Способ позиционирования источника звукового сигнала звукометрическим комплексом

Изобретение относится к области акустики, в частности к способам определения координат источника звука в трёхмерном пространстве. Техническим результатом является повышение точности и сокращение времени определения координат источника звука. Способ позиционирования источника звукового сигнала звукометрическим комплексом основан на установке звукоприемников в точках с подготовленными координатами. Сигналы от звукоприемников подают на шкалу времени, ноль которой формируют первым пришедшим сигналом, разности дальностей определяют как произведение скорости звука на временной интервал между моментами прихода сигналов. При этом звукоприёмники и источники звукового сигнала располагают на разновысотных позициях. Координаты источника звукового сигнала в трёхмерном пространстве определяют решением системы линейных уравнений:

Причем коэффициенты важности для каждой координаты (k_i, p_i, s_i) и правые части (_i) определяют по известным координатам звукоприёмников и разностям дальностей. 4 ил.

 

Изобретение относится к области акустики, а именно к способам определения удаления источника акустического сигнала от акустического пеленгатора, а также плоских прямоугольных координат и высоты этого источника звука (ИЗ). Способ может быть использован в артиллерии при создании программного обеспечения автоматизированных звукометрических комплексов с целью определения прямоугольных координат (x_о, y_о) и абсолютной высоты (z_о) источника звука.

В настоящее время, в свете востребованности создания разведывательно-огневых комплексов (РОК) с целью завоевания огневого превосходства, решение проблемы своевременного обнаружения и позиционирования на местности источника звукового сигнала, являющегося стреляющей артиллерийской системой (миномётом) или разрывом артиллерийского снаряда (мины) с точностью, удовлетворяющей требованиям полной подготовки, является весьма актуальной.

Данные стреляющие системы и разрывы в зависимости от демаскирующих признаков могут быть обнаружены визуально, на слух или с помощью технических средств. Безусловно, технические средства обнаружения позволяют решать задачи позиционирования более эффективно. К таким средствам обнаружения и позиционирования относятся: радиолокационные средства, активные и пассивные оптико-электронные системы, акустические системы, а также комбинированные системы, сочетающие акустические и оптико-электронные (оптические) средства.

Данные системы должны отвечать следующим требованиям: быть малогабаритными, легко устанавливаемыми, функционально достаточны и универсальны в применении, обеспечивать заданный уровень целевой эффективности при минимальных суммарных затратах, т.е. иметь низкую себестоимость.

Проведённый анализ показал, что изготовление оптико-электронных систем требует наличие высокотехнологичных производств, следовательно, данные системы имеют высокую стоимость, при этом ограничены в возможностях по обзору (полю зрения) пространства в широком секторе. Кроме того обнаружение источника звука требует хорошей подготовки персонала, однако, даже при ее наличии, задача усложняется объективными факторами, такими как психологическое воздействие, наличие дезориентирующих звуков, зависимость от условий освещённости и прямой видимости и наличие помех в виде задымленности, запылённости и т.п. Радиолокационные средства обладают высокой маневренностью и достаточной точностью при позиционировании объекта разведки. Но они, как правило, работают в активном режиме (на излучение), громоздки, в связи с чем, являются весьма уязвимыми и кроме того дорогостоящими в изготовлении.

Таким образом, более предпочтительными средствами обнаружения являются пассивные акустические системы, которые к тому же являются более дешевыми.

Принцип работы данных пассивных акустических систем, основан на обнаружении и фиксировании момента прихода импульсного звукового (акустического) сигнала от источника звука к пеленгаторам (звукоприемникам) установленным в предопределённой последовательности и преобразования их в пропорциональные электрические импульсы. Цель преобразования - регистрация последовательности и фиксирование электронными счётчиками значения времени подхода звука к каждому конкретному звукоприемнику (ЗП). Последующая обработка (первичная и вторичная) принимаемой информации позволяет определить пеленги на источник акустического сигнала по так называемой основной звукометрической формуле:

,

где β - угол от направления директрисы на цель (разрыв);

С - скорость распространения акустической волны (звука);

τ - разность времени прихода звука к звукоприёмникам одной акустической базы;

l - длина акустической базы.

Пересечение пеленгов обеспечивает получение прямоугольных координат находящегося в полосе (секторе) разведки источника звука [1]. Данная классическая последовательность обработки сигналов применяется в большинстве отечественных звукометрических комплексах (станциях), начиная с созданной Бенуа в 1909 году звукометрической разведывательной системы. Отличие лишь в способах определения координат ИЗ (x_о, y_о) на основе которых разработано программное обеспечение, используемое цифровой вычислительной машиной (ЦВМ) того или иного автоматизированного звукометрического комплекса (АЗК) [1, 2].

