vestiftИзвестия Национальной академии наук Беларуси. Серия физико-технических наукProceedings of the National Academy of Sciences of Belarus. Physical-technical series1561-83582524-244XThe Republican Unitary Enterprise Publishing House "Belaruskaya Navuka"10.29235/1561-8358-2023-68-2-167-176vestift-801Research ArticleРАДИОЭЛЕКТРОНИКА, ПРИБОРОСТРОЕНИЕRADIOELECTRONICS, INSTRUMENT-MAKINGВлияние способа формирования опорного изображения на эффективность бортовой корреляционно-экстремальной системы сопровождения наземных объектовInfluence of the reference image formation method on the efficiency of the onboard correlation-extreme tracking system for tracking ground objectsСолонарА. С.SolonarA. S.

Солонар Андрей Сергеевич – кандидат технических наук, доцент, профессор кафедры автоматики, радиолокации и приемо-передающих устройств

пр. Независимости, 220, 220057, Минск, Республика Беларусь

Andrei S. Solonar – Cand. Sci. (Engineering), Professor of the Department of Automation, Radar and Transceiver Devices

220, Nezavisimosti Ave., 220057, Minsk, Republic of Belarus

andssnew@yandex.ruЦуприкС. В.TsuprikS. V.

Цуприк Сергей Викторович – старший инженер учебной лаборатории кафедры автоматики, радиолокации и приемо-передающих устройств

пр. Независимости, 220, 220057, Минск, Республика Беларусь

Sergey V. Tsuprik – Senior Engineer of the Department of Automation, Radar and Transceiver Devices

220, Nezavisimosti Ave., 220057, Minsk, Republic of Belarus

Serhio.Observer@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0003-3404-3917ХмарскийП. А.KhmarskiyP. A.

Хмарский Петр Александрович – кандидат технических наук, доцент, ведущий научный сотрудник

ул. Академическая, 16, 220072, Минск, Республика Беларусь

Petr A. Khmarskiy – Cand. Sci. (Engineering), Senior Researcher Scientist

16, Akademicheskaya Str., 220072, Minsk, Republic of Belarus

ierre2009@mail.ruВоенная академия Республики БеларусьMilitary Academy of the Republic of BelarusИнститут прикладной физики Национальной академии наук БеларусиInstitute of Applied Physics of the National Academy of Sciences of Belarus202309072023682167176Copyright © Солонар А.С., Цуприк С.В., Хмарский П.А., 20232023Солонар А.С., Цуприк С.В., Хмарский П.А.Solonar A.S., Tsuprik S.V., Khmarskiy P.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vestift.belnauka.by/jour/article/view/801

Для повышения эффективности бортовой корреляционно-экстремальной системы сопровождения при наличии изоморфных преобразований текущего изображения объекта (изменения уровня яркости, масштаба, сдвига и поворота изображения), а также помех естественного и искусственного происхождения в процессе наблюдения предлагается новый способ адаптивного формирования опорного изображения. Он заключается в применении многогипотезного измерителя с межобзорной памятью гипотез, в состав которого входят фильтры Калмана 0-го и 1-го порядка и фильтр Сингера 0-го порядка. Проводится сравнение предлагаемого способа адаптации с известными способами покадровой смены и «экспоненциального сглаживания». Для проведения сопоставительного моделирования разработан комплекс математического моделирования, в котором использован имитатор входного воздействия на базе кроссплатформенной среды Unity3D, учитывающий кинематику движения наземных объектов и полета беспилотного летательного аппарата в нормальной системе координат. Эффективность сопровождения наземных объектов каждым из способов оценивалась по величине усредненного коэффициента проводки. Полученные результаты исследований могут быть использованы при разработке разведывательных БЛА, функционирующих в реальном масштабе времени.

