Алгоритм локализации минных постановок для систем управления противоминными действиями как метод повышения их эффективности

Войтович Марина Геннадьевна; Шпикерман Виталий Рудольфович

DOI: 10.2493 7/2542-2324-2019-2-S-I-17-23 УДК 623.95

М.Г. Войтович1, В.P. Шпикерман2

^УНЦ ВМФ «Военно-морская академия», Санкт-Петербург, Пушкин, Россия 2АО «Акустический институт имени академика Н.Н. Андреева», Москва, Россия

АЛГОРИТМ ЛОКАЛИЗАЦИИ МИННЫХ ПОСТАНОВОК ДЛЯ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ПРОТИВОМИННЫМИ ДЕЙСТВИЯМИ КАК МЕТОД ПОВЫШЕНИЯ ИХ ЭФФЕКТИВНОСТИ

Рассмотрены автоматизация и оптимизация процесса локализации (определения формы и границ) минных постановок для корабельных систем управления противоминными действиями, что является важной составляющей в борьбе с минной опасностью. На основе анализа характеристик поисковых средств и типов морского минного оружия разработаны алгоритмы ведения поисковых противоминных действий, которые включают в себя выдачу рекомендаций на занятие оптимальной позиции и движение по рекомендованному маршруту для выявления других объектов минной постановки, а также анализ минной постановки на предмет ее формы. Предложены алгоритмы локализации минных постановок для различных вариантов установки мин в обобщенном виде и для частных случаев: циркуляция вокруг одиночной мины, локализация линейной минной постановки, локализация минного поля и определение границ в случае произвольной установки мин. Приведена оценка повышения эффективности в случае реализации указанных алгоритмов в системе управления противоминными поисковыми действиями. Применение этих алгоритмов позволит сократить время ведения противоминных действий и повысить эффективность обнаружения и правильной классификации мин и минных постановок. Ключевые слова: поисковые противоминные действия, алгоритм локализации минных постановок, форма и границы минных постановок, система управления противоминными поисковыми действиями. Авторы заявляют об отсутствии возможных конфликтов интересов.

DOI: 10.2493 7/2542-2324-2019-2-S-I-17-23 UDC 623.95

М. Voytovich1, V. Shpikerman2

^.G. Kuznetsov Naval Academy, St. Petersburg, Russia 2JSC Andreyev Acoustics Institute, Moscow, Russia

MINE FIELD LOCALIZATION ALGORITHM FOR EFFICIENCY INCREASE OF MINE-FIGHTING CONTROL SYSTEMS

This paper discusses automation and optimization of mine field localization (i.e. determination of mine field shape and boundaries) by means of naval mine-fighting systems, which is an important component of mine-fighting in general. Analysing the types of existing naval mines and parameters of current mine detection tools, this paper suggests mine search algorithms that offer recommendations on optimal positioning and path for detection of other mines in the area, as well as perform shape analysis of mine field. Mine field localization algorithms are suggested for different variants of mine laying both in general form and for particular cases: gyration around a solitary mine, localization of a mine strip, localization of a mine field and determination of boundaries for a mine field with arbitrary mine locations. The paper estimates how these new algorithms will improve the efficiency of mine searching control systems. If implemented, these algorithms will speed up mine-fighting operations and offer more efficient detection and correct classification of different mines and mined areas.

Для цитирования: Войтович М.Г., Шпикерман В.Р. Алгоритм локализации минных постановок для систем управления противоминными действиями как метод повышения их эффективности. Труды Крыловского государственного научного центра. 2019; Специальный выпуск 2: 17-23.

For citations: Voitovich M.G., Shpikerman V.R. Mine field localization algorithm for efficiency increase of mine-fighting control systems. Transactions of the Krylov State Research Center. 2019; Special Edition 2: 17-23 {in Russian).

М,Г, Войтович, Б.Р, Шпикерман, Алгоритм локализации

минных постановок для систем управления противоминными действиями как метод повышения их эффективности

Keywords: mine searching, localization algorithms, mine field shape and boundaries, mine-searching control system.

Authors declare lack of the possible conflicts of interests.

