Способ определения параметров движения маневрирующего объекта

 

Изобретение относится к гидроакустике и может быть использовано для определения параметров движения объекта, сближающегося с наблюдателем по криволинейной траектории. Способ основан на приеме акустического шумового сигнала маневрирующего объекта, сближающегося с движущимся наблюдателем по траектории, на которой его вектор скорости непрерывно направлен на наблюдателя, гидроакустической антенной наблюдателя, преобразовании акустического шумового сигнала в электрический, автоматическом сопровождении маневрирующего объекта по углу, его классификации и последовательном измерении курсовых углов П₁, П₂,...П_i на маневрирующий объект через заданные интервалы t_i, определении собственной скорости движения наблюдателя V_н из массива скоростей объекта того класса, по которому классифицирован маневрирующий объект, выборе одного из возможных значений скорости V_o маневрирующего объекта, расчете начального значения дистанции Д₁ и текущего значения дистанции Д_i, расчете на i-й момент времени значения курсового угла П_расч.i, сравнении значений П_i и П_расч.i и, если модуль разности |(П_i-П_расч.i)|≤ заданного значения, считают выбранную скорость V_o маневрирующего объекта и рассчитанную дистанцию Д_i до него истинными, при ином результате сравнения из массива возможных скоростей объекта данного класса выбирают другое значение скорости маневрирующего объекта и повторяют процедуру расчетов до выполнения заданного условия для модуля разности расчетного и измеренного значений курсовых углов. Достигаемым техническим результатом изобретения является возможность работы в пассивном режиме гидроакустической станции (ГАС) без осуществления собственного маневра носителя ГАС. 1 ил.

Изобретение относится к гидроакустике и может быть использовано для определения параметров движения объекта, сближающегося с наблюдателем по криволинейной траектории.

Сближение объекта с наблюдателем может происходить по прямолинейной или криволинейной траектории. Прямолинейная траектория сближения предполагает движение объекта в некую расчетную упрежденную точку встречи и такая траектория, несмотря на то, что она самая короткая, требует высокой точности расчетов. Криволинейная траектория сближения, когда вектор скорости постоянно направлен на наблюдателя, а скорость объекта выше скорости наблюдателя, не требует расчета выведения объекта в точку встречи. Параметры такой траектории могут быть охарактеризованы следующими уравнениями: начальное значение дальности на момент начала пеленгования определяется формулой [1] Д₁=-(V_н•СOS(П₁))/((П₂-П₁)/t_i).......(1), где П - значения курсовых углов на объект (начальный - П₁ и последующие - П₂, П₃...П_i); t_i - интервалы времени взятия отсчетов курсовых углов; V_н - скорость наблюдателя, реккурентное уравнение, связывающее начальное и текущее значения дальности Д₁ и Д_i, определяется формулой [1] Д_i=(Д₁•cos(П₁)/cos(П_i))/[(sec(П_i)+tg(П_i))/(sec(П₁)+tg(П₁))]^{^}m. ... (2), где m - отношение скоростей объекта и наблюдателя, расчетное значение курсового угла на объект [1]

где Д₁ и Д_i - начальное и текущие дистанции до цели;
П_(i-1) - измеренное значение курсового угла на предыдущем цикле.

Под параметрами движения будем понимать координаты объекта - дальность (Д) и курсовой угол (П), а также скорость (V_o) и направление движения или курс (К).

В практике проектирования систем обработки информации цели условно разделяют на неманеврирующие и маневрирующие [2]. Неманеврирующие - это цели, двигающиеся равномерно и прямолинейно, во всех других случаях это маневрирующие цели. Для маневрирующего объекта физический смысл имеет только мгновенное значение курса ввиду того, что вектор скорости объекта описывает некую кривую. Сближение какой-либо цели, называемой далее объектом, с наблюдателем происходит под воздействием определенных физических сил, например гравитации, намагничивания и др., или под воздействием какого-то управления (алгоритма), например телеуправления, визирования и др.

