СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ДВИЖЕНИЯ ТОРПЕДЫ
METHOD OF DETERMINING TORPEDO MOTION PARAMETERS

Изобретение относится к гидроакустике и может быть использовано наблюдателем для определения координат движущейся торпеды.
Определение параметров движения торпеды осуществляется по данным информации от гидроакустического комплекса (ГАК) подводной лодки, осуществляющего наблюдение за торпедой в активном и пассивном режимах.
Проблемы определения параметров движения торпеды связаны, прежде всего, с малым временем наблюдения и сопровождения торпеды, сложностью ее траектории движения на участке кривой самонаведения, малой отражающей способностью торпеды. Для этого стремятся использовать всю совокупность информации о торпеде для определения параметров ее движения. От режима шумопеленгования (ШП) получают информацию о пеленге и величине изменения пеленга (ВИП) на торпеду, от режима обнаружения гидроакустических сигналов (ОГС) получают данные о частоте (f), длительности (t) и уровне мощности (N) зондирующего сигнала системы самонаведения (ССН) торпеды, от режима гидролокации (ГЛ) получают данные о дистанции до торпеды и величине изменения расстояния (ВИР) до нее. Так реализуется поэтапное обнаружение торпеды основными режимами ГАК, что позволяет выработать параметры движения торпеды за ограниченное время ее наблюдения.
1
2
i
i
н
o
1
i
i
Известен способ определения параметров маневрирующей торпеды [1], движущейся по криволинейной траектории самонаведения. Способ основан на последовательном измерении в режиме шумопеленгования курсовых углов П, П, …, П через заданные интервалы времени t, определения собственной скорости V, выбор вероятной скорости торпеды V из известных источников, например [2]. По этим данным рассчитывают начальное значение дальности Д и текущее значение дальности Д на i-й момент времени и курсового угла П [1, 3].
i
т
Точность данного способа определения дистанции зависит от точности измерения курсовых углов на цель П и значения ошибки при оценке вероятной скорости торпеды V.
пор
t
t
пор
Недостатком данного способа определения параметров движения торпеды является недостаточно высокая точность определения дистанции и наличие систематической ошибки по дальности из-за ошибки в определении скорости торпеды. Известен способ определения параметров торпеды [4] по зондирующим сигналам ее системы самонаведения. В режиме ОГС измеряют частоту принимаемого сигнала системы самонаведения (ССН) торпеды, его уровень и длительность посылки, курсовой угол прихода сигнала. На основании этих данных, а также оценки размера антенны, исходя из диаметра торпеды, прогнозируют параметры гидролокатора ССН и рассчитывают уровень порогового зондирующего сигнала торпеды N, при котором считается, что торпеда обнаружила ПЛ и начинает на нее наводиться. В процессе сопровождения торпеды измеряют текущее значение уровня N и в случае, если выполняется условие N≥N, определяют момент обнаружения наблюдателя торпедой и считают, что торпеда перешла на траекторию самонаведения.
пор
Недостатком данного способа является невозможность установить дистанцию до торпеды в момент, когда уровень принятого зондирующего сигнала ССН достигнет порогового - N.
Наиболее близким по совокупности признаков к заявляемому изобретению является способ определения параметров движения торпеды, реализуемый в гидроакустическом комплексе для надводных кораблей [5], в составе которого имеются две акустические антенны. Одна из них антенна дальней зоны, работающая в низкочастотном звуковом диапазоне, и вторая антенна - антенна освещения ближней обстановки (ОБО) высокочастотная, предназначенная для обнаружения торпед. Определение параметров движения торпеды основано на обнаружении в режиме шумопеленгования на антенну дальней зоны (ШП НЧ) с последующей передачей контакта на режимы обнаружения гидроакустических сигналов (ОГС ОБО) и гидролокации (ГЛ ОБО). Комплексная обработка информации от режимов ГАК при обнаружении торпеды осуществляется в блоке вторичной обработки и предусматривает решение задач измерения курсового угла на цель, параметров зондирующих сигналов ССН, классификацию гидроакустического контакта, наведение режима ГЛ по курсовому углу от режима ШП и измерение дистанции в активном режиме, захват на сопровождение в активном режиме и определение всех параметров движения торпеды. При обнаружении торпеды одним из пассивных режимов дистанция до торпеды неизвестна и немедленное включение режима гидролокации по курсовому углу на цель может привести к пропуску эхо-сигналов ввиду нахождения цели вне зоны действия режима ГЛ ОБО по энергетике. В этом случае система самонаведения (ССН) торпеды обнаруживает корабль значительно раньше и начинает на него наводиться с большей дистанции и, тем самым, повышается вероятность поражения подводной лодки.
