Мультистатическая система подводного наблюдения

Изобретение относится к области гидроакустики, а именно к мультистатическим системам подводного наблюдения. Решаемая техническая проблема - совершенствование состава и структуры МСПН. Технический результат - определение минимального количества ИГС и ПГС и географических координат их установки для обеспечения заданной вероятности обнаружения подводного объекта заданного класса при заданной вероятности ложной тревоги при нахождении объекта в любой точке контролируемого района. Указанный технический результат достигается тем, что вся площадь контролируемого района моря разбивается на примыкающие друг к другу одинаковые квадраты, включающие одну ИГС, расположенную в центре квадрата, и кратный четырем набор ПГС, расположенных внутри квадрата. Количество ПГС и их расположение рассчитываются с учетом выполнения следующих условий: - в каждой точке квадрата вероятность обнаружения подводного объекта в заданных гидроакустических условиях должна быть не менее заданной вероятности обнаружения при заданной вероятности ложной тревоги; - площадь квадрата должна быть максимально возможной; - количество ПГС, размещаемых в квадрате, должно быть минимально возможным. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

 

Изобретение относится к области гидроакустики, а именно к активным системам подводного наблюдения.

Активные системы подводного наблюдения делятся на моностатические гидролокационные системы (ГЛС-моно) [1], характеризующиеся расположением излучающих и приемных антенн в одной точке пространства, и мультистатические гидролокационные системы (ГЛС-мульти) [2], отличающиеся пространственным разнесением излучающих и приемных антенн.

Достоинствами ГЛС-моно являются меньшая стоимость изготовления и большее удобство эксплуатации, что обусловлено возможностью размещения системы на одном корабле либо в едином корпусе при установке ее в стационарном варианте. Другим достоинством ГЛС-моно является возможность наблюдения (оценивания классов, координат, скоростей и курсов находящихся в контролируемом районе подводных объектов) одной системой подводной обстановки во всем круговом секторе углов. Недостаток ГЛС-моно заключается в меньшей (по сравнению с ГЛС-мульти) дальности обнаружения подводных объектов, что обусловлено большим затуханием зондирующего сигнала (ЗС) при его распространении до объекта и обратно. В результате ГЛС-моно устанавливаются на мобильных морских объектах (подводных лодках, надводных кораблях, подводных аппаратах) либо в виде донных станций, не предназначенных для наблюдения за подводной обстановкой в районах большой площади (примером таких станций является станция обнаружения подводных пловцов).

Достоинством ГЛС-мульти по сравнению с ГЛС-моно является большая дальность обнаружения, обусловленная меньшим путем распространения ЗС при расположении приемной антенны ближе к объекту по сравнению с изучающей антенной. Недостатками ГЛС-мульти являются значительная стоимость изготовления и установки на позицию, а также невозможность одной излучающей и одной приемной антенной осветить подводную обстановку в круговом секторе углов относительно излучателя.

В настоящее время актуальной является задача создания систем подводного наблюдения в районах большой площади, причем как в прибрежных районах, так и в открытом море. Ранее использовавшиеся для этой цели гидролокационные комплексы с широкоапертурными антеннами площадью до 1000 м2 оказались неэффективными ввиду их подверженности преднамеренному противодействию со стороны противника. В последние десятилетия на смену идеологии больших гидролокационных комплексов пришла идеология мультистатических систем подводного наблюдения (МСПН) [2-9]. МСПН включает комплект объединенных сетевой гидроакустической связью (СГС) пункта управления (ПУ) МСПН, а также совместно функционирующих пространственно разнесенных автономных излучающих (ИГС) и приемных (ПГС) гидроакустических станций (фиг. 1). ИГС периодически, по заложенной программе, излучают ЗС, которые отражаются от подводных объектов (далее - объекты) и принимаются ПГС. ПГС обнаруживают отраженные сигналы (эхосигналы - ЭС) и путем их анализа определяют класс подводного объекта, его координаты (пеленг и дистанцию) и параметры движения (курс и скорость). Факт обнаружения объекта, его класс, а также координаты и параметры движения в виде формуляра ПГС при помощи СГС передается на ПУ МСПН. Передача осуществляется в режиме ретрансляции, т.е. каждая ПГС, принявшая формуляр, транслирует его на ближайшие ПГС. В результате ретрансляции формуляр доходит до ПУ.

