Способ повышения надежности и точности пассивной системы видения
Владельцы патента RU 2729511:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Рязанский государственный радиотехнический университет имени В.Ф. Уткина" (RU)
Способ может быть использован в многопозиционных оптических, тепловых или пассивных радиосистемах видения для наблюдения за малоразмерными объектами. Способ заключается в составлении n пар (n≥2) взаимно ориентированных приемников, определении в каждой паре ортов векторов направлений на объекты, выборе неповторяющихся вариантов соединения ортов в сопряженные пары по критерию сопряжения и для выбранных вариантов вычисляют оценки дальностей и пространственных координат объектов. Взаимные положения ортов векторов направлений на объекты в каждой паре близки к ортогональным. Операции над ортами выполняют в единой для всех приемников системе координат. Осуществляют кластеризацию координат, полученных во всех n парах приемников, и пространственные координаты центров кластеров передают на сопровождение объектов. Если происходит отказ в работе отдельного приемника в какой-либо паре, то оставшийся в этой паре рабочий приемник соединяют с другим приемником из состава работающих пар с учетом ортогональности направлений на объекты, и образуют новую пару, и продолжают образование новых пар в случае новых отказов. Технический результат - сокращение вычислительных затрат при сохранении надежности и точности работы пассивной системы видения.
Изобретение относится к многопозиционным оптическим, тепловым и пассивным радиосистемам видения для наблюдения за малоразмерными объектами. Такая система состоит из нескольких оптических, радиометрических или радиотехнических приемников, которые в пассивном режиме наблюдения определяют орты векторов направлений на объекты [1]. Полученные орты распределяются по принадлежности конкретным объектам, после чего на основе сопряженных пар векторов вычисляются оценки дальностей до объектов и их пространственные координаты [2].
Точность определения положения объектов определяется числом приемников и их взаимным расположением, а надежность - способом резервирования приемников. Известен способ повышения надежности и точности пассивной системы видения [3], который заключается в следующем.
1. Размещают N (N>2) взаимно ориентированных приемников (наблюдателей) и параллельно выполняют N однотипных схем операций, причем при выполнении операций k-й схемы считают, что k-й приемник является основным, а остальные N-1 приемников - вспомогательными, пересчитывающими свои координаты в систему координат k-го приемника.
2. В каждой из N-1 пар основного и вспомогательного приемника находят орты векторов направлений на объекты и выбирают неповторяющиеся варианты соединения ортов в сопряженные пары по критерию сопряжения.
3. Среди N параллельно выполненных схем операций выбирают схему с наилучшим показателем сопряжения и полученные для данной схемы оценки пространственных координат объектов передают на сопровождение.
4. Если происходит отказ в работе одной схемы с основным приемником, то выбирают следующую в порядке улучшения показателя сопряжения параллельно работающую схему с другим основным приемником и передают на сопровождение оценки координат, полученные в этой схеме. Продолжают подобный выбор схем в случае новых отказов.
Данный способ обладает следующим недостатком.
Способ требует наличия N схем обработки данных наблюдения, что приводит к увеличению вычислительных затрат в N раз по сравнению с системой, состоящей из одного основного приемника и N-1 вспомогательных. При этом повышение точности достигается выбором схемы с наилучшим показателем сопряжения векторов направлений на объекты.
Предлагаемое техническое решение направлено на устранение указанного недостатка, а именно на сокращение в N раз вычислительных затрат при сохранении надежности и точности работы пассивной системы видения.
Технический результат предлагаемого технического решения достигается применением способа повышения надежности и точности пассивной системы видения, который заключается в составлении n пар (п≥2) взаимно ориентированных приемников, определении в каждой паре ортов векторов направлений на объекты, выборе неповторяющихся вариантов соединения ортов в сопряженные пары по критерию сопряжения и выполнении операций над ортами в системах координат каждого приемника, отличающийся тем, что пары приемников составляют так, чтобы взаимные положения ортов векторов направлений на объекты в каждой паре были близки к ортогональным, и выполняют операции над ортами в единой для всех приемников системе координат, при этом в каждой паре приемников выбирают неповторяющиеся варианты соединения ортов в сопряженные пары по критерию сопряжения и для выбранных вариантов вычисляют оценки дальностей и пространственных координат объектов, затем осуществляют кластеризацию координат, полученных во всех n парах приемников, и пространственные координаты центров кластеров передают на сопровождение объектов, кроме того, если происходит отказ в работе отдельного приемника в какой-либо паре, то оставшийся в этой паре рабочий приемник соединяют с другим приемником из состава работающих пар с учетом ортогональности направлений на объекты и образуют новую пару, и продолжают образование новых пар в случае новых отказов.
Алгоритмически способ сводится к следующим операциям.