Таким образом, недостатками данного способа определения параметров движения торпеды являются:
- возможность пропуска цели из-за ошибки в выборе шкалы развертки индикатора дальности режима ГЛ ОБО;
- снижение скрытности корабля из-за преждевременного включения режима ГЛ ОБО при нахождении торпеды вне пределов энергетической дальности активного режима.
Задача изобретения заключается в повышении скрытности ПЛ при работе ее ГАК в активном режиме через сокращение числа излучаемых сигналов режима ГЛ ОБО и увеличение дальности, на которой осуществляется определение параметров движения торпеды.
Техническим результатом от использования изобретения является увеличение дальности, на которой происходит определение параметров движения торпеды за минимальное число циклов излучения режима ГЛ ОБО, что приводит к повышению скрытности ПЛ.
i
t
пор
i
н
т
1
i
t
i
t
t
t
t
зад
t
зад,
i
шк
шк
k
Для решения поставленной задачи в способ определения параметров движения торпеды, реализованный в ГАК с низкочастотной и высокочастотной антеннами и включающий поэтапное обнаружение торпеды режимами ШП НЧ, ОГС ОБО и ГЛ ОБО с последующей вторичной обработкой информации, которая решает задачи определения курсового угла на цель, измерения параметров принимаемого сигнала ССН торпеды, таких как частота f, длительность t и его мощность N, измерения дистанции до цели в активном режиме, ее классификацию, в ходе которой проверяют попадание измеренных параметров зондирующего сигнала f и t в область параметров, известных из справочных данных и принадлежащих классу торпеда, значения курсовых углов П торпеды изменяются на корму ПЛ, а уровень принимаемых зондирующих сигналов возрастает, то принимают решение о классе цели как торпеда, введены новые признаки, а именно: при превышении уровня принимаемого сигнала ССН торпеды N определенного заданного уровня N принимают решение о переходе торпеды на траекторию самонаведения, после чего по совокупности курсовых углов П, с использованием значения скорости V носителя ГАК и вероятной скорости торпеды V определяют начальную Д и текущую дистанции Д до торпеды, вокруг рассчитанных значений дистанции формируют строб S, размер которого определяют среднеквадратической ошибкой по дистанции и по курсовому углу режима ШП НЧ, затем в соответствии с непрерывно получаемой оценкой дистанции Д и размера строба S выполняют расчет вероятности обнаружения торпеды Wрежимом ГЛ ОБО в стробе S на основе уравнения дальности гидролокации с учетом параметров этого режима, таких как его мощности излучения и помехоустойчивости приемного тракта, и, когда значение текущей вероятности обнаружения W превысит заданное значение W, т.е. W≥W фиксируют текущее значение дистанции Д и выбирают шкалу развертки индикатора дальности D так, чтобы D>Д, излучают зондирующий сигнал по курсовому углу на торпеду, принимают отраженный эхо-сигнал и данные о дистанции и курсовом угле передают в корабельные системы.
