Проект направлен на проведение виртуальных и натурных испытаний единого сценария защиты условного объекта в акватории с использованием группы безэкипажных катеров и обеспечивающей инфраструктуры автономных буев. Под защитой объекта понимается контроль его периметра, удержание группой БЭК заданной формации, выявление опасных зон и объектов, а также обеспечение устойчивого обмена данными между аппаратами, буями и береговой станцией. В рамках эксперимента проверяются четыре измеряемых контура: групповое управление, локальная навигация, гибридная связь, мониторинг акватории и гидроакустическое картографирование. Результатом станет набор экспериментальных данных, позволяющий оценить точность группового маневрирования, устойчивость позиционирования и связи, качество мониторинга акватории и возможность применения таких решений для задач контроля и защиты объектов морской инфраструктуры.

Описание инициативы

Цель предлагаемого эксперимента

Провести виртуальные и натурные испытания группы из 2–5 безэкипажных катеров (БЭК) и обеспечивающей инфраструктуры автономных буев для проверки алгоритмов группового управления, локальной навигации, гибридной связи, телеметрии и экологического мониторинга в задаче защиты условного объекта в акватории. Достижение цели подтверждается измеримыми данными: отклонением реальных траекторий БЭК от расчетных моделей, среднеквадратической ошибкой локального позиционирования, характеристиками устойчивости каналов связи, задержками переключения, долей потерянных пакетов, энергопотреблением и логами телеметрии.

В рамках единого эксперимента выделяются четыре измеряемых контура:

Контур 1. Групповое управление

Цель 1.

Верификация математических моделей группового управления безэкипажными надводными катерами (БЭК), разработанных в среде Simulink, путем сравнения результатов имитационного моделирования с данными натурных испытаний. Достижение цели подтверждается отклонением траекторий реальных аппаратов от расчетных не более чем на 10% по дистанции и курсовому углу при групповом маневрировании.

Контур 2. Навигация

Цель 2.

Экспериментально подтвердить работоспособность и количественно оценить точность мультимодальной системы локальной навигации для безэкипажных катеров (БЭК) на основе UWB/LoRa/лазерного дальномерного канала в условиях отсутствия или подавления сигналов ГНСС. Оценка будет проводиться путем измерения среднеквадратической ошибки (СКО) определяемых координат, частоты обновления навигационных данных при динамическом изменении дистанции и механических возмущениях (качке). Полученные метрики послужат базой для стандартизации алгоритмов локального позиционирования робототехнических комплексов морского базирования.

Контур 3. Связь

Цель 3.

Экспериментально подтвердить работоспособность и количественно оценить эффективность гибридной опто-радиоканальной системы связи для БЭК путем измерения информационных и энергетических характеристик канала, задержки переключения и процента потери пакетов при динамическом переключении каналов в условиях механических возмущений. Полученные метрики послужат базой для стандартизации протоколов маршрутизации и информационного обмена в роевых системах связи БЭК.

Контур 4. Мониторинг акватории и гидроакустическое картографирование

Цель 4.

Разработка и экспериментальная проверка информационной системы экологического мониторинга с использованием сети автономных буев как элемента ситуационного контроля акватории при выполнении задач группового управления и защиты объекта.

Цель 5.

Разработка и экспериментальная проверка эхолокации для построения методики 3D-модели рельефа дна и обнаружения подводных препятствий для осуществления безопасной навигации. Полученные данные могут лечь в основу подводного мониторинга среды с надводного положения.

Задачи, решение которых обеспечит достижение цели

Контур 1. Групповое управление

1.Провести серию испытаний группы из 2–5 БЭК с фиксацией траекторий движения (GPS-лог) при выполнении заданных маневров формации и сценариев защиты условного объекта; получить набор треков с точностью позиционирования не хуже 1 м.

Результат: получен набор GPS-треков движения каждого БЭК, включающий координаты, скорость, курс, межаппаратные дистанции и параметры точности удержания формации при выполнении заданных маневров защиты условного объекта.

2.Сопоставить зафиксированные траектории с расчетными траекториями из модели Simulink и рассчитать среднеквадратическое отклонение по координатам, скорости, дистанции между аппаратами и курсовому углу для каждого БЭК.

