Мультистатическая система подводного наблюдения

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 (Н_ИГС) и ПГС (Н_ПГС) и расстояния между ИГС и ПГС (R_{ИГС-ПГС}), при которых дальность обнаружения объекта (относительно ИГС) с вероятностью обнаружения Р_обн была бы максимальной (фиг. 2).

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

таких значений Н_ИГС, Н_ПГС и R_{ИГС-ПГС}, при которых величина R_ИГС-Ц будет максимальной.

В уравнении (1):

Q_вых(H_ИГС, Н_ПГС, R_{ИГС-ПГС}, R_ИГС-Ц) - отношение сигнал/помеха (ОСП) обнаруживаемого объекта как функция Н_ИГС, Н_ПГС, R_{ИГС-ПГС}, R_ИГС-Ц;

Q_пор - пороговое ОСП, соответствующее заданным Р_обн и Р_лт, для когерентной обработки эхосигнала рассчитываемое по формуле [10]:

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

где

В - база ЗС:

B=Δƒ_ЗС⋅T

Δƒ_ЗС - полоса частот ЗС;

ƒ_ЗС - средняя частота ЗС;

Т - длительность ЗС;

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

R_экв - бистатический эквивалентный радиус подводного объекта;

β - коэффициент пространственного затухания акустического сигнала на частоте ЗС;

A(ƒ_ЗС, Н_ИГС, Н_Ц, R_ИГС-Ц) - аномалия распространения ЗС на трассе ИГС - объект;

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

А_Ц-ПГС (ƒ_ЗС, Н_Ц, Н_ПГС, R_ИГС-Ц - R_{ИГС-ПГС}) - аномалия распространения ЗС на трассе объект - ПГС.

Решение уравнения (3) осуществляется путем перебора в допустимых пределах значений Н_ИГС, Н_ПГС и R_{ИГС-ПГС} с одновременным вычислением значения R_ИГС-Ц из условия равенства левой и правой частей уравнения.

Исходными данными для расчета являются:

- характеристики объекта: глубина Н_Ц и бистатический эквивалентный радиус R_экв;

- вероятность обнаружения объекта в каждой точке контролируемого района Р_обн и вероятность ложной тревоги Р_лт;

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

- технические характеристики ПГС: рабочая полоса частот Δƒ_ПГС, 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 N_ПГС=4, ПГС устанавливаются на диагоналях квадрата симметрично ИГС на расстоянии R_{ИГС-ПГС} от него;

- если N_ПГС>4, то оставшиеся ПГС (в количестве N_ПГС - 4) устанавливаются на прямой, соединяющий ближайшие ПГС, в промежутках между ближайшими ПГС, на одинаковом расстоянии d_ПГС 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 Р_обн=0,9 при вероятности ложной тревоги Р_лт=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 Н_Ц=75 м;

- бистатический эквивалентный радиус R_экв=3 м;

2) Характеристики ИГС:

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

- частота ЗС ƒ_ЗС=3,0 кГц;

- полоса ЗС Δƒ_ЗС=400 Гц;

- давление ЗС на оси ХН Р_ЗС=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 Δƒ_ПГС=5,5 кГц);

Результаты расчетов:

- оптимальное заглубление антенны ИГС Н_ИГС=125 м;

- оптимальное заглубление антенны ПГС Н_ПГС=100 м;

- оптимальное расстояние между ИГС и ПГС R_{ИГС-ПГС}=24,5 км;

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

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

- поскольку d>1,41⋅R_{ИГС-ПГС}, то согласно формуле (6) количество ПГС для формирования квадрата N_ПГС=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.