Способ определения параметров движения шумящего объекта
METHOD FOR DETERMINING PARAMETERS OF MOVEMENT OF NOISY OBJECT

Изобретение относится к области гидроакустики и предназначено для определения совокупности координат и параметров движения шумящего объекта, под которыми понимается расстояние до шумящего объекта, скорость движения объекта и курс движения объекта.
Задача определения параметров движения шумящего объекта решается в гидроакустике по информации о пеленгах, наблюдаемых в процессе сопровождения цели. Впервые сообщение об этом способе появилось в трудах академика А.Н. Крылова [1]: «...определить курс, ход и расстояние до чужого корабля, взяв четыре пеленга его, заметив соответствующие моменты и зная путь своего корабля. Ход чужого корабля предполагается равномерным, курс его -прямолинейным.». В классической постановке задача решается при наличии наблюдателя, движущегося по кусочно-линейной траектории, то есть осуществляющего несколько маневров курсом, и производящего измерения пеленга на один или несколько объектов, движение которых предполагается равномерным и прямолинейным. Параметры движения для каждого объекта могут быть получены только после того, как наблюдатель совершил хотя-бы один маневр и произвел несколько замеров пеленга как до, так и после маневра. Результатом реализации способа являются оценки расстояния, скорости и курса для всех наблюдаемых объектов на момент последнего замера пеленга.
Известен способ определения параметров движения шумящего объекта [2], основанный на использовании метода наименьших квадратов. Недостатком этого способа является наличие систематической ошибки неизвестного значения для всех определяемых параметров.
Известен способ определения параметров движения шумящего объекта [3], основанный на использовании обобщенного фильтра Калмана. Недостатком этого способа является необходимость априорного задания начального приближения, при неудачном задании которого фильтр Калмана может расходиться, и решение будет не выработано.
Известен также упрощенный способ определения параметров шумящего объекта [4], при реализации которого наблюдателю не обязательно осуществлять маневр. Недостатком этого способа является необходимость предварительной классификации объекта, на основании которой предполагают известной скорость движения объекта, то есть скорость объекта не определяется этим способом.
Наиболее близким по совокупности признаков к предлагаемому способу является так называемый способ N-пеленгов [5]. Он основан на последовательном измерении с помощью одиночной антенны ряда пеленгов (П) на объект, по результатам которых определяется расстояние до объекта, скорость и курс движения объекта на момент взятия последнего отсчета пеленга. При этом делается ряд допущений: носитель антенны и объект находятся в одной горизонтальной плоскости, объект движется равномерно и прямолинейно.
В способе-прототипе выполняются следующие операции:
принимают шумовой сигнал объекта гидроакустической антенной, находящейся на движущемся носителе,
осуществляют автоматическое сопровождение сигнала по углу,
1
2
i
последовательно измеряют пеленги П П, ... П, ... на объект через равные интервалы времени,
определяют параметры движения объекта (расстояние, скорость, курс) на текущий момент измерения пеленга.
Основным достоинством способа N-пеленгов является то, что он не требует задания априорной информации и может работать автоматически одновременно для нескольких сопровождаемых объектов.
Основным недостатком способа N-пеленгов является невозможность определить момент времени, когда задача будет решена с приемлемым качеством. Задача запускается на расчет сразу после первого замера пеленга, и сразу вырабатываются параметры движения объекта в первом приближении, которые нельзя считать истинными. После каждого нового замера пеленга параметры движения объекта уточняются. Оператор должен контролировать момент маневра носителя. До маневра носителя параметры движения объекта уже вырабатываются, но их нельзя считать истинными. После маневра носителя с каждым новым замером пеленга все оцениваемые параметры движения объекта постепенно начинают приближаться к своим истинным значениям. Причем скорость этого приближения сложным образом зависит от совокупности самих измеряемых параметров и от параметров движения носителя, в том числе от степени оптимальности маневра для измерения параметров конкретного объекта.
