CC BY
7
УДК 623.746-519:534.2
Дослщження можливостей звуколокаци БпЛА у завданнях мошторингу терористичних загроз
Орлов В. В., Лисий М. /., Ciвак В. А., Купргснко Д. А., Кульчицький В. М., Добровольський A.B.
Нацншальиа акадоьия Державно! ирикордошкн службы Укра'ши ¡м. Богдана Хмолышцького
E-mail: dob.andrcy&grnaiL com
Стаття присвячепа досл1джепшо систем звуколокаци безшлотпих лиалышх апаратав для мошторингу терористичпих загроз, як! е захищепими в!д засоб!в радюелектрошю! боротьби. В робот! запропоповапо звуколоцишу систему щодо виявлеппя рухомпх об'ектав. яка побудовапа за допомогою мереж! датчн-к!в. що розмщеш в простор!. Основною в1дмп1шстю в!д 1спуючих звуколокациших систем е визпачеппя часово! затримки не за взаемпою кореляцишою фупкщею, а за взаемпою фупкц1ею певнзпачепоста сигпал1в м!ж датчиками. Одиак застосуваш1я методу взаемпо! фупкцп певнзпачепост! обмежеио лише визпачеппям характеристик для одпоцгльово! ситуаци, тобто пеможливо оцшити коордииати у вииадку двох цглей. i в1дпов1дпо. у багатоцгльовш ситуацп, при атац! велико! шлькост! безшлотпих л!таль-пих апаратав. Також icnye обчислювальпа складшсть обробки широкосмугових сигпал1в у часовш. спектральшй та допплер1вськш областях. Якщо для перухомих цглей досить обробки в спектралыго-часовш облает! па основ! швидкого перетвореппя Фур'е. то для рухомпх цглей потр!бпа додаткова багатокапальпа обробка в облает! допплер1вських частот. Так як число допплер1вських капал!в по-р1впяппе з розм!ром виб!рки. то обчислювальш витрати суттево зростають. па шлька порядив. тому для роботи системи звуколокаци в реальному час! доцгльпа розробка програмпого забезпечеппя 1з застосувашшм паралелыюго програмуваппя. б!блютекп Орешпр. в!деокарти з векторпою та матри-чпою обробкою дапих. GPU NVIDIA па основ! технологи CUDA. Це дозволить прискорити викопаппя операцш приблизпо в 30 раз!в та забезпечити реал!зацпо систем па портативпих комп'ютерах. Проведений апал!з системи звуколокаци показав потепциип можливост! внзпачешш координат безшлотпих л!талышх апаратав та шших рухомпх об'ектв у тривим1рпому простор! з точшетю, достатпьою для подальшого супроводу цглей засобами в!зуалыюго спостережеппя.
Ключоег слова: рухомий об'ект: безшлотпий л1талышй апарат: звуколокац!я: часова затримка: доппле-р!вська частота: швидке перетвореппя Фур'е
DOI: 10.20535/RADAP.2019.78.24-32
Вступ
На сьогодш спостерЬаеться стр1мке зростання терористичних загроз 1з застосувашшм безшлотпих «шталышх аиарапв (БпЛА). а також використан-ня 1х як засоГяв для транспортування контрабанды. При цьому висока маневрешеть. мала помтисть та невелиш габарити БпЛА породжують проблему 1х оперативного внявлення. Це в свою чергу внмагас вдосконалення р1зномаштних дистанцшних засоб1в мошторингу рухомих об'ектв (РО). Так. напри-клад. низька ефектившеть внявлення малых БпЛА радюлокащйшгаи станщями. зумовлена малою в1д-биваючем поверхнею та ннзькою висотою польоту. Засобн ввдеоконтролю також малоефективш внасль док змши ирозоросп атмосферн. неповнотн даннх щодо напрямку. висоти та часу появн БпЛА.
У публшащях [1 3] детально дослщжено записи акустичних сигнал1в. визиачеиия спектралышх характеристик ряду одиогвиитових 1 багатогвинто-
вих БпЛА: дрошв вертолтгого й лиакового типу, з електродвнгуном та двнгуном внутршнього зго-ряння. Показан! принципов! можливосп побудовн систем розшзнавання на ocuoBi параметр1в сиектр1в сигнал1в. що вщображають особливосп конкретннх лиалышх аиарапв. Однак. не наведено кшьшених характеристик ефективносп розшзнавання.
На сьогодш у Збройних силах Укра'ши застосо-вуються Biic0K0T04iii засоби розввдки. яш иризначе-iii для визначення координат ciiafinepiB та вогневих позищй артилерй'. Наириклад. автоматизован1 зву-кометричш комилекси АЗК-5 «Тембр». АЗК-7 «Мезотрон» (яш прийнято на озброяшя у 80-х роках), а також бшын досконалий розв1дувалышй автомати-зований звукометричний комплекс «Положення-2» (ирийнятий на озброяшя у 2013 р.) [4].