Достоинствами МСПН являются:

- возможность вести наблюдение за подводной обстановкой в районе большой площади, в том числе за счет увеличения количества ИГС и ПГС;

- высокая устойчивость к преднамеренному противодействию ввиду скрытной установки станций и, как следствие, неизвестности для противника расположения ПГС и трудности выведения из строя всех излучающих станций.

Однако для формирования МСПН необходимо решить две задачи:

- определить минимально необходимое количество ИГС и ПГС, обеспечивающих выполнение требований по обнаружению в любой точке контролируемого района объектов заданных классов с заданной вероятностью (при заданном уровне ложных тревог) в заданных гидроакустических условиях;

- определить позицию каждой ИГС и ПГС.

Способы решения этих задач в источниках не приводятся. Исключение составляет работа [6], однако в ней расстановка ИГС и ПГС рассмотрена только с позиции обеспечения заданной точности определения координат объекта.

В качестве прототипа выберем МСПН, описанную в [4]. Данная МСПН состоит из ИГС и ПГС, объединенных в единую сеть с использованием СГС, по которой данные об обнаруженных подводных объектах передаются на ПУ. Основным недостатком прототипа является отсутствие методики определения количества ИГС и ПГС и географических координат их установки для обеспечения заданной вероятности обнаружения объекта в любой точке контролируемого района при заданной вероятности ложной тревоги.

Решаемая техническая проблема - совершенствование состава и структуры МСПН.

Технический результат - определение минимального количества ИГС и ПГС и географических координат их установки для обеспечения заданной вероятности обнаружения подводного объекта заданного класса при заданной вероятности ложной тревоги при нахождении объекта в любой точке контролируемого района.

Указанный технический результат достигается тем, что вся площадь контролируемого района моря разбивается на примыкающие друг к другу одинаковые квадраты, включающие одну ИГС, расположенную в центре квадрата, и набор ПГС, расположенных внутри квадрата. Количество ПГС и их расположение рассчитываются с учетом выполнения следующих условий:

- в каждой точке квадрата вероятность обнаружения подводного объекта в заданных гидроакустических условиях должна быть не менее заданной вероятности обнаружения;

- площадь квадрата должна быть максимально возможной;

- количество ПГС, размещаемых в квадрате, должно быть минимально возможным.

Для выполнения перечисленных условий предлагается следующий алгоритм расчета количества ПГС и их расположения внутри квадрата:

1) Для случая расположения ИГС, ПГС и объекта на одной прямой линии (фиг. 2) определяются такие значения заглубления антенн ИГС (НИГС) и ПГС (НПГС) и расстояния между ИГС и ПГС (RИГС-ПГС), при которых дальность обнаружения объекта (относительно ИГС) с вероятностью обнаружения Робн была бы максимальной (фиг. 2).

В формализованном виде данная задача состоит в нахождении из уравнения [10]:

таких значений НИГС, НПГС и RИГС-ПГС, при которых величина RИГС-Ц будет максимальной.

В уравнении (1):

Qвых(HИГС, НПГС, RИГС-ПГС, RИГС-Ц) - отношение сигнал/помеха (ОСП) обнаруживаемого объекта как функция НИГС, НПГС, RИГС-ПГС, RИГС-Ц;

Qпор - пороговое ОСП, соответствующее заданным Робн и Рлт, для когерентной обработки эхосигнала рассчитываемое по формуле [10]:

Конкретизируя левую часть уравнения (1), получим [10]:

где

В - база ЗС:

B=ΔƒЗС⋅T

ΔƒЗС - полоса частот ЗС;

ƒЗС - средняя частота ЗС;

Т - длительность ЗС;

РЗС - давление ЗС в полосе ΔƒЗС на оси характеристики направленности (ХН) излучающей антенны, приведенное к 1 м от излучающей антенны;

Rэкв - бистатический эквивалентный радиус подводного объекта;

β - коэффициент пространственного затухания акустического сигнала на частоте ЗС;

A(ƒЗС, НИГС, НЦ, RИГС-Ц) - аномалия распространения ЗС на трассе ИГС - объект;

НЦ - глубина расположения подводного объекта (далее глубина объекта);

АЦ-ПГСЗС, НЦ, НПГС, RИГС-Ц - RИГС-ПГС) - аномалия распространения ЗС на трассе объект - ПГС.

