CC BY
311
ГРУППОВОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РОБОТОТЕХНИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ МИССИЙ НА ГЛОБАЛЬНЫХ УДАЛЕНИЯХ ОТ ПУНКТА УПРАВЛЕНИЯ
Будко Павел Александрович,
ПАО "Информационные телекоммуникационные технологии", Санкт-Петербург, Россия, budko62@mail.ru
Жуков Геннадий Анатольевич,
ПАО "Информационные телекоммуникационные технологии", Санкт-Петербург, Россия, intelteh@inteltech.ru
Ключевые слова: робототехнический комплекс, канал космической связи, декаметровая радиолиния, гидроакустическая связь, эффект Доплера.
Рассмотрены вопросы выбора методов и каналов управления робототехническими комплексами морского базирования, как связующего звена единого информационно-управляющего пространства различных физических сред. Предложено совместное использование радиолиний разных диапазонов волн, позволяющее обеспечить устойчивое доведение команд управления до робототехнических комплексов, находящихся как в надводном, так и в подводном (подледном) положении. Проанализированы возможности каналов космической, оптической (лазерной), гидроакустической и параметрической связи, а также дана сравнительная оценка каналов радиосвязи декаметровых и сверхдлинных волн по доведению информации до робототехнического комплекса, находящегося на глобальном удалении от пункта управления. Оценены возможности смешанных группировок робототехнических комплексов, действующих в разных средах (космос, воздух, вода) по повышению эффективности выполнения заданной миссии. Рассмотрены возможные методы информационного взаимодействия между подводными аппаратами и дана оценка максимальной дальности при обмене данными между глубокопогру-женными объектами по гидроакустическому каналу. Выявлены возникающие трудности в обосновании вариантов построения распределенных систем управления смешанными группами робототехнических комплексов, заключающиеся в невозможности обеспечения необходимой устойчивости каналов управления и взаимодействия в группе на границах физических сред, а также малыми дальностями в обеспечении гидроакустической связи. Дана сравнительная характеристика основных типов модемов гидроакустической связи отечественных и зарубежных производителей. Сформулированы предложения по дальнейшему увеличению дальности гидроакустической связи за счет снижения скорости передачи и применения гидроакустических модемов "параллельного типа". Приведены расчеты рационального числа робототехнических комплексов, действующих в группе. Сделан вывод о том, что существенное повышение эффективности действий смешанной робототехнической группировки достигается наряду с комплексным использованием разнородных каналов управления при нахождении робототехнических комплексов в различных средах, применением методов, основанных на современных технологиях программируемого радио с элементами когнитивных радиосистем, искусственного интеллекта и нейробионики при обработке принимаемой информации в ходе интенсивного информационного взаимодействии на основе общих баз данных распределенных систем.
Информация об авторах:
Будко Павел Александрович, главный научный сотрудник ПАО "Информационные телекоммуникационные технологии", д.т.н., профессор, Санкт-Петербург, Россия
Жуков Геннадий Анатольевич, ученый секретарь ПАО "Информационные телекоммуникационные технологии", к.т.н., доцент, Санкт-Петербург, Россия
Для цитирования:
Будко П.А., Жуков Г.А. Групповое использование робототехнических комплексов при выполнении миссий на глобальных удалениях от пункта управления // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. 2017. Том 11. №9. С. 4-14.
For citation:
Budko P.A., Zhukov G.A. (2017). Group use of robotic complexes when performing missions on global removals from control center. T-Comm, vol. 11, no.9, рр. 4-14. (in Russian)
Введение
Значительный технологический прогресс в области создания новых сверхпрочных материалов, малогабаритных энергоемких источников электропитания, нейрокомпьютеров, базовых элементов искусственного интеллекта позволяют в настоящее время создать автономные робототехннчеекие комплексы (РТК) широкого спектра применения [I При этом задачи, возлагаемые на П К. с каждым годом все более усложняются. И если на заре зарождения робототехники РТК был ориентирован на решение конкретной задачи (операции) в офисе, в цеху, на транспорте, в непосредственной близости от оператора, го сегодня на РТК возлагаются распределенные миссии, решаемые на глобальном удалении от объекта управления. Причем важность выполнения возлагаемых на РТК миссий зачастую требует от проектировщика обеспечить универсальность его функционирования в различных средах (на земле, в воздухе, под водой и в космосе), что само rio себе является сложнейшей задачей, либо разработки смешанной робототех-нической группировки, взаимодействующей в едином информацией но-управляющем пространстве (поле) (ЕИУП), что вполне достижимо уже сегодня, опираясь на принципы сете-центри ческою управления [2],
Исследования в указанных направлениях в настоящее время активно проводятся во многих ведущих странах мира. В частности в США в рамках программ, финансируемых DARPA, разрабатываются теоретические и практические основы создания мобильных робототехничееких группировок (РТГ), способных взаимодействовал. дру| с другом при выполнении сложных миссий, в том числе при решении тактических боевых и разведывательных задач £3]. При э том полагается, что создание смешанных РТГ, включающих в свой состав роботов, функционирующих в различных физических средах, позволит значительно повысить эффективность выполнения поставленных задач в ЕИУП.
Цель статьи: выбор методов и каналов управления смешанными робоготехническими группировками, обеспечивающих увеличение дальности взаимодействия в распределенных труппах, в различных средах функционирования.