Введение строба сужает область поиска торпеды в активном режиме и тем самым повышает помехоустойчивость приемного тракта и позволяет сократить число излучаемых сигналов для обнаружения.
t
t
t
зад
i
t
t
Сущность предлагаемого изобретения поясняется фиг. 1, на которой приведено устройство, реализующее способ, и фиг. 2, графически поясняющей предлагаемый способ. На фиг. 1 представлена блок-схема предлагаемого способа: низкочастотная антенна 1 последовательно соединена с приемным трактом 3, блоком 7 определения текущего курсового угла, блоком классификации 8, блоком 9 определения дистанции до торпеды, блоком 12 расчета строба S, блоком 13 расчета вероятности обнаружения ГЛ ОБО в стробе S, блоком 14 сравнения W≥W, блоком 15 выбора шкалы дальности Д(W), блоком 16 включения режима ГЛ ОБО на излучение, трактом 6 излучения режима ГЛ ОБО и высокочастотной антенной 2, а блок 7, кроме того, соединен с блоком 12 расчета строба S и блоком 9 определения дистанции, соединенным с приемным трактом 4 режима ГЛ ОБО и высокочастотной антенной 2, а выход высокочастотной антенны 2 последовательно соединен с приемным трактом 5 режима ОГС ОБО, блоком 10 измерения параметров сигналов ССН, выход которого соединен с блоком классификации 8 и пороговым устройством 11, выход которого соединен с блоком 9 определения дистанции до торпед.
i
i,
t
зад
н
т
t
i
t
t,
t
зад
шк
t
1
i
i
Предложенный способ с помощью реализующего устройства (фиг. 1) функционирует  следующим образом: шум цели принимается низкочастотной антенной 1, с выхода которой шумовой сигнал поступает в приемный тракт 3 режима ШП НЧ и затем в блок 7 определения текущего курсового угла П, выход которого соединен с блоком классификации 8, в котором по совокупности измеренных акустических параметров цели, таких как частота, длительность и уровень мощности принимаемого зондирующего сигнала цели и характера изменения курсового угла П принимается решение о классе цели, и в случае наступления двух событий - цель классифицирована как торпеда и уровень принимаемого сигнала N превысил пороговое значение N, из блока 11 поступает сигнал в блок 9 определения дистанции, после чего в этом блоке по совокупности курсовых углов Пi, поступающих из блока 7, значению собственной скорости V и вероятной скорости торпеды V определяют дистанцию до торпеды, затем в блоке 12 рассчитывают строб S, размер которого равен трем значениям среднеквадратической ошибки метода определения дистанции в продольном направлении и трем значениям среднеквадратической ошибки определения курсового угла в поперечном направлении. На блок 12 одновременно поступает значение курсового угла П с блока 7. С выхода блока 12 значение размера строба поступает в блок 13 расчета вероятности обнаружения W ГЛ ОБО в стробе S и далее в блоке 14 осуществляется сравнение W≥W и при достижении этой вероятности заданного значения сигнал с этого блока поступает в блок 15 выбора шкалы D развертки индикатора дальности и затем сигнал поступает в блок 16 включения режима ГЛ ОБО на излучение, а далее в тракт 6 излучения режима ГЛ ОБО и на высокочастотную антенну 2. Отраженный эхо-сигнал принимается антенной 2, выход которой соединен с приемным трактом 4 режима ГЛ ОБО, порог обнаружения которого зависит от размера строба S, информацию о котором приемный тракт 4 получает от блока 12 расчета строба, одновременно с этим высокочастотная антенна 2 принимает сигналы ССН торпеды и передает их в приемный тракт 5 режима ОГС ОБО, который после обработки сигнала передает его в блок 10 измерения параметров сигналов ССН, соединенный с блоком 8 классификации, куда передаются данные о частоте f, длительности t и мощности N зондирующего сигнала ССН торпеды, а также в пороговое устройство 11, в котором уровень принимаемого сигнала ССН сравнивается с пороговым, и, если этот порог превышен, считается, что торпеда перешла на траекторию самонаведения и можно приступать к измерению дальностей Д…Д по курсовым углам П в блоке 9.
