Глобальная радиогидроакустическая система мониторинга полей атмосферы, океана и земной коры в морской среде и распознавания источников их формирования Российский патент 2019 года по МПК G01S15/00 

Изобретение относится к гидрофизике, геофизике и радиофизике. Оно основано на объединении фундаментальных разработок космической системы навигации «ГЛОНАСС», системы космической связи «Гонец», а также разработок широкомасштабной радиогидроакустической системы мониторинга полей атмосферы, океана и земной коры в морской среде как Единого информационного пространства Земли (см. Мироненко М.В., Малашенко А.Е., Карачун Л.Э., Василенко A.M. Нелинейная просветная гидроакустика и средства морского приборостроения в создании Дальневосточной радиогидроакустической системы освещения атмосферы, океана и земной коры, мониторинга их полей различной физической природы: монография. - Владивосток: СКБ САМИ ДВО РАН, 2014. - 402 с.).

Глобальная радиогидроакустическая система (ГРГАС) формируется в пределах географически удаленных акваторий, например, акваторий морей Дальневосточного региона (ДВР) и (или) в пределах совокупного пространства других морских экономических зон (МЭЗ) Российской Федерации. Глобальная радиогидроакустическая система обеспечивает дальний параметрический прием информационных полей различной физической природы (акустических, электромагнитных и гидродинамических), формируемых естественными и искусственными источниками, процессами и явлениями атмосферы, океана и земной коры. Измеряемая информация по каналам связи передается из морской среды в атмосферу, преимущественно в Единый информационно-аналитический центр (ЕИАЦ), где проводится ее обобщение, анализ и выработка команд оперативною управления работой глобальной системы в соответствии с задачами и условиями проведения мониторинга акваторий. Таким образом, ГРГАС состоит из географически удаленных, автономных просветных подсистем, объединенных по радиоканалам Единым информационно-аналитическим центром. Каждая подсистема способна работать в протяженном гидроакустическом канале с переменными характеристиками среды и границ. Автономные подсистемы ГРГАС представляют собой пространственно-развитые многолучевые параметрические антенны, соизмеримые с протяженностью контролируемых акваторий.

Работа ГРГАС реализуется на основе закономерностей нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования просветных волн с измеряемыми информационными волнами при совместном распространении в морской среде, а также спектральной, корреляционной и фазовой обработке принимаемых просветных сигналов. Формирование пространственной структуры просветного поля в измерительных подсистемах, как многолучевых параметрических антеннах, обеспечивает возможность приема информационных полей с последующим определением места морских источников.

Создаваемая ГРГАС может быть сформирована и реализована на основе существующих стационарных и корабельных гидроакустических станций, а так же автономных быстро разворачиваемых радиогидроакустических комплексов, формируемых из средств морского приборостроения, создаваемых в ФГБУН СКБ САМИ ДВО РАН. Многократные испытания макетов просветных систем мониторинга как автономных подсистем ГРГГАС проведены на акваториях Японского и Охотского морей.

Сущность научно-технических решений и измерительных технологий по тематике изобретения представлены в монографиях, разработанных с участием авторов заявляемого изобретения:

- Мироненко М.В., Малашенко А.Е., Карачун Л.Э., Василенко A.M. Низкочастотный просветный метод дальней гидролокации гидрофизических полей морской среды. -Владивосток: СКБ САМИ ДВО РАН, 2006. - 173 с.

- Мироненко М.В., Малашенко А.Е., Карачун Л.Э., Василенко A.M. Нелинейная просветная гидроакустика и средства морского приборостроения в создании радиогидроакустической системы освещения атмосферы, океана и земной коры, мониторинга их полей различной физической природы. - Владивосток: ДВФУ, 2014. - 402 с.

- Пятакович В.А., Василенко A.M., Мироненко М.В. Технологии нелинейной просветной гидроакустики и нейро-нечетких операций в задачах распознавания морских объектов: монография. - Владивосток: Издательский дом ДВФУ, 2016. - 190 с.

Технические решения по созданию просветных параметрических систем мониторинга информационных полей объектов и среды представлены в следующих изобретениях: «Способ формирования параметрической антенны в морской среде» пат. №2550588, RU, G10K 11/00, 2014; «Способ формирования и применения пространственно-развитой просветной параметрической антенны в морской среде» пат. №2602995, RU, G01Н 3/00, 2016 г.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению, которое выбрано в качестве прототипа, является «Радиогидроакустическая система параметрического приема волн источников и явлений атмосферы, океана и земной коры в морской среде» пат. №2593673, RU, G01H 3/00, 2016 г.

Система-прототип обеспечивает:

- формирование рабочей зоны нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования просветных и измеряемых волн на контролируемом участке акватории, что обеспечивает дальний параметрический прием информационных волн различной физической природы в диапазоне частот сотни-десятки-единицы-доли герц;

- дальний параметрический прием информационных волн в морской среде источников воздушной и океанской среды, а также донного грунта, что достигается за счет их нелинейного взаимодействия с излученными низкочастотными (просветными) волнами и многолучевого распространения в морской среде;

- определение области местоположения источников излучения информационных волн на контролируемой акватории за счет использования в измерительной системе закономерностей многолучевого распространения просветных сигналов и связанного с ним формирования характеристик направленности параметрических антенн по приходам сигналов «сверху и снизу».

Недостатками системы-прототипа, которые будут устранены в предлагаемом изобретении, являются следующие:

- отсутствуют технические решения обеспечивающие масштабирование измерительной системы и формирование ее структуры как глобальной радиогидроакустической, а так же разработку и размещение дополнительных подсистем на географически удаленных акваториях;

- отсутствуют технические решения распознавания и идентификации измеряемой многоканальной информации, а также формирования сигналов (команд) управления работой измерительной системы в соответствии с задачами и условиями мониторинга на географически удаленных акваториях, что принципиально необходимо при ее эксплуатации как глобальной радиогидроакустической системы мониторинга полей атмосферы, океана и земной коры в морской среде и распознавания источников их формирования.

Исходя из этого, задача на решение которой направлено заявленное изобретение, выражается в разработке глобальной радиогидроакустической системы мониторинга полей различной физической природы в пределах акваторий морей Дальневосточного региона или в пределах совокупного пространства других морских экономических зон Российской Федерации. В структуру ГРГАС должны быть введены средства и технологии многоканального приема просветных сигналов и передачи по каналам связи гидроакустической информации в ЕИАЦ, где выполняется итоговый анализ, распознавание и классификация математически обработанных образов спектрограмм объектов, а так же производится выработка команд управления работой ГРГАС в соответствии с изменениями задач и условий проведения мониторинга акваторий. Комплексное наблюдение надводной и подводной обстановки, оперативный обмен информацией с географически разнесенных подсистем мониторинга и реализация создаваемой системы как глобальной радиогидроакустической достигается путем соединения ЕИАЦ с внешними (не системными) блоками, обеспечивающими обмен данными и связь между ЕИАЦ и(или) системами навигации «ГЛОНАСС» и связи «Гонец».

Технический результат изобретения заключается в разработке глобальной радиогидроакустической системы, обеспечивающей наблюдение пространственно-временной динамики и распознавание характеристик полей, формируемых источниками атмосферы, океана и земной коры в условиях протяженного гидроакустического каната с переменными характеристиками среды и границ. Диапазон частот дальнего параметрического приема информационных волн составляет сотни-десятки-единицы-доли герц, включая волны СНЧ колебаний движущихся объектов как целого. Операции распознавания и классификации источников формирования в морской среде информационных полей выполняются на базе нечеткой логики искусственных нейронных сетей, как в автоматическом режиме, так и с участием оператора.