1. Морские РТК как связующее звено ЕИУП всех физических сред
Анализ доступных библиографических источников в данной предметной области показывает^ что на фойе бурного развития беспилотных космических (БПКА). воздушных (ШЛА) и наземных аппаратов и роботов наименее освещенными являются смежные приложения РТК морского базирования (МБ) [ 1-4]. При этом именно на море могут быть в полной мере применимы смешанные робототехничеекне группировки с задачами освещения обстановки во всех средах (под водой, над водой. в воздухе, в космосе и на берегу) в рамках единого информации! шо-уп равля ¡üu те го поля. Но именно морская среда обладает енте не до конца изученными переменными параметрами, затрудняющими устойчивый обмен данными как на больших глубинах, так и на разделе двух сред ¡5],
К основному перечню задач, решаемых РТК МБ можно отнести:
измерение характеристик водной среды в различных точках водного пространства и на различных глубинах;
экологический мониторинг, в том числе наблюдение за изменением флоры и фауны в заданной акватории;
дон пая геологоразведка в труднодоступных районах мировою океана и в арктическом регионе, в том числе в подледном положении;
поиск затонувших объектов и их обследование; фото и видеосъемка в интересах МИР, промысловых и военных целях;
обслуживание коммуникаций портов; патрулирование водных рубежей и объект ов; подводное обследование корпусов судов, буровых платформ, гаю- и неф те трубопроводов и кабельных трасс различного назначения;
освещение прибрежной, над водной, подводной и воздушной обстановки в заданном водном районе;
установка радиомаяков на стационарные и мобильные подводные объекты;
обнаружение и уничтожение минных нолей; установка минных заграждений;
ведение информационной борьбы путем создания ложных целей и расстановки радио и гидроакустических помех; ведение противолодочной разведки и пр. 11-4). Расширение территориальных зон применения и усложнение задач, решаемых РТК в интересах гражданских и военных ведомств, потребовало разработки автономных интеллектуальных систем управления РТК МБ [6-8]. Так в работе [7| представлены положительные результаты моделирования и экспериментальной проверки метода яейросете-вого управления искусственным интеллектом, применительно к РТК. Реализация метода обеспечила возможность автоматического обхода автономным аппаратом препятствий с последующим возвращением на заданный маршрут.
2. Повышение эффективности выполнения миссии в группе РКТ
Дальнейшее повышение эффективности РТК МБ может быть достигнуто за счет их группового использования, а также взаимодействия в смешанной группе (по различным средам функционирования: подводные, надводные, воздушные, космические). Например, это позволит при проведении аварийно-спасательных работ или поиске затонувших объектов, представляющих опасность химического или радиоактивного заражения окружающей среды, резко сократить время указанных операций, а в случае охраны протяженного периметра водной границы или поиска движущеюся подводного объекта задействован не группы РТК МБ становится полностью оправданным [6-91.
При проведении как одиночных, так и групповых миссий РТК МБ независимо от наличия заложенной а них жесткой или интеллектуальной программы функционирования, необходимо обеспечение устойчивого взаимодействия комплекса с базовым пунктом управления (БНУ), а при групповой миссии также гарантированную надежность обмена данными между РТК группы. Потеря возможности управления РТК МБ с БПУ. или обмена информацией внутри труппы РТК, особенно при выполнении специальных задач, может привести как минимум, к потере РТК, а как максимум, к непредсказуемым последствиям.
Существенное повышение эффективности действий такой смешанной робототехиичсской группировки достигается наряду с комплексным использованием разнородных каналов управления при нахождении РТК в различных средах, приме-
пением методов, основанных на современных CRS н SDR-технологнях с элементами искусственного интеллекта и нейробионики при обработке принимаемой информации в ходе интенсивного информационного взаимодействии на основе общих баз данных и знаний распределенных систем.
3. Обмен данными с РТК в надводном положении
В настоящее время взаимодействие с РТК в надводном положении обеспечивается в основном, с использованием спутниковой системы связи, Wi-Fi и гидроакустической связи, а между РТК (или между Б1ГУ и РТК) по гидроакустическому каналу. Однако при этом задача по реализации устойчивого обмена данными с глобально удаленными РТК от БПУ не peine Fia в полной мере [3]. Рассмотрим возможные методы повышения вероятностно- времени ых характеристик информационного обмена с РТК МБ. находящимися в надводном положении. Этш режим относится к автономным управляемым кораблям (катерам) и к РТК в надводном положении.
3.1. Канет спутниковой со.язи
Безусловно, в этом случае основным видом связи следует считать спутниковый канал обмена данными. В настоящее время в рамках федеральной космической программы РФ до 2015 г. разработана я развертывается многофункциональная система персональной спутниковой связи (МСПСС) «Гонец-Д1М». Основные технические характеристики абонентского терминала этой системы приведены в таблице 1 с учетом материалов, представленных в [10].