Решение уравнения (3) осуществляется путем перебора в допустимых пределах значений НИГС, НПГС и RИГС-ПГС с одновременным вычислением значения RИГС-Ц из условия равенства левой и правой частей уравнения.

Исходными данными для расчета являются:

- характеристики объекта: глубина НЦ и бистатический эквивалентный радиус Rэкв;

- вероятность обнаружения объекта в каждой точке контролируемого района Робн и вероятность ложной тревоги Рлт;

- технические характеристики ИГС (тип и геометрические размеры излучающей антенны, средняя частота ЗС ƒЗС, полоса частот ЗС ΔƒЗС, давление РЗС ЗС на оси ХН излучающей антенны, приведенное к расстоянию 1 м от излучателя ИГС, тип зондирующего сигнала);

- технические характеристики ПГС: рабочая полоса частот ΔƒПГС, геометрические размеры и тип антенны (расположение гидроакустических приемников в антенной решетке - по образующей цилиндра, сферы и т.п.);

- гидроакустические характеристики контролируемого района работы: глубина района, вертикальное распределение скорости звука, волнение поверхности моря, коэффициент пространственного затухания акустического сигнала.

2) Определяется максимальное расстояние d между двумя ПГС, равноудаленными от ИГС (фиг. 3), при котором вероятность обнаружения подводного объекта, проходящего между ними, была бы не меньше заданной вероятности обнаружения.

Данная задача решается путем решения относительно d уравнения:

где

3) Определяется кратное 4-м количество ПГС для установки внутри одного квадрата.

где [x] - операция вычисления наибольшего целого числа, меньшего х.

Из формулы (6) следует, что количество ПГС внутри одного квадрата должно быть кратно четырем.

4) Определяются координаты установки ПГС внутри квадрата (фиг. 4):

- если NПГС=4, ПГС устанавливаются на диагоналях квадрата симметрично ИГС на расстоянии RИГС-ПГС от него;

- если NПГС>4, то оставшиеся ПГС (в количестве NПГС - 4) устанавливаются на прямой, соединяющий ближайшие ПГС, в промежутках между ближайшими ПГС, на одинаковом расстоянии dПГС друг от друга, рассчитываемом по формуле

Определяется сторона квадрата L (фиг. 4):

Рассмотрим характерный пример.

Пусть требуется контролировать подводную обстановку в районе, имеющем прямоугольную форму с длинами сторон 85 и 40 км, с вероятностью обнаружения подводного объекта в каждой точке его нахождения в контролируемом районе не менее Робн=0,9 при вероятности ложной тревоги Рлт=10-4.

Гидроакустические условия (ГАУ) соответствуют условиям сплошной акустической освещенности. Вертикальное распределение скорости звука (ВРСЗ) приведено в табл. 1. Волнение моря 4 балла.

Коэффициент пространственного затухания рассчитывается по формуле

Параметры МСПН приняты следующими:

1) характеристики подводного объекта:

- глубина НЦ=75 м;

- бистатический эквивалентный радиус Rэкв=3 м;

2) Характеристики ИГС:

- тип излучающей антенны - цилиндр диаметром 15 см и высотой 20 см;

- частота ЗС ƒЗС=3,0 кГц;

- полоса ЗС ΔƒЗС=400 Гц;

- давление ЗС на оси ХН РЗС=10 кПа (154 дБ);

- зондирующий сигнал представляет собой пачку из 5 импульсов по 40 мс каждый импульс;

