Устройство умного приёмника звука в составе сетецентрической системы установления координат источника звука
Фомичев В.А., полковник запаса,
Крюков В.А., гражданское лицо.
Живый в помощи Вышняго,
в крове Бога Небеснаго водворится …
Псалом 90.
Данная статья является продолжением статьи »Концепции устройства приёмника умного звукового датчика на базе шины CAN»
Авторы настоящей статьи объединили свои усилия разработке компактной малоресурсной дешевой сетецентрической системы контрбатарейной борьбы для защиты жизней людей.
В статье представлено наше понимание вопроса устройства умных приёмников звука и их совместной работы в составе сетецентрической системы для установления 3–х мерных координат источника звука.
Использование умных датчиков возможно и в гражданских сферах деятельности.
1 Состояние проблемы
В основе существующих методов определения координат батареи противоположной стороны лежит метод, предложенный поручиком Преображенского полка Н.А. Бенуа в 1909 г., получивший название метода разности времени. Он детально описан в открытом источнике [1].
В звуковой разведке определение координат целей (реперов) производят приближенного нахождением пеленга на цель решением звукометрической формулы по данным не менее чем двух акустических баз. Акустическая база состоит не менее чем из двух звукоприёмников, расположенных на некотором расстоянии один от другого. Пеленги определяются по разности времени (отчета) прихода фронта волны в звукоприёмники.
За сто с лишним лет акустический метод определения координат точечного источника звука фактически не претерпел значимых улучшений. Его существенным ограничением является:
· привязка искомой точки к гиперболическим асимптотам, что ведет к явной ошибке местоположения источника звука и тянет за собой шлейф специфичных методов коррекции.
· изначальная двухмерность метода.
Подробный обзор современных специальных технических средств определения координат источника звука дано в [2].
2 Поэлементное описание приёмника звука
Структурная схема умного приёмника звука показана на Рис. 1
Рис. 1. Структурная схема умного приёмника звука
2.1 Приёмник Глонасс с выносной антенной
принимает сигналы спутников глобального позиционирования Глонасс (GPS, Galileo) и определяет:
· географические координаты приёмника,
· высоту над уровнем моря и
· точное локальное время.
Данные передаются по шине CAN на блок Быстрого Преобразования Фурье (БПФ) в текстовом формате NMEA по интерфейсу UART.
Хотя точность времени, получаемой из Глонасс составляет порядка десятки нс, скорость UART может оказаться недостаточной для формирования оперативной метки времени. Ошибка определения времени прихода звуковой волны в 1 мс дает составляющую ошибки расчета координат источника звука на 1 порядок. Необходимо обеспечить точность фиксирования момента времени прихода фронта звуковой волны на блок БПФ до нескольких мкс. Поэтому использование времени, принимаемого из Глонасс, ограничивается синхронизацией внутренних часов приёмников.
При мобильном размещении приёмника на средстве передвижения скорость UART также следует учитывать для точности определения координат перемещаемого приёмника.
Приёмники Глонасс представлены на рынке навигационных приборов в широком спектре. Есть и с адаптером шины CAN.
2.2 Блок БПФ с микрофоном
Блок Быстрого Преобразования Фурье
· преобразует звуковой аналоговый сигнал в цифровые выборки,
· обрабатывает в режиме реального времени поток цифровых данных БПФ,
· определяет идентификатор паспорта звукового сигнала.
· получает из Глонасс–приемника сообщения с текущими координатами.
Из результата работы блок БПФ формирует пакет, состоящий из звукового паспорта, и передает его по шине CAN коммуникационному контроллеру (КК).
Блок БПФ является самым нагруженным вычислителем приёмника звука.
Блок БПФ реализуется на микропроцессоре типа STM32.
2.3 Коммуникационный контроллер
Коммуникационный контроллер (КК) выполняет
· приём от блока БПФ распознанный ID звука;
· преобразование аналогово–цифровое преобразование показания датчика температуры и от других датчиков;
· формирование пакета с данными;
· передачу по средствам связи в репозиторий сигналов (РС) пакета с данными о сигнале.
Пакет с данными о сигнале может передаться в репозиторий сигналов в центр сетецентрического куста (Рис. 2) в зашифрованном виде. В прототипе КК в локальной сети Ethernet в качестве транспорта использовался механизм WebSocket.
