, p. 9 - 21.

28. Starykh А.V. Sensitivity analysis on the measurement accuracy of the various polarization parameters to distinguish geophysical objects. IRCTR-S-014, Delft, Netherlands, 2003, p. 11 - 19.

29. Starykh А.V. Раздел 4 "Summary of Available Scattering Methods" в книге "Mathematical and Physical Modeling of Microwave Scattering and Polarimetric Remote Sensing". Kluwer Academic Publishers. Dordrecht, The Netherlands, 2001, p. 69 - 106.

30. Старых А.В. Возможности выбора мест посадки ЛА с помощью бортового радиометра. V МНТК АВИА-2003, Киев, апрель 2003г.

31. Старых А.В. Оптимальные схемы приема радиометрических систем. МНТК, "Гражданская авиация на современном этапе развития науки, техники и общества", Москва, май 2003г.

32. Старых А.В. Возможности обеспечения требуемых навигационных характеристик для ЛА при использовании бортового радиометра. IV МНТК АВИА-2002, Киев, апрель 2002г.

33. Старых А.В. Оценка эффективности использования радиометра как навигационного средства. МНТК, "Гражданская авиация на рубеже веков", Москва, май 2001г.

34. Старых А.В. Использование радиометрической информации с борта ЛА для поиска мест посадки ЛА. НТ Семинар "Концепция создания интегрированного оборудования, навигации, посадки, связи и наблюдения", Москва, декабрь 2000г.

35. Старых А.В. Радиометрические системы как автономное средство радионавигации ЛА. МНТК "Современные научно-технические проблемы ГА", Москва, апрель 1999г.

36. Логвин А.И., Старых А.В. Дисперсия периода переключения опорного канала оптимизированного приемника радиометра. / Теория и практика дистанционного зондирования. МИИГА, Межвузовский сб. научн. трудов, 1993.

37. Логвин А.И., Старых А.В. Оптимизация структуры радиометрического приемника. /Проблемы совершенствования радиоэлектронных систем ГА и организация их технического обслуживания. - М.: МИИГА, Межвузовский сб. научн. трудов, 1993.

38. Логвин А.И., Старых А.В. Синтез приемного устройства радиометра. /Теория и практика дистанционного радиозондирования. МИИГА, Межвузовский сб. научн. трудов, 1993.

39. Логвин А.И., Старых А.В. Точностные характеристики оптимизированной схемы приемника радиометра. /Проблемы совершенствования радиоэлектронных систем ГА и организация их технического обслуживания. МИИГА, Межвузовский сб. научн. трудов, 1993.

40. Логвин А.И., Старых А.В. Воздействие внешних мешающих сигналов на структуру устройств обработки поляризационных сигналов. / Радиооборудование ЛА для решения задач ПАНХ. - М.: МИИГА, Межвузовский сб. научн. трудов, 1992.

41. Старых А.В. Моделирование приемника радиотепловых сигналов. /Проблемы технической эксплуатации и совершенствование РЭО. - М.: МИИГА, Межвузовский сб. научных трудов, 1990.

42. Старых А.В. Оптимизация приемных устройств радиометров при изменении поляризационных параметров ЭМВ. В кн.: Отчет по НИР "Портрет". - М.: МИИГА, 1991, т.4.

43. Старых А.В. Применение методов фильтрации для построения высокоэффективных радиометрических систем. В кн.: Отчет по НИР "Портрет". - М.: МИИГА, 1991 т.3.

44. Старых А.В. Навигационные характеристики радиотепловых полей. В кн.: Отчет по НИР "Портрет". - М.: МИИГА, 1990, т.2.

45. Старых А.В. Повышение эффективности функционирования радиометрических систем при решении задач радионавигации. В кн.: Отчет по НИР "Портрет". - М.: МИИГА, 1990. т.1.

Размещено на Allbest.ru