t
1
t
На фиг 2 графически поясняется предлагаемый способ с обозначениями: 17 - прямолинейный участок самонаведения торпеды, 18 - точка захвата ССН торпеды, переход на траекторию самонаведения, начало определения дистанции до торпеды в режиме ШП НЧ, 19 - точка на трассе торпеды, в которой происходит определение класс цели «торпеда», 20 - строб S сопровождения по данным режима ШП НЧ, 21 - точка определения начальной дистанции Д, 22 - точка на трассе торпеды, в которой вероятность обнаружения W=0.9, 23 - траектория самонаведения торпеды, 24 - траектория ПЛ.
t
пор
i
1
i
t
i
t
t
i
Функционирование предлагаемого способа на фиг. 2 поясняется следующим образом. На линейном участке сближения торпеды она обнаруживается режимами ШП НЧ и ОГС ОБО. В точке 18 на прямолинейном участке 17 движения торпеды прямой сигнал ССН достигает значения порогового N≥N и торпеда переходит на траекторию 23 самонаведения торпеды на ПЛ, траектория которой - 24. По совокупности признаков, таких как: частота сигнала ССН соответствует частотному диапазону торпеды, курсовой угол П начинает меняться на корму ПЛ, уровень прямого сигнала непрерывно возрастает, принимается решение о классе цели как «торпеда» (точка 21). По измеренным курсовым углам определяется начальная дистанция до торпеды Д (точка 21) и текущие дистанции Д, вокруг которых формируется строб S - 20. Для каждого значения Д и строба S выполняется расчет вероятности обнаружения торпеды в режиме ГЛ ОБО, и когда расчетное значение вероятности достигает значения W=0.9 (точка 22), излучается зондирующий сигнал по курсовому углу на торпеду П. Полученные значения курсового угла от режима ШП НЧ и дистанции от режима ГЛ ОБО передаются в корабельную систему для нейтрализации торпеды
Ниже приведен пример, иллюстрирующий достижение технического эффекта при реализации предлагаемого способа, выражающийся в сокращении числа излучаемых импульсов и увеличении дальности захвата цели на сопровождение режимом ГЛ ОБО.
Расчеты выполнены для следующих исходных данных:
- гидроакустические условия представляют собой однородную среду, показатель аномалии среды A(f)=1;
н
н
- скорость корабля V=10 м/сек, курс корабля К=0°;
п
- среднеквадратическая ошибка определения курсового угла в режиме ШП НЧ составляет σ=0.0017 рад;
- режим ГЛ ОБО имеет высокочастотную антенну диаметром d=0.6 м и высотой h=0.4 м;
- несущая частота гидролокатора f=20 кГц;
- отражающая способность торпеды R(φ)=0.3 м;
п
0.5
- уровень ходовых помех Р=0.03 Па/Гц;
- длительность импульса t=0.005 сек.
зад
лтц
Требуемая вероятность правильного обнаружения W=0.9, вероятность ложной тревоги W=0.1 за цикл локации.
t
пор
1
2
Предположим, что в режиме ОГС ОБО прямой сигнал ССН торпеды достиг уровня, при котором принимается решение о том, что торпеда обнаружила ПЛ, т.е. выполнено условие N≥N [4], и начинает на него наводиться, после этого включается алгоритм пассивного определения дистанции до торпеды, находящейся на траектории самонаведения, по совокупности пеленгов [1]: значения двух курсовых углов измеренных последовательно через интервал времени Т=60 сек равны П=100°=1.744 рад, П=103°=1.792 рад.
шп1
шп2
Расчетное значение дистанции в режиме ШП НЧ, определенное по совокупности курсовых углов П, П, в соответствии с формулой расчета дальности из [3]:
т
н ,
где k=V/V
1
2
t
н
1
Подставляя исходные данные П, П, Т, V, V, получают начальную дистанцию Д≈2000 м.
