ITTO20091048A1 - Sistema di test per un sistema di tracciamento e localizzazione e procedimento. - Google Patents

Description

“SISTEMA DI TEST PER UN SISTEMA DI TRACCIAMENTO E LOCALIZZAZIONE E PROCEDIMENTOâ€

La presente invenzione si riferisce ad un sistema di test per un sistema di tracciamento e/o localizzazione e ad un relativo procedimento, in particolare per un sistema di tracciamento e/o localizzazione di tipo acustico per tracciare o localizzare unità subacquee.

Un sistema di tracciamento e/o localizzazione, in particolare di tipo acustico, ha la funzione di fornire una rispettiva posizione di unità da tracciare e/o localizzare in funzione del tempo rispetto ad un riferimento relativo (rispetto ad un campo di misura), o assoluto (geografico). Sistemi di tracciamento e/o localizzazione di tipo noto utilizzano una pluralità di sensori acustici (agenti, in uso, come ricevitori) disposti in posizioni note nel campo di misura, i quali ricevono segnali trasmessi, in forma di codice, da una unità interrogatrice disposta a bordo delle unità da tracciare e/o localizzare. Ciascun codice à ̈ univoco per ciascuna rispettiva unità. Sulla base del riconoscimento del codice ricevuto e dei ritardi relativi tra la trasmissione e la ricezione (in sistemi di tipo sincrono) o sulla base dei ritardi relativi dei segnali ricevuti da diversi ricevitori (in sistemi di tipo asincrono) si determina la posizione delle unità nel campo di misura.

L’integrazione e la validazione di questi sistemi richiede l’esecuzione di campagne di misura in ambiente reale molto dispendiose in termini temporali ed economici, a causa della necessità di ripetere ciascuna prova ogni qualvolta, sulla base delle analisi eseguite sui dati di tracciamento e/o localizzazione registrati durante una campagna di misura, vengano riscontrati problemi di funzionamento dei sistemi impiegati.

Ad esempio, un campo di applicazione di sistemi di tracciamento e/o localizzazione del tipo descritto à ̈ relativo al tracciamento e/o localizzazione di unità navali di superficie e/o subacquee. Risulta evidente che in questo caso una campagna di misura in ambiente reale, con finalità di test, integrazione o validazione di sistemi di tracciamento e/o localizzazione, richiede il dislocamento di una pluralità di mezzi marini provvisti di opportuni trasmettitori (ad esempio trasmettitori acustici) e di una pluralità di ricevitori (ad esempio sonoboe) in mare.

Una campagna di misura del tipo descritto à ̈ estremamente costosa e non priva di rischi, dovuti ad esempio al danneggiamento dei mezzi marini impiegati, soprattutto nel caso di avverse condizioni meteo e marine. Inoltre, tale campagna di misura richiede il coinvolgimento di numeroso personale specializzato in ogni fase delle operazioni di misura; tale personale deve inoltre essere disponibile per una pluralità di successive campagne di misura nel caso di presenza e persistenza di problemi di funzionamento dei sistemi analizzati.

Scopo della presente invenzione à ̈ quello di minimizzare i rischi ed i costi legati alla sperimentazione e validazione in ambiente reale per sistemi di tracciamento e/o localizzazione.

Secondo la presente invenzione vengono pertanto forniti un sistema di test per un sistema di tracciamento e localizzazione ed un relativo procedimento, come definiti nelle rivendicazioni 1 e 12 rispettivamente.

Per una migliore comprensione della presente invenzione, ne viene ora descritta una forma di realizzazione preferita, a puro titolo di esempio non limitativo e con riferimento ai disegni allegati, nei quali:

- la figura 1 mostra in forma schematica un sistema di test accoppiato ad un sistema di tracciamento e/o localizzazione secondo la presente invenzione;

- la figura 2 illustra, mediante rappresentazione su assi cartesiani, una disposizione spaziale simulata di un mezzo da tracciare rispetto ad una pluralità di sensori, in tale sistema di tracciamento e/o localizzazione;

- le figure 3a e 3b mostrano, in forma schematica, pacchetti di dati trasmessi dal mezzo da tracciare e ricevuti da uno dei sensori di figura 2; e

- la figura 4 mostra una traiettoria del moto, in successivi istanti temporali, del mezzo da localizzare e/o tracciare rispetto ad uno dei sensori di figura 2.

La seguente discussione à ̈ presentata per consentire ad una persona esperta nella tecnica di realizzare ed utilizzare l’invenzione. Varie modifiche alle forme di realizzazione descritte saranno evidenti agli esperti nella tecnica, senza allontanarsi dall’ambito della presente invenzione, come rivendicata. Pertanto, la presente invenzione non à ̈ intesa essere limitata alle forme di realizzazione illustrate, ma ad essa deve essere attribuito l’ambito più vasto coerente con i principi e le caratteristiche illustrati nella presente trattazione, e definiti nelle rivendicazioni allegate.

La figura 1 mostra un sistema di test 1 interfacciato con un sistema di tracciamento/localizzazione 2, secondo un aspetto della presente invenzione.

Il sistema di test 1 comprende un’unità di elaborazione 4, includente un microcontrollore 6 e una memoria 8. L’unità di elaborazione 4 può essere, ad esempio, un elaboratore di tipo commerciale. Il sistema di test 1 comprende inoltre uno o più generatori di segnale (un primo e un secondo generatore di segnale 10, 11 sono mostrati, a titolo esemplificativo, in figura 1), collegati all’unità di elaborazione 4 tramite un dispositivo di instradamento 12. Ad esempio, il primo e il secondo generatore di segnale 10, 11 possono essere collegati con l’unità di elaborazione 4 attraverso una rete di tipo Ethernet; in questo caso il dispositivo di instradamento 12 à ̈ un router Ethernet. Il primo e il secondo generatore di segnale 10, 11 sono configurati in modo da poter generare una pluralità di segnali su una rispettiva pluralità di canali di uscita. Ad esempio, come mostrato in figura 1, il primo generatore di segnale comprende un primo e un secondo canale di uscita 10’, 10†, mentre il secondo generatore di segnale 11 comprende un unico canale di uscita 11’.