Розробка та удосконалення звуколокащйних па-сивних систем, що с захищепими вщ засоб1в рад1о-електронно1 боротьби. с персиективним напрямом. а потреба у дослщженш иотенщйннх можлнвостей
звуколокацшних систем для визначення координат БпЛА (або iiimoro РО). як джерел звукових си-гнал1в у тривтпрному просторь обумовило моту роботи.
1 Результати досладження
Функщональну схему запропоновано1 звуколо-кацпшсм системи виявлення РО представлено па рис. 1. Бона забезпечить мошторинг зони контролю з метою виявлоння окремих порушень. а також групових терористичних атак i3 застосуванням во-гневих засоб1в pi3iioro катбру, pi3inix TiiniB РО.
Мережа датчиив
""^ Розпiзнання
—V
1мпульси
CHannepiB Безперервнi сигнали
гаомат транспорту та БпЛА
О
Оцнка 2D Оцiнка 3D
координат координат
Данi для опти та РЕБ
У ВИГЛЯд1 СИСТОМИ ДВОХ ГШ0рбол1чНИХ piBIMIIb. що
складеш вщповщно до теореми Шфагора:
г 12 = Г1 - Г2 =
г34 = Гз - г4 =
(xi - х) + (yi - у) -
\J (Х2 - х)2 + {у2 - yf, \J(хз - xf + (уз - yf -\J(Х4 - х)2 + (у4 - у)2.
(1)
Мотоди обчислення координат за часовими за-тримками при розв'язку р1вняння (1) у звуколока-Щ1. за фазовими затримками у радк>пеленгащ1 широко вщом1 та систоматизоваш в [6.7] 1 в щй стати не дослвджуються. Основш помилки при розв'язку нолшишсм систоми р1внянь (1) пов'язаш 3 появою декшькох корешв р1внянь (неоднозначшсть визна-чення координат [8]) та похибками. що вносяться при оцпиованш часов их затримок [7]. У звуколо-кащ1 иорухомих джерол акустичиих хвиль оцшка т часово! затримки м1ж 1мпульсними сигналами (приблизно однаково! форми) визначаеться за час спостереження ввд ^ до t1 + ¿о сигнал1в 1з двох мшрофошв х^Ь), х2{Ъ) при обчисленш максимуму взаемно! кореляцшно! функпД К(т):
Рис. 1. Функциональна схема акустичнсм системи локащ!
Акустичш сигнали iMny-льсного та безперервно-го характеру надходять з моролй датчишв у при-CTpifi багатоканального введения даних. поим у комп'ютер через USB штерфейс. Подальша оброб-ка. що включас операнд! виявлення. розшзнавання РО за i'x акустичним полем (pi3iii види стрше-цькоТ зброТ. apTimepi'i. транспорту), визначення i'x координат зд1йсшоються в реальному чай. у рожи-Mi оновлення даних з перюдичшстю 1 сек. Даль за командою оператора. спосторкачам поредаються координата розтзнано!' цЫ для супроводу оптични-ми засобами спостереження та застосування засоб1в протидп (наприклад. радюслектронно!' боротьби з вузько направленою антоною для ураження БпЛА) [5].
Алгоритм i'x роботи засновало на розрахунках часових затримок iMny-льсних сигнал1в в1д иорухомих джорел випромпиовання. що надходять на датчики-мшрофони. що розносено у 2D-npocTopi.
Розв'язок piBiramra в докартових координатах на плопщш про мкце розташування джорела випро-мпиовання при вщомих координатах двох пар дат-чиив Xi,yi, i = 1, 2.., 4 визначаеться з вцщошення часових затримок r1j2, т3,4 кожно! з пар, i вщстаней ru г2, гз, г4 ввд точки випромшювання до датчишв Г12 = Г1 - Г2 = CTi,2, Г34 = гз - г4 = СТз,4, до с — швидк1сть поширення звуково! хвил1. Коорди-нати цш1 (х, у) описуються математичною моделлю
т = max R(t ),
т
Г ti+to
R(r ) =
Xi(t) ■ X2(t - т)dt.
(2)
Мал1 БпЛА випром1шоють безперервш звуков! сигнали внаслщок роботи гвштв. двигуиа \ иав1ть в1бращ1 корпусу. На датчики надходять сигнали з р1зними допплер1вськими частотами, що швидко мь няються п1д час польоту. заложно вщ положения цш1 й розм1щеиня датчик1в у тривим1рному просто-р1. У зв'язку з апрюрною новизначен1стю вщносно допплор1вських частот сигнал1в. що зн1маються з виход1в просторово рознесоних датчик1в. виника-ють ктотш труднощ1 визначення координат цш1 у тривим1рному простор!. 1снуюч1 акустичн1 системи неефективш при локащ! РО. так як но дозволяють визначати його координати в тривим1рному просто-
На сьогодшшнш час дояк1 публ1кащ1 висвилю-ють ряд застосувань 1з проведениям експериментав. ало но продставляють закшчених проокт1в з1 звуко-локащ! БпЛА й шшого транспорту, що рухаеться.