В гражданском применении подходящим транспортом системы может оказаться радиосвязь LoraWan поверх протокола MQTT.
Структура записи передаваемого сигнала в формате JSON:
{ «id»: «идентификатор датчика»,
«id_sound»: ID,
«db»: «децибеллы»,
«db»: число,
«x»: число,
«y»: число,
«z»: число,
«timeshtamp»: «метка времени»,
«dt»: «длительность сигнала»,
«dt»: число,
}
При наличии соответствующих датчиков и интерфейсов в передаваемой записи возможны дополнительные поля, например,
«tm»: «локальная температура»,
«tm»: число,
«w»: «местная скорость ветра»,
«w»: число,
«p»: «локальное давление»,
«p»: число,
Блок КК реализуется на микропроцессоре типа STM32.
В настоящее время проведена разработка прототипа многопортового КК в технологии обработки данных в потоке и на персональном компьютере проведены успешные испытания по сбора данных и управления внешними устройствами.
3 Описание состава центра сетецентрической куста
Центр сетецентрической куста справа на Рис. 2 состоит из двух компонентов:
· Репозиторий сигналов,
· Анализатор.
Рис. 2. Структурная схема сетецентрической системы
Приведенная схема отвечает архитектуре EDA [5].
3.1 Репозиторий сигналов
Репозиторий сигналов (РС) сетецентрической системы принимает от КК и хранит все сигналы от приёмников звуковых сигналов в базе данных.
РС:
· группирует сигналы по временным меткам и ID паспорта звукового сигнала,
· сортирует сигналы по силе звука,
· отсеивает дружественные звуковые точки,
· набирает необходимое количество наблюдений.
При наборе достаточного количества наблюдений РС передает исходные данные на анализатор для определения координат источника звука или генерации тревоги.
Исходные данные передаются на анализатор по каналу Ethernet.
РС реализуется на полевом защищенном ноутбуке.
3.2 Анализатор на стороне центрального вычислителя
Анализатор решает систему квадратных уравнений и получает в качестве корней системы координаты источника звука.
Репозиторий сигналов и вычислитель представляют собой полевые компьютеры, связанные в сеть.
Вычислитель может располагаться на том же ноутбуке, что и РС.
4 Функциональность системы
Приёмник звуковых волн состоит из приёмника Глонасс с выносной антенной, блока БПФ с микрофоном и коммуникационного контроллера. Приёмник передает принятые и распознанные данные в репозиторий сетецентрического куста.
Взаимодействие полевого приёмника звуков, репозитория сигналов и анализатора основывается на технологии обработки данных в потоке или событийно–ориентированного программирования.
Приёмник звуковых волн является автономным устройством и может устанавливаться стационарно на земле, на плавающем буйке или/и на транспортном средстве передвижения.
Приёмники работают в пассивном режиме и выходит на связь с репозиторием сигналов при распознавании соответствующего звукового сигнала. Сеанс передачи данных длится не более 0,5 млс. Возможен режим радиомаячка для быстрого нахождения приёмника и возвращение его на базу.
Из «центра» могут передаваться команды на тестирование связи, настройки приёмника и прочее.
Количество приёмников в сетецентрической системе практически не ограничено и определяется достаточностью перекрытия ширины контролируемого фронта или периметра.
Теоретическое требуемое количество приёмников зависит от условий задачи:
· для генерации тревоги при изменения режима работы оборудования или появления постороннего звука — 1 приёмник,
· для контроля периметра зоны ≥ 2 приёмников,
· для определения источника звука на плоскости, аналогично решению Бенуа, ≥ 4 приёмника,
· для определения 3–х мерных координат источника звука в квази однородной среде ≥ 5 приёмников.
· для определения 3–х мерных координат источника звука в неоднородной среде ≥ 6 приёмников.
5 Программная платформа реализации
Предполагается осуществить программирование образов ПО микропроцессоров приёмника на платформе функционального языка программирования с последующей трансляцией в среде встраивания. Программный блок, принимающий пакет о сигнале из канала WebSocket, планируется реализовывать на JS. Репозиторий сигналов и анализатор можно реализовать без всякой экзотики на MS SQL и Python.