Таблица 1
Диапазон частот. I Гц 0,3-0,4
Максимальная скорость передачи информации, кбит/с: бортовой комплекс -абонентский терминал; абонентский терминал -бортовой комплекс 76,8 9,6
Мощность абонентского передатчика, Вт 10
Объем Сообщения, передаваемого в сеансе связи, Кбайт до 20
Диаграмма направленности антенны абонентского комплекта веенаправленная (антенна не требует системы наведения н сопровождения е учетом траектории движения ¡космического аппарата)
Устойчивость к воздействию внешних факторов пониженное атмосферное давление, соляной туман, пыль, песок, пней, дождь. Для реализации дополнительных требований комплект размещается в специальном защищенном корпусе (включая антенную систему)
Основные режимы работы МСПСС «Гонец-ДМ1»: обмен сообщениями между аооцентами системы, находящимися в любой точке Земного шара; передача данных о местоположении абонентов, полученных с использованием системы ГЛОНАС; циркулярная передача сообщений группе пользователей
Напряжение электропитания, В 12
Минимальная масса абонентского комплекта, ю 0,4
Таким образом, малые массогабаришые показатели МСПСС «Гонец-ДМ 1» и низкое энергопотребление, а также его возможности по организации связи с абонентами, находящимися на глобальных расстояниях от БПУ, оправдывает его применимость в составе РТК на радиолиниях (РЛ) «берег-море-берег». Вместе с тем, в условиях сильного волнения моря (заливание водой антенны), при нахождении РТК в подледном положении, а также выхода из строя элементов в тракте спутниковой связи, эффективность её применения представляется проблематичной.
3.2. Сравнение каналов радиосвязи декаметровых и свердлинных волн
Учитывая возможность глобального перемещения РТК (в 2009 году экспериментальный глайдер США менее чем за 7,5 месяцев пересек Атлантический океан, преодолев при этом около 11,7 тыс. км |7|) в качестве резервной связи целесообразно использовать РЛ декаметровых (ДКМ) и сверхдлинных волн (СДВ), обеспечивающие возможность доведения информации в дальнюю морскую и океанскую зоны. При этом для выбора энергетики РЛ, помимо параметров антенн о-фидерных подсистем (АФГ1С) передатчика (и приемника) и эффекта вн ости с и г п а л ь н о - ко дов ых конструкций передаваемых сообщении, необходимо учитывать как характеристики среды РРВ, так и воздействие атмосферных шумов и помех естественного и искусственного характера.
На рисунке I представлена в графическом виде область, в которой с вероятностью Р > 0.9е) находятся коэффициенты внешнего шума FM Доя СДВ - ДКМ диапазонов частот. При этом среднеквадратичное значение напряженности поля шумов в децибелах (относительно мкВ/м) определяется выражением
[11]:
£•„ = ^+20 log/: + ю log &/:- 95.5 , (1)
где = 10 logfc Д-Г ); P"'~ мощность атмосферных шумов в
полосе сигнала (Ватт); ширина полосы принимаемого сигнала (Гц);/с— «несущая» частота сигнала (МГц); к - постоянная Бодьцмана; ТЛ - эталонная температура (240" К).
На рисунке 2 приведены графики зависимости уровня £*,, для различных значении Afc и рассчитанные с использован и ем формулы (I) для верхней границы коэффициента внешнего шума fu(cm. рис. 1, пунктирная кривая).
Из анализа графиков рис. 2 и формулы (Г) следует, что для повышения надежности связи в условиях естественных помех необходимо увеличивать мощность передачи сообщения или уменьшать полосу излучаемого сигнала.
Оценку значений необходимой мощности излучения для обеспечения устойчивого приема на радиотрассах протяженностью до 1 тыс. км для ближней морской зоны можно провести с использованием графиков, представленных в
[12].
IIa рисунке 3 приведен график значений напряженности поля для нескольких номиналов частот СДВ-ДКМ диапазонов волн, характеризующих ближнюю морскую зону (заштрихованные области соответствуют уровням напряженности ноля атмосферных шумов, ожидаемых с вероятностью />>0,Ч9).
Па рисунке 4 приведены аналогичные графики для трасе протяженностью более ) тыс. км (ионосферное распространение радиоволн - РВ).
Т-Сотт Vol.ll. #9-2017
Однако применение ЛС с глобально перемещающимися РТК технически и экономически па сегодня недостаточно оправдано. Это объясняется сравнительно большими габаритами входного модуля оптического приемника п необходимостью точной ориентации сто диаграммы направленности (ДП) на источник лазерного излучения. В то же время, автономные малогабаритные навигационные устройства, предназначенные для определения координат РТК в процессе его подводного перемещения, не обеспечивают приемлемую точность определения местоположения в течение выполнения длительной миссии, вследствие чего подводному аппарату периодически необходимо осуществлять определение реальных координат путем всплытия и реализации взаимодействия с системой ГЛОНАС (GPS).
Очевидно, что в этом случае обмен данными с базовой станцией может быть организован по основному (спутниковому) каналу обмена данными без задействования оптического канала связи, Кроме того, для надежной ЛС с использованием БПКА (Б1 [JlA-резрансляторов) при доведении информации до погруженных РТК необходимо выполнение ряда условий, таких как низкая мутность воды, высокая прозрачность льда, отсутствие экстремальных погод пых условий (снегопад, «густой» туман, сильный дождь), что реально не может быть обеспечено при длительной миссии РТК.
4.2. Каналы параметрической связи
В работе [19J предлагается обеспечить доведение информации до глубокопогруженных подводных объектов за счет использования эффекта параметрического взаимодействия электромагнитной и акуст ической волн с близкими частотами J\ и/,,. В поверхностном слое воды (скип-слое) в этом случае, как утверждают авторы, формируется новый промодудиро-ванный электромагнитный сигнал с разност ной частотой./р=./> -fa к< /■• что позволяет этому сигналу из-за малого коэффициента ослабления в воде обеспечить допустимое соотношение сигнал/шум на значительных глубинах (порядка 1511 м
[19]).