В робот1 [9] зазначено. що вщношення доппле-р1вськнх частот д на т 1 п м1крофонах,
що задаеться кутамн видимосп ат, ап БпЛА над площиною обр1ю для кожного м1крофону (рис. 2). швидкостями звуку с й ^^^^ БпЛА V, моментом часу Ь, визначаеться виразом:
9пт
с - | ■ cos(a„(t)) с - lv| ■ cos(am(t)).
(3)
ai(to+t)
Вщповщно до виразу (4) структурна схема блоку визначення часових затримок 1 координат цЬи може мати вигляд, зображений на рис. 3, де блоком визна-чаються оцшки часових затримок, що вщповщають максимальному значению Я.
Основною вщмшшстю вщ кнуючих звукометри-чних систем е визначення часовоТ затримки не за взаемною кореляцшною функщею, а за взаемною функщею невизначеноста сигнал1в м1ж датчиками.
Мережа датчиюв
R(gi,T )
М
R(g2,T ) А
Х
g,Т
R(gM,T )
Оцiн
Данi для оптики та РЕБ
Рис. 2. Виявлення БпЛА (1, 2, .... 7 - умовш номери датчшав-мпсрофошв)
При цьому, тривалкть накопичення виб1рки за час вщ Ь1 до Ь1 + Ь0 визначаеться маневрешстю та швидкктю БпЛА за умови, що допплер1вська частота не повинна суттево змшитися. Якщо змь на допплер1вськоТ частоти (через маневр цип) мае мкце, то в процеа накопичення виб1рки вщбувае-ться декорелящя при обчисленш взаемноТ функцп невизначеноста сигнал1в м1ж датчиками. Так як вщношення допплер1вських частот д невщомо, то необхщно проводити пошук максимуму в плогциш двох параметр1в:
т = max R(t, д), т,д
R(r,g) = Vg
xi(t) • X2(g(t - т))dt.
(4)
Приймаеться, що вщношення допплер1вських частот д не змшюеться за час спостереження ви-б1рки. Такий пщхщ розглянутий вггчизняними вче-ними для пеленгацп повиряного транспорту [10].
Зазначимо, що в радюлокащТ (де сигнал мае несучу частоту) часова затримка сигналу з невщомою допплер1вською частотою / визначаеться максимумом модуля виду:
т = max\R(t, f )|,
T,f
ptl +t 0
R(tJ)= Xi (t)* • x2(t - T)ej2*ftdt,
Jti
(5)
Рис. 3. Структурна схема блоку визначення часових затримок 1 координат цШ
Анал13 особливостей формування та обробки акустичних сигнал1в вщ БпЛА. Для побудови моделей сигнал1в та алгоритм1в Тх обробки важливо врахувати таке:
1. Безперервний випадковий процес, що е квазь стащонарним на окремих дшянках.
2. В основному сигнал мктить кшька гармошк, частоти яких безупинно змщаються через ефект Допплера при руа БпЛА.
3. Мають мкце спотворення сигнал1в на рознесе-них мшрофонах, що пов'язано з р1зними мкцевими умовами приймання.
На рис. 4 представлено епюри виб1рок вхщних сигнал1в 1 Тх спектр1в з двох мжрофошв (МФ), що рознесеш на 20 метр1в. Основна енерпя сигнал1в зосереджена на частотах до 1кГц (шум гвинтав), хоча мають мкце 1 гармошки високих частот, а та-кож шуму двигуна на високих частотах до 8 кГц. Деяш вщмшноста спектр1в (у другш гармошщ) об-умовлюються р1зними умовами приймання сигнал1в у просторово рознесених точках.
обчислення якого можливо i3 застосуванням рИс. 4. Епюри виб1рок вхщних сигнашв та i'x спек-швидкого перетворення Фур'е (ШПФ). TpiB з двох МФ, рознесених на 20 м
X Y Z
Т
V
z
Т
1
i
Тонка структура виб1рок з двох мжрофошв ш-сля фшьтру високочастотних шум1в 1з частотою зр1зу 2,5 кГц наведена на рис. 5, де показана змша форми снгнал1в (розшнрення та зсув спектр1в) через вщмшшсть по допплер1вськш частот.
Рис. 5. Виб1рки сигнал1в 1з двох мжрофошв теля фшьтру високочастотних шум1в
Необхуию визначити крок розмщення канал1в по допплер1вськш частот, що не приводить до к.то-тно1 похибки ощнюваиня часово1 затримки. Для цього розглянемо сигнали на виход1 допплер1вських канал1в, сусщшх максимум1в у площиш двох иара-метр1в (4).
