Способ определения координат и параметров движения подводных объектов при мультистатической гидролокации Российский патент 2024 года по МПК G01S15/00 

Изобретение относится к области гидроакустики, а именно к способам и устройствам обнаружения подводных объектов при мультистатической гидролокации.

Как известно [1,2], мультистатическая (многопозиционная) гидролокация отличается от моностатической тем, что гидроакустические излучатели и гидроакустические приёмники разнесены в пространстве, чем достигается повышение дистанции обнаружения подводных объектов. При использовании одного излучателя и одного приёмника, разнесённых в пространстве, гидролокация называется бистатической.

Применение мультистатической гидролокации особенно актуально при поиске подводных лодок (ПЛ) авиационными радиогидроакустическими системами [3]. Данный поиск состоит в постановке противолодочным самолётом поля радиогидроакустических буёв (РГБ), которые должны обнаружить ПЛ при преодолении поля РГБ и факт обнаружения вместе с координатами и желательно параметрами движения по радиоканалу сообщить на самолёт.

До последнего времени для решения задачи использовались в основном пассивные РГБ. Однако ввиду неуклонного снижения шумности ПЛ дистанция их обнаружения при помощи РГБ постоянно сокращается, что требует повышать плотность поля буёв и приводит к повышению стоимости поисковой операции. Ввиду этого в последние годы наметилась устойчивая тенденция к переходу на поиск ПЛ в активном мультистатическом режиме, в котором применяются ненаправленные (всенаправленные) излучающие РГБ и направленные приёмные РГБ.

При переходе к мультистатическому поиску возникла необходимость непрерывного определения ориентации приемной антенны относительно направления на географический север, т.к. приемные антенны РГБ, поддерживаясь плавучестью на заданной глубине, свободно вращаются вокруг вертикальной оси. Учитывая требования к малой стоимости и ограниченный объем для размещения аппаратуры внутри корпуса РГБ, в качестве аппаратуры ориентации используется простейший магнитный компас, обладающий низкой точностью определения направления, причём существенно зависящей от географической широты. В высоких широтах точность, обеспечиваемая магнитным компасом, становится неприемлемой, что является проблемой при решении задач в мультистатическом режиме.

При поиске ПЛ в режиме мультистатической гидролокации, когда излучающие и приёмные РГБ разнесены на большое расстояние, значительные ошибки при определении пеленга обнаруженной ПЛ не позволяют определить дистанцию до неё и направление её движения.

При поиске в пассивном режиме данная проблема существовала, но не была решающей, поскольку при обнаружении ПЛ конкретным РГБ с небольшой дистанцией обнаружения было ясно, что ПЛ находится в малой окрестности буя и конкретное направление на неё не является необходимым, ввиду того, что траектория движения ПЛ успешно восстанавливается по последовательности срабатывания отдельных РГБ, координаты которых могут быть определены с использованием приемников спутниковой навигационной системы (СНС), установленных на РГБ, либо путём пеленгования РГБ с использованием протяжённой антенны, установленной на самолёте [3].

При поиске ПЛ в режиме мультистатической гидролокации, когда излучающие и приёмные РГБ разнесены на большое расстояние, значительные ошибки при определении пеленга обнаруженной ПЛ не позволяют определить дистанцию до неё и направление её движения.

Учитывая сказанное, актуальной является задача, как в режиме мультистатической гидролокации с высокой точностью определить координаты и параметры движения обнаруженного подводного объекта без аппаратуры определения ориентации в пространстве приёмных антенн РГБ (активные РГБ, являясь ненаправленными, в ориентации не нуждаются).

Применение мультистатической гидролокации [1,2] и радиолокации [4,5] для решения разных задач широко известно. В работе [6] рассматривается задача освещения подводной обстановки с использованием гидроакустического комплекса ПЛ в качестве излучателя и поля РГБ в качестве приёмников. В работе [7] для устранения неоднозначности пеленга обнаруженной цели, свойственной линейным буксируемым антеннам, предлагается использовать 2 корабля, оснащённых гидроакустическими станциями с гибкими протяжёнными буксируемыми антеннами, и обнаруживать цели в режиме бистатической гидролокации. В работе [8] рассматривается система, состоящая из разнесённых в пространстве направленного приёмоизлучателя и направленного приёмника при условии, что цель находится вне зоны видимости приёмника. Ввиду этого приёмник обнаруживает эхосигнал, отражённый не от цели, а от приёмоизлучателя. Во всех перечисленных аналогах приёмники считаются ориентированными в пространстве, т.е. названная выше проблема передними не стоит.