3) Характеристики ПГС

- тип приемной антенны - цилиндр с диаметром 2,55 м и высотой 2,4 м;

- рабочая полоса частот 0,5-6 кГц (ее ширина ΔƒПГС=5,5 кГц);

Результаты расчетов:

- оптимальное заглубление антенны ИГС НИГС=125 м;

- оптимальное заглубление антенны ПГС НПГС=100 м;

- оптимальное расстояние между ИГС и ПГС RИГС-ПГС=24,5 км;

- максимальная гарантированная дальность обнаружения подводного объекта (при оптимальных заглублениях антенн, глубине объекта и расстоянии между ИГС и ПГС) RИГС-Ц=32,5 км;

- максимально допустимое расстояние между соседними ПГС, расположенными на расстоянии RИГС-ПГС от ИГС d=46,5 км;

- поскольку d>1,41⋅RИГС-ПГС, то согласно формуле (6) количество ПГС для формирования квадрата NПГС=4;

- длина стороны квадрата L=45,8 км.

Таким образом, каждый квадрат имеет площадь 45,8×45,8 км2 и включает 1 ИГС и 4 ПГС. ИГС расположена в центре квадрата, а ПГС - на диагоналях квадрата на расстоянии 24,5 км от ИГС. Двух таких квадратов оказалось достаточно для покрытия назначенного прямоугольного района площадью 85×40 км2. После виртуального покрытия назначенного района двумя квадратами координаты ИГС и ПГС в системе координат каждого района пересчитываются в географические координаты.

На фиг. 5 приведено результирующее расположение ИГС и ПГС для обеспечения контроля назначенного района с заданной эффективностью.

Таким образом, заявленный технический результат изобретения - определение минимального количества ИГС и ПГС и географических координат их установки для обеспечения заданной вероятности обнаружения подводного объекта заданного класса при заданной вероятности ложной тревоги при нахождении объекта в любой точке контролируемого района - можно считать достигнутым.

Источники информации:

1. Корякин Ю.А., Смирнов С.А., Яковлев Г.В. Корабельная гидроакустическая техника. Состояние и актуальные проблемы. СПб.: Наука, 2004.

2. Коваленко В.В., Корчак В.Ю., Чулков В.Л. Концепция и ключевые технологии подводного наблюдения в условиях сетецентрических войн // Фундаментальная и прикладная гидрофизика, 2011, том 4, №3, стр. 49-64.

3. Пешехонов В.Г., Брага Ю.А., Машошин А.И. Сетецентрический подход к решению проблемы освещения подводной обстановки в Арктике // Известия ЮФУ. Технические науки, 2012, №3, С. 219-227.

4. Коваленко В.В., Корчак В.Ю., Хилько А.И., Чулков В.Л. Требования к сетецентрическим системам подводного наблюдения // Фундаментальная и прикладная гидрофизика, 2014, Т 7, №2, С. 22-26.

5. Машошин А.И. Концепция создания интегрированных сетевых систем подводного наблюдения // Сборник материалов Девятой научно-практической конференции "Перспективные системы и задачи управления, Таганрог, 7-11 апреля 2014, с. 7-16.

6. Михнюк А.Н. Методы повышения эффективности функционирования мультистатической системы подводного наблюдения. Дис. … канд. физ.-мат. наук. М.: Научный центр волновых исследований, 2018.

7. Патент РФ 2364888.

8. Николаев М. Найти невидимку: системы обнаружения субмарин // http://www.popmech.ru/article/5562-nayti-nevidimku.

9. Пичугин С. Состояние и перспективы развития систем гидроакустического наблюдения ВМС США // Зарубежное военное обозрение, 2010, №5 и №6.

10. Зарайский В.А., Тюрин A.M. Теория гидролокации. Л.: ВМА им. А.А. Гречко, 1975. - 604 с.