На рис. 6 наведет епюри трьох перетишв вза-емно1 функцп невизначеноста (ВФН) за експери-ментальним даними виб1рки розм1ром N = 4096 Ьшульав на виход1 сусщшх допплер1вськнх канал1в: без зсуву по частота на д = 1 + 1/(2^) та д = 1 + 1/^.
Результатп анал1зу дозволяють стверджувати, що неузгоджешсть за д бшын шж на 1/2^ приводить до ктотного падшия головного шку, зсуву часово1 затримки, викривленню ВФН у вщповщно, до неможливоста ощнюваиня координат.
3 рис. 6 видно, що головний шк ВФН, яку отримано за двома експериментальними виб1рками, незначно перевершуе навколишш його б1чш шки. Це пов'язано з1 структурою спектру сигналу, що складаеться з невеликого числа низькочастотних гармонж, амшптуда яких суттево впливае на форму ВФН.
Розглянемо вплив шум1в на спотворення ВФН. На рис. представлено перетини ВФН Я(т) у вщсу-тноста зсуву допплер1всько1 частоты при вщношенш сигнал/шум 10 раз1в (червона лшя) 1 сигнал/шум 0,5 рази (синя лшя). Результаты анал1зу дозволяють стверджувати, що максимум ВФН незначно вщр1зняеться рлд сусщшх б1чних тюв.
Рис. 6. Епюри трьох перетишв взаемно!' функцп невизначеиоста
Рис. 7. Перетин ВФН у вщсутиоста зсуву допплер1в-сько1 частоты
При цьому, в умовах приймаиня слабкого сигналу вплив шум1в суттево позначаеться на спотворе-ннях вершини головного тку. Це може призводити не тшьки до збшынения помилки при ощнюванш часово1 затримки, але й до грубо!' помилки иеодно-зиачноста через неиравильне прийняття б1чного шку за головний вщповщно, виявлення хибно! цип.
Обчислеххххя часовох затримки за виразом (4) пов'язаххе з штотпим зростаииям обчислюва/хыхих витрат, скоротити яю важко, тому що в1дсутш сфсктивхп мстоди використаиия ШПФ для ВФН широкосмугового сигпа/ху. Хоча в публжащях зу-стр1чаються тсорсти 41д можливоста використаиия ШПФ п пос.ШДуЮ4010 редушлдею сисктру виб1рки та скорочеппя обчислепь при иошуку максимуму ВФН, одиак при цьому не досшджепо вилив по-гршиостой аироксимацп фази, що вииикають при стискапш (розширешп) спектру.
Важливо в1дзпачити такий иодолж и1дходу оць шования координат на основ! обчислеппя ВФН широкосмугового сигналу в бах^атодихьовш ситуацп: неможливо оцшити координати у випадку двох 1 бихьше дихей. Так, у випадку двох дихей, поедпаххпя двох безнерервних сигпашв на кожному вход1 мь крофоп1в породжуе на виход1 блоку оцшки часовох затримки (схема па рис. 3) сумпн Ь 4-х ВФН п б!чпими пелюстками, що пор1впюються з амплггу-дами головпих шшв (рис. 8).
алгоритму в реальному 4aci випикае пеобхЦпють п1двищеппя виробпичох потужпоста апаратпо! ча-стипи обчис.шовач1в з метою пара/хелыхох обробки дапих, що викопуються па ociiobí спецпроцесор1в з можливостями пара/хелыхох корелядшпох обробки, застосуваппя програмпих засоб1в роботи з в1деокар-тами GPU, техполопею CUDA i т.п. [11].
У зв'язку Í3 дим, представляеться перспектив-пим застосуваппя сукуппоста квазюптима/хыхих пе-лепгадшпих а/хгоритм1в па ociiobí мотсццв адаптив-пих аптеппих решггок з MIMO [12], з урахуваппям вимог до норм систем БпЛА [13]. При дьому вииикають додатков1 об4ис.шова/1ып задачу зокрема, хходиху ансамблю од1пок затримок за па/хежхпетю до u,ijii, з пос.шдую4им i'x ототожпеппям мЬк парами датчиюв.
Дамо також од1пку меж зопи контролю дихей в ЗБ-коордипатах. Для визпа4еппя меж зопи контролю повггряпого простору noTpi6no визпа4ити спотвореппя ВФН, що зумовлеш шумом i атмосфер-пими завадами. При моде./хювапп1 застосовува/хося адитивпе додаваххпя пскорельоваххого гаусовського шуму в експеримепта/хыху виб1рку. Ешори вх1дпих виб1рок при сп1вв1дпошепп1 сихмха/х/шум, що до-piBixioe 3 i 0,5 в1д1хов1дпо, паведеп1 па рис. 9. На рис. 10, 11 паведеш в1зуашзадп траекторп' руху БпЛА (в ЗБ-npocTopi, полярпш систем! координат
i bhcotomípa).