В качестве способа-прототипа выбран способ определения координат цели, описанный в работе [4, с.33-34]. Способ-прототип проиллюстрирован на фиг.1, на котором:

1 – ненаправленный излучатель (далее - излучатель);

2 – направленный приёмник, ориентированный в пространстве;

3 – цель;

– расстояние между излучателем и приёмником;

– расстояние между излучателем и целью;

– расстояние между целью и приёмником;

– угол с вершиной в местоположении приёмника между пеленгами на излучатель и цель.

Способ-прототип заключается в следующем. Имеются разнесённые в пространстве и стационарно установленные с известными координатами ненаправленный излучатель 1 и приёмник 2 с направленной антенной. Причём приёмник пространственно ориентирован, т.е. оборудован средствами инерциальной навигации, обеспечивающими контроль текущего направления на географический север.

Излучатель 1 излучает зондирующий сигнал (ЗС), который отражается от цели 3. Приёмник 2 принимает ЗС, измеряет и запоминает пеленг и время его приёма. Затем принимает эхосигнал (ЭС), измеряет и запоминает пеленг и время его приёма.

С использованием измеренных данных формируется система уравнений

где

- разность времён приёма эхосигнала и зондирующего сигнала;

- разность пеленгов приёма эхосигнала и зондирующего сигнала;

– скорость звука в воде.

Первое уравнение в (1) связывает между собой расстояния, пройденные эхосигналом и зондирующим сигналом с разностью времён их обнаружения. Второе уравнение связывает между собой длины сторон треугольника 1-2-3 с углом в соответствии с теоремой косинусов.

Подставляя 1-е уравнение во 2-е, получим:

Учитывая, что и определены, а рассчитывается исходя из известных географических координат излучателя и приёмника, из (2) определяется расстояние (дистанция) между целью и приёмником :

В результате получен пеленг цели и дистанция до неё относительно приёмника.

Недостатками способа прототипа являются:

- для его реализации приёмник должен быть ориентирован в пространстве;

- способ не позволяет определить курс и скорость цели.

Решаемая техническая проблема – совершенствование поиска подводных объектов мультистатической системой подводного наблюдения.

Технический результат – определение координат (пеленга и дистанции) и параметров движения (курса и скорости) цели одним приёмником мультистатической системы гидролокации за один цикл излучения зондирующего сигнала при неизвестной угловой ориентации приёмника в пространстве.

Заявляемый способ проиллюстрирован на фиг.2, на котором:

4 – направленный приёмник, не ориентированный в пространстве и определяющий направление в локальной системе координат, центр которой совмещен с центром приемной антенны (далее - приемник);

– курсовой угол цели относительно приёмника;

– курсовой угол цели относительно излучателя;

d – разность курсовых углов цели относительно направлений на излучатель и приёмник.

Реализация заявляемого способа состоит в следующем:

- Ненаправленный (всенаправленный) излучатель 1 излучает зондирующий сигнал (ЗС).

- Направленный приёмник 4 принимает ЗС, измеряет направление и время приёма ЗС, а также запоминает сам ЗС .

- Затем направленный приёмник 4 принимает эхосигнал (ЭС), отражённый от цели 3, измеряет направление и время приёма ЭС, а также запоминает сам ЭС

- С использованием полученных данных определяются текущие координаты цели в пространстве. Это достигается следующим образом:

- вычисляется разность направлений прихода ЭС и ЗС

- вычисляется разность времён приёма ЭС и ЗС

При этом предполагается, что приёмник на интервале между приёмом ЗС и ЭС не изменил своей угловой ориентации, что соответствует действительности, поскольку интервал между приёмом ЗС и ЭС не превышает единиц секунд, а экспериментально установлено, что при принятии соответствующих аппаратных решений (оборудование РГБ демпфером в виде паруса из ткани и микромеханическими акселерометрами) максимальная не учитываемая скорость вращения РГБ вокруг своей вертикальной оси не превышает единиц градусов в минуту;

- вычисляются пеленг и дистанция излучателя относительно приёмника:

где

– известные (рассчитанные с использованием сигналов спутниковой навигационной системы) географические координаты приёмника в некоторой местной декартовой системе координат, в которой ось направлена на север, а ось – на восток;

– известные (рассчитанные с использованием сигналов спутниковой навигационной системы) географические координаты излучателя в той же системе координат;

- вычисляется пеленг цели относительно приёмника

Знак в правой части формулы (7) определяется, исходя из того, что на практике известно, с какой стороны цель приближается к барьеру из РГБ;

- по формуле (3) вычисляется дистанция до цели относительно приёмника.

