ГИДРОАКУСТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА
HYDROACOUSTIC SYSTEM

Настоящее изобретение относится к гидроакустике и может быть использовано при совместном применении навигационного гидроакустического комплекса и систем управления самоходными необитаемыми подводными аппаратами (СНПА), для повышения эффективности их работы и расширения объема решаемых задач.
Под СНПА в дальнейшем будем понимать аппараты для исследовательских целей и торпеды, которые в рассматриваемом аспекте можно принять как разновидность СНПА. Существующие системы с использованием СНПА имеют несколько модификаций. Одни из первых предполагают обнаружение объекта и выпуск СНПА в направлении на объект, после чего СНПА самостоятельно излучает зондирующие сигналы, обнаруживает отраженные от объекта сигналы, классифицирует их и принимает решение об объекте. Сложность работы заключалась в том, что высокие требования к вероятностям обнаружения и классификации приводят к усложнению аппаратуры, что сказывалось на стоимости СНПА и их рентабельности (В.В. Сурин, Ю.Н. Пелевин, В.Л. Чулков. Противолодочные средства иностранных флотов М.: Военное издательство, 1991, 70). Из-за малых размеров СНПА невозможно оснастить эффективным гидроакустическим активно-пассивным комплексом, также невозможно улучшить помехо-сигнальную обстановку на входе приемного тракта гидролокатора СНПА, которая возникает по объективным причинам при движении его с большой скоростью. Кроме того, на работу приемного тракта гидролокатора СНПА оказывает влияние поверхностная и донная реверберация при излучении зондирующих сигналов, что ограничивает эффективность использования СНПА. Уровень собственного шума от движения СНПА, а торпеды в особенности, существенно превышает уровень морских помех, что увеличивает вероятность ложной тревоги. На СНПА невозможно установить гидроакустическую антенну с высоким разрешением по угловым координатам и разработать устойчивое и многофункциональное программное обеспечения для решения задачи классификации в условиях недостаточности априорных данных. Известно, что помехоустойчивость любого гидролокатора, у которого антенна приема и излучения совмещены, определяется длительностью зондирующего сигнала и мощностью излучения. Увеличение этих параметров непосредственно приводит к увеличению реверберационной помехи в месте излучения, увеличивает мертвую зону и снижает вероятность правильного обнаружения. (В.В. Ольшевский. Статистические свойства морской реверберации М.: Наука, 1966).
Для улучшения качества работы и повышения эффективности применяются управляемые по проводам СНПА и торпеды. В этом случае обнаружение нужного объекта производится с использованием гидроакустического комплекса, установленного на подводном или на надводном носителе, который излучает зондирующий сигнал, обнаруживает объект, классифицирует объект и по проводам управляет СНПА. Обнаружение объекта может производиться и трактом шумопеленгования гидроакустического комплекса, но дальность в этом случае существенно меньше и не всегда обеспечивается требуемая точность наведения СНПА по проводам.
Известны системы обнаружения сигналов при сопровождении СНПА с использованием волоконно-оптической линии связи. Такие системы разрабатываются в США. Великобритании, Германии и других странах (см. International Defense Review 1990. №6 рр 715-716. Janense Weekly 90. v13. №16 p 729). Эти системы имеют навигационную акустическую станцию с гидролокатором, установленную на подводном или надводном носителе, волоконно-оптическую линию связи и гидролокатор ближнего действия, установленный на СНПА. Навигационная станция излучает сигналы, выдает на СНПА координаты объекта и управляет его движением до достижения радиуса действия гидролокатора СНПА. Имеются публикации о системах с использованием необитаемых подводных самоходных аппаратов, которые управляются с использованием волоконно-оптических линий связи и в сборнике Морское подводное оружие, необитаемые подводные аппараты. Труды конференции, СПб,: 2005, с.4-27. Основным недостатком этих систем является необходимость излучать и обрабатывать эхосигналы гидролокатором навигационной станции, что усложняет работу всей системы и не обеспечивает скрытность работы постановщика СНПА, что в ряде случаев является определяющим недостатком. На стр.20, приведенного выше сборника, в качестве недостатков систем управления по проводам отмечается частые обрывы линий связи, невысокая эффективность классификации целей, а также необходимость укомплектовывать бортовую аппаратуру средствами расчета структуры звукового поля, что еще больше усложняет аппаратуру СНПА. Рассмотренные аналоги не имеют четко изложенной структуры и описания функционирования системы, поэтому предлагается использовать аналог, имеющий конкретное техническое решение, которое по своему существу способно решать задачи обнаружения объекта, а с некоторой доработкой позволит использовать имеющееся программное обеспечение для задач управления движением самоходных подводных аппаратов.