№ допл. канапуд -юоо --т 1у часова затримка I
Рис. 8. Сум1ш п 4-х ВФН Ь б1чпими пелюстками
Випикае пеодпозпачпшть визпа4еппя тимчасо-вих затримок, що породжуеться мпожипою таких шшв, що в свою 4сргу пе дозволяе достов1рпо ви-явити максиму ми кожпох п ВФН, а потам провести ототожпеппя шюв кожпох цип \иж кахха/хами оць шоваххпя затримок. У зв'язку Ь дим, застосуваххпя методу ВФН обмежепе лише визпа4еппям потеп-дшпо досяжпих характеристик систем звуколокадГх для одподихьовох ситуадп.
В1дзпачимо також високу обчислюва/хыху скла-дшеть обробки широкосмугових сигпашв у часовш, спектр а/хыхш та допплер1вськш областях. Якщо для перухомих дихей досить обробки в спектра/хыхо-часовш областа па оспов1 ШПФ, то для рухомих дихей ххотр1бхха додаткова багатокахха/хыха обробка в областа допплер1вських частот. Оскихьки число допплер1вських каххашв пор1впяппе з розм1ром ви-б1рки, то обчис.шова/хых1 витрати суттево зростають (хха кихька ххорядюв). При реашзадп зашачеххохх)
Рис. 9. Ешори вх1дпих виб1рок сигпа/ху
Рис. 10. ВФН i iú'iya:ii'iaii.ÍM траекторп руху БххЛА в ЗБ-коордиххатах
20-,--""'
16..---' 10 - ' '
б..--"''
0-1---'" 40
о о
-20 -50 "24
Рис. 11. ВФН 1 воуалоащя траектор11 руху БпЛА в поляршй систем! координат 1 висотом1ра
Рух цЫ проводився з1 швидшстю 15 м/с по иря-мШ лпш X [-40: 40]. V 20 метр1в в1д центру ренп-тки датчишв на виссш 10 метр1в. Анал1з показав, що при сшввщношонш сигнал/шум, що дор1вшое 3. величина середньоквадратичного вщхилення (СКВ) оцшки визначення координат не перевищус 1 метра. 31 змоншонням сшввщношення сигнал/шум менше одинищ. СКВ зростае до 4 мотр1в 1 мають мкце хибш ц1т (через спотвороння шшв ВФН 1. внаслщок цього. переплутування б1чного й головного шшв). що призводить до штотних похибок визначення координат.
Визначоння конкретних розм1р1в зони контролю ввд сшввщношоння сигнал/шум. на нашу думку, складно практично реал1зувати через штотну за-лежшеть ослабления сигналу вщ погодних умов та часу доби. Так як вщеутш результати випро-бувань аналопчних систем при проводонш даного експерименту. то иор1внялышй анал1з ефективносп виявлення БпЛА пропонусться проводити 1з гру-пою учаснишв експерименту. що не мають дефекту-слуху. При цьому враховуеться факт, що дистанщя виявлеиня сигналу людським вухом середньо! чу-тливосп с в кшька раз1в меншою в пор1внянш з ди-станщяо виявлення сигналу датчиком-мшрофоном. Дослщження проводилися на стондь який призна-чений для установки на поросувний транспорт 1 мштить 5 хйкрофошв, що розташоваш по кутам квадрату та його центру (сторона квадрату становить 3 м). Встановлоно. що в донний час доби у вщкритому простор1 та бозвиряну погоду людина чуе малий БпЛА з електродвигуном на вщеташ до 50 метр1в. а звуколокащйна система до 200 метр1в. У шчний час доби далыисть достов1рно1 локащ! збшынуеться в кшька раз1в.
Для проведения ф1зичних окспоримонтав розро-блено стенд нашвнатурного модолювання з можли-вштю 16-канального запису 12-розрядних сигнал1в при частот! дискретизащ! до 44 кГц. Створено про-грами моделювання систем мошториигу для виявлення й визначення координат цшей на основ1
запийв ф1зичних сксперименпв. Програмне забез-печення призначоно для вибору коифкуращ! датчи-шв системи залежно в1д вимог. пропонованих до розхпру зони контролю й точноста визначення координат. Встановлоно. що для контрольовансм зони 500 м СКВ оцшки визначення координат рухомого джерола звуку може досягати до 10 мотр1в. Змша дальносп призводить ириблизио до пропорцпшем змши СКВ оцшки. Практично цього достатньо для подальшого суироводу ц1т засобами вщеомошто-рингу. Похибки у координатах нерухомих джорел. що оцшюються за виразом (1). ириблизио в 2 рази меннп у пор1внянш з рухомими.