Однако в настоящее время исследования по возможности реализации рассмотренного метода, но крайней мере, для подводной связи с РТК. проводить нецелесообразно, поскольку на подводных аппаратах с ограниченными размерами и энергоресурсами следует использовать малогабаритные активные антенные системы, эффективность которых при приеме сигналов с частотой /р « 10 кГц становится недопустимо низкой.
4.3. Кати гидроакустической связи
Обмен данными с глубокопогруженными (до 100 м и более) аппаратами при их удалении от надводного (подводного) пункта базирования (надводного корабля - ПК. подводной лодки -ПЛ) на расстояние до 10 км обеспечивается, как правило, путем использования гидроакустической связи (ГАС), Для звуковых частот в диапазоне /, ~ 10-50 кГц (характерных для ГАС), в зависимости от солености, температуры воды и гидрологии морского района коэффициент ослабления гидроакустической полны <t составляет до I (I дБ/км и более. 1 [оттому на значительном удалениях от БГТУ при организации подводной ГАС. ввиду ограниченной мощности гидроакустических излучателей на РТК, необходимо Обеспечить помимо оптимальной сигнальное кодовой конструкции передаваемой информации, высокую чувствительность приемника акустического сигнала.
Необходимо отмстить, что в современных и перспективных проектах РТК МБ для решения задачи по их взаимодействию с другими подводными аппаратами (буями-ретрансляторами) в состав интегрированной системы управления (ИСУ) подводного аппарата в обязательном порядке входит подсистема ГАС. Это обусловлено широким внедрением технологии цифровой обработки сигналов, позволившей реализовать гидроакустические Модемы, обеспечивающие функционирование при многолучевом распространении акустического сигнала и при воздействий помех от посторонних излучателей.
I идроакусшческие приемные и передающие антенны обеспечиваются системой цифрового синтеза адаптивных диаграмм направленности, а при формировании сигнально-кодовых конструкций передаваемого сообщения используются широкополосные сигналы и помехоустойчивые коды, что позволяет в реальных условиях достичь высоких скоростей передачи данных и требуемой вероятности доведения информации при значительных расстояниях между взаимодействующими объектами под водой. Сравнительные характеристики нескольких типов модемов ГАС приведены в таблице 3 [20].
1 laps метры модема S2C Я И' 16 Tip мания S2C R 40/80 ! орма-ННЯ Acoustic Modem 1 ерма-лня UWM 2000!Т США ВСГС Россия (АО «НИИ Гидрос ими! #Ш гиль») 1 АСС Россия (ДВО РАН)
Дальность действия, км 10,0 2,5 Л) 6,0 10,5 8,0
Максимальная скорость передачи данных, кбит/с 6,9 35.7 0.145 17,8 57,6 4
Частота излучения. кГц Й * 16 411 -:■ ни - 26.77-: -44,62 1 Н.75 42.75 16 + 20
Верояп юегь ошибки - - - 10я 10* •
Нее модема, кг 4Л 2.1 - - - -
Отмстим, что гидроакустически с модемы предыдущего поколения (аналоговые) при той же мощности излучения, что, например, модем ПАСС, обеспечивали на дальностях до 1.5 + 2 км скорость передачи 200 -г 400 бит/с, имея при этом в2 -4 раза большие массогабаритиые показатели.
5. Управление смешанными робототехническимя группировками при вы под пени и миссии на глобальных расстояниях
Ори оценке вероятности выполнения миссии, требующей глобального удаления РТТ от места базирования (т. е. многосуточного подводного похода), необходимо учесть возможность деградации основных элементов РТК, несовместимой с успешным завершением миссий, обусловленной параметрами надежности элементов аппарата, случайными его повреждениями, в гам числе вследствие столкновений с крупными объектами или представителями морской фауны, айсбергами, рыболовными сетями и т. п., не исключая умышленных повреждений или уничтожения. I [ричем вероятность выполнения миссии Лщ, будет уменьшаться в зависимости от увелнче-
Таблица3
ilogO
Itogd ~PJ.
ния количества всплытии для уточнения координат и проведения сеансов святи с БПУ. Отсюда с очевидностью следует необходимость реализации искусственного интеллекта в интегрирован нон системе управления РТК. позволяющей обеспечить оптимальную трассу перемещения, и её коррекцию н случае наличия Незапланированных (случайных) препятствий ил8 угроз. Тем не менее, вследствие указанных факторов при одиночном выполнении миссии, особенно конфиденциальной, Лщ может оказаться неприемлемо низкой, Вместе с тем, при групповом использовании РТК для достижения требуемого значения Р„, достаточно задействовать количество аппаратов Ы, определяемое из неравенства:
N1
где Л - вероятность выполнения миссии одним РТК.
То сеть, даже при Р\ ~ 0» для достижения Р1Ы > 0,99е) ориентировочно потребуется не более трех-четырех идентично оснащенных и имеющих одинаковую целевую функцию РТК. При этом возможно два варианта их перемещения и заданный удаленный район мирового океана:
1 вариант - независимое прохождение маршрута каждым РТК;
П вариант - групповое выполнение миссии, подразумевающее реализацию «интеллектуального» взаимодействия РТК в процессе совместного перехода в заданный район, в т. ч. и в других средах.