Необходимо отметить, что основная звукометрическая формула не даёт возможность определять правильное направление на цель с акустической базы без введения ряда поправок в значение угла β, таких как: поправка в угол β на удаление цели (∆β_n); поправка в угол β на ветер (∆β_w); поправка в угол β на превышение (понижение) цели (∆β_h); поправку в угол β на параллакс перьев (∆β_p).

Следовательно, точное направление на источник звука из каждой линейной акустической базы (фигура 1) необходимо рассчитывать по формуле:

, (1)

где α_оц - дирекционный угол направления на источник звука;

α _оц - дирекционный угол директрисы акустической базы;

β _о - точное значение угла от директрисы на источник звука.

В свою очередь β_о = β + ∆β_w + ∆β_h + ∆β_n+ ∆β_p.

Так как перенести высоты всех точек, хотя бы одного района особого внимания, с карты в память ЦВМ практически невозможно, на сегодняшний день в алгоритме ЦВМ АЗК-5 и АЗК-7 расчёт поправка в угол β на превышение (понижение) цели (∆β_h) отсутствует. В связи с этим, при решении задачи позиционирования источника звука предусмотрен учёт только одной поправки - на ветер (∆β_w), причина в отсутствии теоретических предпосылок решения данной задачи [1]. В результате, дирекционный угол направления на ИЗ определяется по формуле:

. (2)

В практической работе подразделения звуковой разведки определяют координаты ИЗ в следующей последовательности: определяют приближённое положение цели (без учета поправки на превышение); наносят цель на рабочую карту и определяют величины z_ц, Дг_пр, Дг_лев; определяют поправку на превышение цели и с помощью этой поправки уточняют направление на цель; вновь производят засечку цели и определение её координат. Рассчитанная поправка ∆β_h может быть в готовом виде внесена в ОЗУ ЦВМ для каждой цели отдельно.

Представленная последовательность работы по учёту ∆β_h, в условиях боевых действий значительно затягивает время определения координат, поэтому данная поправка не учитывается, если превышение (понижение) меньше: 300 м - при расположении ЗП на одном уровне, 100 м - при разновысотном расположении ЗП. Данное обстоятельство вынуждает командиров подразделений звуковой разведки при действиях в горной местности, с целью сокращения времени определения координат ИЗ расположенных по высоте ± 300 м, выбирать места для расположения ЗП одного базного пункта на одинаковой высоте, что часто невыполнимо.

В ряде более современных как зарубежных, так и отечественных комплексах определение прямоугольных координат ИЗ, производится различными способами с последующим отображением объекта на электронной карте местности монитора автоматизированного рабочего места, с помощью которой и определяется высота ИЗ.

Однако реальная местность обладает более или менее резко выраженным рельефом. Наличие такого рельефа может привести к тому, что ИЗ и ЗП акустической базы могут оказаться не на одной высоте, что в свою очередь, может привести к большим погрешностям при регистрации значения времени, т.е. искажению отсчёта.

На фигуре 2 приведено такое разновысотное положение цели Ц и звукоприёмников М₁, М₂ относительно горизонтальной плоскости АБВГ, проходящей через центр О акустической базы. Точки М′₁, М′₂ и Ц′ - проекции М₁, М₂ и Ц на эту плоскость. При выстреле в точке Ц зарегистрированный аппаратурой отсчёт будет соответствовать направлению (ОД), проходящему правее истинного направления (ОЦ). Это происходит в связи с тем, что если цель расположена выше или ниже плоскости горизонта проходящей через звукоприёмник М₂, звук выстрела в обоих случаях проходит более длинный путь до ЗП (расстояние Д_н), чем в том случае, когда цель находиться на одной высоте со ЗП (расстояние Д_г). Следовательно, и время t_н прохождения звуком наклонного расстояния тоже больше (на величину Δt) времени t_г прохождения звуком горизонтального расстояния, т.е. Δt = t_н - t_г. Таким образом, для позиционирования цели с характеристикой «точно», особенно в горных условиях, учёт поправки на разновысотное положение цели и звукоприёмников является весьма актуальной задачей.

Для её решения авторами разработан и представлен способ позиционирования источника звукового сигнала звукометрическим комплексом, применимый как в равнинных, так и в горных условиях. Предлагаемый способ позиционирования источника звукового сигнала звукометрическим комплексом базируется на разработанном авторами алгоритме аналитического решения системы разностно-дальномерных уравнений для трёхмерного пространства.

