СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ИЗМЕНЕНИЯ КУРСОВОГО УГЛА ДВИЖЕНИЯ ИСТОЧНИКА ЗОНДИРУЮЩИХ СИГНАЛОВ
MEASUREMENT METHOD OF CHANGES OF HEADING ANGLE OF MOVEMENT OF SOURCE OF SOUNDING SIGNALS

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано для построения систем обнаружения гидролокационных сигналов (ОГС) в современных гидроакустических комплексах.
Зондирующие сигналы, излучаемые гидролокаторами, размещенными на различных носителях, в том числе и подвижных, могут быть обнаружены на больших дистанциях с использованием известных систем обнаружения гидролокационных сигналов (Ю.А. Корякин, С.А. Смирнов, Г.В. Яковлев «Корабельная гидроакустическая техника», СПб., Наука, 2004 г., стр.89-92). При обнаружении этих сигналов возникает задача измерения параметров зондирующего сигнала, а также задача определения направления движения и изменения курсового угла движения источника зондирующего сигнала.
Известны методы обнаружения местоположения источника зондирующих сигналов, изложенные в работе А.А. Простакова «Гидроакустические средства флота», М., 1974 г., стр.90. В работе рассматривается задача определения места случайной цели, излучающей импульсные сигналы при использовании нескольких приемных постов. Измеряются разности времени прихода звука к каждому приемнику, которые в свою очередь соответствуют разности расстояний от источника звука до соответствующих приемников. Как известно, геометрическим местом точек, разность расстояний которых до приемников постоянна, является гипербола. Определив точку пересечения рассчитанных гипербол, можно найти место источника звука и соответственно дистанцию до него, определить следующее место источника сигналов, построить траекторию движения источника и определить курсовой угол движения источника сигналов. Известен метод оценки вероятности движения обнаруженного объекта определенным курсом (В.А. Абчук и др. Справочник по исследованию операций. Воениздат, М., 1979 г., стр.191) Для расчета необходим курсовой угол на цель при обнаружении цели, скорость наблюдателя и скорость цели, и по соотношению скоростей и на основании рассчитанных графиков находят вероятность движения цели курсом, составляющим интересующий угол с курсом наблюдателя. В реальных условиях обнаружения скорости источника зондирующих сигналов представляет собой сложную задачу, особенно на больших дистанциях.
В ряде случаев эта задача может быть решена с использованием триангуляционного метода при применении нескольких приемников или по оценке нескольких пеленгов. (В.И. Дмитриев и др. «Навигация и лоция», Москва, 2009 г., стр.278) Аналогично можно определить местоположение объекта при приеме серии импульсов и при сложном маневрировании, для чего необходимо длительное время работы гидролокатора и длительное время фиксированного маневрирования, что не всегда возможно и целесообразно (Сборник «50 лет ЦНИИ «Морфизприбор», СПб., 1999 г., стр.149. Ю.А. Корякин, С.А. Смирнов, Г.В. Яковлев «Корабельная гидроакустическая техника», СПб., Наука, 2004 г., стр.67).
Наиболее полно этот метод изложен в книге В.Б. Митько, А.П. Евтютов, С.Е. Гущин «Гидроакустические средства связи и наблюдения», Л., Судостроение, 1982 г., стр.39. Этот способ является наиболее близким аналогом и может быть принят за прототип. Способ содержит следующие операции: осуществляют последовательный прием зондирующих сигналов, определяют момент времени прихода первого принятого зондирующего сигнала, измеряют направление прихода сигнала, изменяют собственное положение приемника зондирующих сигналов, определяют скорость движения приемника зондирующих сигналов, определяют время приема следующего сигнала в новой точке местоположения приемника, измеряют направление на источник сигнала в новой точке нахождения приемника. По измеренным пеленгам и по измеренному пройденному расстоянию определяют положение точки пересечения, по двум углам и стороне определяют стороны треугольника, которые и будут равны дистанции до источника зондирующих сигналов. Повторив измерения и получив новую дистанцию, можно определить скорость перемещения источника излучения и направление движения источника сигналов, что является характеристикой курсового угла движения источника сигналов относительно приемника сигналов, и определить изменение направления движения источника сигналов.