Известен патент №2225991 на навигационную гидроакустическую станцию освещения ближней обстановки (НГАС ОБО) по заявке №2001134709\09 от 24.12.2001 г. Станция содержит приемопередающую антенну, коммутатор приема передачи с трактом предварительной обработки, первую цифровую вычислительную систему, соединенную с выходом тракта предварительной обработки интерфейсами, последовательно соединенную с первой вторую цифровую вычислительную систему совместно с монитором, тракт измерения скорости звука. Станция способна автономно обнаруживать объекты при работе в активном и пассивном режимах, определять координаты обнаруженных объектов, классифицировать обнаруженные объекты и прогнозировать их положение при совместном движении.
Из приведенных аналогов эта станция содержит наибольшее количество общих признаков с заявляемым изобретением, однако она не предназначена для работы с СНПА и поэтому ее функциональные возможности ограничены при необходимости использовать СНПА, в том числе и при работе в условиях гидроакустического противодействия.
Задачей настоящего изобретения является построение гидроакустической системы, которая расширяет функциональные возможности НГАС ОБО за счет повышения вероятности правильного обнаружения и классификации эхосигналов от целей, облучаемых гидролокатором, установленным на СНПА или на торпеде, работающем на совместных частотах, и обеспечение управлением движения СНПА.
Технический результат при реализации предлагаемой полезной модели заключается в повышении эффективности и помехоустойчивости НГАС ОБО в условиях гидроакустического противодействия за счет использования излучения зондирующего сигнала СНПА, а приемом и обработкой полученных эхосигналов штатной аппаратурой навигационной станции, в режиме разнесенного излучения - приема, управлением движением необитаемого самоходного подводного аппарата или торпедой по акустическому каналу на более высокой частоте.
Для достижения указанного технического результата предлагается гидроакустическая система, содержащая гидроакустическую станцию освещения ближней обстановки (НГАС ОБО) и самоходный необитаемый подводный аппарат (СНПА), связанный с ней по гидроакустическому каналу, в которой НГАС ОБО содержит последовательно соединенные приемную антенну, тракт предварительной обработки, ЦВС-1, ЦВС-2, блок обработки эхосигналов от цели, также содержит последовательно соединенные блок обработки сигналов прямого распространения, блок определения координат СНПА, блок формирования команд управления СНПА, блок излучения команд управления и антенну излучения команд управления, при этом второй выход ЦВС-1 соединен с первым входом блока обработки сигналов прямого распространения, третий выход ЦВС-1 соединен со вторым входом блока определения координат СНПА, а второй и третий входы блока формирования команд управления соединены со вторым выходом ЦВС-2 и выходом блока обработки эхосигналов от объекта, соответственно, а СНПА содержит последовательно соединенные, приемную антенну СНПА с приемным трактом команд управления, декодер, блок управления исполнительными механизмами и исполнительные механизмы управления движением, также содержит гидролокатор с излучающей антенной, вход которого соединен со вторым выходом блока управления исполнительными механизмами СПНА.
Новыми признаками в предложенной гидроакустической системе являются: блок обработки эхосигнала от объекта, блок обработки сигнала прямого распространения, блок определения координат СНПА, блок формирования команд управления, блок излучения команд управления, антенна излучения команд управления, приемный тракт СНПА команд управления с антенной, декодер, блок управления исполнительными механизмами СНПА, исполнительные механизмы СНПА, гидролокатор с излучающей антенной СНПА, которые обеспечивают совместную работу НГАС и СНПА, а также связи между ними.
