Способ определения дистанции до надводного корабля в условиях дальних зон акустической освещённости
METHOD FOR DETERMINING THE DISTANCE TO A SURFACE SHIP IN CONDITIONS OF FAR ZONES OF ACOUSTIC ILLUMINATION

Изобретение относится к области гидроакустики, а именно к способам и устройствам определения координат обнаруженных морских целей по их шумоизлучению.
Одной из актуальных практических задач гидроакустики является определение координат источника звука в пассивном режиме работы шумопеленгаторной станции (ШПС), установленной на подводной лодке (для краткости будем называть эту задачу задачей пассивного определения координат). Наибольшую остроту эта задача приобретает применительно к гидроакустическим условиям дальних зон акустической освещённости (ДЗАО), поскольку условия ДЗАО наблюдаются в большинстве глубоководных районов Мирового океана [1-3]. Причём наиболее важно определять в условиях ДЗАО дистанцию до надводных кораблей (НК), поскольку обнаружение современных подводных лодок ввиду их низкой шумности в условиях ДЗАО маловероятно [4], а НК, обладающие высокой шумностью, могут обнаруживаться не только в первой, но и в последующих ДЗАО.
Трудность определения координат источника в условиях ДЗАО объясняется тем, что известные пассивные методы определения дистанции, обзор которых приведён в [5], в этих условиях не обеспечивают нужной точности ввиду больших расстояний между источником и приёмником и малых отношений сигнал/помеха (ОСП), препятствующих измерению ряда информативных параметров сигнала, либо вообще не работоспособны. Остановимся на данном тезисе подробнее.
Потенциальная точность энергетического метода позволяет определить дистанцию, в лучшем случае, с точностью до номера ДЗАО, что для практики недостаточно. Трудность применения спектрального метода состоит в недостаточной эффективной ширине спектра сигнала, принимаемого на большом расстоянии от источника. Условием использования лучевого и вертикального разностно-дальномерного методов является высокоточное определение углов прихода в вертикальной плоскости сигнала источника, что на практике при приёме сигнала на дистанциях в сотни километров реализовать затруднительно. Скорость изменения горизонтального угла прихода сигнала (пеленга) не является информативной, поскольку на рассматриваемых дистанциях величина изменения пеленга за приемлемое время меньше погрешности пеленгования.
Рассмотрение различных подходов к решению поставленной задачи привело к выводу, что решение следует искать в особенностях распространения акустического сигнала НК в условиях ДЗАО.
На основании этого вывода была теоретически и путём математического моделирования исследована лучевая структура сигнала источника на входе приёмной антенны в условиях ДЗАО. Теоретические исследования базировались на фундаментальных положениях распространения акустического сигнала в океаническом волноводе [1]. В качестве инструмента для моделирования была использована лучевая программа расчёта поля источника акустического сигнала, входящая в состав комплекса программ [6].
Условиями возникновения ДЗАО являются [1]:
– глубина моря более 2 км;
– наличие подводного звукового канала (ПЗК);
– скорость звука на глубинах погружения источника и приёмника? должна быть меньше скорости звука у дна;
– источник или приёмник должен находиться по глубине вне ПЗК.
Типовое вертикальное распределение скорости звука (ВРСЗ), характерное для центральной части Тихого океана, при котором возможно появление ДЗАО, приведено на фиг.1 [2].
В результате проведённого исследования были установлены следующие закономерности, проиллюстрированные на фиг.2 для ВРСЗ, изображённой на фиг.1, и глубины ПЛ-носителя ШПС (далее ПЛ) 200 м: на фиг.2а приведена зависимость отношения сигнал/помеха от дистанции до НК; на фиг. 2б изображена зависимость от дистанции до НК угла в вертикальной плоскости (ВП) прихода максимальной энергии его сигнала.
1) Уровень сигнала приповерхностного источника, которым является НК, приходящего из каждой последующей ДЗАО, подчиняется цилиндрическому закону распространения сигнала [1]. Протяжённость ДЗАО возрастает с увеличением её номера (фиг.2а).
