podvI-issl-4-2019

● СИСТЕМЫ, ТЕХНОЛОГИИ И ЭКСПЕРИМЕНТЫ

УДК 62-529 10.25808/24094609.2019.30.4.001

ТЕХНОЛОГИЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТНПА
ДЛЯ КОМПЛЕКСНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ

ГЛУБОКОВОДНЫХ ЭКОСИСТЕМ

А.Ю. Коноплин1,2, В.А. Денисов2, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки
Т.Н. Даутова2, А.Л. Кузнецов2, Институт проблем морских технологий ДВО РАН1
А.В. Московцева2
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки

Национальный научный центр морской биологии
им. А.В. Жирмунского ДВО РАН2

Статья посвящена технологии использования телеуправляемого необитаемого подводного аппарата
(ТНПА) рабочего класса «Comanche 18», позволяющей эффективно выполнять глубоководные исследователь-
ские операции в условиях сильных придонных течений и сложного рельефа подводных гор. Приведены особен-
ности планирования подводных работ, пилотирования ТНПА, организации погружений и взаимодействий с
экипажем судна-носителя. Описаны созданные средства пробоотбора, обеспечивающие качественный сбор
научного материала, а также разработанное программное обеспечение, предназначенное для интеллекту-
альной и информационной поддержки деятельности операторов ТНПА. Приведены результаты комплексных
исследований экосистем океанических поднятий на примере гайотов и гор Императорского хребта (северная
часть Тихого океана), выполненных с помощью ТНПА «Comanche 18» в глубоководной научно-исследователь-
ской экспедиции Национального научного центра морской биологии в Тихом океане в 2019 г.

ВВЕДЕНИЕ Проведение комплексных биологических иссле-
дований уязвимых морских экосистем (совместно с
Бесконтактный мониторинг морских донных эко- гидрофизическими, геологическими и другими рабо-
систем с использованием телеуправляемых необита- тами) в районе Императорского хребта необходимо
емых подводных аппаратов (ТНПА) является одними для получения новых данных о состоянии биоло-
из передовых методов глубоководных исследований гических и других ресурсов северной части Тихого
настоящего времени. Эти аппараты незаменимы для океана. Это позволит внести существенный вклад
картирования донных биоценозов и учета числен- как в работу Северо-Тихоокеанской комиссии по ры-
ности гидробионтов без их изъятия из экосистемы. боловству, так и в международное научное сотрудни-
В течение последнего десятилетия из-за развития чество для решения множества научных вопросов и
глубоководных исследований с использованием продовольственно-ресурсных проблем в регионе.
ТНПА донные сообщества подводных гор севе-
ро-западной части Тихого океана и Императорского Для достижения поставленных целей научных
хребта становятся предметом более активного из- исследований с помощью ТНПА необходимо ре-
учения. Однако донные популяции гидробионтов шать важные задачи обследования больших глубо-
на горах, составляющих северную часть Импера- ководных полигонов. При этом требуется выполнять
торского хребта, не были изучены ранее ни отече- высококачественную видео- и фотосъемку, профили-
ственными, ни зарубежными гидробиологами. При рование, а также отбор проб воды, осадочных слоев
этом роль Императорской цепи подводных гор и грунта, образцов геологических пород и животных
гайотов (как части Императорско-Гавайского хреб- на всем протяжении маршрутов движения аппарата
та) в распространении видов-индикаторов уязвимых в условиях сложного рельефа подводных гор и силь-
морских экосистем в северной части Тихого явля- ных придонных течений.
ется весьма существенной в связи с ее значитель-
ной протяженностью на север в меридиональном 1 690091, г. Владивосток, ул. Суханова, 5а. Тел.: +7 (423) 222-64-16.
направлении [1]. E-mail: [email protected]

2 690041, г. Владивосток, ул. Пальчевского, 17. Тел.: +7 (423)
231-09-05. E-mail: [email protected], [email protected], moskovt-
[email protected]

4 ПОДВОДНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И РОБОТОТЕХНИКА. 2019. ¹ 4 (30)

СИСТЕМЫ, ТЕХНОЛОГИИ И ЭКСПЕРИМЕНТЫ

В настоящее время отечественными и зарубеж- исследования экосистем подводных гор Импера-
ными исследователями накоплен опыт выполнения торского хребта. Эта технология затрагивает вопро-
ТНПА перечисленных операций [2–5]. При движе- сы планирования подводных работ, пилотирования
нии по протяженным глубоководным маршрутам ТНПА, организации погружений и взаимодействий с
возможности аппаратов, связанных с судном-носите- экипажем судна-носителя, создания и использования
лем гибким кабелем, имеющим нулевую плавучесть, специализированных средств пробоотбора, а также
сильно ограничиваются значительными гидроди- использования программного обеспечения, предна-
намическими влияниями на этот кабель со стороны значенного для интеллектуальной и информационной
окружающей водной среды [6, 7]. Кроме того, су- поддержки деятельности операторов ТНПА.
ществует возможность попадания гибкого кабеля в
лопасти винта при движении судна. Для работы на 1. Оснащение ТНПА «Comanche 18»
больших глубинах и в условиях сильных течений ис- устройствами для пробоотбора
пользуют ТНПА с жестким кабель-тросом, имеющим
стальную оплетку и большой вес. На нижнем конце Для выполнения глубоководных экспедицион-
такого кабеля закреплен груз-углубитель (депрес- ных исследований ННЦМБ ДВО РАН использует-
сор), к которому гибким кабелем длиной 100–150 м ся серийный ТНПА рабочего класса «Sub-Atlantic
подключен аппарат [4, 8, 9]. В процессе работы Comanche 18», спроектированный для выполнения
ТНПА жесткий кабель с депрессором висит прак- осмотровых и технологических операций. Он осна-
тически вертикально, но доступным пространством щен фото- и видеоаппаратурой, гидролокационным
для перемещений аппарата является окружность с оборудованием, профилографом, доплеровским ла-
радиусом, равным длине гибкого кабеля. Поэтому гом, а также набором датчиков, измеряющих пара-
при обследовании больших площадей или протя- метры окружающей водной среды, что позволяет ис-
женных маршрутов необходимо двигать судно-но- пользовать этот аппарат для решения широкого круга
ситель в нужном направлении, что возможно при исследовательских задач.
наличии системы динамического позиционирования
или в режиме ручного управления, когда вахтенный Кроме того, ТНПА «Comanche 18» оборудован
штурман отдает команды на передвижение судна, ис- многозвенным манипулятором Schilling Orion 7P,
пользуя GPS, подруливающие устройства и главный способным с высокой точностью выполнять техно-
движитель. логические манипуляционные операции. Но эффек-
тивный сбор научного материала невозможен без
Опыт экспедиционных работ Национального на- специальных контейнеров для образцов и пробоот-
учного центра морской биологии ДВО РАН (ННЦМБ борников, причем эти приспособления не должны
ДВО РАН) в Японском, Охотском и Беринговом мо- загораживать обзор видео- и фотокамер, а также
рях с ТНПА рабочего класса «Sub-Atlantic Comanche осложнять управление ТНПА и манипулятором. Для
18», базирующемся на НИС «Академик М.А. Лаврен- решенияэтойпроблемыбылизготовлен«скид»(рис.1),
тьев», показал, что перемещение этого аппарата и его имеющий форму короба и закрепляемый снизу на
депрессора по глубоководным маршрутам является раме аппарата. Скид позволяет разместить держатель
очень сложной задачей [4, 8, 9]. Операторам при- семи грунтоотборных трубок с обратными клапанами
ходится принимать решения, анализируя большой на верхних концах и контейнер для биологических
объем информации и учитывая особенности сразу образцов, которые выдвигаются в рабочее положе-
нескольких динамических объектов, а также условия ние с помощью гидроцилиндров, подключенных к
выполнения подводных работ: течения, рельеф дна и гидравлическому распределителю ТНПА. Гидро-
желаемый маршрут перемещения ТНПА. При этом цилиндры дистанционно управляются посредством
человеческий фактор может стать причиной сниже- графического интерфейса оператора программы Sub-
ния качества и увеличения времени выполнения на- CAN. Использование выдвигающихся контейнеров
учно-исследовательских подводных операций, не ис- позволяет собирать множество проб в процессе
ключая даже аварийные ситуации. длительных погружений и неповрежденными
доставлять их на поверхность.
В результате для решения обозначенной проб-
лемы и эффективного выполнения глубоководных ис- Поскольку сбор схватом манипулятора очень под-
следовательских операций в статье предложена тех- вижных, мелких и хрупких животных является слож-
нология использования ТНПА, описанная на примере ной и не всегда решаемой задачей, для деликатного
ТНПА рабочего класса «Comanche 18», с помощью
которого в 2019 г. были выполнены комплексные

ПОДВОДНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И РОБОТОТЕХНИКА. 2019. ¹ 4 (30) 5

СИСТЕМЫ, ТЕХНОЛОГИИ И ЭКСПЕРИМЕНТЫ

Рис. 1. ТНПА «Comanche 18», оборудованный скидом с пробоот- шланг, конец которого закреплен на схвате манипу-
борниками лятора (см. рис. 1). Такое крепление позволяет лег-
ко чередовать способы сбора проб, например от-
пробоотбора было изготовлено всасывающее устрой- рывать схватом кораллы или актинии от камней и
ство [10], являющееся аналогом прибора слэп-ган. сразу (на весу) всасывать их через шланг в контейнер.
В основу этого устройства положен оснащенный С помощью созданного устройства удается собрать
пропеллером вращательный гидропривод, прока- неповрежденными такие животные, как голотурии,
чивающий воду через герметичный контейнер, в офиуры, морские лилии, гидроидные и коралловые
котором животные удерживаются сетчатыми пере- полипы и др. После завершения работы ТНПА кон-
городками (рис. 2, а). Этот гидропривод также под- тейнер извлекается из корпуса скида и отдается на-
ключен к гидравлическому распределителю ТНПА учной группе для разбора и фиксации отобранных
и дистанционно управляется оператором. К другой проб.
стороне контейнера присоединен гофрированный
Кроме того, для сбора двустворчатых моллюсков,
аб мелких камней и сыпучего грунта были изготовлены
Рис. 2. Контейнер всасывающего устройства (а); контейнер скида сачки разных размеров, которые берутся схватом ма-
нипулятора и после отбора проб убираются в выдви-
с биологическими образами (б) гаемый контейнер скида (рис. 2, б). Для прицельного
отбора проб воды из гидротермальных источников
на втором манипуляторе Orion 4R закрепляются два
батометра. Такое расположение позволяет подно-
сить эти батометры к самому жерлу горячего источ-
ника [4].

Оснащение ТНПА «Comanche 18» созданными
устройствами пробоотбора позволило значительно
повысить эффективность сбора научного материала.

2. Система поддержки деятельности
операторов ТНПА

В процессе пилотирования ТНПА операторам
приходится одновременно оценивать и сопоставлять
информацию, получаемую от различных устройств и
систем, отображаемую сразу на нескольких монито-
рах (рис. 3). Причем программное обеспечение этих
устройств имеет различные пользовательские интер-
фейсы. Анализ больших объемов информации, полу-
чаемой в различной форме из различных источников,
занимает много времени. Оператору очень сложно
одновременно точно определять смещения ТНПА,
его реальное местоположение на карте зоны работ,
его расстояние до депрессора и другие параметры,
быстро изменяющиеся в процессе выполнения по-
ставленных задач. В результате снижается произво-
дительность его работы и возрастает утомляемость
вместе с ростом вероятности ошибок и возникнове-
ний аварийных ситуаций.

В настоящее время системы поддержки дея-
тельности операторов уже активно используются на
различных типах ТНПА [8, 11, 12]. Информацион-
но-управляющая система ТНПА «Аква-ЧС» [11] по-
зволяетграфическиотображатьегопространственную

6 ПОДВОДНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И РОБОТОТЕХНИКА. 2019. ¹ 4 (30)

СИСТЕМЫ, ТЕХНОЛОГИИ И ЭКСПЕРИМЕНТЫ

Рис. 3. Пост управления ТНПА «Comanche 18» роткую базу Sonardyne Fusion. Это позволяет ей с
помощью графического интерфейса оператора одно-
ориентацию и конфигурацию установленного на нем временно отображать на мониторе местоположение
подводного многозвенного манипулятора. В рабо- обеспечивающего судна-носителя и направление его
те [12] описан интуитивный интерфейс операторов движения, расположение депрессора относитель-
ТНПА, основанный на технологии виртуальной ре- но этого судна, а также маршрут движения ТНПА
альности, которая создает эффект присутствия чело- (рис. 4). Текущие данные, получаемые от датчиков и
века на ТНПА и позволяет повысить эффективность внешних устройств, сопоставляются с данными базы
управления перемещениями этого аппарата. Однако формализованных представлений безопасности: ава-
указанные системы не выдают операторам рекомен- рийное натяжение гибкого кабеля, сложный рельеф
даций (предупреждений) для исключения аварий- морского дна, возможный контакт депрессора с дном
ных ситуаций и не решают задачи согласованного или ТНПА, выход ТНПА из желаемого сегмента его
перемещения ТНПА и его депрессора для всесто- рабочей зоны и др. При этом выявляется возможность
роннего обследования больших глубоководных тер- возникновения аварийных ситуаций, а также форми-
риторий. руются рекомендации и сигналы для операторов.

Для обеспечения операторов ТНПА «Comanche Для удобства использования системы интел-
18» наглядными рекомендациями и предупреждени- лектуальной поддержки деятельности операторов
ями, формируемыми на основе информации, полу- ТНПА реализована возможность сохранения карт,
чаемой с различных датчиков, сенсоров и навигаци- треков, целевых точек и маршрутов для дальнейшего
онных систем разных производителей, разработана предоставления заказчикам подводных работ, а также
система интеллектуальной поддержки деятельности возможность их загрузки в систему для выполнения
операторов ТНПА [8, 13]. Эта система реализует ал- повторных погружений ТНПА с целью поиска и до-
горитмы управления согласованными перемещения- полнительного обследования найденных ранее под-
ми судна-носителя, ТНПА и его депрессора [14, 15]. водных объектов. Дополнительно была реализована
Программная реализация указанной системы созда- возможность сохранения и загрузки состояний си-
на на основе подхода, предложенного в работе [9], стемы. Причем каждое изменение ее состояния: по-
при этом использованы современные средства сре- ступление различных данных, команды операторов
ды .NET Framework и язык программирования C#, ТНПА, сигнализация и т.п. − автоматически
который позволяет эффективно разрабатывать вы-
сокопроизводительное многозадачное программное Рис. 4. Отображение ТНПА, депрессора и судна интерфейсом
обеспечение для наиболее распространенных ком- системы
пьютеров под управлением ОС Windows 8, 8.1, 10.

Созданная система взаимодействует с маяка-
ми-ответчиками ТНПА и депрессора, обменивается
данными с судовой навигационной системой, содер-
жащей GPS и компас, а также с гидроакустическим
навигационным комплексом, имеющим ультрако-

ПОДВОДНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И РОБОТОТЕХНИКА. 2019. ¹ 4 (30) 7

СИСТЕМЫ, ТЕХНОЛОГИИ И ЭКСПЕРИМЕНТЫ

сохраняются в файл. Эта возможность впоследствии
позволяет анализировать процесс выполнения уже
завершенных погружений ТНПА с целью выявле-
ния ошибок как в работе системы, так и в действиях
операторов.

3. Особенности выполнения подводных
работ

С 2011 г. ТНПА «Comanche 18» прошел 7 экс- Рис. 5. Спуск ТНПА в воду
педиций ННЦМБ ДВО РАН в Японском, Охот-
ском и Беринговом морях, а также в Тихом океане палубы таким образом, чтобы не допустить слаби-
(Императорский хребет) и провел под водой более ны и попадания на вращающиеся лопасти винта.
Когда ТНПА полностью вытягивает гибкий кабель,
500 ч. За это время был накоплен большой опыт ра- начинается одновременное заглубления аппарата и
депрессора.
боты с ТНПА и была выработана определенная тех-
Взаимное расположение ТНПА и депрессора
нология выполнения подводных работ. определяется с помощью установленных на них ма-
Перед погружением ТНПА в районе работ вы- яков гидроакустической навигационной системы с
ультракороткой базой Sonardyne Fusion, антенна ко-
полняются промеры судовым эхолотом, и на основе торой размещается и фиксируется в шахте кормовой
этих измерений строится уточненная карта глубин лаборатории НИС «Академик М.А. Лаврентьев» с
интересующих полигонов. Эта карта загружается в помощью изготовленной разборной штанги.
программу поддержки деятельности операторов и
используется в процессе управления ТНПА. Прово- Использование ТНПА в гидробиологических
дится проверка работоспособности всех подсистем целях предполагает его работу вблизи дна с посад-
ТНПА и надводного управляющего комплекса. ками на грунт, при этом неизбежно поднимается ил
и ухудшается видимость, что мешает фото- и виде-
После выхода судна в заданную точку полигона осъемке, а также пробоотбору. Поэтому необходимо
определяется возможность удержания судна в этой планировать работу таким образом, чтобы ТНПА
точке в условиях дрейфа, обусловленного ветром и был сориентирован и перемещался против течения,
течением. Если погодные условия позволяют судну не возвращаясь на отработанные места, особенно
удерживаться, то начинается спуск ТНПА в воду. Осо- в условиях сильно заиленного грунта. Чтобы при
бенностью НИС «Академик М.А. Лаврентьев» явля- всплытии ТНПА не взмучивал придонные слои
ется то, что гребной винт напрямую связан с главным воды, он должен иметь положительную плавучесть,
двигателем, а регулировка скорости и направления т.е. при отключении вертикальных движителей ап-
движения судна осуществляется посредством пово- парат самостоятельно всплывает, в противном случае
рота лопастей винта регулируемого шага. Запуск и вертикальные движители поднимают облака мути.
остановка главного двигателя на НИС «Академик При движении над грунтом вертикальные движите-
М.А. Лаврентьев» занимает 25–30 м. При погруже- ли ТНПА работают на прижим, т.е. создают поток
нии ТНПА с вращающимся винтом есть опасность воды, идущий вверх, что способствует снижению
затягивания гибкого кабеля на лопасти этого винта, взмучивания воды вблизи грунта.
но при спуске с неработающим двигателем теряет-
ся много времени на возвращение судна в исходную При планировании работы ТНПА в условиях под-
точку, поскольку, как показала практика, судно может водных гор выбирается направление движения вверх
снести до 1,5 мили. Поэтому была выработана следу- по склону, поскольку основные сенсоры, видеока-
ющая методика спуска. меры, фонари и манипуляторы ТНПА расположены
в его передней полусфере. Это позволяет устранять
Кормовой П-рамой на жестком кабель-тросе опу-
скается депрессор и погружается в воду на глубину
1–2 м. Затем с правого борта судна краном опускает-
ся сам аппарат (рис. 5) и по поверхности отводится
от судна за корму. Оператор наблюдает за перемеще-
ниями ТНПА с помощью палубной системы наруж-
ного видеонаблюдения. В процессе отхода ТНПА
от борта судна гибкий кабель вручную выдается с

8 ПОДВОДНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И РОБОТОТЕХНИКА. 2019. ¹ 4 (30)

СИСТЕМЫ, ТЕХНОЛОГИИ И ЭКСПЕРИМЕНТЫ

столкновения аппарата с дном, улучшить обзор зоны Рис. 6. Подъем депрессора на палубу
работ, а также выполнять операции с манипулято-
рами в режиме зависания ТНПА вблизи донной по- наматывая жесткий кабель, при этом оператор регу-
верхности в случае большой крутизны склона и не- лирует скорость всплытия аппарата его вертикальны-
возможности приземлить аппарат. ми движителями. Начинается процедура остановки
главного двигателя судна, чтобы при достижении
Работа с ТНПА требует тесного взаимодействия депрессором глубины 80–100 м лопасти винта не
с экипажем судна-носителя. При перемещении ап- вращались. После остановки двигателя депрессор
парата к месту работы и одновременно к границам поднимается на палубу (рис. 6), а ТНПА своим хо-
его рабочей зоны депрессор необходимо перемещать дом перемещается в зону захвата судового крана, при
в сторону ТНПА, что требует передвижения судна. этом на палубу выбирается слабина гибкого кабеля.
Кроме того, для исключения касаний дна депрессо- При подходе к борту на ТНПА вешается замок-фик-
ром и гибким кабелем депрессор нужно удерживать сатор, и аппарат поднимается на борт, спускоподъ-
выше ТНПА на некотором расстоянии, которое опре- емная команда обеспечивает безопасный спуск на
деляется экспериментально в зависимости от релье- палубу.
фа дна. Для осуществления этих операций налажена
связь с мостиком судна и оператором спускоподъ- Сразу после спуска на палубу проводится провер-
емного устройства (лебедки), на котором находится ка работы ТНПА, затем раздается добытый научный
жесткий кабель. В процессе управления перемеще- материал, аппарат опресняется, раскрепляется, и суд-
ниями ТНПА вблизи донной поверхности с поста но готовится к переходу к новому месту работы.
управления аппаратом даются необходимые команды
экипажу судна-носителя для перемещения этого суд- 4. Результаты экспедиционных
на в заданном направлении на заданное расстояние, а исследований
также команды на подъем или опускание депрессора
с помощью лебедки. Предложенные технологические решения были
использованы в глубоководной научно-исследова-
НИС «Академик М.А. Лаврентьев» имеет тельской экспедиции ННЦМБ ДВО РАН, при уча-
ограниченные средства позиционирования (глав- стии Института проблем морских технологий ДВО
ный двигатель и носовое подруливающее устрой- РАН, по исследованию подводных гор и гайотов Им-
ство), при этом многолетний опыт экспедиционных ператорского хребта (северо-западная часть Тихого
работ показал, что даже в условиях ограниченной океана) на НИС «Академик М. Лаврентьев» (рейс
маневренности таких судов все же возможно переме- № 86) в июле–августе 2019 г. Целью этой экспе-
щение депрессора ТНПА с точностью, достаточной диции являлось комплексное исследование эко-
для выполнения исследовательских операций [4, 8]. систем океанических поднятий с помощью ТНПА
Однако в условиях течений и при воздействиях силь- «Comanche 18». В ходе 19 рабочих погружений
ного ветра даже под управлением опытного экипа-
жа обеспечивающего судна без точной системы его
динамического позиционирования могут возникать
существенные трудности перемещения депрессора в
направлении ТНПА. В указанной ситуации целесо-
образно задавать желаемые направление и скорость
движения судна и перемещать ТНПА вслед за этим
судном таким образом, чтобы он все время находился
в передней полусфере своей рабочей зоны, т.е. перед
депрессором. Такое взаиморасположение ТНПА и
его депрессора дает возможность аппарату остано-
виться вблизи обнаруживаемых объектов и успевать
выполнять заданные операции, не требуя моменталь-
ной остановки судна-носителя. Кроме того, при дви-
жениях вверх по склону указанное взаиморасположе-
ние позволяет избежать запутывания гибкого кабеля
и соударений депрессора с дном.