Щлм малорозм1рних та малошумних джорел. таких як БпЛА. дослщжувались тииов1 ситуащ! торористичиих загроз. до виникають сигнали вщ великих лиалышх аиаратав. пострЫв снайпер1в та гармат [4]. Так для мошториигу торористичиих атак проведено модолювання багатоцшьово1 ситуа-Щ1. По об'екту, що охороняеться. наноситься пострш з1 збро! великого катбру, поим щхмптае верто-ли для висадки десанту. дал1 десант просуваеться до об'екту 1з застосуванням стршецько1 збро!. На рис. 12 представлен! результати моделювання системи звуколокащ! безперервних 1 1мпульсних джорел сигнал1в, до позначоно: червоними лпиями та точками розташування 5 датчишв-мшрофошв: сишми точками траектор1я руху вортольоту на вщеташ 90 мотр1в ввд датчишв: золеними пострши стрь лецько! збро'к чорвона з1рка пострш великого катбру.
юс
О -50
Рис. 12. Моделювання системи звуколокащ! безперервних 1 1мпульсних джерол сигнал1в
1з модольоваио1 траектор11 руху вортольоту мо-жиа помиити, що похибка визначоння координат габаритного РО з великими гвинтами, що рухаеться (розиодшеного в простор! джорела звуку), можо досягати до 10 метр1в. Однак. тако! точиост1 достатньо для подальшого суироводу цып засобами вщоомо-шторингу. Похибки координат нерухомих джерол 1мпульсних сигнал1в приблизио у два рази меннп. Зелена крапка вгор1 праворуч похибка неоднозначного визначення координат, що пов'язана з
особливостями поеднання сигнал1в у багатоцшьов1й ситуащ!.
Висновки
Проведений у статта анал1з дозволив встанови-ти nepcneKTiiBiiicTb розвитку алгоритм1в цифрово! обробки акустичиих сигнал1в для виявлеиия РО, зокрома, БпЛА. При цьому запропонований проект мае проводитися в наступних иапрямках:
1. Розшзнавання клаав РО на основ! ввдмшно-стей у параметрах споктр1в.
2. Удосконалення алгоритм1в для багатоцшьово! ситуащ!.
3. Фшьтращя сигнал1в ввд ношформативних джерел звуков их хвиль.
Для роботи системи звуколокащ! в реальному naci доцшыго розробити програмне забезпечення i3 застосуванням иаралельного ирограмування. 6i-блютоки Opoririip. ввдеокарти з векторного та матричного обробкою даних. GPU NVIDIA на ocuoBi технолог!! CUDA. Це дозволить прискорити вико-нання опоращй приблизно в 30 раз1в та забозпочити роал1защю систем на портативних коми'готерах.
Результати моделювання системи звуколокащ! дозволили встановити иотонцшш можливосп визначення БпЛА та iiiHiiix РО у ЗБ-координатах з точш-стю. достатньою для подальшого супроводу цшей засобами в1зуалыгого спостереження та протида.
Перелж посилань
1. Даиик Ю.Г. АиаЛз ефективиост! виявлення такти-ЧШ1Х безшлотиих лггалышх аиараЛв иасивиими та активиими засобами сиостережеиия / Ю.Г. Даиик, М.В. Вугайов // 36ipuuK иаукових ираць И<.В1 ДУТ. ■2015. Вии. 10. С. 5-20.
"2. Самохии В. Ф. Экспериментальное исследование источников шумиости беспилотного летательного аппарата с виито-кольцевым движителем в толкающей комио-иовке / В. Ф. Самохии, С. 11. Остроухов, 11. Л. Мошкой // Электронный журнал «Труды МЛ11». 2013. Выи. №70. С. 1-24.
3. Sinibaldi G. Experimental analysis on the noise of propellers for small UAV / G. Sinibaldi, L. Marino // Applied Acoustics. 2013. Vol. 74, Iss. 1. pp. 79-88.
4. Украшське РЛЗК «11оложеиия-2» електрои-ui «вуха» для артилерист1в. Режим доступу: http://uprom.info/news/ukrayinski-elektronni-vuha-dlya-artileristiv/
5. Корольов Р.В. Аиа,\из сучасиих 3aco6iB зишцеиия безшлотиих лггалышх аиараттв / Р.В. Корольов, Н.О. Королюк, О.В. Петров, К.В. Сюлев // ЗГнриик иаукових ираць Харювського uauioua.;ibuoi'o уи1верситету Повггряиих Сил. 2017. № 4(53). с. 17-21.
6. Кирсанов Э.Л. Обработка информации в иростраиствеиио-расиределеииых системах радиомо-ииториш'а. Статистический и иейросетевой подходы / Э.Л. Кирсанов, Л.Л. Сирота. М. : ФИЗМЛТЛИТ, 2012. 344 с.