Для решения поставленной задачи глобальная радиогидроакустическая система мониторинга полей атмосферы, океана и земной коры в морской среде и распознавания источников их формирования включает в себя основную (масштабируемую) просветную параметрическую систему мониторинга, содержащую установленные на противоположных границах контролируемой среды один излучающий и три приемных акустических преобразователя, сформированные между ними три рабочие зоны нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования просветных и измеряемых информационных волн, при этом основная система мониторинга содержит излучающий тракт, включающий в себя последовательно соединенные формирователь сигналов стабилизированной частоты в диапазоне десятки-сотни герц, усилитель мощности сигналов и соединенные с ним через блок согласования и далее через кабели подводные преобразователи (излучатели) просветных акустических сигналов, а приемный тракт основной системы мониторинга содержит линию спектрального анализа принимаемых нелинейно преобразованных просветных сигналов, включающую последовательно соединенные переключатель (коммутатор) всех линий анализа, полосовой усилитель, преобразователь частотно-временного масштаба принимаемых сигналов в высокочастотную область, узкополосный анализатор их спектра и функционально связанный с ним регистратор (рекордер), а также три линии корреляционного анализа, содержащие последовательно соединенные блоки измерения функции корреляции сигналов между средним и крайними приемными преобразователями, далее блоки измерения функции их взаимной корреляции и анализатор измеряемой всеми линиями информации, при этом рабочие зоны нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования просветных и информационных полей атмосферы, океана и земной коры сформированы в вертикальной плоскости контролируемой среды, как многолучевые пространственно-развитые параметрические антенны, для чего три всенаправленных излучающих преобразователя расположены в центре акватории и установлены по глубине на оси, ниже и выше оси подводного звукового канала, а приемные преобразователи, объединенные по три штуки в треугольные блоки, установлены по глубине аналогично излучателям и удалены от излучателей на дистанцию, обеспечивающую мониторинг акватории, при этом одиночные гидрофоны каждого приемного блока посредством кабелей через блок переключения приемных каналов соединены с линиями анализа приемного тракта, далее выходы линий спектрального и корреляционного анализа принимаемых просветных сигналов соединены с входом блока анализа выделяемой всеми линиями комплексной информации, а его выход через радиоблок соединен с информационно-аналитическим центром, содержащим последовательно соединенные приемный радиоблок, блок системного анализа и передающий радиоблок, выход которого соединен с блоком формирователя сигналов излучающего тракта, при этом основную многоканальную просветную параметрическую систему формируют как комплекс вертикальных многолучевых параметрических антенн, расположенных по кругу или периметру контролируемой акватории через 45° и ориентированных от излучающего центра к периферии, при этом приемные блоки сформированы как дискретные антенны, у которых расстояния между преобразователями (гидрофонами) установлены в соответствии с корреляционными свойствами просветного акустического поля.

Предлагаемая система отличается тем, что глобальная радиогидроакустическая система формируется в пределах акваторий морей Дальневосточного региона или в совокупном пространстве других морских экономических зон Российской Федерации, для чего в структуру глобальной радиогидроакустической системы введены дополнительные подсистемы, сформированные и установленные на географически удаленных акваториях относительно основной (масштабируемой) системы, причем основная система и дополнительные подсистемы снабжены различными излучающими и приемными трактами с их подводными излучателями и приемными блоками, а каждый элемент (гидрофон) приемных блоков через многожильный подводный кабель соединен с соответствующей линией нейросетевого анализа, которые введены в состав всех приемных трактов для автоматического определения степени принадлежности исследуемой области спектра объекту классификации, при этом каждая линия нейросетевого анализа включает в себя последовательно соединенные управляемый коммутатор, блок нейросетевого распознавания и классификации, блок совокупного анализа, выход которого соединен с блоком анализа выделяемой всеми линиями информации, а приемные тракты по каналам связи через блок переключения соединены с Единым информационно-аналитическим центром (ЕИАЦ) итогового анализа, распознавания и классификации математически обработанных образов спектрограмм объектов, а также выработки сигналов (команд) управления работой основной системы и дополнительных подсистем, причем ЕИАЦ соединен с внешними (не системными) блоками, обеспечивающими обмен данными и связь между ЕИАЦ и (или) системами навигации «ГЛОНАСС» и связи «Гонец». Кроме того, глобальная радиогидроакустическая система мониторинга отличается тем, что просветные параметрические антенны дополнительных подсистем сформированы как комплексы вертикальных многолучевых параметрических антенн, расположенных по кругу или периметру контролируемых акваторий через 45° и ориентированных от центра к периферии, при этом дополнительные подсистемы удалены от соседних с ними подсистем на дистанции, обеспечивающие мониторинг акваторий. Кроме того, глобальная радиогидроакустическая система мониторинга отличается тем, что приемные блоки дополнительных просветных параметрических систем сформированы как дискретные антенны, у которых расстояния между преобразователями (гидрофонами) установлены в соответствии с корреляционными свойствами просветного акустического поля.

Сопоставительный анализ признаков заявляемого изобретения и известных технических решений свидетельствует о его соответствии критерию «новизна».

Отличительный признак, заключающийся в том, что «глобальная радиогидроакустическая система формируется в пределах акваторий морей Дальневосточного региона или в совокупном пространстве других морских экономических зон Российской Федерации, для чего в структуру глобальной радиогидроакустической системы введены дополнительные подсистемы, сформированные и установленные на географически удаленных акваториях относительно основной (масштабируемой) системы, причем основная система и дополнительные подсистемы снабжены различными излучающими и приемными трактами с их подводными излучателями и приемными блоками» обеспечивает возможность формирования создаваемой системы мониторинга полей атмосферы, океана и земной коры в морской среде и распознавания источников их формирования, как глобальной.

Отличительный признак, заключающийся в том, что «каждый элемент (гидрофон) приемных блоков через многожильный подводный кабель соединен с соответствующей линией нейросетевого анализа, которые введены в состав всех приемных трактов для автоматического определения степени принадлежности исследуемой области спектра объекту классификации, при этом каждая линия нейросетевого анализа включает в себя последовательно соединенные управляемый коммутатор, блок нейросетевого распознавания и классификации, блок совокупного анализа, выход которого соединен с блоком анализа выделяемой всеми линиями информации» обеспечивает возможность распознавания источников, процессов и явлений, измеряемых полей по их принадлежности к атмосфере, океану и (или) земной коре.

Отличительный признак, заключающийся в том, что «приемные тракты по каналам связи через блок переключения соединены с Единым информационно-аналитическим центром (ЕИАЦ) итогового анализа, распознавания и классификации математически обработанных образов спектрограмм объектов, а также выработки сигналов (команд) управления работой основной системы и дополнительных подсистем» обеспечивает возможность проведения комплексного анализа многоканально измеряемой на географически удаленных акваториях информации, а так же выработку сигналов (команд) управления работой отдельных подсистем в соответствии с задачами и текущими условиями проведения мониторинга акваторий.

Отличительный признак, заключающийся в том, что «ЕИАЦ соединен с внешними (не системными) блоками, обеспечивающими обмен данными и связь между ЕИАЦ и(или) системами навигации «ГЛОНАСС» и связи «Гонец» обеспечивает расширение функциональных возможностей системы мониторинга полей атмосферы, океана и земной коры в морской среде и распознавания источников их формирования, как глобальной.

Дополнительный отличительный признак, заключающийся в том, что «просветные параметрические антенны дополнительных подсистем сформированы как комплексы вертикальных многолучевых параметрических антенн, расположенных по кругу или периметру контролируемых акваторий через 45° и ориентированных от центра к периферии, при этом дополнительные подсистемы удалены от соседних с ними подсистем на дистанции, обеспечивающие мониторинг акваторий» обеспечивает возможность параметрического приема информационных полей атмосферы, океана и земной коры в морской среде, при этом последующее разделение просветных сигналов по их приходам «сверху и снизу» на приемные блоки, обеспечивает возможность определения места (дистанции и глубины) морских источников формирования информационных полей.

Дополнительный отличительный признак, заключающийся в том, что «приемные блоки дополнительных просветных параметрических систем сформированы как дискретные антенны, у которых расстояния между преобразователями (гидрофонами) установлены в соответствии с корреляционными свойствами просветного акустического поля» обеспечивает возможность направленного приема информационных полей в протяженном гидроакустическом канале с переменными характеристиками среды и границ, а также определения углов их прихода «сверху и снизу».