Определение полного набора параметров движения объекта возможно при работе поискового средства в активном режиме [2]. К недостаткам активного способа определения параметров относят большие затраты энергии на локацию пространства и связанные с излучением проблемы обеспечения гидроакустической совместимости. Кроме того, излучение всегда связано с потерей собственной скрытности наблюдателя и демаскированием своих параметров движения.

Для устранения этого недостатка применяют пассивные методы определения координат и вычисления на их основе курса и скорости движения объекта. Известны способы пассивного определения параметров движения объектов, когда измеряется только направление на цель - пеленг или курсовой угол, как это имеет место в гидроакустических станциях шумопеленгования. Определение координат объекта и параметров его движения, в этом случае, осуществляется специальным вычислителем методами триангуляции, разностно-дальномерным или угломерно-дальномерным способом [3, 4]. Данные методы предполагают наличие в поисковом средстве не менее двух-трех разнесенных в пространстве антенн. Причем, чем больше расстояние между антеннами, тем точнее определяются координаты объекта. Однако применение этих методов на транспортных средствах затруднено ввиду невозможности достичь большого разнесения антенн в пределах одного носителя. К недостаткам такого способа также относятся зависимость точности измерения местоположения объекта относительно поискового средства и сложность идентификации нескольких объектов в зоне обзора поискового средства.

Известны также методы пассивного определения координат в пассивном режиме с помощью только одной антенны, например [5] и [6]. Так, в [5] определение координат торпеды осуществляется путем приема шумов торпеды, отраженных от дна, при этом определяются угол места и курсовой угол. Недостатком этого способа является необходимость иметь очень высокое угловое разрешение в вертикальной плоскости, а следовательно, и значительные габариты антенны в вертикальной плоскости. Кроме того, этот способ обладает невысокой точностью из-за больших ошибок в определении истинного угла места объекта из-за рефракционных искажений в водной среде.

Способ [6] позволяет определять координаты объекта без маневра, но при условии равномерного и прямолинейного движения маневрирующего объекта, что неприемлемо для криволинейной траектории сближения маневрирующего объекта с наблюдателем.

Наиболее близким по совокупности признаков к предлагаемому способу является так называемый способ N-пеленгов [7], который обеспечивает определение координат и параметров движения путем последовательного взятия отсчетов курсовых углов на прямолинейном и равномерном участке собственного движения наблюдателя и последующего маневра, который позволяет определить дистанцию до цели на момент взятия последнего отсчета. Способ-прототип включает определение курсового угла и сглаживание ошибок, обнаружение сигнала от маневрирующего объекта, взятие его на автоматическое сопровождение и классификацию. Измеренные через равные промежутки времени t_i курсовые углы на объект используют для графического построения траектории движения маневрирующего объекта. Реализация этого способа может быть осуществлена гидроакустической станцией (ГАС), описанной в [4].

Недостатком данного способа определения параметров движения маневрирующего объекта, сближающегося с движущимся наблюдателем по траектории, на которой его вектор скорости постоянно направлен на наблюдателя, и его ограничением является необходимость аппроксимации криволинейной траектории совокупностью прямолинейных отрезков, что ведет к дополнительным ошибкам, а также необходимость маневра наблюдателя.

Таким образом, способ N-пеленгов при измерении параметров движения объекта на криволинейной траектории, описываемой формулой (1), обладает существенными ошибками, метод требует маневра наблюдателя по курсу и скорости, что не всегда представляется возможным. Эти недостатки ограничивают применение способа N-пеленгов для измерения параметров движения таких объектов.

Задачей изобретения является разработка способа определения параметров движения маневрирующего объекта, двигающегося по криволинейной траектории, на которой вектор его скорости непрерывно направлен на наблюдателя, в пассивном режиме работы гидроакустической станции без осуществления собственного маневра носителя ГАС.