7. Лаитвойт О.В. Лиалы метод!в i розробка uoboi'o те-xui4uoi'o pimoiiiin визиачеиия м1сцеиоложеиия об'екта иасивиими засобами локацп / О.В. Лаитвойт, М.1. Лисий, 1.М. Плосконос // Системи озброеиия та BiflcbKOBa техшка. 2010. Вии. 1 (21). С. 170-174.
8. Гурмаи 1.В. Розробка методу змеишеиия иеодиозиа-чиост! визиачеиия координат иаземиих об:ект!в триио-3uuifluoio иасивиою системою радштехшчиого контролю / 1.В. Гурмаи, М.1. Лисий, В.В. Орлов // BicuuK nauioua;ibuoi'o тохшчиого yiiiuopcuTOTV Украши "Ku-Твський uo.;iiTexui4uufl ¡иститут". Copin Рад1отехи1ка. Рад1оаиаратобудуваиия. 2013. № 52. С. 23-29.
9. Martin S. R. Aircraft localization using a passive acoustic method. Experimental test / S. R. Martin et al. // Aerospace Science and Technology. 2016. Vol. 48. p. 246-253.
10. Saratsyn R. Determination of aircraft current location on the basis of its acoustic noise / R. Saratsyn, F. Yanovsky, E. Chervoniak, O. Zaporozhets // Telecommunications and Radioengineering. 2015. Vol. 74 (5). p. 397-408.
11. Gembris D. Correlation analysis on GPU systems using NVlDL'Vs CUDA / D. Gembris, M. Neeb, M. Gipp, A. Kugel, R. Ma"nner // Journal of Real-Time Image Processing. 2011. Vol. 6, No 4. p. 275-280.
12. Yamamoto M. Localization of multiple environmental sound sources by music method with weighted histogram / M. Yamamoto, Yo. Tatekura // Inter-noise 2014. p. 1-9.
13. STANAG 4671 Ed: 1. UAV SYSTEM AIRWORTHINESS REQUIREMENTS (USAR). URL: http://m. dror-aero.com/link/usar_edition_l.pdf
References
[1] Danyk Yu.H. and Buhaiov M.V. (2015) Analysis of the elfectiveness of tactical unmanned aerial vehicles detection by passive and active means of observation. Problemy stvorennia, vyprobuvaimia, zasl.osuvannia l.a ekspluatatsii skladnykh mfonnatsimykli system, Iss. 10, pp. 5-20.
[2] Samokhin V. F„ Ostrouhov S. P. and Moshkov P. A. (2013) Experimental Research of Pilotless Vehicle Noise Sources with a Pusher Ducted Propeller. 'Ihidy MAI, 2013, No 70, pp. 1-24.
[3] Sinibaldi G. and Marino L. (2013) Experimental analysis on the noise of propellers for small UAV. Applied Acoustics, Vol. 74, Iss. 1, pp. 79-88. DOl: 10.1016/j.apacoust.2012.06.011
[4] Ukrainian reconnaissance automated sound ranging system «Polozhennia-2» electronic "ears" for artillerists. Available at: https://uprom.info/news/ ukrayinski-elektronni-vuha-dlya-artileristiv/
[5] Korolev R. , Koroluk N.. Petrov O. and Sulev K. (2017) Analysis of modern means of destruction of unbeiled Hying apparatuses, Zbirnyk naukovykh prats Kharkiuskolio universytetu Pouitrianykh Syl, No 4 (53), pp. 17-21.
[6] Kirsanov E.A. and Sirota A.A. (2012) Obrabotka iiiformatsii v prostraiistueimo-raspredeleimykli sistemakh radiomonitoringa. Statisticheskii i neiroseteuoi podkhody [Information processing in spatially distributed radio monitoring systems. Statistical and neural network approaches], Moskow, Fizmatlit, 344 p.
[7] Lantvoit O.B., Lysyi M.l. and Ploskonos l.M. ('2010) The analysis of methods and development of the new technical decision of deiinition of a site of object by passive means of a location, Systemy ozbroiennia i viiskova tekhnika, No 1 (21), pp. 170-174.
[8] Gurman 1. V'., Lysyu N. 1. and Orlov V. V. (2013) Development of ambiguity reducing method for determining of the ground objects coordinates by three-position passive radiocontrol system, Visnyk NTUU KP1 Seriia Radiotekhnika Radioaparatobuduuannia, Iss. 52, pp. 74-83. doi: 10.20535/RADAP.2013.52.74-83.
[9] Martin S.R., Genesca M„ Romeu .1. and Clot A. (2016) Aircraft localization using a passive acoustic method. Experimental test. Aerospace Science and Technology, Vol. 48, pp. 246-253. DOI: 10.1016/j.ast.2015.11.023
[10] Sinitsyn R.B., Yanovsky F..J., Chervoniak E. and Zaporozhets O. (2015) Determination of aircraft current location on the basis of its acoustic noise. Telecommunications and Radio Engineering, Vol. 74, Iss. 5, pp. 397-408. DOI: 10.1615/telecomradeng.v74.¡5.30
[11] Gembris D., Neeb M., Gipp M., Kugel A. and Manner R. (2011) Correlation analysis on GPU systems using NV1-DL'Vs CUDA. .Journal of Real-Time Image Processing, Vol. 6, Iss. 4, pp. 275-280. DOI: 10.1007/sll554-010-0162-9
[12] Yamamoto M. and Tatekura Yo. (2014) Localization of multiple environmental sound sources by music method with weighted histogram. Inter-noise 201-{-. p. 1-9.