После окончания подводных работ дается коман-
да на всплытие ТНПА, лебедка поднимает депрессор,

ПОДВОДНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И РОБОТОТЕХНИКА. 2019. ¹ 4 (30) 9

СИСТЕМЫ, ТЕХНОЛОГИИ И ЭКСПЕРИМЕНТЫ

Рис. 7. Карта-схема движения судна и районов работ

аппарата впервые проведено комплексное иссле- молинейном движении аппарата на минимальном
дование глубоководных экосистем подводных гор, расстоянии от дна с постоянной средней скоростью
распределение типичных подводных ландшафтов и около 0,5 узла (0,25 м/с). В зависимости от обстанов-
ключевых обитателей уязвимых морских экосистем ки, длина видеотрансект составляла от 50 до 400 м
вершин и верхней части склонов подводных гор (в среднем около 200 м); ширина полосы обзора –
Коко, Джингу, Оджин и Нинтоку (рис. 7) в диапазоне от 1,3 до 2,6 м (в среднем 1,8 м).
глубин от 338 до 2182 м.
Прицельный пробоотбор проводился с целью
Главными методами исследования донной фауны определения трофической специализации животных.
в рейсе были сбор донных организмов и прямые ви- Отобранные для трофоэкологических исследова-
зуальные наблюдения с помощью видеокамеры вы- ний материалы замораживали при –22 °С. Образцы,
сокого разрешения ТНПА «Comanche 18», которые предназначенные для молекулярно-биологических,
осуществлялись во всех погружениях непрерывно гистологических, биохимических и других исследо-
и документировались фотосъемкой и видеозаписью. ваний, подготавливались и фиксировались по соот-
Такой метод позволяет получить адекватную инфор- ветствующим методикам.
мацию о составе, распределении и поведении жи-
вотных размерами более 1 см, а в особых случаях и Кроме того, для выполнения геологических ис-
0,5 см. Сбор макробентоса производился манипуля- следований на протяжении маршрутов движения
тором ТНПА (рис. 8, а), для сбора мейобентоса ис-
пользованы металлические трубки (рис. 8, б). аб

Для измерения размеров животных в естествен- Рис. 8. а – сбор макробентоса; б – сбор мейобентоса
ных условиях и оценки плотности их распределения
использовалась лазерная шкала 10 см, образованная
параллельными лучами двух лазеров, закрепленных
на корпусе видеокамеры. Для проведения количе-
ственного учета объектов в ходе погружений дела-
лись видео-разрезы. Все видеоразрезы проводились
при стандартных настройках видеокамеры при пря-

10 ПОДВОДНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И РОБОТОТЕХНИКА. 2019. ¹ 4 (30)

СИСТЕМЫ, ТЕХНОЛОГИИ И ЭКСПЕРИМЕНТЫ

ТНПА выполнялось профилирование, съемка гидро- Императорского хребта, сделаны уникальные и важ-
локатором кругового обзора, а также отбор проб оса- ные для биогеографии находки видов-индикаторов
дочных слоев грунта и геологических пород. уязвимых морских экосистем.

Разработанная система поддержки деятельности Получены новые данные о биоразнообразии ма-
операторов использовалась в процессе всех погру- кробентоса исследованной группы подводных гор
жений ТНПА, позволяя планировать маршруты, за- и гайотов. Впервые показано изменение фауны ко-
давать целевые точки и указывать местоположения раллов в широтном направлении в районе Импера-
подводных объектов посредством ввода географи- торского хребта [1]. Использование ТНПА не толь-
ческих координат или с помощью отметок на загру- ко обеспечило щадящий бесконтактый мониторинг
женной карте зоны работ. Отобранные геологические донных сообществ, но и увеличило возможности це-
образцы и морские организмы отмечались на карте ленаправленного сбора донных организмов. Необхо-
работ нумерованными маркерами с текущими коор- димо отметить, что исследования показали как пер-
динатами и идентифицирующими подписями (см. спективность фаунистических и биогеографических
рис. 4). При этом система добавляла в лог файл по- исследований в данном районе, так и крайне малую
гружения запись, содержащую координаты объекта,
его глубину, идентифицирующую подпись, а также степень его изученности.
время и дату, что упростило учет обнаруженных объ-
ектов. На основе навигационной информации разра- ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ботанная система с помощью графического интер-
фейса отображала треки перемещений судна, ТНПА Результаты экспедиционных работ, выполненных
и его депрессора. Эти треки сохранялись в лог-фай- в 2019 г. в глубоководной научно-исследовательской
лы, формат которых позволил легко загружать их в экспедиции в Тихом океане на НИС «Академик М.А.
различные программы для построения трехмерных Лаврентьев», показали, что предложенная техноло-
поверхностей и рельефов. Возможность системы гия использования ТНПА рабочего класса «Comanche
планировать маршруты перемещений с учетом из- 18» позволяет этому аппарату успешно решать по-
меняющейся рабочей зоны ТНПА и генерируемые ставленные научно-исследовательские задачи об-
предупреждения и рекомендации позволили повы- следования больших глубоководных полигонов. При
сить эффективность и безопасность выполнения этом на всем протяжении маршрутов движения аппа-
поставленных задач в условиях сильных течений и рата в условиях сложного рельефа подводных гор и
сложного рельефа подводных гор. сильных придонных течений качественно выполня-
лись операции:
Всего в процессе решения задач экспедиции
ТНПА провел 52 ч вблизи дна при выполнении подво- видео- и фотосъемка;
дных работ. Получено 1789 высококачественных фо- съемка гидролокатором кругового обзора;
тографий разрешением 5 Мп и 49 ч видеозаписей глу- профилирование;
боководных экосистем в формате Full HD (см. рис. 5). отбор проб воды;
С помощью установленных на ТНПА «Comanche отбор осадочных слоев грунта;
18» многозвенного манипулятора Schilling Orion 7Р отбор образцов геологических пород;
и специальных пробоотборников выполнено 158
станций для отбора бентосных организмов, донных отбор животных.
осадков и образцов геологических пород, при этом Выражаем благодарность капитану В.Б. Птуш-
было отобрано 679 отдельных проб животных. В кину и экипажу НИС «Академик М.А. Лаврентьев»
ходе экспедиции было отобрано и законсервировано за высокопрофессиональное обеспечение глубоко-
253 пробы уникальных биобразцов, которые будут водных работ ТНПА. Благодарим коллектив отдела
снабжены обширным информационным паспортом, глубоководного оборудования ННЦМБ ДВО РАН за
размещенным на сайте «Морского биобанка» [16], и оснащение ТНПА «Comanche 18» устройствами для
будут перспективным материалом для дальнейших пробоотбора и успешное выполнение сложных под-
исследований, а также качественным референсным водных операций этим аппаратом. Также выражаем
материалом. благодарность Н.Ю. Коноплину за программную ре-
ализацию системы поддержки деятельности операто-
В результате применения ТНПА было впервые ров ТНПА.
изучено биоразнообразие и распределение корал- Разработка и программная реализация системы
лов Octocorallia и губок Hexactinellidae, значительно интеллектуальной поддержки деятельности опера-
расширен список родов морских перьев Pennatulacea торов ТНПА выполнены при финансовой поддержке

ПОДВОДНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И РОБОТОТЕХНИКА. 2019. ¹ 4 (30) 11

СИСТЕМЫ, ТЕХНОЛОГИИ И ЭКСПЕРИМЕНТЫ

РНФ (проект №17-79-10064). Алгоритмы управления направлениях энергетики, механики и робототехни-
согласованными перемещениями ТНПА и депрессо- ки». Экспериментальные исследования выполнены
ра разработаны при финансовой поддержке РФФИ при финансовой поддержке программы «Дальний
(проекты 16-29-04195 офи м и 18-08-01204 а). Тести- Восток» (грант 18-5-054). Экспедиция ННЦМБ ДВО
рование программного обеспечения системы выпол- РАН на борту НИС «Академик М.А. Лаврентьев»
нено при финансовой поддержке программы прези- (июль−август 2019 г.) профинансирована Минобр-
диума РАН № 7 «Новые разработки в перспективных науки России.

ЛИТЕРАТУРА

1. Даутова Т.Н., Галкин С.В., Табачник К.Р., Минин К.В., Киреев П.А., Московцева А.В., Адрианов А.В. Первые сведения о структуре
уязвимых морских экосистем Императорского хребта – индикаторные таксоны, ландшафты, биогеография // Биология моря. 2019. № 6.

2. Дуленин А.А., Кудревский О.А. Использование легкого телеуправляемого необитаемого подводного аппарата для морских прибреж-
ных гидробиологических исследований // Вестн. Камчат. гос. техн. ун-та. 2019. №. 48. С. 6–17.

3. Казанин А.Г., Казанин Г.С., Иванов Г.И., Саркисян М.В. Инновационные технологии при выполнении инженерно-геологических работ
на арктическом шельфе России // Научн. журна. рос. газового общества. 2016. № 3. С. 13–18.

4. Галкин С.В., Виноградов Г.М. Видим дно! // Природа. 2019. №. 6. С. 16–22.
5. Поярков С.Г., Римский-Корсаков Н.А., Флинт М.В. Технические аспекты исследований окружающей среды западной части Карского
моря // Океанол. исследования. 2017. Т. 45, №. 1. С. 171–186.
6. Костенко В.В., Мокеева И.Г. Исследование влияния кабеля связи на маневренность телеуправляемого подводного аппарата // Подвод­
ные исследования и робототехника. 2009. № 1 (7). С. 22–27.
7. Костенко В.В., Ляхов Д.Г., Мокеева И.Г. К вопросу оценки эффективности использования телеуправляемых подводных аппаратов
обследовательского класса // Материалы 4-й Всерос. науч.-техн. конф. «Технические проблемы освоения Мирового океана». 2011. Т. 4. С.
97–104.
8. Филаретов В.Ф., Коноплин А.Ю., Коноплин Н.Ю. Разработка и натурные испытания системы интеллектуальной поддержки деятель-
ности операторов ТНПА // Подводные исследования и робототехника. 2018. № 2 (26). С. 12–20.
9. Филаретов В.Ф., Коноплин А.Ю., Коноплин Н.Ю. Подход к разработке информационно-управляющей системы для телеуправляемых
подводных аппаратов // Подводные исследования и робототехника. 2017. № 1 (23). C. 44–49.
10. Пат. РФ Устройство для сбора гидробионтов с помощью водного потока / Денисов В.А., Серинов Ю.М.; № 88511; 20.11.2009, Бюл.
№ 32.
11. Вельтищев В., Кропотов А., Николаев Е., Челышев В., Ходкин А. Информационно-управляющая система необитаемого подводного
аппарата // Современные технологии автоматизации. 1997. № 2. С. 46–49.
12. García J.C., Patrão B., Almeida L., Pérez J., Menezes P., Dias J., Sanz P.J. A Natural Interface for Remote Operation of Underwater Robots //
IEEE Computer Graphics and Applications. 2017. Vol. 37. P. 34–43.
13. Filaretov V.F., Konoplin A.Yu., Konoplin N.Yu. Development of Intellectual Support System for ROV Operators // IOP Conference Series
Earth and Environmental Science. 2019. Vol. 272 (032101). DOI: 10.1088/1755-1315/272/3/032101.
14. Filaretov V., Konoplin A., Konoplin N. System for cooperative movements of ROV and its supporting vessel // Proc. of the 28th DAAAM Int.
Symp. Zadar. Croatia, 2017. P. 513–516.
15. Коноплин А.Ю. Разработка алгоритмов управления перемещениями ТНПА и блоком-заглубителем // Сб. тр. IX Всерос. науч.-техн.
конф. с международным участием «Робототехника и искусственный интеллект». Железногорск, 2018. С. 44–49.
16. Морской биобанк. Ресурсная коллекция, центр коллективного использования. – URL: http://marbank.dvo.ru (дата обращения:
11.11.2019).

12 ПОДВОДНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И РОБОТОТЕХНИКА. 2019. ¹ 4 (30)

МОДЕЛИ, АЛГОРИТМЫ И ПРОГРАММНЫЕ СРЕДСТВА ●

УДК 004.896+629.58+001.891.57 10.25808/24094609.2019.30.4.002

ПРОГРАММНАЯ ПЛАТФОРМА
ДЛЯ ПОСТРОЕНИЯ РАСПРЕДЕЛЕННЫХ СИСТЕМ

УПРАВЛЕНИЯ МОРСКИХ
РОБОТИЗИРОВАННЫХ КОМПЛЕКСОВ

Г.Д. Елисеенко, А.В. Инзарцев, А.М. Павин Федеральное государственное бюджетное учреждение науки
Институт проблем морских технологий ДВО РАН1

Описывается программная платформа (ПП), используемая при проектировании систем управления для
морских роботизированных комплексов (МРК), в том числе имеющих распределенную структуру. При раз-
работке ПП учитывался опыт ИПМТ ДВО РАН в создании и эксплуатации широкого спектра средств подвод­
ной робототехники. Ключевой особенностью ПП является использование децентрализованного асинхрон-
ного событийно-ориентированного режима обмена специализированными пакетами данных (сообщениями)
между всеми программными компонентами МРК. Помимо этого ПП предоставляет ряд средств, облегчающих
проектирование, наладку и эксплуатацию систем управления (визуализация информационного трафика в си-
стеме, логирование и постобработка потоков данных, реконфигурирование программного обеспечения, си-
муляция работы отдельных компонентов МРК). Рассматривается «философия» построения ПП, обсуждаются
особенности организации и функционирования ее компонентов.

ВВЕДЕНИЕ

Последние годы характеризуются все более мас- Рис. 1. Пример организации информационного взаимодействия
совым использованием группировок мобильных ро- элементов морских роботизированных комплексов
бототехнических систем, включающих разнородные
типы роботов. Сказанное в полной мере относится и Можно выделить ряд основных функций, которые
к морским роботизированным комплексам (МРК). В должна выполнять такая платформа:
состав МРК могут входить один или несколько мо-
бильных роботов, например телеуправляемый под- 1) поддержка высокоскоростного информацион-
водный аппарат, АНПА, безэкипажный катер, летаю- ного обмена между программными компонентами
щий беспилотный аппарат и т.д. Комплекс включает внутри одного компьютера в режиме реального вре-
также пост управления, который может состоять из мени;
нескольких компьютеризированных рабочих мест
(постов оператора). В свою очередь, каждый мобиль- 2) поддержка информационного обмена с ми-
ный робот и каждое рабочее место оператора могут нимальными накладными расходами между про-
состоять из нескольких компьютеров, объединенных граммными компонентами различных компьютеров,
в локальную вычислительную сеть и имеющих раз-
нородные (разноскоростные) соединения с другими 1 690091, г. Владивосток, ул. Суханова, 5а. Тел.: +7 (423) 222-64-16.
элементами МРК (рис. 1). E-mail: [email protected], [email protected], [email protected]

Сложность разработки программного обеспече-
ния для МРК заключается в необходимости инте-
грации множества разнородных модулей подводных
роботов в едином информационном пространстве.
Решение подобной задачи может быть упрощено за
счет использования базовой программной платфор-
мы (ПП), предоставляющей набор типовых средств.

ПОДВОДНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И РОБОТОТЕХНИКА. 2019. ¹ 4 (30) 13

МОДЕЛИ, АЛГОРИТМЫ И ПРОГРАММНЫЕ СРЕДСТВА

находящихся в одной вычислительной сети и вклю- при использовании клиент-серверной техноло-
чающей разнородные физические каналы связи; гии возникают временные задержки из-за необходи-
мости поочередного доступа к хранилищу данных,
3) отображение существующих информацион- что ограничивает область применения подобного
ных потоков различных элементов комплекса в од- информационного взаимодействия для систем реаль-
ном графическом интерфейсе оператора (например, ного времени;
отображение местоположения всех роботов и распоз-
наваемых объектов на карте местности с привязкой к наличие единого хранилища данных снижает
географическим координатам); надежность системы в целом за счет увеличения ри-
ска потери всех логируемых данных.
4) сбор и логирование (сохранение) всех или из-
бранных информационных потоков внутри МРК, в Таким образом, анализ существующих решений
том числе, в режиме «прореживания данных»; позволяет выделить следующие требования к орга-
низации информационного взаимодействия компо-
5) постобработка и отображение сохраненных нентов МРК:
данных с возможностью воспроизведения («про-
игрывания») реальных ситуаций; необходимо применение распределенных (де-
централизованных) событийно-ориентированных
6) возможность симуляции (имитации) работы подходов при организации информационного вза­
отдельных компонентов программного обеспечения, имодействия;
в том числе в ускоренном режиме и на основе сохра-
ненной информации. в основу информационного взаимодействия
должны быть положены технологии с асинхронным
Ключевым моментом при разработке ПП являет- режимом передачи данных (без установления соеди-
ся реализация первых двух из перечисленных выше нения) с минимальными временными задержками
пунктов. Известно несколько различных средств обе- при передаче информации для обеспечения режима
спечения информационного взаимодействия между реального времени.
процессами внутри операционной системы (ОС).
Примером может служить использование общей па- для обеспечения «горячего» реконфигуриро-
мяти. Достоинством подхода является низкая ресур- вания программные модули должны иметь возмож-
соемкость. Однако подобный метод обладает рядом ность подключения к информационному обмену в
недостатков: системе в любой момент времени и восстановлению
обмена после разрыва соединения;
невозможность обмена данными между про-
цессами, находящимися на разных узлах ЛВС; логирование данных должно быть распреде-
ленным без «паразитного» трафика по сети и не вли-
необходимость разрешения конфликтов, свя- ять на обмен сообщениями в случае выхода из строя
занных с одновременным доступом к одним и тем же бортового накопителя;
областям памяти со стороны различных процессов;
компьютеры МРК должны иметь возможность
сложность организации событийно-ориенти- функционирования под управлением различных опе-
рованной модели; рационных систем.

наличие центрального звена (хранилища дан- Далее в статье речь пойдет о специализирован-
ных в оперативной памяти), что уменьшает надеж- ной программной платформе для МРК [3–5], создан-
ность системы в целом. ной в ИПМТ ДВО РАН с учетом приведенных выше
требований, а также опыта разработки и эксплуата-
Другим известным решением является приме- ции десятков образцов подводной робототехники
нение клиент-серверной технологии [1], в том чис- различной конфигурации и назначения (в частности,
ле с использованием баз данных [2]. Такой подход при создании малогабаритного АНПА [6]).
обеспечивает синхронизацию обмена информаци-
ей между процессами, а также отсутствие их вза­ „„ Информационный обмен на базе
имоблокировок. К его недостаткам относятся: распределенной программной платформы

необходимость локализации сервера на одном Программная платформа реализована в виде
из компьютеров сети, что влечет за собой все пробле- кроссплатформенной библиотеки. Для построе-
мы, связанные с наличием «центрального звена» (из- ния информационного взаимодействия элементов
быточное обращение к центральному узлу со сторо- МРК достаточно подключить библиотеку к каждой
ны компонентов, информационное взаимодействие программе, участвующей в общем обмене дан-
которых логически не связано с этим узлом); ными. При этом не требуется установка каких-либо

сложность выделения центрального звена в
сети с изменяющейся топологией (например, при из-
менении конфигурации МРК во время работы);

14 ПОДВОДНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И РОБОТОТЕХНИКА. 2019. ¹ 4 (30)

МОДЕЛИ, АЛГОРИТМЫ И ПРОГРАММНЫЕ СРЕДСТВА

дополнительных компонентов, утилит или посто- действия программной платформы. События, связан-
янно действующих сторонних процессов системы. ные с отправкой и получением данных, генерируют-
Библиотека отвечает за транспорт сообщений между ся программами-поставщиками, а реакция на эти со-
компонентами МРК, организацию очереди сообще- бытия обеспечивается программами-потребителями.
ний, обработку конфигурационных файлов, логиро- При возникновении события, связанного с обменом,
вание данных и поддерживает следующие основные система производит следующую последовательность
механизмы обмена сообщениями: действий:

асинхронная посылка сообщений всем потре- 1. Процесс-источник данных публикует сооб-
щение на указанный порт в соответствии с ip-адреса-
бителям без блокирования поставщика; ми, определенными в настройках.
ожидание события прихода сообщений с орга-
2. Сообщение передается в операционную си-
низацией очереди фиксированного размера; стему и рассылается по всем указанным адресатам,
доступ в любой момент времени к последне- включая (при необходимости) localhost-, multicast-
и/или broadcast-вещания.
му пришедшему сообщению определенного типа без
3. Принимаемое по сети или локально сообще-
блокировки потребителя данных; ние встает в очередь в операционной системе.
подписка на публикацию, получение или счи-
4. Процессы-потребители посредством библио-
тывание сообщений конкретного типа; теки ПП проверяют порты (определенные именами
регистрация таймеров в программе и ожида- сообщений), считывают сообщения из очереди и ре-
агируют на них как на событие.
ние событий срабатывания таймера.
В основу разработанной программной платфор- Формат сообщений программной платформы
представлен на рис.  2. Заголовок сообщения имеет
мы положен децентрализованный принцип обмена фиксированный размер и содержит минимальную
сообщениями, когда каждый компонент системы яв- служебную информацию для идентификации сооб-
ляется одновременно поставщиком и потребителем щения и доступа к другим разделам сообщения.
данных. Обмен между процессами осуществляется
посредством сообщений, которые представляют со- Раздел структуры передаваемых/принимаемых
бой особым образом структурированные блоки ин- данных представляет собой последовательность байт
формации. Сообщения посылаются в асинхронном определенного формата (специфичный формат поль-
режиме. Такой подход позволяет избежать блокиров- зователей, лежащий за рамками API библиотеки).
ки программ-поставщиков данных в случае неста-
бильной (или замедленной) работы программ-потре-
бителей, а также в случае нестабильной связи между
модулями. Кроме того, данное решение гарантиру-
ет функционирование модулей в режиме реального
времени, насколько это позволяют ресурсы вычисли-
тельного комплекса. Все сообщения в ПП обладают
уникальным идентификатором (именем), который
равен символьному представлению типа данных.
Такой подход гарантирует отсутствие пересечений
идентификаторов у сообщений разных типов, так
как имена структур в единой сборке программного
обеспечения обязаны быть уникальными. Более под-
робную информацию о библиотеке обмена сообще-
ниями можно найти в [4, 5].

„„ Организация событийно-ориентированного
подхода в системе

Событием в рассматриваемой системе может Рис. 2. Формат сообщений программной платформы
являться момент приема сообщения, срабатывание
системного таймера или истечение таймаута, а так-
же системные, внутренние и пользовательские со-
бытия и прерывания, которые остаются вне области

ПОДВОДНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И РОБОТОТЕХНИКА. 2019. ¹ 4 (30) 15

МОДЕЛИ, АЛГОРИТМЫ И ПРОГРАММНЫЕ СРЕДСТВА

Служебный заголовок содержит информацию о вре- программ, что в итоге накладывает ряд существен-
мени публикации и размеры параметров служебной ных ограничений при модернизации и масштабиро-
информации. В последнем разделе перечислены вании программного обеспечения (ПО) МРК. В то
имена сообщения и хоста, с которого отправлено со- же время использование TCP-соединений также не
общение. Структура сообщения организована таким гарантирует доставку в случае физического обрыва
образом, что при наличии низкоскоростного канала линии, но при этом приводит к необходимости соз-
связи можно пересылать не все сообщение, а только дания дополнительных специфических обработок в
минимальный заголовок и данные (размер данных реализации ПО.
указан в заголовке). Таким образом, в каналах с огра-
ниченной пропускной способностью будет потерян Для обеспечения взаимодействия процессов,
ряд служебной информации, но при этом размер со- находящихся на разных компьютерах сети, выбран
общения сократится до размера переносимых дан- сетевой протокол UDP, который поддерживается
ных и минимально-необходимого (для идентифика- большинством современных сетевых карт, операци-
ции пакета) заголовка. онных систем и компиляторов на уровне POSIX. В
отличие от TCP, он менее ресурсоемок и специально
Деление информационных пакетов на коман- предназначен для передачи пакетов данных в режиме
ды, сообщения и данные на практике часто являет- реального времени. Недостатком UDP является от-
ся условным. В рамках ПП считается, что команды сутствие гарантии доставки пакетов. Однако при ор-
указывают на необходимость некоторых действий ганизации систем передачи данных в режиме реаль-
со стороны компонентов системы и должны быть ного времени в случае потери или искажения пакета
доставлены потребителям при наличии физическо- можно выбрать только одно из двух:
го канала обмена, в то время как данные только уча-
ствуют в расчетах, поставляются периодически, и тратить ресурсы и время для гарантированной
отдельные пакеты данных могут быть потеряны без передачи пакета, который в итоге может оказаться не
серьезных последствий. актуальным из-за временной задержки;

„„ Организация межпроцессорного отправить новый пакет данных и не задержи-
взаимодействия вать очередь других сообщений.

