hydrophysicsФундаментальная и прикладная гидрофизикаFundamental and Applied Hydrophysics2073-66732782-5221St. Petersburg Research Center of the Russian Academy of Sciences10.7868/S2073667321030035hydrophysics-16Research ArticleГИДРОАКУСТИКАHYDROACOUSTICSОптимизация применения гидроакустических средств в условиях пространственно-временной изменчивости средыOptimization of Sonar Application under Spatiotemporal Variability EnvironmentЕрмолаевВ. И.ErmolaevV. I.

199178, 14 линия ВО, д. 39, г. Санкт-Петербург

199178, 14-th Linia, VI, No. 39, St. Petersburg

viktor.ermolaev@mail.ruМихальчукА. В.MikhalchukA. V.

199178, 14 линия ВО, д. 39, г. Санкт-Петербург

199178, 14-th Linia, VI, No. 39, St. Petersburg

АО «СПИИРАН-НТБВТ»РоссияSPIIRAS-HTR&DO Ltd.Russian Federation2021281120211433546Copyright © Ермолаев В.И., Михальчук А.В., 20212021Ермолаев В.И., Михальчук А.В.Ermolaev V.I., Mikhalchuk A.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://hydrophysics.spbrc.ru/jour/article/view/16

Конкретизируются существующие методические подходы к практическому использованию океанологических данных в интересах организации применения гидроакустических средств при ведении поиска районах, характеризующихся высокой изменчивостью среды. На основе анализа публикаций, посвященных описанию систем оперативной океанологии, сформированы количественные характеристики их выходных параметров, являющихся исходными данными для решения задач оптимизации применения гидроакустических средств. Сформулирована общая постановка задачи оптимального управления гидроакустическими средствами в условиях пространственно-временной изменчивости среды. Приведено решение задачи оптимального управления с использованием метода районирования и математического аппарата теории поиска. Показана роль и место систем гидроакустических расчетов при решении задачи оптимизации. В качестве методического подхода предложено использование объема зон наблюдения как универсального параметра, характеризующего интегральную оценку влияния среды, параметров и режимов работы гидроакустических средств на их возможности. Приведен пример, иллюстрирующий методические подходы к оптимизации применения гидроакустических средств при решении задачи поиска подвижным наблюдателем в океанском районе с высокой пространственно-временной изменчивостью. Сделаны выводы о возможности распространения приведенных в статье методических подходов на решение задачи оптимизации применения гидроакустических средств группы подвижных наблюдателей, а также на решение задачи оптимизации скрытности действий наблюдателя в условиях пространственно-временной изменчивости среды. В заключении приводятся рекомендации по построению программных и программно-аппаратных средств, обеспечивающих решение прикладных задач, использующих данные оперативной океанологии.

The article concretizes the existing methodological approaches to the practical application of oceanological data in areas characterized by high environmental variability during the search by sonars. Quantitative characteristics of the operational oceanology output parameters are formed, based on the analysis of publications devoted to their description. These parameters are taken as initial data for solving optimization tasks. The general statement of the optimal control of sonars in the conditions of spatial and temporal environment variability problem is formulated. The solution of the optimal control problem using the zoning method and the mathematical apparatus of the search theory is given. The role and place of hydroacoustic calculation systems in solving the optimization problem is shown. The volume of the observation zone is proposed for use as a universal parameter characterizing the influence of the environment on the sonar efficiency. An example is given illustrating methodological approaches to optimizing the sonars in solving the search problem by a mobile observer in an ocean area with high spatial and temporal variability. Conclusions are drawn about the possibility of extending the methodological approaches given in the article to optimize sonars located on several mobile observers, as well as to solve the problem of optimizing the secrecy of the observer’s actions in the conditions of spatial and temporal variability of the environment. In conclusion, recommendations for the construction of software and hardware-software tools that provide the solution of applied problems using operational oceanology data are given.