2) При нахождении приповерхностного источника звука в любой ДЗАО на вход приёмной антенны ШПС приходит 2 группы сигнальных лучей, одна из которых имеет положительные углы скольжения, другая – отрицательные. На большей части ДЗАО основную энергию сигнала несут лучи с положительными углами скольжения. Но что особенно важно, при вхождении цели в ДЗАО путём пересечения её ближней границы максимум энергии её сигнала приходит на антенну по лучам с отрицательными углами скольжения, а при вхождении цели в ДЗАО путём пересечения её дальней границы – по лучам с положительными углами скольжения (фиг.2б).
3) Расстояния от ПЛ до границ каждой ДЗАО, а также до точки внутри каждой ДЗАО, в которой угол в вертикальной плоскости прихода максимума энергии сигнала изменяет знак на противоположный, поддаются точному расчёту с использованием лучевой программы расчёта поля источника акустического сигнала. Для этого надо знать ВРСЗ и глубины источника и ПЛ.
В качестве способа-прототипа выберем изобретение [7]. На фиг.3 приведена его блок-схема.
Недостатком способа-прототипа является недостаточно высокая точность определения дистанции до цели, которая в условиях ДЗАО позволяет определить только номер ДЗАО, в котором находится НК. При обнаружении НК в ДЗАО, и не зная, с ближней или дальней границы осуществлён вход в ДЗАО, предельная погрешность определения дистанции до НК равна ширине ДЗАО, которая составляет более 10 км для 1-й ДЗАО и пропорционально возрастает для последующих ДЗАО.
Решаемая техническая проблема – повышение эксплуатационных характеристик шумопеленгаторной станции.
Достигаемый технический результат – повышение точности определения дистанции до НК в условиях ДЗАО.
Указанный технический результат достигается за счёт использования описанной выше установленной закономерности поведения угла в вертикальной плоскости прихода максимума энергии сигнала приповерхностного источника звука.
Существо способа поясняется фиг.4, на котором приведена блок-схема алгоритма действий, реализующего заявляемый способ.
Существенными признаками заявляемого способа являются:
1) Вычисление с использованием лучевой программы расчёта поля источника акустического сигнала для текущих гидроакустических условий и текущей глубины ПЛ дистанции от ПЛ до ближней  и дальней  границ каждой -й ДЗАО в пределах потенциальной дистанции обнаружения НК, а также дистанции  в пределах каждой -й ДЗАО, на которой угол в вертикальной плоскости прихода максимума энергии сигнала приповерхностного источника изменяет знак на противоположный (блок 2).
2) Измерение в момент обнаружения цели угла в вертикальной плоскости  прихода максимума энергии сигнала обнаруженной цели, что реализуется штатными средствами ШПС (блок 5).
3) Определение номера  ДЗАО, в которой находится НК (блок 10). Это достигается путём сопоставления определённой дистанции до НК  (блок 9) с рассчитанными границами разных ДЗАО, с выбором той ДЗАО с номером , которая удовлетворяет условию
<maths num="10"><img file="00000010.jpg" he="8" wi="38" img-content="undefined" img-format="jpg" /></maths>
(1)
где
– дистанция до НК, определённая в блоке 9;
, – вычисленные в блоке 2 дистанции от ПЛ до ближней и дальней границ -й ДЗАО.
4) Определение дистанции до НК  на момент её обнаружения как расстояния до границы ДЗАО, через которую цель вошла в -ю ДЗАО (блок 11):
<maths num="17"><img file="00000015.jpg" he="15" wi="51" img-content="undefined" img-format="jpg" /></maths>
(2)
где
– измеренный в момент обнаружения цели угол в вертикальной плоскости прихода максимума энергии сигнала обнаруженной цели.
Смысл формулы (2) заключается в том, что, если в момент обнаружения цели измеренный угол в вертикальной плоскости прихода максимума энергии сигнала меньше нуля, то цель находится на ближней границе ДЗАО, и дистанция до неё от ПЛ равна вычисленному расстоянию до ближней границы ДЗАО. Если же этот угол положительный, то цель находится на дальней границе ДЗАО, и дистанция до неё равна вычисленному расстоянию до дальней границы ДЗАО.
Предельная погрешность оценки дистанции  определяется точностью расчёта расстояний до границ ДЗАО, что, в свою очередь, определяется точностью измерения ВРСЗ и отношением сигнал/помеха. Расчёты показывают, что при предельной погрешности измерения скорости звука 0,5 м/с, реализуемой современными средствами измерения, установленными на ПЛ [8], предельная погрешность оценки дистанции  составляет в среднем 7% от истинной дистанции до цели.
