Automatyzacja nawigacji radarowej Automation of radar navigation
Transkrypt
Automatyzacja nawigacji radarowej Automation of radar navigation
Scientific Journals Zeszyty Naukowe Maritime University of Szczecin Akademia Morska w Szczecinie 2008, 13(85) pp. 109‐114 2008, 13(85) s. 109‐114 Automatyzacja nawigacji radarowej Automation of radar navigation Mariusz Wąż, Krzysztof Czaplewski Akademia Marynarki Wojennej, Instytut Nawigacji i Hydrografii Morskiej 81-103 Gdynia, ul. Śmidowicza 69, tel. 058 626 27 74 e-mail: [email protected], [email protected] Słowa kluczowe: nawigacja radarowa, przetwarzanie obrazu cyfrowego Abstrakt Artykuł przedstawia koncepcję automatyzacji procesu nawigacji radarowej. Wykorzystanie zobrazowania radarowego do prowadzenia nawigacji jest dość powszechne. Projektowanie i opracowywanie kolejnych systemów nawigacyjnych opierających się głównie na pracy współczesnych radarów jest wynikiem poszukiwania precyzyjnych, automatycznych i niezależnych systemów dających możliwości prowadzenia oraz manewrowania jednostką w pobliżu stałych i ruchomych niebezpieczeństw nawigacyjnych. Artykuł przedstawia wyniki wstępnych badań dotyczących tego zagadnienia. Zostały w nim opisane następujące problemy badawcze: – ekstrakcja punktów charakterystycznych obrazu radarowego, – wyznaczanie pozycji punktów charakterystycznych oraz pozycji własnej z wykorzystaniem metod nawigacji porównawczej, – automatyzacja identyfikacji punktów charakterystycznych obrazu radarowego, – poprawa dokładności wyznaczania pozycji własnej i punktów charakterystycznych w oparciu o elementy rachunku wyrównawczego. Key words: radar navigation, digital image processing Abstract Conception of the radar navigation process automation is presented in this paper. In navigation, using the radar presentation is very common. Designing and working out still new navigation systems based mainly on modern radars is the result of the search for precise, automatic and independent systems which allow us to lead and manoeuvre in the vicinity of constant and moving navigational dangers. The article presents the initial researches results obtained on that field and focuses on the following problems: – extraction of the radar image characteristic points, – determination of the position of characteristic points and of the own position with the use of the methods of comparing navigation, – automation of the radar image characteristic points identification, – improvement of the accuracy while determining one’s own position and the position of the characteristic points based on the elements of the compensation calculation. Wstęp i jego tonażu. Radar pokładowy wykorzystywany jest do prowadzenia bezpiecznej żeglugi. Wiąże się z tym proces wyznaczania pozycji, prowadzenie obserwacji, śledzenia ech i wykonywanie manewrów zapobiegawczych. Wyznaczanie pozycji z udziałem zobrazowania radarowego odbywa się na podstawie obserwacji stałych znaków i elementów wybrzeża wcześniej zidentyfikowanych przez nawigatora. Radar nawigacyjny stanowi niezbędną pomoc nawigacyjną na okrętach i statkach morskich. Wyposażenie jednostek pływających w sprzęt radiolokacyjny jest określone przepisami i wymogami konwencyjnymi, takimi jak konwencja SOLAS, która określa minimalne wymagania dotyczące ich wyposażenia w zależności od rodzaju jednostki Zeszyty Naukowe 13(85) 109 Mariusz Wąż, Krzysztof Czaplewski i błąd pozycji maleje. Nie można tego zaobserwować w systemach satelitarnych, przynajmniej nie na taką skalę. Poza tym infrastrukturę