Как говорилось выше, взаимодействие процессов Современные сетевые карты и коммутаторы (в
между разными узлами ЛВС организовано путем об- особенности работающие в полнодуплексном ре-
мена целостными пакетами данных – сообщениями. жиме без коллизий) обеспечивают ничтожно ма-
В отличие, например, от системы ROS [7], структура лый процент потери пакетов. Потери случаются в
пользовательских данных внутри сообщений никак основном при обрыве физической линии или пере-
не регламентируется, полностью определяется раз- полнении буфера, в этом случае какими-то пакетами
работчиками соответствующих программ и не тре- приходится жертвовать. При взаимодействии компо-
бует никакой препроцессорной обработки. Особен- нентов МРК в рамках одного компьютера опасность
ностью реализованного в ПП асинхронного режима потери данных отсутствует. При распределенной ра-
передачи сообщений является применение двух вза- боте (по сети) всегда есть возможность потери свя-
имодополняющих решений: зи, вне зависимости от применяемого протокола.

повторная (дублирующаяся) отправка крити- В любом случае, при отсутствии необходимых
чески важных сообщений группе потребителей; для модуля данных необходимо особым образом об-
рабатывать подобные ситуации. Обработка видится
использование нескольких сетевых карт и раз- проще, если сама программа не «заморожена» на
личных физических маршрутов между компонента- приеме. Применяемый протокол UDP не требует
ми МРК. создания подключений между поставщиками и по-
требителями данных. В случае с TCP для взаимодей-
Первое решение максимизирует вероятность по- ствия ряда программ, находящихся в тесном инфор-
лучения критически важных команд группой потре- мационном обмене (например, если они образуют
бителей. Такие команды являются однократными и полносвязный информационный граф) пришлось бы
посылаются достаточно редко. Использование для создать множество подключений между каждой па-
этих целей протоколов с гарантированной достав- рой программ. У UPD имеется возможность отправ-
кой (например, TCP) приводит к необходимости ки одного сообщения группе компьютеров и про-
поддержания соединений между модулями и ис- грамм (multicast) или отправки широковещательного
пользования специализированных идентификаторов (broadcast) сообщения на определенную подсеть.

16 ПОДВОДНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И РОБОТОТЕХНИКА. 2019. ¹ 4 (30)

МОДЕЛИ, АЛГОРИТМЫ И ПРОГРАММНЫЕ СРЕДСТВА

Для кардинального увеличения надежности взаи- 1. Просмотр последнего опубликованного со-
модействия программ, функционирующих в различ- общения определенного типа в любой момент вре-
ных сегментах сети, в библиотеке межпроцессорного мени. Такой подход имитирует обращение к серверу
взаимодействия реализована возможность отправки за последними по времени поступившими данны-
данных по нескольким физическим маршрутам. Ос- ми определенного типа. В действительности серве-
новной проблемой при реализации обоих перечис- ра не существует, а в локальной копии библиотеки
ленных решений является не процесс отправки, а потребителя всегда хранится актуальная информа-
прием и фильтрация дублирующихся сообщений на ция обо всех сообщениях, на которые подписалась
стороне программы-потребителя. Для решения этой программа.
проблемы формат сообщений был дополнен цикли-
ческим идентификатором самого сообщения. Таким 2. Ожидание сообщения определенного типа
образом, реализованный в библиотеке алгоритм по- или одного из нескольких типов. В такой событий-
сле приема сообщения по какому-либо из каналов но-ориентированной модели программа-потреби-
связи сначала проверяет наличие данного сообщения тель находится в ожидании пакета данных и заблоки-
в хранимой у себя истории. рована до тех пор, пока не придет сообщение или не
истечет установленный тайм-аут. Этот подход позво-
Для уменьшения ресурсоемкости алгоритма в ляет легко организовать высокоскоростные циклы
библиотеке хранится только циклический буфер управления с минимальными временными задержка-
идентификаторов (точнее, остаток от деления иден- ми между событиями и выработкой реакции на них.
тификатора на размер циклического буфера) ранее
принятых сообщений, доступ к которому осущест- В случае когда необходимо взаимодействие груп-
вляется со сложностью O(1). Описанные решения пы программ в рамках одного компьютера, использу-
позволили без ощутимого увеличения расхода вы- ется передача сообщений в обход сетевой карты ком-
числительных ресурсов реализовать режим достав- пьютера. Такой режим необходим как для программ,
ки критически важных сообщений с использованием изначально находящихся на одной ЭВМ, так и для
нескольких физических каналов связи. локальной отладки программ, которые в дальнейшем
будут интегрированы в общую информационную
Получение данных процессами-потребителями сеть. При передаче данных от одного процесса дру-
возможно одним из двух способов (рис. 3): гому в рамках одного компьютера использован тот же

Рис. 3. Пример листинга программного кода с применением разработанной библиотеки

ПОДВОДНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И РОБОТОТЕХНИКА. 2019. ¹ 4 (30) 17

МОДЕЛИ, АЛГОРИТМЫ И ПРОГРАММНЫЕ СРЕДСТВА

механизм, что и при передаче по сети. Единственным одного компьютера создавать группы программ,
различием является то, что сообщения публикуются общающихся только между собой, но не имеющих
на локальный хост (localhost). При этом поддержи- общего обмена с другими программами на этом же
вается весь функционал взаимодействия процессов, компьютере.
приведенный выше.
2. Список ip-адресов потребителей данных.
Использование единого механизма передачи дан- Наличие списка позволяет ограничить обмен рамка-
ных (по сети и внутри одного компьютера) позволяет ми локального хоста, указать обмен только с конкрет-
простым и прозрачным способом перенастроить про- ным компьютером в сети или со всеми компьютера-
граммы на различные компьютеры или объединять ми, находящимися в указанной broadcast-подсети
модули в рамках одной ЭВМ при необходимости. или multicast-группе.

Причем в рамках одного компьютера гарантиро- 3. Параметр ускорения/замедления симуляци-
вана доставка сообщений без необходимости повтор- онного (виртуального) времени, который предна-
ной отправки данных, а для разных сегментов сети значен для проведения ускоренного моделирования
применяется множественная отправка, в том чиле по работы ПО и отладки подсистем аппарата (см. под-
разным физическим интерфейсам. робности ниже).

„„ Реконфигурирование программного Кроме общих настроек программ в упомянутом
обеспечения и использование таймеров каталоге могут располагаться файлы с инициализа-
ционными настройками специфичных (пользова-
В процессе создания ПО роботизированных ком- тельских) структур данных. Такой подход позволяет
плексов часто возникает потребность в применении формализовать и структурировать специфичную кон-
одних и тех же программ для различных элементов фигурацию всех модулей, а также избавляет исход-
МРК. Например, программа спутниковой навигации ный код программ от рутинных процедур считыва-
может располагаться на судне обеспечения, на авто- ния специфических (созданных разработчиком ПО)
номном и/или телеуправляемом подводном аппара- конфигурационных файлов. Все конфигурационные
те. Однако настройки таких программ часто бывают файлы представлены в формате JSON [8], который
различны (меняются адрес устройств и инициализа- легко интерпретируется как человеком, так и ма-
ционные параметры). Кроме того, на этапе создания шиной. Кроме того, для создания и редактирования
ПО настройки многих модулей могут быть неизвест- файлов в пользовательском интерфейсе программ-
ны разработчикам. ной платформы применен стандарт JSON-Schema [9].
Следование данному стандарту позволяет динамиче-
Для обеспечения быстрой реконфигурации про- ски создавать графические элементы интерфейса,
граммных модулей, использующих программную исключающие многие ошибки пользователя (напри-
платформу, разработана иерархическая конфигура- мер, ввод конфигурационного значения, явно больше
ционная модель, позволяющая без изменения исход- или меньше возможного).
ного кода программ осуществлять их перенастройку
в зависимости от решаемых задач. Для этого ис- Одной из специфичных конфигураций программ-
пользуется набор конфигурационных файлов, явля- ной платформы является параметр изменения хода
ющихся общими для всех модулей данной сборки системного времени. Этот параметр отличается от
ПО. Основной каталог конфигурационных файлов номинального значения (единицы) при проведении
содержит базовый конфигурационный файл библи- ускоренных или замедленных отладочных проце-
отеки ipc.json, который представляет собой общие дур. При этом один и тот же коэффициент изменения
настройки программной платформы. Если в каталоге времени может одновременно применяться к груп-
имеется папка, соответствующая имени программы, пе избранных программ или к каждой программе в
то содержащиеся в ней настройки переопределяют отдельности. Необходимость подобного масштаби-
примененные ранее (общие для всех программ). Это рования возникает при проведении модельных экс-
решение позволяет выделить как общую конфигу- периментов, а также для оценки запаса производи-
рацию для группы модулей, так и переопределить тельности ЭВМ для разработанного ПО в целом. Для
специфичные настройки (исключения) для каждого обеспечения унифицированного механизма работы
модуля в отдельности. К базовым конфигурацион- с «системным временем» программная платформа
ным настройкам библиотеки ПП относятся: содержит следующие средства:

1. Пул портов для прослушивания сообще- таймер, посылающий события (тики) фиксиро-
ний. Использование пула портов позволяет в рамках ванного интервала вызвавшему его процессу (рис. 3,
строка № 12 и 30). Таймер привязан к абсолютному

18 ПОДВОДНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И РОБОТОТЕХНИКА. 2019. ¹ 4 (30)

МОДЕЛИ, АЛГОРИТМЫ И ПРОГРАММНЫЕ СРЕДСТВА

времени, что позволяет производить интегральные в случае повреждения какого-либо файла или
операции с данными (например, счисление пути) без носителя остальная информация остается нетрону-
опасности накопления интегральной ошибки за счет той, что увеличивает надежность системы логирова-
накапливающегося сдвига (убегания) таймера; ния данных в целом.

таймаут ожидания сообщений (рис.  3, строка Файлы накопителя (рис. 4) представляют собой
№  31). Позволяет при использовании событийно-о- текстовые файлы в формате JSON, структура кото-
риентированной модели совершать обработку пре- рых включает две основные секции: описание струк-
вышения таймаута некоторого события или обраба- туры логируемого сообщения и сами данные.
тывать факт отсутствия ожидаемых данных;
Описание структуры данных в самом файле на-
относительную временную задержку. Приоста- копления позволяет корректно интерпретировать
навливает выполнение программы на определенный находящиеся во второй секции данные в отсутствие
интервал времени с высвобождением ресурсов ОС. какой-либо дополнительной информации.
Является аналогом функций delay и sleep, в которые
добавлен функционал обработки сигналов досроч- Описание структур данных представляет собой
ного завершения процесса (что позволяет корректно JSON-схему и содержит исчерпывающую информа-
завершать программы по сигналам ОС и системы цию о каждом сохраняемом параметре логируемого
управления); сообщения.

расчет абсолютного текущего времени. Функ- Следует отметить, что стандарт JSON-schema
ционал аналогичен использованию структур time_t включает описание как отдельных полей, так и вло-
из стандарта POSIX, но имеет более удобный для женных структур данных, что в итоге позволяет опи-
проведения математических расчетов формат (вре- сать любые пользовательские структуры данных. К
мя представлено в секундах с удвоенной точностью) основному описанию, согласующемуся со стандар-
и использует масштабный коэффициент изменения том JSON-schema, относятся:
времени (см. выше).
type – тип данных, который может быть объек-
„„ Логирование пользовательских данных том (структурой/классом в нотации C/C++), числом
средствами программной платформы (в том числе перечисляемым типом и числом с плава-
ющей запятой), строкой и булевым значением;
В рамках ПП децентрализованный принцип обме-
на сообщениями был распространен на логирование title – наименование параметра (содержит тек-
данных и их отображение в графическом интерфейсе стовую строку) в графическом интерфейсе пользова-
пользователя. В соответствии с принятым подходом теля;
каждый поставщик данных самостоятельно (посред-
ством библиотеки) сохраняет публикуемые сообще- Рис. 4. Пример файла накопления данных
ния в локальное или удаленное хранилище, а также
передает данные на компьютеры оператора для визу-
ализации. Реализация этих функций находится в са-
мой программной платформе и не имеет отдельного
API. Такой подход гарантирует, что все публикуемые
данные могут наблюдаться пользователем (разработ-
чиком, системным администратором) и всегда сохра-
няются для дальнейшего анализа. При логировании
данных каждое сообщение помещается в отдельный
файл. Такой подход имеет ряд преимуществ перед
часто используемым (например, в ROS) накоплени-
ем в единый файл:

возможность загрузки относительно неболь-
шого объема информации для быстрой оценки состо-
яния отдельных подсистем МРК без необходимости
скачивания всех накопленных данных;

ПОДВОДНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И РОБОТОТЕХНИКА. 2019. ¹ 4 (30) 19

МОДЕЛИ, АЛГОРИТМЫ И ПРОГРАММНЫЕ СРЕДСТВА

minimum/maximum – минимальное и макси- роботизированных комплексов. Дальнейшее раз-
мальное значение логируемого числового параметра; витие подхода видится в расширении функционала
программной платформы применительно к группо-
другие ключи, соответствующие стандарту [9]. вому управлению подводными роботами.
Кроме того, при создании графического интер-
фейса пользователя, использующегося для просмо- Работа выполнена при поддержке Программы
тра накопленных данных, применяется ряд допол- фундаментальных научных исследований по приори-
нительных ключей, которые не входят в стандарт тетным направлениям, определяемым президиумом
JSON-schema: Российской академии наук, № 7 «Новые разработки в
перспективных направлениях энергетики, механики
unit – текстовое описание единицы измерения и робототехники».
параметра;
ЛИТЕРАТУРА
precision – количество знаков после запятой,
использующееся для логирования и отображения 1. Reid S., Dale J. Inter-Process Communication. – URL:
числовых величин в плавающем формате. http://www.cs.cmu.edu/afs/cs/project/TCA/ftp/IPC_Manual.pdf
(дата обращения: 11.11.2019).
Децентрализованное логирование данных в раз-
работанной программной платформе предназначено 2. An Overview of MOOS-IvP and a Users Guide to the IvP
как для их последующего отображения, так и для Helm. – URL: https://oceanai.mit.edu/ivpman/pmwiki/pmwiki.php
проведения отладочных и симуляционных экспери- (дата обращения: 11.11.2019).
ментов. В частности, все сохраненные данные могут
быть повторно «проиграны» одной из утилит про- 3. Свидетельство о государственной регистрации про-
граммной платформы. С точки зрения программ- грамм для ЭВМ № 2019610890 РФ. Программная платфор-
ного обеспечения (использующего библиотеку ПП) ма для информационного взаимодействия функциональных
информационный поток от реально действующих компонентов в робототехнических системах / Елисеенко Г.Д.,
подсистем ничем не отличается от потока данных из Павин А.М., Инзарцев А.В., Сидоренко А.В.; правообладатель
накопителя. Для реализации данного функционала ФГБУН ИПМТ ДВО РАН. – № 2018665497; заявл. 27.12.2018;
логирование данных производится по событию пу- опубл. 18.01.2019, Бюл. № 1.
бликации их конкретным поставщиком, а не с по-
стоянным интервалом времени. Принятый подход с 4. Инзарцев А.В., Павин А.М., Елисеенко Г.Д,
разбиением всего потока логируемых данных на от- Родькин Д.Н., Сидоренко А.В., Лебедко О.А., Панин М.А. Ре-
дельные файлы-сообщения позволяет производить конфигурируемая кроссплатформенная среда моделирования
раздельное сохранение однотипных данных, опубли- поведения необитаемого подводного аппарата // Подводные ис-
кованных различными поставщиками. В свою оче- следования и робототехника. 2015. № 2 (20). С. 28–34.
редь, применение меток времени (рис. 4 – поле time в
ключе storage) позволяет в дальнейшем «проиграть» 5. Pavin A., Inzartsev A., Eliseenko G. Reconfigurable
поведение всей системы, в том числе в режиме уско- Distributed Software Platform for a Group of UUVs (Yet Another
ренного или замедленного времени. Robot Platform) // Proc. of the OCEANS 2016 MTS/IEEE. Monterey,
USA, 2016.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
6. Борейко А.А., Кушнерик А.А., Михайлов Д.Н.,
Описываемая программная платформа реализо- Павин А.М., Щербатюк А.Ф. Малогабаритный многофунк-
вана на языке программирования C++. В качестве циональный автономный необитаемый подводный аппарат
средства реализации использовалась кроссплатфор- «X300»  // Материалы VIII Всерос. науч.-техн. конф. «Техниче-
менная среда разработки приложений Qt Creator 5-й ские проблемы освоения Мирового океана» (ТПОМО-8). Влади-
версии, однако исходный код основан на стандарте восток, 2019. С. 33−37.
POSIX и не использует функционал библиотек Qt.
Библиотека ПП собрана и протестирована в несколь- 7. Robot Operating System/ROS. – URL: https://www.ros.
ких операционных системах (QNX, Linux, MacOS, org (дата обращения: 11.11.2019).
Windows, Android) и используется в большинстве
аппаратов, созданных в ИПМТ ДВО РАН. За годы 8. Butler H., Daly M., Doyle A., Gillies S., Hagen  S.,
эксплуатации принятые решения подтвердили свою Schaub T. The GeoJSON Format, RFC 7946. The Internet Engineering
высокую эффективность при выполнении задач, свя- Task Force. – URL: https://tools.ietf.org/html/rfc7946 (дата обраще-
занных с функционированием программного обеспе- ния: 05.10.2019).
чения в режиме реального времени на борту морских
9. Understanding JSON Schema. – URL: https://json-schema.
org/understanding-json-schema (дата обращения: 05.10.2019).

20 ПОДВОДНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И РОБОТОТЕХНИКА. 2019. ¹ 4 (30)

МОДЕЛИ, АЛГОРИТМЫ И ПРОГРАММНЫЕ СРЕДСТВА

УДК 681.883.67.001:621.396.677 10.25808/24094609.2019.30.4.003

О НЕКОТОРЫХ АЛГОРИТМАХ
РЕШЕНИЯ ЗАДАЧИ ПАТРУЛИРОВАНИЯ

ПОДВОДНОЙ СРЕДЫ С ПОМОЩЬЮ
ГРУППЫ ВЗАИМОДЕЙСТВУЮЩИХ АНПА

М.С. Спорышев1, А.Ф. Щербатюк2 Дальневосточный федеральный университет1

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки
Институт проблем морских технологий ДВО РАН2

Рассматривается задача патрулирования области в подводной среде с помощью группы автономных не-
обитаемых подводных аппаратов. Отмечаются проблемы, которые делают задачу вычислительно сложной и
недоступной для точных методов оптимизации. Исследован приближенный метод, получивший в последние годы
большую популярность, – обучение с подкреплением. Процесс патрулирования сформулирован в виде марков-
ского процесса принятия решений. Рассмотрена децентрализованная стратегия, допускающая обмен инфор-
мацией между аппаратами с возможной потерей данных и учитывающая сложности сетевого взаимодействия в
подводной среде. Исследованы алгоритмы на основе методов обучения с подкреплением и проведен их сравни-
тельный анализ. Описаны результаты моделирования работы предложенных алгоритмов в среде OpenAI gym.

ВВЕДЕНИЕ аппаратами. Каждый аппарат после разбиения отве-
чает за патрулирование только своей области. При-
Автономные необитаемые подводные аппараты мерами таких разбиений областей могут быть диа-
(АНПА) все чаще применяются в задачах, связанных граммы Вороного [8], Equitable partitioning [9]. Для
с поисковыми и наблюдательными миссиями. При- эффективной работы данных методов требуется на-
мерами таких сценариев могут быть миссии по охра- личие полной информации о расположении агентов
не акваторий [1], поисковые и инспекционные опе- и состоянии среды, что часто затруднено при исполь-
рации [2, 3], отслеживание морских животных [4]. зовании распределенных стратегий. Кроме того, в
Большая часть таких задач может быть решена более некоторых ситуациях области после разбиения полу-
эффективно при использовании группы взаимодей- чаются достаточно большими, что усложняет обмен
ствующих АНПА [5]. Однако использование группы данными между аппаратами на дистанциях больше
также повлечет за собой необходимость решения но- 1 км.
вых проблем [6, 7].
Одним из популярных для решения данной зада-
В данной работе рассматривается сценарий мис- чи является теоретико-игровой подход. В этом слу-
сии с патрулированием, в рамках которой аппаратам чае в миссии предполагается наличие злоумышлен-
требуется построить маршрут обхода заданной обла- ника, и задача состоит в максимизации вероятности
сти. При этом миссия не заканчивается при покрытии его обнаружения [10]. Теоретико-игровые методы,
области полностью, а длится непрерывно. Частным как правило, являются централизованными и вычис-
случаем такой миссии можно считать разведыватель- лительно затратными [11], что ограничивает их при-
ную миссию, при которой аппаратам требуется со- менение на борту АНПА.
вершить один цикл патрулирования, чтобы покрыть
область полностью. Отмеченными вычислительными сложностями
обусловлено использование эвристических подходов
Существует большое количество работ, посвя- для решения возникающих оптимизационных задач.
щенных выполнению миссий с патрулированием и Среди таких подходов могут быть эволюционные
разведкой заданной области с помощью групп взаи-
модействующих мобильных роботов. Один из подхо- 1 690091, г. Владивосток, ул. Суханова, 8. Тел.: +7 (423) 243-23-15.
дов основан на декомпозиции области на независи- 2 690091, г. Владивосток, ул. Суханова, 5а. Тел.: +7 (423) 243-25-78.
мые связные части, которые распределяются между E-mail: [email protected]

ПОДВОДНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И РОБОТОТЕХНИКА. 2019. ¹ 4 (30) 21

МОДЕЛИ, АЛГОРИТМЫ И ПРОГРАММНЫЕ СРЕДСТВА

оптимизационные методы [12] и методы на основе образом, , т.е. следующее состо-
машинного обучения, обучения с подкреплением
[13, 14]. яние среды является случайной величиной, зависи-

С учетом успешных применений методов обуче- мой от текущего состояния и действий аппаратов.
ния с подкреплением [15, 16], в данной работе пред-
лагаеется подход, получивший название proximal →R – функция, возвращающая
policy optimization [17]. Система управления каждым
аппаратом моделируется как марковский процесс числовую награду по текущей истории состояний и
принятия решений, где функцией принятия решений
выступает глубокая нейронная сеть. Такой алгоритм последнему действию. Значения этой функции на ка-
проходит процесс обучения в симуляционной среде,
где моделируются некоторые сценарии проблем об- ждом шаге будут использованы алгоритмом оптими-
мена данными между подводным аппаратами, а так-
же возможные выходы аппаратов из строя. зации для настраивания параметров функции πθ.
Рассматривается дискретный процесс, начина-

ющийся в некотором состоянии s0. На шаге
среда, включающая положения всех аппаратов, нахо-

дится в состоянии st. С помощью функции-стратегии
выбирается случайное действие at согласно распре-
делению , которое в данный момент време-

ни совершат аппараты. Среда переходит в случайное

1. Задача патрулирования состояние , распределенное со-
1.1. Патрулирование как марковский процесс
принятия решений гласно текущему состоянию, действию и функции

P, которая однозначно задается симулятором, среда

также сообщает награду в текущий

момент t. Такой процесс продолжается некоторое ко-

Предполагается, что имеется n аппаратов. Каж- нечное число шагов T.
дый аппарат имеет m управляющих сигналов, кото-
рые могут подаваться в его систему управления дви- Задача состоит в том, чтобы найти параметры

жением в любой момент времени, , i – номер функции πθ, при которых достигается максимум ма-
тематического ожидания суммы всех наград, полу-

аппарата, j – номер сигнала. Патрулирующий про- ченных за конечное число шагов T:

цесс задается пятью параметрами: ,

,

где S – множество состояний среды. В нашем случае ,

в качестве среды рассматривается ограниченная дву- .

мерная область. Предполагается, что каждому аппа-

рату доступно полное состояние среды и положения В вышеописанной постановке распределение

в ней всех аппаратов. В модели состояние пред- действий аппаратов зависит от всей истории со-

ставляет из себя прямоугольное изображение среды стояний среды при выполнении миссии, .