Введение

Introduction

Минное оружие представляет серьезную угрозу как для боевых кораблей и подводных лодок, так и для гражданского судоходства. Во время войны на всех морях воюющие стороны широко применяют мины в своих водах и акваториях противника. Установку мин, как правило, производят комплексно, определяя форму их постановок в соответствии с задачей [1].

Определение границ минных заграждений является важной составляющей в борьбе с минной опасностью. По его результатам можно провести очистку района плавания от мин, проделать в минных заграждениях безопасные проходы, а также просто ограничить опасный район для плавания других судов.

Задача автоматизации и оптимизации процесса локализации (определения формы и границ) минных постановок для систем управления противоминными действиями в настоящее время крайне актуальна, поскольку ее решение позволит повысить эффективность систем. Данной теме и посвящена настоящая работа.

Исходные данные

Input data

Имеем носитель1 гидроакустической станции (ГАС) освещения ближней обстановки, с помощью которого осуществляется поиск мин. Носитель обладает следующими динамическими характеристиками [2]:

■ поисковая скорость vn, уз - скорость, на которой носитель осуществляет движение в процессе поиска мин;

■ скорость разгона dv_up, уз/сек.;

■ скорость торможения dv_down, уз/сек.;

■ максимальная малошумная скорость vmn. уз -скорость, на которой носитель будет осуществлять движение в процессе контакта с минами;

■ радиус циркуляции на поисковой скорости Rc(vn), м.

■ Исходя из типа выбранной мины определяются:

1 В данной статье понятие «носитель» ГАС не уточняется, поскольку понятие это вариативное: носителем может быть и надводный корабль, и автономный необитаемый подводный аппарат, и вертолет-тралыцик.

■ предполагаемая глубина постановки мины Нт, м;

■ предполагаемый эквивалентный радиус мины на частоте ГАС, Rm. м;

■ безопасная дистанция до мины, на которой обеспечивается безопасность носителя Rh, м (для современных типов якорных мин Rb составляет около 1,0-1,5 км, для донных - 0,5-1,0 км).

Для ГАС рассчитываются следующие тактические характеристики:

■ оптимальная глубина постановки", м;

■ оптимальный режим работы Rgasi

• дальность обнаружения искомой цели на заданной глубине при заданном режиме работы % м.

Алгоритм поисковых действий Mine search algorithms

В обобщенном виде алгоритм поиска мин, обеспечивающий локализацию (определение формы) минных постановок, приведен на рис. 1. Он сводится к следующим действиям:

а) Движение носителя с поисковой скоростью vn. ГАС на заданной (оптимальной) глубине Hgas, работа ее в заданном (оптимальном) режиме Rgas- освещение обстановки на предмет гидроакустического контакта с миной.

б) После обнаружения цели, классифицированной как «мина», производятся действия согласно п. 2.1 (выдача рекомендаций за занятие оптимальной позиции, движение по рекомендованному маршруту для выявления других объектов минной постановки).

в) После локализации минной постановки (в зоне обнаружения ГАС были найдены все мины) производится анализ минной постановки на предмет ее формы (линейная минная постановка, минное поле, произвольная постановка мин) для выдачи рекомендаций по дальнейшему использованию указанной информации (уничтожение или фиксация минной постановки).

В случае возможности ее изменения. Если носитель ГАС - надводный корабль, глубина постановки ГАС является фиксированной.

M.G. Voitovich, V.R. Shpikerman. Mine field localization algorithm for efficiency increase of mine-fighting control systems

Рис. 1. Обобщенный алгоритм локализации минных постановок

Fig. 1. Generalized algorithm for mine field localization

Алгоритм выдачи рекомендаций на циркуляцию носителя вокруг одиночной мины

а) Пусть в точке 1 (рис. 2) произошло обнаружение и классификация цели как «мина» на дистанции 00.

б) Вырабатываются рекомендации на расхождение с миной на дистанции уверенного обнаружения (Ои) курсом Кп. При этом

Rh < д, < Д.