nawigacyjną tworzą tam sztuczne satelity Ziemi. Polepszenie dokładności wyznaczonej pozycji radarowej uzyskać można, stosując metody porównawcze. Linia brzegowa, jej ukształtowanie i występowanie charakterystycznych elementów wybrzeża, wzajemne ich usytuowanie na obrazie radarowym może być źródłem informacji niezbędnym do wyznaczenia pozycji okrętu poprzez dopasowanie obrazów radarowych. W nawigacji porównawczej obraz radarowy (batymetryczny, sonarowy, magnetyczny itp.) rozpatrywany jest całościowo. Poza tym jedną z najważniejszych cech tej metody prowadzenia nawigacji jest możliwość zautomatyzowania całego procesu wyznaczania pozycji. Komputer analizuje cały obraz. Niewymagana jest ingerencja operatora (obserwatora radarowego) podczas identyfikacji oznakowania radarowego. Istnienie bardzo dokładnych i niezawodnych systemów nawigacji satelitarnej nie zwalnia ludzi zajmujących się zawodowo nawigacją z obowiązku poszukiwania alternatywnych metod pozycjonowania. Podstawowy system pozycjonowania zawsze może doznać awarii, może zostać wyłączony, zakłócony lub zniszczony. Przyszłościowe systemy pozycjonowania powinny się charakteryzować jak największym stopniem autonomiczności – niezależności od wszelkich obiektów zewnętrznych. Możliwości takie stwarza informacja zawarta w obrazach radarowych wybrzeża. Elementy charakterystyczne linii brzegowej są od dawna wykorzystywane przez nawigatorów do określenia pozycji. Problem często stanowi jednak odszukanie na obrazie radarowym punktów, którym można przyporządkować tożsamość (dokonać ich identyfikacji) i co z tym związane, określić w stosunku do nich pozycję własną. W klasycznym ujęciu wykorzystanie obrazów radarowych w nawigacji morskiej polega na pomiarze współrzędnych biegunowych w stosunku do punktów charakterystycznych o znanych współrzędnych i wykonaniu w sposób graficzny zadania wcięcia wstecz na mapie morskiej. Jest to proste zagadnienie znane wszystkim nawigatorom morskim. Komplikuje się ono w momencie, kiedy nawigator nie może, nie potrafi lub błędnie identyfikuje charakterystyczne elementy wybrzeża czy też echa pochodzące od obiektów wyróżnionych na mapie morskiej. Obraz radarowy jednak w dalszym ciągu wykorzystywany jest do prowadzenia obserwacji i dokonywania wielu analiz w celu bezpiecznego przeprowadzenia jednostki przez rejon pływania. Dokładność pozycji wyznaczonej w sposób klasyczny z wykorzystaniem informacji pochodzącej z obrazu radarowego może być niezadowalająca. Niemniej jednak trzeba zwrócić uwagę na to, że jest ona dowiązana do linii brzegowej, w efekcie można się spodziewać wzrostu jej dokładności w miarę zbliżania się jednostki do brzegu. Jest to jeden z wymogów dokładnościowych stawianych systemom nawigacyjnym. Przedstawiono to na rysunku 1, na którym zilustrowano elipsy ufności dla określonego prawdopodobieństwa wyznaczonej pozycji z wykorzystaniem radaru i systemu satelitarnego. W przypadku stosowania radaru kształt i usytuowanie elipsy błędów jest dosyć charakterystyczne. Elementy jej są zależne od linii pozycyjnych określonych dla poszczególnych parametrów nawigacyjnych. Te zaś dowiązane są do infrastruktury nawigacyjnej wybrzeża (oznakowania radarowego). Gradient zmiany linii pozycyjnej podczas zbliżania się do znaku rośnie, zatem błąd linii pozycyjnej M a b GPS Radar Rys. 1. Wzajemne usytuowanie elipsy ufności wyznaczonej pozycji za pomocą GPS i radaru oraz błąd średni pozycji (M) określonej z radaru Fig. 1. Mutual location of the trust ellipse of the position determined with