Исследование и разработка метода рационального определения параметров движения морских объектов по угломерной информации

Современная концепция ведения боевых действий предполагает, что основные усилия морских сил будут направлены на уничтожение ракетных подводных лодок (ПЛ) и соединений кораблей противника, причем основополагающая роль в этих операциях будет принадлежать подводным лодкам [2]. Поэтому наибольшую актуальность приобретает вопрос дальнейшего повышения эффективности действий ПЛ и улучшения их боевых качеств. Находящиеся на вооружении ПЛ способны вести борьбу с надводными и подводными силами противника в различных условиях, при которых применение других видов вооружения (авиации, сухопутных сил) невозможно или нецелесообразно [3]. Отличительная боевая способность ПЛ — внезапность нанесения удара — достигается скрытностью нахождения в зоне действий противника, своевременным раскрытием его замысла и нанесением упреждающего удара.

Для автоматизации процесса обработки информации, ПЛ оснащаются информационно-управляющими системами (ИУС). Основное назначение ИУС состоит в сборе и обработке поступающей информации, наглядном отображении данных о тактической обстановке, выработке информации по использованию оружия, а также решении задач тактического маневрирования. Среди всех решаемых в ИУС задач центральное место занимает задача определения координат и параметров движения объектов (КПДО). От оперативности и точности решения задачи КПДО в значительной степени зависит своевременное принятие правильного решения командиром по маневрированию ПЛ, обеспечивающего эффективное применением оружия и для использования средств самообороны. Получаемые при расчете КПДО оценки параметров движения объекта используются при решении большинства задач ИУС.

Результатом определения КПДО являются значения дистанциикурса и скорости объекта. Под объектом подразумевается корабль или ПЛ противника. В случае противодействия торпедам их местоположение, в силу большой скорости торпед и непрямолинейной траектории движения, не определяется, ПЛ уклоняется от атаки с использованием имеющихся средств самообороны.

В качестве входных данных для определения КПДО используется угломерная информация — пеленга. Пеленг — угол между направлением на объект и направлением на север. Это единственная информация об объекте, которую возможно получить с минимальной вероятностью обнаружения силами противника. Пеленга поступают в систему от измерительной аппаратуры — гидроакустического комплекса (ГАК). ГАК может работать в активном и пассивном режиме, переключение режимов осуществляется оператором. При работе ГАК в активном режиме наряду с пеленгами происходит измерение текущей дальности и величины изменения расстояния (ВИР), однако в активном режиме работы ГАК лодка теряет свое главное преимущество — скрытность, и обнаруживается силами противника. Реализованные в ИУС методы определения КПДО позволяют рассчитывать параметры движения объекта с использованием дополнительных данных, например, координатам объекта, полученным по каналам космической связи или скорости объекта, определенной по оборотам гребных винтов при хорошем акустическом контакте с объектом. Практика показывает, что такие данные не всегда имеются на борту ПЛ, поэтому основной источник объективной информации о наблюдаемом объекте представляют собой значения пеленгов наблюдаемого объекта.

Известно большое количество работ в нашей стране и за рубежом, посвященных решению проблемы определения КПДО. Существующие методы определения КПДО, несмотря на накопленный опыт и несомненные достижения, пока не полностью отвечают предъявляемым к ним требованиям по точности и времени выработки значений КПДО. Поэтому актуальной научной задачей является разработка метода определения КПДО, обладающего лучшими, по сравнению с существующими методами, характеристиками.

В рамках диссертационной работе разработан метод (систем.а) для решения одной из центральных задач ИУС — определения КПДО. Метод основывается на известном методе n-пеленгов, но по сравнению со своим прототипом обладает лучшими точностными и временными характеристиками, поэтому разработанный метод назван «совершенным методом п-пеленгов» .

В существующих системах рассмотрение задач ИУС производилось не с позиций основных режимов ПЛ (сопровождение объекта, стрельба, и др.), а с позиций функционального предназначения отдельных задач. В результате разработка каждой задачи велась отдельно, что, с одной стороны, упрощало программирование, но вызывало дополнительные и порой значительные трудности при организации взаимодействия между задачами в различных режимах ПЛ.