1) Если осуществляется поиск ПЛ известного проекта и если разрешающая способность ЗС по дальности не превышает единиц метров, определяются курс и скорость цели. Это реализуется следующим образом:

- определяется курсовой угол цели относительно приёмника , для чего вычисляется взаимно-корреляционная функция (ВКФ) ЗС и ЭС :

где

– длительность ЗС;

– аргумент взаимно-корреляционной функции;

– аргумент зондирующего и эхосигналов.

В ВКФ (показанной красным цветом на фиг.3) выделяются узкополосные максимумы, обусловленные отражениями от характерных блестящих точек цели, и измеряются разности их абсцисс (т.е. запаздывания прихода на приёмник ЭС, отражённых от -й и -й блестящих точек - отражателей). В случае ПЛ характерными блестящими точками (отражателями) являются нос, рубка и кормовое оперение [9]. При известном проекте ПЛ расстояния между характерными -й и -й блестящими точками (отражателями) вдоль диаметральной плоскости известны. Поскольку относительные запаздывания прихода эхосигналов от отражателей во взаимно-корреляционной функции зависят от курсового угла цели относительно приёмника (что показано на фиг.3 красным цветом), это позволяет определить курсовой угол цели относительно приёмника по формуле:

где и - номера наиболее удалённых друг от друга отражателей.

Для повышения точности используется разность между наиболее удалёнными друг от друга блестящими точками. Знак в правой части формулы (9) определяется по стороне изменения пеленга цели при излучении нескольких ЗС;

- определяется курс цели :

-

- определяется скорость цели , что достигается следующим образом:

o при мультистатической локации доплеровское преобразование спектра ЗС в спектр ЭС имеет вид

где

– комплексный спектр эхосигнала;

– передаточная характеристика канала распространения ЗС от излучателя к приёмнику, величина которой не влияет на решаемую задачу;

– комплексный спектр ЗС, преобразованный под воздействием эффекта Доплера;

- курсовой угол цели относительно излучателя и приёмника соответственно;

- доплеровский параметр, определяемый в виде

Формула (12) показывает, что ЗС подвергается эффекту Доплера дважды: сначала при падении на цель под углом , а затем при отражении от неё под углом .

Величину доплеровского параметра можно определить из следующего условия: корреляция ЭС и ЗС является максимальной, если ЗС преобразован с использованием доплеровского параметра, определяемого по формуле (12). Для этого вычислим корреляцию ЭС и ЗС, преобразованного с использованием разных величин доплеровского параметра , перебираемых от 1 до величины с шагом :

где

– граничные частоты полосы частот ЗС;

– частота и длительность ЗС;

- максимально возможная скорость цели;

– сопряжённый комплексный спектр эхосигнала;

– комплексный спектр ЗС, преобразованный в соответствии с величиной доплеровского параметра ;

– частота.

Определим величину доплеровского параметра как соответствующую максимуму функции .

Определив доплеровский параметр , найдём из (12) скорость цели, учтя, что :

Единственный неизвестный в (14) параметр d, представляющий собой угол с вершиной в месте цели между направлениями на излучатель и приёмник, определяется из треугольника 1-2-3 на фиг.2 по теореме синусов, а расстояние между излучателем и целью вычисляется из первого уравнения системы (1):

Таким образом, без учёта угловой ориентации приёмника по данным одного цикла излучения ЗС определены пеленг цели , дистанция до неё , курс цели и её скорость .

Существенными отличиями заявляемого способа от способа прототипа является дополнительное определение при отсутствии угловой ориентации приёмника:

1) координат цели;

2) курса цели;

3) скорости цели.

Для оценки точности определения координат и параметров движения цели с помощью заявленного способа было проведено математическое моделирование решения задачи, которое позволило установить следующее:

На точность определения координат и параметров движения цели влияют среднеквадратические погрешности (СКП) определения:

текущих координат излучателя и приёмника;

моментов времени прихода ЗС и ЭС;

направлений прихода ЗС и ЭС;

расстояний между максимумами в ВКФ ЗС и ЭС;

доплеровского параметра;

скорости звука на глубине приёмника.

Типовыми значениями перечисленных СКП являются:

текущих координат излучателя и приёмника при использовании спутниковой навигационной системы 5…8 м;

моментов времени прихода ЗС и ЭС 0,5…1,0 мс;

направления прихода ЗС и ЭС 2°…3°;

расстояний между максимумами в ВКФ ЗС и ЭС 2…3 мс;

доплеровского параметра 0,03…0,05;

скорости звука 0,5…1,0 м/с.