Результат: рассчитаны количественные показатели расхождения между расчетными и натурными траекториями БЭК, включая СКО по координатам и скорости, отклонение межаппаратной дистанции и курсового угла.

3.Выявить параметры модели, требующие уточнения, включая коэффициенты гидродинамического сопротивления, задержки каналов управления и особенности группового маневрирования, и внести корректировки в модель для повышения ее прогностической точности.

Результат: сформирован перечень параметров модели, требующих корректировки, и подготовлена уточненная модель группового управления БЭК с повышенной точностью прогноза поведения аппаратов в натурных условиях.

Контур 2. Навигация

4.Оценить точность позиционирования БЭК при использовании различных физических каналов дальнометрии: лазерного, UWB и LoRa.
Результат: получение графиков зависимости среднеквадратической ошибки (СКО) определения координат от дистанции до наземных пунктов и амплитуды угловых колебаний БЭК на волне.

5.Проверить эффективность алгоритма комплексирования навигационных данных.
Результат: фиксация величины дрейфа координат и времени восстановления точного позиционирования при перекрытии высокоточных каналов (лазер/UWB) и вынужденном переходе на резервную радионавигацию (LoRa).

6.Оценить пропускную способность системы при множественном доступе.
Результат: измерение задержки обновления навигационных данных и доли успешно обработанных дальномерных посылок при одновременном нахождении нескольких БЭК в зоне действия наземных пунктов.

Контур 3. Связь

7.Оценить влияние пространственных флуктуаций носителя на показатели атмосферной (водной) оптической линии связи (ОЛС).

Результат: получение графика зависимости вносимого затухания от амплитуды угловых отклонений излучателей и приемников.

8.Оценить работу алгоритма автоматического переключения каналов связи с гистерезисом.
Результат: фиксация времени задержки переключения между ОЛС и РЧ-каналом при снижении отношения сигнал/шум (SNR), а также подсчет количества ложных срабатываний, включая эффект «пинг-понга».

9.Подтвердить работоспособность алгоритмов динамической приоритизации трафика.
Результат: оценка процента успешно доставленных пакетов для телеметрии по сравнению с фоновым трафиком (видеопотоком) в момент перехода на резервный радиоканал.

Контур 4. Мониторинг акватории и гидроакустическое картографирование

10.Разработать алгоритм обработки входных данных с датчиков автономного буя для фиксации параметров окружающей среды и состояния акватории в зоне проведения эксперимента.

Результат: разработан и верифицирован алгоритм обработки данных с датчиков автономного буя, обеспечивающий регистрацию параметров окружающей среды (температура, солёность, уровень pH), состояния акватории (волнение, течение) и событий мониторинга (обнаружение объектов) в зоне проведения эксперимента.

11.Разработать механизм обмена данными между буем, береговой станцией приема сигнала и, при необходимости, БЭК, обеспечив передачу телеметрии, статуса датчиков и событий мониторинга.

Результат: реализован и проверен в стендовых условиях механизм обмена данными между автономным буем, береговой станцией и, при необходимости, БЭК; зафиксированы логи передачи телеметрии, статуса датчиков, событий мониторинга и состояния канала связи с оценкой задержки доставки пакетов.

12.Разработать пользовательский интерфейс взаимодействия пользователя с информационной системой экологического мониторинга, обеспечивающий отображение состояния буев, параметров среды, телеметрии и событий в акватории.

Результат: разработан интерактивный пользовательский интерфейс информационной системы экологического мониторинга, отображающий состояние автономных буев, параметры среды, телеметрию, события мониторинга, текущую ситуационную картину в акватории, а также обеспечивающий визуализацию предупреждений о критических изменениях параметров.

13.Интегрировать многолучевой эхолот в состав измерительного комплекса автономного буя или БЭК и обеспечить синхронизацию данных зондирования с навигационными данными (координаты, курс, крен/дифферент).

Результат: выполнена интеграция и калибровка гидроакустического оборудования; получены тестовые наборы сырых эхолотных данных (амплитуда, время прихода сигнала), синхронизированных с показаниями инерциальной системы (IMU) и GNSS-приёмника для последующей компенсации качки.

14. Разработать алгоритм обработки эхолотных данных для построения цифровой 3D-модели рельефа дна в зоне проведения эксперимента, включая фильтрацию шумов и классификацию донных объектов.