Другой причиной, приводящей к снижению точности вырабатываемых оценок КПДО является недостаточное внимание к условиям и особенностям применяемых алгоритмов. Известно, что для метода n-пеленгов увеличение количества измерений приводит к повышению точности вырабатываемых оценок. Не менее важный вопрос, заключающийся в распределении пеленгов по галсам, не затрагивался в известных автору работах. Проведенные в рамках диссертационной работы исследования показали, что наилучшая точность достигается в случае равенства времени движения (и, соответственно, количества измеренных пеленгов) на первом и втором галсах.

Для успешного применения любого метода необходимо выполнение набора условий, которые использовались при разработке соответствующих алгоритмов. Основные методы определения КПДО используют гипотезу о равномерном и прямолинейном движении объектов. Невыполнение этого условия, т. е. поступление в задачу КПДО пеленгов, соответствующих периоду выполнения маневра, приводит к выработке неверных, сильно отличающихся от истинных, значений КПДО. Основное затруднение при контроле поступающих пеленгов в автоматическом режиме вызывает нелинейный характер изменения пеленга во времени. В известных методах производится аппроксимация функции пеленга линейной или другой зависимостью. Любая аппроксимация вносит дополнительные ошибки, поэтому методы контроля пеленгов в автоматическом режиме не нашли применения. В настоящее время определение переходных участков траектории (маневра) выполняется с участием оператора, наблюдающего за характером изменения пеленгов. Такие оценки носят субъективный характер. В рамках разработанной системы предполагается автоматически и непрерывно осуществлять контроль над выполнением принятой гипотезы и использовать только отвечающие ей пеленга. Тем самым исключается влияние человеческого фактора на результат решения задачи. Увеличение точности достигается за счет перехода от нелинейной функции пеленга к линейным во времени зависимостям.

При определении КПДО по пеленгам необходимо совершение маневра, так как в случае равномерного прямолинейного движения ПЛ и объекта пеленга не позволяют однозначно рассчитать неизвестные параметры. Галсом называется участок, на котором ПЛ движется равномерно прямолинейно. Величина маневра, т. е. разность между курсами на двух галсах, влияет на точность определения КПДО [32], поэтому важная проблема при определении КПДО состоит в выборе оптимального маневра.

Понятие оптимальности подразумевает обеспечение как точностных, так и временных требований к вырабатываемым оценкам. В большинстве случаев, чем больше разность между курсами на двух галсах, тем точнее определяются значения КПДО. Однако увеличение точности приводит к потере оперативности получения результата, так как поворот на больший угол требует большего времени на выполнение. Выбор маневра в настоящее время производится командиром на основе собственного опыта и наставлений по тактике, хотя в ИУС имеются набранные в ходе наблюдения за объектом пеленга, результатом обработки которых могут служить графические (или числовые) рекомендации по маневру. В рамках системы разработан новый метод прогнозирования ошибок КПДО, связывающий точность определения КПДО с параметрами маневра и временем наблюдения и позволяющий командиру на основании рассчитанных данных выбирать варианты маневрирования.

Целью диссертации является разработка рационального метода решения задачи определения КПДО по угломерной информации, который повышает точность вырабатываемых оценок, позволяет сократить время их получения и уменьшает влияние человеческого фактора в процессе формирования решения.

Точность и время — это два центральных понятия, которые характеризуют эффективность решения задачи КПДО. На основе точности оценок принимается решение о количестве используемого при стрельбе оружия. Не менее важен фактор времени, здесь уместно привести известное определение борьбы за первый залп. Кратко оно формулируется так: кто первым выстрелил, тот и победил. Выделять один из факторов, время или точность не имеет смысла, рациональность в определениипараметров движения должна подразумевать выполнение как точностных, так и временных требований к оценкам КПДО.