При типовых значениях ошибок координаты и параметры движения цели определяются с СКП:

пеленга 2°…3°;

дистанции 7…10%;

курса 7°…9°;

скорости 0,8…1,2 м/с.

Приведённое обоснование и результаты моделирования заявляемого способа позволяют утверждать, что заявленный технический результат – определение координат и параметров движения цели одним приёмником мультистатической системы гидролокации за один цикл излучения зондирующего сигнала при неизвестной угловой ориентации приёмника в пространстве – можно считать достигнутым.

Источники информации

1. Урик Р. Дж. Основы гидроакустики // Л.: Судостроение. 1978.

2. Cox H. of bistatic active sonar. In "Undewater acoustic data processing" by Y.T.Chan (editor). Springer.1989.

3. Бородавкин А.Н., Богомолов А.П., Дурнев И.Н., Титков И.В. Радиогидроакустические системы морской авиации // ВУНЦ ВМФ "Военно-морская академия". Санкт-Петербург. 2022. 287 с.

4. Аверьянов В.Е. Разнесённые радиолокационные станции и системы // Минск: Наука и техника. 1978.

5. Черняк В.С. Многопозиционная радиолокация // М.: Радио и связь. 1993.

6. Патент РФ № 2555192.

7. Патент РФ № 2715409.

8. Патент РФ № 2751999.

9. Чернов В.П. Характеристики гидролокационного отражения сложных подводных объектов по результатам физического моделирования // Гидроакустика. 2022. Вып. 51 (3). С.50-60.

Использование: изобретение относится к области гидроакустики, а именно к способам и устройствам обнаружения подводных объектов в системе мультистатической гидролокации. Технический результат: определение координат и параметров движения цели одним приёмником мультистатической системы гидролокации за один цикл излучения зондирующего сигнала при неизвестной угловой ориентации приёмника в пространстве. Сущность: пеленг и дистанция до обнаруженной цели определяются на основе измерения направленным пространственно неориентированным по углу приёмником разностей времён и направлений обнаружения зондирующего и эхосигналов с учётом известных координат излучателя и приёмника; курс и скорость цели определяются на основе измерения отстояния по времени между максимумами в эхосигнале, обусловленными отражением зондирующего сигнала от характерных блестящих точек (отражателей) цели, и определения доплеровского параметра эхосигнала относительно зондирующего сигнала. 3 ил.

Способ определения координат и параметров движения подводных объектов при мультистатической гидролокации, включающий излучение ненаправленным излучателем зондирующего сигнала, приём направленным приёмником зондирующего сигнала с измерением момента времени прихода зондирующего сигнала, приём тем же направленным приёмником эхосигнала, отражённого от цели, с измерением момента времени прихода эхосигнала, вычисление разности времён прихода эхосигнала и зондирующего сигнала , определение координат цели с использованием измеренных параметров и известных координат излучателя и приёмника, отличающийся тем, что измеряют не ориентированным в пространстве направленным приёмником направления прихода зондирующего сигнала и эхосигнала, вычисляют разность направлений прихода эхосигнала и зондирующего сигнала, с использованием известных географических координат излучателя и приёмника вычисляют пеленг излучателя относительно приёмника и расстояние между излучателем и приёмником , вычисляют пеленг цели относительно приёмника по формуле

,

вычисляют дистанцию до цели относительно приёмника по формуле

где

– скорость звука в воде,

вычисляют взаимно-корреляционную функцию между зондирующим и эхосигналом с выделением в ней максимумов, обусловленных отражениями от характерных блестящих точек - отражателей цели, и измерением запаздываний между наиболее удалённой парой блестящих точек, определяют курсовой угол цели относительно приёмника по формуле

,

где – известные расстояния вдоль диаметральной плоскости цели между -й и -й характерными блестящими точками (отражателями),

вычисляют курс цели по формуле

,

вычисляют зависимость величины корреляции эхосигнала и зондирующего сигнала от величины доплеровского параметра по формуле

,

где

– частота;

– граничные частоты полосы частот зондирующего сигнала;

– сопряжённый комплексный спектр эхосигнала;

– комплексный спектр зондирующего сигнала, преобразованный в соответствии с величиной доплеровского параметра ,

определяют величину доплеровского параметра , соответствующего максимуму зависимости величины корреляции эхосигнала и зондирующего сигнала от величины доплеровского параметра ,

вычисляют скорость цели по формуле

,

где – угол с вершиной в месте цели между направлениями на излучатель и приёмник, определяемый по формуле

.