Для решения поставленной задачи в способ определения параметров движения маневрирующего объекта, сближающегося с движущимся наблюдателем по траектории, на которой его вектор скорости непрерывно направлен на наблюдателя, включающий прием акустического шумового сигнала маневрирующего объекта гидроакустической антенной наблюдателя, преобразование акустического шумового сигнала в электрический, автоматическое сопровождение маневрирующего объекта по углу, его классификацию и последовательное измерение курсовых углов П₁, П₂, . ..П_i на маневрирующий объект через заданные интервалы t_i, введены новые признаки, а именно: определяют собственную скорость движения наблюдателя V_н, из массива скоростей объекта того класса, по которому классифицирован маневрирующий объект, выбирают одно из возможных значений скорости V_o маневрирующего объекта, рассчитывают начальное значение дистанции Д₁ по формуле
Д₁=(V_н•соs(П₁))/((П₁)-(П₂)/t_i)
и текущее значение дистанции Д_i по формуле
Д_i=(Д₁cos(П_i/cos(П_i))/[(sec(П_i)+tg(П_i))/(sec(П₁)+tg(П₁))]^{^}m,
где m - отношение скоростей V_н и V_o, после чего рассчитывают на i-й момент времени значение курсового угла П_расч.i по формуле
П_расч.i=arcsin[(V_н•t_i•(1-m^{^}2)/(m•Д_i)+(Д_i•sin(П_(i-1)))/Д₁+(Д_i-Д₁)/(m•Д_i)] ,
сравнивают значения П_i и П_расч.i и, если модуль разности |(П_i-П_расч.i)|≤ заданного значения, считают выбранную скорость V_o маневрирующего объекта и рассчитанную дистанцию Д_i до него истинными, при ином результате сравнения из массива возможных скоростей объекта данного класса выбирают другое значение скорости маневрирующего объекта и повторяют процедуру расчетов до выполнения заданного условия для разности расчетного и измеренного значений курсовых углов.

Технический результат от использования изобретения заключается в следующем: вместо того, чтобы аппроксимировать криволинейную траекторию набором прямолинейных отрезков и тем самым вносить дополнительные ошибки в точность определения координат и наблюдателю маневрировать для определения дистанции, предлагается измерять курсовые углы на маневрирующий объект через равные промежутки времени и, используя значения собственной скорости наблюдателя и скорости маневрирующего объекта из массива возможных скоростей, определять истинную дистанцию и скорость маневрирующего объекта по формулам (1)-(3). Это позволяет повысить точность определения координат маневрирующего объекта, исключить маневрирование наблюдателя и тем самым сократить время решения задачи.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где представлено устройство, реализующее способ определение параметров движения маневрирующего объекта.

Предлагаемый способ реализуется устройством, содержащим блоки, известные из описания гидроакустической станции [7], и включающим в себя пассивную гидроакустическую антенну 1, аппаратуру 2 предварительной и первичной обработки, аппаратуру 3 автоматического сопровождения, классификатор 4 и вычислитель 5.

Вычислитель 5 может представлять собой аппаратно-программный блок цифрового вычислительного комплекса гидроакустической станции или компьютер, соединенный с выходом классификатора 4. Реализация алгоритма в вычислителе осуществляется программным путем.

Предложенный способ осуществляется следующим образом: смесь сигнала и помехи с выхода гидроакустической антенны 1 поступает на аппаратуру 2 предварительной и первичной обработки сигналов, выделяющую полезный сигнал, который поступает на аппаратуру 3 автоматического сопровождения цели по углу и классификатор 4, который определяет класс цели, и в случае наличия цели, двигающейся по криволинейной траектории сближения, отсчеты курсового угла через равные промежутки времени принимаются вычислителем, осуществляющим определение дистанции до объекта и его скорость в соответствии с предлагаемым алгоритмом.