Методами исследований являются: теория вероятностей, математическая статистика и алгебра матриц. Научная новизна работы заключается в: разработке метода (совершенный метод n-пеленов) и алгоритма, уменьшающего влияние субъективных факторов и обладающего лучшими точностными и временными характеристиками, чем эксплуатируемый метод п-пеленговисследовании влияния времени, маневра и ошибки пеленгования на точность определения КПДОразработке рекомендаций по распределению пеленгов на галсах для повышения точности определения КПДО. Практическая ценность работы заключается в следующем: разработана система комплексного решения задачи определения КПДО, которая повышает точность вырабатываемых оценок от 1.5 до 10 раз и сокращает требуемое время на х/г — 8 минут по сравнению с эксплуатируемым методом п-пеленговразработан метод прогнозирования ошибок КПДО, связывающий точность определения КПДО с величиной маневра и временем наблюдения и позволяющий выбирать рациональные варианты маневрированияразработан метод автоматического контроля поступающей в систему информации, который исключает субъективные факторы в определении КПДО.

Основные положения, выносимые на защиту: система комплексного решения задачи определения КПДО (совершенный метод п-пеленгов) — метод прогнозирования ошибок КПДОметод автоматического контроля поступающей в систему информациирекомендации по времени движения на галсах для обеспечения лучшей точности вырабатываемых оценок КПДОрезультаты исследований точностных и временных характеристик разработанного совершенного метода п-пеленгов и эксплуатируемого метода п-пеленгов.

Работа состоит из введения, трех глав, заключения и приложений.

В первой главе излагается постановка задачи определения КПДО и ее место в составе решаемых задач ИУС. Приводится обзор существующих методов расчета параметров движения объектов, указываются необходимые условия для их успешного применения, достоинства и недостатки.

Алгоритмы определения КПДО по угломерной информации в большей или меньшей степени основываются на методе четырех пеленгов. Четыре пеленга — это тот минимум информации, при наличии которого становится возможным расчет значений дальности, скорости и курса объекта. Дальнейшее совершенствование используемых для расчета КПДО средств и появление вычислительных машин открыло новые возможности обработки измерений. Развитием классического метода 4-х пеленгов явился метод п-пеленгов, позволяющий для расчета КПДО использовать неограниченное количество пеленгов. Эти методы определяют КПДО только по угломерной информации в отсутствии дополнительных сведений об объекте. Показано, что для определения КПДО по пеленгам необходимо совершение маневра. Рассмотрены вопросы распределения пеленгов по галсам.

Во второй главе приводится вывод аналитических зависимостей для расчета ошибок вырабатываемых по пеленгам значений КПДО. Приведен анализ погрешностей, влияющих на точность определения КПДО. На основе зависимостей выполнены исследования влияния величины маневра, ошибки пеленгования и времени наблюдения за объектом на точность определения КПДО. Рассмотрена проблема выбора маневра для получения параметров КПДО заданной точности с учетом необходимого на маневр времени.

Третья глава посвящена разработке системы комплексного решения задачи определения КПДО (совершенный метод п-пеленгов), повышающей точность вырабатываемых оценок и позволяющей сокращать время их получения. Приводятся ее отличительные особенности. Рассматривается созданный в рамках системы метод автоматического контроля поступающих в систему пеленгов. Рассматривается разработанный метод прогнозирования ошибок КПДО, связывающий точность определения КПДО с маневром и временем наблюдения и позволяющий выбирать рациональные варианты маневрирования.

В заключение приводятся основные результаты работы, показывающие ее научную и практическую ценность.

В конце книги дан список литературы, которой автор пользовался при написании диссертации. В приложения вынесены полученные формульные зависимости и материалы моделирования.

Результаты работы докладывались и обсуждались: на научно-технической конференции «60 лет Агат», г. Москва, 2002 г. на международной научно-технической конференции «Системные проблемы качества, математического моделирования, информационных и электронных технологий», г. Сочи, 2003 г. на научно-технической конференции ФГУП «НПО «Агат» «Системные проблемы корабельных информационно-управляющих комплексов (эффективность, надежность, экономика), г. Москва, 2005 г. на международной научно-технической конференции «Системные проблемы качества, математического моделирования, информационных и электронных технологий», г. Сочи, 2005 г. на научно-технической конференции ФГУП «НПО «Агат» «Системные проблемы корабельных информационно-управляющих комплексов (эффективность, надежность, экономика), г. Москва, 2006 г. Результаты работы отражены в 9 печатных работах. По теме диссертационной работы получено три свидетельства о регистрации программ для ЭВМ.