1. Мультистатическая система подводного наблюдения, включающая пункт управления, излучающие гидроакустические станции (ИГС) и приемные гидроакустические станции (ПГС), объединенные сетевой гидроакустической связью, отличающаяся тем, что площадь контролируемого района моря разбивают на примыкающие друг к другу одинаковые квадраты, включающие одну ИГС, расположенную в центре квадрата, и кратное четырем количество ПГС, при этом заглубление антенн ИГС и ПГС, а также их расположение в квадрате рассчитывают исходя из условия максимума площади квадрата в заданных гидроакустических условиях при обеспечении заданной вероятности обнаружения подводного объекта в каждой точке квадрата при заданной вероятности ложной тревоги.

2. Мультистатическая система подводного наблюдения по п. 1, отличающаяся тем, что количество ПГС в квадрате рассчитывают по формуле

где RИГС-ПГС - расстояние между ИГС и ПГС, обеспечивающее максимальную дальность обнаружения с заданной вероятностью обнаружения при заданной вероятности ложной тревоги подводного объекта, находящегося на одной прямой линии с ИГС и ПГС,

d - расстояние между двумя ПГС, находящимися на расстоянии RИГС-ПГС от ИГС, при котором вероятность обнаружения подводного объекта на середине соединяющей их прямой линии равна заданной вероятности обнаружения при заданной вероятности ложной тревоги,

[х] - обозначение операции нахождения ближайшего целого числа, меньшего х.

3. Мультистатическая система подводного наблюдения по п. 2, отличающаяся тем, что четыре ПГС располагают на диагоналях квадрата симметрично ИГС на расстоянии RИГС-ПГС от ИГС, а остальные ПГС, если их общее количество больше четырех, располагают между ближайшими ПГС на соединяющей их прямой на одинаковом расстоянии dПГС друг от друга, рассчитываемом по формуле



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области гидроакустики, в частности гидролокации. Предложен бистатический способ обнаружения подводной цели, содержащий излучение в воду первой подсистемой бистатического гидролокатора (БГ) составного гидроакустического сигнала, включающего зондирующий сигнал частоты f1 и информационный сигнал, состоящий из синхронизирующего импульса и контекстной информации в полосе частот f1±Δf1, прием второй подсистемой БГ эхо-сигнала от цели и прямого информационного сигнала, селекцию этих сигналов, демодуляцию и восстановление режимной информации, обработку эхо-сигнала и обнаружение подводной цели, в которой второй подсистемой БГ излучают в воду составной гидроакустический сигнал, включающий зондирующий сигнал частоты f2 и информационный сигнал в полосе частот f2±Δf2, состоящий из синхронизирующего импульса и контекстной информации, причем в состав ее входят результаты обнаружения цели на частоте f1, принимают первой подсистемой БГ эхо-сигнал от цели частоты f2 и прямой информационный сигнал в полосе частот f2±Δf2, селекцию этих сигналов, демодуляцию и восстановление режимной информации, обработку эхо-сигнала частоты f2 и обнаружение цели, а окончательное решение об обнаружении подводной цели производят в первой подсистеме по результатам обнаружения цели первой и второй подсистемами обработки эхо-сигналов частот f1 и f2.

Изобретение относится к области кораблестроения, а именно к кораблям, назначением которых является обнаружение подводных объектов. Корабль освещения подводной обстановки оснащен гидроакустическим излучателем с гидроакустической антенной, опускаемой под воду на заданную глубину, комплектом пассивных автономных гидроакустических станций (АГС), способных обнаруживать зондирующие сигналы гидроакустического излучателя и эхосигналы, отраженные от подводных объектов, средствами измерения характеристик гидроакустических условий в районе плавания, радиоприемной аппаратурой и аппаратурой гидроакустической связи для приема сообщений от АГС, ЭВМ со специальной программой, позволяющей до начала работы рассчитывать необходимое количество, координаты скрытно устанавливаемых АГС, траекторию маневрирования корабля в процессе расстановки АГС, проходящую через все рассчитанные позиции АГС, оптимальные для текущих гидроакустических условий глубины установки антенны излучателя и АГС, а в процессе работы вычислять траектории обнаруженных подводных объектов и определять их координаты и параметры движения.