the help of GPS and of the radar, and average position error (M) determined from the radar Ekstrakcja punktów charakterystycznych obrazu radarowego Jedną z metod ekstrakcji punktów charakterystycznych jest zastosowanie do analizy i przetwarzania w celu ich wyznaczenia inwariantnej reprezentacji obrazu radarowego. Reprezentacja ta wymaga zapisu obrazu w postaci cyfrowej w kartezjańskim, a jeszcze lepiej w biegunowym układzie współrzędnych. Inwariant „konturowy” możemy zdefiniować jako funkcję ginw przyjmującą wartości [1]: A dla D c (NRk ) = ∅ g inw (k ) = min P o P c Pc∈Dc ( NRk ) k = 0,1,.., n(360 ) 110 (1) Scientific Journals 13(85) Automatyzacja nawigacji radarowej gdzie: Dc(NRk) – zbiór widocznych punktów (pikseli) obrazu leżących na określonym namiarze (NR), czyli echa radarowe w określonym namiarze; PoPc – odległość wskazanego piksela od środka obrazu, odległość echa radarowego od anteny; n – stopień zastosowanej rozdzielczości inwariantu obrazu radarowego A – pewna założona odległość większa od zakresu obserwacji. 300 250 inw ginwg(k)(k) 200 150 100 50 0 1 70 139 208 277 346 415 484 553 622 691 760 829 898 967 1036 1105 1174 1243 1312 1381 1450 1519 1588 1657 1726 1795 1864 1933 k k 300 250 inw g (k) ginw(k) 200 150 100 50 0 1 70 139 208 277 346 415 484 553 622 691 760 829 898 967 1036 1105 1174 1243 1312 1381 1450 1519 1588 1657 1726 1795 1864 1933 k k 300 250 d 200 inw g (k) ginw(k) i 150 100 50 0 315 o 000 o 090 o 180 o 270 o o 315 NR 1 70 139 208 277 346 415 484 553 622 691 760 829 898 967 1036 1105 1174 1243 1312 1381 1450 1519 1588 1657 1726 1795 1864 1933 kk i Rys. 3. Dobór estymatora funkcji inwariantu „konturowego” Fig. 3. Selection of the function estimator of the contour invariant 60 50 di 40 dzone i lokalne ekstrema pokrywają się z tożsamymi wartościami w pierwotnym inwariancie. Problem odpowiedniego doboru parametrów funkcji estymacji zobrazowany został na rysunku 4. Najbardziej optymalne parametry estymatora wskazują na funkcję, gdzie ekstrema zostały oznaczone kolorem szarym. Dla innych parametrów estymacji osiągnięto zbyt wiele ekstremów funkcji. 30 20 10 0 1 11 21 31 41 51 61 71 81 91 101 i 111 121 131 141 151 161 171 181 191 201 211 Rys. 2. Przykładowy inwariant obrazu radarowego w postaci bitmapa oraz inwariant „konturowy” Fig. 2. Demonstration invariant of the radar image in the form of a bitmap and of a contour invariant Wyznaczenie punktów charakterystycznych, dla tak zdefiniowanej funkcji, polega na wyszukaniu ekstremów funkcji ginw(k). Analizie podlegać będzie pochodna funkcji i jej miejsce zerowe oraz druga pochodna funkcji. Inwariant „konturowy” musi jednak spełniać warunek ciągłości i różniczkowalności w przedziale 〈0, n⋅360〉. Inwariant przedstawiamy w postaci funkcji analitycznej, która jest założonym estymatorem poszukiwanej funkcji ) g inw (k ) . Estymator powinien być odpowiednio dobrany. Nie można sobie pozwolić na sytuację, gdzie wskazanych zostanie zbyt dużo ekstremów. ) Estymator g inw (k ) powinien mieć wyeliminowane niewielkie pofałdowania funkcji ginw(k). Dobór ostatecznego estymatora powinien być zatem przeprowadzony niezmiernie precyzyjnie, aby nie utracić informacji o występowaniu ech znaczących, mających wpływ na wyznaczenie pozycji. Na rysunku 3 przedstawiono wykresy inwariantów konturowych i ich estymatorów. Najbardziej optymalny estymator osiągnięto w trzecim przypadku. Pofałdowania funkcji ginw(k) zostały wygłaZeszyty Naukowe 13(85) Rys. 4. Ekstrema estymowanych funkcji inwariantu konturowego Fig. 