Практическое использование результатов диссертации подтверждено актом о внедрении в разработки ФГУП «НПО «Агат» (см. приложение № 4).

Выводы.

1. Разработана система (совершенный метод п-пеленгов) для рационального решения задачи определения КПДО, которая повышает от 1.5 до 10 раз точность вырабатываемых оценок и позволяет сокращать от 30 секунд до 8 минут время их получения по сравнению с эксплуатируемым методом п-пеленгов. Рассмотрены отличительные особенности системы на различных этапах определения КПДО по сравнению с эксплуатируемыми системами ИУС.

2. В составе системы разработан метод автоматического контроля поступающей в систему информации. Проверка условия о равномерном прямолинейном движении и обнаружение «выбросов», в отличие от известных методов, осуществляется с применением линейных во времени зависимостей, что позволяет оперативней, по сравнению с визуальным способом, определить момент начала и окончания маневра, задержка уменьшена в 1.5−3 раза и составляет от 10 до 40 секунд. Разработанный метод дает лучшую точность по сравнению с эксплуатируемым методом обнаружения выбросов, он позволяет обнаруживать в последовательности пеленгов на 30−40% больше выбросов. Исключается влияние человеческого фактора на точность решения задачи.

3. В составе системы разработан метод прогнозирования ошибок КПДО, связывающий точность определения КПДО с величиной маневра и временем наблюдения и позволяющий выбирать рациональные варианты маневрирования. На основе имеющейся информации об объекте система рассчитывает и выдает командиру данные о предполагаемых ошибках КПДО для всевозможных вариантов маневрирования.

4. Разработаны графики для отображения командиру зависимостей ошибок КПДО от времени и маневра.

Заключение

.

Разработан «совершенный метод п-пеленгов», который позволяет решать актуальную, важную, и одну из центральных задач управляющих систем ПЛ с лучшей точностью и сокращенным временем. Разработанный совершенный метод п-пеленгов ориентирован на практическое удовлетворение нужд флота в части использования оружия и средств защиты ПЛ, с его использованием уменьшается влияние человеческого фактора на процесс получения решения. С использованием разработанного совершенного метода п-пеленгов точность параметров движения объекта повышается от 1.5 до 10 раз по сравнению с эксплуатируемым в существующих системах методом п-пеленгов. При этом улучшена оперативность вырабатываемых значений КПДО, требуемое время для определения КПДО сокращено на — 8 минут по сравнению с эксплуатируемым методом п-пеленгов.

Разработан метод автоматического контроля поступающей в систему информации. Проверка условия о равномерном прямолинейном движении и обнаружение «выбросов», в отличие от известных методов, осуществляется с применением линейных во времени зависимостей, что позволяет оперативно, по сравнению с визуальным способом, определить момент начала и окончания маневра, задержка уменьшена в 1.5−3 раза и составляет от 10 до 40 секунд. Разработанный метод дает лучшую точность по сравнению с эксплуатируемым методом обнаружения выбросов, он позволяет обнаруживать в последовательности пеленгов на 30−40% больше выбросов. Важным является исключение влияния человеческого фактора на точность решения задачи.

3. Разработан метод прогнозирования ошибок КПДО, связывающий точность определения КПДО с величиной маневра и временем наблюдения и позволяющий выбирать рациональные варианты маневрирования. На основе имеющейся информации об объекте система рассчитывает и выдает командиру данные о предполагаемых ошибках КПДО для всевозможных вариантов маневрирования. Оценены требования к вычислительным ресурсам для расчета необходимых данных. Разработаны трехкоординатные графики для выбора командиром рационального решения по управлению ПЛ с учетом ошибок КПДО, параметров маневра и времени наблюдения. Этот метод обеспечивает широкие возможности командиру для принятия эффективных решений.

4. Исследовано влияние распределения пеленгов на точность расчета КПДО. Лучшая точность достигается в случае равенства количества измерений на первом и втором галсах. Чем сильнее различаются времена, тем хуже точность рассчитываемых оценок КПДО при одинаковом общем времени наблюдения.

