Особенности навигации беспилотного летательного аппарата при полете в пограничном слое атмосферы

УДК 621. 396

ОСОБЕННОСТИ НАВИГАЦИИ БЕСПИЛОТНОГО ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА ПРИ ПОЛЕТЕ В ПОГРАНИЧНОМ СЛОЕ АТМОСФЕРЫ

В.И. НЕФЁДОВ, А.Ю. МАТВЕЕВ

Рассмотрено использование автоструктур пограничного слоя атмосферы для увеличения продолжительности полета БПЛА. В качестве элемента системы навигации для поиска автоструктур предложен тепловизионный приемник. Сформулированы требования к АСУ БПЛА и к тепловизорам для реализации системы поиска автоструктур.

Ключевые слова: атмосфера, автоструктура, БПЛА, тепловизор, навигация.

Выбор типа тепловизионного прибора

При поиске автоструктур [1, 2] контраст между автоструктурой и тепловым фоном неба составляет несколько градусов. Поэтому задача может быть решена с помощью тепловизионных приборов (ТВП), имеющих температурную чувствительность 0.05 ^ 0.1 К. Учитывая малый вес БПЛА (< 5 кг), ТВП должен иметь вес на порядок меньше веса БПЛА, что исключает использование в нем холодильных машин. Таким требованиям удовлетворяют ТВП с неохлаждаемыми микроболометрическими ИК-матрицами и рабочей областью спектра 8 - 14 мкм.

Основные преимущества неохлаждаемых тепловизоров:

- рабочий диапазон лучше приспособлен для наблюдения в условиях дыма, тумана, смога, так как в диапазоне 8-14 мкм ИК-излучение не поглощается ни парами воды, ни углекислым газом;

- сравнительно небольшой размер и вес;

- меньшая потребляемая мощность;

- высокое отношение сигнал/шум и качество изображения, широкий динамический диапазон.

Основной недостаток микроболометрических ТВП - использование светосильной оптики

для обеспечения терморезистивного эффекта (необходимо собрать и передать на болометр большое количество энергии). Поэтому для достижения требуемого отношения «сигнал/шум» на выходе фотоприемника требуется оптика с большим диаметром входного зрачка.

Чувствительность микроболометра, характеризуемая NETD (Noise Equivalent Temperature Difference) - эквивалентная шуму разность температур для лучших приборов, достигает порядка 50 мК при рекордном значении 20 мК [3]. В дальнейшем при оценках возможностей тепло-визионных систем поиска автоструктур будем пользоваться характеристиками портативного тепловизора "СЫЧ-3", высококачественная германиевая оптика которого обеспечивает максимально эффективное использование возможностей микроболометра.

Использование тепловизионных методов пеленгации для поиска автоструктур

Поиск автоструктур в нижней части АПС имеет определенные трудности, связанные с выделением сигнала от автоструктур на фоне флуктуаций температуры атмосферы. Кроме того, на дальность обнаружения автоструктур влияет затухание сигнала на аэрозольных частицах (в основном влаги) и мелкомасштабной турбулентности. В нашем случае задача сводится к тому, чтобы из общего фона, который традиционно связывают с возмущениями атмосферы, выделить надежно вклад автоструктур, определить положение ближайшей автоструктуры относительно осей БПЛА. В дальнейшем мы будем ориентироваться ТВП с определенной чувствительностью (NETD). Поэтому основная цель исследований сводится к проблеме повышения контраста ТВП и его пространственному разрешению.

В АПС мы наблюдаем два типа температурных флуктуаций, вызванных турбулентностью: мелкомасштабные флуктуации, размер которых значительно меньше размера автоструктур, и флуктуации, обусловленные автоструктурами. Мелкомасштабные флуктуации могут быть легко отфильтрованы с помощью цифровых фильтров. Для использования видеоизображения ав-

тоструктур в навигационных целях необходимо повысить его контрастность. С этой целью можно применить критерий комбинированного контраста и алгоритм многоспектральной обработки сигнала [4]. Однако реализация этого алгоритма предполагает использование охлаждаемых ИК-матриц. В нашем случае предполагается использовать неохлаждаемые микроболометры. Поэтому применение процедуры [4] исключено. Но поскольку мы знаем форму автоструктур и имеются оценки их размеров и расстояний между ними, для повышения контраста изображения автоструктуры и ее пространственного разрешения предполагается использовать мягкие алгоритмы и нечеткие логики [5 - 7].