Il sistema di tracciamento/localizzazione 2 comprende una pluralità di sensori B1-B3, collegati ad una unità centrale 16; ciascun sensore B1-B3 à ̈, ad esempio, una sonoboa.

Unità di interfaccia 18a-18c sono previste e configurate per fungere da interfaccia tra un rispettivo sensore B1-B3 ed un rispettivo canale di uscita 10’, 10†, 11’ del primo o del secondo generatore di segnale 10, 11 del sistema di test 1. Secondo la forma di realizzazione mostrata in figura 1, le unità di interfaccia 18a e 18b collegano, rispettivamente, il sensore B1 e il sensore B2 con il primo generatore di segnale 10 tramite il primo canale di uscita 10’ e il secondo canale di uscita 10†, mentre l’unità di interfaccia 18c collega il sensore B3 con il secondo generatore di segnale 11 tramite il canale di uscita 11’.

Ciascuna unità di interfaccia 18a-18c include un elemento di interfaccia acustica 20 (mostrato schematicamente in figura 1) ed un elemento di interfaccia elettrica 22 (anch’esso mostrato schematicamente in figura 1). L’elemento di interfaccia acustica 20 à ̈ configurato per ricevere un segnale di tipo acustico, mentre l’elemento di interfaccia elettrica 22 à ̈ configurato per ricevere un segnale di tipo elettrico.

In questo modo, à ̈ possibile utilizzare generatori di segnali 10, 11 configurati per generare segnali acustici da fornire a ciascun rispettivo sensore B1-B3 (che lo riceve attraverso il rispettivo elemento di interfaccia acustica 20), oppure à ̈ possibile utilizzare generatori di segnali 10, 11 configurati per generare segnali elettrici; in quest’ultimo caso, il rispettivo elemento di interfaccia elettrica 22 à ̈ configurato in modo da fornire i segnali elettrici direttamente all’elettronica di interfaccia del rispettivo sensore B1-B3 (disposta, in modo noto, a valle del relativo elemento di trasduzione acustico).

Vantaggiosamente, risulta possibile agire su un elemento interruttore 23 delle unità di interfaccia 18a-18c, per selezionare l’elemento di interfaccia acustica 20 o l’elemento di interfaccia elettrica 22, a seconda del tipo di segnali (acustici o elettrici) generati in uscita dai generatori di segnali 10, 11.

Nella memoria 8 dell’unità di elaborazione 4 sono memorizzate una pluralità di informazioni e parametri per ricostruire virtualmente un ambiente (ad esempio, un ambiente marino) in cui eseguire operazioni di verifica del funzionamento corretto del sistema di tracciamento/localizzazione 2. Tali informazioni comprendono tra l’altro: una configurazione di disposizione virtuale dei sensori B1-B3; una cinematica specifica per ogni unità da tracciare/localizzare; e dati ambientali, ad esempio relativi al mezzo di propagazione dei segnali (aria, acqua, ecc.), un livello di rumore di fondo che si sovrappone al segnale trasmesso, un livello di rumore irradiato dalle unità da tracciare, un modello matematico di propagazione acustica sulla cui base definire perdite di propagazione e ritardi. Tali informazioni possono inoltre includere una pluralità di codici, ciascun codice essendo identificativo di una rispettiva unità da tracciare. Sulla base di queste informazioni, l’unità di elaborazione 4 genera, per ogni unità da tracciare/localizzare, uno o più segnali digitali configurati in modo da simulare una posizione relativa, variabile nel tempo (secondo una data traiettoria), dell’unità da tracciare/localizzare rispetto ai sensori B1-B3. Tali segnali digitali (diversi e specifici per ciascun sensore B1-B3) sono opportunamente instradati dal dispositivo di instradamento 12 verso il primo ed il secondo generatore di segnale 10, 11 sulla base della mappatura dei collegamenti tra gli stessi sensori B1-B3, le unità di interfaccia 18a-18c e le uscite dei generatori di segnali 10, 11.

I generatori di segnali 10, 11 effettuano una conversione dei segnali digitali in segnali analogici, elettrici o acustici, e forniscono i segnali analogici generati a ciascun rispettivo sensore B1-B3 tramite le unità di interfaccia 18a-18c.

I segnali analogici ricevuti dai sensori B1-B3 simulano in tal modo segnali che sarebbero ricevuti dagli stessi sensori B1-B3, qualora fossero dislocati (secondo la disposizione considerata) in un campo di misura di un ambiente reale, sulla base di segnali generati da unità da tracciare/localizzare reali, anch’esse dislocate nel campo di misura reale. Nel caso specifico di simulazioni in ambiente marino, i segnali digitali generati dall’unità di elaborazione 4 (e di conseguenza i segnali analogici forniti dai generatori di segnale 10, 11 ai sensori B1-B3) tengono dunque conto, ad esempio, degli specifici fenomeni di propagazione del segnale acustico nell’ambiente marino.

Un modello matematico di propagazione acustica di segnali acustici in ambiente marino subacqueo, che tiene conto di movimenti virtuali delle unità da tracciare/localizzare relativamente alla disposizione virtuale dei sensori B1-B3, à ̈ descritto nel seguito (tale modello matematico à ̈ ad esempio implementato da opportuni strumenti informatici dell’unità di elaborazione 4).

In dettaglio, il modello matematico modellizza la propagazione in ambiente marino subacqueo tramite la definizione dei seguenti parametri: posizione dell’unità sorgente; compressione del segnale emesso dall’unità sorgente per effetto Doppler; definizione della variazione del ritardo di ricezione a causa dell’effetto di compressione del segnale per effetto Doppler; e attenuazione dell’ampiezza del segnale emesso dall’unità sorgente per effetto della propagazione in acqua.