5. Получены аналитические зависимости для расчета ошибок вырабатываемых значений КПДО. С использованием полученных аналитических зависимостей выполнено исследование точности вырабатываемых оценок КПДО в зависимости от ошибки пеленгования, совершаемого маневра и времени наблюдения. Предложен подход, позволяющий рассчитывать необходимое для определения КПДО время по заданным требованиям к оценкам точности КПДО.

6. Рекомендовано внедрение разработанного метода в создаваемые на базе ФГУП «НПО «Агат» управляющие системы следующего поколения.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ.

1. Кудрявцев К. В. Применение интерактивной графики системами определения параметров движения морских объектов в целях повышения точности получаемых значений. МИФИ — 2001. Сборник научных трудов, том 12, стр. 26−27, Москва, 2002 г.

2. Кудрявцев К. В. Применение современных информационных технологий графического анализа при разработке задач определения КПДО. Сборник докладов научно-технической конференции «60 лет Агат», стр. 75 -79, Москва, 2002 г.

3. Кудрявцев К. В. Повышение достоверности обработки поступающей угломерной информации при применении методов линейной интерполяции. Международная научно-техническая конференция «Системные проблемы качества, математического моделирования, информационных и электронных технологий», Материалы конференции, часть 1, стр. 98−99, Радио и связь, 2003 г.

4. Кудрявцев К. В. Повышение точности определения параметров движущихся объектов с использованием только угломерной информации. МИФИ — 2004. Сборник научных трудов, том 12, стр 87−88, Москва, 2005 г.

5. Хетагуров Я. А., Кудрявцев К. В. Некоторые вопросы исключения влияния субъективных параметров на точность определения КПДО по пеленгам. Научно-техническая конференции ФГУП «НПО «Агат» «Системные проблемы корабельных информационно-управляющих комплексов (эффективность, надежность, экономика), Сборник докладов, часть 1, стр. 84−86, Москва, 2005 г.

6. Кудрявцев К. В., Красников А. К., Пуляев В. К. Метод повышенной эффективности определения координат и параметров движения обнаруженных морских целей. Научно-техническая конференции ФГУП «НПО «Агат» «Системные проблемы корабельных информационно-управляющих комплексов (эффективность, надежность, экономика), Сборник докладов, часть 1, стр. 80−84, Москва, 2005 г.

7. Кудрявцев К. В. Создание человеко-машинного интерфейса для поддержания процесса выбора оптимального маневра. Международная научно-техническая конференция «Системные проблемы качества, математического моделирования, -информационных и электронных технологий», Материалы конференции, часть 1, стр. 45−47, Радио и связь, 2005 г.

8. Хетагуров Я. А., Кудрявцев К. В. Исключение влияния субъективных факторов на точность определения параметров движения объектов по пеленгам. МИФИ — 2006. Сборник научных трудов, Москва, 2006 г.

9. Хетагуров Я. А., Кудрявцев К. В. Повышение точности определения параметров движения объектов по пеленгам. Научно-техническая конференции ФГУП «НПО «Агат» «Системные проблемы корабельных информационно-управляющих комплексов (эффективность, надежность, экономика), Сборник докладов, Москва, 2006 г.

10.Патент на полезную модель № 2 005 141 046/22 (45 703) от 28.12.2005. авт. Хетагуров Я. А. Кудрявцев К.В. Навигационный прибор.

11.Свидетельство об официальной регистрации программы ЭВМ № 2 004 612 125 от 15 сентября 2004 г. авт. Красников А. К., Пуляев В. К., Кудрявцев К. В. Программа «Автоматизированный планшет для определения дальности и параметров движения маневрирующих объектов».

12.Свидетельство об официальной регистрации программ ЭВМ № 2 004 612 126 от 15 сентября 2004 г. авт. Красников А. К., Пуляев В. К., Кудрявцев К. В. Программа «Автоматизированный планшет для интерактивной оценки базовых параметров».

13.Свидетельство об официальной регистрации программ ЭВМ № 2 004 612 127 от 15 сентября 2004 г. авт. Красников А. К., Пуляев В. К., Кудрявцев К. В. Программа «Имитатор гидроакустического комплекса.