Мультистатическая система подводного наблюдения
MULTI-STATIC UNDERWATER SURVEILLANCE SYSTEM

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.
2
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 м 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:
ИГС
ПГС
ИГС-ПГС
обн
1) Для случая расположения ИГС, ПГС и объекта на одной прямой линии (фиг. 2) определяются такие значения заглубления антенн ИГС (Н) и ПГС (Н) и расстояния между ИГС и ПГС (R), при которых дальность обнаружения объекта (относительно ИГС) с вероятностью обнаружения Р была бы максимальной (фиг. 2).
В формализованном виде данная задача состоит в нахождении из уравнения [10]:
ИГС
ПГС
ИГС-ПГС
ИГС-Ц
таких значений Н, Н и R, при которых величина R будет максимальной.
В уравнении (1):
вых
ИГС
ПГС
ИГС-ПГС
ИГС-Ц
ИГС
ПГС
ИГС-ПГС
ИГС-Ц
Q(H, Н, R, R) - отношение сигнал/помеха (ОСП) обнаруживаемого объекта как функция Н, Н, R, R;
пор
обн
лт
Q - пороговое ОСП, соответствующее заданным Р и Р, для когерентной обработки эхосигнала рассчитываемое по формуле [10]:
Конкретизируя левую часть уравнения (1), получим [10]:
где
В - база ЗС:
ЗС
B=Δƒ⋅T
ЗС
Δƒ - полоса частот ЗС;
ЗС
ƒ - средняя частота ЗС;
Т - длительность ЗС;
ЗС
ЗС
Р - давление ЗС в полосе Δƒ на оси характеристики направленности (ХН) излучающей антенны, приведенное к 1 м от излучающей антенны;
экв
R - бистатический эквивалентный радиус подводного объекта;
β - коэффициент пространственного затухания акустического сигнала на частоте ЗС;
ЗС
ИГС
Ц
ИГС-Ц
A(ƒ, Н, Н, R) - аномалия распространения ЗС на трассе ИГС - объект;
Ц
Н - глубина расположения подводного объекта (далее глубина объекта);
Ц-ПГС
ЗС
Ц
ПГС
ИГС-Ц
ИГС-ПГС
А (ƒ, Н, Н, R - R) - аномалия распространения ЗС на трассе объект - ПГС.
ИГС
ПГС
ИГС-ПГС
ИГС-Ц
Решение уравнения (3) осуществляется путем перебора в допустимых пределах значений Н, Н и R с одновременным вычислением значения R из условия равенства левой и правой частей уравнения.
Исходными данными для расчета являются:
Ц
экв
- характеристики объекта: глубина Н и бистатический эквивалентный радиус R;
обн
лт
- вероятность обнаружения объекта в каждой точке контролируемого района Р и вероятность ложной тревоги Р;
ЗС
ЗС
ЗС
- технические характеристики ИГС (тип и геометрические размеры излучающей антенны, средняя частота ЗС ƒ, полоса частот ЗС Δƒ, давление Р ЗС на оси ХН излучающей антенны, приведенное к расстоянию 1 м от излучателя ИГС, тип зондирующего сигнала);
ПГС
- технические характеристики ПГС: рабочая полоса частот Δƒ, 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):
ПГС
ИГС-ПГС
- если N=4, ПГС устанавливаются на диагоналях квадрата симметрично ИГС на расстоянии R от него;
ПГС
ПГС
ПГС
- если N>4, то оставшиеся ПГС (в количестве N - 4) устанавливаются на прямой, соединяющий ближайшие ПГС, в промежутках между ближайшими ПГС, на одинаковом расстоянии d друг от друга, рассчитываемом по формуле
Определяется сторона квадрата L (фиг. 4):
Рассмотрим характерный пример.
обн
лт
-4
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=0,9 при вероятности ложной тревоги Р=10.
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:
Ц
- глубина Н=75 м;
экв
- бистатический эквивалентный радиус R=3 м;
2) Характеристики ИГС:
- тип излучающей антенны - цилиндр диаметром 15 см и высотой 20 см;
ЗС
- частота ЗС ƒ=3,0 кГц;
ЗС
- полоса ЗС Δƒ=400 Гц;
ЗС
- давление ЗС на оси ХН Р=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;
ПГС
- рабочая полоса частот 0,5-6 кГц (ее ширина Δƒ=5,5 кГц);
Результаты расчетов:
ИГС
- оптимальное заглубление антенны ИГС Н=125 м;
ПГС
- оптимальное заглубление антенны ПГС Н=100 м;
ИГС-ПГС
- оптимальное расстояние между ИГС и ПГС R=24,5 км;
ИГС-Ц
- максимальная гарантированная дальность обнаружения подводного объекта (при оптимальных заглублениях антенн, глубине объекта и расстоянии между ИГС и ПГС) R=32,5 км;
ИГС-ПГС
- максимально допустимое расстояние между соседними ПГС, расположенными на расстоянии R от ИГС d=46,5 км;
ИГС-ПГС
ПГС
- поскольку d>1,41⋅R, то согласно формуле (6) количество ПГС для формирования квадрата N=4;
- длина стороны квадрата L=45,8 км.
2
2
Таким образом, каждый квадрат имеет площадь 45,8×45,8 км 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 км. 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.