Per semplicità, si considera nel seguito il moto di una sola unità da tracciare/localizzare (identificata in figura 2 come unità sorgente U1) rispetto a tre sensori B1-B3, in un sistema di riferimento cartesiano a tre dimensioni (definite da un asse X, un asse Y e un asse Z). Con riferimento alla figura 2, ciascun sensore B1-B3 à ̈ definito dalle seguenti coordinate spaziali:

B1≡(X1, Y1, Z1) (1)

B2≡(X2, Y2, Z2) (2)

B3≡(X3, Y3, Z3) (3)

L’unità sorgente U1, in corrispondenza di un certo istante temporale tS, si trova in una posizione definita dalle seguenti coordinate spaziali:

U1≡(XU, YU, ZU) (4)

L’unità sorgente U1 si muove nel sistema di riferimento cartesiano con velocità, direzione e verso definiti da un vettore velocità v. In un campo di misura reale, un segnale s(t) emesso dall’unità sorgente U1 all’istante temporale ts, continuo nel tempo e configurato in modo da trasportare un codice identificativo dell’unità sorgente U1, sarebbe ricevuto da ciascuno dei sensori B1-B3 con un ritardo temporale e una fase variabili a seconda della distanza spaziale tra l’unità sorgente U1 e il rispettivo sensore B1, B2, B3. Ai fini della presente realizzazione, à ̈ dunque opportuno fornire ai sensori B1-B3 rispettivi segnali sB1(t), sB2(t), sB3(t) configurati in modo tale da simulare il comportamento del segnale che essi riceverebbero se fossero disposti in un campo di misura di un ambiente reale. Tali segnali sB1(t), sB2(t), sB3(t) sono generati in formato digitale dall’unità di elaborazione 4, convertiti in formato analogico dal primo e dal secondo generatore di segnale 10, 11 e forniti rispettivamente ai sensori B1-B3 tramite le unità di interfaccia 18a-18c.

Supponendo la presenza di un movimento dell’unità sorgente U1 rispetto al sensore B1, quest’ultimo riceve il segnale sB1(t), avente un comportamento nel tempo descrivibile secondo la formula (5):

s<B1>(t)<=>åA<1,j>(t)<×>s<1,j>(<r1,j>(t)<×>t<-t1,j j1, j>(t))<+>n1, j(t)<(5)>j

dove la sommatoria à ̈ effettuata su tutti i cammini di propagazione del segnale sB1(t). Ad esempio, nel caso di propagazione in mare, à ̈ possibile considerare un cammino j=1 diretto, lungo la congiungente tra il sensore B1 e l’unità sorgente U1, un cammino j=2 dovuto alla riflessione del segnale trasmesso dall’unità sorgente U1 sul fondale marino, e un cammino j=3 dovuto alla riflessione del segnale trasmesso dall’unità sorgente U1 all’interfaccia tra la superficie marina e l’aria (à ̈ tuttavia evidente che potrebbero essere considerati anche ulteriori cammini).

Per ogni cammino j=1, j=2, j=3, il termine A1,j(t) rappresenta l’inviluppo del segnale sB1(t), variabile nel tempo per effetto del canale di propagazione; Ï 1,j(t) à ̈ dato dal rapporto (1+(vp1,j(t)/c)) in cui v (t) à ̈ la proiezione, variabile nel tempo, del vettore velocità v sulla direzione di propagazione del segnale per ciascun cammino j=1, j=2, j=3 considerato (di valore positivo in avvicinamento), e c≈1500 m/s à ̈ la velocità di propagazione del suono in acqua; Ï„1,jà ̈ un ritardo temporale tra l’istante temporale tSdi inizio trasmissione del segnale s(t) da parte dell’unità sorgente U1 e l’istante temporale di inizio ricezione del segnale sB1(t) da parte del sensore B1; φ1(t) à ̈ una variazione di fase del segnale s(t), supposta casuale nel tempo; e n1(t) à ̈ un rumore interferente.

Analogamente, poiché l’unità sorgente U1 si muove anche rispetto al sensore B2, quest’ultimo riceve il segnale sB2(t), avente un comportamento nel tempo descrivibile secondo la formula (6):

s<B2>(t)<=>åA<2,j>(t)<×>s<2, j>(<r2, j>(t)<×>t<-t2, j j2, j>(t))<+>n2, j(t)<(6)>j

dove, anche in questo caso, la sommatoria à ̈ effettuata sui cammini j=1, j=2, j=3 di propagazione del segnale sB2(t) considerati.

Per ogni cammino j=1, j=2, j=3 del segnale sB2(t), il termine A2,j(t) à ̈ l’inviluppo del segnale sB2(t), variabile nel tempo per effetto del canale di propagazione; Ï 2,j(t) à ̈ dato dal rapporto (1+(vp2,j(t)/c)), in cui vp2,j(t) à ̈ la proiezione, variabile nel tempo, del vettore velocità v sulla direzione di propagazione del segnale per ciascun cammino j=1, j=2, j=3 considerato (di valore positivo in avvicinamento), e c≈1500 m/s à ̈ la velocità di propagazione del suono in acqua; Ï„2,jà ̈ un ritardo temporale tra l’istante temporale tSdi inizio trasmissione del segnale s(t) da parte dell’unità sorgente U1 e l’istante temporale di inizio ricezione del segnale sB2(t) da parte del sensore B2; φ2(t) à ̈ una variazione di fase del segnale s(t), supposta casuale nel tempo; e n2(t) à ̈ un rumore interferente.

Nello stesso modo, considerando il moto dell’unità sorgente U1 rispetto al sensore B3, quest’ultimo riceve il segnale sB3(t) secondo la formula (7):

s<B3>(t)<=>åA<3,j>(t)<×>s<3,j>(<r3,j>(t)<×>t<-t3,j j3, j>(t))<+>n3, j(t)<(7)>j

dove la sommatoria à ̈ effettuata sui cammini j=1, j=2, j=3 di propagazione del segnale sB3(t) considerati.

Per ogni cammino j=1, j=2, j=3 del segnale sB3(t), il termine A3,j(t) à ̈ l’inviluppo del segnale sB3(t), variabile nel tempo per effetto del canale di propagazione; Ï 3,j(t) à ̈ dato dal rapporto (1+(vp3,j(t)/c)), in cui vp3,j(t) à ̈ la proiezione, variabile nel tempo,del vettore velocità v sulla direzione di propagazione del segnale per ciascun cammino j=1, j=2, j=3 considerato (di valore positivo in avvicinamento), e c≈1500 m/s à ̈ la velocità di propagazione del suono in acqua; Ï„3,jà ̈ un ritardo temporale tra l’istante temporale tSdi inizio trasmissione del segnale s(t) da parte dell’unità sorgente U1 e l’istante temporale di inizio ricezione del segnale sB3(t) da parte del sensore B3; φ3,j(t) à ̈ una variazione di fase del segnale s(t), supposta casuale nel tempo; e n3,j(t) à ̈ un rumore interferente.