Заявленное изобретение иллюстрируется чертежами. На фиг. 1 приведена структурная схема основной просветной параметрической системы мониторинга, масштабируемой в пределах географически удаленных акваторий. На фиг. 2 приведена структура глобальной радиогидроакустической системы мониторинга с ее функциональными связями. На фиг. 3-5 приведены спектры и спектрограммы полей различной физической природы, генерируемых источниками в морской среде. При этом на фиг. 3 представлена спектрограмма акустических резонансных и гидродинамических полей движущегося морского судна, частота подсветки среды 400 Гц, протяженность контролируемой трассы 30 км. На фиг. 4 представлен спектр электромагнитных излучений морского судна, измеренный низкочастотным просветным методом, с частотой подсветки среды 390 Гц. протяженность обследуемой трассы 45 км. Спектр иллюстрирует результат нелинейного взаимодействия акустических и электромагнитных волн в морской среде. На фиг. 5 приведен результат тройного нелинейного взаимодействия волн различной физической природы (акустические волны на частоте подсветки среды 386 Гц, электромагнитные волны на частоте 400 Гц и акустические волны вально-лопастного звукоряда морского судна) в морской среде на просветной трассе протяженностью 30 км. На фиг. 6, 7 представлены запись сигнала предвестника землетрясений (амплитудно-временная характеристика) и его спектр в формате 3D. Измерения соответствуют формированию сейсмических возмущений в районах Курильской гряды и их приему на о. Сахалин. На фиг. 8 представлена спектрограмма шумового излучения воздушного источника (летательного аппарата). Измерения проведены в Японском море. На фиг. 9 приведены спектрограмма и спектр излучений береговых инженерных источников на трассе о. Сахалин - береговая линия Приморья, протяженность трассы около 310 км. На фиг. 10 проиллюстрирована спектрограмма синоптических возмущений поверхности моря за полный период прохождения циклона, протяженность просветной линии 345 км. Измерения проводились на трассе о. Монерон о. Сахалин. Фиг. 11, 12 записи суммарных просветных сигналов с приемных блоков (фиг. 1), а также примеры функций взаимной корреляции сигналов (линии корреляционного анализа, фиг. 1) с одиночных преобразователей приемных блоков, определяющие направления приходов просветных сигналов «сверху и снизу». Фиг. 13 представлена спектрограмма просветных сигналов (частота подсветки морской среды 400 Гц), модулированных гидродинамическими волнами и СНЧ колебаниями движущегося судна на трассе протяженностью 345 километров. Фиг. 14 приведена пространственная структура зон Френеля между точками излучения и приема акустических волн. Фиг. 15 показана лучевая структура просветного акустического поля в гидроакустическом канале.

Метод масок, используемый для распознавания по амплитудно-частотной характеристике, может быть использован как для первичной классификации объекта, так и для решения задачи идентификации, то есть распознавания конкретного типа морского объекта по звуковому портрету. При распознавании широкополосного частотного портрета объекта удобно производить раздельное исследование по низкочастотному, среднечастотному и высокочастотному диапазону. Использование предлагаемого подхода вызвано стремлением уменьшения размерности входного вектора распознающего устройства, что существенно упрощает структуру используемой искусственной нейронной сети (ИНС). Входной временной сигнал (шумовой портрет) подвергается преобразованию Фурье и представляется в виде логарифмической амплитудно-частотной характеристики (ЛАЧХ), как показано на фиг. 16. Частотная ось разбивается на ряд дискретных значений величиной Δ. Каждая ΔI=(1…k) с фрагментом ЛАЧХ называется маской. В каждой маске по реальной характеристике определяется максимальное амплитудное значение сигнала A1, А2, …, Aj, …, Ak внутри j-й маски. По результатам первичной обработки информации, формируется конечное количество признаков, которые можно представить в виде массива данных. Процесс формирования массивов данных в виде таблиц и определения A1, А2, …, Aj, …, Ak апробирован и выполним штатными программами, например, сетью Max Net с сервисным обеспечением.

Фиг. 17 иллюстрирует глобальное покрытие земной поверхности системой «Гонец».

На фиг. 1 показано, что основная (масштабируемая) система включает излучающий тракт 1.1 для формирования сигналов низкочастотной подсветки морской среды, а также накачки ее сложными линейно-частотно-модулированными (ЛЧМ) и/или фазомодулированными (ФМ) сигналами, который соединен с подводными излучателями 5.1-7.1. Излучающий тракт 1.1 представляет собой электронную схему, содержащую последовательно соединенные генератор стабилизированной частоты 2, усилитель мощности 3 и трехканальный блок согласования 4 выходов усилителя мощности с подводными кабелями и далее с подводными излучателями 5.1-7.1. Основная (масштабируемая) система включает многоканальный тракт приема, выделения и регистрации информационных волн 11.1, входы которого через блок коммутации и переключения линий анализа 12.1 соединены с подводными приемными блоками 8.1-10.1. При этом приемный тракт 11.1 представляет собой многоканальную электронную схему, включающую блок коммутации и переключения линий анализа 12.1, соединенный с тремя линиями корреляционного анализа 13.1-15.1 и одной линией спектрального анализа 16.1, а также с линией нейросетевого анализа 17.1. Выходы всех линий анализа соединены с входами блока регистрации измеряемых функций 18.1 и с входами блока анализа выделяемой всеми линиями информации 19.1. Радиоблок передачи измеряемой информации 20.1 через блок переключения 12 соединен с блоком информационно-аналитического центра (ИАЦ) 21.1, выход которого через приемный радиоблок 25 связан с генератором излучающего тракта 1.1. Информационно-аналитический центр 21.1 включает в себя блок итогового анализа измеряемой информации 22, приемный радиоблок 23 и передающий радиоблок 24. Линии корреляционного анализа приемного тракта 11.1 включают последовательно соединенные широкополосные усилители сигналов 13.1.1, 14.1.1, 15.1.1, блоки измерения функций корреляции между средним и крайними одиночными приемными гидрофонами 13.1.2, 13.1.3, 14.1.2, 14.1.3, 15.1.2, 15.1.3, блоки измерения функции их взаимной корреляции 13.1.4, 14.1.4, 15.1.4. Линия спектрального анализа 16.1 включает широкополосный усилитель сигналов 16.1.1, выходы которого соединены с преобразователем частотно-временного масштаба спектров сигналов в высокочастотную область 16.1.2, далее с узкополосным анализатором спектров 16.1.3, выход которого функционально связан с регистратором спектров 16.1.4. Линия нейросетевого анализа 17.1 включает последовательно соединенные блок памяти 17.1.1, блок распознавания и классификации измеряемых информационных сигналов 17.1.2, блок совокупного анализа 17.1.3. Линия нейросетевого анализа, введенная в состав приемного тракта 11.1, автоматически определяет степень принадлежности исследуемой области спектра объекту классификации. На фиг. 1 показаны также: обследуемая акватория (среда многолучевого распространения просветных волн) 33, источники излучения гидрофизических и геофизических волн 28 и 30, источники атмосферных и береговых воли 29 и 34, морское дно 31, поверхность моря 32.

Как показано на фиг. 2, глобальная радиогидроакустическая система объединяет основную (масштабируемую) и дополнительные просветные системы 1…N. Формирование системы мониторинга, как глобальной, масштабируемой в пределах географически удаленных акваторий, осуществляется за счет объединения комплексной информации в ЕИАЦ 21, включая информацию от космических систем навигации «ГЛОНАСС» и связи «Гонец».

Глобальная радиогидроакустическая система включает излучающий тракт 1.1 основной системы и излучающие тракты 1.2-1.n дополнительных подсистем, приемный тракт основной системы 11.1 и приемные тракты 11.2-11.n дополнительных подсистем, подводные излучатели 5.1-7.1 основной системы и подводные излучатели 5.2-7.2, …, 5.n-7.n дополнительных подсистем, подводные приемные блоки основной системы 8.1-10.1 и подводные приемные блоки 8.2-10.2…8.n-10.n дополнительных подсистем, а также блок переключения 12, Единый информационно аналитический центр 21, связанный с системами навигации «ГЛОНАСС» 26 и связи «Гонец» 27, включающий ИАЦ 21.1 основной системы и ИАЦ 21.2…21.n дополнительных подсистем. Все блоки излучающих трактов 1.2-1.n дополнительных подсистем соединены и функционируют, как в излучающем тракте 1.1 основной системы. Все линии корреляционного, спектрального и нейросетевого анализа приемных трактов 11.2-11.n дополнительных подсистем соединены и функционируют, как в приемном тракте 11.1 основной системы. Все ИАЦ 21.2…21.n дополнительных подсистем соединены и функционируют, как ИАЦ 21.1 основной системы.

Работа основной (масштабируемой) просветной системы и дополнительных радиогидроакустических подсистем выполняется аналогично и осуществляется следующим образом. Излучающий и приемный тракты могут быть сформированы из существующих радиотехнических средств. В качестве низкочастотных излучающих преобразователей могут быть использованы подводные звуковые маяки наведения типа ПЗМ-400. Приемные блоки, как направленные корреляционные системы, могут быть сформированы из многоэлементных дискретных антенн, разрабатываемых Специальным конструкторским бюро средств автоматизации морских исследований ДВО РАН.

