Ученые Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» разработали математическую модель, направленную на улучшение точности навигации судов. Эта инновация позволит более точно идентифицировать объекты на водной поверхности, даже в условиях шторма.
Источник: Freepik
«Новая универсальная математическая модель ЛЭТИ повысит точность навигации судов и обнаружения мелких объектов на фоне морской поверхности. Разработка позволит устранить неоднозначность в оценке волнения моря при использовании различных шкал состояния моря и обеспечит более предсказуемую работу радиолокационных систем, что поможет более точно выявлять объекты на водной поверхности даже в условиях шторма».
Уточняется, что эффективность функционирования радиолокационных систем напрямую зависит от состояния моря, поскольку волны отражают радиосигналы и создают фоновый шум, который может скрывать небольшие суда, спасательные плоты или другие объекты. Для оценки интенсивности отражения радиолокационного сигнала от поверхности существует несколько методов — таблица Натансона, разработанная на основе экспериментов середины XX века, шкала Дугласа — система оценки волнения моря в баллах, созданная в XIX веке, а также шкала Всемирной метеорологической организации. В России также применяется шкала волнения моря главного управления гидрометеорологической службы 1953 года.
По информации пресс-службы, при переходе между этими системами возникают неточности, так как балльные шкалы необходимо пересчитывать в физические параметры, например, в высоту волн. Это может приводить к ошибкам в моделях отражения радиосигнала и снижению точности работы радиолокационных систем. Современные математические модели, используемые в навигации, также имеют свои ограничения. Например, модель GIT (Georgia Institute of Technology), часто применяемая в отрасли, хорошо согласуется с экспериментальными данными при волнении моря от 4 до 9 баллов. Однако при слабом волнении наблюдаются значительные расхождения, что увеличивает вероятность пропуска мелких объектов на воде.
В связи с этим ученые ЛЭТИ предложили новую математическую модель отражения радиосигналов от морской поверхности. Она не привязана к оценке волнения моря в баллах какой-либо шкалы и оптимизирована для малых углов скольжения радиоволн от 0,1 до 10 градусов. Такие углы возникают при обнаружении объектов на большом расстоянии над поверхностью моря, поэтому их корректное моделирование особенно важно для радиолокации.
О разработке
«Наша модель позволяет переводить любую шкалу волнения — Дугласа, Всемирной метеорологической организации или российскую — в физически измеряемый параметр, значимую высоту волн, и получать точный результат. При этом формула модели проще существующих аналогов, так как для расчета требуется меньше переменных».
Отмечается, что модель основана на аппроксимации экспериментальных данных Натансона — математическом методе, при котором сложный набор экспериментальных точек описывается более простой функцией, максимально близко повторяющей исходные данные. В этой модели используется не балльная оценка волнения моря, а значимая высота волн, что делает ее более универсальной. Значимая высота волн — это средняя высота высшей трети волн. Этот параметр широко применяется в океанографии и позволяет однозначно охарактеризовать состояние морской поверхности: от спокойного моря до сильного шторма с высотой волн более 14 м.
«Мы назвали модель ETU в честь нашего университета — это символический подарок к 140-летию ЛЭТИ. Разработка может быть использована в гражданских радиолокационных системах, системах управления беспилотными судами, морском экологическом мониторинге, а также в системах обеспечения безопасности морских перевозок и поисково-спасательных операциях».
Исследование проведено в рамках государственного задания Министерства науки и высшего образования РФ. Модель ETU устраняет историческое несоответствие между различными шкалами оценки волнения моря и позволяет радиолокационным системам функционировать корректно независимо от источника метеорологических данных. Это особенно важно для современных цифровых навигационных систем, которые интегрируют данные спутниковых наблюдений, метеослужб и бортовых датчиков.
Фото: hi-tech.mail.ru