6 Оценка временных задержек прохождения сигнала
Время установления координат источника звука в первую очередь диктуется временной временем задержки прихода фронта звуковой волны на приёмники. Если для примера позиции приёмники располагаются так, что фронт звуковой волны на последний приёмник приходит через 1с после первого приёмника, то эта секунда и будет определять длительность определения координат источника звука, т.к. у прототипа анализатора на Python оценка времени работы алгоритма составила не более 50 мс.
Хотя авторы статьи не являются по образованию схемотехниками, но мы посчитали нужным привести грубые оценки энергопотреблению, массы и стоимости комплектующих приёмника звуков.
7 Оценка энергопотребления приёмника
Ток потребления антенно–усилительного устройства Глонасс 32 mA.
Ток потребления навигационного приемника (GeoS-5 RTK) в режиме низкого энергопотребления ~ 65 mA.
Для того чтобы увеличить продолжительность работы приёмника от встроенного аккумулятора, необходимо сконфигурировать соответствующий режим работы нагруженного микропроцессора БПФ. Микропроцессор конфигурируется на режим для работы с повышенной производительностью с тактовой частотой до 80 МГц c удельным потреблением 120 мкА/МГц. Тогда его потребление тока составит 9,6 мА.
Микропроцессор коммуникационного контроллера длительное время находится в ожидающем режиме, сменяемом очень коротким периодом интенсивной передачи. Поэтому его энергопотребление будет значительно ниже, и в расчетах общего энергопотребления им пренебрежем.
Оценочная величина тока потребления сборки приёмника составляет ~110 mA. В теплое время года при установке на борт литиевого источника питания 8000 mAh время непрерывной работы прибора составит 72 часа.
8 Оценка веса приёмника
Функциональный элемент | Ориентировочный вес комплектующих |
Антенно–усилительное устройство Глонасс типа МШУ-1 | 60 |
Сборка приёмника Глонасс | 50 |
Сборка МК звукового датчика | 40 |
Вынесенный микрофон | 10 |
Сборка МК коммуникационного контроллера | 40 |
Вынесенный температурный датчик | 5 |
Блок питания с литиевой батарейкой 18650, 4,2 В, 8000mAh | 60 |
Итого: | ~ 265 |
9 Оценка стоимости комплектующих минимальной системы
Функциональный элемент | Количество | Рыночная стоимость |
Приёмник звукового датчика | ||
Антенно–усилительное устройство Глонасс типа МШУ-1 | 1 | ~1,5 |
Приёмник Глонасс | 1 | ~1,5 |
Микросхема STM32 | 2 | ~14,4 |
Температурный датчик | 1 | ~0,5 |
Литиевая батарея 18650, 4,2 В, 8000mAh | 1 | ~0,3 |
Итого: | 1 | ~ |
Общая стоимость комплекта приёмников: | 5 | ~91 |
В оценку стоимости не вошли:
· коммуникационное оборудование,
· центральное устройство куста.
Выводы
Предлагаемый комплект умных приёмников звука в составе сетецентрической системы, конечно, уступает по своим возможностям техническим средствам армейской артиллерийской разведки, представленным в [2].
Но есть и некоторые преимущества. Стационарные умные приёмники звука являются пассивными, работают в режиме ожидания и практически ничем себя не обнаруживают.
Система устанавливает 3–х мерные координаты источника звука.
Система отличается дешевизной, малоресурсностью, экономичностью и удобством в эксплуатации.
Поэтому авторы сетецентрической системы позиционируют ее почти как средства индивидуальной защиты подразделений до уровня батальона или артиллерийского дивизиона.
В следующей статье будет рассказано о тактических расположениях умных приёмников для прикрытия фронта батальона и … позиционного района якорной стоянки военного корабля.
Литература
1. Артиллерийская звуковая разведка, изд. МО, М., 1993
2. Н.М. ПАРШИН, Развитие и состояние звуковых средств артиллерийской разведки в Вооруженных Силах Российской Федерации, «Военная мысль», 2024, №1
3. Ф. Уэски, В. Калаври, Потоковая обработка данных. — М.: ДМК Пресс, 2021.
4. Бен Стопфорд, Проектирование событийно-ориентированных систем. Концепция и шаблоны проектирования сервисов потоковой обработки данных с использованием Apache Kafka, Иркутск: ITSumma Press, 2019
5. Э.Дж. Пселтис, Потоковая обработка данных. Конвейер реального времени.— М.: ДМК Пресс, 2018.