(1)

в) Производится снижение скорости носителя с уп до ртп, при этом время снижения скорости должно обеспечивать не вхождение носителя в опасную зону миныДь:

dv _down \ 2 J

(2)

г) При удалении от мины на дистанцию, после циркуляции с которой вправо на 90° с радиусом циркуляции Яс носитель окажется на траектории, обеспечивающей сближение с миной на Д, - точка 3 (при условии отсутствия контакта с другими минами в носовой полусфере ГАС), носитель продолжает движение, циклически повторяя операции по данному пункту.

д) При этом на всем протяжении контакта с миной происходит выполнение следующих действий:

Рис. 2. Схема

циркуляции

носителя

вокруг одиночной мины

для локализации минной постановки

Fig. 2. Gyration around a solitary mine for localization of mined area

сбор классификационных признаков мины (с разных курсовых углов) и пополнение матрицы (персонально ее) классификационных признаков;

идентификация положения мины в соответствии со специальным алгоритмом; документирование информации об обнаруженной мине в заданном формате.

М.Г. Войтович, В.Р. Шпикерман. Алгоритм локализации

минных постановок для систем управления противоминными действиями как метод повышения их эффективности

Алгоритм локализации линейной минной постановки

В случае, когда мины выставлены в виде произвольной линии (с генеральным курсом К„ относительно первой обнаруженной мины), носитель должен совершить следующую совокупность действий:

а) После контакта с миной № 1 движение из точки 1 в точку 2, циркуляция в точку 3 согласно п. 2.1.

б) Обнаружение других мин линейной постановки в точках 4 и 5.

в) Из точки 6 в точку 7 и из точки 8 в точку 9 совершить цирку ляцию согласно п. 2.1.

г) При движении из точки 9 в точку 10 подтвердить контакт с минами № 3, 2, 1.

д) В точке 10 завершить маневр по локализации линейной минной постановки, вернувшись на исходный курс Кц.

е) Определить основные параметры линейной минной постановки:

■ генеральный курс:

кя = кмж (> Ад > ■ ■ ■ , А*). град., (3)

где Кшк ($е1. Да ... Дя,, Дя) - направление от мины №1 с координатами !)с] к мине №/? с координатами Sl.„. /.>.„ в линейной минной постановке, определенное методом наименьших квадратов, град.;

■ среднеквадратическое отклонение (СКО) генерального курса:

$КО _ К8 = ,ЧК() (К3), град.,

где 8КО(К^ - СКО генерального курса, определенное методом наименьших квадратов, град;

■ длина линейной минной постановки: £=£«г(£с1,А 1- м. (4) где (8сЪ ... 8ет /1„) - дистанция между миной № 1 и миной № п. м;

4А,

! 3 4 5 б D0

Fig. 3. Localization maneuver for a mine strip

■ средний интервал линейной минной постановки:

с1Ь I. /(// - 1), м,

где п - количество мин в линейной минной постановке.

Схема маневра носителя в процессе локализации линейной минной постановки изображена на рис. 3.

Алгоритм локализации минного поля

В случае, когда мины выставлены в виде поля (в виде прямоугольника, ограниченного координатами крайних мин с заданным интервалом по длине с!Ь и ширине с!11 относительно первой обнаруженной мины), носитель должен совершить следующую совокупность действий:

а) Движение из точки 1 в точку 3, циркуляция в точку 4 согласно п. 2.1, при этом фиксация контакта с миной № 2 в точке 2.

б) Обнаружение других мин линейной постановки в точках 5 и 6.

в) Из точки 7 в точку 8 и из точки 10 в точку 11 совершить цирку ляцию согласно п. 2.1, при этом фиксация контакта с миной № 5 в точке 9.

г) При движении из точки 11 в точку 14 подтвердить контакт с минами № 6, 1 в точках 12 и 13.

д) В точке 14 завершить маневр по локализации поля мин, верну вшись на исходный курс К„.