гидроакустические средствадальность действиямодель средырасчетная сеткарайонированиепоискэффективностьоптимизацияsonarrange of actionenvironment modelcalculation gridzoningsearchefficiencyoptimizationReferencesМашошин А.И. Оперативная океанология в интересах применения гидроакустических средств ВМФ // Морская радиоэлектроника. 2020. № 4(74). С. 2—4.Mashoshin A.I. Operational oceanology in the interests of the use of hydroacoustic means of the Navy. Morskaya Radioelektronika. 2020, 4 (74), 2—4 (in Russian).Коваленко В.В. Информационно-управляющие системы в задачах подводного наблюдения и обеспечения скрытности объектов // Информационно-управляющие морские системы. 2019. № 1(15). С. 10—25.Kovalenko V.V. Information and control systems in the tasks of underwater surveillance and ensuring the secrecy of objects. Informaczionno-Upravlyayuschiye Morskiye Sistemy. 2019, 1(15), 10—25 (in Russian).Коваленко В.В. Океанологическое обеспечение распределенных систем подводного наблюдения // Информационно-управляющие морские системы. 2016. № 2(10). С. 68—79.Kovalenko V.V. Oceanological support of distributed underwater surveillance systems. Informaczionno-Upravlyayuschiye Morskiye Sistemy. 2016, 2 (10), 68—79 (in Russian).Семенов Е.В. Состояние и развитие гидродинамических моделей в интересах ВМФ. М. : ИО РАН, 2008. 32 с.Semenov E.V. State and development of hydrodynamic models in the interests of the Navy. Moscow, IO RAS, 2008. 32 p. (in Russian).Семенов Е.В. Состояние и развитие гидродинамических моделей океана // Фундаментальная и прикладная гидрофизика. 2008. № 1. С. 48—62.Semenov E.V. State and development of hydrodynamic models of the ocean. Fundamentalnaya i Prikladnaya Gidrofizika. 2008, 1, 48—62 (in Russian).Реснянский Ю.Д., Зеленько А.А. Развитие моделей и методов анализа данных наблюдений для мониторинга и прогнозирования крупномасштабных процессов в океане // Сб. статей 80 лет Гидрометцентру России. М. : Триада, 2010. С. 350—375.Resnyansky Yu.D., Zelenko A.A. Development of models and methods for analyzing observational data for monitoring and forecasting large-scale processes in the ocean. Proc. 80 Years of the Hydrometeorological Center of Russia. Moscow, 2010, 350—375 (in Russian).Ашик И.М. Численные расчеты и прогнозы колебаний уровня, течений и дрейфа льда на шельфе морей Западного сектора Арктики // Навигация и гидрография. 1997. № 4. С. 85—94.Ashik I.M. Numerical calculations and forecasts of fluctuations in the level, currents and ice drift on the shelf of the seas of the Western sector of the Arctic. Navigacziya i Gidrografiya. 1997, 4, 85—94 (in Russian).Григорьев А.В., Кубряков В.А., Чариков И.В., Зацепин А.Г. Численное моделирование динамики вод Российской зоны Черного моря // Тр. Международной конференции «Потоки и структуры в жидкостях: физика геосфер». Владивосток, 2011. С. 271—274.Grigoriev A.V., Kubryakov V.A., Charikov I.V., Zatsepin A.G. Numerical modeling of water dynamics in the Russian Black Sea zone. Proc. International Conference “Flows and Structures in Liquids: Physics of Geospheres”. Vladivostok, 2011, 271—274 (in Russian).Корчагин Н.Н., Монин А.С. Мезоокеанология. М. : Институт океанологии им. П.П. Ширшова, 2004. 176 с.Korchagin N.N., Monin A.S. Mesooceanology. Moscow, Shirshov Institute of Oceanology RAS, 2004. 176 p. (in Russian).Metzger E.J., Smedstad O.M., Thoppil P.G. et al. US Navy operational global ocean and Arctic ice prediction systems // Oceanography. 2014. V. 27(3). P. 32—43. doi: 10.5670/oceanog.2014.66Metzger E.J., Smedstad O.M., Thoppil P.G. et al. US Navy operational global ocean and Arctic ice prediction systems. Oceanography. 2014, 27(3), 32—43. doi: 10.5670/oceanog.2014.66Rowley C., Mask A. Regional and coastal prediction with the Relocatable Ocean Nowcast/Forecast System // Oceanography. 2014. V. 27(3). P. 44—55. doi: 10.5670/oceanog.2014.67Rowley C., Mask A. Regional and coastal prediction with the relocatable ocean nowcast/forecast system. Oceanography. 2014, 27(3), 44—55. doi: 10.5670/oceanog.2014.67Peloquin R.A. The Navy ocean modeling and prediction program – from research to operations: an overview // Oceanography. 1992. V. 5(1). P. 4—8.Peloquin R.A. The Navy ocean modeling and prediction program – from research to operations: an overview. Oceanography. 1992, 5(1), 4—8.Burnett W., Harper S., Preller R., Jacobs G., LaCroix K. Overview of operational ocean forecasting in the US Navy: past, present, and future // Oceanography. 2014. V. 27(3). P. 24—31. doi: 10.5670/oceanog.2014.65Burnett W., Harper S., Preller R., Jacobs G., LaCroix K. Overview of operational ocean forecasting in the US Navy: past, present, and future. Oceanography. 2014, 27(3), 24—31. doi: 10.5670/oceanog.2014.65Машошин А.И. Задачи, решаемые системой гидроакустических расчетов // Морская радиоэлектроника. 2015. № 2(52). С. 40—45.Mashoshin A.I. Problems solved by the system of hydroacoustic calculations. Morskaya Radioelektronika. 