Адаптация кадровой частоты в системах орбитального обслуживания

Размещено на http://www.allbest.ru/

Главная (Пулковская) астрофизическая обсерватория Российской академии наук (ГАО РАН)

Акционерное общество «Научно-исследовательский институт телевидения» (АО «НИИ телевидения»

Федеральное государственное унитарное предприятия «Государственный научно-исследовательский институт прикладных проблем» (ФГУП «ГосНИИПП»)

Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого (СПбПУ)

АДАПТАЦИЯ КАДРОВОЙ ЧАСТОТЫ В СИСТЕМАХ ОРБИТАЛЬНОГО ОБСЛУЖИВАНИЯ

А. В. Девяткин, А. К. Цыцулин, А. И. Бобровски,

А. В. Морозов, Д. Л. Горшанов, В. А. Павлов

Аннотация

космический кадровый частота звездный

Предложен метод адаптации кадровой частоты для наблюдения космических объектов при их обнаружении и сопровождении в условиях больших изменений дальности и видимой яркости на звёздном фоне по признаку отличия скоростного смаза изображения доминантных и фоновых объектов. Сформулировано уравнение управления состоянием системы при дискретном изменении кадровой частоты. Показана перспективность использования метода адаптации в системах контроля сближения космических аппаратов благодаря расширению горизонта чувствительности аппаратуры.

Ключевые слова: адаптация кадровой частоты, смаз, гистерезис, уравнение управления, дихотомия

Annotation

ADAPTATION OF THE FRAME RATE IN THE SYSTEMS OF THE ORBITAL SERVICE

The proposed method of adapting frame rates for observation of space objects if they are detected and accompanied by large changes in the distance and the apparent brightness in the starry background on the sign of the difference speed shift image dominant and background objects. The equation of control of a condition of system at discrete change of frame frequency is formulated. The prospects of using the adaptation method in spacecraft approach control systems due to the expansion of the sensitivity horizon of the equipment are shown.

Keywords: adaptation, frame rate, blurring, hysteresis, equation management dichotomy

Введение

При создании систем наблюдения космических объектов в интересах орбитального обслуживания системный подход заключается в совместном синтезе обработки информации в фотоприёмной матрице и программно-аппаратных средствах обработки изображений, ответственных за высокую надёжность обнаружения и сопровождения подвижных объектов на звёздном фоне. Развитие программно-аппаратных средств связано с использованием методов кластерного анализа [1], [2], методов параллельных вычислений и обучаемых алгоритмов, в т. ч. нейросетевых методов [3].

Важной частью параметрического синтеза системы наблюдения динамических сцен является определение оптимальной кадровой частоты и определение метода её перестройки в ходе наблюдения в условиях изменения интенсивности сигнала наблюдаемого космического объекта (КО), например, в силу изменения дальности между ним и космическим аппаратом наблюдения (КАН).

Выбор типа стабилизации КАН

При наблюдении удалённых КО на звёздном фоне основным признаком различения сигналов объекта и фона является различный скоростной смаз, зависящий от видимой скорости движения объектов. При этом возможны два типа стабилизации КА-наблюдателя (КАН), это [1], [2]:

1. Трёхосная, по звёздным датчикам, используемая при наличии предварительного указания от наземных средств наблюдения. В этом варианте наблюдаемые звёзды имеют постоянное положение в кадре, а изображение КО имеют вид треков, длина которых зависит от видимой скорости КО и времени накопления (длительности кадра).

2. Трёхосная, в том числе по ИК-вертикали со стабилизацией курса и крена по звёздным датчикам, когда визирная ось КАН перпендикулярна нормали к поверхности Земли, т. е. является касательной к круговой орбите. В этом варианте изображения ИКО в приборной плоскости при одинаковых орбитах КАН и КО неподвижны, а изображения звёзд имеют вид треков, длина которых зависит от времени накопления (длительности кадра); при различных орбитах (высота, наклонение) изображения и звёзд и КО имеют различный смаз.