Nel seguito, si considera l’ipotesi che la trasmissione dei segnali sB1(t), sB2(t), sB3(t) sia di tipo a pacchetto, e che ogni pacchetto di dati abbia durata temporale pari a TDsecondi (con TDcompreso, ad esempio, tra 10<-3>s e 40·10<-3>s). Si suppone inoltre che, per ogni cammino j=1, j=2, j=3, i rispettivi valori delle proiezioni vp1,j(t), vp2,j(t) e vp3,j(t) del vettore velocità v e degli inviluppi A1,j(t), A2,j(t) e A3,j(t) siano costanti durante l’intera durata di TD, mentre le variazioni di fase φ1,j(t), φ2,j(t) e φ3,j(t) sono supposte essere pari a zero.

Secondo le approssimazioni appena indicate, ciascun segnale sB1(t), sB2(t), sB3(t) può essere scomposto in una pluralità di segnali, ciascuno di essi relativo alla ricezione di un pacchetto da parte dei rispettivi sensori B1, B2, B3.

Dunque, durante la ricezione di un generico p-esimo pacchetto, il segnale sB1(t) fornito al sensore B1 Ã ̈ rappresentato dalla formula (8):

s<B1>(t)<=>åA<1,j×>s<1, j>(<r1,j×>t<- t1, j>)<+>n1, j(t)<(8)>j

dove, per ogni cammino j=1, j=2, j=3 considerato, il valore di A1,jà ̈ costante; il valore di Ï 1,jà ̈ costante (poiché vp1,j

à ̈ costante); e Ï„1,jrappresenta, in questo caso, il ritardo

tra l’inizio della trasmissione del p-esimo pacchetto da

parte dell’unità sorgente U1 e l’istante temporale di

inizio ricezione, da parte del sensore B1, del p-esimo

pacchetto definito dal segnale sB1(t) secondo la formula

(8).

Analogamente, la ricezione del p-esimo pacchetto da

parte del sensore B2 Ã ̈ simulata fornendo al sensore B2 il

segnale sB2(t) secondo la formula (9):

s<B2>(t)<=>åA<2,j ×>s<2,j>(<r2,j ×>t<- t2, j>)<+>n2, j(t)<(9)>j

Dove, per ogni cammino j=1, j=2, j=3 considerato, il valore

di A2,jà ̈ costante; il valore di Ï 2,jà ̈ costante (poiché vp2,j

à ̈ costante); e Ï„2,jrappresenta il ritardo tra l’inizio

della trasmissione del p-esimo pacchetto da parte

dell’unità sorgente U1 e l’istante temporale di inizio

ricezione del p-esimo pacchetto da parte del sensore B2.

La ricezione del p-esimo pacchetto da parte del

sensore B3 Ã ̈ simulata fornendo al sensore B3 il segnale

sB3(t) secondo la formula (10):

s<B3>(t)<=>åA<3,j ×>s<3,j>(<r3,j ×>t<- t3, j>)<+>n3, j(t)<(10)>j

Dove, per ogni percorso j=1, j=2, j=3 considerato, il

valore di A3,jà ̈ costante; il valore di Ï 3,jà ̈ costante

(poiché vp3,jà ̈ costante); e Ï„3,jrappresenta il ritardo tra l’inizio della trasmissione del p-esimo pacchetto da parte dell’unità sorgente U1 e l’istante temporale di inizio ricezione del p-esimo pacchetto da parte del sensore B3.

Le posizioni assunte dall’unità sorgente U1 rispetto ai sensori B1, B2, B3 vengono calcolate nel modo descritto nel seguito.

All’istante di tempo tS, la posizione dell’unità sorgente U1 à ̈, come detto, identificata dalle coordinate (XU, YU, ZU). Ogni sensore B1, B2, B3 riceve un rispettivo segnale sB1(t), sB2(t), sB3(t) secondo le formule (8), (9), (10), in cui il ritardo di ricezione del segnale sB1(t) à ̈ dato da Ï„1,j=R1,j/c, il ritardo di ricezione del segnale sB2(t) à ̈ dato da Ï„2,j=R2,j/c, e il ritardo di ricezione del segnale sB3(t) à ̈ dato da Ï„3,j=R3,j/c. I termini R1,j, R2,j, R3,jsono rispettivamente le distanze tra l’unità sorgente U1 e i sensori B1, B2, B3. Ciascuna distanza R1,j, R2,j, R3,jà ̈ considerata per ciascun cammino j=1, j=2, j=3 di propagazione del segnale s(t).

A titolo esemplificativo, per il cammino j=1 diretto tra l’unità sorgente U1 e il sensore B1, il termine R1,1à ̈ dato dalla formula (11):

R1,1= (X1-XU)<2>+ (Y1-YU)<2>+ (Z1- ZU)<2>(11)

Analogamente, si calcola la distanza (per il cammino diretto j=1) tra l’unità sorgente U1 e il sensore B2 secondo la formula (12):

R2,1= (X2-X<2>

U) (Y2-Y<2>

U) (Z<2>

2- ZU) (12) Nello stesso modo, la distanza (per il cammino diretto j=1) tra l’unità sorgente U1 e il sensore B3 à ̈ data da:

R<2>

3,1= (X3-XU) (Y3-Y<2>

U) (Z3- ZU)<2>(13) Dopo un intervallo temporale pari a TD(durata di trasmissione di un pacchetto da parte dell’unità sorgente U1), l’unità sorgente U1 si à ̈ spostata dalla posizione iniziale (XU, YU, ZU) di una quantità definita da un vettore spostamento (ΔXU, ΔYU, ΔZU), con ΔXU=vx·TD, ΔYU=vy·TD, ΔZU=vz·TDe in cui vxvyvzsono le componenti del vettore velocità v lungo i rispettivi assi X, Y, Z.