To improve the efficiency of the onboard correlation-extremal tracking system in the presence of isomorphic transformations of the current object image (changes in the brightness level, scale, shift and rotation of the image), as well as natural and artificial noise during the observation process, a new method of adaptive formation of the reference image is proposed. It consists in using an Interactive Multiple Model (IMM), which includes Kalman filters of the 0th and 1st order and a Singer filter of the 0th order. The proposed method of adaptation is compared with the known methods of frame-by-frame change and “exponential smoothing”. To carry out comparative modeling of a mathematical modeling complex, in which an input action simulator based on the Unity3D cross-platform environment was used, taking into account the kinematics of the movement of ground objects and the flight of an unmanned aerial vehicle in a natural coordinate system. The effectiveness of the evaluation of the tracking of ground objects of each of the evaluations was estimated by the value of the average coefficient of tracking. The obtained research results can be used in the development of reconnaissance UAVs operating in real time.

корреляционно-экстремальная системаопорное изображениеполумарковская модель яркостифильтр Калманамногогипотезный измеритель с межобзорной памятью гипотезбеспилотный летательный аппарат (БЛА)correlation-extremal tracking systemreference imagesemi-Markov model of brightnessKalman filterInteractive Multiple Modelunmanned aerial vehicle (UAV)Работа выполнена при поддержке гранта Белорусского республиканского фонда фундаментальных исследований (проект № Ф23М-103)ReferencesАли, Б. Алгоритмы навигации БПЛА с использованием систем технического зрения / Б. Али, Р. Н. Садеков, В. В. Цодокова // Гироскопия и навигация. – 2022. – Т. 30, № 4. – C. 87–105.Ali B., Sadekov R. N., Tsodokova, V. V. A Review of Navigation Algorithms for Unmanned Aerial Vehicles Based on Computer Vision Systems. Gyroscopy and Navigation, 2022, vol. 30, no. 4, pp. 241–252. https://doi.org/10.1134/s2075108722040022Артемьев, В. М. Обработка изображений в пассивных обзорно-поисковых оптико-электронных системах / В. М. Артемьев, А. О. Наумов, Л. Л. Кохан ; Нац. Акад. наук Беларуси, Ин-т приклад. физики. – Минск: Беларус. навука, 2014. – 116 с.Artemiev V. M., Naumov A. O., Kohan L. L. Image Processing in Passive Survey and Search Optoelectronic Systems. Minsk, Belaruskaya navuka Publ., 2014. 116 p. (in Russian).Артемьев, В. М. Обнаружение точечных объектов на изображениях в условиях неопределенности / В. М. Артемьев, А. О. Наумов, Л. Л. Кохан // Информатика. – 2010. – № 2. – С. 15–24.Artemiev V. M., Naumov A. O., Kohan L. L. Point objects detection in the case of uncertainty. Informatika = Informatics, 2010, no. 2, pp. 15–24 (in Russian).Артемьев, В. М. Обнаружение объектов конечных размеров на изображениях в условиях неопределенности / В. М. Артемьев, А. О. Наумов, Л. Л. Кохан // Информатика. – 2010. – № 4. – С. 5–15.Artemiev V. M., Naumov A. O., Kohan L. L. Limited-size object detection on images under condition of uncertainty. Informatika = Informatics, 2010, no. 4, pp. 5–15 (in Russian).Артемьев, В. М. Нелинейная фильтрация случайных последовательностей расширенным методом наименьших квадратов / В. М. Артемьев, А. О. Наумов, Л. Л. Кохан // Информатика. – 2018. – Т. 15, № 1. – С. 60–69.Artemiev V. M., Naumov A. O., Kohan L. L. onlinear Filtering of a Random Sequences with Extended Least-Square Method. Informatika = Informatics, 2018, vol. 15, no. 1, pp. 60–69 (in Russian).Mueller, K. Combination of Wide Baseline Image Matching and Tracking for Autonomous UAV Approaches to a Window / K. Mueller, J. Atman, G. F. Trommer // Gyroscopy Navig. – 2019. – № 10. – P. 206–215. https://doi.org/10.1134/S2075108719040138.Mueller K., Atman, J., Trommer, G. F. Combination of Wide Baseline Image Matching and Tracking for Autonomous UAV Approaches to a Window. Gyroscopy and Navigation, 2019, no. 10, pp. 206–215. https://doi.org/10.1134/S2075108719040138Баклицкий, В. К. Корреляционно-экстремальные методы навигации и наведения / В. К. Баклицкий. – Тверь: Книж. клуб, 2009. – 360 с.Baklickij V. K. Correlation-Extreme Methods of Navigation and Guidance. Tver’, Knizhnyi klub Publ., 2009. 