4. Extremes of the estimated functions of the contour invariant 111 Mariusz Wąż, Krzysztof Czaplewski Wyznaczenie pozycji obserwowanej i pozycji punktów charakterystycznych gdzie: od, k – wektor reprezentujący kolejne obrazy mapy morskiej (wektory namiarów lub/i odległości do punktów charakterystycznych zaznaczonych na mapie morskiej). Wyznaczenie pozycji obserwowanej w oparciu o tak przygotowane inwarianty obrazów radarowych odbywać się będzie w oparciu o porównawcze metody stosowane w nawigacji. Punkty charakterystyczne zostały wyznaczone poprzez odpowiednie wyekstrahowanie ekstremów funkcji inwariantu konturowego (jej estymowanej postaci). Metody porównawcze stosowane w nawigacji bazują na obrazach cyfrowych zapisanych w ich pierwotnych reprezentacjach lub na ich skompresowanych odpowiednikach. Jedną z metod kompresji obrazów radarowych jest ich reprezentacja inwariantu „konturowego”. Inne np. transformata Fouriera inwariantu uniezależnia obraz od rotacji, co nieznacznie poprawia efekt wyznaczania pozycji. W omawianym przypadku cały obraz radarowy możemy przedstawić w nieco bardziej skompresowanej postaci. Nową reprezentacją obrazu radarowego będzie wektor namiarów i odległości występowania punktów charakterystycznych na akwenie widocznych z pozycji anteny radarowej. W procesie wyznaczania pozycji uczestniczyć będzie nieskomplikowany czy złożony obraz radarowy, ale jedynie mapa znaków, która stanowić będzie prostą formę i składać się może z kilku lub kilkunastu elementów łatwych do przetwarzania. Cechą charakterystyczną takiego podejścia jest fakt, że system nie musi wstępnie identyfikować punktów charakterystycznych w celu wyznaczenia pozycji obserwowanej. Porównywane są wektory namiarów, względnie wektory odległości punktów charakterystycznych do tożsamych punktów możliwych do wystąpienia na mapie morskiej. Kryterium decyzyjne zostało opracowane z wykorzystaniem odległości Euklidesa jako funkcji podobieństwa. Regułę decyzyjną przedstawimy w postaci: Ψ (r ) = (ϕ o , λo )d , d = 1,2,..., D Zatem (ϕo, λo)d będą współrzędnymi środka wycinka obrazu mapy przedstawionego w postaci wektora od i spełniającego zależność (3). Takie podejście do zagadnienia wyznaczania pozycji obserwowanej opisywane jest w literaturze jako algorytm NN (Nearest Neighbour) – algorytm najbliższego sąsiada. Wykorzystana w algorytmie metryka Euklidesowa wskazuje na jego charakter minimalnoodległościowy. Taki arbitralny dobór metryki (funkcji podobieństwa) jest niezmiernie wygodny na etapie tworzenia i testowania aplikacyjnej formy opracowanej metody wyznaczania pozycji. Wstępne badania dowodzą, że popełniane błędy wyznaczania pozycji z wykorzystaniem funkcji odległości Euklidesa są porównywalne w przypadku stosowania innych funkcji podobieństwa (np. Hamminga, Czebyszewa, Camberra, Minkowskiego, Pearsona, Mahalanobisa, Tanimoto, cosinus kierunkowy). Samo zastosowanie algorytmu NN znacznie przyspiesza proces działania ww. metody. Jest to metoda typowo pamięciowa, zatem proces uczenia polega na wczytaniu i zapamiętaniu całego ciągu uczącego. W skład niego wchodzą wektory oi reprezentujące poszczególne obrazy mapy morskiej badanego akwenu. Ze względu na niewielkie rozmiary ww. wektorów i możliwości współczesnej techniki obliczeniowej metoda ta działa niemalże w czasie rzeczywistym, gdzie wyznaczenie pozycji obserwowanej możliwe jest po każdym obrocie anteny radarowej. Automatyzacja procesu wyznaczania pozycji punktów charakterystycznych wymaga przeliczenia współrzędnych kartezjańskich