Al termine dell’intervallo temporale TD, dopo la trasmissione di un pacchetto, l’unità sorgente U1 si trova pertanto in una posizione identificata dalle coordinate (XU+ΔXU, YU+ΔYU, ZU+ΔZU). Iterando questo procedimento con passi temporali pari a TDsecondi, si definiscono le posizioni assunte dall’unità sorgente U1 ogni TDsecondi e le nuove distanze reciproche tra l’unità sorgente U1 e i sensori B1, B2, B3. Anche il vettore velocità v viene aggiornato, in modulo e verso, ogni TDsecondi.

La nuova distanza R1,1<'>tra l’unità sorgente U1 e il sensore B1 (cammino diretto j=1) à ̈ data dalla seguente formula (14):

R<¢>1,1= (X1- (X<2>

U+DXU) ) (Y1- (YU+D<2>

YU) ) (Z1- ( ZU+ D<2>

ZU) ) (14) La nuova distanza R2,1<'>tra l’unità sorgente U1 e il sensore B2 (cammino diretto j=1) à ̈ data da:

R2,1<¢>= (X2- (XU+DXU) )<2>+(Y2- (YU+DYU) )<2>+(Z2- ( ZU+ DZU) )<2>(15) Analogamente, la nuova distanza R3,1<'>tra l’unità sorgente U1 e il sensore B3 (cammino diretto j=1) à ̈ data da:

R<¢ 2 2>

3,1= (X3- (XU+DXU) ) (Y3- (YU+DYU) ) (Z3- ( ZU+ DZU) )<2>(16) Un ulteriore parametro da considerare à ̈ la compressione del segnale ricevuto dai sensori B1, B2, B3 per effetto Doppler.

L’effetto Doppler causa infatti una variazione della durata temporale TDpercepita dai sensori B1, B2, B3. Assumendo che l’unità sorgente U1 si muova, durante l’intervallo temporale TD, di moto rettilineo uniforme con direzione e verso definiti dal vettore velocità v, passando dal punto definito dalle coordinate (XU, YU, ZU) assunte all’istante temporale tSal punto definito dalle coordinate (XU+ΔXU, YU+ΔYU, ZU+ΔZU) all’istante temporale tS+TD, le proiezioni del vettore velocità v sulle congiungenti U1-B1, U1-B2, U1-B3 (vale a dire le rette che uniscono le posizioni dei sensori B1, B2, B3 alla posizione dell’unità sorgente U1) assumono i seguenti nuovi valori (per analogia con le formule (14)-(16), nel seguito à ̈ considerato il solo cammino diretto j=1 del segnale trasmesso):

vp1,1(tS+TD)=(R1,1<'>-R1,1)/TD(17) vp2,1(tS+TD)=(R2,1<'>-R2,1)/TD(18) vp3,1(tS+TD)=(R3,1<'>-R3,1)/TD(19) In queste condizioni, i valori di compressione per effetto Doppler Ï P1, Ï P2, Ï P3dei segnali sB1(t), sB2(t), sB3(t) (ricevuti dai sensori B1, B2, B3 e originati a partire dal segnale s(t) trasmesso dall’unità sorgente U1 a partire all’istante temporale tS) sono dati dalle relazioni (20)-(22), dove c à ̈, come precedentemente indicato, la velocità di propagazione del suono in acqua:

Ï P1,1=(1+(vp1,1(tS+TD)/c)) (20) Ï P2,1=(1+(vp2,1(tS+TD)/c)) (21) Ï P3,1=(1+(vp3,1(tS+TD)/c)) (22) Le durate temporali TD1, TD2, TD3della trasmissione di un pacchetto viste da ciascun sensore B1, B2, B3, considerando l’effetto Doppler, sono date rispettivamente dalle formule (23)-(25):

TD1=Ï P1·TD(23) TD2=Ï P2·TD(24) TD3=Ï P3·TD(25) Sulla base delle approssimazioni considerate, l’aggiornamento dei segnali sB1(t), sB2(t), sB3(t) trasmessi dall’unità sorgente U1 e ricevuti dai sensori B1, B2, B3 à ̈ effettuato con un periodo di ripetizione pari a TD. Nell’intervallo temporale TDle proiezioni del vettore velocità v sulle congiungenti U1-B1, U1-B2, U1-B3 tra l’unità sorgente U1 e i diversi sensori B1, B2, B3 sono supposte costanti. In queste condizioni, à ̈ possibile costruire i segnali sB1(t), sB2(t), sB3(t) in forma digitale come sequenza di pacchetti, imponendo che l’istante di fine trasmissione di un pacchetto coincida con l’istante di inizio trasmissione di un pacchetto successivo. Questo à ̈ valido anche valutando la ricezione dei pacchetti da parte di ciascun sensore B1, B2, B3. Quanto descritto à ̈ mostrato graficamente nelle figure 3a, 3b.

I ritardi Ï„1,j, Ï„2,j, Ï„3,jdi ricezione di un pacchetto da parte del rispettivo sensore B1, B2, B3 sono dati dalle seguenti formule (26)-(28):

τ1,j=TD1+(R1,j<'>/c) (26) τ2,j=TD2+(R2,j<'>/c) (27) τ3,j=TD3+(R3,j<'>/c) (28) Considerando il solo cammino diretto (j=1), i valori di R1,j<'>, R2,j<'>, R3,j<'>sono dati dalle formule (14)-(16). È quindi opportuno che tali pacchetti siano trasmessi ai sensori B1-B3 con i ritardi τ1,j, τ2,j, τ3,jdefiniti secondo le formule (26)-(28), e intraprendere la ricezione (da parte dei sensori B1, B2, B3) di un nuovo pacchetto al termine della ricezione del pacchetto precedente.

Quanto appena detto à ̈ dimostrato nel seguito, con riferimento alle suddette figure 3a, 3b ed alla figura 4.