Изобретение относится к области кораблестроения, а именно к кораблям, назначением которых является обнаружение подводных объектов. Корабль освещения подводной обстановки оснащен гидроакустическим излучателем с гидроакустической антенной, опускаемой под воду на заданную глубину, комплектом пассивных автономных гидроакустических станций (АГС), способных обнаруживать зондирующие сигналы гидроакустического излучателя и эхосигналы, отраженные от подводных объектов, средствами измерения характеристик гидроакустических условий в районе плавания, радиоприемной аппаратурой и аппаратурой гидроакустической связи для приема сообщений от АГС, ЭВМ со специальной программой, позволяющей до начала работы рассчитывать необходимое количество, координаты скрытно устанавливаемых АГС, траекторию маневрирования корабля в процессе расстановки АГС, проходящую через все рассчитанные позиции АГС, оптимальные для текущих гидроакустических условий глубины установки антенны излучателя и АГС, а в процессе работы вычислять траектории обнаруженных подводных объектов и определять их координаты и параметры движения.

Группа изобретений относится к области радиотехники и может быть использована в фискальных системах контроля местоположения судов в качестве альтернативного способа определения координат, в частности, для детектирования локальной подмены сигналов глобальных навигационных спутниковых систем (ГЛОНАСС, GPS, Galileo, BeiDou).

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано для измерения полевых акустических характеристик корабельных антенн. Для измерения полевых характеристик корабельных приемных и излучающих антенн на подводном аппарате (ПА) установлены две излучающие антенны (АИ1, АИ2) и две приемные антенны (АП1, АП2).

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано для обеспечения обнаружения и оценки текущих координат морских объектов в заданных районах мирового океана.

Использование: гидроакустика. Сущность: способ основан на последовательном обнаружении торпеды в режимах шумопеленгования, обнаружения гидроакустических сигналов и активной гидролокации и определения параметров ее движения за минимальное количество циклов локации и на большей дистанции.

Изобретение относится к гидроакустике и может быть использовано поисковой подводной лодкой для повышения эффективности освещения подводной обстановки. Техническим результатом от использования изобретения является расширение зоны освещения подводной обстановки за счет осуществления длительного поиска подводной лодки противника гидролокатором ГАК поисковой ПЛ, что является оправданным при решении задачи недопущения проникновения ПЛ противника через заданные рубежи или в охраняемые районы; существенное упрощение технологии развертывания выносной гидроакустической системы и снижение требований к районам установки АГАС в части рельефа дна и глубин моря.

Заявляемый объект относится к технике бистатической гидролокации (или способам бистатической гидролокации), в которой связь между разнесенными в пространстве излучающей и приемной позициями (или несколькими приемными позициями) осуществляют по гидроакустическому каналу.

Изобретение относится к способам определения гидрометеорологических параметров, а именно к комплексному определению таких параметров как скорость ветра на акватории, волнение поверхности моря и динамический подводный шум на акватории с предварительной обработкой информации, передачи информации потребителю для освещения гидрометеорологической обстановки при проведении работ на морских акваториях.

Изобретение относится к области гидроакустики, а именно к мультистатическим системам подводного наблюдения. Решаемая техническая проблема - совершенствование состава и структуры МСПН. Технический результат - определение минимального количества ИГС и ПГС и географических координат их установки для обеспечения заданной вероятности обнаружения подводного объекта заданного класса при заданной вероятности ложной тревоги при нахождении объекта в любой точке контролируемого района. Указанный технический результат достигается тем, что вся площадь контролируемого района моря разбивается на примыкающие друг к другу одинаковые квадраты, включающие одну ИГС, расположенную в центре квадрата, и кратный четырем набор ПГС, расположенных внутри квадрата. Количество ПГС и их расположение рассчитываются с учетом выполнения следующих условий: - в каждой точке квадрата вероятность обнаружения подводного объекта в заданных гидроакустических условиях должна быть не менее заданной вероятности обнаружения при заданной вероятности ложной тревоги; - площадь квадрата должна быть максимально возможной; - количество ПГС, размещаемых в квадрате, должно быть минимально возможным. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

Наверх