С учетом гидролого-акустической обстановки заданного района излучатели просветных сигналов 5.1-7.1 и приемные блоки 8.1-10.1 разносят на расстояния, обеспечивающие мониторинг контролируемой акватории, и размещают на оси ПЗК, а также ниже и выше оси ПЗК, что позволяет сформировать в морской среде комплекс пространственно-развитых многолучевых параметрических антенн (фиг. 1). Расчет лучевой структуры гидроакустического поля для контролируемой акватории осуществляется по специально разработанным программам (см. Программа расчета и анализа параметров гидроакустического поля «Дальность»: А.с. №2003611941 РФ / Василенко A.M., Малиновский В.Э., Алюшин Д.А., 2003; Амплитудно-фазовая структура акустического поля в протяженном океаническом волноводе с переменными характеристиками среды «Амплитудно-фазовый фронт»: А.с. №2004611325 РФ / Карачун Л.Э., Мироненко М.В., Василенко A.M., 2004).

Среду озвучивают просветными акустическими сигналами стабилизированной частоты в диапазоне десятки-сотни герц или ЛЧМ и или ФМ сигналами накачки. Параметрический прием и выделение признаков проявления информационных волн атмосферы, донных морских, а также береговых источников проводится параллельно и одновременно.

Распознавание и идентификация объектов осуществляется по характерным признакам спектров и их пространственно-временной динамике в приемном блоке 1.1 спектральной линией анализа 16.1 и линией нейросетевого анализа 17.1, в блоке анализа выделяемой всеми линиями информации 19.1 ив блоке итогового анализа ИАЦ 21.1. Для геофизических волн, например, волн предвестников землетрясений в блоке 19.1 может выполнятся специальная обработка сигналов методом полиспектрального анализа, обеспечивающего определение признаков динамики пространственно-временных характеристик спектральных составляющих, как характерных признаков зарождения и прохождения сейсмических возмущений земной коры (см. Бочков Г.Н., Горохов К.В. Полиспектральный анализ и синтез сигналов. Учебно-методический материал по программе повышения квалификации «Новые подходы к проблемам генерации, обработки, передачи, хранения, защиты информации и их применения». - Нижний Новгород, 2007. 113 с.).

Определение области местоположения морских источников на контролируемой акватории является важным измерительным признаком системы, который реализуется следующим образом. Сигналы с гидрофонов приемных блоков 8.1-10.1 через блок переключения 12.1 и далее через широкополосные усилители 13.1.1, 14.1.1, 15.1.1 поступают на блок измерения функций корреляции между средними и крайними приемными преобразователями 13.1.2, 13.1.3, 14.1.2, 14.1.3, 15.1.2, 15.1.3, соответственно. Далее просветные сигналы поступают на блоки измерения функций взаимной корреляции 13.1.4, 14.1.4, 15.1.4, которые обеспечивают измерение углов прихода сигналов от морских источников информационных волн, по которым возможно определить область пересечения звуковых лучей, что выполняется в блоке анализа информации 19.1 по специально разработанной программе (см. Определение координат источников вторичного гидроакустического поля: А.с. №2015616755 РФ, ТОВВМУ им. С.О. Макарова, 2015 / Долгих В.Н., Василенко A.M., Линник И.А., 2015). Следует отметить, что идея определения места (дистанции и глубины) объекта на акватории по углам лучей, принимаемых цепочкой гидрофонов «сверху и снизу», в первоначальном (упрощенном) варианте была предложена и реализована акустиком Робертом Дж. Уриком (см. «Глубоководная цепочка гидрофонов» USA №3982222 21.09.1976). В изобретении эта идея доработана применительно к ее реализации в протяженном океаническом канале распространения волн и представления лучей, как пространственно-развитых параметрических антенн.

Основную просветную параметрическую систему мониторинга масштабируют в пределах акваторий морей Дальневосточного региона или в пределах других морских экономических зон Российской Федерации, для чего в заданных районах формируют и размещают дополнительные подсистемы с их излучающими и приемными трактами и подводными блоками. Выходы приемных трактов 11.1 основной и дополнительных подсистем 11.2…11.n посредством блока переключения приемных каналов 12 и линий радиосвязи соединяют с ЕИАЦ глобальной радиогидроакустической системы мониторинга (фиг. 2).

Формирование системы мониторинга как глобальной, масштабируемой в пределах географически удаленных акваторий, осуществляется за счет объединения комплексной информации в ЕИАЦ 21, включая информацию от космических систем навигации «ГЛОНАСС» и связи «Гонец». Единый информационно-аналитический центр 21 обеспечивает выработку команд управления работой глобальной радиогидроакустической системы в соответствии с изменениями условий и задач мониторинга акваторий, что позволяет в излучающих трактах 1.1, 1.2…1.n формировать просветные сигналы с учетом состояния среды распространения волн и многообразием проявлений информационных волн.

Основными закономерностями нелинейной просветной гидроакустики являются: параметрическая модель просветной гидроакустики, принципы формирования просветных параметрических антенн в условиях протяженного канала распространения акустических волн, а также нелинейное взаимодействие волн различной физической природы в морской среде. Далее рассматриваются базовые понятия и термины, необходимые для понимания сущности заявленного решения.

ПАРАМЕТРИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ НИЗКОЧАСТОТНОГО ПРОСВЕТНОГО МЕТОДА ГИДРОЛОКАЦИИ В УСЛОВИЯХ ПРОТЯЖЕННОГО ОКЕАНИЧЕСКОГО ВОЛНОВОДА

Формируемая пространственно-развитая параметрическая система является просветной многолучевой параметрической (бестелесной) антенной. Энергия сигнала из точки излучения А в точку приема В распространяется в пределах области пространства, границы которой определяются на основе принципа Гюйгенса и построения зон Френеля. На фиг. 14 приведена качественная картина пространственной структуры зон Френеля между точками излучения и приема просветных сигналов. Каждая из зон 1…h_n в пространстве образуют эллипсоиды вращения. Первая зона образует область пространства, которая в основном определяет перенос энергии просветных акустических волн из точки излучения А в точку приема В. Действие всех остальных зон в результате их по парной нейтрализации (вследствие отличия по фазе на 180°) эквивалентно действию примерно половины первой зоны. То есть, для получения в точке приема энергии сигнала такой же величины, как и в свободном пространстве, необходимо, чтобы первая зона на всем пути распространения волн оставалась «чистой» от экранирования препятствиями или преобразования рассеивающими неоднородностями. Радиус h зоны номера n определяется по формуле Френеля:

,

где R₁, R₂ - расстояния, определяющие положение объекта на линии излучения - приема; λ - длина просветной акустической волны; n - номер зон Френеля (достаточно взять нечетное число зон, например, три или пять).

В случае расположения в пределах пространства первой зоны Френеля объекта с сопутствующей нелинейной неоднородностью среды будет происходить не только экранирование проходящих волн, но также их интенсивное параметрическое преобразование на этой неоднородности. В этом случае первая зона Френеля выполняет функции пространственной параметрической просветной антенны бегущей волны, как показано на фиг. 15, обоснование преимуществ которой является предметом рассмотрения.

Использование закономерностей многолучевого распространения сигналов по трассам контролируемой морской акватории обеспечивает достижение нового эффекта, а именно дальнего параметрического приема информационных волн различной физической природы, формируемых в воздушной и морской среде, а также в грунте. Формирование просветных линий по трассам контролируемой акватории выполняется относительно неподвижного излучающего центра по кругу или по периметру акватории. Именно это обеспечивает получение соизмеримой с пространственным объемом и протяженностью акватории пространственно-развитой просветной параметрической антенны. В отличие от классических параметрических устройств излучения и приема сигналов просветная система контроля морских акваторий, основанная на реализации закономерностей нелинейной акустики, представляет собой многоканальную широкомасштабную параметрическую антенну с низкочастотной подсветкой (накачкой) среды. Параметрическое взаимодействие просветных и информационных сигналов, а также преобразование их полями (или специальными излучениями) объектов происходит на всем пути распространения в водной среде. При этом наиболее эффективное параметрическое взаимодействие осуществляется в сопутствующей движущимся объектам нелинейной области, которая имеет достаточно большие величины (например, в случае возмущения среды кильватерным следом она может составлять единицы кубических километров).

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ВОЛН РАЗЛИЧНОЙ ФИЗИЧЕСКОЙ ПРИРОДЫ В МОРСКОЙ СРЕДЕ

Переходя к обоснованию нелинейного взаимодействия и преобразования просветных волн с упругими информационными волнами отметим, что классические выражения взаимодействия волн применительно к низкочастотному просветному методу не могут быть использованы непосредственно. При этом взаимодействие может происходить на больших удалениях от приемника (десятки-сотни километров). Исходя из этого, в классических выражениях взаимодействия просветных волн с объектными волнами следует учитывать:

- затухание просветной волны P_n, обусловленное ее расхождением при распространении в волноводе в соответствии с известными принципами, которое обратно пропорционально квадрату расстояния P_n/R²;

- взаимодействие волн по объему нелинейно-возмущенной среды V;

- повышенную степень нелинейности среды в объеме взаимодействия γ;

- малое отличие частот просветных волн ω_n и полезного сигнала ω_c, которое в этом случае находится в пределах одного порядка и обеспечивает их более интенсивное взаимодействие.