In figura 3a sono mostrati graficamente, su una scala temporale t, un (n-1)-esimo pacchetto e un n-esimo pacchetto, rispettivamente trasmessi dall’unità sorgente U1 al tempo (n-1)·TDe n·TD, e, come già detto, aventi entrambi durata di trasmissione pari a TD.

In figura 3b sono mostrati graficamente, su scala temporale t, il (n-1)-esimo pacchetto e il n-esimo pacchetto, come ricevuti da uno tra i sensori B1, B2, B3 (esemplificativamente, in figura 3b si considera il solo sensore B1 e il solo cammino diretto j=1 tra l’unità sorgente U1 e il sensore B1).

Il ritardo tra l’inizio della trasmissione del (n-1)-esimo pacchetto al tempo (n-1)·TDda parte dell’unità sorgente U1 e l’inizio della ricezione del (n-1)-esimo pacchetto da parte del sensore B1 à ̈ data da:

Ï„n-1=(n-1)·TD+(Rn-1/c) (29) Tenendo conto della compressione Doppler, la fine della ricezione del (n-1)-esimo pacchetto da parte del sensore B1 Ã ̈ data da:

Ï„n-1<'>=(n-1)·TD+(Rn/c)+TD·Ï Pn-1(30) dove TD·Ï Pn-1Ã ̈ la durata del (n-1)-esimo pacchetto, vista dal sensore B1 che lo riceve.

Applicando la stessa relazione per quanto riguarda l’inizio della ricezione da parte del sensore B1 del nesimo pacchetto, si ha:

Ï„n=n·TD+(Rn/c) (31) A questo punto, si ha che:

tn-1<'>=(n-1)×TD+Rn-1/c+TD×rPn-1=(n-1)×TD+Rn-1/c+TD(1+Vp(n-1)/c)=

=(n-1)×TD+Rn-1/c+TD(1+(Rn-Rn-1)/(TD×c))=

=n×TD–TD+Rn-1/c+TD+Rn/c-Rn-1/c=tn(32) Si dimostra dunque in questo modo che la fine della ricezione di un pacchetto corrisponde all’inizio della ricezione del pacchetto successivo.

Inoltre, come ultimo parametro, si definisce l’ampiezza A1,jdi ciascun segnale sB1(t), sB2(t), sB3(t) ricevuto dal rispettivo sensore B1, B2, B3, per ciascun cammino j=1, 2, 3 considerato.

Il calcolo delle ampiezze A1,j, A2,j, A3,jà ̈ eseguito a partire da una ampiezza ipotizzata del segnale s(t), che sarebbe trasmesso dall’unità sorgente U1 in un campo di misura reale, attenuando tale ampiezza del segnale s(t) in modo da tenere in considerazione perdite di propagazione, ad esempio per divergenza sferica e per assorbimento del suono in acqua. Le ampiezze, in dB, A1,j_dB, A2,j_dB, A3,j_dBsono quindi date da:

A1,j_dB=SL-20log10(Rn_1,j)-αRn10<-3>+K (33) A2,j_dB=SL-20log10(Rn_2,j)-αRn10<-3>+K (34) A3,j_dB=SL-20log10(Rn_3,j)-αRn10<-3>+K (35) dove SL rappresenta il livello di pressione trasmessa in acqua dall’unità interrogatrice disposta a bordo dell’unità da tracciare (unità sorgente U1) ed à ̈ espressa in dB/mPa alla distanza di riferimento di 1 metro, ad esempio pari a 192 dB/Î1⁄4Pa alla distanza di 1 metro; Rn_1,jRn_2,jRn_3,jsono le distanze tra l’unità sorgente U1 e, rispettivamente, il sensore B1, B2, B3 considerato, prese lungo il cammino j=1, j=2, j=3; α à ̈ il coefficiente di assorbimento del suono in acqua, ad esempio pari a 0,011 dB/m per una frequenza pari a 45 kHz; e K à ̈ una costante che tiene conto della modalità di accoppiamento dell’unità di interfaccia 18a-18c (elettrica o acustica) che viene utilizzata. In particolare, nel caso di accoppiamento acustico, il valore della costante K tiene conto della sensibilità del trasduttore utilizzato per l’accoppiamento, in modo da fornire un livello di pressione equivalente al segnale in acqua in ingresso al sensore (boa di tracciamento) in esame, essendo quindi diverso da sistema a sistema; nel caso di accoppiamento elettrico, la costante K à ̈ tale da tenere conto della sensibilità dell’elettronica del sensore in ricezione, nella conversione da pressione acustica in Volt.

L’ampiezza A1,j, A2,j, A3,j, in Volt, che deve essere generata à ̈ data da:

(

A =10A<1, j_dB>/20)

1, j (36)(

1 20)

A =<, j_dB>/

2, j 0A<2>(37)(

A =10A<3, j_dB>/20)

3, j (38) Inserendo nelle formule (5), (6) e (7) i valori di Ï 1,j, Ï 2,j, Ï 3,jdati dalle formule (20)-(22), i valori dei ritardi Ï„1,jÏ„2,jÏ„3,jsecondo le formule (26)-(28) ed i valori delle ampiezze A1,j, A2,j, A3,jsecondo le formule (36)-(38), si ottengono i segnali che l’unità di elaborazione 4 deve generare e inviare ogni TDsecondi ai sensori B1-B3.

Come detto, i segnali generati dall’unità di elaborazione 4 sono in formato digitale. Vantaggiosamente, per non perdere l’informazione associata a ciascun segnale, la frequenza di campionamento soddisfa il criterio di Nyquist. Ad esempio, ciascun segnale digitale può essere generato ad una frequenza di campionamento fCpari a tre volte la frequenza massima di lavoro.

Sulla base della frequenza di campionamento fCutilizzata, à ̈ possibile definire il rumore interferente n1(t), n2(t), n3(t) come rumore di tipo Gaussiano, avente valor medio nullo e ampiezza (deviazione) tale da fornire un rapporto segnale/rumore SNR desiderato. In particolare, essendo la banda del segnale di rumore W, la deviazione dev del segnale di rumore à ̈ data da:

dev=10<-( SNR / 20 )>×A1 , j× fC/ 4 W (39) I segnali digitali sono quindi inviati, attraverso il dispositivo di instradamento 12, ai generatori di segnale 10, 11, che effettuano una conversione dei segnali digitali ricevuti in formato analogico, generando i segnali sB1(t), sB2(t), sB3(t) analogici.