Значение среднеквадратической ошибки по дальности, используя метод распространения ошибок [6], равно:
<mrow><msubsup><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mi>cos</mi><msub><mi>П</mi><mn>1</mn></msub><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mi>п</mi><mo>'</mo></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mi>cos</mi><msub><mi>П</mi><mn>1</mn></msub><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mi>п</mi><mo>'</mo></msubsup><mo>=</mo><mo>−</mo><mi>sin</mi><msub><mi>П</mi><mrow><mi>ш</mi><mi>п</mi></mrow></msub></mrow>
где
- производная по параметру П, т.е.
,
п
σ - среднеквадратическая ошибка определения курсового угла.
t
Для расчетов обнаружения эхо-сигнала в стробе S используют уравнение гидролокации:
уд
уд
2
2
где w - удельная мощность излучения, снимаемая с единицы поверхности антенны вт/см (примем: w=2 Вт/см);
R - расстояние между объектом и наблюдателем;
z - неучтенные потери при обработке (обычно принимают z=2);
γ
2
2
S=πd/4 - площадь поверхности излучающей антенны режима ГЛ ОБО, м;
d - диаметр антенны, м:
γ - коэффициент концентрации антенны;
с - скорость звука в морской воде;
Δf=1/t - полоса пропускания приемного тракта, Гц;
t - длительность зондирующего сигнала, сек;
пор
по
лтц
q - требуемое пороговое отношение сигнал/помеха, при котором обеспечиваются заданные вероятности правильного обнаружения W и ложной тревоги W. При условии релеевского распределения смеси сигнал/помеха равно [8]:
r
φ
f
где m=М·М·M - общее число элементов частотно-пространственного разрешения при приеме эхо-сигналов ГЛ ОБО;
r
шк
M=2D/ct - число элементов разрешения по дальности;
шк
D- значение шкалы развертки индикатора дальности, км;
φ
0
M=Ω/Q - число элементов разрешения по угловым координатам;
Ω - ширина сектора обзора режима ГЛ ОБО, град;
0
Q - ширина характеристики направленности, град;
<mrow><msub><mi>M</mi><mi>f</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>Δ</mi><mi>F</mi></mrow><mrow><mi>Δ</mi><mi>f</mi></mrow></mfrac></mrow>
- число элементов разрешения по доплеровским частотам;
ΔF - общая полоса приема ГЛ ОБО (Гц);
g
Δf - полоса доплеровского фильтра (Гц).
t
r
Для утверждения, что торпеда находится в стробе S с вероятностью Р>0.9, его протяженность (строба) по дальности должна быть равна 3 σ:
D
r
L=3 σ≈50 м.
Ширина строба равняется:
п
1
п
L=3 Дsin(σ),
п
o,
σ≈0.1 Q
o
где Q - ширина приемной характеристики направленности режима ГЛ ОБО, определяется из соотношения размеров антенны и длины волны формулой [8]:
o
Q=2*arcsin(0.35λ/d)≈5°,
где λ=0.075 м - длина волны акустического сигнала в воде, м;
d=0.6 м - диаметр антенны.
п
Тогда L≈56 м.
t
Строб S может быть представлен в виде прямоугольника со сторонами:
t
D
п
.
2
S=LL=50*56=2800 м
t
t
Для расчета вероятности обнаружения W эхо-сигнала в стробе S используют уравнения (3), (5).
пор
t
Далее выполняется оценка эффективности предлагаемого способа по критерию выигрыша в отношении сигнал/помеха (q) и, соответственно, дальности  эхолокации и необходимому числу циклов локации (Е) при поиске цели в варианте прототипа, т.е. по курсовому углу от ШП НЧ, и в варианте предлагаемого способа - в стробе S.
Эффективность способа прототипа:
шк
Число элементов разрешения по дальности при шкале, равной D=2000 м:
r
шк
М=2D/с t=2*2000/1500*0.005=532,
с=1500 м/сек - скорость звука в воде;
t - длительность импульса.