13 ряде работ [2, 3. 7, 15| для обеспечения живучести подводных объектов (РТК, ПД, глайдеров и пр.) предлагается создавать сети подводной интегрированной связи (СПИС)с реализацией составного радио-гидроакустического канала в направлении пункт управления подводный объект. Так предлагаемый АО «НИИ Гидросвязи «Штиль» вариант построения СПИС реализуется на базе нескольких автономных донных линий связи, каждая из которых состоит из промежуточных ну шпон доступа и концевых гидроакустических модемов, объединенных оптоволоконной линией связи. Взаимодействие сети связи с БПУ осуществляется по радиоканалу через автономный гидроакустический буй-ретранслятор, входящий в её состав. Вместе с тем, при необходимости развёртывания такой С11ИС в отдалённых районах ограничивающими факторами могуч оказаться сложность, безопасность и стоимость сё развёртывания. а также ограниченность дальности взаимодействия с РТК.
Одним из решений при реализации миссии РТК по мониторингу удаленных районов мирового океана может служить создание международной ест и малогабаритных буев-регранеляторов. Однако, решение этой задачи в ближайшее время маловероятно из-за э кон омических и воешю-полнтических причин.
Таким образом, представляется целесообразным возложить функции обмена данными с БПУ на сами РТК.
Исходя из этого, в случае выполнения групповой миссии РТК по варианту ! суммарное число взаимодействий с Ы1 ГУ (количество всплытий) за время выполнения миссии составит М|= N-11-, где к - число заданных сеансов связи с РТК, а по варианту II, Мп= к < Ми что в ряде случаев, может оказаться определяющим фактором его использования.
В соответствии с одним из возможных алгоритмов миссии РТК в составе N идентичных аппаратов, на начальном папе назначается РТК-«Лидер» (РТК-Л), осуществляющий коорди-
нацию функционирования остальных РТК. При этом программы текущих действий группы хранятся параллельно в базах данных каждого РТК н периодически взаимно обновляются по канату ГАС,
РТК-Л при необходимости взаимодействия с БПУ иди для уточнения координат труппы реализует «назначение» буем рашо-гндро-ретранслятором одного РТК из группы по расписанию либо но оценке их основных параметров. Для проведения следующего сеанса связи, по ряду показателей ретранслятором может быть определен другой РТК (аналогично, по ряду показателей в процессе выполнения миссии автоматически может быть переназначен РТК-Л ).
В зависимости от решаемых группировкой РТК задач, рельефа Донной поверхности, наличия внешней угрозы и т. п. РТК-Л может также «принять» решение на реализацию максимального удаления от аппарата, выполняющего функцию буя-ретранслятора; при этом максимальное удаление от него до РТК-Л составит Lnm = (п- !) где 1„ыу - максимальная дать-ность евящ, реализуемая по каналу ГАС. То есть при заданном N для получения максимального значения Z.J1C1X требуется обеспечить возможно больший показатель для /1ППК.
Как следует пз таблицы 3 для современных модемов заявляемая максимальная дальность гидроакустической связи составляет до 30 км. Однако, в настоящее время к подсистеме I АС, в значительной степени определяющей успешность выполняемых РТК специальных заданий, предъявляются более высокие требования по максимально достижимым значениям /„их.
6. Оценка максимальной дальности при обмене данными между РТК
Для оценки энергетической дальности действия гидроакустической системы в различных режимах её функционирования (эхо-локации, шумопеленгования, тедемстрнн). как правило. используется общее уравнение, которое применительно к
ГАС можно представит ь в виде [20, 21], где ?*п(/р'А/р) _ давление помехи в рабочей полосе частот А/г: р„ - давление, развиваемое передающей антенной с излучаемой мощностью Ртл на условном расстоянии г\и Я»(V) - характеристики направленности передающей и приемной антенн соответст-
венно;
Pu
давление, создаваемое источником излучения на
удалении го ~ 1 ; - отношение энергии сигнала к спектральной плотности помех; R - расстояние между гидроакустическими передатчиком и приемником; - эквивалентная рабочая частота передаваемого сигнала: (Î - пространственный коэффициент затухания звуковых волн в воде: АФ = 10 lg Ф -фактор аномалии распространения звуковых волн, учитывающий фокусировку (Ф < I ) и дефокусировку (Ф > I ) акустическою поля.
В [211 показано, что с учетом частотных зависимостей уровня шумов моря и затухания сигнала для трансцендентного уравнения (5) существует оптимальное значение рабочей час-TOThi/,, для кото рой при ф н кеи ро вап н ы х параметрах гидроакустического тракта связи (включая передающий и приемный комплекты) обеспечивается максимальная дальность связи.
Так для антенн плоскостного типа при спектральной плотности помех вида 6( / ) - / ", где п= 1^-2, значение оптимальной частот ы состави г./иш = п\1~2 ' I (Г кГц, где >г = 1,9-3, т.е. для R ~ 50+100 км значения оптимальной частоты будет находить-
Для дальнейшего увеличения радиуса взаимодействия РТК в зависимости от миссий применимы поля буев-ретрансляторов и донных станций, рис. 9.