Тепловой контраст в спектральной области АХ между двумя объектами, обладающими температурами Т8 и Ть (в нашем случае Т8 - температура автоструктуры, Ть - температура фона), может быть записан, согласно [8], следующим образом

В случае слабоконтрастных изображений, к которым относятся автоструктуры, выражение (1) можно преобразовать к следующему виду

диапазона АХ = 8 - 12 мкм по оценкам [8] £ ~ 2.73.

Как показывают оценки, при поиске автоструктур мы имеем дело с протяженными источниками. Условие локализации автоструктур достаточно четко выделяет ее на общем атмосферном фоне. Однако у краев структуры будет наблюдаться некоторая размытость, от которой можно избавиться путем фильтрации.

Для многих применений ИК-систем представляет интерес максимальная дальность, на которой эти системы могут обнаружить цель или следить за ней. Для того чтобы ясно видеть, как различные факторы влияют на максимальную дальность обнаружения Я, удобно сгруппировать члены, согласно [9], следующим образом: Я = Я]Я2Я3Я4, где Я1 = (Jтa )12 определяется силой излучения J и пропусканием излучения та вдоль линии визирования. В случае автоструктур Я} зависит от высоты полета БПЛА, времени суток и времени года. Величины Я2, Я3 и Я4 зависят от свойств прибора. Обычно при выбранном ТВП значения Я2, Я3,Я4 заданы. Поэтому мы не можем повлиять на дальность обнаружения прибора и все дальнейшие шаги по увеличению контрастности изображения направлены на повышение точности наведения БПЛА на автоструктуру.

Выражение (3) может быть использовано для оценки дальности обнаружения конкретной цели исходя из характеристик выбранного ТВП. Допустим, что мы решили использовать в навигационной системе БПЛА приспособленный для этих целей ТВП «Сыч», который обладает характеристиками, приведенными в табл. 1. Так как сила излучения J пропорциональна контрасту цели С, то из выражения (3) можно получить соотношение для пересчета дальности обнаружения автоструктуры Яау исходя из дальности обнаружения человека Я*: Я, /Яск = (С* /Ссп,)05 = (АТ, / АТау)05, где АТ* и АТау - превышения температуры тела человека и автоструктуры над температурой фона соответственно. Так как АТ, ~ 10°, согласно [8], при АТау = 0.8 и Я, = 1600 м значение (АТ, / АТау)05 ~ 3.5, а Яау = 457 м, т.е. почти в 4 раза меньше расстояния между автоструктурами (размера ККС).

С (Т., Тъ, АХ) =

Яря (Т ) - ЯаЯ(Ть ) Я АХ (Т. ) + Я АХ (Тъ Г

С (Т., Тъ, АХ) = д(Т - Тъ)/Тъ,

где д =

к (ехр(Ис / ХкТъ) -1)2

2лк2 с Х ‘

2^3 о-6

ехр(,с / ХкТъ )ёХ / ЯАХ(Тъ), Т. - Тъ ~ 1 20. Для спектрального

у

Таблица 1

Основные характеристики ТВП «Сыч»

Формат, пикселей 384 х 288

Размер пикселя, мкм 35 / 25

Спектральный диапазон, мкм 7 - 14

МРТ, m К < 100/ < 70

Дальность обнаружения человека, м 1100 / 1500 1600 / 2200

Поле зрения 11° х 8,2° / 7,4° х 5,9° ИННВ 7,7° х 5,8° / 5,5° х 4,1°

Фокусное расстояние объектива, мм 70 100

Минимальное расстояние наблюдения, м < 50

Таким образом, складывается следующая ситуация. Если дальность обнаружения слабоконтрастных целей ТВП меньше расстояния между автоструктурами (а это наиболее общая ситуация), процедура перехода от одной автоструктуры к другой будет состоять из двух участков (рис. 1): «слепого» полета, когда ТВП не видит цели и БПЛА движется по заданному курсу до момента захвата цели, и движения БПЛА в направлении цели по данным ТВП. В обоих случаях движение БПЛА в азимутальной плоскости должно сопровождаться колебаниями (рысканьями) относительно заданного курса с определенной амплитудой, величина которой зависит от расстояния между ближайшими соседями автоструктуры, являющейся целью поиска. Система управления ЛА должна быть построена таким образом, чтобы после захвата цели за время выхода на минимальное расстояние наблюдения вывести БПЛА в такую область автоструктуры, откуда обеспечивается надежный набор высоты. Для этого контраст цели должен быть увеличен до такой величины, чтобы система управления позволила вывести ЛА в нужную область автоструктуры. С этой целью будут использованы мягкие алгоритмы повышения контрастности изображения автоструктур. Алгориты будут реализованы в бортовых ЭВМ БПЛА на базе однокристаллических микроЭВМ. Здесь проблема сводится к тому, чтобы объем памяти микроЭВМ позволил реализовать его. Для надежного выделения ближайших автоструктур будут применены методы мягких вычислений и нечеткой логики, которые позволяют повысить контрастность распознаваемого изображения [5 - 7].