С учетом этих поправок, аналитические зависимости для амплитуд комбинационных волн и индекса фазовой модуляции могут быть представлены в следующем виде:

; ,

где V - объем среды нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования волн; R - расстояние от точки излучения до точки расположения объема локации: γ - коэффициент нелинейности морской среды.

Как видно из выражений, давление комбинационных волн и индекс фазовой модуляции аналогичны классической зависимости, но в этом случае возрастет полезная фазовая модуляция просветных сигналов измеряемыми низкочастотными, что обусловлено усилением взаимодействия волн в объеме среды с повышенной нелинейностью.

Характеристика направленности просветной параметрической антенны подобна пространственной антенне бегущей волны и, в этой связи, обладает высокой направленностью и помехозащищенностью. Она может быть представлена в виде;

.

Таким образом, ширина характеристики направленности просветной параметрической антенны ограничивается пределами первых зон Френеля, которые, в свою очередь, определяются длиной волны просветных сигналов и протяженностью просветной трассы между излучающими и приемными преобразователями. Из этого следует, что направленность и помехозащищенность приемной просветной антенны в отдельных случаях могут значительно превосходить классические. Понятие ширины характеристики направленности на уровне половины мощности для такой антенны практически отпадает, что также обеспечивает ее преимущество.

Перейдем к обоснованию нелинейного взаимодействия и преобразования просветных волн информационными волнами различной физической природы. Известно, что характеристики гидрофизических полей морской среды, в которой распространяется гидроакустическая волна, влияют на ее параметры. Это связано с тем, что влияние гидрофизических полей осуществляется через изменение плотности и коэффициента упругости среды. Распределение этих величин в протяженной рабочей зоне параметрического приема (взаимодействия волн) является следствием воздействия на морскую среду измеряемых информационных полей, формируемых комплексом сигналов, распространяющихся в обследуемой акватории. Очевидно, что и инфразвуковые волны, сформированные специальными морскими источниками или стихийными явлениями, будут проявляться аналогично.

Математически процесс распространения электромагнитной волны описывается известным уравнением диффузии, которое выводится на основе теории взаимодействия электромагнитной волны в проводящей жидкости, приблизительно описывающей морскую среду. Теоретическая основа рассматриваемой закономерности заключается в том, что электрические токи, генерируемые электромагнитной волной, переходят в джоулево тепло. Диссипативные потери на ток проводимости в морской среде преобразовываются в тепловые потери, которые в свою очередь изменяют механические характеристики проводящей жидкости (плотность, температуру, теплоемкость). При пропускании по такой модулированной в пространстве нелинейной среде акустической волны накачки ее параметры будут модулированы за счет изменения фазовой скорости волны по трассе распространения. Спектр упругой волны накачки за счет нелинейного преобразования изменяется, в нем формируются высокочастотные и низкочастотные параметрические составляющие. Параметрический прием информационных волн в рассматриваемой системе проявляется как амплитудно-фазовая модуляция акустической волны накачки, которая распространяется вместе с ней в точку приема и затем выделяется в тракте обработки сигналов. Параметрический прием информационных волн просветной гидроакустической системой можно объяснить уравнениями гидродинамики, разработанными для вязкой жидкости, при наложении на уравнение состояния соответствующих изменений фазовой скорости звука во времени и пространстве (см. Воронин В.А., Кириченко И.А. Исследование параметрической антенны в стратифицированной среде с изменяющимся полем скорости звука // Известия ВУЗов. - 1995. - №4; Шостак С.В., Мироненко М.В., Сургаев И.Н. Амплитудно-фазовая модуляция просветных акустических волн при их взаимодействии с электромагнитными в морской среде // Сб. статей. - Владивосток: ТОВМИ, 2001. - Вып. 22. - С. 82-88; Мироненко М.В., Короченцев В.И. Закономерности взаимодействия упругих и электромагнитных волн в морской воде // Международный симпозиум «Подводные технологии - 2000». - Япония, 2000. - С. 105-109).

Качественно, любые изменения плотности и давления в морской среде при постоянной температуре приводят к изменению фазовой скорости звука во времени в зоне взаимодействия электромагнитной волны с упругой через морскую среду, проводящую электрический ток. То есть, в отличие от классических уравнений гидродинамики для идеальной жидкости, которые используются в теории нелинейных параметрических излучателей, фазовая скорость упругой волны изменяется во времени и пространстве по закону изменения электромагнитной волны. Таким образом, если в рабочей зоне просветной параметрической системы распространяется электромагнитная волна гармонической частоты Ω_эм, то фазовая скорость упругой (просветной акустической) волны будет меняться с той же частотой Ω_зв=Ω_эм. Количественные характеристики глубины модуляции можно получить, используя конкретные инженерные модели реализации способа.

Теоретическими и морскими экспериментальными исследованиями обоснованы закономерность и эффективность, так называемого, «тройного» взаимодействия акустических просветных волн с акустическими и электромагнитными полями источников морской среды. Показано, что морские источники, например, сейсмические возмущения морского дна, могут быть обнаружены по признакам преобразования их упругими и электромагнитными полями распространяющихся в среде просветных акустических волн. Аналитический вид такого преобразования представляется в следующем виде:

где Р^*(t), P(t) - результирующее (модулированное) и мгновенное значения просветной акустической волны; 2 ω - частота нелинейно сформированной волны; Ω - низкочастотная акустическая волна от объекта; t - текущее время; J_n - функции Бесселя n-го порядка; А - амплитуда модулированной волны; m_p - коэффициент модуляции.

Анализ этого выражения показывает, что спектр колебаний взаимодействующих волн состоит из бесконечного числа составляющих, расположенных симметрично относительно удвоенной центральной частоты 2 ω, равной сумме частот взаимодействующих волн, значения частот которых отличаются от 2 ω на nΩ, где n - любое целое число. Амплитуды n-х боковых составляющих будут определяться выражением:

J_n(2A/P)⋅0,5P².

Из него следует, что вклад различных боковых составляющих в суммарную мощность модулированного колебания определяется величиной 2 А/Р. Причем при малых значениях коэффициента модуляции m_p спектр колебания состоит приближенно из гармоник центральной частоты 2ω (суммарной) и двух боковых частот: верхней (2ω+Ω) и нижней (2ω-Ω).

Итак, совместное распространение в нелинейной морской среде просветной звуковой волны с информационными волнами, в том числе с волнами «малых амплитуд», сопровождается их взаимодействием и параметрическим преобразованием. Следует отметить, что преобразование просветных акустических волн может осуществляться излучениями (волнами) различной физической природы (акустическими, электромагнитными. гидродинамическими). Результатом параметрического преобразования взаимодействующих волн является их взаимная амплитудно-фазовая модуляция. Сформированные в результате преобразования просветных волн параметрические составляющие суммарной и разностной частоты эффективно выделяются при спектральном анализе как признаки фазовой модуляции, что обосновано математическими зависимостями и подтверждено результатами морских экспериментов.

ТЕХНОЛОГИИ РАСПОЗНАВАНИЯ ПОЛЕЙ АТМОСФЕРЫ, ОКЕАНА И ЗЕМНОЙ КОРЫ В ПРОСВЕТНОЙ СИСТЕМЕ МОНИТОРИНГА

Известно, что решение задачи распознавания измеряемых информационных полей объектов и среды может быть реализовано на основе системы типа персептрон (сеть Кохонена), снабженной выходным каскадом в виде звезды Гроссберга, а также нечеткой сетью типа ANFIS.

Следует отметить, что корректность выбранных методов подготовки данных определяет качество работы сложной системы распознавания информационных полей на основе «метода масок» (см. В.А. Пятакович, A.M. Василенко, М.В. Мироненко. Технологии нелинейной просветной гидроакустики и нейро-нечетких операций в задачах распознавания морских объектов: монография. - Владивосток: ДВФУ, 2016. - 190 с.).

Идея метода масок применительно к решению задач управления известна и состоит в том, что входной временной сигнал (шумовой портрет) подвергается преобразованию Фурье и представляется в виде логарифмической амплитудно-частотной характеристики (ЛАЧХ), представленной на фиг. 16.

Частотная ось разбивается на ряд дискретных значений величиной Δ. Каждая Δ_I=(1, …, k) с фрагментом ЛАЧХ называется маской.