lub biegunowych odpowiednich pikseli cyfrowego obrazu radarowego na współrzędne geograficzne przy znanej pozycji piksela centralnego. Zagadnienie sprowadza się do prostego, typowego zadania nawigacyjnego przeliczania współrzędnych. (2) gdzie: r – wektor reprezentujący obraz radarowy (wektor namiarów lub/i odległości do punktów charakterystycznych); D – przestrzeń wszystkich możliwych pozycji obrazu radarowego (ϕo,λo). Identyfikacja znaków – punktów charakterystycznych Wyznaczone punkty charakterystyczne mogą mieć swoje odpowiedniki oznaczone na mapie morskiej z precyzyjnie podaną pozycją. Przyjęcie takich punktów do dalszej nawigacji zwiększy jej dokładność. Algorytm identyfikacji tych punktów przyjmie następującą postać. Oznaczmy kolejno uporządkowane punkty charakterystyczne mapy jako Natomiast kryterium decyzyjne dla funkcji odległości Euklidesa będzie miało postać: ∑ (o d − r )2 < ∑ (o k − r )2 ∀d ≠k (d , k = 1,2,..., D) (3) 112 Scientific Journals 13(85) Automatyzacja nawigacji radarowej uzyskania dokładniejszych wyników. Jednak należy pamiętać o tym, że zawsze wykonane obserwacje są obarczone błędami. Aby uwzględnić je, należy wykorzystywać metody rachunku wyrównawczego i uzyskane wyniki estymacji należy przyjąć do dalszej nawigacji. Aktualnie autorzy najczęściej stosują w tego typu zadaniach nawigacyjnych nowoczesne metody m-estymacji bazujące na klasycznej metodzie najmniejszych kwadratów. Wyrównanie wyników pomiarów parametrów zostało szeroko opisane w literaturze przedmiotu, np. [2]. A1 , A2 , A3 ,..., An . Punkty te mają przyporządkowane pozycje (ϕ , λ )Ai . Zdefiniujmy teraz bliskie sąsiedztwo tych punktów. Niech będzie one określone za pomocą promienia o wartości a takiego, że: a 〈〈 min Ai Ai +1 (4) 2 Przez Pj oznaczmy kolejne punkty charakterystyczne wyszukane na obrazie radarowym ( P1 , P2 , P3 ,..., Pk ) i przyporządkujmy im ich pozycje (ϕ , λ )Pj . Identyfikacja znaku polegać będzie na przyporządkowaniu pozycji znaków charakterystycznych mapy punktom obrazu radarowego leżącym w bliskim sąsiedztwie tych znaków: (ϕ , λ ) A gdy ∀i =1...n Pj Ai < a i (5) ∀ j =1...k (ϕ , λ ) Pj = (ϕ , λ ) Pj Optymalny dobór wartości a jest czynnością zasadniczą powyższego algorytmu identyfikacji. Od jej poprawnego oszacowania zależeć będzie dokładność procesu wyznaczania pozycji obserwowanej w automatycznym systemie nawigacji radarowej. a Ai+1 a Ai Pj+2 Ai+2 a Rys. 6. Przykładowa struktura pomiarowa: 4 zmierzone odległości radarowe do różnych znaków nawigacyjnych Fig. 6. Demonstration measuring structure: 4 measured radar distances to various navigational signs Pj+3 Standardowy proces wyrównania z zastosowaniem metody najmniejszych kwadratów można ująć w następujących punktach [2]: a) ustalenie liczby obserwacji koniecznych (r), wybór parametrów (ϕ, λ) i utworzenie układu równań obserwacyjnych: Pj Pj+1 Rys. 5. Identyfikacja punktów charakterystycznych Fig. 5. Identification of the characteristic points Rysunek 5 przedstawia sytuację, gdzie punkty Pj i Pj+3 zostały zidentyfikowane i przyporządkowano im nowe współrzędne odpowiednio punktu Ai oraz punktu Ai+2. d k = Fk (X) dla k = 1,...,4 b) obliczenie na podstawie wyników pomiarów przybliżonych wartości parametrów, a następnie przybliżonych wartości wielkości mierzonych; c) linearyzacja układu równań obserwacyjnych. Utworzenie macierzy współczynników oraz wyrazów wolnych: Wyrównanie pozycji własnej oraz pozycji punktów charakterystycznych Identyfikacja punktów charakterystycznych obrazu radarowego umożliwia