Цель изобретения - разработка способа позиционирования источника звукового сигнала звукометрическим комплексом, отличающегося от известных: возможностью создания для ЦВМ алгоритма, способного рассчитывать координаты цели в трёхмерном пространстве - x_о, y_о, z_o (с учётом разновысотного положения ИЗ и звукоприёмников), повышенной точности и сокращением работного времени.

Поставленная цель достигается путём обеспечения возможности оценки методических и случайных ошибок их учёта при определении положения объектов звуковой разведки звукометрическими комплексами, функционирующим на основе разработанного способа.

Наиболее близким техническим решением к заявленному способу является разностно-дальномерный способ определения плоских прямоугольных координат (x_о, y_о) стреляющих артиллерийских систем и разрывов снарядов звукометрическим комплексом (фигура 3) [3], ранее запатентованный авторами (патент на изобретение от 11 января 2019 г. №2676830), который взят в качестве прототипа [4].

Сущность изобретения поясняется рассмотрением последовательности преобразований разностно-дальномерной системы для получения выражений по определению координат и высоты источника звука.

Разностно-дальномерная система уравнений для трёхмерного пространства будет иметь вид:

, (3)

где x_о, y_о, z_o - определяемые плоские прямоугольные координаты и высота источника звука;

x ₁, y₁, z₁,…, x_i, y_i, z_i - плоские прямоугольные координаты и высоты звукоприёмников, определённые при развёртывании;

A _1i - разность дальностей (Д₁- Д_i), определяемая по разности времён прихода до 1-го и i-го звукоприёмников.

Для получения единственно правильного решения, предлагается линеаризация системы (3). После проведения преобразований, начиная с первого уравнения, для разностей A_1,2 и A_1,3 получим:

После приравнивания правых частей (4) и (5) и проведения преобразований уравнение примет следующий вид:

Необходимо отметить, что при использовании указанного способа, авторами предлагается иметь в звукометрическом комплексе пять звукоприёмников. Тогда уравнение (6) является первым в системе по определению x_о, y_о, z_o. Следовательно, для получения последующих двух уравнений необходимо использовать разности дальностей (Д₁- Д₄) и (Д₁ - Д₅). Для упрощения записи системы уравнений введены следующие обозначения:

Таким образом, система линейных уравнений примет вид:

Приведённые зависимости обеспечивают возможность оценки методических, случайных ошибок и алгоритмизацию при использовании в перспективных звукометрических комплексах. Теоретической основой построения таковых является совершенствование разностно-дальномерного метода, как основного при построении пассивных средств артиллерийской разведки. Схема определения плоских прямоугольных координат и высоты источника звука звукометрическим комплексом при использовании заявленного изобретения представлена на фигуре 4.

Список использованной литературы

1. Артиллерийская звуковая разведка: учебник / Шуляченко Р.И., Кубышкин Ю.И., и др. – М.: Воениздат, 1993. – 392 с.

2. Построение и устройство современных звукометрических систем и комплексов: монография / Пархоменко А.В., Дмитриенко А.Г. и др. - Пенза: ПАИИ, 2013. - 518 с.

3. Вариант совершенствования автоматизированного звукометрического комплекса: статья в научно-техническом журнале. «Вопросы оборонной техники». Серия 16. «Технические средства противодействия терроризму». Выпуск 7-9 / Ульянов Г.Н., Насибуллин И.Ю., Тюсенко Е.А. - М: НТЦ «Информтехника», 2016.

4. Способ определения координат стреляющих артиллерийских систем и разрывов снарядов звукометрическим комплексов: патент на изобретение №2676830 / Ульянов Г.Н., Насибуллин И.Ю. и др. - М: Роспатент, 11.01 2019 г.

Способ позиционирования источника звукового сигнала звукометрическим комплексом, основанный на установке звукоприемников в точках с подготовленными координатами, сигналы от звукоприемников подают на шкалу времени, ноль которой формируют первым пришедшим сигналом, разности дальностей определяют как произведение скорости звука на временной интервал между моментами прихода сигналов, отличающийся тем, что звукоприёмники и источники звукового сигнала располагают на разновысотных позициях, координаты источника звукового сигнала в трёхмерном пространстве (x_о, y_о, z_о.) определяют решением системы линейных уравнений:

при этом коэффициенты важности для каждой координаты (k_i, p_i, s_i) и правые части (_i) определяют по известным координатам звукоприёмников и разностям дальностей.