2015, 2(52), 40—45 (in Russian).Wenyu Cai, Meiyan Zhang, Yahong Rosa Zheng. Task assignment and path planning for multiple autonomous underwater vehicles using 3D dubins curves // Sensors. 2017. N17 (7), 1607. doi: 10.3390/s17071607Wenyu Cai, Meiyan Zhang, Yahong Rosa Zheng. Task assignment and path planning for multiple autonomous underwater vehicles using 3D dubins curves. Sensors. 2017, 17(7), 1607. doi: 10.3390/s17071607Yiheng Wang, Yahong Rosa Zheng. 3-Dimensional path planning for autonomous underwater vehicle // Proc. Ocean’s. 2018. IEEE/MTS. P. 1—6. doi: 10.1109/OCEANS.2018.8604783Yiheng Wang, Yahong Rosa Zheng. 3-Dimensional path planning for autonomous underwater vehicle. Proc. Ocea’s 2018 IEEE/MTS. 2018, 1—6. doi: 10.1109/OCEANS.2018.8604783Chandler H.A., Alfonso K.J. GRASP: an object-oriented approach to sonar performance modelling and tactical ASW search planning // Proc. IEEE/MTS Ocean’s 2002 Conference. doi: 10.1109/OCEANS.2002.1191851Chandler H.A., Alfonso K.J. GRASP: An object-oriented approach to sonar performanсe modelling and tactical ASW search planning. Proc. IEEE/MTS Ocean’s 2002 Conference. doi: 10.1109/OCEANS.2002.1191851Беленький А.С. Исследование операций в транспортных системах: идеи и схемы методов оптимизации планирования. М. : Мир, 1992. 582 c.Belenky A.S. Operations research in transportation system: ideas and schemes of optimizat to planning metods. Moscow, Mir, 1992. 582 p (in Russian).Тарасян В.С., Полушкин А.Я. Оптимизация пути в неоднородной среде // Фундаментальные исследования. 2017. № 10—2. C. 296—300.Tarasyan V.S., Polushkin A.Ya. Optimization of the path in an inhomogeneous environment. Fundamentalniye Issledovaniya. 2017, 10—2, 296—300 (in Russian).Koopman В.О. Theory of search: 3. The optimum distribution of searching efforts // Operation Research. 1956. V. 4, N 5.Koopman В.О. Theory of search: 3. The optimum distribution of searching efforts. Operation Research. 1956, 4, 5.Хеллман O. Введение в теорию оптимального поиска. М. : Наука, 1985. 245 с.Hellman O. An introduction to the theory of optimal search. Moscow, Nauka, 1985. 245 p. (in Russian).Ermolaev V., Potapichev S. Geoinformational support of search efforts distribution in changing environmental conditions // Proc. IF&GIS’2017. Shanghai, 2017. P. 153—164.Ermolaev V., Potapichev S. Geoinformational support of search efforts distribution in changing environmental conditions. Proc. IF&GIS’2017. Shanghai, 2017, 153—164.Динер И.Я. Исследование операций. Л. : ВМОЛУА, 1969. 605 с.Diner I. Operational research. Leningrad, Naval Academy, 1969. 605 p. (in Russian).Марасев С.В., Машошин А.И. Система гидроакустических расчетов гидроакустического комплекса подводной лодки // Тр. конф. УМАС-2014. СПб. : ОАО «Концерн «Электроприбор», 2014. С. 37—43.Marasev S.V., Mashoshin A.I. System of hydroacoustic calculations of the hydroacoustic complex of a submarine. Proc. UMAS-2014. St. Petersburg. 2014, 37—43 (in Russian).Авилов К.В. Псевдодифференциальные параболические уравнения распространения звука в океане, плавно неоднородном по горизонтали, и их численное решение // Акустический журнал. 1995. Т. 41, вып. 1. С. 5—12.Avilov K.V. Pseudodifferential parabolic equations of sound propagation in the slowly range-dependent ocean and their numerical solutions. Akusticheskij Zhurnal. 1995, 41, 1, 5—12 (in Russian).Avilov K., Popovich V., Ermolaev V., Leontiev Y., Zinyakov Y., Korolenko K., Popov O. Sound propagation modeling on intelligent GIS base // Proc. UAM-2009. Naflion Greece, 2009. P. 22—27.Avilov K., Popovich V., Ermolaev V., Leontiev Y., Zinyakov Y., Korolenko K., Popov O. Sound propagation modeling on intelligent GIS base. Proc. UAM-2009. Naflion Greece, 2009, 22—27.Попович В.В., Ермолаев В.И., Леонтьев Ю.Б., Смирнова О.В. Моделирование гидроакустических полей на основе интеллектуальной геоинформационой системы // Искусственный интеллект и принятие решений. 2009. № 4. С. 37—44.Popovich V., Ermolaev V., Leontiev Y., Smirnova O. Modelling of gidroacoustic fields based on Intelligent GIS. Iskusstvennyj Intellect i Prinyatie Resheniy. 2009, 4, 37—44 (in Russian).Popovich V., Leontiev Y., Ermolaev V., Chirov D., Smirnova O. 3D+t acoustic fields modelling based on intelligent GIS // Coordinates. 2015. N 2. P. 18—22.Popovich V., Leontiev Y., Ermolaev V., Chirov D., Smirnova O. 3D+t acoustic fields modelling based on intelligent GIS. Coordinates. 2015, 2, 18—22.Интеллектуальные географические информационные системы для мониторинга морской обстановки / Под общ. ред. чл.- кор. РАН Р.М. Юсупова и д-ра техн. наук В.В. Поповича. СПб. : Наука, 2013. 283 с.Intelligent geographical information systems for monitoring systems of marine situation / Ed. by R.M. Yusupov and V.V. Popovich. St. Petersburg, Nauka, 2013. 283 p. (in Russian).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.