Поясним достижение положительного результата. Можно существенно повысить эффективность работы гидроакустической системы, содержащей навигационную гидроакустическую станцию освещения ближней обстановки и СНПА, если разнести точки излучения и приема и использовать СНПА, как автономный гидролокатор. СНАП излучает зондирующие сигналы требуемой мощности и требуемой длительности, а прием эхосигналов будет осуществляться навигационной станцией, которая работает в режиме приема сигналов СНПА. Таким образом, образуется совместная подвижная гидроакустическая система, которая решает общую задачу. С одной стороны, это позволит разнести точки излучения и приема, что увеличит длительность зондирующих сигналов, дальность обнаружения и классификационные возможности, а с другой стороны увеличится отношение сигнал помеха при сокращении дальности до объекта при движении СНПА. Это приведет к тому, что существенно упростится задача гидролокатора СНПА и снизятся требования к аппаратуре СНПА. Автономный гидролокатор при своем движении будет периодически излучать зондирующий сигнал большой мощности и большой длительности, а также нужного закона модуляции по сигналу управления или по определенной программе, а основную задачу обнаружения и классификации должна решать существующая навигационная станция освещения подводной обстановки. Она принимает эхосигналы на частоте излучения СНПА и управляет движением СНПА с помощью гидролокатора на частоте выше рабочей частоты гидролокатора СНПА, поэтому не возникает взаимной помехи и работа этих систем не мешает друг другу. Кроме того, при применении средств гидроакустического противодействия система классификации навигационной гидроакустической станции имеет существенно больше технических возможностей для классификации обнаруженных объектов, в том числе с участием оператора.
На фиг.1 представлена блок-схема гидроакустической системы, состоящей из навигационной гидроакустической станции освещения ближней обстановки и самоходного необитаемого подводного аппарата.
Приемная антенна 1 (фиг.1) через тракт 2 предварительной обработки, через 3 ЦВС-1, соединена с блоком 5 обработки сигналов прямого распространения СНПА, блоком 6 определения координат СНПА, блоком 7 формирования команд управления, блоком 9 излучения команд управления с антенной 10 излучения команд управления. Второй выход ЦВС-1 соединен через ЦВС-2 с блоком 7 обработки эхосигнала от цели и со вторым входом блока 8 формирования команд управления. Второй выход ЦВС-2 соединен с блоком 8 формирования команд управления, а третий выход 3 ЦВС-1 со вторым входом блока 6 определения координат цели.
Приемный тракт 11 команд управления с антенной СНПА соединен через декодер 12 СНПА с блоком 13 управления исполнительными механизмами СНПА и с блоком 14 исполнительных механизмов СНПА. Второй выход блока 13 управления исполнительными механизмами СНПА соединен с гидролокатором 15 СНПА. Гидролокатор 15 с излучающей антенной СНПА работает либо в своем штатном режиме, либо по команде управления с выхода блока 13 управления исполнительными механизмами СНПА.
Антенна 1, приемный тракт 2, ЦВС 1-3, ЦВС 2-4, являются известными устройствами, приведенными в прототипе. Блок обработки сигналов прямого распространения 5 представляет собой обычное приемное устройство, выполненное в аналоговом или в цифровом виде и предназначенное для обработки сигналов прямого распространения зондирующих сигналов СНПА, принимаемых антенной навигационной станции. Этот блок может быть выполнен и на базе приемного устройства навигационной станции с использованием дополнительного программного обеспечения. Блок 6 определения координат СНПА обеспечивает собой формирование параметров, необходимых для определения местоположения СНПА по измеренным интервалам между посылками, направлением прихода сигналов прямого распространения и положением НГАС ОБО. Решается известная навигационная задача, достаточно подробно рассмотренная в задачах поиска объектов, (см. Абчук В.А. и др. Справочник по исследованию операций М.: Воениздат, 1979 г.) Блок 7 обработки эхосигналов от цели предназначен для обнаружения эхосигналов от цели по зондирующему сигналу СНПА, измерения параметров цели и классификации обнаруженной цели. Блок 8 формирования команд управления предназначен для определения отклонения направления движения СНПА относительно положения цели нужного класса (см. Н.А. Салимов Вероятностные характеристики промаха подводного аппарата. Морское подводное оружие. Необитаемые подводные аппараты. Труды конференции. СПб.: 2005,. с.50-60). Блок 9 излучения команд управления, блок 10 антенна предназначены для кодирования и излучения команд управления, которые передаются по акустическому каналу для изменения траектории движения СНПА. Для реализации может быть использована обычная разработанная аппаратура гидроакустической связи. Непосредственно на СНПА размещены приемный тракт 11 команд управления антенной, декодер 12 канала управления, блок 13 выработки команд управления, блок 14 исполнительные механизмы канала управления, гидролокаторе с излучающей антенной СНПА. Это все известные устройства, которые нашли свое решения при проектировании систем управления торпед и необитаемых самоходных подводных аппаратов (Морское подводное оружие. Необитаемые подводные аппараты, Труды конференции СПб.: 2005, с.74-87, с.114-129).
Работа предлагаемого изобретения происходит следующим образом.