Результат: создан программный модуль обработки, позволяющий строить облака точек и 3D-модель дна с пространственным разрешением не хуже 0,5 м по горизонтали и 0,1 м по вертикали в зависимости от глубины, с выделением аномалий рельефа.

15. Разработать алгоритм обнаружения подводных препятствий и критических изменений глубин с формированием сигналов тревоги для системы управления БЭК.

Результат: реализован алгоритм детекции препятствий на основе сравнения текущих профилей глубин с эталонной картой (либо анализа пороговых перепадов), обеспечивающий генерацию предупреждений о навигационной опасности с фиксацией координат обнаруженного объекта и временем реакции не более 2 секунд.

Тип применения беспилотного аппарата, к которому относится эксперимент:

• Экологический (например, мониторинг, отбор проб, поиск загрязнений)
• Картографический (например, батиметрия, построение 3D-моделей дна)
• Роевой (например, взаимодействие двух и более аппаратов)
• Связной (например, ретрансляция, передача данных, телеметрия)

Формулировка проверяемой гипотезы

Интеграция алгоритмов группового управления БЭК, мультимодальной локальной навигации, гибридной опто-радиоканальной связи и сети автономных буев позволит обеспечить устойчивое выполнение сценария защиты условного объекта в условиях частичного отсутствия ГНСС, механических возмущений и изменения качества каналов связи. Работоспособность решения подтверждается удержанием формации, допустимой ошибкой локального позиционирования, устойчивой доставкой телеметрии и корректным отображением состояния системы на дашборде.

Контур 1. Групповое управление

Гипотеза 1.

Алгоритм группового управления БЭК, разработанный и верифицированный в среде Simulink, обеспечивает удержание заданной формации (дистанция между аппаратами, курсовой угол) с отклонением не более 10% от расчетных значений при скоростях движения до 5 узлов в условиях слабовозмущенной акватории (волнение до 1 балла). Если расхождение превысит 10%, это укажет на необходимость введения в модель дополнительных гидродинамических поправок.

Контур 2. Навигация

Гипотеза 2.

Комплексирование разнородных каналов дальнометрии (узконаправленного лазерного, высокоточного широкополосного UWB и LoRa) с применением алгоритмов математической фильтрации позволит обеспечить непрерывное позиционирование группировки БЭК в условиях радиоэлектронного подавления спутниковой навигации. При потере прямой видимости из-за качки или при выходе за радиус действия высокочастотных систем (UWB/лазер) интегрированная логика обеспечит бесшовный переход на низкочастотный радиоканал (LoRa) с сохранением ошибки позиционирования в пределах допустимых значений, исключающих срыв поставленной задачи.

Контур 3. Связь

Гипотеза 3.

Использование гибридной архитектуры системы связи позволит обеспечить бесперебойное информационное взаимодействие внутри группировки БЭК при воздействии естественных и искусственных помех. Применение интегрированной логики переключения с временным гистерезисом обеспечит перевод трафика на резервный канал с задержкой, не превышающей порог потери управления, и сохранит доставку телекомандной и телеметрической информации.

Контур 4. Мониторинг акватории и гидроакустическое картографирование

Гипотеза 4.

Использование связки «БЭК — автономный буй — береговая станция — дашборд» позволит обеспечить непрерывный сбор и визуализацию данных о текущем состоянии акватории, телеметрии аппаратов и параметрах экологического мониторинга. Наличие единого дашборда повысит управляемость группового сценария защиты объекта за счет оперативного отображения положения БЭК, состояния каналов связи, параметров буев и событий в зоне эксперимента.

Гипотеза 5.

Использование многолучевого эхолота, интегрированного в систему автономного буя, в совокупности с алгоритмами пространственной интерполяции и фильтрации позволяет построить достоверную 3D-модель рельефа дна и достоверно обнаруживать подводные препятствия в зоне маневрирования группировки. Полученная карта глубин и данные об опасных объектах обеспечивают возможность автоматической коррекции маршрутов БЭК для предотвращения столкновений с подводными объектами в условиях ограниченной видимости, что критически повышает безопасность выполнения сценария защиты объекта.