Принципиальное различие этих вариантов наблюдения состоит в том, что чувствительность системы по обнаружению КО уменьшается пропорционально значению смаза по сравнению с неподвижными объектами. Это означает, что для расширения горизонта чувствительности, т. е. увеличения дальности обнаружения ИКО, режим стабилизации по ИК-вертикали выглядит предпочтительнее.

Количественное значение смаза в обоих режимах зависит от параметров орбиты КАН и КО и для достаточно типичных орбит, полей зрения и значительных дальностей смаз изображения может составлять единицы пикселов за секунду. При этом построение системы с постоянной кадровой частотой ведёт к необходимости использования достаточно высокой кадровой частоты (при времени кадра десятки миллисекунд), необходимой для уменьшения ошибок измерения пространственно-временных координат КО на близких дистанциях контроля сближения. Это означает, что смаз, как основной признак селекции КО на фоне звёзд, может оказаться ниже порога чувствительности алгоритма различения сигналов объекта и фона [3].

Метод адаптации кадровой частоты

Анализ модели накопления сигналов в матричном фотоприёмнике и прямой эксперимент показывают, что при слишком малом времени накопления имеется дефицит как чувствительности, так и смаза как отличительного признака, т. е. надёжному выделению доминантной информации об КО мешают как шумовая, так и фоновая информации. При слишком большом времени накопления неприемлемыми становятся задержки получения информации о пространственно-временных координатах КО, а также увеличиваются ошибки селекции объектов в силу возрастающей вероятности перекрытия и слияния треков звёзд. Следовательно, на больших дистанциях частота кадров должна понижаться, а при малых дистанциях увеличиваться, и должно существовать оптимальное время накопления, т. е. оптимальная кадровая частота. Такой метод перестройки параметров системы является развитием принципа итерационного контроля сближения КА, выдвинутого С. П. Королёвым. Адаптация кадровой частоты благодаря увеличению времени накопления при малых видимых скоростях КО увеличивает дальность обнаружения, а при больших видимых скоростях КО сокращает время задержки.

Оптимизацию времени кадра рассмотрим на примере метода стабилизации визирной оси по касательной к общей орбите КАН и КО, определяющих модель наблюдения как неподвижный объект и подвижный фон (рис. 2). Разумным критерием оптимальности представляется минимум взвешенной суммы задержки принятия решения ф, пропорциональной времени кадра T_к, и риска R [1] (с соответствующими весовыми коэффициентами c_ф и с_R), который здесь рассмотрим в виде, включающем две компоненты: R_ф из-за влияния фона (качества подавления фона) и R_n из-за влияния шума (отношения сигнала доминантного объекта к шуму):

T_{к опт} = argmin{c_фT_к + с_R(R_ф + R_n)}. (1)

Критерий (1) на практике означает, что для минимизации задержки ф принятия решения нужно выбрать время кадра T_к самым малым из тех, при которых риск R ошибочного решения о принадлежности каждого объекта к иному классу близок к нулю. Для обоих компонент риска R_ф и R_n существуют пороги, при превышении которых ошибками принятия решения можно пренебречь. Порог обнаружения сигнала при гауссовском шуме соответствует значению отношения сигнал/шум около 10, порог обнаружения смаза также связан с отношением сигнал/шум, но даже при его достаточном значении в силу инструментальных ошибок дискретизации и квантования обычно имеет значение, близкое к 2 пикселам [3].

Так как риск R_ф резко возрастает при уменьшении смаза фоновых объектов (признака различения) до порогового значения и становится пренебрежимо малым при больших значениях смаза (большом времени накопления), а риск R_n резко возрастает при уменьшении отношения сигнал/шум до порогового значения и становится пренебрежимо малым при больших значениях времени накопления, то оптимальное время кадра должно определяться по правилу:

Т_опт = max{Т_{ш мин}, Т_{s мин}}. (2)

Обработка информации в системе управления кадровой частотой

В силу принятого критерия (1) необходимо использовать оба показателя качества - риски R_ф и R_n, и при работе системы наблюдения возможны оба случая - когда требуемое время накопления Т_опт должно устанавливаться исходя из необходимой чувствительности, т. е. Т_{ш мин}, и когда оно устанавливаться исходя из необходимого смаза сигнала фоновых звёзд, т. е. Т_{s мин}.