е) Определить основные параметры поля мин:

■ координаты углов поля (координаты крайних мин № 2, 4, 5, 1 соответственно);

■ генеральный курс поля:

= УЩх

/ \\ гРад- (5)

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

х2^[кшк [ЯсЛ^сЛ - АЛ))-

где - количество мин в линиях поля (или количество столбцов поля); И - количество линий поля; Кмж{<$с-3ь 'ЛЛ • • -Ч, '<.• АЛ) направление от мины № 1 с координатами 1, ДД в ¿-й линии поля к мине № п с координатами АЛ в -й линии поля, определенное методом наименьших квадратов, град.; ■ СКО генерального курса:

ЖО _ К3 = ЯКО (к^, град.,

где ,ЧК0(К!;) - СКО генерального курса, определенное методом наименьших квадратов, град.;

M.G. Voitovich, V.R. Shpikerman. Mine field localization algorithm for efficiency increase of mine-fighting control systems

■ длина поля: L = \/hx

м, (6)

где (£с 1, Ос \ ... Ос_п) - дистанция от мины № 1 с координатами 1, £>с_1 в /-й линии поля до мины с координатами

тВс ив-й линии поля, м;

■ средний интервал постановки мин в поле по длине:

с!Ь = Ь/(п-1), м,

где п - количество мин в линии поля;

■ ширина поля:

Н = 1/ пх

xY(Dist(sc_\nDc_\a...Sc_hnDc_h1 )),

м, (7)

где ВСЛ[, Ос-\п ... - дистанция от

мины № 1 с координатами £с_1, Д._1 в /-м столбце поля к мине № к с координатами £)с_/г в /-м столбце поля, м; ■ средний интервал постановки мин в поле по ширине:

dH = H/(h- 1), м?

(8)

где к - количество мин в столбце поля. Схема маневра носителя в процессе локализации минного поля изображена на рис. 4.

Алгоритм локализации мин в случае их произвольной постановки

В случае, когда мины выставлены в произвольном порядке, носитель должен совершить следующую совокупность действий:

а) Огибание обнаруженных и классифицированных мин в соответствии с п. 2.1 (вправо циркуляцией на 90°).

б) Определение координат обнаруженных мин.

в) В случае отсутствия определенной пространственной зависимости в постановке мин (линия или поле) результатом обнаружения будет являться только совокупность координат обнаруженных мин и массивы их выделенных классификационных признаков.

Схема маневра носителя в процессе локализации произвольной постановки мин представлена на рис. 5.

Рис. 4. Схема маневра носителя в процессе

локализации минного поля

Fig. 4. Localization maneuver for a mine field

Рис. 5. Схема маневра носителя в процессе локализации произвольной постановки мин

Fig. 5. Localization maneuver for a mined area with arbitrary mine locations

Оценка повышения эффективности в случае реализации указанных алгоритмов в системе управления противоминными поисковыми действиями

Estimated advantages of suggested algorithms for mine-searching control systems

Основными показателями эффективности процесса поиска мин являются их продолжительность и вероятность правильного обнаружения мин.

М.Г. Войтович, В.Р. Шпикерман. Алгоритм локализации

минных постановок для систем управления противоминными действиями как метод повышения их эффективности

а)

Û

б)

г >

1 t • •

% • 1 •

1 « * ч

Û

Рис. 6. Организация поиска мин:

a) без использования алгоритма локализации минных постановок; б) с использованием алгоритма локализации минных постановок

Fig. 6. Organization of the search for mines: a) without using the algorithm for the localization of mine installations;

b) using the algorithm for localizing mine installations

Для оценки сокращения продолжительности ведения поисковых действий рассмотрим пример поиска мин, равномерно распределенных на расстоянии 2 км друг от друга в районе размером 20x20 км (рис. 6). Поиск в данном случае организуется параллельными галсами, количество которых вычисляется с учетом дальности обнаружения ГАС (в данном примере расчета примем эту величину равной 2 км) [3, 4].

Нетрудно подсчитать, что при такой организации поиска длина пути, пройденного носителем, будет составлять порядка 251,4 км, а при использовании алгоритма данная величина составит приблизительно 80 км. При поисковой скорости носителя 6 уз затраты времени на ведение поисковых действий, соответственно, уменьшаются более чем в три раза.