с нанесенными фигурами аппаратов. Аппроксимировать такую функцию распределения

A – множество действий, которые могут совер- весьма затруднительно, так как такая функция будет

шать АНПА. В нашем случае – зна- иметь переменное число аргументов, количество

чения управляющих сигналов каждого аппарата. которых может быть достаточно велико. Поэтому в

– функция распределения дей- рамках принятой модели вышеописанный процесс

ствий at, которые должны совершить аппараты в принятия решений сводится к марковскому, в ко-
момент времени t, по текущей истории состояний
тором функция награды и функция распределения

среды . В данной работе функция-страте- действий зависят только от предыдущего состояния,

гия аппроксимируется глубокой нейронной сетью с вместо всей истории.

параметрами θ, которые вычисляются путем реше- Состоянием среды st будем считать не только
двумерное изображение среды, но и двумерную би-
ния задачи оптимизации. Так как данная функция за-

висит от параметров θ, далее будем обозначать ее πθ. нарную маску, на которой отмечена та часть обла-
– функция распределения следую-
сти, которая уже попадала в зону видимости одного

щего состояния среды, принимающая текущее состо- из аппаратов, а также бинарную маску препятствий

яние st и действия агентов at в момент времени t. Ис- (вместе с фигурами аппаратов) (см. рис 4). Такое
пользование функции распределения в данном случае
описание состояния позволит вычислять функцию

необходимо, так как в среде возможны случайные награды (доля посещенной части области) только по

события, такие как выход аппаратов из строя. Таким текущему состоянию и действию , без учета

22 ПОДВОДНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И РОБОТОТЕХНИКА. 2019. ¹ 4 (30)

МОДЕЛИ, АЛГОРИТМЫ И ПРОГРАММНЫЕ СРЕДСТВА

всех предыдущих состояний. Также и функция рас- управляющие сигналы (действия, блок Actions), ис-
пользуется полносвязный слой, выходом которого яв-
пределения действий аппаратов может быть построе- ляется вектор размерности 2 × n × m – матожидания и
дисперсии гауссовского распределения для каждого
на как функция только текущего состояния . управляющего сигнала каждого из аппаратов.

Получаем марковский процесс принятия решений,

описываемый пятью параметрами:

. 1.3. Децентрализованный сценарий

1.2. Централизованная стратегия В случае децентрализованного алгоритма функ-
ция распределения действий будет запущена локаль-
Вышеописанная функция распределения дей- но на каждом аппарате и будет предоставлять рас-
пределение действий соответствующего аппарата.
ствий аппаратов владеет информацией обо Таким образом, множество действий
является множеством управляющих сигналов одного
всех АНПА в группе через состояние среды и пред- аппарата.

сказывает управляющее воздействие для всех аппа- Кроме того, каждый аппарат владеет только ин-
формацией о своем положении, бинарной маской
ратов в группе, т.е. входит в состав централизован- своей пройденной части области. У аппаратов имеет-
ся возможность обмениваться положениями и бинар-
ного алгоритма. ными масками пройденной области. Каждый аппарат
регулярно рассылает список покрытых им коорди-
В предложенном алгоритме функция распределе- нат области. Таким образом, все аппараты хранят
бинарную маску области, покрытой другими аппара-
ния действий аппроксимируется нейронной сетью с тами, согласно полученным в результате обмена дан-
ным. Также каждый аппарат хранит heartbeat вектор
комплексной архитектурой. На рис. 1 отражена ар- для каждого аппарата в группе. Это вектор количе-
ства временных отсчетов с последнего обновления
хитектура для децентрализованной стратегии, кото- информации от каждого другого аппарата в группе.

рая отличается от централизованной только тем, что Возможность получать сообщения аппаратами
моделируется двумя способами. В первом случае
вместо одной сущности для координат всех АНПА аппараты могут получать сообщения от другого ап-

в группе используются две сущности: координаты

текущего АНПА и вектор координат с временными

метками остальных АНПА в группе.

Для сверточной части архитектуры были вы-

браны ResNet блоки [18], которые хорошо показали

себя при обработке двумерных изображений. После

полносвязных слоев от всех наблюдаемых величин

использовался механизм внимания, описанный в ра-

боте [19]. Результат подавался на вход рекуррентной

нейронной сети LSTM [20]. Далее, чтобы получить

Рис. 1. Структура функции-стратегии в децентрализованном случае

ПОДВОДНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И РОБОТОТЕХНИКА. 2019. ¹ 4 (30) 23

МОДЕЛИ, АЛГОРИТМЫ И ПРОГРАММНЫЕ СРЕДСТВА

парата, только если расстояние между ними меньше гольной формы, для которого алгоритм обучения с
заданной заранее константы p*. Если расстояние до- подкреплением мог управлять только угловой скоро-
статочное, все данные, отправленные аппаратами, бу- стью. Движение вперед выполнялось с постоянной,
дут корректно получены в полном объеме. Во втором заранее заданной скоростью. Среда представляла из
случае успешное получение пакета данных одного себя закрытую область со случайной кусочно-линей-
аппарата от другого моделируется как случайная ве- ной границей. В каждом эпизоде случайно генериро-
личина, нормально распределенная вокруг текущего валась область внутри квадрата 400 × 400, каждый
положения аппарата. Более подробно, вероятность эпизод длился не более 500 шагов, после чего миссия
успешно передать данные от аппарата, находяще- завершалась.
гося в позиции poss = (xs, ys), аппарату в позиции
post = (xt, yt), имеет вид: В вычислительном эксперименте тестировались
несколько сценариев.
где ρ – евклидово расстояние между точками . Таким
образом, каждая отправленная аппаратом координата Обход области со случайной границей одним
может быть получена или нет в зависимости от слу- аппаратом.
чайного события с заданным распределением.
На рис. 2, а приведен пример траектории аппа-
рата, а на рис. 2, б показано количество эпизодов и
шагов, которые потребовались, чтобы аппарат начал
стабильно обходить область без столкновений с ее
границами за нужное число шагов.

1.4. Процедура обучения

В процессе обучения агенты получают награду а
−np / C, где np – количество новых покрытых пик-
селов, а C – нормировочная константа. Отрицатель- б
ная награда используется для того, чтобы аппара-
ты минимизировали длину траектории в процессе Рис. 2. a – пример траектории аппарата; б – количество эпизодов,
обучения. За полное покрытие территории агенты необходимых для достижения приемлемой стратегии обхода в
получают награду R*, которая настраивается для случае централизованной стратегии для одного и двух аппаратов
различных сценариев. Патрулирование достигается
повторением миссии покрытия территории. В про- Обход области с полной информацией.
цессе обучения используется метод Proximal Policy Во втором сценарии использовались многоагент-
Optimization [17], который предполагает наличие ные централизованная и децентрализованная страте-
двух нейронных сетей – actor network, которая вы- гии с полной информацией. В эксперименте исполь-
дает распределение следующего действия агента зовались 2 аппарата. В централизованной стратегии
и critic network, которая предсказывает будущую наблюдением каждого аппарата являлась маска по-
награду, полученную в течение дальнейшей части крытия области всеми аппаратами в каждый момент
эпизода. Децентрализованная стратегия в процес- времени. На рис. 3 можно увидеть пример наблю-
се обучения использует централизованный подход. дения и примеры траекторий аппаратов. Видно, что
Critic network принимает на вход полное состояние распределенная стратегия использует меньшее число
среды. Агенты же используют одинаковую actor шагов для обучения той же задаче.
network с одинаковыми весами, однако все действия
и наблюдения у агентов разные и вычисляются не-
зависимо друг от друга.

2. Вычислительный эксперимент

Для выполнения вычислительного эксперимен-
та был разработан симулятор на основе платформы
OpenAI Gym [21], вместе с библиотекой двумерной
физики твердого тела Box-2D [22]. Каждый аппарат
моделировался как двумерное твердое тело треу-

24 ПОДВОДНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И РОБОТОТЕХНИКА. 2019. ¹ 4 (30)

МОДЕЛИ, АЛГОРИТМЫ И ПРОГРАММНЫЕ СРЕДСТВА

аб в а

Рис. 3. Наблюдение-маска покрытой области (а), наблюдение-
маска препятствий (б), траектории АНПА (в)

Обход области с неполной информацией и об- б
меном данными без потерь.
Рис. 5. Слева: пример траекторий. Справа: среднее количество
В данном сценарии использовалась децентра- шагов для покрытия территории: a – децентрализованная страте-
лизованная стратегия с неполной информацией, но гия обученная на эпизодах без выхода АНПА из строя, б – стра-
идеальным обменом. Таким образом, наблюдением тегия, не использующая heartbeat временные метки, c – полная
каждого аппарата являлась только его маска покры-
тия области и части масок других аппаратов, актуаль- децентрализованная стратегия
ные на момент обмена данными с ними. Обмен дан-
ными осуществлялся автоматически при сближении
аппаратов на достаточное, заранее заданное расстоя-
ние. На рис. 4 можно видеть количество эпизодов для
обучения в сравнении с подходами, использующими
полную информацию о среде.

Рис. 4. Количество эпизодов для обучения соответствующих По длинам траектории можно понять моменты
функций-стратегий выходов АНПА из строя (все АНПА двигаются
с одинаковой скоростью).
Сценарий с выходами аппаратов из строя.
Использовался сценарий с неполной информаци- Сценарий с выходами аппаратов из строя и об-
ей, в котором в случайные моменты времени любой меном с потерей информации.
аппарат мог выйти из строя. Хотя бы один аппарат
всегда оставался в рабочем состоянии до конца мис- В данном сценарии моделировались потери пе-
сии. В данном сценарии использовались несколько реданных аппаратами сообщений вместо сообще-
подходов для сравнения. В первом использовалась ний со случайными выходами аппаратов из строя.
децентрализованная стратегия, обученная на эпизо- В сценарии использовались 3 аппарата. Стра-
дах с неполной информацией, но без выходов аппа- тегия была обучена на аналогичных сценариях,
ратов из строя. Во втором подходе использовалась также с тремя аппаратами. В каждом сценарии к
аналогичная стратегия, но обученная на сценариях концу миссии оставался только один аппарат. На
с выходами аппаратов из строя. В третьем подходе рис. 6 можно увидеть таймлайн выходов аппарата из
использовалась стратегия, описанная в разделе 1.3, строя и средний итоговый процент покрытия терри-
использующая heartbeat временные метки каждого тории по всем эпизодам.
аппарата. На рис. 5 можно наблюдать примеры тра-
екторий и средние показатели каждой из стратегий. Рис. 6. Количество эпизодов для обучения функции стратегии в
сценарии с группой из трех АНПА и выходами аппаратов из строя

ПОДВОДНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И РОБОТОТЕХНИКА. 2019. ¹ 4 (30) 25

МОДЕЛИ, АЛГОРИТМЫ И ПРОГРАММНЫЕ СРЕДСТВА

ЗАКЛЮЧЕНИЕ организации управления в двумерной среде показала
модель децентрализованной стратегии на основе обу-­
Представлен новый подход к задаче патрули- чения с подкреплением. В будущем предполагается
рования области в подводной среде, учитывающий рассмотреть более сложную трехмерную среду для
сложности обмена данными между подводными ап- испытаний и учитывать пространственную динамику
паратами и возможные выходы аппаратов из строя во движения АНПА. Также планируется провести экспе-
время выполнения миссии. Хорошие результаты по римент в морской среде с АНПА «MMT-3000» [23].

ЛИТЕРАТУРА

1. Caiti A., Munafo A., Vettori G. A geographical information system (gis)-based simulation tool to assess civilian harbor protection levels
// IEEE J. of Oceanic Engineering. 2012. Vol. 37, No. 1. P. 85–102.

2. Inzartsev A., Pavin A., Panin M., Tolstonogov A., Eliseenko G. Detection and Inspection of Local Bottom Objects with the Help of a Group
of Special-Purpose AUVs // Proc. of the OCEANS 2018 MTS/IEEE Conference. Kobe, Japan, 2018.

3. Inzartsev A., Pavin A. AUV Behavior Algorithm While Inspecting of Partly Visible Pipeline // Proc. of the OCEANS 2006 MTS/IEEE
Conference. Boston, MA, USA, 2006.

4. Lin Y. et al. A Multi Autonomous Underwater Vehicle System for Autonomous Tracking of Marine Life // J. of Field Robotics. 2017. Vol.
34, No. 4. P. 757–774.

5. Cao Xiang, Daqi Zhu, Simon X. Yang. “Multi-AUV target search based on bioinspired neurodynamics model in 3-D underwater environ-
ments” // IEEE transactions on networks and learning systems 27. 2016. Vol. 11 (2016). P. 2364–2374.

6. Ferri G. et al. Cooperative robotic networks for underwater surveillance: an overview // IET Radar, Sonar & Navigation. 2017. Vol. 11,
No. 12. P. 1740–1761.

7. Pavin A., Inzartsev A., Eliseenko G. Reconfigurable Distributed Software Platform for a Group of UUVs (Yet Another Robot Platform)
// Proc. of the OCEANS 2016 MTS/IEEE Conference & Exhibition. California, USA, September 19-23, 2016.

8. Antonelli G. et al. Harbour protection strategies with multiple autonomous marine vehicles // Int. Workshop on Modelling and Simulation
for Autonomous Systems. Springer, Cham, 2014. P. 241–261.

9. Pavone M., Arsie A., Frazzoli E., Bullo F. Equitable partitioning policies for robotic networks // 2009 IEEE Int. Conf. on Robotics and
Automation. 2016. May. P. 2356–2361.

10. Agmon Noa, Sarit Kraus, Gal A. Kaminka. Multi-robot perimeter patrol in adversarial settings // 2008 IEEE Int. Conf. on Robotics and
Automation. Pasadena, CA, USA, 2008.

11. Asghar A.B., Smith S.L. A Patrolling Game for Adversaries with Limited Observation Time // 2018 IEEE Conference on Decision and
Control (CDC). IEEE, 2018. P. 3305–3310.

12. Portugal David et al. Finding optimal routes for multi-robot patrolling in generic graphs // 2014 IEEE/RSJ Int. Conf. on Intelligent Robots
and Systems. IEEE. Chicago, Illinois, USA, 2014.

13. Adepegba A.A., Miah S., Spinello D. Multi-agent area coverage control using reinforcement learning // The Twenty-Ninth International
Flairs Conference. Florida, USA, 2016. P. 368–373.

14. Sporyshev M., Scherbatyuk A. Reinforcement learning approach for cooperative AUVs in underwater surveillance operations // Proc. of the
2019 IEEE Underwater Technology (UT). IEEE. Kaohsiung, Taiwan. 2019. P. 74–77.

15. Schulman J. et al. Trust Region Policy Optimization // Proc. of Int. Conf. Machine Learning. Lille, France. 2015. Vol. 37.
16. Mnih V. et al. Asynchronous methods for deep reinforcement learning // Proc. of 33th Int. conf. on machine learning. USA . 2016. Vol. 48.
P. 1928–1937.
17. Schulma J. et al. Proximal policy optimization algorithms. arXiv preprint arXiv:1707.06347 (2017). Helsinky, Finland. 2017.
18. He K., Zhang X., Ren S., Sun, J. Deep residual learning for image recognition // Proc. of the IEEE conf. on computer vision and pattern
recognition. Las Vegas, Nevada, USA. 2016. P. 770–778.
19. Vaswani Ashish et al. Attention is all you need. Advances in neural information processing systems // Proc. of 31th Conf. on Neural Infor-
mation Processing Systems (NIPS 2017). Long Beach, CA, USA.
20. Hochreiter S., Schmidhuber J. Long short-term memory. Neural computation. 1997. Vol 9 (8). P. 1735–1780.
21. Brockman Gr. et al. Openai gym. – URL: http://www.gym.openai.com (дата обращения: 18.11.2019).
22. Catto E. Box2d: A 2d physics engine for games. – URL: http://www.box2d.org (дата обращения: 18.11.2019).
23. Горнак В.Е., Инзарцев А.В., Львов О.Ю., Матвиенко Ю.В., Щербатюк А.Ф. ММТ-3000 – новый малогабаритный автономный нео-
битаемый подводный аппарат ИПМТ ДВО РАН // Подводные исследования и робототехника. 2007. № 1 (3). С. 12–20.

26 ПОДВОДНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И РОБОТОТЕХНИКА. 2019. ¹ 4 (30)

МОДЕЛИ, АЛГОРИТМЫ И ПРОГРАММНЫЕ СРЕДСТВА

УДК 551.46.077:629.584 10.25808/24094609.2019.30.4.004

О МЕТОДАХ ОБЕСПЕЧЕНИЯ НАВИГАЦИИ
ГРУПП АНПА: КРАТКИЙ ОБЗОР

Ю.В. Ваулин1,2, Ф.С. Дубровин1, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки
Д.А. Щербатюк1,2, А.Ф. Щербатюк1,2  Институт проблем морских технологий1

Дальневосточный федеральный университет2

Приведен обзор подходов, предназначенных для решения задач навигации групп АНПА. Даются описа-
ния методов навигации на основе асинхронных и синхронных ГАНС, раскрываются особенности таких ме-
тодов применительно к группам АНПА. Рассмотрены современные подходы, в основе которых лежит идея
организации информационного взаимодействия АНПА друг с другом с целью обеспечения навигации группы
в целом. Отмечено, что одним из приоритетных является подход, предполагающий наличие в группе одно-
го или нескольких АНПА, оснащенных полным комплектом навигационных датчиков с целью высокоточного
определения их местоположения. Относительное положение остальных аппаратов в группе вычисляется на
основе дальностей до выделенных АНПА. Обсуждены вопросы применения автономных необитаемых водных
аппаратов, выполняющих функцию мобильных маяков, для навигации групп АНПА и алгоритмы формирова-
ния их траекторий для повышения точности навигации группы АНПА. Раскрываются достоинства и недостатки
каждого из подходов.

ВВЕДЕНИЕ Как правило, ценность получаемых при помощи
АНПА данных существенно зависит от точности их
Автономные необитаемые подводные аппараты навигационной привязки. Поэтому так же, как и в
являются эффективным средством для решения ши- случае с одиночным АНПА, одной из важнейших за-
рокого круга задач подводных исследований. В на- дач, определяющих успешность и качество выполне-
стоящее время большое значение придается исполь- ния подводных миссий, является задача обеспечения
зованию групп АНПА для выполнения масштабных требуемой точности навигации каждого АНПА из
и трудоемких работ, связанных с патрулированием и состава группы. Кроме того, в связи с одновремен-
охраной морских акваторий, поиском и обследова- ным присутствием под водой нескольких АНПА воз-
нием объектов, съемкой физических полей океана. никает задача обеспечения безопасного совместного
При выполнении данного класса работ необходимо маневрирования АНПА во избежание их столкнове-
осуществлять одновременные измерения с помощью ния друг с другом.
большого набора пространственно разнесенных дат-
чиков. Кроме того, применение групп АНПА откры- Эффективная групповая работа АНПА вообще и
вает возможности для решения новых задач, а также навигация в частности предполагает использование
позволяет повысить эффективность выполнения уже гидроакустических средств, являющихся едва ли не
привычных миссий по сравнению с использованием единственным инструментом для обеспечения ин-
одиночного аппарата. В частности, использование формационного взаимодействия АНПА с внешним
групп АНПА обеспечивает более высокую надеж- миром в широком диапазоне дальностей во время их
ность робототехнического комплекса в целом за счет нахождения под водой [1]. Привычные подходы, ос-
введения некоторого уровня избыточности, позво- нованные на применении таких гидроакустических
ляющей получать более качественные результаты и систем и традиционно используемые для навигации
добиваться успешного решения поставленной задачи одного АНПА, не обеспечивают оперативности на-
даже в случае возникновения аварийных ситуаций вигации для групп АНПА. В связи с этим в последнее
(например, выхода из строя одного или нескольких
АНПА). 1 690091, Владивосток, ул. Суханова, 5а. Тел./факс: +7 (423) 243-24-
16. E-mail: [email protected]

2 690000, г. Владивосток, ул. Суханова, 8. Тел.: +7 (423) 243-44-72.

ПОДВОДНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И РОБОТОТЕХНИКА. 2019. ¹ 4 (30) 27

МОДЕЛИ, АЛГОРИТМЫ И ПРОГРАММНЫЕ СРЕДСТВА

время значительное внимание уделяется разработке нового АНПА в состав группы либо удаления АНПА
методов и алгоритмов, предназначенных для реше- из состава группы, так как это требует изменения
ния задачи групповой навигации. временной схемы работы системы.

Данная работа представляет собой обзор подхо- Один из примеров использования асинхронной
дов, предназначенных для решения задач навигации ГАНС ДБ для обеспечения навигации группы под-
групп АНПА. В разделе 1 приводятся описания мето- водных аппаратов, разработанных в Институте про-
дов навигации групп АНПА на основе асинхронно- блем морских технологий ДВО РАН, описан в [2].
го подхода, традиционно используемых для навига- Представленный в данной работе подводный робо-
ции одиночных АНПА. Раздел 2 посвящен методам тотехнический комплекс (ПРК) предназначен для
групповой навигации на основе синхронной ГАНС. выполнения обзорно-поисковых работ на шельфе и
В разделе 3 рассматривается система групповой на- состоит из двух АНПА и одного телеуправляемого
вигации с использованием АНПА и разнородных необитаемого подводного аппарата (ТНПА). Гидро-
типов аппаратов. В разделе 4 рассмотрены совре- акустическая навигационная система ПРК позволяет
менные подходы, в основе которых лежит идея ор- работать двум подводным аппаратам в едином нави-
ганизации взаимодействия АНПА друг с другом с гационном поле донных маяков-ответчиков (рис. 1).
целью обеспечения навигации группы в целом. При организации группового запуска производится
синхронизация внутренних часов двух подводных
1. Применение асинхронных ГАНС аппаратов и каждому из аппаратов выделяется свой
для обеспечения навигации групп АНПА слот времени для опроса маяков и для передачи дан-
ных измерений по акустическому каналу на пост
Одним из путей обеспечения навигации группы управления. Измерение дистанций до маяков произ-
АНПА является применение для этой цели асин- водится в режиме запрос–ответ. Каждый из маяков
хронной гидроакустической навигационной си- отвечает на собственной частоте. Величина слота вре-
стемы с длинной базой (ГАНС ДБ) с донными ма- мени на цикл опроса маяков и передачу данных теле-
яками-ответчиками (МО). Принцип действия такой метрии для каждого из аппаратов составляет 30 с. Об-
системы основан на опросе подводным аппаратом щий период обсервации, таким образом, равен 60 с.
гидроакустических маяков и измерении времени,
прошедшего от момента излучения сигнала-опроса Особенностью работы ГАНС ПРК является то,
до получения сигнала-отклика. Дальность действия что во время цикла обсервации одного аппарата вто-
каждого МО составляет обычно несколько киломе- рой аппарат осуществляет прием навигационных
тров (как правило, не более 10–15 км), поэтому при сигналов от первого АНПА и МО. Это позволяет
помощи такой системы АНПА способен определять измерять взаимные дистанции между аппаратами во
свое местоположение в области, площадь которой время запуска и дает дополнительные возможности
может исчисляться десятками квадратных киломе- при реализации алгоритмов группового управления.
тров. Ошибка определения дальности между МО и
АНПА может составлять от 0,01 % от измеряемой Еще одним распространенным способом обеспе-
дальности для прецизионных до 0,1 % для низкоточ- чения навигации группы АНПА является использо-
ных ГАНС ДБ. вание гидроакустических навигационных систем
с ультракороткой базой (ГАНС УКБ). Оборудование
Попытка применения данного подхода для на- подводного аппарата включает приемную антенную
вигации группы АНПА сталкивается с проблемой – решетку и компьютер для обработки результатов из-
каждому из АНПА, входящему в состав группы, не- мерений. При этом измеряется время распростране-
обходимо периодически предоставлять возможность ния и разность фаз прихода сигналов на элементы
определения своего местоположения путем опроса приемной антенны. На основе полученных измере-
сети маяков, что достигается временным разделени- ний оцениваются направление и дальность между
ем доступа к ним. Общий период обсервации такой маяком и АНПА. Наибольший вклад в неточность
системы навигации существенно зависит от числа определения положения АНПА вносит ошибка опре-
АНПА, входящих в состав группы: чем больше число деления пеленга на маяк. В высокоточных системах
АНПА, тем реже каждому АНПА будет предостав- с УКБ ошибка в определении пеленга может состав-
ляться временное окно для работы с маяками и тем лять 0,2 градуса, что при дальности до маяка в 1 км
ниже будет точность навигации в целом. Сложности дает ошибку в определении положения АНПА около
в организации работы такой системы также возни- 3,5 м. В УКБ системах средней точности ошибка в
кают, когда появляется необходимость добавления определении пеленга может составлять до 2 граду-
сов, что при аналогичной дальности до маяка дает
ошибку 35 м.