Оператор должен на основании своего опыта и интуиции сам определить момент времени, когда вырабатываемые параметры движения объекта достигнут приемлемой точности. Существует эвристическое правило [6] гласящее, что приемлемые для применения оружия погрешности оценок параметров могут быть достигнуты при времени маневрирования в минутах, равном расстоянию до объекта в километрах. При неизвестном расстоянии, этим правилом воспользоваться нельзя.
Задачей заявляемого способа является получение возможности автоматически определять момент времени, когда оценки параметров движения объекта достигнут приемлемой точности.
1
2
i
Для решения поставленной задачи в способ определения параметров движения шумящего объекта, в котором принимают шумовой сигнал объекта гидроакустической антенной, находящейся на движущемся носителе, осуществляют автоматическое сопровождение сигнала по углу, последовательно измеряют пеленги П П, ... П, ... на объект через равные интервалы времени, определяют параметры движения объекта (расстояние, скорость, курс) на текущий момент измерения пеленга
введены новые признаки, а именно:
одновременно с измерением каждого нового пеленга формируют текущее на момент времени i значение приращения пеленга, дополняя накопленную на предыдущих шагах (i-1) сумму модулей разности пеленгов новым значением:
сравнивают приращение пеленга с порогом,
считают задачу решенной в момент времени i, когда приращение пеленга превысит порог.
Техническим результатом изобретения является возможность автоматического контроля качества решения задачи по информации о пеленгах для всех одновременно наблюдаемых объектов, находящихся на различных расстояниях, двигающихся различными курсами с различной скоростью, при общем маневре носителя, не оптимальном для каждой конкретной цели.
Сущность изобретения поясняется фигурами 1, 2:
Фиг. 1 - рисунок, поясняющий увеличение угла Δ при вершине треугольника, в которой находится объект, в динамике работы способа.
Фиг.2 - блок-схема устройства, реализующего предлагаемый способ определения параметров шумящего объекта.
Покажем возможность достижения указанного технического результата предложенным способом.
В основе решения рассматриваемой задачи лежит известная геометрическая задача решения треугольника, когда по известной стороне и двум углам определяют неизвестную сторону треугольника.
Рассмотрим относительную систему координат, центр которой «привязан» к объекту. В такой системе координат объект неподвижен, а наблюдатель, осуществляя замеры пеленгов в движении, создает совокупность решаемых треугольников. Объект - первая вершина треугольника. Начальное положение наблюдателя (точка Н1 на фиг. 1) - вторая вершина треугольника. Конечное положение наблюдателя (точка Н2 на фиг. 1) - третья вершина треугольника. Путь, пройденный наблюдателем от точки Н1 до точки Н2, образует известную сторону треугольника, а замеры пеленга на объект (углы П1 и П2 на фиг. 1) позволяют определить значения двух углов треугольника. Так, из двух первых замеров пеленга образовался первый треугольник. Наблюдатель движется далее, продолжает осуществлять замеры пеленга, и создает второй и последующие решаемые треугольники.
Формулу для определения расстояния в каждом треугольнике [7], можно записать в зависимости от угла при вершине треугольника, в которой находится объект:
где L - расстояние между точками замера пеленга (известная сторона треугольника);
П - пеленг на объект относительно первой точки замера;
Δ - угол при вершине треугольника, в которой находится объект.
Необходимо отметить, что угол при вершине треугольника, в которой находится объект, равен модулю разности пеленгов  на основании теоремы о сумме углов треугольника и сумме смежных углов.
Определим параметр, который позволит контролировать значение погрешности полученного расстояния до объекта.
Согласно методу линеаризации среднеквадратическую погрешность определения расстояния можно определить как:
Выполнив необходимые преобразования и предполагая, что σΔ ≈ σП (это условие выполняется, поскольку замеры пеленга осуществляются одним наблюдателем), получим выражение для относительной погрешности определения расстояния:
Как видно из полученного выражения погрешность определения расстояния определяется тремя составляющими: погрешностью измерения пеленга и двумя слагаемыми под знаком корня.