Рассмотрим влияние применения разработанных алгоритмов на показатель вероятности обнаружения целей. Как известно, вероятность обнаружения мин за время t поиска в районе определяется следующим выражением [2, 3]:

P{t) = PB{t)-P0-PK,(9)

где PB(t) - вероятность вхождения мины в зону обнаружения средства миноискания (вероятность тактического контакта); Р0 - вероятность обнаружения сигнала от мины в пределах зоны обнаружения средства миноискания (вероятность приборного контакта); Рк - вероятность правильной классификации обнаруженного сигнала от мины. Определяется наличием и качеством классификационных признаков и алгоритмов для их анализа.

Внедрение алгоритмов локализации минных постановок позволит повысить этот показатель за счет следующих мер:

■ повышение вероятности вхождения мины в зону обнаружения средства и вероятности обнаружения сигнала от мины за счет прогнозирования нахождения мин в постановке;

■ повышение вероятности правильной классификации цели за счет непрерывного сбора классификационных признаков мины в период ее огибания;

■ снижение времени определения границ за счет формализации действий.

Выводы

findings

Описаны новые алгоритмы локализации (определения формы и границ) минных постановок для систем управления противоминными действиями.

Реализация этих алгоритмов в системах управления противоминными действиями позволит сократить время ведения противоминных действий и повысить эффективность обнаружения и правильной классификации мин и минных постановок.

Библиографический список

1. Илларионов Г.Ю., Сиденко КС., Сидоренков В.В. Подводные роботы в минной войне. Калининград: ОАО «Янтарный сказ», 2008. 116 с.

2. Богородский A.B., Островский Д.Б. Гидроакустические навигационные и поисково-обследовательские средства. СПб.: Издательство СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2009. 244с.

3. Волгин Н.С., Махров И.В., Юровский В.А. Исследование операций. Аналитические методы моделирования действий сил флота. Ч. I. JI.:, Типография BMA, 1978. 398 с.

4. Горбунов В.А. Эффективность обнаружения целей. М.: Воениздат, 1979. 160 с.

References

1. G. Illarionov, К. Sidenko, V. Sidorenkov. Underwater robots in mine warfare. Kaliningrad, JSC Yantarny skaz, 2008, 116 pp. (in Russian).

2. A. Bogorodsky, D. Ostrovsky. Sonars for navigation and area survey. St. Petersburg State Electrotechnical University, 2009, 244 pp. {in Russian).

3. N. Volgin, N. Makhrov, V. Yurovsky. Operation analysis. Analytical simulation methods for naval operations. Part I. Teningrad, N.G. Kuznetsov Naval Academy, 1978, 398 pp. {in Russian).

M,G. Voitovich, V,R. Shpikerman, Mine field localization algorithm for efficiency increase of mine-fighting control systems

4. V. Gorburiov. Target detection efficiency. Moscow, Звезды, 31. Тел.: +7 812 465-35-46. E-mail: vunc-vmf-Voenizdat, 1979,160 pp. {inRussian). 4fil(a!mil.ru.

Сведения об авторах

Шпикерман Виталий Рудольфович, к.т.н., старший научный сотрудник АО «Акустический институт имени академика Н.Н.Андреева». Адрес: 117036, Россия, Москва, ул. Шверника, 4. Тел,:: +7 921 558-56-78. E-mail: sks-terraMjfflail.ru.

Войтович Марина Геннадьевна, адъюнкт ВУНЦ ВМФ «Военно-морская академия». Адрес: 196604, Россия, Санкт-Петербург, г. Пушкин, ул. Красной

About the authors

Shpikerman,. Yitaly i?., Cand. Sci. (Eng), Senior Researcher, JSC Andreyev Acoustics Institute, address: 4, Shvernika St., Moscow, Russia, post code 117036, tel.: +7 921 558-56-78. E-mail: sks-terra(a)mail.ru.

Voitovich, Marina G., Adjunct, N.G. Kuznetsov Naval Academy, address: 31, Krasnoy Zvezdy st., Pushkin, St. Petersburg, Russia, post code 196604, tel.:: +7 812 465-35-46. E-mail: vunc-vmf-4fil@mil.ru.

MINE FIELD LOCALIZATION ALGORITHM FOR EFFICIENCY INCREASE OF MINE-FIGHTING CONTROL SYSTEMS

Текст научной работы на тему «Алгоритм локализации минных постановок для систем управления противоминными действиями как метод повышения их эффективности»