28 ПОДВОДНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И РОБОТОТЕХНИКА. 2019. ¹ 4 (30)

МОДЕЛИ, АЛГОРИТМЫ И ПРОГРАММНЫЕ СРЕДСТВА

навигационной задачи для группы АНПА в рам-
ках проекта THESAURUS рассмотрен в работе [4].
Алгоритм использует данные от ГАНС УКБ и осно-
ван на фильтре Калмана (ФК) с учетом особенностей
организации сетевой связи.

2. Методы навигации групп АНПА
с использованием синхронных ГАНС

аб Один из подходов, позволяющий организовать
одновременную навигацию группы АНПА, основан
в на использовании синхронной ГАНС ДБ, работа-
ющей в сферическом режиме. При этом гидроаку-
Рис. 1. Маяки ГАНС ДБ (а), АНПА из состава ПРК (б) стические маяки периодически излучают сигналы,
и траектории аппаратов при совместном запуске (в) и измеряются времена их распространения до каж-
дого АНПА в группе. Данные временные задержки
В статье [3] предлагается метод навигации для преобразуются в дистанции на основе известных
подводных аппаратов относительно одной донной оценок значений эффективной скорости распростра-
станции (ДС), с помощью которого подводные ап- нения звукового сигнала в воде в районе работ. Этот
параты могут оценивать свои позиции и ориента- подход требует, чтобы на всех узлах сети (маяках и
ции относительно ДС без необходимости дорогой АНПА) имелись синхронизированные часы, при по-
инерциальной навигационной системы. При этом в мощи которых организуется определенный порядок
процессе работы каждый подводный аппарат опра- работы гидроакустической навигационной сети [5].
шивает ДС, которая вычисляет пеленг на аппарат и Рассмотренный подход предполагает использование
передает эту информацию обратно аппарату, кото- дорогостоящего оборудования, обеспечивающего
рый также измеряет дистанцию до ДС. Комбинируя синхронную работу часов на маяках и АНПА в тече-
эту информацию и вводя ее в нелинейную структуру ние всего запуска. В работе [6] рассмотрены вопросы
фильтра, которая включает в себя измерения путе- синхронизации часов для групповой работы АНПА.
вой скорости АНПА и другие навигационные пара- В системе использованы модемы SeaModem, в кото-
метры, АНПА вычисляет свое положение и оценки рые были интегрированы атомные часы, предназна-
курса. Для реализации данной системы был разра- ченные для минимизации типичного дрейфа часов
ботан акустический модем, который обеспечивает реального времени, что обеспечивает точную оценку
связь и расчет относительного положения абонентов дальности в одном направлении во время долгосроч-
подводной сети. Эффективность метода была про- ных миссий. Приводятся результаты успешных мор-
верена в ходе морских испытаний с использованием ских экспериментов.
подводного аппарата Tri-Dog1. Алгоритм решения
Другим способом реализация синхронного режи-
ма работы гидроакустической навигационной сети
является вариант без использования синхронизиро-
ванных часов на АНПА (так называемая ГАНС ДБ
в гиперболическом режиме и лежащий в ее основе
разностно-дальномерный метод навигации) [7]. В
рамках данного подхода синхронизированные часы
должны быть только в составе навигационных мая-
ков, работа которых также организуется по заранее
утвержденному расписанию. АНПА, получая на-
вигационные сигналы, должен однозначно иденти-
фицировать маяк-отправитель (путем временного
разнесения моментов излучения сигналов маяками
либо использования различимых сигналов для раз-
личных маяков), чтобы затем определить разно-
сти моментов приема сигналов от отдельных мая-
ков. Знание координат точек постановки маяков и

ПОДВОДНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И РОБОТОТЕХНИКА. 2019. ¹ 4 (30) 29

МОДЕЛИ, АЛГОРИТМЫ И ПРОГРАММНЫЕ СРЕДСТВА

измеренных разностей моментов приема сигналов от В работе [10] рассмотрена задача обеспечения на-
них позволяет определить местоположение АНПА. вигации групп АНПА при помощи разностно-даль-
номерной навигационной системы с длинной базой.
Наиболее перспективным является подход, по- Представлены два разработанных навигационных
зволяющий реализовать аналогичный режим рабо- алгоритма, реализующих переборный и аналитиче-
ты гидроакустической сети и при этом обойтись без ский методы решения разностно-дальномерной за-
установки синхронизированных часов также и на дачи. Приведены полученные с помощью компью-
маяках. Например, в работах [8, 9] предложен ме- терного моделирования результаты работы данных
тод обеспечения навигации для группы АНПА при алгоритмов, подтверждающие их работоспособность
помощи нескольких (трех или более) стационарных и эффективность.
гидроакустических маяков с известным местопо-
ложением. Данный подход позволяет каждому из 3. Системы групповой навигации,
АНПА, входящему в состав группы, не только опре- использующие автономные необитаемые
делять свое местоположение, но и оценивать коорди- водные аппараты
наты других АНПА. Кроме того, этот метод делает
возможным внешнее отслеживание всех АНПА сто- Один из подходов организации групповой на-
ронним наблюдателем (например, с борта обеспечи- вигации, который нашел широкое распространение
вающего судна). Описанный результат достигается при выполнении реальных морских работ, основан
за счет специально организованной работы навига- на использовании автономных необитаемых водных
ционных маяков, формирующих гидроакустическую аппаратов (АНВА) в качестве мобильных маяков.
сеть. Один из маяков является ведущим, остальные – В работах [11–13] авторы развивают данный подход.
ведомыми. Ведущий маяк задает общий темп работы Рассмотрены вопросы внедрения систем навигации,
гидроакустической навигационной системы путем управления и контроля автономных подводных аппа-
периодического излучения назначенного ему уни- ратов в мобильных акустических сетях. Наряду с те-
кального сигнала. Ведомые маяки ожидают получе- оретическими исследованиями алгоритмов, необхо-
ния данного сигнала и после его приема с некоторой димых для подобных операций, также представлены
заранее определенной задержкой излучают свои уни- результаты моделирования и практических экспери-
кальные сигналы. Любой АНПА, принявший данные ментов, которые подтверждают работоспособность
сигналы от маяков и зафиксировавший моменты их предложенных решений.
получения, способен определить свое местоположе-
ние. Для этого АНПА должны быть известны коорди- Вариант, когда для навигационного обеспечения
наты точек постановки маяков, временные задержки, группы АНПА используется один АНВА, рассмо-
с которыми ведомые маяки излучают свои сигналы трен в работах [14–16]. Приводятся результаты срав-
в ответ на полученный сигнал от ведущего маяка, а нения различных методов оценивания положения
также эффективная скорость распространения звуко- (фильтр Калмана, фильтр частиц, метод наименьших
вых сигналов в воде в районе работ. квадратов), анализируется наблюдаемость метода.
С целью повышения точности навигации предлага-
Для обеспечения возможности внешнего отсле- ется формировать траекторию АНВА специальным
живания всех АНПА сторонним наблюдателем (в том образом. Приводятся результаты модельных и натур-
числе и оценивания любым АНПА координат других ных экспериментов.
АНПА) в работе [9] предлагается дополнить опи-
санную схему следующим образом: каждый АНПА В работе [17] коллектив авторов решает несколь-
при получении сигнала от любого из маяков излуча- ко задач, связанных с обеспечением групповой нави-
ет уникальный (назначенный именно этому АНПА) гации АНПА с помощью нескольких АНВА. Одна
ответный сигнал. Авторы отмечают, что сторонний из них заключается в разработке алгоритма для
наблюдатель, фиксируя моменты прихода этих сиг- осуществления совместной навигации децентра-
налов, способен однозначно определить координаты лизованной группы аппаратов разного типа. Метод
АНПА, если работа гидроакустической сети орга- оценивания основан на использовании фильтра Кал-
низована определенным образом. Требуется, чтобы мана, для поддержания устойчивости и предотвра-
временные задержки, с которыми ведомые маяки из- щения расхождения которого предлагается допол-
лучают свои сигналы в ответ на полученный сигнал нительный алгоритм чередующегося обновления.
от ведущего маяка, удовлетворяли определенному Также рассмотрена задача построения алгоритма,
условию, зависящему от расстояния между ведомы-
ми маяками.

30 ПОДВОДНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И РОБОТОТЕХНИКА. 2019. ¹ 4 (30)

МОДЕЛИ, АЛГОРИТМЫ И ПРОГРАММНЫЕ СРЕДСТВА

который на основании координат, курса, скорости и Рис. 2. Организация навигации нескольких АНПА с помощью од-
ковариационной матрицы от АНПА будет управлять ного мобильного гидроакустического маяка, транспортируемого
движением поверхностного аппарата таким образом,
чтобы при каждом сеансе связи ошибка положения АНВА
АНПА снижалась максимально возможно.
маяка и данные бортовой автономной навигационной
В статье [18] описана практическая реализация системы. Первый алгоритм основан на применении
системы, в которой для навигации группы АНПА расширенного фильтра Калмана, а второй использу-
используется АНВА. Задача навигации решается ет фильтр частиц. Приведены данные моделирова-
на основе информации от системы счисления пути ния работы рассмотренных алгоритмов и некоторые
и данных о взаимном расстоянии. Рассмотрены два результаты морских испытаний с использованием
эксперимента. В одном из них навигация АНПА морского робототехнического комплекса МАРК,
(Iver2) обеспечивается с помощью АНВА, который включающего автономные необитаемые подводный
совершает круговые движения над АНПА. Во вто- и водный аппараты.
ром эксперименте сравнивается точность оценива-
ния, полученная с использованием фильтра частиц, В статье [23] рассмотрен устойчивый к помехам
метода наименьших квадратов и фильтра Калмана. принцип акустической связи для позиционирования
В эксперименте используются три маяка, два из кото- и навигации группы подводных роботов в среде, в
рых играют роль АНПА. Эффективность групповой которой отсутствуют какие-либо ориентиры. С помо-
навигации сильно зависит от взаимного расположе- щью акустических модемов и двух АНВА на поверх-
ния маяков и АНПА. Для повышения точности оце- ности, определяющих свое положение с помощью
нивания АНПА траектория движения маяка должна GPS, осуществляется навигация группы подводных
планироваться соответствующим образом. В работе роботов для выполнения различных заданий, связан-
предложен алгоритм, который формирует оптималь- ных с инспектированием объектов и мониторингом
ное перемещение маяка. среды. Подход был реализован с использованием
АНПА Monsun и проверен в условиях мелководной
В статье [19] рассмотрено использование моде- бухты.
мов с синхронизированными часами для обеспече-
ния связи и навигации группы АНПА. При этом ме- Вопросы формирования траектории мобильного
стоположения АНПА оцениваются на основе ФК с маяка для повышения точности навигации группы
использованием не только измерений дистанций, но АНПА рассмотрены в работах [24–27]. Алгоритм
и скорости изменения дистанций для каждого при- планирования пути мобильного маяка, описанный в
нимаемого акустического сигнала. В представлен- работах [25, 26], основан на методе кросс-энтропии
ных результатах моделирования используется один в рамках теории марковских процессов. Моделиро-
АНВА и один АНПА. При этом АНПА оборудован вание показало ограниченность ошибок оценивания
доплеровским лагом, датчиками угловой ориентации местоположения при использовании разработанного
и датчиком давления (глубины), а АНВА оснащен подхода.
приемником GPS.

Использование полупогружной системы, пред-
ставляющей собой разновидность АНВА, для от-
слеживания и контроля поведения группы АНПА
описана в статье [20]. Выполнено тестирование от-
слеживания, позиционирования и связи нескольких
АНПА с использованием данного АНВА. Результаты
испытаний доказали эффективность использования
разработанной системы.

Статьи [21, 22] посвящены вопросу навигации
АНПА с помощью одного мобильного гидроакусти-
ческого маяка, транспортируемого АНВА (рис. 2).

Исследованы два алгоритма оценивания место-
положения АНПА, использующие информацию
о дальности до мобильного гидроакустического

ПОДВОДНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И РОБОТОТЕХНИКА. 2019. ¹ 4 (30) 31

МОДЕЛИ, АЛГОРИТМЫ И ПРОГРАММНЫЕ СРЕДСТВА

4. Алгоритмы организации групповой В статье [33] рассмотрено навигационное обе-
навигации, основанные на использовании спечение группы АНПА с солнечными панелями
информации о дистанциях между АНПА (SAUV), использование которых обеспечивает их
внутри группы долгосрочное функционирование за счет подзарядки
каждого аппарата во время нахождения на поверх-
В статье [28] описан подход, при котором для ности. Все аппараты оснащены системами акусти-
обеспечения навигации группы АНПА используют- ческой связи, обеспечивающими определение дис-
ся как измерения дальностей до мобильного гидро- танций между аппаратами. Предложено несколько
акустического маяка, транспортируемого посред- конфигураций работы группы. В одной из них два
ством АНВА, так и измерения дальностей между аппарата двигаются по поверхности и обеспечивают
отдельными АНПА в группе. Алгоритм оценивания коррекцию местоположения группы АНПА на осно-
местоположения каждого АНПА в группе построен ве взаимной дальномерной информации (рис. 3), а во
на основе ФК. Рассмотрен алгоритм формирования втором случае один АНПА обеспечивает коррекцию
траектории движения мобильного маяка, позволяю- местоположения группы подводных аппаратов, вы-
щий минимизировать ошибку определения место- полняющих работу в толще воды. Предполагается,
положения для случая трех совместно работающих что местоположение АНПА, движущегося по по-
АНПА. Приведены некоторые результаты моделиро- верхности, определяется с достаточной точностью с
вания работы рассмотренных алгоритмов. Ситуация помощью GPS (или DGPS). Для оценивания место-
с двумя АНПА, когда первый из них оснащен высо- положения АНПА сравниваются алгоритмы, постро-
коточной системой навигации, а второй – навигаци- енные на основе ФК и ФЧ.
онной системой с низкой точностью, рассмотрена в
статье [29]. Для повышения точности работы второ- В работе [34] рассмотрена задача оценивания
го аппарата используется информация о дальностях взаимного положения разнородных подводных и
между аппаратами. Для оценивания местоположения водных аппаратов, работающих в группе. Работы
второго АНПА используется алгоритм на основе ФК. выполнены в рамках европейского проекта GREX.
Приведены результаты модельных и натурных экспе- Задача относительной навигации решается на осно-
риментов. ве информации от системы счисления пути и дан-
ных о взаимном расстоянии. Алгоритмы оценивания
Метод навигации группы АНПА без использова- местоположения используют метод триангуляции и
ния маяков рассмотрен в статье [30]. Имеется АНПА фильтр Калмана.
лидер, который определяет свое местоположение с
высокой точностью. Остальные аппараты в группе Проблема корректного использования навигаци-
определяют свое положение на основе счисления с онных данных для организации групповой навига-
использованием бортовых навигационных датчиков ции рассмотрена в статье [35]. В статье описываются
и уточняют его на основе данных о дальностях до мобильные системы ГАНС ДБ на основе нескольких
аппарата лидера. В статье [31] описана ГАНС с мо- АНПА с дорогими и точными бортовыми система-
бильной базой. В данном случае несколько дорогих ми навигации, относительно которых другие АНПА
АНПА, оснащенных высокоточной навигационной
системой, выполняют роль маяков для других более Рис. 3. Организация навигации группы АНПА при помощи двух
простых и дешевых АНПА. Описан эксперимент, в аппаратов, оборудованных солнечными панелями (SAUV)
котором два исследовательских катера выполняют
роль маяковой базы, а АНПА Bluefin 21 определяет
свое местоположение. Аналогичная идея описана в
работе [32], в которой в миссии участвовало два типа
аппаратов: дорогой с навигационной системой высо-
кой точности и дешевый с навигационной системой
низкой точности. Требовалось с помощью гидро­
акустических модемов обеспечить навигацию деше-
вых аппаратов с точностью дорогих аппаратов. При
решении задачи было выполнено сравнение метода
триангуляции с ФК, где фильтр Калмана показал бо-
лее высокую точность оценивания местоположения
подводных аппаратов.

32 ПОДВОДНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И РОБОТОТЕХНИКА. 2019. ¹ 4 (30)

МОДЕЛИ, АЛГОРИТМЫ И ПРОГРАММНЫЕ СРЕДСТВА

оценивают собственное местоположение путем из- бор данных вплоть до фиксированного шага време-
мерения дальностей на основе метода трилатерации ни, он может вычислить любую рекурсивную оценку
и с учетом данных измерений о взаимных пеленгах. положения или произвести полную оптимизацию
Между аппаратами группы производится постоян- положения для этого шага времени. При необходи-
ный обмен данными измерений. Отмечается, что при мости используется модель, основанная на предска-
использовании данного подхода возможны ситуации, зании, для формирования наилучшей оценки поло-
когда одни и те же данные могут быть использованы жений аппаратов.
более одного раза, что приведет к ошибочным резуль-
татам. В статье предложен метод, который заключа- На борту любого аппарата работает несколько
ется в том, что на каждом АНПА устанавливается фильтров, оценивающих положение каждого аппа-
набор фильтров, который отслеживает измерения и рата, что используется при распределении элементов
предотвращает повторное использование данных. миссии между членами группы. Преимуществом си-
Работа метода продемонстрирована с использовани- стемы является то, что она может работать с перемен-
ем моделирования. ным числом АНПА. Нагрузка на канал связи возрас-
тает линейно с увеличением количества аппаратов.
В статье [36] рассмотрена задача организации
навигационного обеспечения для группы АНПА без Основная идея метода, предложенного в работах
использования специальных маневров, связанных [37, 38], заключается в использовании АНПА двух
с всплытием на поверхность, и коррекции по данным типов. АНПА первого типа выполняют обследова-
GPS. Задача состоит в построении такой системы об- ние заданной местности. АНПА второго типа слу-
мена сообщениями между АНПА, чтобы аппараты жат опорными маяками, местоположение которых
могли передавать и принимать не только измерения определяется с требуемой точностью относительно
взаимных дистанций, но и данные системы счисле- донных станций или расположенных на дне ориенти-
ния пути и GPS координаты (при их наличии). Си- ров. В процессе покрытия больших площадей АНПА
стема должна быть модульной, и предполагается пе- перемещаются и могут меняться ролями. Задача на-
ременное число АНПА в группе. вигации решается на основе информации от системы
счисления пути и данных о взаимных расстояниях и
Для решения данной задачи предлагается хра- пеленгах между АНПА. Алгоритм оценивания ме-
нить и обмениваться в том числе и промежуточными стоположения основан на использовании фильтра
измерениями. Рассмотрен фильтр на основе данных частиц. В эксперименте, описанном в [37], использо-
системы счисления пути – на каждом временном валась подводная доковая станция и АНПА Tri-dog.
шаге отдельный аппарат формирует вектор измене- Станция и АНПА были оборудованы устройствами
ния его положения (и соответствующее увеличение ALOC (Acoustic Localization and Communication).
неопределенности) в течение заданного интервала В работе [38] рассмотрен эксперимент, в котором че-
времени. Комбинирование всех этих векторов позво- тыре АНПА одновременно использовались для об-
ляет восстановить с определенной точностью поло- следования участка дна размером 120 × 500 м, а для
жение аппарата. Наблюдения объектов с известными точной локализации опорных АНПА применялись
или вычисленными положениями (в данном случае специальные донные ориентиры. Результаты анало-
через измерения расстояния) позволяют улучшить гичных экспериментов с двумя АНПА «Tri-dog1» и
оценку положения. одним «Tri-TON1», а также с АНПА «Tri-dog1», «Tri-
TON» и «Tri-TON2» описаны соответственно в ста-
Предполагается, что при передаче данных некото- тьях [39] и [40]. В работе [41] предложено развитие
рые сообщения могут быть потеряны. Для преодоле- данного подхода, заключающееся в передаче обсле-
ния этой проблемы на борту каждого аппарата исполь- довательским аппаратам полного набора параметров
зована схема хранения промежуточных измерений: оценки положения опорных маяков с целью повыше-
ния точности определения местоположения обследо-
на каждом аппарате все локальные и все при- вательских аппаратов. Для преодоления проблемы,
нятые данные систем счисления пути, а также ин- связанной с ограниченной скоростью передачи дан-
формация о расстояниях между аппаратами сохраня- ных по акустическому каналу связи, пересылаемую
ются в единой базе данных, информацию предлагается сжимать определенным
образом.
измерения, которые предстоит получить отдель-
ному аппарату, запрашиваются как часть последова- В работе [42] рассмотрены вопросы навига-
тельно переданных пакетов, при этом другие аппараты ции группы недорогих ведомых АНПА с помо-
хранят историю таких запросов и передают запро- щью информации о дальности до ведущего АНПА,
шенные сообщения, пока они не достигнут адресата,

когда отдельным аппаратом принят полный на-

ПОДВОДНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И РОБОТОТЕХНИКА. 2019. ¹ 4 (30) 33