Погрешность измерения пеленга определяется антенной наблюдателя и не может быть изменена.
Первое слагаемое под знаком корня определяется значением пеленга П на объект относительно первой точки замера. Повлиять на это значение не представляется возможным, так как оно определяется взаимным расположением носителя и объекта в момент начала решения задачи.
Второе слагаемое под знаком корня определяется углом при вершине треугольника Δ, в котором находится объект. Для уменьшения этого слагаемого его числитель должен стремиться к нулю, а знаменатель к единице. Это произойдет при стремлении значения угла к 90 градусам, то есть при увеличении значения модуля разности пеленгов .
Погрешности определения курса и скорости движения объекта находятся в функциональной зависимости от погрешности определения расстояния до объекта, и принимают наименьшие значения при том же условии.
Таким образом, для уменьшения погрешности определения параметров объекта необходимо стремиться к увеличению угла Δ при вершине треугольника, в которой находится объект. Этот угол для одного треугольника равен модулю разности пеленгов . Этот угол для совокупности треугольников, образующихся в результате движения наблюдателя и последовательного решения задачи, будет равен накопленной сумме модулей разности пеленгов
Указанную накопленную сумму модулей разности пеленгов назовем «приращением пеленга». Приращение пеленга будет характеризовать совокупный угол при вершине, в которой находится объект, для виртуального треугольника, решение которого обеспечивает определение параметров движения объекта. А этот угол, в свою очередь, обратно пропорционален погрешностям оцениваемых параметров.
В процессе решения задачи (в процессе движения наблюдателя) приращение пеленга будет постоянно увеличиваться, но не линейно, как время, а в функциональной зависимости от взаимного маневрирования конкретного объекта и носителя. При увеличении приращения пеленга, как показано выше, погрешность оценок параметров будет уменьшаться. Следовательно, анализ накопленного к текущему моменту времени значения приращения пеленга позволит контролировать значение погрешности определения параметров движения, достигнутое к текущему моменту времени, для всех одновременно наблюдаемых объектов при любом маневрировании носителя.
Порог для принятия решения об окончании решения задачи может быть получен по методике, учитывающей погрешность оценки пеленга, разработанной в [8].
i
Предлагаемый способ технически реализуется аппаратно-программными средствами по структурной схеме, приведенной на фиг. 2. Структурная схема объединяет в своем составе две ветки обработки: ветка определения параметров шумящего объекта в динамике наблюдения пеленгов и ветка контроля погрешности определяемых параметров. Первая ветка содержит последовательно соединенные блоки 1-4. Выход антенны (А) 1 соединен с входом блока 2 автоматического сопровождения цели (АСЦ), выход блока 2 соединен с входом блока 3 (П), в котором осуществляется последовательное измерение пеленгов П. Первый выход блока 3 соединен с входом блока 4 (РЕШ), в котором определяются параметры движения объекта на текущий момент измерения пеленга. Вторая ветка обработки начинается со второго выхода блока 3. Выход блока 3 соединен с входом блока 5 (АП), в котором формируется текущее значение приращения пеленга. Выход блока 5 соединен с входом блока 6 (ПУ), в котором осуществляется сравнение приращения пеленга с порогом. Выход блока 6 соединен с входом блока 7 (ИНД), в котором начинают фиксироваться параметры движения объекта на текущий момент времени при условии достижения ими требуемой точности. Первая и вторая ветки соединены между выходом блока 4 и вторым входом блока 6. Выход блока 7 и второй выход блока 6 соединены со входами блока 1 для продолжения решения задачи в динамике движения носителя.
