Συσκευή Αναγνώρισης και Παρακολούθησης Αεροσκαφών


English \| Ελληνικά
Συσκευή Αναγνώρισης και Παρακολούθησης Αεροσκαφών




Εργασία




Προσομοίωση


Για την προσομοίωση των αλγορίθμων του συστήματος βασιστήκαμε σε πραγματικά δεδομένα της πορείας ενός αεροσκάφους, τα οποία λάβαμε από ένα αληθινό σενάριο προσβολής στόχου. Στη διάθεσή μας είχαμε τις συντεταγμένες του αεροσκάφους (σήμα αναφοράς) στον τρισδιάστατο χώρο (3D) στον οποίο και σχεδιάσαμε το πλήρες σενάριο προσομοίωσης. Στη συνέχεια λάβαμε από δύο (2) διαφορετικές οπτικές γωνίες, δύο (2) τμήματα της πορείας του, και έτσι δημιουργήσαμε δύο (2) σενάρια. Οι γωνίες αυτές επιλέχθηκαν, ώστε στο δισδιάστατο πεδίο (2D) (που γίνεται αντιληπτό από την κάμερα), να μπορούμε να εξετάσουμε την απόδοση του συστήματος σε συνθήκες μεταβλητού μεγέθους (πρώτο σενάριο) και μεταβλητής ταχύτητας αεροσκάφους (δεύτερο σενάριο). Και στα δύο σενάρια, υποθέσαμε την προσβολή ενός στρατιωτικού αεροδρομίου από ένα εχθρικό αεροσκάφος, το οποίο χρειάζεται έξι (6) δευτερόλεπτα για να ολοκληρώσει την αποστολή του. Στα σχήματα που ακολουθούν, για να γίνει κατανοητή η χρονική ακολουθία των θέσεων κατά τη διάρκεια των έξι (6) δευτερολέπτων, χρησιμοποιήθηκε ο χρωματικός κώδικας του παρακάτω σχήματος. Επιπλέον, οι θέσεις της αρχικής πραγματικής πορείας του αεροσκάφους επεξεργάστηκαν υπό κλίμακα, προκειμένου να προσαρμοστούν στο οπτικό πεδίο της κάμερας. Σήμα Αναφοράς Χρωματικός Κώδικας (κίτρινο: παρελθόν, κόκκινο: παρόν)

Σενάριο #1 - Αεροσκάφος με μεταβλητό μέγεθος

Στην πρώτη ακολουθία εικόνων, η απόσταση από θέση σε θέση του στόχου είναι σταθερή στα 20 εικονοστοιχεία και το μέγεθός του αυξάνει ανά πέντε (5) θέσεις με βήμα ένα (1) εικονοστοιχείο σε κάθε διάσταση (0.2 εικονοστοιχεία/θέση). Θέτοντας την κάμερά μας στη μέγιστη μεγέθυνση και με δεδομένες τις συντεταγμένες του στόχου, λάβαμε τις παρακάτω μετρήσεις. Στο Σχήμα 1.1 απεικονίζεται το σήμα αναφοράς.	Σχ. 1.1 - Σενάριο #1: Μεταβλητό μέγεθος
Στο επόμενο διάγραμμα (Σχ. 1.2) γίνονται αντιληπτά τα όρια λειτουργίας του αλγορίθμου αναγνώρισης. Από την πρώτη (1η) μέχρι την δέκατη (10η) θέση το αεροσκάφος είναι πολύ μικρό και έτσι ο αλγόριθμος δεν μπορεί να το αναγνωρίσει. Η αναγνώριση επιτυγχάνεται από την ενδέκατη (11η) θέση, αλλά το σύστημα απαιτεί τρεις (3) κύκλους ώστε να "κλειδώσει" τον στόχο. Συνεπώς, από την δέκατη τέταρτη (14η) θέση και έπειτα ο στόχος αναγνωρίζεται επιτυχώς. Ο αλγόριθμος δοκιμάζεται για το αυξανόμενο μέγεθος του στόχου, το οποίο τη στιγμή της αναγνώρισής του (του στόχου) ήταν 6x6 εικονοστοιχεία (ελάχιστο μέγεθος αναγνώρισης), ενώ στο τέλος της προσομοίωσης ήταν 14x14 εικονοστοιχεία (μέγιστο μέγεθος αναγνώρισης).	Σχ. 1.2 - Σενάριο #1: Σήμα αναφοράς / Έξοδος αλγορίθμου αναγνώρισης
Όπως φαίνεται και στο Σχήμα 1.3, ο χρόνος που απαιτείται ώστε να αναγνωριστεί ο στόχος είναι 2.62 δευτερόλεπτα (10η θέση), ενώ έπειτα από 1.33 δευτερόλεπτα (στα 3.95 δευτερόλεπτα της προσομοίωσης - 14η θέση) το σύστημα αρχίζει να συγκλίνει στην πορεία του αεροσκάφους. Η απόκλιση είναι 0.334° στο Χ-άξονα και λίγο πριν το τέλος της προσομοίωσης (στα 6.14 δευτερόλεπτα) μειώνεται στις 0.138°. Όσον αφορά τον Υ-άξονα, στα 2.98 δευτερόλεπτα της προσομοίωσης η απόκλιση είναι 0.026°.	Σχ. 1.3 - Σενάριο #1: Σήμα αναφοράς / Έξοδος συστήματος για Χ και Υ-άξονα
Στο Σχήμα 1.4 απεικονίζεται η απόσταση του στόχου από τη νοητή ευθεία που περνά από το κέντρο του συστήματος (κάμερα). Το μέσο σφάλμα της είναι 0.247479°. Εδώ, αξίζει να σημειωθεί, ότι σκοπός μας δεν είναι ο ακριβής εντοπισμός της θέσης ενός αεροσκάφους, ούτε η απόλυτη σύγκλιση της κίνησης του συστήματος στην πορεία του. Αυτό που μας ενδιαφέρει είναι η αναγνώριση του στόχου στο χρονικό πλαίσιο των έξι (6) δευτερολέπτων και η παραμονή του στο οπτικό πεδίο της κάμερας με όσο το δυνατόν μεγαλύτερη ακρίβεια· σκοπό που πετυχαίνουμε.	Σχ. 1.4 - Σενάριο #1: Απόσταση στόχου από το κέντρο του συστήματος