МОДЕЛИ, АЛГОРИТМЫ И ПРОГРАММНЫЕ СРЕДСТВА

местоположение которого известно с требуемой точ- Задача коллективной навигации группы АНПА
ностью. На основе анализа наблюдаемости форми- также рассмотрена в статье [47]. Предполагается, что
руются траектории ведомых АНПА. Для оценивания все аппараты могут обмениваться сообщениями и из-
местоположения АНПА используется алгоритм, ос- мерять взаимные дистанции. Оценивание траекторий
нованный на использовании фильтра Калмана. движения аппаратов группы выполняется с использо-
ванием принципа максимума апостериорной вероят-
В статье [43] предложен метод групповой нави- ности, на основе которого строится алгоритм расчета
гации АНПА с одним маяком, когда в каждом цикле местоположений аппаратов. Размер пакета сообще-
работы системы излучает сигнал только один АНПА, ний, которыми обмениваются АНПА группы, линей-
а остальные АНПА принимают его. Посредством но зависит от числа аппаратов в группе и не зависит
измерения временной задержки сигналов от излу- от числа пакетов, потерянных в процессе обмена.
чающего АНПА и маяка-ответчика обеспечивается
решение навигационной задачи одновременно для В статьях [48, 49] рассмотрена организация си-
всех АНПА в группе. Оценка местоположения про- стемы коллективной навигации для группы разно-
изводится на основе использования ФК. родных подводных аппаратов в рамках европейско-
го проекта MORPH. В нем используется система из
Новый метод Double Acoustic Communication пяти автономных морских аппаратов для составле-
Measurement (DACM) для групповой навигации ния карт и научных исследований сложных неструк-
предложен в статье [44]. АНПА лидер оснащен до- турированных подводных сред.
рогой высокоточной бортовой системой навигации,
а ведомые АНПА имеют дешевую низкоточную на- В работе [50] описывается система CSLAM
вигационную систему. Все аппараты оборудованы (Cooperative simultaneous localization and mapping),
акустическими модемами, предназначенными для расширяющая широкоизвестный SLAM-подход для
связи и определения взаимных дистанций между групп АНПА. Система позволяет одновременно про-
АНПА. Традиционный метод трилатерации, который изводить картографирование местности и коррек-
используется для определения координат ведомых тировать координаты АНПА на основе получаемой
АНПА, может приводить к значительным погреш- карты. Предложен основанный на графах алгоритм
ностям. Предлагаемый метод DACM позволяет по- формирования оптимального по размеру пакета для
высить точность навигации. Приводятся результаты обмена сообщениями. Объем пакета линейно зави-
моделирования, подтверждающие его работоспособ- сит от числа характерных особенностей, обнару-
ность и эффективность. женных после последнего результативного обмена,
постоянен для фиксированного числа аппаратов и
В статье [45] рассмотрена работа синхронной не зависит от количества потерянных в процессе об-
ГАНС. В одном случае три АНПА работают в поле мена пакетов. Данный подход позволяет аппаратам
двух, а во втором – четырех маяков. Наряду с изме- формировать оценку своего местоположения с огра-
рениями дальностей до маяков рассчитываются дис- ниченной во времени ошибкой и не требует установ-
танции между отдельными аппаратами. Выполнено ки маяков или всплытия на поверхность для уточне-
моделирование работы системы позиционирования в ния координат по GPS.
условиях мелкого моря с учетом возможных пропа-
даний отдельных сигналов между аппаратами и ма- Алгоритм коллективной навигации на осно-
яками из-за наличия препятствий, вызванных пере- ве данных о взаимных дистанциях между АНПА в
сеченностью рельефа. Основным результатом учета группе рассмотрен в статье [51]. Введен критерий
взаимных дистанций между АНПА является повы- оценки Moving Horizon Estimation с использованием
шение точности навигации (до 1–2 см для 4 маяков и ФК и подразделения аппаратов на ведущие и ведо-
до 9–24 см для 2 маяков). В статье [46] обсуждается мые. Приведены результаты моделирования, которые
система групповой навигации для подводной среды демонстрируют точность и работоспособность пред-
на основе ФК. Рассмотрена схема с использованием ложенного алгоритма.
SLAM, в которой наряду с информацией о внешней
среде используются данные о взаимном расстоянии Статья [52] предлагает к рассмотрению метод
между отдельными аппаратами. Полученная на ка- навигации для группы АНПА, в которую входит
ждом шаге информация используется для уточнения как минимум один подводный аппарат с высокоточ-
местоположения каждого аппарата и расчета ковари- ной автономной навигационной системой на основе
ационной матрицы ошибок. Приведены результаты инерциальной навигационной системы и доплеров-
моделирования и экспериментальных исследований ского лага. Группа состоит из родительских и до-
данного подхода. черних АНПА. Дочерние АНПА оснащены мини-
мальным набором навигационных датчиков (MEMS,

34 ПОДВОДНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И РОБОТОТЕХНИКА. 2019. ¹ 4 (30)

МОДЕЛИ, АЛГОРИТМЫ И ПРОГРАММНЫЕ СРЕДСТВА

одноосный волоконно-оптический гироскоп и каме- ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ры). Поскольку все АНПА имеют устройство акусти-
ческого позиционирования и связи, дочерние АНПА За последние годы существенный прогресс до-
могут оценивать свое состояние так же точно, как ро- стигнут в области, связанной с организацией груп-
дительский АНПА, благодаря относительному пози- повой работы подводных аппаратов. Ввиду важности
ционированию с родительским АНПА. Оценка состо- большое внимание уделяется и вопросу обеспечения
яния проводится на основе вероятностного подхода навигации групп АНПА. Об этом свидетельствует
с помощью навигационных датчиков и акустическо- большое число публикаций исследователей из веду-
го датчика положения. Акустическое позициониро- щих организаций в области подводной робототех-
вание дочерних АНПА проводится последовательно, ники. Последние достижения в области разработки
но сигнал позиционирования между родитель- систем подводной связи и появление современных
ским АНПА и одним дочерним АНПА также мо- цифровых гидроакустических модемов сделало воз-
жет пассивно обнаруживаться другими аппаратами. можным создание на их основе систем групповой
Этот метод был реализован на АНПА «Tri-Dog 1», навигации нового поколения. Дальнейшее развитие
«Tri-TON» и «Tri-TON 2». Чтобы проверить эффек- таких навигационных систем для групп АНПА, судя
тивность метода, были проведены морские экспери- по всему, следует ожидать в направлении интеллек-
менты. Посредством моделирования последующей туализации навигационных алгоритмов и коллекти-
обработки с использованием данных экспериментов визации групп АНПА, заключающихся в организа-
было подтверждено, что все АНПА, включая дочер- ции такого поведения подводных аппаратов, которое
ние АНПА, могут осуществлять оценку положения обеспечит максимально точное определение место-
с требуемой точностью. положения каждого АНПА в отдельности и группы
в целом.
Важным вопросом является наблюдаемость
системы для минимизации ошибок оценивания ме- Настоящая работа выполнена при поддержке
стоположений АНПА в группе. Значительное место гранта Российского научного фонда (проект №  16-
этому вопросу уделено в статьях [18, 42, 53, 54]. 19-00038).

ЛИТЕРАТУРА

1. Scherbatyuk A., Dubrovin F., Rodionov A., Unru P. Group Navigation and Control for Marine Autonomous Robotic Complex Based on Hydro-
acoustic Communication // Proc. of the IEEE/RSJ Int. Conf. on Intelligent Robots and Systems (IROS). 2016. P. 1388–1393.

2. Матвиенко Ю.В., Борейко А.А., Костенко В.В., Львов О.Ю., Ваулин Ю.В. Комплекс робототехнических средств для выполнения
поисковых работ и обследования подводной инфраструктуры на шельфе // Подводные исследования и робототехника. 2015. № 1 (19). С. 4–16.

3. Maki T., Matsuda T., Sakamaki T., Ura T., Kojima J. Navigation Method for Underwater Vehicles Based on Mutual Acoustical Positioning With
a Single Seafloor Station // IEEE J. of Oceanic Engineering. 2013. Vol. 38. January. P. 167–177.

4. Caiti A., Calabrò V., Fabbri T., Fenucci D., Munafò A. Underwater communication and distributed localization of AUV teams // Proc. of the
MTS/IEEE Int. Conf. OCEANS. 2013. Bergen. P. 1–8.

5. Eustice R.M., Whitcomb L.L., Singh H., Grund M. Experimental Results in Synchronous-Clock One-Way-Travel-Time Acoustic Navigation
for Autonomous Underwater Vehicles // Proc. of the IEEE Int. Conf. on Robotics and Automation. Rome, Italy. P. 1–8.

6. Cario G., Casavola A., Djapic V., Gjanci P., Lupia M., Petrioli C., Spaccini D. Clock Synchronization and Ranging Estimation for Control and
Cooperation of Multiple UUVs // Proc. of the MTS/IEEE Int. Conf. OCEANS 2016. Shanghai, China., 2016. P. 1–9.

7. Atwood D.K., Leonard J.J., Bellingham J.G., Moran B.A. An Acoustic Navigation System for Multiple Vehicles // Proc. Int. Symp. on
Unmanned Untethered Submersible Technology. 1995. P. 202–208.

8. Matos A., Cruz N. Coordinated Operation of Autonomous Underwater and Surface Vehicles // Proc. of the MTS/IEEE Int. Conf. OCEANS
2007. Vancouver, Canada, 2007. P. 1–6.

9. Melo J., Matos A. Guidance and Control of an ASV in AUV Tracking Operations // Proc. of the MTS/IEEE Int. Conf. OCEANS 2008. Quebec,
Canada, 2008. P. 1–7.

10. Ваулин Ю.В., Дубровин Ф.С., Щербатюк А.Ф., Щерб­ атюк Д.А. Некоторые результаты моделирования алгоритмов разностно-даль-
номерной ГАНС для обеспечения навигации групп АНПА // Материалы докл. 8-й Всерос. науч.-техн. конф. «Техничес­ кие проблемы освоения
Мирового океана». Владивосток, 2019. C. 111–119.

11. Matos A., Cruz N. Coordinated Operation of Autonomous Underwater and Surface Vehicles // Proc. of the MTS/IEEE Int. Conf. OCEANS
2007. Vancouver, Canada, 2007. P. 1–6.

12. Melo J., Matos A. Guidance and Control of an ASV in AUV Tracking Operations // Proc. of the MTS/IEEE Int. Conf. OCEANS 2008. Quebec,
Canada, 2008. P. 1–7.

13. Santos N., Matos A., Cruz N. Navigation of an Autonomous Underwater Vehicle in a Mobile Network // Proc. of the MTS/IEEE Int. Conf.
OCEANS 2008, Quebec, Canada, 2008. P. 1–5.

14. Fallon M., Papadopoulos G., Leonard J. Cooperative AUV Navigation using a Single Surface Craft // Field and Service Robotics: Results of
the 7th Int. Conf. 2009. P. 331–340.

15. Fallon M., Papadopoulos G., Leonard J., Patrikalakis N. Cooperative AUV Navigation using a Single Maneuvering Surface Craft // The Int.
J. of Robotics Research. 2010.Vol. 29, is. 12. P. 1–27.

16. Papadopoulos G., Fallon M., Leonard J., Patrikalakis N. Cooperative Localization of Marine Vehicles using Nonlinear State Estimation
// IEEE/RSJ Int. Conf. on Intelligent Robots and Systems. 2010. P. 1–6.

17. SaExperimental Evaluation of Accuracy and Efficiency of Alternating Landmark Navigation by Multiple AUVs // IEEE IMO

ПОДВОДНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И РОБОТОТЕХНИКА. 2019. ¹ 4 (30) 35

МОДЕЛИ, АЛГОРИТМЫ И ПРОГРАММНЫЕ СРЕДСТВА

18. Bahr A, Leonard J, Martinoli A. Dynamic Positioning of Beacon Vehicles for Cooperative Underwater Navigation // Proc. of the IEEE/RSJ
Int. Conf. on Intelligent Robots and Systems. 2012. P. 1–8.

19. Harris Z., Whitcomb L. Preliminary Feasibility Study of Cooperative Navigation of Underwater Vehicles with Range and Range-Rate Obser-
vations // Proc. of the MTS/IEEE Int. Conf. OCEANS. Washington, 2015. P. 1–6.

20. Inaba S., Sasano M., Kim K., Seta T., Okamoto A., Tamura K., Ura T., Sawada S., Suto T. Tracking Experiment of Multiple AUVs by a
Semi-Submersible ASV // Proc. of the Int. Conf. UT. 2017. P. 1–4.

21. Scherbatyuk A.Ph., Dubrovin F.S. Some Algorithms of AUV Positioning Based on One Moving Beacon // Proc. of the IFAC Workshop Navi-
gation, Guidance and Control of Underwater Vehicles, 10–12 April 2012, FEUP, Porto, Portugal. 2012. Vol. 45, is. 5. P. 1–6.

22. Dubrovin F.S., Scherbatyuk A.F. Studying some algorithms for AUV navigation using a single beacon: The results of simulation and sea trials
// Gyroscopy and Navigation. 2016. Vol. 7, is. 2 April. P. 189–196.

23. Behrje U., Isokeit C., Meyer B., Machle E. A Robust Acoustic-Based Communication Principle for the Navigation of an Underwater Robot
Swarm // Proc. of the MTS/IEEE Int. Conf. OCEANS. Kobe, 2018. P. 1–5.

24. Tan Y., Gao R., Chitre M. Cooperative Path Planning for Range-Only Localization Using a Single Moving Beacon // IEEE Journ. of Oceanic
Engineering. 2014. Vol. 39, No. 2. April. P. 1–15.

25. Chitre M. Path planning for cooperative underwater range-only navigation using a single beacon // Proc. of the IEEE Int. Conf. on Autono-
mous and Intelligent Systems (AIS). 2010. P. 1–6.

26. Teck T., Chatre M. Single Beacon Cooperative Path Planning Using Cross-Entropy Method // Proc. of the MTS/IEEE Int. Conf. OCEANS.
Kona, USA, 2011. P. 1–6.

27. Hudson J., Seto M. Underway Path-planning for an Unmanned Surface Vehicle Performing Cooperative Navigation for UUVs at Varying
Depths // Proc. of the IEEE/RSJ Int. Conf. on Intelligent Robots and Systems (IROS) 2014, Chicago, IL, USA. 2014. P. 2298–2305.

28. Sergeenko N., Scherbatyuk A., Dubrovin F. Some Algorithms of Cooperative AUV Navigation with Mobile Surface Beacon // Proc. of the
MTS/IEEE Int. Conf. OCEANS. San- Diego, USA, 2013. P. 1–6.

29. Gao R., Chitre M. Cooperative Positioning using Range- Only Measurements Between Two AUVs // Proc. of the MTS/IEEE Int. Conf.
OCEANS 2010. Sydney, NSW, Australia, 2010. P. 1–6.

30. Baccou P., Jouvencel B., Creuze V., Rabaud C. Cooperative Positioning and Navigation for Multiple AUV Operations // Proc. of the MTS/
IEEE Int. Conf. and Exhibition OCEANS. 2001. Vol. 3. P. 1816–1821.

31. Vaganay J., Leonard J., Curcio J., Willcox S. Experimental Validation of the Moving Long Base Line Navigation Concept // Proc. of the Int.
Conf. AUV. 2004. P. 1–7.

32. Zhang L., Xu D., Liu M., Yan W., Gao J. An Algorithm for Cooperative Navigation of Multiple UUVs // Proc. of the sixth Int. Symposium on
Underwater Technology, UT2009, Wuxi, China, April 2009. P. 1–6.

33. Mirabellot D., Sandersont A., Blidberg D. Comparing Kalman and particle filter approaches to coordinated multi-vehicle navigation // Proc.
of the Int. Conf. UUST 2007. NH, USA, 2007. P. 1–6.

34. Engel R., Kalwa J. Relative Positioning of Multiple Underwater Vehicles in the GREX Project // Proc. of the MTS/IEEE Int. Conf. OCEANS
2009. Biloxi, USA. 2009. Vol. 42, is. 18. P. 406–411.

35. Bahr A., Walter M.R., Leonard J.J. Consistent Cooperative Localization // Int. Conf. on Robotics and Automation (ICRA). Kobe, Japan, 2009.
P. 1–8.

36. Fallon M.F., Papadopoulos G., Leonard J.J. A Measurement Distribution Framework for Cooperative Navigation using Multiple AUVs // Proc.
of the IEEE Int. Conf. on Robotics and Automation (ICRA). 2010. P. 1–8.

37. Matsuda T., Maki T., Sakamaki T., Ura T. Large Area Navigation Method of Multiple AUVs based on Mutual Measurements // Proc. of the
MTS/IEEE Int. Conf. OCEANS 2011. Kona, USA. 2011. P. 1–9.

38. Matsuda T., Maki T., Sakamaki T., Ura T. State Estimationand Compression Method for the Navigation of Multiple Autonomous Underwater
Vehicles With Limited Communication Traffic // IEEE J. of oceanic engineering. 2015. Vol. 40, No. 2, April. P. 1–12.

39. Matsuda T., Maki T., Sato Y., Sakamaki T. Performance Verification of the Alternating Landmark Navigation by Multiple AUVs through Sea
Experiments // Proc. of the MTS/IEEE Int. Conf. OCEANS. 2015, Genova, Italy. 2015. P. 1–9.

40. Matsuda T., Maki T., Sakamaki T., Ura T. State Estimationand Compression Method for the Navigation of Multiple Autonomous Underwater
Vehicles With Limited Communication Traffic // IEEE J. of oceanic engineering. 2015. Vol. 40, No. 2, April. P. 1–12.

41. Matsuda T., Maki T., Sato Y., Sakamaki T. Experimental Evaluation of Accuracy and Efficiency of Alternating Landmark Navigation by Mul-
tiple AUVs // IEEE J. of oceanic engineering. 2018. Vol. 43, No. 2. P. 1–23.

42. Daxiong J., Jian L. A Navigation Method for Multiple Robots Based on a Single Mobile Node // ROBOT. 2012. Vol. 34, No. 6 November. P.  1–5.
43. Sun S., Yu S., Shi Z., Fu J., Zhao C. A Novel Single- Beacon Navigation Method for Group AUVs Based on SIMO model // IEEE Ac-
cess-2018-17815. 2018. Vol. 6. P. 1–14.
44. Zhang L., Liu M., Zhang F. Cooperative Localization Method for AUV Using Acoustic Communication Measurement // Advanced Engineer-
ing Forum. 2012. Vol. 4. P. 227–231.
45. Pentzer J., Wolbrecht E. Improving Autonomous Underwater Vehicle Navigation Using Inter-Vehicle Ranging // Proc. of the MTS/IEEE Int.
Conf. OCEANS. 2012. P. 1–8.
46. Nogueira M., Sousa J., Pereira F. An Underwater Cooperative Navigation Scheme // Proc. of the MTS/IEEE Int. Conf. OCEANS 2013. Ber-
gen. 2013. P. 1–7.
47. Paull L., Seto M., Leonard J. Decentralized Cooperative Trajectory Estimation for Autonomous Underwater Vehicles // Proc. of the IEEE/RSJ
Int. Conf. on Intelligent Robots and Systems (IROS) 2014, Chicago, IL, USA. 2014. P. 1–8.
48. Furfaro T., Alves J. A Communications and Relative Navigation Architecture for Underwater Vehicle Coordination // Proc. of the MTS/IEEE
Int. Conf. OCEANS 2015. Washington, DC, USA. 2015. P. 1–6.
49. Pascoal A., Ribeiro J., Ribeiro M., Rufino M., Sebastiao L., Silva H. Cooperative Navigation and Control: the EU MORPH project // Proc. of
the MTS/IEEE Int. Conf. OCEANS 2015. Washington, DC, USA. 2015. P. 1–10.\
50. Paull L., Huang G., Seto M., Leonard J. Communication-Constrained Multi-AUV Cooperative SLAM // Proc. of the Int. Conf. on Robotics
and Automation (ICRA-2015). Seattle, WA, USA. 2015. P. 1–8.
51. Zhang L., Xu S., Liu M., Xu D. Cooperative Localization for Multi-AUVs Based on Time-Of-Flight of Acoustic Signal Using Moving Hori-
zon Estimation // MTS. 2015. P. 1–5.
52. Matsuda T., Maki T., Sakamaki T. Multiple AUV Navigation Based on a Single High-performance AUV for Accurate and Efficient Seafloor
Survey. Sea Experiments with 3 AUVs // Proc. of the MTS/IEEE Kobe Techno-Oceans (OTO). 2018. P. 1–7.
53. Antonelli G., Arrichiello F., Chiaverini S., Sukhatme G. Observability analysis of relative localization for AUVs based on ranging and depth
measurements // Proc. of the IEEE Int. Conf. on Robotics and Automation, May 3–8, 2010, Anchorage, Alaska, USA. 2010. P. 1–6.
54. Nogueira M., Sousa J., Pereira F. Cooperative Autonomous Underwater Vehicle Localization // Proc. of the MTS/ IEEE Int. Conf. OCEANS
2010, Sydney, Australia. 2010. P. 1–6.

36 ПОДВОДНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И РОБОТОТЕХНИКА. 2019. ¹ 4 (30)

СРЕДСТВА И МЕТОДЫ ПОДВОДНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ●

УДК 534.2, 534.23 10.25808/24094609.2019.30.4.005

ПОГРАНИЧНЫЕ ВОЛНЫ
В ПРОБЛЕМЕ ОБНАРУЖЕНИЯ
ПОДВОДНЫХ ИСТОЧНИКОВ ШУМА

Б.А. Касаткин, Н.В. Злобина, С.Б. Касаткин Федеральное государственное мбюордсжкеитхнтоеехнуочлреожгидйенДиВеОнРаАуНки1
Институт проблем

Приведен краткий исторический обзор методов обнаружения подводных источников шума и критический
анализ возможности дальности их обнаружения. Обсуждаются дискуссионные вопросы адекватности клас-
сической трактовки приграничного (приповерхностного или придонного) распространения звуковых волн и
влияния мягкого экрана на процесс обнаружения шумовых источников. Изложена альтернативная точка зре-
ния, основанная на использовании несамосопряженной модельной постановки граничных задач в акустике
слоистых сред. Приведены примеры дальнего распространения звуковых волн, обусловленного возбужде-
нием пограничных волн обобщенного типа комплексным угловым спектром источника. Приведены примеры
использования комбинированного приемника в мелком море в инфразвуковом диапазоне частот и оценки
его помехоустойчивости как перспективного приемника шумовых сигналов инфразвукового диапазона.