Nel caso di presenza di una pluralità di generatori di segnale e/o di una pluralità di sensori (come nella forma di realizzazione mostrata in figura 1), à ̈ opportuno che tutti i segnali generati dai generatori di segnale siano inviati ai sensori in modo sincrono, in modo da non indurre sfasamenti non voluti tra i segnali ricevuti dai sensori stessi. Inoltre, à ̈ opportuno garantire che il “drift†tra le forme d’onda dei segnali generati dai generatori di segnale sia compatibile con il sistema di tracciamento sotto test, ovvero non sia tale da indurre un errore di posizione significativo nell’arco della durata del test da effettuare.

In particolare, i segnali sB1(t), sB2(t), sB3(t) hanno la funzione di segnali di test per il sistema di tracciamento/localizzazione 2. L’unità centrale 16 dello stesso sistema di tracciamento/localizzazione 2, infatti, elabora, in modo noto, i segnali sB1(t), sB2(t), sB3(t) ricevuti dai sensori B1-B3 e fornisce all’unità di elaborazione 4, come risultato di tale elaborazione, la posizione e/o gli spostamenti dell’unità sorgente U1.

Poiché la posizione e/o gli spostamenti dell’unità sorgente U1 sono noti all’unità di elaborazione 4 (che li ha generati in modo simulato), quest’ultima à ̈ in grado di rilevare eventuali malfunzionamenti del sistema di tracciamento/localizzazione 2 senza la necessità di effettuare campagne di misura in ambiente reale.

Da un esame delle caratteristiche del sistema realizzato secondo la presente invenzione sono evidenti i vantaggi che esso consente di ottenere.

In particolare, Ã ̈ possibile effettuare procedure di test di generici sistemi di tracciamento e/o localizzazione in ambiente chiuso e controllato, e senza il dispiegamento di mezzi reali da localizzare/tracciare, con notevole vantaggio economico e di sicurezza dei sistemi o apparati utilizzati e da testare (che non devono essere dispiegati in ambiente reale e non sono sottoposti ai rischi ad esso collegati).

Il sistema di test à ̈ infatti in grado di valutare le capacità dei sistemi di ricezione dei sensori (ad esempio boe) di rivelare ed interpretare correttamente i segnali trasmessi dalle unità da tracciare nelle condizioni operative simulate (in termini ad esempio di distanza, rumore, cinematica), in presenza di unità da tracciare singole o multiple (à ̈ possibile testare la capacità di riconoscere contemporaneamente più codici associati a più unità da tracciare).

Risulta infine chiaro che a quanto qui descritto ed illustrato possono essere apportate modifiche e varianti senza per questo uscire dall’ambito protettivo della presente invenzione, come definito nelle rivendicazioni allegate.

Claims (12)