При постановке необитаемого подводного самоходного аппарата с носителя навигационной станции ему задается первоначальное направление движения. В этом направлении осуществляется излучение зондирующего сигнала гидролокатором 15 СНПА по определенной программе или по управляемому сигналу. Излученный сигнал распространяется в направлении объекта локации и по боковому полю в направлении навигационной станции освещения ближней обстановки. Уровня излучения по боковому полю вполне достаточно для обеспечения работы на реальных дальностях. Сигнал прямого распространения принимается антенной 1 и через тракт 2 предварительной обработки передается в блок 3 ЦВС-1, где преобразуется в цифровой вид и подготавливается для цифровой пространственно-временной обработки. Далее цифровой код сигнала поступает в блок 5 обработки сигналов прямого распространения, где происходит частотно-временная обработка принятого сигнала, определяется момент прихода сигнала, длительность сигнала, несущая частота сигнала и частота повторения последующих зондирующих сигналов и определяются координаты положения СНПА в пространстве в блоке 6. После обработки команда наличия сигнала прямого распространения передается из блока 5 в блок 3 ЦВС-1, запускает процедуру и синхронизирует начало обработки эхосигналов от объектов, которые были облучены зондирующим сигналом СНПА. По измеренным в блоке 5 параметрам в блоке 6 определения координат СНПА определяется направление движения СНПА, дистанция до СНПА от навигационной станции и скорость движения СНПА. Посланный зондирующий сигнал достигает интересующего объекта, отражается от него и распространяется в направлении НГАС ОБО. Отраженные эхосигналы от всех объектов принимаются антенной 1, обрабатывается в тракте 2 предварительной обработки, передаются в блок 3 ЦВС-1, где происходит оптимальная обработка эхосигналов, передаются в блок 4 ЦВС-2 и отображаются на дисплее монитора в соответствии с разработанным программным обеспечением. Оператором определяется объект локации, классифицируется объект и эти данные передаются в блок 7 обработки эхосигнала от цели. Блок 7 может быть выполнен на основе программного обеспечения блока ЦВС-1 и блока ЦВС-2 прототипа, но он необходим как отдельная составная часть для решения конкретной задачи при функционировании НГАС ОБО в штатном режиме. В блоке 7 определяются основные параметры объекта локации, такие как дальность, скорость, курсовой угол движения и класс объекта с его классификационными признаками. Измеренные координаты объекта локации поступают в блок 8 формирования команд управления, куда одновременно поступают координаты СНПА из блока 6. В блоке 8 формируются команды по управлению движением СНПА относительно положения выбранного объекта локации. Каждая команда определяет изменение направление движения СНПА по конкретному кодовому сигналу. Кодирование может производиться как по частоте, так и по длительности или по числу сигналов. Сформированная кодовая посылка поступает в блок 9 излучения команд управления, где усиливается и передается на антенную излучения команд управления в направлении СНПА. Излученный кодовый сигнал команд управления принимается антенной и приемным трактом 11 и передается в блок 12 декодер команд управления СНПА. В декодере 12 определяется код переданного сигнала и соответствующая этому коду команда управления, которая передается в блок 13 управления исполнительными механизмами СНПА для формирования сигнала управления направлением движения через блок 14 исполнительных механизмов СНПА, мощности и длительности зондирующего сигнала блока 15 гидролокатора СНПА. Использование программного обеспечения навигационной станции освещения ближней обстановки, качественная оптимальная обработка принятых сигналов обеспечивает большой набор достоверных классификационных признаков, которые используются для автоматического принятия решения и предоставляются оператору для выработки окончательного решения для управления движения СНПА. С каждой зондирующей посылкой СНПА будет приближаться к интересующему объекту, что автоматически приведет к повышению отношения сигнал помеха и увеличит вероятность правильной классификации. При применении средств гидроакустического противодействия можно эффективно изменять параметры зондирующего сигнала и порядок работы предлагаемой гидроакустической системы.
Таким образом, предлагаемое техническое решение гидроакустической системы расширяет функциональные возможности навигационной станции освещения ближней обстановки за счет повышения отношения сигнал помеха вероятности обнаружения эхосигналов и повышения достоверности классификации объектов по данным зондирующего сигнала необитаемого подводного самоходного аппарата. Разнесение точек излучения и приема, управление движением аппарата по выработанным командам на основании измеренных параметров обеспечивает скрытность работы постановщика СНПА, и повышается эффективность совместной работы в условиях применения средств гидроакустического противодействия.