О
Зона беся рово дн о го доступа буя
\ О
Ж)
о ЧУ
Выход ео ^ внешнюю сеть
а)
О
""О
. чЛ
о......¡у
Выход ео внешнюю сеть
Выход во внешнюю сеть
б)
/ 0 . (О О, О}
0\
IV 10\
\J Гидроаккус- П i
\ тические V ^ t каналы
0"\ Ш
О 0 0!\ Ко
4 ^J
О "---*■
Шлюз выхода !!(í 1 Ьмйшнюл V сеть
Рис. 9. Варианты топологии размещения поля буев (донных станции) при проведении миссии РТК; а) централизованная топология сети применения на морских буровых платформах; 6) многопрешетная топология сети для применения в морских проливах и проходах узностей (каналах), протяженных объектОб (путепроводов, подводных кабельных линии); в) распределенная топология сети для применения к по]1та\'. заливах, бухтах, морских гаванях
Заключение
В настоящее время отсутствуют обоснованные варианты построения распределенных систем управления смешанными группами РТК, компоненты которых будучи рассредоточенными на борту БПКА (БПЛА), а также надводных и подводных РТК сохраняют информационное взаимодействие, обеспечивая
иеооходимыи уровень координации управления всеми участниками смешанной группировки. Причинами этого являются, как трудности в обеспечении устойчивости каналов управления и взаимодействия с робототехпнческой группировкой на границах физических сред, так и малые дальности в обеспечении ГАС.
Хотя расчеты в представленных материалах велись для «благоприятных» условий связи в предположении наличия минимального уровня шумов и подавления помех от посторонних излучателей, а также без учета возможного попадания принимающего информацию РТК в область «тени» (или значительного ослабления) гидроакустической волны, характерных как для приповерхностного так и для подводного и мелководного звуковых каналов [21], тем не менее, показано наличие принципиальных путей реализации взаимодействия РТК, удаленных друг от друга на расстояния свыше 50 км, особенно при групповой миссии РТК с искусственным интеллектом, позволяющим учитывать гидрологию района их нахождения.
Дальнейшее увеличение дальностей обмена данными При взаимодействии глубоко по груженных РТК на удалениях 50+100 км достигается подсистемой ГАС за счет снижения скорости передачи до 1 бит/с и менее при условии подавления помех от посторонних излучателей и автоматического учета эффекта Доплера. Повышение скорости передачи в этом случае может быть обеспечено путем применения гидроакустических модемов «параллельного типа».
Глобальные дальности и распределенный характер динамики выполнения миссий смешанными группировками РТК можег обеспечиваться за счет использования каналов спутниковой связи в качестве основных, В случае неполной информации о координатах группировки и техническом состоянии РТК. в качестве резервной связи целесообразно использовать передачу данных по радиолиниям СДВ и ДКМ диапазона частот на основе внедрения распределенных когнитивных радиосистем [16].
Литература
1. Бочаров Л. Необитаемые подводных аппараты: состояние и общие тенденции развития // Электроника; Паука, Технология, Бизйес. №7. 2009,
2. Бу0ко U.A.. Чихачев A.B.. Баринов М.А.. ВинограОенко А.М Принципы Организации и планирования си л ы юс вяз ной телекоммуникационной среды сил специального назначения // Т-Сомм: Телекоммуникации и транспорт. №6, 2013. С .8-12.
3. Белоусов И. Современные и перспективные необитаемые иол водные аппараты ВМС США // Зарубежное военное обозрение. №5. 2013. С. 79-88.
4. Автономные подводные роботы. Системы и технологии / Под ред. М.Д. Агеева. С.: Паука, 2005.398 с.
5. С'топцов H.A., Бойцов В.И., Шелемин В.П. Связь под водой. Л.: Судостроение, 1990,248 с.
6. Ннщщев A.B., Пешим А.М, Багшщкий A.B. Планирование и осуществление действий обследовательского подводного робота на базе Поведенческих методов // Подводные исследования и робототехника. №1(15) 2013. С. ¿Иб.
7. ¡1 шиханов В.Х., Чернух im Ю.В., Федотов A.A. и ар. Системы управления автономного подводного аппарата Н Известия южного федерального университета. Технические науки. Вып. 3 (152) 2014. С, 87-101.
S. Мартынов Л.А., Машошнн Л.И., Пашкевич U.R.. Соколов Л.Л. Система управления - наиболее сложная часть автономных необитаемых подводных аппаратов. // Морская радиоэлектроника, №4. 2015. С. 27-33.
9. Бычков И.В., Кензин М.Ю.. МаксимКци H.H.. Киселев Л.В. Эволюционные модели маршрутизации группового движения подводных роботов при многоцелевом динамическом мониторинге морских акваторий // Подводные исследования н робототехника. №2, (18). 2014. С. 4-13.
10. Баканов Д.В.. Мороз П.В., Пулов ГГ., Салюк Д.В.. Тимчук A.A. Применение многофункцпональнбой системы персональной спутниковой связи «Гонец-Д IM» для обеспечения информационного взаимодействия между удаленными абонентами. /I Техника средств связи. Вып. 3(142). 2014". С. 63-67.
11. МСЭ-R Р.372-10.
12. До.шанОВ МП. Распространение радиовлолн. М,; Связь, 1472. 336 с.
13. Неволим Т.П., Щепопцш ВН. Организация и планирование радиосвязи на морском флоте. М.: Транспорт. 1977. 262 с.