В каждой маске по реальной характеристике определяется максимальное амплитудное значение сигнала А₁, А₂, …, A_j, …, A_k. Выбор величины Δ, а следовательно, и числа масок определяется возможностями распознающей сети (реально 10÷100). Увеличение числа масок приводит к повышению достоверности входной информации и к повышению сложности (увеличению числа нейронов входного слоя) распознающего устройства, то есть имеет место классический конфликт между качеством и сложностью. Возможен вариант исследования шумового портрета по частям, то есть низкочастотной, среднечастотной и высокочастотной составляющих отдельно.

По результатам первичной обработки информации, формируется конечное количество признаков, которые можно представить в виде массива данных, представленного в таблице.

МАСОЧНЫЙ АКУСТИЧЕСКИЙ ПОРТРЕТ, СНЯТЫЙ В ФИКСИРОВАННЫЙ МОМЕНТ ВРЕМЕНИ

Процесс формирования массивов данных в виде таблиц и определения А₁, А₂, …, A_j, …, А_k апробирован, легко формализуем и выполним штатными программами (например, сетью Max Net с сервисным обеспечением). Следует отметить, что процесс формирования рассматриваемых информационных массивов необходим для решения двух задач, первая из которых представляет собой процесс формирования эталонных образцов, необходимых для реализации процесса обучения распознающей сети, и вторая, соответственно, для распознавания объектов.

Метод масок, используемый для распознавания по амплитудно-частотной характеристике, может быть использован как для первичной классификации объекта, так и для решения задачи идентификации, то есть распознавания конкретного типа морского объекта по звуковому портрету, данный метод предварительной обработки информации апробирован и весьма конкурентоспособен.

При распознавании широкополосного частотного портрета объекта удобно производить раздельное исследование по низкочастотному, среднечастотному и высокочастотному диапазону. Использование предлагаемого подхода вызвано стремлением уменьшения «мерности» входного вектора распознающего устройства, что существенно упрощает структуру используемой ИНС.

Следует отметить, что в «распознающую» ИНС входят величины A₁, …, A_j, …,. A_k (см. фиг. 16), представляющие собой максимальные амплитудные значения внутри j-й маски. Названное максимальное значение удобно определять с помощью сети поиска максимума MAXNET. Сеть применяется или в «чистом» виде для подготовки баз данных, используемых при обучении, или совместно с сетями Кохонена или персептрона в системах классификации (распознавания).

НАВИГАЦИОННАЯ СПУТНИКОВАЯ СИСТЕМА «ГЛОНАСС»

В разделе рассматривается историческая справка создания космической системы навигации «ГЛОНАСС», а также автоматизированной системы сбора и передачи информации о гидрофизических полях среды и объектов из морской среды в атмосферу и обратно на основе разработок спутниковой системы связи «Гонец». Обосновывается практическая возможность совместного применения их технологий в создании и эксплуатации ГРГАС мониторинга полей атмосферы, океана и земной коры в морской среде и распознавания источников их формирования.

Система ГЛОНАСС обеспечивает оперативное навигационно-временное обеспечение неограниченного числа пользователей наземного, морского, воздушного и космического базирования. Доступ к гражданским сигналам «ГЛОНАСС» в любой точке Земного шара предоставляется российским и иностранным потребителям на безвозмездной основе и без ограничений. Основой системы «ГЛОНАСС» являются 24 спутника, движущихся над поверхностью Земли в трех орбитальных плоскостях с наклоном плоскостей 64,8° и высотой 19400 км.

Принцип измерения аналогичен американской системе навигации NAVSTAR GPS. Основное отличие от системы GPS в том, что спутники «ГЛОНАСС» в своем орбитальном движении не имеют резонанса (синхронности) с вращением Земли, что обеспечивает им повышенную стабильность. Таким образом, группировка космических аппаратов «ГЛОНАСС» не требует дополнительных корректировок в течение всего срока активного существования. Развитие и становление навигационно-информационных системы основывается на разработках спутников системы «ГЛОНАСС» первого и второго поколений (см. ГЛОНАСС: принципы построения и функционирования./Под ред. А.И. Перова, В.Н. Харисова. - 3-е изд. - М.: Радиотехника, 2005. - 688 с.).

Официально начало работ по созданию ГЛОНАСС было положено в декабре 1976 г. специальным постановлением ЦК КПСС и Совета Министров СССР. Данный проект являлся продолжением развития отечественной навигационной спутниковой системы, начатой программой «Циклон». В 1989 г. вместе с двумя спутниками «Ураган» на орбиту выводились пассивные геодезические аппараты «Эталон», которые использовались для уточнения влияния гравитационного поля Земли на орбиты космических аппаратов «Ураган». Всего с октября 1982 г. по декабрь 1998 г. на орбиту были выведены 74 космических аппаратов «Ураган» и 8 массогабаритных макетов. В период развертывания системы 6 «Ураганов» оказались утерянными из-за отказов разгонного блока 11С861. Согласно оценкам, проведенным в 1997 г., на развертывание ГЛОНАСС было потрачено около 2,5 млрд долларов.

В августе 2001 г. была принята федеральная целевая программа «Глобальная навигационная система), согласно которой полное покрытие территории России планировалось уже в начале 2008 г., а глобальных масштабов система достигла бы к началу 2010 г. Для решения данной задачи планировалось в течение 2007-2009 гг. вывести на орбиту 18 спутников. Таким образом, к концу 2009 г. группировка вновь насчитывала бы 24 аппарата. В 2007 г. проведена 1-я фаза модернизации наземного сегмента, вследствие чего увеличилась точность определения координат. Во 2-й фазе модернизации наземного сегмента на 7 пунктах комплекса управления устанавливается новая измерительная система с высокими точностными характеристиками. В результате этого к концу 2010 г. увеличится точность расчета эфемерид и ухода бортовых часов, что приведет к повышению точности навигационных определений.

В конце марта 2008 г. совет главных конструкторов по российской глобальной навигационной спутниковой системе. заседавший в Российском научно-исследовательском институте космического приборостроения, несколько скорректировал сроки развертывания космического сегмента «ГЛОНАСС». Прежние планы предполагали, что на территории России системой станет возможно пользоваться уже к 31 декабря 2007 г., однако для этого требовалось 18 работающих спутников, некоторые из которых успели выработать свой гарантийный ресурс и прекратили работать. Таким образом, хотя в 2007 году план по запускам спутников «ГЛОНАСС» был выполнен (на орбиту вышли шесть аппаратов), орбитальная группировка по состоянию на 27 марта 2008 г. включала лишь шестнадцать работающих спутников, 25 декабря 2008 г. количество было доведено до 18 спутников. Сигналы передаются с направленностью 38° с использованием правой круговой поляризации, мощностью 316-500 Вт (EIRP 25-27 DBW). Для определения координат приемник должен принимать сигнал как минимум четырех спутников и вычислить расстояния до них. При использовании трех спутников определение координат затруднено из-за ошибок, вызванных неточностью часов приемника. Спутниковая система «ГЛОНАСС», как навигационная, способна обеспечивать измерение, формирование и передачу по каналам связи в ИАЦ измерительной системы информационные данные о морской обстановке и атмосфере, необходимые для работы ГРГАС.

СТРУКТУРА АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ СБОРА И ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ О ГИДРОФИЗИЧЕСКИХ ПОЛЯХ СРЕДЫ И ОБЪЕКТОВ ИЗ МОРСКОЙ СРЕДЫ В АТМОСФЕРУ И ОБРАТНО НА ОСНОВЕ РАЗРАБОТОК СИСТЕМЫ СПУТНИКОВОЙ СВЯЗИ «ГОНЕЦ»

В состав ССС «Гонец» входит три сегмента: космический сегмент; сегмент земных станций (ЗС), обслуживающих различные категории абонентов; сегмент управления, состоящий из центра управления системой (ЦУС) и центров управления ретрансляцией сообщений (ЦУР)

Разработка системы спутниковой связи «Гонец» осуществлялась в соответствии с Федеральной космической программой России на период до 2000 г. Услуги и области использования системы «Гонец» ориентированы, в основном, на региональное обслуживание, то есть основной объем трафика составляют сообщения внутри регионального маршрута. Протяженность региона (зона контроля одного спутника) не превышает 4000 км. Связью в регионе управляет региональная станция. В одном регионе может располагаться одна или несколько региональных станций, которые обслуживают свои ведомственные сети. Региональная станция рассчитывает зоны уверенного обслуживания терминалов своего региона каждым спутником системы и заказывает в центральную региональную станцию (ЦРС) необходимый ресурс. ЦРС распределяет между региональными станциями общий ресурс системы и составляет расписание их работы. Региональная станция в выделенное для ее работы время организовывает групповой сеанс связи. При этом становится возможной оперативная связь между абонентами региона.