ВВЕДЕНИЕ прибор для обнаружения и пеленгования подводных
лодок по характерному шуму гребного винта
Среди акустиков, интересующихся историей лодки. Прибор представлял собой круговую базу,
акустики и гидроакустики в частности, хорошо состоящую из набора слуховых трубок, развернутых
известна версия о том, что первым акустиком, успешно по азимутальному углу, каждая из которых была
решившим проблему обнаружения шумящих снабжена микрофоном. Согласно современным
источников типа парусных судов, был Леонардо да представлениям, подводная лодка времен Первой
Винчи. Вполне вероятно, что именно после успешных мировой войны демаскировала себя дискретными
экспериментов, а вовсе не в результате размышлений составляющими вально-лопастного звукоряда
на эту тему он записал в своем дневнике: «Если вы (ВЛЗР). Дальность обнаружения подводной лодки
остановите судно, возьмете длинную полую трубку по дискретным составляющим ВЛЗР составляла,
и одним концом опустите в воду, а другим концом по словам изобретателя, 55 миль. Дальнейшее
приложите к уху, то услышите корабли, находящиеся усовершенствование приемных систем, решающих
на большом расстоянии» [1]. Впоследствии такая проблему определения координат и параметров
полая трубка с раструбом на конце, закрытом движения цели (КПДЦ), пошло по пути разработки
упругой мембраной, получила название слуховой многоэлементных приемных антенн на основе
трубки. Известно также, что адмирал С.О. Макаров приемников звукового давления, понижения рабочих
ввел на кораблях судовую роль матроса-акустика, частот и, соответственно, увеличения их габаритных
который с помощью слуховой трубки должен размеров. Ситуация принципиально изменилась,
был прослушивать горизонт в условиях плохой когда появились новые точечные приемные системы
оптической видимости, дабы обнаруживать идущие на основе комбинированных приемников, способные
в атаку миноносцы и предупреждать командира составить им реальную конкуренцию в наиболее
корабля о возможной угрозе. Согласно современным информативном инфразвуковом диапазоне частот.
представлениям, парусное судно времен Леонардо
да Винчи демаскировало себя шумами обтекания Классическая (лучевая) теория. Можно
звукового диапазона. Известно также, что слуховая предположить, что и надводное судно, и подводная
трубка была значительно усовершенствована лодка времен Первой мировой войны представляли
во время Первой мировой войны американским
инженером Дюблайером [2], который разработал 1 690091, г. Владивосток, ул. Суханова, 5а. Тел.: +7 (423) 243-25-78.
E-mail: [email protected], [email protected]

ПОДВОДНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И РОБОТОТЕХНИКА. 2019. ¹ 4 (30) 37

СРЕДСТВА И МЕТОДЫ ПОДВОДНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

собой приповерхностный источник шума звукового роль концентратора звуковой энергии и, судя по ее
или инфразвукового диапазона, а слуховая трубка размерам, увеличивает коэффициент передачи на 20–
или круговая база на ее основе представляли собой 25 дБ. Суммируя эти оценки и полагая, что прием
приповерхностный приемник с глубиной погруже- звукового сигнала возможен при уровне в 20 дБ отно-
ния в несколько метров. По условиям работы слу- сительно порога слышимости, получаем требуемую
ховой трубки в режиме обнаружения она должна оценку уровня сигнала на источнике, приведенного
принимать звуковые волны, распространяющиеся к 1 м, который составляет 248–253 дБ. При увеличе-
вдоль поверхности моря, которая играет роль мяг- нии «большого расстояния до кораблей» потери на
кого экрана. Для оценки потерь на распространение распространение растут катастрофически быстро, а
воспользуемся результатами, полученными в работе вместе с ними и необходимый уровень сигнала на
[3] в рамках простейших лучевых представлений, ко- источнике.
торые поясняются рис. 1.
Иначе говоря, с точки зрения классической аку-
Согласно аналитической оценке уровень звуково- стики Леонардо да Винчи принципиально не мог
го давления в условиях приповерхностного распро- ничего услышать, так как расчетный уровень излу-
странения звуковой волны убывает пропорциональ- чения, приведенный к метру, грубая оценка которого
но кубу расстояния. Согласно численным оценкам приведена выше, не может соответствовать шумам
потерь на распространение в случае приповерхност- обтекания парусного судна XV в. На том же основа-
ного источника и приповерхностного приемника, нии можно считать, что и Дюблайер не мог обнару-
приведенным на рис. 1, они составляют 75 дБ на рас- живать и пеленговать в инфразвуковом диапазоне ча-
стоянии, равном 80 глубинам источника z0(z0 = z, z – стот шумы подводной лодки времен Первой мировой
глубина приемника). Полагая, например, что частота войны приповерхностным приемником в условиях
максимума спектральной плотности шумов обтека- приповерхностного распространения звука, но мож-
ния составляет 300 Гц (что соответствует скорости но предположить с некоторой вероятностью прием
хода 8–10 узлов), а глубина приемника в экспери- шумов в дальних зонах акустической освещенности.
ментах Леонардо да Винчи составляла 5 м (z0 = λ, Однако возможна и альтернативная точка зрения, из-
λ – длина волны), получаем, что эти оценки соответ- ложенная ниже.
ствуют условиям эксперимента. Однако эта оценка
потерь на распространение должна быть увеличена Обобщенная теория. Обобщенная теория вол-
в несколько раз, так как она соответствует расстоя- новых процессов в слоистых средах формулируется
нию в 400 м, что вряд ли соответствует «большому в рамках несамосопряженной модельной постановки
расстоянию до кораблей», упомянутому в дневнике соответствующих граничных задач. По этой причи-
Леонардо да Винчи. Полагая, что расстояние в экс- не она принципиально отличается от классической
перименте Леонардо да Винчи составляло как мини- теории, которая формулируется в рамках самосопря-
мум 1 км, получаем оценку потерь на распростране- женной модельной постановки. Основы обобщенной
ние в 187 дБ при дальности обнаружения 1 км. Кроме теории с той или иной степенью полноты изложены
того, сама слуховая трубка как приемник звукового нами в работах [3–5]. Основу обобщенной теории
давления, характеризуется крайне малым коэффи- составляет гипотеза о возможной трансформации
циентом передачи на границе раздела вода – воздух, расходящейся волны в сходящуюся волну отдачи с
который составляет 66 дБ. Можно предположить, одновременным изменением знака вертикального
что слуховая трубка с раструбом на конце играет волнового числа. Включение в решение граничной
задачи сходящихся волн отдачи как собственных
Рис. 1. Зависимость уровня звукового давления от расстояния функций сопряженного оператора как раз и означа-
z0 = λ / z0 = 5λ; ет переход к несамосопряженной модельной поста-
вблизи свободной поверхности: 1 – 2; 2 – новке. Такая трансформация может происходить на
r1 = r / z0, z = z0 горизонтах трансформации, в качестве которых мо-
гут выступать, например, горизонты полного вну-
треннего отражения нормальных волн, захваченных
волноводом. Сама обобщенная нормальная волна, в
структуре которой появляется горизонт трансформа-
ции, становится гибридной волной, содержащей и
расходящуюся составляющую, и сходящуюся волну
отдачи. Как показано в работах [6, 7], на горизонтах
трансформации давление и нормальная компонента

38 ПОДВОДНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И РОБОТОТЕХНИКА. 2019. ¹ 4 (30)

СРЕДСТВА И МЕТОДЫ ПОДВОДНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

вектора колебательной скорости терпят разрыв, но тенсивности. Появление нового источника ничего

сохраняется непрерывным импеданс, определен- не изменяет в описании самого модельного источни-
ный через интегральные величины, такие как сила ка и его энергетики, если он находится в свободном

и объемная колебательная скорость. Разрывность пространстве, так как мощность источника, по сути
обобщенного решения по давлению и нормальной виртуального, равна нулю. Однако ситуация принци-
компоненте вектора колебательной скорости озна- пиально изменится, когда такой источник окажется в
чает появление на горизонте трансформации ново- слоистой среде, например в волноводе. В этом случае
го источника энергии монопольно-дипольного типа, баланс горизонтальных потоков мощности в гибрид-
который характеризуется распределением знакопере- ной волне будет нарушен, а в волноводе возникнут
менной вертикальной компоненты вектора интенсив- новые формы волнового движения с отличным от
ности с периодом λ/2, (λ – длина волны). Модельное нуля потоком мощности.
описание такого источника соответствует известному
в математике понятию поверхностной δ(x)-функции. Для выяснения корректности введения обобщен-
Однако мощность нового источника равна нулю, поэ- ных нормальных волн в описание суммарного звуко-
тому сам новый источник оказывается виртуальным, вого поля следует выяснить устройство модельного
а несамосопряженная модельная постановка остает- источника в диапазоне комплексных углов падения,
ся физически корректной, так как не нарушает фун- которые не принимают участия в построении класси-
даментальных законов физики. Включение в суммар- ческого решения. Как правило, в качестве модельно-
ное решение обобщенных составляющих удваивает го источника в таких задачах используется потенциал
общее число нормальных волн, которые зарождают- точечного источника, допускающий представление в
виде интеграла Фурье–Бесселя (интеграла Ганкеля):

ся парами на частотах продольного (радиально-тол-

щинного) резонанса.

Другая особенность несамосопряженной мо- (1)
дельной постановки заключается в расширенной

трактовке самого точечного источника, изложен-

ной, например, в работе [3]. Как показано в этой

работе, в спектральном представлении звуково- , – круговая частота и
го поля точечного источника можно выделить две скорость звука в водной среде, z0 – горизонт
составляющие. Одна составляющая связана с ве- источника, R2 = (z – z0)2 + r. Представим потен-
щественным угловым спектром источника, кото- циал (1) в виде суммы двух составляющих
рому соответствуют вещественные углы падения

(Ɵ = (0, π)) в области видимости. Другая со- (2)
ставляющая связана с комплексным угловым
спектром, которому соответствуют комплекс-

ные углы падения (Ɵ = π/2 + iδ, δ = (0, ∞)).

С вещественным угловым спектром связывают отбор

энергии от источника, тогда как комплексный угло-

вой спектр не участвует в отборе энергии и описы-

вает реактивную нагрузку на источник типа стоячей (3)
волны. Поскольку несамосопряженная модельная

постановка допускает трансформацию расходящейся

волны в сходящуюся волну отдачи с одновременным

изменением знака вертикального волнового числа,

то и комплексному угловому спектру модельного

источника можно сопоставить гибридные неодно- Одна из них G1(r, z) является аналитической
родные волны, расходящиеся в верхнем относи- функцией на плоскости комплексного спектраль-
тельно горизонта источника полупространстве, и ного параметра с разрезом Imk31 = 0 и может быть
сходящиеся неоднородные волны отдачи в нижнем представлена контурным интегралом по контуру Г1.
полупространстве (или наоборот). Как отмечалось Другая составляющая G2(r, z) также представима кон-
выше, на горизонте трансформации, т.е. на горизонте турным интегралом по контуру Г2, соответствующим
модельного источника, возникает знакопеременная с разрезу Rek31 = 0 , от разрывной волновой функции,
периодом λ/2 вертикальная компонента вектора ин-

ПОДВОДНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И РОБОТОТЕХНИКА. 2019. ¹ 4 (30) 39

СРЕДСТВА И МЕТОДЫ ПОДВОДНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

принимающей различные (сопряженные) значе-
ния в формуле (3). По этой причине составляющую
G2(r, z) следует считать обобщенной составляющей
модельного источника. Контуры интегрирования
функций G1(r, z) и G2(r, z) показаны на рис. 2, а, б.
В обобщенном описании (2) модельный источник
задан не только скачком вертикальной компоненты
вектора колебательной скорости на самом источнике
для составляющих вещественного углового спектра,
но и скачком давления и нормальной компоненты
вектора колебательной скорости на всем горизонте
источника для составляющих комплексного углового
спектра. Лучевая трактовка линий тока в поле векто-
ра интенсивности для составляющих G1(r, z) и G2(r, z)
дана на рис. 2, в, г.

Если решение граничной задачи ищется в классе
аналитических функций, то в представлении (2) нуж-
но положить g1 = 1, g2 = 0. В этом случае под модель-
ным источником подразумевается только его анали-
тическая составляющая G1(r, z). При таком выборе
модельного описания источника его комплексный
угловой спектр не участвует при построении реше-
ния, которое по своим свойствам оказывается са-
мосопряженным. Несамосопряженная модельная
постановка соответствует более общему представ-
лению модельного источника (2), в котором весовые
коэффициенты g1, g2 определяются из энергетиче-
ских соображений формулами :

(4)


где P0 – мощность, соответствующая веществен- Рис. 2. Контуры интегрирования и верхние листы: Imk31 ≤ 0 (а);
ному угловому спектру источника; Pc – мощность, Rek31 ≥ 0 (б) и лучевая трактовка составляющих модельного
соответствующая комплексному угловому спектру источника: G1(r, z) (в), G2(r, z) (г)
источника.
В случае волновода Пекериса единственной но-
Принципиальная особенность несамосопряжен- вой формой волнового движения в области ком-
ной модельной постановки заключается в том, что в плексных углов падения, удовлетворяющей гранич-
слоистой среде комплексный угловой спектр источ- ным условиям, будет обобщенная нормальная волна
ника возбуждает обобщенные формы волнового дви- нулевого порядка (обобщенная фундаментальная
жения (медленные обобщенные волны), разрывные
либо на горизонте источника, либо на горизонтах
полного внутреннего отражения. Такая структура
звукового поля соответствует разрывной структу-
ре обобщенной составляющей G2(r, z) модельного
источника. Для обобщенных форм волнового движе-
ния мощность излучения в слоистой среде, связанная
с комплексным угловым спектром источника, отлич-
на от нуля. Кроме того, на самих горизонтах транс-
формации генерируется вихревая составляющая
вектора интенсивности, представленная знакопере-
менной с периодом λ/2 вертикальной компонентой
этого вектора, как показано на рис. 2, г.

40 ПОДВОДНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И РОБОТОТЕХНИКА. 2019. ¹ 4 (30)

СРЕДСТВА И МЕТОДЫ ПОДВОДНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

мода) [3], соответствующая нулю коэффициента от- ρ1, с1 – плотность и скорость звука в водной среде,
ражения плоской волны на границе раздела двух ρ2, с2 – плотность и скорость звука в полупростран-
жидких сред, и сопряженная с ней обобщенная нор- стве, z0, h – горизонт источника и глубина волновода,
мальная волна первого порядка. Само условие обра- ϕ(r, z), – потенциал скорости,
щения в нуль коэффициента отражения реализуется в
области комплексных углов падения, косвенно свиде- звуковое давление и вектор колебательной скорости,
тельствуя о возможном существовании новых форм
волнового движения с участием комплексного угло- ω – круговая частота. Дисперсионные зависимости
вого спектра. Понятно, что такая волна отсутствует
в классическом решении, построенном в самосопря- для двух составляющих определяются дисперсион-
женной модельной постановке (Л.М. Бреховских),
в которой комплексный угловой спектр не уча- ными уравнениями:
ствует в построении общего решения. В более
сложном волноводе типа жидкий слой – твердое Первое дисперсионное уравнение определяет ко-
полупространство несамосопряженная модельная по- рень ξ = ξ0, соответствующий нулю коэффициента
становка предсказывает появление обобщенных волн отражения V1 в области комплексных углов падения.
Рэлея–Шолте, отсутствующих в классическом реше- Второе дисперсионное уравнение совпадает с дис-
нии, но присутствующих в модельном эксперименте персионным уравнением задачи Пекериса в области
[8] и в реальных экспериментах, описанных в рабо- комплексных углов падения, которое имеет реше-
тах [6, 7]. Другие отличия обобщенного решения от ние в области частот, определяемых условием:
классического решения, связанные с парной структу-
рой нормальных волн высшего порядка, достаточно (6)
подробно описаны в работе [5]. Согласно обобщен-
ной теории, все нормальные волны зарождаются па- Для обобщенного описания источника нужно вы-
рами на частотах продольного резонанса, формируя, числить коэффициент энергоемкости Q2 и парциаль-
тем самым, комбинационные волны. Каждая комби- ные коэффициенты g1, g2 в формуле (2):
национная волна содержит регулярную составляю-
щую, локально непрерывную (в обычном смысле) во (7)
всей области определения, и обобщенную (гибрид-
ную) составляющую. Обобщенная составляющая со-
держит в своей структуре горизонт трансформации,
играющий роль горизонта полного внутреннего от-
ражения по Ньютону, на котором обобщенная волна
остается непрерывной только по импедансу. Имен-
но эти различия становятся принципиальными при
описании пограничных явлений, приповерхностных
либо придонных, в волноводах различного типа.

Обобщенная теория и пограничные явления.
Понятно, что обобщенные нормальные волны нуле-
вого порядка (фундаментальные моды), не имеющие
критической частоты, играют важную роль на часто-
тах инфразвукового диапазона. В ряде случаев имен-
но они вносят доминирующий вклад в суммарное
звуковое поле в приповерхностном или в придонном
слое, в которых при малых углах скольжения эффект
мягкого экрана проявляется в наиболее разрушитель-
ной форме. В соответствии с результатами работы
[3] обобщенную комбинационную волну волновода
Пекериса можно искать в виде суммы двух состав-
ляющих:

(5)

ПОДВОДНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И РОБОТОТЕХНИКА. 2019. ¹ 4 (30) 41

СРЕДСТВА И МЕТОДЫ ПОДВОДНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Е20, Е21 – парциальные потоки мощности для обоб- обобщенных нормальных волн. Нормирующий мно-
щенных волн φ20(r, z) и φ21(r, z) соответственно. Κ – ко- житель Q2 пропорционален мощности, переносимой
эффициент передачи по мощности для обобщенных парой обобщенных волн в горизонтальном направле-
нормальных волн комплексного углового спектра. В нии.
модельном описании источника (2) в соответствии с
определением (4) следует положить: В случае приповерхностного источника реали-
зуется звуковое поле с квадрупольным типом пото-
g12 = (1 + K)-1, g22 = К(1 + K)-1. ков мощности, соответствующим рис. 3, а. В припо-
Собственные функции (6) для пары обобщенных верхностном слое, ограниченном снизу горизонтом
волн запишутся в следующем виде: источника, формируется поле встречных волн, в ко-
тором доминирует вихревая составляющая вектора
(8) интенсивности, парирующая эффект мягкого экра-
на. В области, ограниченной горизонтами трансфор-
Функции поперечного сечения и структура го- мации, формируется положительно определенный
ризонтальных потоков мощности для этой пары поток мощности, а уровень звукового давления в
обобщенных волн показаны на рис. 3. Горизонты суммарном поле убывает с расстоянием по цилин-
z = z0, z = h + Δz0, Δz0 = (h – z0) α1 / α2 играют роль дрическому закону. В случае придонного источни-
горизонтов трансформации для пары сопряженных ка реализуется звуковое поле с диполь-дипольным
типом потоков мощности,соответствующим
б рис. 3, б. В придонном слое, ограниченном горизон-
тами трансформации, формируется поле встречных
Рис. 3. Функции поперечного сечения и структура горизонтальных волн, в котором также доминирует вихревая состав-
потоков мощности для медленных обобщенных волн ляющая вектора интенсивности, парирующая эф-
фект мягкого экрана. Эта особенность обобщенного
решения принципиально отличает его от классиче-
ского решения, построенного в самосопряженной
модельной постановке. В классическом решении
обобщенная фундаментальная мода отсутствует, а
уровень звукового давления в приповерхностном
слое приповерхностного источника или в придон-
ном слое придонного источника убывает (вслед-
ствие эффекта мягкого экрана) с кубом расстояния
[3]. Отметим, что эффект мягкого экрана реализу-
ется в приграничной области звукового поля с ди-
польной структурой потоков мощности, в которой
доминирует потенциальная составляющая вектора
интенсивности, а не вихревая.

Рис. 4 поясняет зависимость коэффициента пе-
редачи от горизонта источника z01, параметром кри-
вых является частотный параметр k1h. На рис. 4, а
частотный параметр изменяется в пределах k1h =
0,1, 0,2, 0,3, 0,5. На рис. 4, б частотный параметр
изменяется в пределах k1h = 1,0, 1,5, 2,0, 3,0. Для
значения частотного параметра k1h = 3,0 численное
значение коэффициента К увеличено в пять раз. На
рис. 4, в частотный параметр изменяется в преде-
лах k1h = 3,3, 4,0, 5,0, 10,0. Частотная зависимость
коэффициента передачи поясняется рис. 5. В пре-
дельном случае низких частот коэффициент пере-
дачи растет обратно пропорционально частоте. Это
означает смену квадратичной частотной зависимо-
сти мощности модельного источника, излучаемой в
свободное пространство вещественным спектром,

42 ПОДВОДНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И РОБОТОТЕХНИКА. 2019. ¹ 4 (30)

СРЕДСТВА И МЕТОДЫ ПОДВОДНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Рис. 5. Зависимость коэффициента передачи
К от частного параметра k1h

Рис. 4. Зависимость коэффициента передачи К от горизонта источника z01

на линейную частотную зависимость мощности мо- модельном плане его можно было считать жидким,
дельного источника, излучаемой его комплексным а сам модельный волновод соответствовал модельно-
спектром в виде пограничной волны, формирующей му волноводу Пекериса. Математическое описание
фундаментальную моду. экспериментальных данных дано в работе [3]. Ха-
рактерная особенность экспериментальных данных,
Дополнительный рост коэффициента передачи приведенных в этих работах, заключается в уверен-
связан с возбуждением первой обобщенной нормаль- ной регистрации гигантских интерференционных
ной волны, которая при k1h ≥ 3,1 становится неодно- структур, период интерференции в которых состав-
родной волной, локализованной на горизонте полно- лял многие сотни (тысячи) длин волн. Изменение
го внутреннего отражения z = h + ∆z0. В предельном периода интерференции от минимального до мак-
случае высоких частот возбуждение комплексного симального значения соответствует изменению угла
углового спектра дает 20 %-ное увеличение мощно- наклона дна от максимального до минимального зна-
сти, излучаемой источником при его расположении чения. Как показано в работе [3], существование по-
на границе раздела. добных интерференционных структур противоречит
классическому описанию звукового поля в придон-
Главная особенность обобщенных решений за- ной области (Л.М. Бреховских), но хорошо соответ-
ключается в том, что в звуковом поле встречных ствует обобщенному описанию. Сами интерферен-
волн типа стоячей волны, которое формируется ционные структуры соответствуют интерференции
в приповерхностной области, доминирует вихре- обобщенных нормальных волн нулевого и первого
вая составляющая вектора интенсивности, пари- порядка, отсутствующих в классическом решении.
рующая эффект мягкого экрана. Уровень фунда- Для этих волн разностная пространственная частота
ментальной моды убывает по цилиндрическому ∆ξ стремится к нулю с ростом частотного параметра
закону, а потери на распространение, связанные с соответствующим ростом пространственного пе-
с расходимостью волнового фронта, уменьшают- риода интерференции (L = 2π/∆ξ). Рис. 6, взятый из
ся в шесть раз (в логарифмическом масштабе). работы [4], поясняет гигантские интерференционные
Для рассмотренной выше оценки потерь на рас- структуры, период интерференции в которых состав-
пространение при дальности обнаружения 1 км ляет десятки метров на рабочей частоте гидролока-
это означает уменьшение суммарных потерь на тора бокового обзора 80 кГц (длина волны порядка
150 дБ, что существенно повышает шансы на реаль- 2 см). Следует также отметить высокую когерент-
ное обнаружение «кораблей, находящиеся на боль- ность интерференционных структур, изображенных
шом расстоянии», как записал Леонардо да Винчи. на рис. 6, которая сохраняется, несмотря на случай-
ный характер обратного рассеяния звуковой волны
Случай придонного распространения звуковых гидролокатора бокового обзора на случайно неров-
волн с компенсацией эффекта мягкого экрана рас- ной поверхности морского дна. Когерентность ин-
смотрен нами в монографии [4] на примере работы терференционных структур такова, что на рисунке
в придонной области мелкого или глубокого моря хорошо видны линии повышенной яркости, соответ-
гидролокатора бокового обзора. Во всех рассмотрен-
ных случаях морское дно было представлено не-
консолидированными осадочными породами, т.е. в

ПОДВОДНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И РОБОТОТЕХНИКА. 2019. ¹ 4 (30) 43

СРЕДСТВА И МЕТОДЫ ПОДВОДНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

ствующие линиям наикратчайшего спуска на холми- модельном волноводе Пекериса. В этом приближе-
стой поверхности дна. Это свидетельствует о доста- нии звуковое поле, сформированное пограничными
точно высоком уровне звукового поля в придонной волнами Рэлея–Шолте в волноводе и полупростран-
области и отсутствии эффекта мягкого экрана, роль стве на частотах, меньших первой критической, опи-
которого играет импедансная граница раздела вода – сывается следующими формулами:
морское дно при малых углах скольжения (высота
излучателя над дном составляла 2–3 м). (9)

В случае более сложного волновода типа жидкий
слой – твердое полупространство фундаментальная
мода также является комбинационной волной, со-
держащей три составляющие, регулярную волну
Рэлея–Шолте, обобщенную волну Рэлея–Шолте
[6, 7] и обобщенную волну Шолте [8]. Поскольку
скорость распространения любой составляющей
фундаментальной моды меньше скорости звука в
воде, то возбуждение таких неоднородных волн воз-
можно только составляющими комплексного угло-
вого спектра источника в его обобщенном описании
(2).

Будем полагать, что в формировании звуково-
го поля в мелком море на частотах инфразвукового
диапазона доминирующий вклад вносят именно по-
граничные волны, регулярная волна Рэлея–Шолте и
обобщенные (гибридные) волны.

Рис. 7, поясняет распределение давления (компо-
нент тензора напряжения) в поперечном сечении вол-
новода для регулярной волны (рис. 7, а) и обобщен-
ных (рис. 7, б, в) пограничных волн Рэлея–Шолте.
При аналитическом описании звукового поля в твер-
дом полупространстве воспользуемся понятием ска-
лярного приближения, полагая, что звуковое поле в
придонной области твердого полупространства, где
сдвиговые напряжения близки к нулю, эквивалентно
полю звукового давления в жидком полупростран-
стве с параметрами ρ2, с2 = сL, как это реализовано в

аб

Рис. 6. Локационное изображение морского дна: а – Баренцево море, глубина места 1700 м; б – Японское море, глубина места 2500 м

44 ПОДВОДНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И РОБОТОТЕХНИКА. 2019. ¹ 4 (30)

СРЕДСТВА И МЕТОДЫ ПОДВОДНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Рис. 7. Дисперсионные характеристики (а) и функции поперечного сечения пограничных волн (б, в)

,

, (10)
где h – глубина моря, z0 – горизонт источника, ρ1,
ρ2 – плотность воды и твердого полупространства
соответственно; k1, kL, kt – волновое число в жидком
слое, волновые числа по продольным и поперечным
волнам в твердом полупространстве соответственно;
ξ0n – горизонтальные числа для трех пограничных
волн (n = 1, 2, 3).