14. Акулов В С,. Салюк Д.В., Угрик Л.И. Учет точности прогнозирования электромагнитных полей при расчете радиотехнических систем // Техника средств связи. Вып. 3 (1421. 2014. С. 53-56.
15. Фанк Л.М. Теория передачи дискретных сообщений. М.: Сов, радио, 1970. 728 с.
16. Ннколашчп Ю.Л., Мнрошников В.И., Будко П.А.. Жуков Г.А, Когнкгнвная система связи п влияние использования данных мониторинга на помехоустойчивость еверхучкополоспых декамегровых радиолиний // Морская радиоэлектроника. №2 (52). 2015. С. 16-22.
17. Алешин О.В.. Натанович А.А. Принципы построения автоматизированных систем спутниковой открытой оптической связи с подводными лодками // Морская радиоэлектроника. №1. 2016, С. 32-35.
18. Яконлев В.А., Журенков А.Г.. Шульженш ПК.. Мусин Л.Ф, Ф/х>лов А.П. Оптико-акустическое устройство наведения для системы подводной бес-проводной оптической связи // Оптический журнал, Т. 79-№10, 2012. С, 91-92,
19. Шайдурое Г.Я.. КудиновД,С Энергетический потенциал и тактико-технические возможности использования эффекта параметрической демодуляции для подводного радиоприема сигналов в морской воде// Журнал радиоэлектроники. №2, 2012.
20. Вершинин А.С\ Сравнительный анализ гидроакустических модемов Н Молодой ученый, 2015. №12. С. 156-161.
21. СверОлшI Г.М. Прикладная гидроакустика: Учеб. пособие. -Л.: Судостроение, 1990.-320 е.
22. Макаров А.П.. Дворников В.Д., Конопелька В.К. Передача ии-формацни в гидроакустическом канале / Доклады Белорусского государственного университета информатики и радиоэлектроники. Минск: 13 ГУМ Р. 2004. С 103-118.
smile expo
ю»...
Москва, 5-й Лучевой просек, д. 7 Г стр. 1, павильон 7-А
ОРГАНИЗАТОРЫ
ПРИ ПОДДЕРЖКЕ:
Автонет
Единственный Саммит в СНГ по тематике подключенных технологии
КШМНЙММН
инициатива
Конференция 2 дня выставки
Битва Стартапов
COMMUNICATIONS
GROUP USE OF ROBOTIC COMPLEXES WHEN PERFORMING MISSIONS ON GLOBAL REMOVALS FROM CONTROL CENTER
Budko Pavel Alexandrovich, Рublic joint-stock company "Information telecommunication technologies", St. Petersburg, Russia, budko62@mail.ru Zhukov Gennadii Anatol'evich, Рublic joint-stock company "Information telecommunication technologies", St. Petersburg, Russia, ntelteh@inteltech.ru
Abstract
Questions of the choice of methods and control paths by robotic complexes of sea basing as link of uniform management information space of various physical environments are considered. The sharing of radio lines of different wave bands allowing to provide steady bringing teams of management to the robotic complexes which are both in surface and in underwater (subglacial) state is offered. Possibilities of channels of space, optical (laser), hydroa-coustic and parametrical communication are analysed, and also a comparative assessment of channels of a radio com-munication of decameter and superlong waves on bringing information to the robotic complex which is on global removal from control center is given. Possibilities of the mixed groups of the robotic complexes operating in different environments (space, air, water) on increase in efficiency of accomplishment of the set mission are estimated. Possible methods of information exchange between submersibles are consid-ered and an assessment of the maximum range at data exchange between the deep-shipped objects on the hydroacoustic channel is given. The arising difficulties in justi-fication of options of creation of distributed control systems by the mixed groups of robotic complexes, the ensuring necessary stability of control paths consisting in im-possibility and interaction in group on borders of physical environments, and also small ranges in ensuring hydroacoustic communication are revealed. The comparative characteristic of the main types of modems of hydroacoustic communication of do-mestic and foreign manufacturers is this. Offers on further increase in range of hy-droacoustic communication due to reduction in the rate of transfer and use of hy-droacoustic modems of "parallel type" are formulated. Calculations of a rational num-ber of the robotic complexes operating in group are given. The conclusion is drawn that essential increase in efficiency of actions of the mixed robotic group is reached along with complex use of diverse control paths when finding robotic complexes in various environments, application of the methods based on modern technologies of programmable radio with elements of cognitive radio systems, artificial intelligence and neuro-bionics when handling of the accepted information during intensive infor-mation interaction on the basis of general databases of the distributed systems.
Keywords: robotic complex, channel of space communication, decameter radio line, hydroacoustic communication, Dopler's effect. References
1. Bocharov L. (2009). Neobitaemye podvodnykh apparaty: sostoianie i obshchie ten-dentsii razvitiia. Elektronika: Nauka, Tekhnologiia, Biznes. No.7.