Она может также организовать обслуживание определенных групп абонентов сбор информации с систем датчиков, например, сбор информации о местоположении транспортных средств. По принципу региональной связи может быть организована связь между морскими судами, при этом региональная станция этой сети размещается на берегу или на одном из судов. Через региональную станцию может быть установлена связь с абонентами сетей общего пользования.

Терминалы, выходящие за пределы зоны действия региональных станций, обслуживаются в персональном режиме. Возможность размещения таких терминалов в регионе определяется центральной радиосистемой в зависимости от уже заявленного трафика средств системы данного региона. С точки зрения организации связи к основным особенностям системы «Гонец», определяющим ее технические и тактические возможности, можно отнести следующее:

- спутниковые каналы различных космических аппаратов (КА) разделены по частоте;

- на каждом спутнике 91 канал доступа работает с разделением во времени, 16 первых из этих каналов разделены по частоте на одном спутнике, но одинаковы для всех спутников системы;

- работа по каналам «вверх» и «вниз» с данным КА осуществляется на частотах, которые индицируются в морских станциях, если другой режим работы специально не оговорен для конкретного терминала;

- на каждом КА организовано 128 запоминающих устройств, к каждому из которых обеспечен автономный доступ для записи и воспроизведения информации, объем каждого запоминающего устройства составляет 98304 бит.

В зависимости от вида обслуживания, предусмотренного в системе «Гонец», терминал работает с КА в одном из режимов: персональном, групповом или смешанном. В режиме персонального обслуживания сеанс связи с КА организуется терминалом, специальное программное обеспечение (ПО) которого настроено на персональный режим, при наличии в маркерном сигнале признака персонального обслуживания. Выполняемые в сеансе работы определяются планом сеанса. План типового сеанса определяет и может изменяться при вводе терминала в систему. В режиме группового обслуживания сеанс связи с КА организуется региональной станцией. Терминалы, ПО которых настроено на групповой режим обслуживания, работают по жесткой программе, определенной при вводе терминала в систему. В одном минутном интервале с КА могут работать на передачу до 7 терминалов при объеме передаваемых сообщений до 786 байт и 33 терминала при объеме передаваемых сообщений до 26 байт.

Система «Гонец» обеспечивает приоритетное представление каналов связи для передачи аварийных и экстренных сообщений в условиях возникновения на обслуживаемой территории чрезвычайной ситуации. Предоставление этой услуги конкретному пользователю определяет программное обеспечение при вводе терминала в систему.

Информация местоположения вырабатывается автоматически программно-аппаратными средствами терминала при наличии в нем приемного устройства GPS и настройке программного обеспечения. Настройки программного обеспечения позволяют использовать информацию местоположения двумя способами:

- непосредственным формированием из информации местоположения пакетов и отправлением их по радиоканалу (непосредственное использование информации местоположения);

- передачей информации о местоположении объекта в виде специального сообщения во внешний вычислительный комплекс, что позволяет провести дополнительную обработку этой информации и передавать ее в обработанном виде терминалу по радиоканалу (внешнее использование информации о местоположении).

Российская спутниковая система связи (ССС) «Гонец» предназначена для обеспечения передачи информации в цифровом виде между стационарными и подвижными абонентами и может быть использована для первоочередных задач информатизации в регионах, где в настоящее время отсутствует надежная связь. Спутниковая система связи «Гонец» обеспечивает предоставление следующих услуг:

- передача любых данных в цифровой форме - телекс, текст, изображение, обмен информацией между базами данных, между компьютерами, сбор телеметрических данных от необслуживаемых датчиков, определение местоположения подвижных объектов.

В ССС «Гонец» предусмотрено два режима работы: «электронная почта» с запоминанием, хранением в памяти спутника и последующей передачей пользователю (отправитель и получатель не находятся в зоне радиовидимости одного спутника) и в близком к реальному масштабу времени (отправитель и получатель находятся в зоне радиовидимости одного спутника); использование в комбинированных сетях спутниковой связи с помощью ИСЗ на геостационарной орбите. В этом случае время доставки информации приближается к реальному.

К областям применения ССС «Гонец» относятся: глобальная связь с абонентами, расположенными на территории со слаборазвитой инфраструктурой связи; передача экстренных сообщений и координация работ в районах стихийных бедствий; передача медицинской информации; сбор информации от необслуживаемых датчиков; обмен информацией между базами данных и связь типа «компьютер-компьютер»; обмен научной и образовательной информацией; обмен деловой информацией.

Таким образом, разработанные и созданные в России, спутниковая система навигации «ГЛОНАСС», а также автоматизированная система сбора и передачи информации о гидрофизических полях среды и объектов из морской среды в атмосферу и обратно могут быть совместно использованы в ГРГАС. Применение технологий этих систем существенно расширяет возможности, например, связь и информационный обмен со станциями о полях объектов и среды, а так же наблюдение сейсмической и экологической обстановки на обследуемых акваториях в пределах МЭЗ ДВР.

И так, в материалах заявки на изобретение представлено теоретическое обоснование, а также разработки практических путей формирования и применения глобальной радиогидроакустической системы мониторинга полей атмосферы, океана и земной коры в морской среде, как Единого информационного пространства Земли, в пределах акваторий ДВР и(или) в пределах совокупного пространства других морских экономических зон Российской Федерации.

Технический результат изобретения заключается в разработке глобальной радио-гадроакустической системы, обеспечивающей наблюдение пространственно-временной динамики и распознавание характеристик полей, формируемых источниками атмосферы, океана и земной коры в условиях протяженного гидроакустического канала с переменными характеристиками среды и границ. Диапазон частот дальнего параметрического приема информационных волн составляет сотни-десятки-единицы-доли герц, включая волны СНЧ колебаний движущихся объектов как целого. Операции распознавания и классификации источников формирования в морской среде информационных полей выполняются на базе нечеткой логики искусственных нейронных сетей как в автоматическом режиме, так и с участием оператора.

Заявленное изобретение представляет значительный интерес для решения практических задач морской науки, оборонного и народно-хозяйственного комплексов. Система промышленно применима, так как для ее создания используются распространенные компоненты и изделия радиотехнической промышленности и вычислительной техники. Заявляемая система не оказывает отрицательного воздействия на экологическое состояние морской среды и атмосферы.