Для устойчивой работы алгоритма адаптации кадровой частоты следует ввести гистерезис, т. е. по два порога г_в и г_н для каждого из этих показателей. При использовании метода дихотомии при адаптации кадровой частоты такая группа порогов (верхних - для смаза г_sв и отношения сигнал/шум г_шв, и нижних для смаза г_sн и отношения сигнал/шум г_шн) должна удовлетворять условию г_в/г_н = 2 + д, где д -компонент, имеющий смысл «технологического» запаса устойчивости системы, определяемый по среднеквадратическим значениям ошибок оценивания смаза и отношения сигнал/шум. С учётом гистерезиса при использовании дихотомии правило (2) принимает вид:

max{T_{ш min}, T_{s min}}<Т_опт <(2 + д)max{T_{ш min}, T_{s min}}, (3)

а функциональная схема системы с адаптацией кадровой частоты [3], [4] приводится к виду рисунка 1.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Структурная схема рисунка 1 содержит два контура отрицательной обратной связи, стабилизирующих работу системы по критерию (1). В эти контуры входят фильтры сглаживания текущей оценки смаза s изображений фоновых звёзд и текущей оценки отношения сигнал/шум ш выделяемого КО. Формирователь управления должен работать в соответствии с уравнением управления, в котором формируются знаки разности величин (sign(a - b) = 1, a > b; sign(a - b) = 0, a ? b).

Сигналы управления подаются на устройство памяти состояния, которых может быть произвольное количество, но для практики бортовых систем контроля сближения КА наиболее реален вариант с состояниями, определяемыми временем кадра начиная с 8 секунд (с этого состояния начинается обнаружение) и с 8?10 ступенями, отличающимися в два раза (4 с, 2 с, 1 с, и т. д.). Устройство памяти состояния системы может быть выполнено в виде log₂W-разрядного реверсивного счётчика, на входы управления сложением (+) и вычитанием (-) которого подаются сигналы управления (4) Y_k, а на его счётный вход подаётся сигнал (логическое «или» операндов).

Особенностью уравнения (4), реализующего правило (3), является использование операций логического «и» и логического «или», соответствующие тому, что для перевода системы в состояние с бульшим временем накопления достаточно понижения ниже нижнего порога (г_sн или г_шн) любого из показателей - смаза или отношения сигнал/шум, а для перевода системы в состояние с меньшим временем накопления необходимо превышение верхнего порога (г_sв или г_шв) обоих показателей.

Заключение

Обработка информации в системе орбитального обслуживания (наблюдения космических объектов в реальном времени) должна осуществляться на основе критерия (1) минимума взвешенной суммы задержки формирования информации и риска из-за ложной (фоновой и шумовой) информаций. Опора на этот критерий позволяет синтезировать алгоритм управления кадровой частотой в соответствии с уравнением (4). Использование принципов дихотомии, инерционности и гистерезиса позволяет автоматически при изменении условий наблюдения устанавливать время кадра, обеспечивающее компромисс между достоверностью и скоростью принятия решения.

Литература

1. Обнаружение объектов на звёздном фоне / Левко Г. В., Бобровский А. И., Морозов А. В., Цыцулин А. К. // Вопросы радиоэлектроники, сер. Техника телевидения, 2016, вып. № 2. С. 29-38.

2. Теория и практика космического телевидения/ Умбиталиев А. А., Цыцулин А. К., Левко Г. В., Пятков В. В., Кузичкин А. В., Дворников С. В., Шипилов Н. Н., Адамов Д. Ю., Манцветов А. А., Бобровский А. И. и др. // Под ред. А. А. Умбиталиева и А. К. Цыцулина. СПб, НИИ телевидения, 2017. 368 с.

3. Классификация малоразмерных изображений космических объектов по признакам движения с помощью обучаемого алгоритма /Цыцулин А. К., Морозов А. В., Бобровский А. И., Баскова Ю. В., Павлов В. А.// Вопросы радиоэлектроники, сер. Техника телевидения, 2018, вып. № 3. С. 72-80.

Размещено на Allbest.ru