poprawę dokładności określenia pozycji obserwowanej. Dokonujemy tego poprzez powtórne jej wyznaczenie w sposób analityczny. Zadanie tego typu należy do grupy zadań zliczenia nawigacyjnego prostego i polega na określeniu elementów trójkąta nawigacyjnego (jest znane wszystkim nawigatorom). Do jednoznacznego ustalenia współrzędnych pozycji jednostki wystarczają dwie odległości radarowe lub odległość i namiar na jeden obiekt itp. Wykorzystując w procesie prowadzenia nawigacji więcej niż dwie obserwacje, istnieje możliwość Zeszyty Naukowe 13(85) ( ) A = ∂ X F X 0 ∈ ℜ n, r ( ) 0 L = F X − x = x 0 − x ∈ ℜ n ,1 Stanowiący elementy liniowego układu równań poprawek V = Adˆ X + L ; d) ustalenie macierzy wag poprawek: p1 P= 113 p2 , gdzie O pi pi = c mi2 Mariusz Wąż, Krzysztof Czaplewski z rys. 5) w procesie automatycznej identyfikacji, a zarazem przyjętych do nawigacji. e) rozwiązanie metodą nieoznaczoną lub oznaczoną układu równań normalnych: AT PAdˆ X + AT PL = 0 Podsumowanie Zaletą stosowania urządzeń radiolokacyjnych w nawigacji morskiej jest fakt, że dowiązują się one do charakteru ukształtowania i rozmieszczenia elementów linii brzegowej i innych (nawodnych) niebezpieczeństw nawigacyjnych otaczających jednostkę. Rozkład błędu pozycji obserwowanej jest zależny od geometrycznego rozmieszczenia tych niebezpieczeństw (ilustruje to rysunek 2). Zastosowanie porównawczych technik stosowanych w nawigacji oraz technologii cyfrowego przetwarzania sygnałów i obrazów radarowych umożliwia zautomatyzowanie całego procesu wyznaczania pozycji obserwowanej. Przetwarzając obrazy radarowe do opowiadających im „niezmienników”, które są reprezentacją dość mocno skompresowaną, przyspieszamy ww. proces. Pozycja obserwowana otrzymywana może być w sposób ciągły. Zastosowanie elementów rachunku wyrównawczego nie spowalnia całego procesu nawigacji, a dokładność wyznaczenia pozycji własnej i pozycji znaków (punktów) charakterystycznych przyjętych do nawigacji wzrasta. f) na podstawie wektora d̂ X obliczenie wektora poprawek, sumy równoważnych kwadratów poprawek, wartości kontrolnej; g) wykonanie I etapu kontroli polegającego na przyrównaniu do siebie sumy równoważnych kwadratów poprawek i wartości kontrolnej. Ten etap kontroli ma na celu wykazanie błędów w ustalaniu elementów macierzy A, L, P oraz stwierdzenia czy prawidłowo zostało rozwiązane zadanie wyrównawcze; h) obliczenie estymatora współczynnika wariancji: m02 = VT PV n−r i sformułowanie wniosków co do przyjętego sposobu wagowania; i) obliczenie wyrównanych wartości parametrów ˆ = X 0 + dˆ X oraz wyrównanych wyników X pomiaru xˆ = x + V ; j) II etap kontroli. Powinien być spełniony układ () ˆ ; xˆ = F X k) ocena dokładności na podstawie macierzy kowariancji: ( ˆ = m 2 AT PA C 0 Xˆ ) −1 skąd m Xˆ = i [Ĉ ] Xˆ Bibliografia 1. PRACZYK T.: Application of bearing and distance trees to the identification of landmarks of the coast. International Journal of Applied Mathematics and Computer Science, 2007, 17, 1, 87–98. 2. WIŚNIEWSKI Z.: Metody opracowania wyników pomiarów w nawigacji i hydrografii. AMW, Gdynia 2004. ii Wyrównaniu podlegała pozycja obserwowana, a także wykonane obserwacje, w tym konkretnym przypadku odległości d do charakterystycznych ech radarowych. Tworząc odpowiedni układ równań obserwacyjnych, wyrównaniu poddać można namiary na znaki NR oraz pozycję punktów charakterystycznych niezidentyfikowanych (np. Pj+1 i Pj+2 Recenzent: prof. dr hab. inż. Andrzej Stateczny Akademia Morska w Szczecinie 114 Scientific Journals 13(85)