Для осуществления этого способа необходимо, чтобы источник зондирующего сигнала (гидролокатор), параметры которого определяют, работал непрерывно, что не всегда имеет место. Другим недостатком способа является необходимость сложной схемы маневрирования приемника зондирующих сигналов, которая требует много времени. За это время положение движущегося гидролокатора может существенно измениться, что приведет к ошибке определения курсового угла движения источника сигнала относительно приемника. В задачах обнаружения гидролокационных сигналов принимаются сигналы от гидролокаторов, установленных на движущихся носителях, при этом время излучения этих сигналов ограничено, и задача определения курсового угла движения источника сигнала и задача оценки изменения курсового угла движения источника сигналов рассматриваемым методом не может быть решена за приемлемое время.
Техническим результатом предлагаемого технического решения является обеспечение возможности определения изменения курсового угла движения цели относительно приемника по нескольким принятым зондирующим сигналам без маневрирования
i
k
k
i+1
i
m
k+1
k
k+1
i+2
i+1
m+1
m
m
m+1
m
m
m
m
m+1
Для достижения указанного технического результата в способ, содержащий последовательный прием зондирующих сигналов перемещающегося источника, определение момента времени прихода первого принятого зондирующего сигнала, введены дополнительные признаки, а именно: последовательно измеряют моменты времени t приема еще n зондирующих сигналов, где n не менее 3-х, определяют временной интервал T между моментами прихода каждых двух следующих друг за другом зондирующих сигналов T=t-t, определяют разность измеренных временных интервалов ΔT=T-T, где m - номер измерения разности последовательных временных интервалов, a T=t-t, определяют знак разности временных интервалов (ΔT-ΔT), если знак разности отрицательный, то источник сигналов приближается, запоминают первую разность временных интервалов, определяют косинус изменения курсового угла движения источника, как отношение каждой последующей разности к каждой предыдущей разности временных интервалов cosQ=(ΔT/ΔT), определяют величину изменения курсового угла движения источника зондирующих сигналов Q, как величину, обратную косинусу измеренного отношения, если измеренная величина разности интервалов положительная, то источник зондирующих сигналов удаляется, и косинус угла изменения курсового угла движения вычисляется, как отношение каждой предыдущей разности к каждой последующей разности cosQ=(ΔT/ΔT).
m+1
m
k
m+1
k
В случае необходимости может быть измерена скорость изменения курсового угла движения источника сигналов как (Q-Q)/T, где Q - очередное измерение изменения курсового угла, а T - интервал времени между измерениями.
Поясним достижение технического результата. Как правило, работа гидролокатора, являющегося источником зондирующего сигнала, имеет своей целью обзор пространства и обнаружение какого-либо объекта по наличию эхосигнала от него. Дальность распространения зондирующего сигнала гидролокатора существенно больше, чем дальность обнаружения отраженного эхосигнала. Поэтому зондирующий сигнал обнаруживается приемным устройством системы обнаружения гидролокационных сигналов (ОГС) практически всегда при первых же сигналах излучения, вероятность пропуска такого сигнала прямого распространения чрезвычайно мала. Излучение зондирующего сигнала происходит в фиксированных точках по дистанции при движении гидролокатора, через определенный интервал времени, величина которого выбирается в зависимости от шкалы работы гидролокатора и определяется частотой повторения зондирующего сигнала или скважностью излучения. Если гидролокатор неподвижен и приемник неподвижен, то интервал времени между зондирующими сигналами и интервал времени между принятыми приемным устройством системы ОГС сигналами будут одинаковы. Если излучатель движется или приемник движется, то интервал времени между принятыми зондирующими сигналами будет отличаться от интервала времени между излученными зондирующими сигналами. При сближении объектов интервал времени между принятыми зондирующими сигналами будет меньше, чем интервал времени между излученными зондирующими сигналами. При расхождении объектов интервал времени между принятыми сигналами будет больше, чем интервал времени между излученными сигналами. Изменение величины интервала будет определяться скоростью изменения расстояния между излучателем и приемником или величиной изменения расстояния (ВИР), или радиальной скоростью цели. Величину изменения интервала времени между принимаемыми зондирующими сигналами можно определить, если измерить разность между интервалами времен прихода нескольких следующих друг за другом зондирующих сигналов, первый сигнал из которых принимается за опорный. Для этого необходимо зафиксировать время прихода первого зондирующего сигнала и относительно него зафиксировать время прихода трех следующих друг за другом зондирующих сигналов. После этого определяют попарно интервалы времени между моментами прихода этих зондирующих сигналов. На следующем этапе измеряется разность интервалов времени, измеренных попарно. Эта разность интервалов и будет определять изменение расстояния между принятыми зондирующими сигналами, которая зависит от скорости движения гидролокатора и от времени излучения зондирующих сигналов гидролокатора.