Изобретение относится к гидрофизике, геофизике и радиофизике. Оно основано на объединении фундаментальных разработок глобальной системы навигации «ГЛОНАСС», системы связи «Гонец», а также разработок широкомасштабной радиогидроакустической системы мониторинга полей атмосферы, океана и земной коры в морской среде как Единого информационного пространства Земли. Глобальная радиогидроакустическая система мониторинга полей атмосферы, океана и земной коры в морской среде и распознавания источников их формирования включает в себя основную (масштабируемую) просветную параметрическую систему мониторинга, содержащую установленные на противоположных границах контролируемой среды один излучающий и три приемных акустических преобразователей, сформированные между ними три рабочие зоны нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования просветных и измеряемых информационных волн. Основная система мониторинга содержит излучающий тракт, включающий в себя последовательно соединенные формирователь сигналов стабилизированной частоты в диапазоне десятки-сотни герц, усилитель мощности сигналов и соединенные с ним через блок согласования и далее через кабели подводные преобразователи (излучатели) просветных акустических сигналов. Приемный тракт основной системы мониторинга содержит линию спектрального анализа принимаемых нелинейно преобразованных просветных сигналов, включающую последовательно соединенные переключатель (коммутатор) всех линий анализа, полосовой усилитель, преобразователь частотно-временного масштаба принимаемых сигналов в высокочастотную область, узкополосный анализатор их спектра и функционально связанный с ним регистратор (рекордер), а также три линии корреляционного анализа, содержащие последовательно соединенные блоки измерения функции корреляции сигналов между средним и крайними приемными преобразователями, блоки измерения функции их взаимной корреляции и анализатор (ЭВМ) измеряемой всеми линиями информации. Рабочие зоны нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования просветных и информационных полей атмосферы, океана и земной коры сформированы в вертикальной плоскости контролируемой среды как многолучевые пространственно-развитые параметрические антенны, для чего три всенаправленных излучающих преобразователя расположены в центре акватории и установлены по глубине на оси, ниже и выше оси подводного звукового канала, а приемные преобразователи, объединенные по три штуки в треугольные блоки, установлены по глубине аналогично излучателям и удалены от излучателей на дистанцию, обеспечивающую мониторинг акватории. Одиночные гидрофоны каждого приемного блока посредством кабелей через блок переключения приемных канатов соединены с линиями анализа приемного тракта, далее выходы линий спектрального и корреляционного анализа принимаемых просветных сигналов соединены с входом блока анализа выделяемой всеми линиями комплексной информации (ЭВМ), а его выход через радиоблок соединен с информационно-аналитическим центром, содержащим последовательно соединенные приемный радиоблок, блок системного анализа и передающий радиоблок, выход которого соединен с блоком формирователя сигналов излучающего тракта. Основную многоканальную просветную параметрическую систему формируют как комплекс вертикальных многолучевых параметрических антенн, расположенных по кругу или периметру контролируемой акватории через 45° и ориентированных от излучающего центра к периферии. Приемные блоки сформированы как дискретные антенны, у которых расстояния между преобразователями (гидрофонами) установлены в соответствии с корреляционными свойствами просветного акустического поля. Предлагаемая система принципиально отличается тем, что глобальная радиогидроакустическая система формируется в пределах акваторий морей Дальневосточного региона или в совокупном пространстве других морских экономических зон Российской Федерации. В структуру глобальной радиогидроакустической системы введены дополнительные подсистемы, сформированные и установленные на географически удаленных акваториях относительно основной (масштабируемой) системы. Основная система и дополнительные подсистемы снабжены различными излучающими и приемными трактами с их подводными излучателями и приемными блоками. Каждый элемент (гидрофон) приемных блоков через многожильный подводный кабель соединен с соответствующей линией нейросетевого анализа, которые введены в состав всех приемных трактов для автоматического определения степени принадлежности исследуемой области спектра объекту классификации. Каждая линия нейросетевого анализа включает в себя последовательно соединенные управляемый коммутатор, блок нейросетевого распознавания и классификации, блок совокупного анализа, выход которого соединен с блоком анализа выделяемой всеми линиями информации. Приемные тракты по каналам связи через блок переключения соединены с Единым информационно-аналитическим центром (ЕИАЦ) итогового анализа, распознавания и классификации математически обработанных образов спектрограмм объектов, а также выработки сигналов (команд) управления работой основной системы и дополнительных подсистем. Причем ЕИАЦ соединен с внешними (не системными) блоками, обеспечивающими обмен данными и связь между ЕИАЦ и(или) системами навигации «ГЛОНАСС» и связи «Гонец». Кроме того, просветные параметрические антенны дополнительных подсистем сформированы как комплексы вертикальных многолучевых параметрических антенн, расположенных по кругу или периметру контролируемых акваторий через 45° и ориентированных от центра к периферии, при этом дополнительные подсистемы удалены от соседних с ними подсистем на дистанции, обеспечивающие мониторинг акваторий. Кроме того, приемные блоки дополнительных просветных параметрических систем сформированы как дискретные антенны, у которых расстояния между преобразователями (гидрофонами) установлены в соответствии с корреляционными свойствами просветного акустического поля. Технический результат изобретения заключается в разработке глобальной радиогидроакустической системы, обеспечивающей наблюдение пространственно-временной динамики и распознавание характеристик полей, формируемых источниками атмосферы, океана и Земной коры в условиях протяженного гидроакустического канала с переменными характеристиками среды и границ. Диапазон частот дальнего параметрического приема информационных волн составляет сотни десятки единицы доли герц, включая волны СНЧ колебаний движущихся объектов, как целого. Операции распознавания и классификации источников формирования в морской среде информационных полей выполняются на базе нечеткой логики искусственных нейронных сетей как в автоматическом режиме, так и с участием оператора. 2 з.п. ф-лы, 17 ил., 1 табл.

1. Глобальная радиогидроакустическая система мониторинга полей атмосферы, океана и Земной коры в морской среде и распознавания источников их формирования, включающая в себя основную (масштабируемую) просветную параметрическую систему мониторинга, содержащую установленные на противоположных границах контролируемой среды один излучающий и три приемных акустических преобразователей, сформированные между ними три рабочие зоны нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования просветных и измеряемых информационных волн, при этом основная система мониторинга содержит излучающий тракт, включающий в себя последовательно соединенные формирователь сигналов стабилизированной частоты в диапазоне десятки-сотни герц, усилитель мощности сигналов и соединенные с ним через блок согласования и далее через кабели подводные преобразователи (излучатели) просветных акустических сигналов, а приемный тракт основной системы мониторинга содержит линию спектрального анализа принимаемых нелинейно преобразованных просветных сигналов, включающую последовательно соединенные переключатель (коммутатор) всех линий анализа, полосовой усилитель, преобразователь частотно-временного масштаба принимаемых сигналов в высокочастотную область, узкополосный анализатор их спектра и функционально связанный с ним регистратор (рекордер), а также три линии корреляционного анализа, содержащие последовательно соединенные блоки измерения функции корреляции сигналов между средним и крайними приемными преобразователями, далее блоки измерения функции их взаимной корреляции и анализатор (ЭВМ) измеряемой всеми линиями информации, при этом рабочие зоны нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования просветных и информационных полей атмосферы, океана и Земной коры сформированы в вертикальной плоскости контролируемой среды как многолучевые пространственно-развитые параметрические антенны, для чего три всенаправленных излучающих преобразователя расположены в центре акватории и установлены по глубине на оси, ниже и выше оси подводного звукового канала, а приемные преобразователи, объединенные по три штуки в треугольные блоки, установлены по глубине аналогично излучателям и удалены от излучателей на дистанцию, обеспечивающую мониторинг акватории, при этом одиночные гидрофоны каждого приемного блока посредством кабелей через блок переключения приемных каналов соединены с линиями анализа приемного тракта, далее выходы линий спектрального и корреляционного анализа принимаемых просветных сигналов соединены с входом блока анализа выделяемой всеми линиями комплексной информации (ЭВМ), а его выход через радиоблок соединен с информационно-аналитическим центром, содержащим последовательно соединенные приемный радиоблок, блок системного анализа и передающий радиоблок, выход которого соединен с блоком формирователя сигналов излучающего тракта, при этом основную многоканальную просветную параметрическую систему формируют как комплекс вертикальных многолучевых параметрических антенн, расположенных по кругу или периметру контролируемой акватории через 45° и ориентированных от излучающего центра к периферии, при этом приемные блоки сформированы как дискретные антенны, у которых расстояния между преобразователями (гидрофонами) установлены в соответствии с корреляционными свойствами просветного акустического поля, отличающаяся тем, что глобальная радиогидроакустическая система формируется в пределах акваторий морей Дальневосточного региона или в совокупном пространстве других морских экономических зон Российской Федерации, для чего в структуру глобальной радиогидроакустической системы введены дополнительные подсистемы, сформированные и установленные на географически удаленных акваториях относительно основной (масштабируемой) системы, причем основная система и дополнительные подсистемы снабжены различными излучающими и приемными трактами с их подводными излучателями и приемными блоками, а каждый элемент (гидрофон) приемных блоков через многожильный подводный кабель соединен с соответствующей линией нейросетевого анализа, которые введены в состав всех приемных трактов для автоматического определения степени принадлежности исследуемой области спектра объекту классификации, при этом каждая линия нейросетевого анализа включает в себя последовательно соединенные управляемый коммутатор, блок нейросетевого распознавания и классификации, блок совокупного анализа, выход которого соединен с блоком анализа выделяемой всеми линиями информации, а приемные тракты по каналам связи через блок переключения соединены с Единым информационно-аналитическим центром (ЕИАЦ) итогового анализа, распознавания и классификации математически обработанных образов спектрограмм объектов, а также выработки сигналов (команд) управления работой основной системы и дополнительных подсистем, причем ЕИАЦ соединен с внешними (не системными) блоками, обеспечивающими обмен данными и связь между ЕИАЦ и (или) системами навигации «ГЛОНАСС» и связи «Гонец».

2. Глобальная радиогидроакустическая система мониторинга по п. 1, отличающаяся тем, что просветные параметрические антенны дополнительных подсистем сформированы как комплексы вертикальных многолучевых параметрических антенн, расположенных по кругу или периметру контролируемых акваторий через 45° и ориентированных от центра к периферии, при этом дополнительные подсистемы удалены от соседних с ними подсистем на дистанции, обеспечивающие мониторинг акваторий.

3. Глобальная радиогидроакустическая система мониторинга по п. 1, отличающаяся тем, что приемные блоки дополнительных просветных параметрических систем сформированы как дискретные антенны, у которых расстояния между преобразователями (гидрофонами) установлены в соответствии с корреляционными свойствами просветного акустического поля.