1
2
i
i
Предлагаемый способ реализуется следующим образом. Шумовой сигнал объекта, принятый антенной 1, например [9], находящейся на движущемся носителе, поступает в блок 2, в котором осуществляется автоматическое сопровождение сигнала по углу, например, способом [10]. Из блока 2 информация поступает в блок 3, в котором последовательно измеряют пеленги П, П, ... П, ... на объект через равные интервалы времени. Измеренные пеленги одновременно поступают в блоки 4 и 5. В блоке 4 определяют параметры движения объекта на текущий момент измерения пеленга. В блоке 6 формируют приращение пеленга ΔП как накопленную к текущему шагу решения сумму модулей разности пеленгов. Из блока 5 приращение пеленга поступает в блок 6. Одновременно с приращением пеленга в блок 6 из блока 4 поступают параметры движения объекта, выработанные к текущему моменту времени. В блоке 6 осуществляют сравнение приращения пеленга с порогом. Значение порога устанавливают заранее, например, по методике [8]. В случае превышения приращением пеленга порога (ветка «да»), в блок 7 из блока 6 поступают и фиксируются на индикаторе выработанные параметры движения объекта. При этом решение задачи продолжается сначала с блока 1. В случае не превышения приращением пеленга порога (ветка «нет») решение задачи продолжается с блока 1 без фиксации текущих оценок параметров на индикаторе. В процессе движения носителя циклическое решение задачи будет автоматически осуществляться вначале без фиксации параметров движения объекта на индикаторе, а потом, при достижении параметрами приемлемой точности, с фиксацией параметров движения объекта на индикаторе.
Схема движения носителя относительно условно неподвижного объекта в относительной системе координат приведена на фиг. 1. На рисунке обозначено: точки Н1, Н2, Нi-1, Hi - последовательные положения носителя, углы П1, П2, Пi-1, Пi - последовательные измерения пеленгов на объект, ΔП1 - угол при вершине треугольника, в которой находится объект, для первого треугольника, ΔПi - накопленный к последнему текущему моменту времени суммарный угол в вершинах треугольников. Видно, что в процессе решения задачи приращение пеленга (угол Δ) постоянно увеличивается.
Все изложенное позволяет считать задачу изобретения решенной. Предложен способ определения параметров движения шумящего объекта, который может быть использован для судовых гидроакустических средств наблюдения с целью автоматического контроля качества решения задачи по информации о пеленгах для всех одновременно наблюдаемых объектов.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Крылов А.Н. Собрание трудов, т. VI Астрономия. М-Л: АН СССР. 1936
2. Основы маневрирования кораблей/ Под общ. ред. М.И. Скворцова. М.: Воен. изд-во, 1966.270 с.
3. Aidala V.J. Kalman Filter Behavior in Bearings-Only Tracking Applications // IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems. 15(1), 1979
4. Бальян P.X., Корякин Ю.А., Хагабанов С.М., Школьников И.С, Яковлев А.Д. Патент РФ №2196341 от 01.112001. Способ определения параметров движения маневрирующего объекта. МПК G01S 11/00, МПК G01S 3/00
5. Колчеданцев А.С. Гидроакустические станции. Л. 1982. 143 с.
6. Демиденко В.А., Перельмутер Ю.С. Спектральный метод оценки дистанции // Гидроакустика. 2006. Вып.6. С. 51-59
7. Демиденко В.А. Об общей основе существующих методов оценки расстояния в пассивном режиме // Судостроительная промышленность, серия общетехническая. 1992. Вып.37. С. 3-12
8. Волкова А.А. Критерий точности оценок расстояния до цели и скорости цели в динамике решения задачи по информации о пеленгах // Гидроакустика. 2008. Вып. 8. С. 85-89
9. Литвиненко С.Л. Патент РФ №2515133 от 10.05.2014 Сферическая гидроакустическая антенна. МПК G01S 15/00
10. Островский Д.Б. Патент РФ №2196362 от 03.01.2001 Способ определения направления на источник гидроакустического сигнала. МПК G01S 3/80