Рассмотрим процедуру определения изменения курсового угла движения гидролокатора, установленного на подвижном носителе, на примере приема первых зондирующих сигналов.
1
0
0
0
0
2
1
0
1
1
12
2
1
1
0
1
1
0
1
3
2
0
1
1 -
Единственным параметром, который может быть измерен при обнаружении зондирующего сигнала, является время обнаружения t=t+Д/С, где С - скорость звука. Время излучения первого сигнала t нам не известно и дистанция излучения первого сигнала Д не известна. Если принят второй сигнал и измерено время приема второго сигнала, то это время приема второго сигнала равно: t=t+Т+(Д-VT)/С, где Т - время между зондирующими сигналами, а V - радиальная скорость движения гидролокатора. Интервал времени между принятыми сигналами: t=t-t=t+T+{(Д-VT)/С}-t=Т+(Д-VT)/С. Если принят третий сигнал, измерено время приема третьего сигнала, то тогда можно написать: t=t+Т+(Д-2VT)/С, где Т - время между зондирующими сигналами, а V радиальная скорость движения гидролокатора. Интервал времени между принятыми сигналами:
32
3
2
2
0
1
2
0
1
t=t-t=t+T+{(Д-2VT)/С}-t=Т+(Д-2VT)/C
32
12
3
2
2
1
1
Определим разность интервалов: t-t=(t-t)-(t-t)=-VT/C.
1
32
12
1
4
3
0
2
2
34
4
3
0
2
34
32
2
34
32
2
32
12
1
34
32
32
12
2
1
1
1
2
3
3
2
2
1
2
1
32
12
3
2
2
1
1
Знак разности говорит о том, что расстояние уменьшается и гидролокатор приближается. Известно, что радиальная скорость равна произведению абсолютной скорости движения на косинус угла между направлением движения и направлением на приемник сигналов: V=VcosQ, где V - абсолютная скорость движения, a Q - угол между направлением движения и направлением на приемник сигналов (В.В. Васин, Б.М. Степанов. Задачник по радиолокации. Сов. Радио, 1969 г., с.11). Тогда окончательно получим t-t=-VcosQT/C. Если радиальная скорость гидролокатора - величина постоянная, частота повторения - величина постоянная и носитель гидролокатора движется прямо на приемник сигналов, а приемник сигналов неподвижен, то и разность интервалов будет величиной постоянной. Если гидролокатор изменит направление движения, то изменится и Q - угол между направлением движения и направлением на приемник сигналов. Можно измерить время прихода четвертого зондирующего: t=t+Т+(Д-3VcosQT)/С, где Q- новый угол между направлением движения и направлением на приемник сигналов. Интервал времени между принятыми сигналами t=t-t=Т+(Д-3VcosQT)/С и разность интервалов t-t=-VcosQT/C. Разделим последующую разность интервалов t-t=-VcosQTT/C на предыдущую разность интервалов t-t=-VcosQT/C и получим (t-t)/(t-t)=cosQ/cosQ. Поскольку нас интересует величина и направление изменения угла движения источника сигнала, а не сам угол движения источника, то можно положить, что при первоначальном измерении гидролокатор движется на приемник, тогда Q равно нулю и cosQ=1. От этого направления начинается отсчет и отношение интервалов равно cosQ, а величина, обратная этому отношению, равна изменению угла движения источника сигналов за время измерения. При дальнейших измерениях получим новое значение изменения курсового угла Q. Величина (Q-Q)/(t-t) определит скорость изменения курсового угла движения источника сигналов за интервал времени t-t. Если значение курсового угла не изменилось, то гидролокатор движется по прежнему курсу. Если значение курсового угла изменилось, то гидролокатор совершает циркуляцию и можно определить величину изменения курсового угла движения источника зондирующих сигналов, определить направление его движения и скорость изменения курсового угла движения. Поскольку амплитуда принимаемого зондирующего сигнала большая и большое отношение сигнал/помеха, то точность определения времени прихода будет определяться крутизной переднего фронта принятого зондирующего импульса. В том случае, если знак разности (t-t)=(t-t)-(t-t)=+VT/C положительный, то вычисление косинуса изменения курсового угла движения следует проводить как отношение предыдущего значения разности времен прихода к каждому последующему.