1. Из N приемников (N≥3), ориентированных в единой прямоугольной системе координат базовыми векторами bk и матрицами Pk поворота осей координат 
составляют n пар (2≤n≤N) так, чтобы орты а1(i) и a2(j) векторов i-x и j-x направлений на m объектов (m≥1) в каждой s-й паре приемников 
с номерами k1 и k2 (k1, k2 ∈ {1, 2,…, N}, k1≠k2) были близки к ортогональным. Это достигается расположением приемников на линии окружности или поверхности сферы с определенным радиусом, зависящим от рубежа дальности наблюдения. Центр единой системы координат может совпадать с центром окружности или сферы.
2. В каждой s-й паре определяют орты а1(i) и а2 (j) векторов i-х и j-x направлений на объекты 
в местных системах координат приемников и пересчитывают координаты ортов в единую систему координат, получая тем самым векторы 
3. Для каждой i-й, j-й пары ортов 
s-й пары приемников ("T" - символ транспонирования) из условия сопряжения векторов 
то есть их линейной зависимости в единой системе координат:
где rkl(i) и rk2(j) - искомые дальности до объектов относительно k1-го и k2-го приемников; e(i, j)=(ex, ey, ez)T - вектор ошибок сопряжения M1(i) и M2(j), находят оценки 
дальностей по критерию минимума квадрата нормы вектора ошибок сопряжения 
После представления (1) в координатно-матричной форме 
находят вектор 
оценок дальностей как
Точность оценок дальностей (2) определяется ковариационной матрицей 
ошибок оценивания ΔR, где 
- дисперсия координат вектора ошибок сопряжения. Из анализа следует, что наименьшие дисперсии ошибок оценок дальностей получаются при ортогональном положении векторов в сопряженных парах. При ортогональном положении и показатели J(i, j) сопряжения векторов принимают наименьшие значения.
4. Выбирают m неповторяющихся пар векторов a1(i) и а2(ji), 
где номер ji поставлен в соответствие номеру i, с наименьшими значениями показателей сопряжения 
Для них вычисляют векторы Ms(i) усредненных оценок пространственных координат m объектов в единой системе координат для каждой s-й пары приемников:
5. Координаты объектов, обнаруженных во всех стереопарах приемников, подвергают операциям кластеризации. В результате выделяют 
кластеров (
- оценка числа m) по признаку близости координат, и координаты центров кластеров передают на сопровождение объектов.
6. Если происходит отказ в работе отдельного приемника в какой-либо паре, то оставшийся в этой паре рабочий приемник соединяют с другим приемником из состава работающих пар с учетом ортогональности направлений на объекты и образуют новую пару. Продолжают образование новых пар в случае новых отказов.
Точность и надежность системы приемников
Повышение точности оценок координат в предложенной схеме размещения N приемников (N>2) по сравнению с обычной стереопарой (N=2) достигается взаимным расположением пар приемников с учетом ортогональности векторов направлений на объекты.
Надежность системы N приемников (N>2) определяется вероятностью того, что при вероятности р безотказной работы каждого приемника хотя бы 2 из N приемников будут работать надежно. С применением формулы Бернулли получается вероятность pN безотказной работы системы:
что в сравнении с N=2 дает очевидное преимущество: pN>р2 при N>2.
Таким образом, предложенный способ по сравнению с прототипом позволяет сократить в N раз вычислительные затраты при сохранении надежности и точности работы пассивной системы видения, присущих прототипу.
Литература
1. Патент RU 2694023.
2. Патент RU 2681518.
3. Патент RU 2682376.
Способ повышения надежности и точности пассивной системы видения, заключающийся в составлении n пар (n≥2) взаимно ориентированных приемников, определении в каждой паре ортов векторов направлений на объекты, выборе неповторяющихся вариантов соединения ортов в сопряженные пары по критерию сопряжения и выполнении операций над ортами в системах координат каждого приемника, отличающийся тем, что пары приемников составляют так, чтобы взаимные положения ортов векторов направлений на объекты в каждой паре были близки к ортогональным, и выполняют операции над ортами в единой для всех приемников системе координат, при этом в каждой паре приемников выбирают неповторяющиеся варианты соединения ортов в сопряженные пары по критерию сопряжения, и для выбранных вариантов вычисляют оценки дальностей и пространственных координат объектов, затем осуществляют кластеризацию координат, полученных во всех n парах приемников, и пространственные координаты центров кластеров передают на сопровождение объектов, кроме того, если происходит отказ в работе отдельного приемника в какой-либо паре, то оставшийся в этой паре рабочий приемник соединяют с другим приемником из состава работающих пар с учетом ортогональности направлений на объекты, и образуют новую пару, и продолжают образование новых пар в случае новых отказов.