2. Budko P.A., Chikhachev A.V., Barinov M.A., Vinogradenko A.M. (2013). Printsipy or-ganizatsii i planirovaniia sil'nosviaznoi telekommunikatsionnoi sredy sil spetsi-al'nogo naznacheniia. T-Comm. No.6. Pp. 8-12. (In Russian)
3. Belousov I. (2013). Sovremennye i perspektivnye neobitaemye podvodnye apparaty VMS SShA. Zarubezhnoe voennoe obozrenie. No.5. Pp. 79-88. (In Russian)
4. Avtonomnye podvodnye roboty. Sistemy i tekhnologii. S.: Nauka, 2005. 398 p. (In Russian)
5. Stoptsov N.A., Boitsov V.I., Shelemin V.N. (1990). Sviaz' pod vodoi. L.: Sudo-stroenie. 248 p. (In Russian)
6. Inzartsev A.V., Pavin A.M., Bagnitskii A.V. (2013). Planirovanie i osushchestvlenie deistvii obsledovatel'skogo podvodnogo robota na baze povedench-eskikh metodov. Podvodnye issledovaniia i robototekhnika. No.1 (15). Pp. 4-16. (In Russian)
7. Pshikhanov V.Kh., Chernukhin Iu.V., Fedotov A.A. etc. (2014). Sistemy upravleniia avtonomnogo podvodnogo apparata. Izvestiia iuzhnogo federal'nogo universiteta. Tekhnicheskie nauki. No. 3 (152). Pp. 87-101. (In Russian)
8. Martynov L.A., Mashoshin A.I., Pashkevich I.V., Sokolov A.L. (2015). Sistema upravleniia - naibolee slozhnaia chast' avtonomnykh neobitaemykh podvodnykh appa-ratov. Morskaia radioelektronika. No.4. Pp. 27-33. (In Russian)
9. Bychkov I.V., Kenzin M.Iu., Maksimkin N.N., Kiselev L.V. (2014). Evoliutsionnye modeli marshrutizatsii gruppovogo dvizheniia podvodnykh robotov pri mnogo-tselevom dinamicheskom monitoringe morskikh akvatorii. Podvodnye issledovaniia i robototekhnika. No.2. (18). Pp. 4-13. (In Russian)
10. Bakanov D.V., Moroz N.V., Pukhov G.G., Saliuk D.V., Timchuk A.A. (2014). Primenenie mnogofunktsional'noi sistemy personal'noi sputnikovoi sviazi "Gonets-DIM" dlia obespecheniia informatsionnogo vzaimodeistviia mezhdu udalennymi abonentami. Tekhnika sredstv sviazi. No. 3 (142). Pp. 63-67. (In Russian)
11. MSE-R R.372-10. (In Russian)
12. Dolukhanov M.P. (1972). Rasprostranenie radiovloln. Moscow, Sviaz'. 336 p. (In Russian)
13. Nevolin T.N., Shchepotin V.I. (1977). Organizatsiia i planirovanie radiosviazi na morskom flote. Moscow: Transport. 262 p. (In Russian)
14. Akulov V.S., Saliuk D.V., Ugrik L.N. (2014). Uchet tochnosti prognozirovaniia elektromagnitnykh polei pri raschete radiotekhnicheskikh sistem. Tekhnika sredstv sviazi. No.. 3 (142). Pp. 53-56. (In Russian)
15. Fink L.M. (1970). Teoriia peredachi diskretnykh soobshchenii. Moscow: Sov. radio. 728 p. (In Russian)
16. Nikolashin U.L., Miroshnikov V.I., Budko P.A., Zhukov G.A. (2015). Kognitivnaia sistema sviazi i vliianie ispol'zovaniia dannykh monitoringa na pomek-houstoichivost' sverkhuzkopolosnykh dekametrovykh radiolinii. Morskaia radioelektronika. No.2 (52). Pp. 16-22. (In Russian)
17. Aleshin O.V., Katanovich A.A. (2016). Printsipy postroeniia avtomatizirovannykh sistem sputnikovoi otkrytoi opticheskoi sviazi s podvodnymi lod-kami. Morskaia radio-elektronika. No.I. Pp. 32-35. (In Russian)
18. Iakovlev V.A., Zhurenkov A.G., Shul'zhenko P.K., Musin L.F., Frolov A.P. (2012). Optiko-akusticheskoe ustroistvo navedeniia dlia sistemy podvodnoi besprovodnoi opticheskoi sviazi. Opticheskii zhurnal, Vol. 79. No.I0, Pp. 91-92. (In Russian)
19. Shaidurov G.Ia., Kudinov D.S. (2012). Energeticheskii potentsial i taktiko-tekhnicheskie vozmozhnosti ispol'zovaniia effekta parametricheskoi demod-uliatsii dlia podvodnogo radiopriema signalov v morskoi vode. Zhurnal radioelektroniki. No.2. (In Russian)
20. Vershinin A.S. (2015). Sravnitel'nyi analiz gidroakusticheskikh modemov. Molodoi uchenyi. No.I2. Pp. 156-161. (In Russian)
21. Sverdlin G.M. (1990). Prikladnaia gidroakustika: Ucheb. posobie. L.: Sudostroenie. 320 p. (In Russian)
22. Makarov A.I., Dvornikov V.D., Konopel'ko V.K. (2004). Peredacha informatsii v gidroakusticheskom kanale. Doklady Belorusskogo gosudarstvennogo universiteta informatiki i radioelektroniki. Minsk: BGUIR. Pp. 103-118. (In Russian)
Information about authors:
Budko Pavel Alexandrovich, ehief scientific officer of the public joint-stock company "Information telecommunication technologies", doctor of engineering, professor, St Petersburg Russia Zhukov Gennadii Anatol'evich, scientific secretary of the public joint-stock company "Information telecommunication technologies", candidate of technical sci-ences, associate professor, St. Petersburg, Russia
T-Comm Tом 11. #9-2017
