Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время одним из наиболее эффективных средств для работ под водой является подводный робот. Успех миссии подводного робота обеспечивают его бортовые системы. Автономное функционирование робота предполагает анализ ситуаций и выбор маршрута без вмешательства человека. В связи с этим важную роль играет навигационная бортовая система подводного робота, в частности акустическая система позиционирования.
В Российской Федерации одной из ведущих организаций по созданию подводных роботов, а также различных гидроакустических средств является Институт Проблем морских технологий дальневосточного отделения РАН (ИПМТ ДВО РАН). Разработанная ИПМТ ДВО РАН гидроакустическая навигационная система (МТК1.2.06.0.0.00.00ТУ) имеет следующие характеристики: дальность действия до 10 км, в зависимости от гидрологических условий района работ погрешность определения дистанции в условиях глубокого моря не превышает 0,5 % и для мелкого моря - 1,0 %. Показатели погрешности определения дистанций систем позиционирования иностранными компаниями, такими как SonicWorks и LinkQuest, заявлены менее 0,1 %.
Точность современных систем позиционирования подводных роботов выступает одним из ограничений, ввиду которого для многих классов задач подводные роботы еще не способны полностью заменить присутствие человека под водой. Сегодня возникает потребность во все более сложных миссиях для подводного робота: подледных работах, исследовании арктических морей, мониторинге подводных коммуникаций, обслуживании нефтяных скважин и т. п. Усложнение миссий подводного робота стимулирует исследовательские и конструкторские работы в области развития подводной робототехники и гидроакустических средств. Эффективность системы позиционирования прежде всего зависит от того, как решается задача обнаружения сигнала в приемном устройстве. В свою очередь, совершенствование методов и средств обнаружения сигнала способно качественно изменить характеристики системы позиционирования.
Основные результаты исследований по проблемам приема и обнаружения сигнала в широкополосных системах отражены в работах ученых: Л. Е. Варакина, Ю. Г. Сосулина, Ф. М. Вудворда, Я. Д. Ширмана, Ю. Б Окунева, И.П. Ипатова, И. Дж. Мила, Л. Джирода, Д. Эстрин, Р. X. Баркера и др.
В данной работе проблемы точности позиционирования под водой решаются разработкой и исследованием новых алгоритмов обработки сложных гидроакустических сигналов. Разработка более совершенных алгоритмов обработки сигналов, а также применение сложных сигналов позволит повысить точность обнаружения сигнала, оценить достоверность принимаемых данных, сократить количество ошибок приема, что даст возможность улучшить эффективность работы системы позиционирования в целом.
Целью данной работы является разработка алгоритмов обработки гидроакустических сигналов для повышения точности системы позиционирования подводного робота.
Область исследования. Разработка алгоритмов решения задач и специального программного обеспечения оптимизации и обработки информации (пункты 4 и 5 раздела «Области исследования» паспорта специальности 05.13.01 «Системный анализ, управление и обработка информации»).
Объект исследования. Гидроакустические системы позиционирования подводного робота.
Для достижения указанной цели в диссертационной работе были поставлены и решены следующие задачи:
-
Анализ современных методов и алгоритмов обнаружения сигналов во временной области, определение требований к разрабатываемым алгоритмам.
-
Программная реализация модели гидроакустического канала, имитирующая затухание сигнала, эффект отражения и действие шумов.
-
Проведение вычислительных экспериментов, включающих излучение гидроакустического сигнала, его распространение в канале и обработку приемным устройством при помощи разработанной модели.
-
Разработка и исследование алгоритмов обработки сложных фазоманипулированных гидроакустических сигналов на основании анализа результатов проведенных вычислительных экспериментов.
-
Обработка и анализ данных натурных экспериментов для определения эффективности предложенных алгоритмов и подтверждения адекватности разработанной модели распространения сигнала.
Методы исследования. При решении поставленных задач использовались методы обработки сигналов и теории системного анализа, методы теории вероятности и математической статистики, методы математического и имитационного моделирования, методы вычислительной математики. Натурные испытания проводились при помощи созданного Лабораторией интеллектуальных технологий и систем ТОГУ программно-аппаратного комплекса в условиях мелкого моря в акваториях Приморского края.
Научная новизна.
-
Разработана модель распространения гидроакустического сложного фазо-манипулированного сигнала, которая при использовании экспериментальных данных позволяет учитывать реальные условия эксплуатации гидроакустических систем за счет уточнения характеристик шумов и многолучевой структуры, соответствующих реальному каналу.
-
Разработан модифицированный алгоритм обработки сложных фазоманипулированных гидроакустических сигналов системы позиционирования, позволяющий увеличить точность оценки времени запаздывания и осуществить проверку достоверности принимаемых данных за счет использования выбеливающего фильтра и адаптивного вычисления мощности входного сигнала.
-
Разработан модифицированный алгоритм обработки сложных фазоманипулированных гидроакустических сигналов системы позиционирования, позволяющий уменьшить сложность обработки за счет сокращения количества вычислительных операций.
4. Предложен способ построения цифровой системы приемного устройства гидроакустической системы позиционирования подводного робота, позволяющий уменьшить энергетические показатели за счет двухступенчатой корреляционной обработки.