Сущность изобретения поясняется фиг.1, на которой приведена блок-схема устройства, реализующего предлагаемый способ.
Устройство содержит последовательно соединенные антенну 1, приемное устройство 2, блок 3 определение времен приема зондирующих сигналов, блок 4 определения интервалов разности интервалов, блок 5 определения отношения между интервалами, блок 6 определения скорости изменения курсового угла, блок 8 определения параметров движения гидролокатора. Второй выход блока 3 определения времен прихода зондирующих сигналов соединен со вторым входом блока 5 отношения между интервалами, а третий выход блока 3 соединен со вторым входом блока 7 определения параметров движения гидролокатора. Второй выход блока 5 соединен через блок 7 определения значения изменения курсового угла с третьим входом блока 8 определения параметров движения гидролокатора.
Работу предлагаемого способа целесообразно рассмотреть совместно с описанием работы устройства, реализующего способ.
i
k
m
k+1
k
m+1
m
m+1
m
k
Зондирующие сигналы движущегося источника (гидролокатора) принимаются антенной 1 и поступают на вход приемного устройства 2, где усиливаются, подвергаются фильтрации и преобразуются в цифровой вид, удобный для дальнейшей обработки и измерения с необходимой точностью. Антенна 1, приемное устройство 2 на основе цифрового процессора обработки сигналов являются известными устройствами, реализованными в системах обнаружения гидролокационных сигналов ОГС. Сигналы, преобразованные в цифровой вид, обрабатываются специальными цифровыми процессорами на основе разработанных алгоритмов (см. Ю.А. Корякин, С.А. Смирнов, Г.В. Яковлев «Корабельная гидроакустическая техника», СПб., Наука, 2004 г., стр.164-176, стр.278-295). В процессоре реализуются все блоки предлагаемого устройства. В блоке 3 происходит определение моментов времени прихода последовательности принятых зондирующих сигналов t, запоминаются времена прихода и передаются измеренные оценки в блок 4 определения временных интервалов между последовательными сигналами и определение разности временных интервалов принятых последовательных сигналов T, (ΔT=T-T), (ΔT-ΔT). Измеренная оценка разности временных интервалов поступает в блок 5 для вычисления отношения измеренной разности к предыдущей разности, или на оборот, если знак разности положительный. Это будет определять косинус угла движения гидролокатора. Значение косинуса угла передается в блок 7 определения изменения курсового угла движения гидролокатора, где вычисляется значение стандартной функции arccosQ. Вычисленное значение изменения курсового угла движения поступает в блок 8 для определения параметров движения гидролокатора при сравнении полученных данных со старыми данными, полученными при прежних измерениях. Со второго выхода блока 7, полученные оценки изменения курсового угла поступают в блок 6 для определения скорости изменения курсового угла движения (Q-Q)/T. На второй вход блока 6 поступает интервал времени между измерениями, а измеренная оценка скорости передается в блок 8. Команда на последовательность вычисления отношений и определения направления движения определяется последовательностью измерения времен прихода зондирующих сигналов, которая передается из блока 3 в блоки 5, 6 и 7. Все эти вычислительные операции и операции запоминания и сравнения могут быть проведены в процессоре, используемом для обнаружения зондирующих сигналов гидролокатора при разработке программного обеспечения.
Таким образом, без маневрирования, только путем измерения временных интервалов между приемами зондирующих сигналов и вычисления их отношения, а так же простых математических операций над ними удается определить изменение курсового угла движения источника зондирующего сигнала, отслеживать изменение направление его движения и определять направление движения источника зондирующих сигналов.