1. RIVENDICAZIONI 1. Sistema di test (1), configurato in modo da testare un sistema di tracciamento (2) di un mezzo navale in acqua, detto sistema di tracciamento (2) essendo dotato di almeno un primo dispositivo sensore (B1) e di una unità di calcolo (16) configurata in modo da generare un segnale di tracciamento, indicativo di una posizione di detto mezzo navale, in funzione di un segnale acustico emesso in acqua dal mezzo navale e rilevato dal primo dispositivo sensore, detto sistema di test (1) comprendendo: mezzi di elaborazione (4), configurati in modo da essere accoppiati a detta unità di calcolo (16) di detto sistema di tracciamento (2); ed almeno un primo generatore di segnale (10; 11), collegato ai mezzi di elaborazione (4) e configurato per essere accoppiato a detto primo dispositivo sensore (B1) di detto sistema di tracciamento (2), in cui detti mezzi di elaborazione (4) sono configurati in modo da: comandare il primo generatore di segnale (10; 11) in generazione di almeno un primo segnale di test (sB1(t)), corrispondente a detto segnale acustico che sarebbe ricevuto dal primo dispositivo sensore (B1) quando disposto in un ambiente reale in una prima disposizione spaziale rispetto a detto mezzo navale in un sistema di riferimento (x, y, z); abilitare l’invio del primo segnale di test (sB1(t)) al primo dispositivo sensore (B1) di detto sistema di tracciamento (2); ricevere dall’unità di calcolo (16) di detto sistema di tracciamento (2) detto segnale di tracciamento, da essa generato in risposta al primo segnale di test; e confrontare la posizione associata al segnale di tracciamento con la posizione del mezzo navale rispetto al primo sensore (B1), data da detta prima disposizione spaziale.
2. 2. Sistema secondo la rivendicazione 1, in cui detto sistema di tracciamento (2) à ̈ dotato di almeno un secondo (B2) ed un terzo (B3) dispositivo sensore, e detto primo generatore di segnale (10; 11) à ̈ inoltre configurato per essere accoppiato a detti secondo (B2) e terzo (B3) dispositivo sensore di detto sistema di tracciamento (2); ed in cui detti mezzi di elaborazione (4) sono inoltre configurati in modo da: comandare inoltre il primo generatore di segnale (10; 11) in generazione di un secondo (sB2(t)) e di un terzo (sB3(t)) segnale di test corrispondenti a un segnale acustico che sarebbe ricevuto rispettivamente dal secondo (B2) e dal terzo (B3) dispositivo sensore quando disposti in un ambiente reale rispettivamente in una seconda ed in una terza disposizione spaziale rispetto al mezzo navale nel sistema di riferimento (x, y, z), una relazione spaziale tra dette prima, seconda e terza disposizione spaziale essendo nota a detti mezzi di elaborazione (4); abilitare inoltre l’invio del secondo (sB2(t)) e del terzo (sB3(t)) segnale di test rispettivamente al secondo (B2) ed al terzo (B3) dispositivo sensore; ricevere dall’unità di calcolo (16) di detto sistema di tracciamento (2) detto segnale di tracciamento, da essa generato in risposta al primo (sB1(t)), al secondo (sB2(t)) ed al terzo (sB3(t)) segnale di test; e confrontare la posizione associata al segnale di tracciamento con la posizione spaziale del mezzo navale rispetto al primo (B1), al secondo (B2) ed al terzo (B3) sensore, data da dette prima, seconda e terza disposizione spaziale.
3. 3. Sistema secondo la rivendicazione 2, in cui i mezzi di elaborazione (4) sono inoltre configurati per valutare prestazioni del sistema di tracciamento (2) sulla base di un confronto tra detta posizione associata al segnale di tracciamento, e detta posizione spaziale del mezzo navale rispetto al primo (B1), al secondo (B2) ed al terzo (B3) sensore, data da dette prima, seconda e terza disposizione spaziale.
4. 4. Sistema secondo la rivendicazione 2 o 3,in cui detti mezzi di elaborazione (4) sono inoltre configurati in modo da: comandare il primo generatore di segnale (10; 11) in generazione di detti primo (sB2(t)), secondo (sB2(t)) e terzo (sB3(t)) segnale di test, aventi rispettivi valori variabili nel tempo, in funzione di un moto simulato di detto mezzo navale rispetto a detti primo (B1), secondo (B2) e terzo (B3) sensore, secondo una traiettoria di test in detto sistema di riferimento (x, y, z); ricevere dall’unità di calcolo (16) detto segnale di tracciamento generato in risposta a detti primo (sB2(t)), secondo (sB2(t)) e terzo (sB3(t)) segnale di test, ed indicativo di una traiettoria di detto mezzo navale; e confrontare la traiettoria associata al segnale di tracciamento con la traiettoria di test definita da detti primo (sB2(t)), secondo (sB2(t)) e terzo (sB3(t)) segnale di test.
5. 5. Sistema secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detti mezzi di elaborazione (4) sono configurati in modo da: implementare un modello di propagazione di segnali acustici in detto ambiente reale; e comandare il primo generatore di segnale (10; 11) in generazione di detto primo segnale di test (sB1(t)), sulla base di detto modello di propagazione.
6. 6. Sistema secondo la rivendicazione 5, in cui detto modello di propagazione à ̈ configurato in modo da modellizzare la propagazione dei segnali acustici in detto ambiente reale considerando: una compressione di detto primo segnale di test (sB1(t)) per effetto Doppler; una variazione del ritardo di ricezione di detto primo segnale di test (sB1(t)) da parte di detto primo dispositivo sensore (B1) a causa di detta compressione; un’attenuazione dell’ampiezza di detto primo segnale di test (sB1(t)) per effetto della propagazione in acqua.
7. 7. Sistema secondo la rivendicazione 5 o 6, in cui detto modello di propagazione à ̈ configurato in modo da modellizzare la propagazione dei segnali acustici in detto ambiente reale considerando una pluralità di cammini acustici tra detto mezzo navale e detto primo dispositivo sensore (B1), tra cui: un cammino diretto, lungo la congiungente tra detto mezzo navale e detto primo dispositivo sensore (B1); un cammino dovuto alla riflessione del segnale trasmesso da detto mezzo navale sul fondale marino; ed un cammino dovuto alla riflessione del segnale trasmesso da detto mezzo navale all’interfaccia tra la superficie marina e l’aria.
8. 8. Sistema secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detto primo segnale di test (sB1(t)) Ã ̈ un segnale di tipo acustico o di tipo elettrico, ed in cui detto primo dispositivo sensore (B1) Ã ̈ collegato a detto primo generatore di segnale (10; 11) tramite mezzi di interfaccia (18a), configurati in modo da ricevere detto primo segnale di test (sB1(t)) e fornire al primo dispositivo sensore (B1) un segnale associato al primo segnale di test.
9. 9. Sistema secondo la rivendicazione 8, in cui detti mezzi di interfaccia (18a) comprendono: una interfaccia acustica (20); un’interfaccia elettrica (22); e mezzi selettori (23), azionabili per abilitare alternativamente detta interfaccia acustica (20) o detta interfaccia elettrica (22), a seconda che detto primo segnale di test (sB1(t)) sia un segnale di tipo acustico o, rispettivamente, di tipo elettrico.
10. 10. Sistema secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detti mezzi di elaborazione (4) sono configurati in modo da inviare a detto primo generatore di segnale (10; 11) un segnale digitale di tipo a pacchetto, ed in cui detto primo generatore di segnale (10; 11) Ã ̈ configurato in modo da eseguire una conversione digitale/analogico per la generazione di detto primo segnale di test (sB1(t)) sulla base di detto segnale digitale di tipo a pacchetto.
11. 11. Prodotto di programma informatico, comprendente istruzioni software atte ad essere eseguite da detti mezzi di elaborazione (4) di detto sistema di test (1), per far sì che detti mezzi di elaborazione (4) siano configurati in accordo con una qualsiasi delle rivendicazioni 1-10.
12. 12. Procedimento di test per testare un sistema di tracciamento (2) di un mezzo navale in acqua, detto sistema di tracciamento (2) essendo dotato di almeno un primo dispositivo sensore (B1) e di una unità di calcolo (16) configurata in modo da generare un segnale di tracciamento, indicativo di una posizione di detto mezzo navale, in funzione di un segnale acustico emesso in acqua dal mezzo navale e rilevato dal primo dispositivo sensore, detto procedimento di test comprendendo le fasi di: generare almeno un primo segnale di test (sB1(t)), corrispondente a detto segnale acustico che sarebbe ricevuto dal primo dispositivo sensore (B1) quando disposto in un ambiente reale in una prima disposizione spaziale rispetto a detto mezzo navale in un sistema di riferimento (x, y, z); inviare il primo segnale di test (sB1(t)) al primo dispositivo sensore (B1) di detto sistema di tracciamento (2); ricevere dall’unità di calcolo (16) di detto sistema di tracciamento (2) detto segnale di tracciamento, da essa generato in risposta al primo segnale di test; e confrontare la posizione associata al segnale di tracciamento con la posizione del mezzo navale rispetto al primo sensore (B1), data da detta prima disposizione spaziale.