Вычислитель реализует алгоритм определения параметров в соответствии с блок-схемой управления, представленной в блоке 5. Из классификатора 4 в блок 5 поступают исходные данные для запуска алгоритма определения координат в виде отсчетов времени t_i, значений измеренных курсовых углов П_i, значение собственной скорости носителя V_н, а из массива возможных скоростей маневрирующего объекта, хранящегося в памяти вычислителя 5, - значение выбранной скорости V_i, после чего блок 5 осуществляет операцию вычисления начального значения дальности Д₁ до маневрирующего объекта по формуле (1) и далее операцию вычисления текущего значения дальности Д_i по формуле (2). Затем в блоке 5 выполняются операция вычисления расчетного значения курсового угла П_расч.i, соответствующего вычисленному значению дальности Д_i, и операция сравнения |(П_i-П_расч.i)|≤Z (Z - наперед заданное значение). На практике значение Z выбирают равным значению среднеквадратической ошибки измерения курсового угла. Если условие выполняется, то значение собственной скорости маневрирующего объекта V_o и рассчитанную дистанцию Д_i считают истинными. В ином случае блок 5 осуществляет операцию выборки из массива возможных скоростей маневрирующего объекта нового значения скорости маневрирующего объекта и процедура расчетов повторяется до выполнения заданного значения Z разности расчетного и измеренного значений курсовых углов.

В результате параметры движения маневрирующего объекта удается определить в пассивном режиме без собственного маневра носителя ГАС, что позволяет считать поставленную задачу решенной.

Источники информации
1. А.С. Кельзон. Динамические задачи кибернетики. Л., 1959 г., с.33, 35.

2. С.З. Кузьмин. Основы проектирования систем цифровой обработки радиолокационной информации. М., 1986 г., с.140-143.

3. В.В. Караваев, В.В. Сазонов. Статистическая теория пассивной локации. М., 1987 г., с.149-152.

4. В.А. Демиденко. Об общей основе существующих методов оценки расстояния в пассивном режиме. Судостроительная промышленность, серия общетехническая. Л., Выпуск 37. - 1992 г., с.3-12.

5. Патент Франции N 2727520, м.кл. G 01 S 3/808, 31.05.96 - Пассивная система для обнаружения торпед.

6 Патент US N 5479360, м.кл., G 01 S 7/00, 26.12.95 - Способ пассивного измерения расстояния до цели без выполнения маневра корабля-носителя.

7. А.С. Колчеданцев. Гидроакустические станции. Л., 1982 г., с.143.

Формула изобретения

Способ определения параметров движения маневрирующего объекта, сближающегося с движущимся наблюдателем по траектории, на которой его вектор скорости непрерывно направлен на наблюдателя, включающий прием акустического шумового сигнала маневрирующего объекта гидроакустической антенной наблюдателя, преобразование акустического шумового сигнала в электрический, автоматическое сопровождение маневрирующего объекта по углу, его классификацию и последовательное измерение курсовых углов П₁, П₂, . . . П_i на маневрирующий объект через заданные интервалы t_i, отличающийся тем, что определяют собственную скорость движения наблюдателя V_н из массива скоростей объекта того класса, по которому классифицирован маневрирующий объект, выбирают одно из возможных значений скорости V_o маневрирующего объекта, рассчитывают начальное значение дистанции Д₁ по формуле
Д₁= (V_н•соs(П₁))/((П₁-П₂)/t_i)
и текущее значение дистанции Д_i по формуле
Д_i= (Д₁cos(П₁/cos(П_i))/[(sec(П_i)+tg(П_i))/(sec(П₁)+tg(П₁))] ^{^}m,
где m - отношение скоростей V_н и V_o,
после чего рассчитывают на i-й момент времени значение курсового угла П_расч.i по формуле
П_расч.i= arcsin[(V_н•t_i•(1-m^ 2)/(m•Д_i)+(Д_i•sin(П_(i-1)/Д₁+(Д_i-Д₁)/(m•Д_i)] ,
сравнивают значения П_i и П_расч.i и, если модуль разности |(П_i-П_расч.i)|≤ заданного значения, считают выбранную скорость V_o маневрирующего объекта и рассчитанную дистанцию Д_i до него истинной, при ином результате сравнения из массива возможных скоростей объекта данного класса выбирают другое значение скорости маневрирующего объекта и повторяют процедуру расчетов до выполнения заданного условия для модуля разности расчетного и измеренного значений курсовых углов.

РИСУНКИ

Рисунок 1