При выводе формул (9) использовано канониче-
ское представление поля регулярной нормальной вол-
ны, дополненное амплитудным множителем, учиты-
вающим скачок функции возбуждения на горизонте
источника для обобщенных пограничных волн, как
это сделано в работе [6]. При выводе соотношения
ПОДВОДНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И РОБОТОТЕХНИКА. 2019. ¹ 4 (30) 45

СРЕДСТВА И МЕТОДЫ ПОДВОДНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

(10) предполагается, что звуковое поле в твердом по- От слуховой трубки до комбинированного при-
лупространстве можно описать эквивалентным полем емника. Опыт работы с подводными источниками
звукового давления, которое сохраняет непрерывность шума, частично изложенный в работах [6, 7], убе-
на границе раздела. Подробный анализ интерферен- дительно свидетельствует о том, что наиболее ин-
ционной структуры звукового поля, сформированного формативными составляющими в спектре шумового
пограничными волнами, выполнен в работе [9]. Коэф- поля подводного объекта являются дискретные со-
фициент передачи по мощности для обобщенной фун- ставляющие ВЛЗР, которые вносят доминирующий
даментальной моды, сформированной пограничными вклад в суммарное звуковое поле шумящего объек-
волнами Рэлея–Шолте, поясняется рис. 8. та инфразвукового диапазона. Кроме того, и это не
менее важно, в акваториях со скальным грунтом
Можно отметить монотонный рост коэффициента именно подводный объект эффективно возбуждает
передачи с увеличением глубины источника. Однако своими дискретными составляющими ВЛЗР погра-
частотная зависимость коэффициента передачи имеет ничные волны Рэлея–Шолте, регулярную и обоб-
характерные особенности. На высоких частотах ко- щенную. В результате парного возбуждения интер-
эффициент передачи стремится к некоторому преде- ферирующих пограничных волн, предсказанного
лу. Этому пределу соответствует примерно 30 %-ное обобщенной теорией, на 3D-сонограмме звукового
увеличение мощности источника (по сравнению с поля формируется характерная система изолиний
мощностью, отдаваемой в свободное пространство) равной интенсивности (ИРИ) с отрицательным зна-
за счет возбуждения комплексного углового спектра. чением инварианта [10], которые являются визитной
В предельном случае низких частот коэффициент пе- карточкой как пограничных волн Рэлея–Шолте, так
редачи растет обратно пропорционально частоте.Это и самого подводного объекта. Как показано в работе
означает смену квадратичной частотной зависимости [11], эта особенность интерференционных структур,
мощности модельного источника, излучаемой в сво- формируемых дискретными составляющими ВЛЗР,
бодное пространство вещественным спектром, на ли- позволяет решать не только проблему обнаружения
нейную частотную зависимость мощности модельно- шумящего объекта, но и достаточно эффективно ре-
го источника, излучаемой его комплексным спектром шать проблему классификации объекта в классе дихо-
в виде пограничных волн, формирующих фундамен- томии, т.е. классифицировать объекты на надводные
тальную моду. объекты и подводные. Характерно, что в работах
[6, 7, 11, 12] в качестве точечной приемной системы
Рис. 8. Зависимость коэффициента передачи для фундаменталь- был использован комбинированный приемник и ал-
ной мод2ы,0: ,а3–,5о);тбго–роитзочнатсатоитснтоогчонпиакрааzм0е1 т(рk1аhk=1h0,(,z2051 ,=01,3,0,)0,5, 1,0, горитмы обработки скалярно-векторной информа-
ции, позволившие реализовать повышенную помехо­
устойчивостькомбинированногоприемникасоценкой
20–25 дБ, которая неоднократно подтверждалась
экспериментально. Повышенной помехоустойчи-
вости комбинированного приемника соответствует
повышенная дальность обнаружения малошумных
подводных объектов, которая составляет не менее
25 миль при условии эффективного возбуждения по-
граничных волн дискретными составляющими ВЛЗР.

В качестве примера рис. 9 поясняет сонограмму
звукового поля, сформированного фундаментальной
модой волновода Пекериса в инфразвуковом диапа-
зоне частот. Первая критическая частота волновода
Пекериса в районе движения шумового источника
составляла 15–20 Гц. Сонограмма построена на вы-
ходе приемной системы, оснащенной комбиниро-
ванным приемником, при ее работе в мелком море в
случае, когда морское дно слагается неконсолидиро-
ванными осадками, сдвиговой упругостью которых
можно пренебречь. На сонограмме хорошо видны
изолинии равной интенсивности (ИРИ), для которых
инвариант принимает небольшие отрицательные

46 ПОДВОДНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И РОБОТОТЕХНИКА. 2019. ¹ 4 (30)

СРЕДСТВА И МЕТОДЫ ПОДВОДНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Рис. 9. Сонограмма звукового поля в инфразвуковом диапазоне частот, для которых инвариант принимает отрица-
частот тельные значения. В звуковом поле, сформированном
шумами обтекания, геометрия ИРИ соответствует
значения, близкие к нулю. Такие значения инвариан- положительному значению инварианта. Это означает,
та характерны для фундаментальной моды волновода что звуковое поле сформировано в основном нор-
Пекериса. Траверзная точка на сонограмме соответ- мальными волнами высшего порядка, для которых
ствует моменту времени 6 ч 45 мин. По результатам инвариант принимает положительное значение. На
обработки экспериментальных данных, приведенных сонограмме хорошо видна траверзная точка, соответ-
в работе [12], помехоустойчивость комбинирован- ствующая моменту времени 4 ч 45 мин. Дальность
ного приемника в инфразвуковом диапазоне частот обнаружения шумового объекта по шумам обтекания
составляет 20–25 дБ. Дальность обнаружения шумо- составляет 5–6 миль, тогда как дальность обнару-
вого объекта по дискретным составляющим ВЛЗР в жения по дискретным составляющим ВЛЗР в этом
этом эксперименте составляет 15 миль. эксперименте составила 20–25 миль. Увеличение
дальности обнаружения в инфразвуковом диапазоне
В качестве примера рис. 10 поясняет сонограмму частот связано с эффективным возбуждением погра-
звукового поля, сформированного шумами обтекания ничных волн Рэлея–Шолте дискретными составляю-
в звуковом диапазоне и дискретными составляющи- щими ВЛЗР в акватории со скальным грунтом.
ми ВЛЗР в инфразвуковом диапазоне частот. Соно-
грамма построена на выходе приемной системы, ВЫВОДЫ
оснащенной комбинированным приемником, при ее
работе в мелком море со скальным грунтом типа кон- Выполнен анализ особенностей распростране-
солидированных осадочных пород. На сонограмме ния звуковых волн в приповерхностной области и в
хорошо видны ИРИ, сформированные пограничными придонной области волновода (мелкого или глубо-
волнами Рэлея–Шолте в инфразвуковом диапазоне кого моря) в инфразвуковом диапазоне частот. На
основе обобщенной теории волновых процессов в
Рис. 10. Сонограмма звукового поля, сформированного шумами слоистых средах обоснована возможность дальне-
обтекания и дискретными составляющими ВЛЗР го распространения звуковых волн в приграничных
областях с формированием характерных интер-
ференционных структур пограничными волнами,
возникающими в обобщенном описании волновода
Пекериса, либо пограничными волнами Рэлея–Шол-
те, возникающими в обобщенном описании волново-
да жидкий слой – твердое полупространство. В по-
следнем случае широкополосного возбуждения сами
интерференционные структуры в виде системы ИРИ,
характеризуемые отрицательным значением инвари-
анта, являются визитной карточкой как пограничных
волн Рэлея–Шолте, так и самого подводного объекта.
Получены оценки коэффициента передачи мощности
источника его комплексному угловому спектру, иду-
щей на возбуждение пограничных волн. Приведены
оценки потенциальной помехоустойчивости комби-
нированного приемника, подтверждающие его уни-
кальные свойства и перспективность использования
в проблеме обнаружения и классификации подво-
дных источников в инфразвуковом диапазоне частот.

Работа выполнена при финансовой поддержке
программы «Новые вызовы климатической систе-
мы Земли», подпрограммы № 18 = 1–004 «Изучение
фундаментальных основ взаимодействия разномас-
штабных гидроакустических, гидрофизических и
геофизических процессов».

ПОДВОДНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И РОБОТОТЕХНИКА. 2019. ¹ 4 (30) 47

СРЕДСТВА И МЕТОДЫ ПОДВОДНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

ЛИТЕРАТУРА
1. Бурдик В.С. Анализ гидроакустических систем. Л.: Судостроение, 1988. 392 с.
2. Наука и жизнь в начале XX века // Наука и жизнь. 2015. № 10. 51 с.
3. Касаткин Б.А., Злобина Н.В., Касаткин С.Б. Медленные обобщенные волны и генерация вихревых структур в акустике слоистых
сред  // Подводные исследования и робототехника. 2014. № 2 (18). С. 37–51.
4. Касаткин Б.А., Злобина Н.В. Корректная постановка граничных задач в акустике слоистых сред. М. Наука, 2009. 406 с.
5. Касаткин Б.А., Злобина Н.В., Касаткин С.Б. Модельные задачи в акустике слоистых сред. Владивосток: Дальнаука, 2012. 256 с.
6. Касаткин Б.А., Касаткин С.Б. Особенности описания и генерации пограничных волн Рэлея–Шолте в акустике слоистых сред
// Гидроакустика. 2018. Вып. 33 (1). С. 18–30.
7. Касаткин Б.А., Касаткин С.Б. Особенности распространения и интерференции нормальных волн в волноводной системе водный
слой   – морское дно с низкой сдвиговой упругостью // Подводные исследования и робототехника. 2018. № 1 (25). С. 46–58.
8. Padilla F., de Billy M., Quentin G. Theoretical and experimental studies of surface waves on solid-fluid interfaces when the value of the
fluid   – sound velocity is located between the shear and the longitudinal ones in the solid // J. Acoust. Soc. Amer. 1999. Vol. 106 (2). P. 666–673.
9. Злобина Н.В., Касаткин Б.А., Касаткин С.Б. Особенности интерференционной структуры звуковых полей инфразвукового диапазона,
сформированных пограничными волнами Рэлея–Шолте // Гидроакустика. 2019. Вып. 39 (3). В печати.
10. Чупров С.Д. Интерференционная структура звукового поля в слоистом океане. Акустика океана. Современное состояние.
М.: Наука,1982. С. 71–91.
11. Касаткин Б.А., Касаткин С.Б. Дисперсионные характеристики нормальных волн в мелком море с учетом сдвиговой упругости мор-
ского дна // Гидроакустика. 2018. Вып. 35 (3). С. 57–67.
12. Касаткин Б.А., Касаткин С.Б. Экспериментальная оценка помехоустойчивости комбинированного приемника в инфразвуковом диа-
пазоне частот // Подводные исследования и робототехника. 2019. № 1 (27). С. 38–47.

48 ПОДВОДНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И РОБОТОТЕХНИКА. 2019. ¹ 4 (30)

СРЕДСТВА И МЕТОДЫ ПОДВОДНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

УДК 542.34 10.25808/24094609.2019.30.4.006

ПРИМЕНЕНИЕ ИНТЕРФЕРОМЕТРИЧЕСКОЙ
ОБРАБОТКИ ДЛЯ ЛОКАЛИЗАЦИИ

МАЛОШУМНЫХ ИСТОЧНИКОВ ЗВУКА

В.М. Кузькин1, Ю.В. Матвиенко2, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки
С.А. Переселков3 Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН1

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки
Институт проблем морских технологий ДВО РАН2

Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего образования
Воронежский государственный университет3

Изложены физические основы информационной технологии обработки звукового поля, основанной на
двукратном преобразовании Фурье интерференционной картины, формируемой широкополосным источни-
ком звука в точке размещения приемной системы. Рассмотрено применение обработки в области локализа-
ции малошумных источников.

ВВЕДЕНИЕ передаточной функции среды. Сочетание предложен-
ной обработки с алгоритмом оценки глубины [14–16]
Океаническая среда, в силу волноводной дис- дает возможность с высокой помехоустойчивостью и
персии и многомодового характера распростране- малой чувствительностью к вариациям параметров
ния звука, обладает свойством самоорганизации океанической среды решать комплексную задачу ло-
интерференционной картины (интерферограммы) кализации малошумных источников: обнаружение,
движущегося широкополосного шумового источни- пеленгование, определение радиальной скорости
ка: формируется устойчивая система локализован- (проекции скорости по направлению к приемнику),
ных полос в переменных частота–расстояние (время) удаления и глубины. Предложения о применении ин-
[1−3]. Основываясь на данном механизме, предложе- терферометрической обработки высказывались и ра-
на интерферометрическая обработка шумового поля нее [3, 17], однако использование ее для решения об-
источника, реализующая когерентное накопление ратных задач впервые реализовано в работе [6]. Это
спектральной интенсивности вдоль локализованных позволило приступить к исследованию ряда проблем
полос, которая далее подвергается двукратному пре- обнаружения и идентификации малошумных источ-
образованию Фурье [4–13]. На выходе интегрального ников, которые ранее другими методами обработки
преобразования спектральная плотность локализу- трудно поддавались решению, например согласован-
ется в форме фокальных пятен, обусловленных ин- ной со средой обработкой [18–21].
терференцией мод различных номеров. В отличие от
шумового сигнала, накопление помехи вдоль полос Существенными недостатками методов согла-
интерферограммы некогерентно и помеха распреде- сованной обработки являются чувствительность к
лена по всей области двумерного интегрального пре- рассогласованию между расчетной моделью и ре-
образования. альным волноводом и низкая помехоустойчивость.
Применимость таких алгоритмов ограничена срав-
Двукратное преобразование Фурье интерферо- нительно небольшими расстояниями до источника.
граммы назовем голограммой, поскольку оно осу- Но даже и на этих дистанциях практическая реа-
ществляет запись и восстановление волнового поля лизация предложенных алгоритмов сталкивается с
источника. Восстановление изображения достигает-
ся фильтрацией на голограмме двумерной спектраль- 1 119991, г. Москва, ул. Вавилова, 38. Тел.: +7 (499) 503-87-34.
ной плотности источника с последующим примене- E-mail: [email protected]
нием к ней двумерного обратного преобразования
Фурье. Такая очистка сигнала источника от помехи 2 690091, г. Владивосток, ул. Суханова, 5а. Тел.: +7 (423) 243-25-78.
не требует знания о характере сигнала, помехи и E-mail: [email protected]

3 394006, г. Воронеж, Университетская пл., 1. Тел.: +7 (473) 220-85-93.
E-mail: [email protected]

ПОДВОДНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И РОБОТОТЕХНИКА. 2019. ¹ 4 (30) 49

СРЕДСТВА И МЕТОДЫ ПОДВОДНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

принципиальными трудностями, если входное отно- где При выполнении неравенства:
шение сигнал/помеха (с/п) оказывается недостаточно (4)
большим. Демонстрация этих алгоритмов в числен-
ных и натурных экспериментах показывает их низ- угловой коэффициент (3) интерференционных полос
кую помехоустойчивость. принимает традиционную форму:

Данная статья направлена на то, чтобы обрисо- (5)
вать нынешнее состояние проблемы интерфероме-
трической обработки шумовых сигналов в океаниче- Здесь hmn(ω) = hmn(ω) – hn(ω) для постоянного спектра
ских волноводах, по решению которой в последние [23].
годы достигнут значительный прогресс. Важно так-
же отметить, что в качестве первичных датчиков зву- Спектр шумового источника запишем в виде:
кового поля очень перспективно применение век-
торно-скалярных приемников (ВСП) звука. В статье (6)
изложены физико-математические принципы обра-
ботки с использованием одиночных ВСП и ее при- где – среднее значение; – флуктуационная
менения в области локализации широкополосных компонента. Будем считать, что в пределах полосы
источников звука.

1. Теоретические основы спектра, вели-
интерферометрической обработки
чина удовлетворяет условию (4), так что мож-

1.1. Формирование интерферограммы но положить ≈ B(ω0) и рассматривать шумовой

сигнал как сигнал с постоянным спектром и присое-

Спектр источника в точке приема, ограничиваясь диненной помехой , которую назовем
модами дискретного спектра, в горизонтально-одно-
родном волноводе запишем в виде: внутренней помехой в отличие от фоновой (внеш-

ней) помехи окружающей среды. Тогда эффективное

D(ω, r, z) = S(ω)P(ω, r, z), (1) отношение с/п qef на входе одиночного приемника
можно представить как
где S(ω) – спектр излучаемого сигнала,
(7)

(2) где − средняя мощность полезного сигнала; σ2 и

функция Грина (передаточная функция), определяе- − средние мощности внешней и внутренней по-
мая решением волнового уравнения с соответствую-
щими граничными условиями [22]. Здесь Am и hm   – мехи соответственно. Если внутреннюю помеху рас-
амплитуда и горизонтальное волновое число m-й
моды, ω = 2πf – циклическая частота, r – горизон- сматривать как сумму гармонических сигналов со
тальное расстояние между источником и приемни-
ком. Цилиндрическое расхождение поля, модальное случайными фазами, то .
затухание и глубины расположения источника zs и
приемника zq учитываются амплитудной зависимо- Таким образом, при определенных условиях вли-
стью мод.
янием формы и вида спектра излучаемого сигнала на
Положим, что на удалении r1 источника от при-
емника положение интерференционного максимума формирование интерферограммы источника можно
приходилось на частоту ω1. Частотный сдвиг δω, вы-
званный изменением расстояния δr между источни- пренебречь, считая его спектр постоянным. Интер-
ком и приемником, определяется условием [1–3]:
ферограмма остается такой же, как и в случае посто-

янного спектра, и определяется передаточной функ-

цией волновода. В случае шумового источника под

спектром следует понимать его среднее значение.

1.2. Компоненты поля векторно-скалярного
приемника

Горизонтальные компоненты колебательных

(3) скоростей Vx,y и составляющая могут

быть представлены суммой мод дискретного спектра

[9, 10]:

50 ПОДВОДНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И РОБОТОТЕХНИКА. 2019. ¹ 4 (30)

СРЕДСТВА И МЕТОДЫ ПОДВОДНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Vx = Vrcosφ, Vy = Vrsinφ, Δt и Δω – время наблюдения и ширина спектра; r0   –
удаление источника от приемника в начальный мо-
(8)

мент времени t = 0 ; w – радиальная скорость источни-

где ρ — плотность водной среды; φ − угол (пеленг) ка (проекция скорости по направлению к приемнику);
между осью x ВСП и направлением на источник в го-
ризонтальной плоскости (x, y). В приближении ВКБ α = dh1(ω0) / dl, l – номер моды, в окрестности кото-
значение вертикальной компоненты скорости Vz при- рой моды синфазны; t* – выделенный момент време-
ведено в [9, 10]. ни на интервале наблюдения Δt, 0 < t*< Δt. Введение
величины α полезно при интерпретации голограммы.
При исследовании векторных полей широкое ис-
пользование находит также такая характеристика, В действительности, (dα / dω)(m – n) = (dhmn(ω0) / dω),
как вектор потока мощности, W = PV. Компоненты α (m – n) = hmn(ω0).
потока мощности приведены в работах [9, 10].
Изображение источника (9) локализовано в фор-

ме фокальных пятен, зеркально перевернутых отно-

сительно начала координат. Они расположены в пер-

1.3. Голограмма движущегося источника вом и третьем квадрантах, если радиальная скорость

w < 0, т.е. источник приближается к приемнику и во

Считая спектр источника постоянным, в пра- втором и четвертом квадрантах (w > 0), когда источ-
вой части (1) опустим постоянный множитель
S(ω) = const. Для интерферограмм введем обозна- ник удаляется от приемника. Область локализации

содержит (M – 1) основных максимумов с координа-

чения , и тами , расположенными на прямой , где

т.д. Интерферограммы и голограммы скалярной и M – число мод, формирующих поле, – но-

векторных компонент поля, а также их комбинаций мер фокального пятна, . Интерферограммы

когерентны и различаются помехоустойчивостью [9, и голограммы, получаемые при обработке натурных

10]. Поэтому достаточно ограничиться скалярной данных и моделирования, обсуждались в [4−13]. На

компонентой поля, по отношению к другим характе- рис. 1 приведены результаты обработки одного из на-

ристикам ВСП рассмотрение идентично. Голограмма турных экспериментов.

реализуется двукратным преобразованием Фурье ин- Положения максимумов фокальных пятен про-

терферограммы источника [6]: порциональны радиальной скорости и начальному

удалению источника от приемника

(11)

(9) где:

(12)

где: коэффициенты, определяющие пространственные
(10) и частотные масштабы изменчивости передаточной
функции волновода. Оценки параметров источника,
Здесь , τ и ω, t – циклическая частота, время получаемые в результате анализа наблюдаемого про-
цесса, в отличие от их истинных значений, обозначе-
голограммы и интерферограммы соответственно; ны точкой сверху. Черта сверху означает усреднение
по номерам мод.

Локализацию спектральной плотности можно
рассматривать как фокусировку поля движущего-
ся источника. Ее фактор фокусировки превышает
фактор фокусировки, реализуемой при обращении
волнового фронта и временном обращении волны
в точку расположения источника первичной волны
[6, 24]. Двумерная спектральная плотность движуще-
гося источника автоматически фокусируется в точке
приема.

ПОДВОДНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И РОБОТОТЕХНИКА. 2019. ¹ 4 (30) 51

СРЕДСТВА И МЕТОДЫ ПОДВОДНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

ним двукратные преобразования Фурье. Голограммы
Fx, Fy интерферограмм X и Y с точностью до множи-
телей cosφ и sinφ воспроизводят голограмму FR.

На первом шаге определяется отношение макси-
мумов функций обнаружения:

(14)

Определение направления на источник неодно-
значно: значения пеленгов ± φ, π ± φ неразличимы.

На втором шаге области голограмм Fx, Fy за пре-
делами зоны фокусировки очищаются от помехи, и
выполняется обратное двукратное преобразование
Фурье для восстановления интерферограмм X, Y, R.
Неоднозначность пеленга автоматически устраняет-
ся при определении в фиксированный момент време-
ни отношения интерферограмм:

(15)

Рис. 1. Нормированные интерферограм- так как в знаке компонент колебательных скоростей
ма (а) и голограмма (б), измеренные в Vx,y заложена информация о направлении прихода
натурном эксперименте при входном от- сигнала. Если cosφ > 0, sinφ > 0, то источник распо-
ложен в I-м квадранте ВСП; если cosφ < 0, sinφ >
ношении с/п q = 25,5 [6] 0 – во II-м квадранте; если cosφ < 0, sinφ < 0 – в III-м
квадранте; если cosφ > 0, sinφ < 0 – в IV-м квадран-
1.4. Обнаружение источника те. Соотношение (15), как и (14), позволяет оценить
В качестве критерия обнаружения источника при- пеленг, однако погрешность оценки пеленга больше.
нимается наличие выделяемого над уровнем помех Поэтому (15) следует использовать для однозначного
пика функции обнаружения: выбора расположения источника в одном из квадран-
тов ВСП. Если в (15) вместо абсолютных значений
(13) интерферограмм использовать их нормированные
значения (отмечены «крышкой»):

на прямой ν = ετ, , расположения максиму- (16)

мов фокальных пятен при входном отношении с/п q

[6, 10]. Здесь Δτ – линейный размер области локализа- то правило знаков сохраняется при замене значени-

ции по оси времени τ; ε* – варьируемое значение угло- ем γx(f) и sinφ значением γx(f) на частоте f = f0, ког-

вого коэффициента. За оценку принимается поло- да , , . Для пеленгования

жение максимального пика, . источника знаний об гидрофизических характери-

Информация о гидроакустических параметрах аква- стиках волновода, как и при обнаружении, не требу-

тории не требуется. ется.

1.5. Пеленгование источника 1.6. Определение глубины

Итерационные алгоритмы пеленгования с ис- При волновом описании поля источника инфор-
пользованием двух и одного ВСП изложены в рабо- мация о его глубине zs заключена в собственных
тах [11−13]. Остановимся на изложении алгоритма с функциях мод ψm(zs, f) , т.е. содержится в амплитудах
использованием одного ВСП [13]. Запишем интерфе- мод Am принимаемого сигнала. Теория и апробация
метода определения глубины источника изложена в
рограммы , , и применим к [14−16].

52 ПОДВОДНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И РОБОТОТЕХНИКА. 2019. ¹ 4 (30)