Σενάριο #2 - Αεροσκάφος με μεταβλητή ταχύτητα

Σχ. 2.1 - Σενάριο #2: Μεταβλητή ταχύτητα		Στην ακολουθία εικόνων που κατασκευάσαμε για το δεύτερο σενάριο, το μέγεθος του στόχου τέθηκε σταθερό στα 29x10 εικονοστοιχεία και η απόσταση στους δύο άξονες αύξανε, από θέση σε θέση, με βήμα ένα (1) εικονοστοιχείο. Στο Σχήμα 2.1 απεικονίζεται το σήμα αναφοράς.
Σχ. 2.2 - Σενάριο #2: Σήμα αναφοράς / Έξοδος αλγορίθμου αναγνώρισης		Τα όρια λειτουργίας του αλγορίθμου αναγνώρισης γίνονται αντιληπτά από το Σχήμα 2.2. Όταν το αεροσκάφος κινείται αργά, από την πρώτη (1η) έως την δέκατη έκτη (16η) θέση, ο αλγόριθμος αναγνωρίζει επιτυχώς το αεροσκάφος (εκτός από τις τρεις (3) πρώτες θέσεις στις οποίες κάνει υπολογισμούς). Δύο (2) θέσεις πριν το τέλος της προσομοίωσης, ο αλγόριθμος αδυνατεί να το αναγνωρίσει. Αυτό συνέβει διότι, στην δέκατη έβδομη (17η) θέση, το αντικείμενο κινήθηκε με ταχύτητα μεγαλύτερη (29 εικονοστοιχεία από την προηγούμενη θέση) από τη μέγιστη ταχύτητα αναγνώρισης του συστήματος. Θα πρέπει να σημειωθεί ότι η οριακή ταχύτητα αναγνώρισης (του αεροσκάφους) δεν μπορεί να προσδιοριστεί, γιατί η σχετική ταχύτητα του συστήματος είναι διαφορετική από αυτή του αεροσκάφους, καθώς η μεγέθυνση και η απόσταση του στόχου από τον παρατηρητή (σύστημα) αλλάζει. Συνεπώς, η "ταχύτητα" αυτή αναφέρεται στην "ταχύτητα" (σε εικονοστοιχεία) που κινείται ο στόχος πάνω στην οθόνη (κάμερα) και όχι στην πραγματική του ταχύτητα. Συμπεραίνουμε λοιπόν ότι η μέγιστη κίνηση της κάμερας ώστε να είναι δυνατή η αναγνώριση, είναι 29 εικονοστοιχεία/κύκλο μηχανής (≈160 χιλιοστά του δευτερολέπτου) (Σχ. 2.2).
Σχ. 2.3 - Σενάριο #2: Σήμα αναφοράς / Έξοδος συστήματος για Χ και Υ-άξονα		Όπως φάνηκε προηγουμένως (Σχ. 2.2) ο αλγόριθμος αναγνώρισης λειτουργεί με εξαιρετική ακρίβεια. Ο χρόνος που απαιτείται ώστε να αναγνωριστεί ο στόχος είναι 0.71 δευτερόλεπτα (Σχ. 2.3). Έπειτα από 1.86 δευτερόλεπτα (στα 2.57 δευτερόλεπτα της προσομοίωσης) το σύστημα αρχίζει να συγκλίνει στο αεροσκάφος με απόκλιση 0.154° ανά άξονα.
Σχ. 2.4 - Σενάριο #2: Απόσταση στόχου από το κέντρο του συστήματος		Έχοντας θέσει τη μέγιστη μεγέθυνση, το οπτικό πεδίο της κάμερας είναι 2° στον Χ-άξονα και 1° στον Υ-άξονα. Συμπεραίνουμε έτσι πως η απόκλιση είναι σχετικά μικρή σε σχέση με τη μέγιστη μεγέθυνση. Αυτό είναι εμφανές στο Σχήμα 2.4, στο οποίο παρατηρούμε ότι η πλειοψηφία των σημείων βρίσκεται εντός των μεσαίων κύκλων, δηλαδή η απόκλιση είναι μικρότερη από 0.23°. Το μέσο σφάλμα της απόστασης του στόχου από τη νοητή ευθεία που περνά από το κέντρο της κάμερας (και του συστήματος) είναι 0.197951°.

Συμπεράσματα

Συμπερασματικά, τα δύο σενάρια πραγματοποιήθηκαν με επιτυχία. Από το σύνολο των μετρήσεων προκύπτει ότι το σύστημα είναι ικανό να αναγνωρίζει και να παρακολουθεί μια πιθανή εισερχόμενη απειλή εντός του χρονικού πλαισίου των έξι (6) δευτερολέπτων.