[13] STAN AG 4671 Ed: 1. UAV SYSTEM AIRWORTHINESS REQUIREMENTS (USAR) (Requirements to airworthiness systems of unmanned aerial vehicles). URL: http: //www.dror-aero.com/link/usar_edition_l.pdf
Исследование возможностей звуколо-кации БпЛА в задачах мониторинга террористических угроз
Орлов В. В., Лысый Н. И., Сивак В. А., Куприенко Д. А., Кульчицкий В. М., Добровольский A.B.
Статья посвящена исследованию систем звуколока-ции беспилотных летательных аппаратов для мониторинга террористических угроз, которые являются защищенными от средств радиоэлектронной борьбы. В работе предложена звуколоциоппая система выявления подвижных объектов, которая построена с помощью датчиков, что размещены в пространстве. Основным отличием от существующих звуколокациоппых систем является определение временной задержки по за взаимной корреляционной функцией, а за взаимной функцией неопределенности сигналов между датчиками. Однако применение метода взаимной функции неопределенности ограниченно лишь определением характеристик для одпоцелевой ситуации, то есть невозможно оцепить координаты в случае двух целей, и соответственно, в многоцелевой ситуации, при атаке большого количества беспилотных летательных аппаратов. Также существует вычислительная сложность обработки широкополосных сигналов во временной, спектральной и допплеров-ской областях. Если для недвижимых целей достаточно
обработки в спектралыго-времешгой области па основе быстрого преобразования Фурье, то для движущихся целей нужна дополнительная многоканальная обработка в области допплеровских частот. Так как число допплеровских каналов сравнимо с размером выборки, то вычислительные затраты существенно возрастают, па несколько порядков, поэтому для работы системы звуколокации в реальном времени целесообразна разработка программного обеспечения с применением параллельного программирования, библиотеки Opeump, видеокарты с векторной и матричной обработкой данных. GPU NVIDIA па основе технологии CUDA. Это позволит ускорить выполнение операций приблизительно в 30 раз и обеспечить реализацию систем па портативных компьютерах. Проведенный анализ системы звуколокации показал потенциальные возможности определения координат беспилотных летательных аппаратов и других подвижных объектов в трехмерном просторапстве с точностью, достаточной для дальнейшего сопровождения целей средствами визуального наблюдения.
Ключевые слова: подвижный объект: беспилотный летательный аппарат: звуколокация: временная задержка: допплеровская частота: быстрое преобразование Фурье
Study of capabilities of unmanned aerial vehicle sound location in the tasks of the monitoring of terroristic threats
Orlov V. V., Lysyi M. I., Sivak V. A., Kuprienko D. A., Kulchytcskyi V. M., Dobrovolskyi A. B.
Introduction. The article is devoted to the research of sound location systems of unmanned aerial vehicles that are protected from means of radio electronic warfare for monitoring the terrorist threats. In the work the sound location system is proposed for detection of moving objects that, is made wit.li the help of a sensors network placed in space.
Research results. The main difference from the existing sound location systems is the determination of the time delay not by the mutual correlation function, but by the mutual function of the signals uncertainty between the sensors. However, the application of the method of the mutual function of uncertainty is limited only to the definition of characteristics for the one-purpose situation, it means it is impossible to estimate the coordinates in case of two targets, and accordingly, in the multi-purpose situation, during the attack of a large number of unmanned aerial vehicles. Also, there is a computational complexity of processing the broadband signals in time, spectral and Doppler spheres. If for fixed targets it's sufficient to process in the spectral-time sphere on the basis of a fast Fourier transform, then for mobile targets, additional multichannel processing of the Doppler frequencies is required. Since the number of Doppler channels is comparable to the size of the sample, that's why the computing costs increase substantially in several times, so for real-time sound system operation it is expedient to develop software with parallel programming, Openmp library, graphics card wit.li vector
and matrix data processing, GPU NVIDIA based on CUDA technology. This will accelerate the execution of operations approximately by 30 times and ensure the implementation of systems on laptops.
Conclusions. The conducted analysis of the sound location system showed the potential possibilities of determining the coordinates of unmanned aerial vehicles
and other moving objects in a three-dimensional space with an accuracy that is sufficient for further support of the targets by means of visual observation.
Key words: moving object; unmanned aerial vehicle; sound location; time delay; Doppler frequency; fast Fourier transform