Число элементов разрешения по угловым координатам:
φ
0
M=Ω/Q=1,
где Ω - ширина сектора обзора режима ГЛ ОБО, град;
0
Q - ширина характеристики направленности, град.
Число доплеровских фильтров в одном пространственном канале:
f
g,
M=ΔF/Δf
где ΔF=2000 Гц - общая полоса приема ГЛ ОБО ;
g
Δf=200 Гц - полоса доплеровского фильтра ;
f
M=10.
Таким образом, для поиска эхо-сигнала по КУ число элементов разрешения равно: m=5320.
по
Отношение сигнал/помеха, при котором достигается вероятность правильного обнаружения W=0.9, равно:
,
что соответствует дальности обнаружения режимом ГЛ ОБО в направлении пеленга на цель R=1350 м.
При этом число зондирующих сигналов, необходимых для обнаружения торпеды, определяется следующим образом:
по
- вычисляется время прохождения торпедой дистанции от момента ее обнаружения в ШП НЧ до расчетной точки, в которой вероятность ее обнаружения будет равна W=0.9:
сбл
1
т
Т=(D-R)/V=32.44 сек,
шк
- определяется число зондирующих сигналов за время 32.44 сек при шкале D=2000 м:
сбл
шк
Е=Тс/2r=12 имп.
Эффективность предлагаемого способа:
t
Оценивают число элементов разрешения по дальности, пространственным каналам и доплеровским каналам для строба S:
r
D
M=L/c t≈7,
φ
M=1,
f
M=3
i
(число элементов разрешения по доплеровским фильтрам уменьшается за счет возможности предварительного определения скорости цели в пассивном режиме путем последовательных измерений дистанций Д за интервал времени):
r
φ
f
m=MMM=21,
<mrow><msubsup><mi>q</mi><mrow><mi>п</mi><mi>о</mi><mi>р</mi></mrow><mn>2</mn></msubsup></mrow>
t
по
Подставляя
в уравнение гидролокации (3), получают дальность обнаружения К=1760 м в стробе S с вероятностью правильного обнаружения W=0.9. Потребное число зондирующих сигналов может быть ограничено числом Е=1 имп.
Таким образом, предлагаемый способ комплексирования режимов ГАК при обнаружении торпеды, как это следует из приведенного примера, позволяет:
t
- увеличить дистанцию обнаружения эхо-сигнала в стробе S по сравнению с прототипом с 1.35 км до 1.76 км;
- сократить количество зондирующих сигналов режимом ГЛ ОБО для захвата цели на сопровождение с 12 имп. до 1 имп.
Представленные данные подтверждают достижение заявленного технического результата.
Источники информации
1. Патент РФ на изобретение №2196341,- 2003 г. Способ определения параметров движения маневрирующего объекта. Бальян Р.Х., Хагабанов С.М. и др.
2. В.А. Хвощ. Тактика подводных лодок. М., Военное издательство. 1989 г., стр. 124-125.
3. А.С. Кельзон. Динамические задачи кибернетики. Л., Сов. радио. 1959 г., стр 33-35.
4. Патент РФ на изобретение №2492497, 2013 г. Способ определения параметров торпеды. Хагабанов С.М.
5. Патент РФ на полезную модель №41881, 2004 г. Гидроакустический комплекс для надводных кораблей. Бальян Р.Х., Хагабанов С.М., Школьников И.С.
6. Хан Г., Шапиро С. Статистические модели в инженерных задачах. М.: Мир, 1976 г., стр. 395.
7. Ю.С. Кобяков, Н.Н. Кудрявцев, В.И. Тимошенко. Конструирование гидроакустической рыбопоисковой аппаратуры. Л., 1986 г., с. 69, 75, 76.
8. А.П. Евтютов, В.Б. Митько. Примеры инженерных расчетов в гидроакустике. Л., Судостроение. 1981 г., стр. 97-100.