360 p. (in Russian).Автоматическое обнаружение и сопровождение динамических объектов на изображениях, формируемых оптико-электронными приборами в условиях априорной неопределенности. Методы и алгоритмы / О. Б. Гузенко [и др.]. – М.: Радиотехника, 2015. – 280 с.Guzenko O. B., Katulev A. N., Khramichev A. A., Yagol’nikov S. V. Automatic Detection and Tracking of Dynamic Objects in Images Generated by Optoelectronic Devices under Conditions of a Priori Uncertainty. Methods and Algorithms. Moscow, Radiotekhnika Publ., 2015. 280 p. (in Russian).Федосеев, В. И. Оптико-электронные приборы ориентации и навигации космических аппаратов / В. И. Федосеев, М. П. Колосов. – М.: Логос, 2007. – 248 с.Fedoseev V. I., Kolosov M. P. Optoelectronic Devices for Orientation and Navigation of Spacecraft. Moscow, Logos Publ., 2007. 248 p. (in Russian).Оптико-локационный координатор системы самонаведения беспилотного летательного аппарата / А. С. Солонар [и др.] // Докл. БГУИР. – 2018. – № 3. – С. 19–25.Solonar A. S., Khmarski P. A., Mihalkovki A. A., Tsuprik S. V., Ivanuk V. S. Optical-location coordinator of the unmanned aerial vehicle homing system. Doklady BGUIR, 2018, no. 3, pp. 19–25 (in Russian).Красильщиков, М. Н. Управление и наведение беспилотных маневренных летательных аппаратов на основе современных информационных технологий / М. Н. Красильщиков, Г. Г. Серебряков. – М.: Физматлит, 2003. – 280 с.Krasil’shchikov M. N., Serebryakov G. G. Control and Guidance of Unmanned Maneuverable Aircraft Based on Modern Information Technologies. Moscow, Fizmatlit Publ., 2003. 280 p. (in Russian).Системы автоматического обнаружения и сопровождения объектов. Обработка изображений и управление / Б. А. Алпатов [и др.]. – М.: Радиотехника, 2008. – 176 с.Alpatov B. A., Babayan P., Balashov O. E., Stepashkin A. I. Automatic Object Detection and Tracking Systems. Image Processing and Management. Moscow, Radiotekhnika Publ., 2008. 176 p. (in Russian).Bar-Shalom, Y. Estimation with Applications to Tracking and Navigation: Theory, Algorithms, and Software / Y. BarShalom, X. R. Li, T. Kirubarajan. – New York: Wiley, 2001. – 558 p. https://doi.org/10.1002/0471221279Bar-Shalom Y., Li X. R., Kirubarajan T. Estimation with Applications to Tracking and Navigation: Theory, Algorithms, and Software. New York, Wiley, 2001. 558 p. https://doi.org/10.1002/0471221279Optical Aircraft Positioning for Monitoring of the Integrated Navigation System during Landing Approach / P. Hecker [et al.] // Gyroscopy Navig. – 2019. – Iss. 10. – P. 216–230. https://doi.org/10.1134/S2075108719040084Hecker P., Angermann M., Bestmann U., Dekiert A., Wolkow S. Optical Aircraft Positioning for Monitoring of the Integrated Navigation System during Landing Approach. Gyroscopy and Navigation, 2019, iss. 10, pp. 216–230. https://doi.org/10.1134/S2075108719040084Li, X. R. Survey of maneuvering target tracing. Part I: Dynamic models / X. R. Li, V. P. Jilkov // IEEE Trans. Aerospace Electronic Syst. – 2003. – Vol. 39, № 4. – P. 1333–1364. https://doi.org/10.1109/TAES.2003.1261132Li X. R., Jilkov V. P. Survey of maneuvering target tracing. Part I: Dynamic models. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, 2003, vol. 39, no. 4, pp. 1333–1364. https://doi.org/10.1109/TAES.2003.1261132Solonar A. S. Main problems of trajectory processing and approaches to their solution within the framework of multitarget tracking / A. S. Solonar, P.A. Khmarski // J. Phys.: Conf. Ser. – 2021. – Vol. 1864. – Art. ID 012004. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1864/1/012004Solonar A. S., Khmarskii P. A. Main problems of trajectory processing and approaches to their solution within the framework of multitarget tracking. Journal of Physics: Conference Series (JPCS), 2021, vol. 1864, art. ID 012004. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1864/1/012004Цуприк, С. В. Методика исследования статистических свойств яркости пикселей изображений оптико-локационной системы беспилотного летательного аппарата / С. В. Цуприк, А. С. Солонар // Информационные радиосистемы и радиотехнологии: материалы Респ. науч.-техн. конф., Минск, 29–30 нояб. 2022 г. – Минск: БГУИР, 2022. – С. 193–197.Cuprik S. V., Solonar A. S. Methodology for the study of statistical properties of pixel brightness of images of the optical-location system of an unmanned aerial vehicle. Informatsionnye radiosistemy i radiotekhnologii: Materialy Respublikanskoi nauchno-tekhnicheskoi konferentsii, Minsk, 29–30 noyabrya 2022 g. [Information Radio Systems and Radio Technologies: Materials of the Republican Scientific and Technical Conference, Minsk, November 29–30, 2022]. Minsk, BSUIR, 2022, pp. 193–197 (in Russian).Полумарковская модель изменения яркости изображения наземного объекта, формируемого оптико-локационной системой / А. С. Солонар [и др.] // Вест. Воен. акад. Респ. Беларусь. – 2023. – № 1. – С. 97–107.Solonar A. S., Khmarskii P. A., Mihalkovkii A. A., Tsuprik S. V. Semi-Markov model of changing the brightness of the image of a ground object formed by an optical-location system. Vestnik Voennoi akademii Respubliki Belarus’ [Bulletin of the Military Academy of the Republic of Belarus], 2023, no. 1, pp. 97–107 (in Russian).Features of trajector measurement coordinates and parameters of movement of ground objects in on-board optical-location systems / A. S. Solonar [et al.] // 25th Saint Petersburg International Conference on Integrated Navigation Systems (ICINS), 28–30 May 2018. – St. Petersburg, 2018. – P. 1–5. https://doi.org/10.23919/ICINS.2018.8405853Solonar A. S., Khmarskiy P. A., Mihalkovskiy A. A., Tsuprik S. V. Features of trajector measurement coordinates and parameters of movement of ground objects in on-board optical-location systems. 25th Saint Petersburg International Conference on Integrated Navigation Systems (ICINS), 28–30 May 2018. St. Petersburg, 2018, pp. 1–5. https://doi.org/10.23919/ICINS.2018.8405853Методика расчета ошибок разового оценивания местоположения наблюдаемых объектов в бортовых оптико-локационных системах / А. С. Солонар [и др.] // Докл. БГУИР. – 2014. – № 7 (85). – C. 71–77.Solonar A. S., Khmarskii P. A., Mihalkovkii A. A., Tsuprik S. V. Methodology for calculating of the different estimation errors of observed objects location in the airborne optical-location systems. Doklady BGUIR, 2014, no. 7 (85), pp. 71–77 (in Russian).Solonar, A. S. General construction principles and performance features of trajectory processing by data from one radar data source / A. S. Solonar, P.A. Khmarski // J. Phys.: Conf. Ser. – 2021. – Vol. 1864. – Art. ID 012138. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1864/1/012138Solonar A. S., Khmarskii P. A. General construction principles and performance features of trajectory processing by data from one radar data source. Journal of Physics: Conference Series (JPCS), 2021, vol. 1864, art. ID 012138, 10 p. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1864/1/012138

The authors declare that there are no conflicts of interest present.