Экспериментальные данные планируемые к получению

По итогам эксперимента планируется получить набор данных, пригодный для последующей стандартизации подходов к групповому управлению, локальному позиционированию, гибридной связи и ситуационному мониторингу акватории.

Контур 1. Групповое управление

Данные 1.

GPS-треки каждого БЭК: координаты X/Y, скорость, курс с частотой не менее 5 Гц; логи телеметрии бортовых контроллеров: угловые скорости, обороты двигателей, напряжение бортовой сети; временные ряды межаппаратных дистанций, рассчитанные из GPS-данных; расчетные траектории из модели Simulink для тех же начальных условий — для последующего сравнительного анализа.

Контур 2. Навигация

Данные 2.

В ходе проведения экспериментальных исследований планируется регистрация следующих показателей: навигационных параметров (вычисленные локальные координаты БЭК, фактическая дистанция от бортовых дальномеров до каждого фиксированного наземного пункта); эталонных телеметрических данных (координаты независимой GNSS RTK, используемой исключительно для вычисления ошибки позиционирования); метрик сигнального тракта (уровень принимаемого сигнала и соотношение сигнал/шум для модулей LoRa и UWB, статус захвата цели для лазерного дальномера); пространственно-динамических показателей (сырые данные инерциального измерительного модуля по крену, тангажу и рысканию, необходимые для установления связи между параметрами волнения водной поверхности и моментами потери прямой видимости оптического и UWB каналов).

Контур 3. Связь

Данные 3.

В ходе проведения экспериментальных исследований планируется регистрация следующих показателей: параметров качества канала связи (вероятности битовых ошибок, отношения сигнал/шум и мощности принимаемого сигнала); характеристик информационного обмена и сетевых параметров (времени задержки коммутации каналов, вариации задержки передачи пакетов, доли потерянных пакетов, оцениваемой раздельно для потоков телеметрической информации); пространственно-динамических показателей (данные инерциального измерительного модуля, необходимые для установления связи между механическими колебаниями аппарата и состоянием оптической линии связи).

Контур 4. Мониторинг акватории и гидроакустическое картографирование

Данные 4.

В ходе проведения экспериментальных исследований планируется регистрация следующих показателей для системы экологического мониторинга:

- параметры состояния буев: напряжение бортовой сети и ток потребления, внутренняя температура гермоблока, статус контроллера сбора данных (ошибки, перезагрузки);

- параметры среды: показания датчиков температуры воды и воздуха, солёности (электропроводности), уровня pH, давления/глубины погружения датчика, наличия взвешенных частиц (мутность), параметры волнения (амплитуда, период), данные о скорости и направлении течения;

- событийные данные: логи обнаружения аномалий (превышение порогов по мутности, температуре, химическим параметрам), временные метки критических событий, статус прохождения данных по каналу связи (успешно/неуспешно);

- логи обмена: временные штампы отправки и получения пакетов телеметрии с буев на береговую станцию (и на БЭК при необходимости), оценка задержек доставки (RTT), процент потерянных пакетов в сессии, статус соединения (активно/потеряно/восстановлено).

Данные 5.

В ходе проведения экспериментальных исследований гидроакустического канала планируется регистрация следующих показателей:

- сырые эхолотные данные: массивы амплитуд отражённых сигналов и времён прихода (или фаз) для каждого луча многолучевого эхолота, синхронизированные с абсолютным временем (метками GNSS);

- навигационные параметры зондирования: точные координаты (X/Y/Z) точки установки эхолота, поправки на крен, дифферент и курс (данные IMU), скорость судна в момент зондирования;

- данные детекции препятствий: координаты и размеры (длина, ширина, возвышение над дном) обнаруженных объектов, время их обнаружения, уровень уверенности детектора, пороговые значения глубины, вызвавшие срабатывание сигнала тревоги;

- верификационные данные: результаты контрольных промеров глубин с помощью ручного эхолота или другой эталонной системы для оценки погрешности построенной модели (абсолютная ошибка по глубине), а также логи сравнения обнаруженных объектов с заранее известными координатами тестовых мишеней.

Предполагаемая акватория для проведения натурных испытаний

Государственный университет морского и речного флота имени адмирала С.О. Макарова

ручей Стрелка

посёлок Стрельна, Петродворцовый район, Санкт-Петербург

координаты - 59.855216, 30.078436

На страницу проекта