2 -N \ S3 —1 і 7\ 4

-н Г Ч Г «

/ / \ t

/ г \ V V ч

/ 7 4 ч \

У * А \ \

<Г \ I- к

X і - /—

\ ч. Р 1 ^ / V

Л- /

/ /—

I— , 4 гт

Рис. 1. Схема движения БПЛА от автоструктуры 1 в направлении автоструктуры 3 в азимутальной плоскости: 1-1’ - движение в направлении курса БПЛА; 1-2 - участок «слепого» полета с рысканиями относительно курса 1-1’ (волнистая линия); 2 - точка захвата цели ТВП;

2-2’ - движение БПЛА в направлении автоструктуры; 3 - жирными точками в вершинах шестиугольника отмечены остальные автоструктуры

Реальная задача наведения БПЛА на очередную автоструктуру осложняется тем, что в процессе движения ЛА подвергается воздействию возмущений со стороны атмосферы, а сами торы (ось, перпендикулярная к плоскости сечения тора) будут совершать угловые колебания относительно плоскости ККС.

Полет БПЛА, использующего энергию автоструктур, будет происходить в следующем режиме. Как только тепловизионная навигационная система обнаруживает нижнюю границу автоструктуры, далее полет осуществляется за счет энергии автоструктур (набор высоты и планирования от одной автострутуры к другой), т.е. электродвигатель отключается, и энергия аккумуляторов используется только на обслуживание системы управления и другой бортовой аппаратуры (например, разведывательной). Таким образом, можно сэкономить значительное количество энергии, связанное с поддержанием заданной высоты полета БПЛА.

Заключение

Автоструктуры могут существенно повлиять на длительность пребывания в воздухе тактических БПЛА. Использование БПЛА, оборудованных навигационными тепловизионными системами, позволит расширить арсенал средств, применяемых в физике атмосферы, непосредственно исследовать эти структуры. Навигационные тепловизионные системы могут быть использованы на тяжелых летательных аппаратах типа планёров.

ЛИТЕРАТУРА

1. Нефедов В.И., Матвеев А.Ю. Особенности навигации БПЛА при полете в пограничном слое атмосферы // Научный Вестник МГТУ ГА (в печати).

2. Гончаренко В.В. Техника и тактика парящих полётов (практические советы). - М.: ДОСААФ, 1975.

3. Алеев P.M., Иванов В.П., Овсянников В.А. Несканирующие тепловизионные приборы. - Казань: Изд-во Каз. ун-та, 2004.

4. Горелик Л.И., Соляков В.Н., Тренин Д.Ю. Прикладная физика. - 2011. - № 4. - С.88 - 95.

5. Заде Л.А. Новости искусственного интеллекта. - 2001. - № 2, 3. - С. 7-11.

6. Орловский С. А. Проблемы принятия решений при нечеткой исходной информации. - М.: Радио и связь, 1981.

7. Матвеев А.Ю., Милованова Н.В., Макеенкова Н.С., Нефёдов В.И., Киров С.В., Зубков А.П. // Труды Российского НТО радиотехники, электроники и связи им. А.С. Попова. - М., 2011. - Вып. LXVI. - С. 421-426.

8. Госсорг Ж. Инфракрасная термография. - М.: Мир, 1988.

9. Хадсон Р. Инфракрасные системы. - М.: Мир, 1972.

РECULIARITIES OF THE UAV NAVIGATION AT THE FLIGHT INTO ATMOSPHERIC BOUNDARY LAYER

Nefedov V.I., Matveev A.Y.

Use of autostructures of the atmospheric boundary layer for increase of the UAV flight endurance is considered. As element of the navigation system for the autostructure search infrared detector is proposed. Requirements to the UAV ACS and и infrared detector for realization of the autostructure search system are formulated.

Key words: atmosphere, autostructure, UAV, infrared detector, navigation.

Сведения об авторах

Нефедов Виктор Иванович, 1945 г.р., окончил РРТИ (1968), доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой телекоммуникационных систем МГТУ МИРЭА, автор около 200 научных работ, область научных интересов - радиотехника, цифровые системы передачи информации и информационно-измерительных систем.

Матвеев Андрей Юрьевич, 1989 г.р., окончил МГТУ МИРЭА (2011), аспирант кафедры телекоммуникационных систем МГТУ МИРЭА, автор 3 научных работ, область научных интересов - использование тепловизионных систем при навигации БПЛА.