5) Продолжение в блоке 12 наблюдения за целью с одновременным измерением угла в вертикальной плоскости  прихода максимума энергии сигнала.
6) Определение в блоке 13 момента времени  изменения знака угла в вертикальной плоскости  прихода максимума энергии сигнала на противоположный и определение на этот момент времени дистанции до цели  как расстояния  до рассчитанной в блоке 2 точки внутри –й ДЗАО, в которой угол изменяет знак на противоположный.
Предельная погрешность оценки  определяется только знанием вертикального распределения скорости звука и, при его измерении штатными измерителями скорости звука, составляет не более 1% от истинной дистанции до цели.
0
Рассмотрим типовой пример. Находясь в центральной части Тихого океана, ПЛ с использованием штатного измерителя скорости звука измеряет ВРСЗ. Результат измерения приведён на фиг.1. Маневрируя на глубине 200 м, ПЛ обнаруживает шумящую цель, фактическая дистанция до которой 113,3 км. На момент обнаружения цели измеряют уровень сигнала, ширину отметки и угол =-11 в вертикальной плоскости прихода максимума энергии сигнала обнаруженной цели. Способом, описанным в прототипе, классифицируют цель как НК и определяют дистанцию до неё =127,3 км. С использованием лучевой программы расчёта поля источника акустического сигнала рассчитывают для приповерхностного источника и глубины погружения ПЛ дистанции от ПЛ до ближних  и дальних  границ нескольких ДЗАО, а также дистанцию  до точек внутри каждой ДЗАО, в которых угол в вертикальной плоскости прихода максимума энергии сигнала меняет знак на противоположный. Результаты расчёта (фиг.2а) приведены ниже в таблице.
Таблица
Параметр
1-я ДЗАО
2-я ДЗАО
3-я ДЗАО
<maths num="33"><img file="00000001.jpg" he="7" wi="10" img-content="undefined" img-format="jpg" /></maths>, км
58,2
119,1
179,9
<maths num="34"><img file="00000024.jpg" he="7" wi="11" img-content="undefined" img-format="jpg" /></maths>, км
68,3
131,4
194,9
<maths num="35"><img file="00000025.jpg" he="7" wi="8" img-content="undefined" img-format="jpg" /></maths>, км
61,4
122,6
183,2
По формуле (1) определяют, что НК находится во 2-й ДЗАО. По формуле (2) с учётом того, что измеренный угол  отрицательный, определяют, что =119,1.
Продолжая, наблюдение за целью, фиксируют время, когда знак угла  изменится на положительный и для этого момента времени в качестве дистанции до НК принимают дистанцию ==122,6 км, рассчитанную для 2-й ДЗАО.
Таким образом, ошибка оценки дистанции до НК составила:
– способом-прототипом 127,3-113,3=14,0 км;
– заявляемым способом в момент обнаружения НК 119,1-113,3=5,8 км;
– заявляемым способом в процессе наблюдения за НК не более 2 км.
Реализуемость заявляемого способа и указанные точности определения дистанции проверены экспериментально.
Таким образом, заявленный технический результат – повышение точности определения дистанции до НК в условиях ДЗАО, – можно считать достигнутым.
Источники информации:
1. Акустика океана под ред. Л.М.Бреховских // М.: Наука, 1974.
2. Климатические характеристики скорости звука в северной части Тихого океана // М.: Московское отделение Гидрометеоиздата, 1981.
3. Климатические характеристики скорости звука в северной части Атлантического океана // М.: Московское отделение Гидрометеоиздата, 1984.
4. Лободин И.Е., Машошин А.И. О возможности обнаружения современных подводных лодок в дальних зонах акустической освещённости // Морская радиоэлектроника. 2019. № 3 (69). С.44-47.
5. Машошин А.И. Синтез оптимального алгоритма пассивного определения дистанции до цели // Морская радиоэлектроника, 2012, № 2 (40), с. 30-34.
6. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ  "Гидроакустические расчёты для станции шумопеленгования" № 2021616671 от 26.04.2021.
7. Патент РФ № 2681432.
8. Микушин И.И., Серавин Г.Н. Методы и средства измерения скорости звука в море // СПб.: Судостроение, 2012, 224 с.