Практическая ценность результатов работы. Теоретически обоснованы и экспериментально подтверждены оценки величины ошибки определения времени запаздывания и частости событий успешного обнаружения, которые характеризуют работу предлагаемых алгоритмов, а также разработаны рекомендации по выбору способов обработки в зависимости от требований к помехоустойчивости, точности и энергопотреблению системы. Использование разработанных алгоритмов обработки сигналов позволит сократить количество ошибок и увеличить точность определения положения подводного робота. Результаты исследования могут быть использованы в гидроакустических системах локации, телеметрии и связи.
Достоверность результатов диссертационной работы подтверждается корректным использованием теоретических и экспериментальных методов обоснования полученных результатов, выводов и рекомендаций, а также близкими показаниями данных моделирования и результатов натурных испытаний.
Реализация результатов работы. Разработанные в диссертационной работе алгоритмы обработки сложных фазоманипулированных гидроакустических сигналов использовались в Институте проблем морских технологий ДВО РАН в рамках НИОКР по разработке навигационной системы для автономных необитаемых подводных аппаратов серии «ММТ» при проектировании модулей цифровой обработки сигналов системы позиционирования. Внедрение результатов диссертационной работы позволило повысить точность системы позиционирования подводного аппарата при работе в мелком море. Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе Тихоокеанского государственного университета в рамках дисциплин «Основы передачи дискретных сообщений», «Системы цифровой обработки сигналов», а также в курсовом и дипломном проектировании по специальностям «Вычислительные машины, комплексы, системы и сети» и «Многоканальные телекоммуникационные системы».
Связь темы исследования с научными программами. Исследования проводились при поддержке грантов в рамках следующих научно-исследовательских работ: НИР ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 - 2013 гг., проекты «Исследование принципов построения систем наведения и позиционирования подводного робота с применением современных микроэлектронных средств на примере матричной логики и цифровых сигнальных процессоров» (ГК № П497 от 13 мая 2010 г.) и «Математическая модель гидроакустического канала и средство комплексного анализа акустических сигналов на основе экспериментальных и теоретических исследований» (ГК № 14.740.11.1138 от 09.06.2011); НИР по программе У.М.Н.И.К., финансируемая Фондом содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере, проект «Разработка высокоточного модуля гидроакустической навигационной системы для определения наклонной дальности» (ГК № У-2008-6/4 от 28.10.2008 и ГК № У-2010-1/11 от 01.03.2010).
Основные положения, выносимые на защиту.
-
Показано, что моделирование процесса распространения гидроакустического сигнала в мелком море позволяет за счет использования экспериментальных данных учитывать реальные условия эксплуатации гидроакустических систем позиционирования, а также оценивать параметры точности и помехоустойчивости этих систем.
-
Использование выбеливающего фильтра в совокупности с пороговым детектором, работа которого основана на измерении мощности сигнала, при корреляционной обработке позволяет обнаружить гидроакустический сигнал с повышенной точностью по сравнению с линейной корреляционной обработкой.
-
Понижение частоты дискретизации до величины полосы частот сигнала и одновременное уменьшение количества уровней квантования приемного устройства до двух при корреляционной обработке гидроакустического сигнала позволяет эффективно решать задачу обнаружения сигнала и снизить вычислительную сложность алгоритмов обработки.
Апробация результатов работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на всероссийских и международных конференциях: XXVI конференции памяти выдающегося конструктора гироскопических приборов Н.Н. Острякова (Санкт-Петербург, 2008 г.); X Всероссийской научно-технической конференции «Теоретические и прикладные вопросы современных информационных технологий» (Улан-Удэ, 2009 г.); «The First Russia and Pacific Conference on Computer Technology and Applications» (Владивосток, 2010 г.); IV, V Всероссийских научно-технических конференциях «Технические проблемы освоения мирового океана» (Владивосток, 2011, 2013 гг.); «OCEANS 2011 IEEE Santander Conference and Exhibition» (Испания, Сантандер, 2011); «XVIII Санкт-Петербургская международная конференция по интегрированным навигационным системам» (Санкт-Петербург, 2011 г.); «Информационные технологии XXI века» (Хабаровск, 2013 г.); 12-й, 13-ий 14-й Международные конференции «Цифровая обработка сигналов и ее применение DSPA» (Москва, 2010, 2011, 2012 гг.). Работа в целом обсуждалась на научных семинарах кафедры «Вычислительная техника» и Лаборатории интеллектуальных технологий и систем ТОГУ.
Публикации и личный вклад автора. Основные результаты исследований отражены в 36 печатных работах, среди которых 2 публикации в изданиях, входящих в Перечень российских рецензируемых научных журналов, 2 патента на изобретение, 15 публикаций в сборниках международных и всероссийских конференций, 12 свидетельств о регистрации программы по тематике исследований.
Личный вклад автора при проведении исследований заключается в разработке алгоритмов и программного обеспечения обработки сложных фазомани-пулированных гидроакустических сигналов.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы, приложений. Работа содержит 120 страниц основного текста, 46 рисунков, 14 таблиц, библиографический список из 140 наименований.
