Undersøkelse av sonarsimulatoralgoritme i PROTEUS

Abstract

KDA har utviklet en sonarsimulator som er basert på en metode utviklet av FFI [1]. Sonarsimulatoren brukes i dag i den KDA-utviklede treneren, PROTEUS. Sjøforsvaret har rapportert manglende realisme i simuleringene og hevdet at dette er en delvis årsak til at AU-lag som tjenestegjør om bord på fregattene ikke bruker simulator til landbasert trening i dag. Som en del av et pågående arbeid i FFI prosjekt 1288 – “Kampsystemet Fridtjof Nansen – Taktikk, operasjonalisering og trening”, har FFI implementert sonarsimulatoren i MATLAB for å gjennomføre en følsomhetsstudie for ulike integrerte parametere i simulatoren. Målet er å finne årsaken til den manglende realismen. Parameterne som undersøkes er modelloppløsning, deteksjonsterskel og normaliseringsvindu. Studien er gjennomført på to ulike datasett som KDA hentet ut fra PROTEUS. Det første datasettet er hentet fra et scenario i Bjørnafjorden der kort sonarrekkevidde (12 km) benyttes. Det andre datasettet er hentet fra et scenario utenfor Marsteinen. Her benyttes lang sonarrekkevidde (48 km). PROTEUS benytter et maksimalt celleantall på 50, noe som betyr at modelloppløsningen er avhengig av sonarrekkevidden. Dette medfører at det brukes relativt høy rekkeviddeoppløsning (100 m til 240 m) i det første scenarioet og lav oppløsning (212 m til 960 m) i det andre scenarioet. Resultatene fra denne studien viser at rekkeviddeoppløsningen som brukes i LYBIN alltid bør være 200 m eller bedre. Videre bør størrelsen på normaliseringsvinduet som brukes være invariant i antall meter. Her foreslås et normaliseringsvindu på 1000 m og et tilhørende vaktbånd på 170 m. Deteksjonsterskelen bør styres av den som har ansvaret for treneren. Dermed kan den ansvarlige både velge vanskelighetsgrad (lav terskel fører til flere falske alarmer og dermed høyere vanskelighetsgrad) og dessuten også tilpasse terskelen til miljøet scenarioet kjøres i. For tilfellene studert her anbefales det 100m - 200 m oppløsning og en deteksjonsterskel på 7 - 10 dB for å oppnå en realistisk sky av falske alarmer. Merk at denne studien ikke inkluderer trackeren som KDA bruker i treneren sin. Det planlegges å kjøre et scenario i PROTEUS med de foreslåtte parameterne og deretter å vurdere realismen i trackene som simulatoren kommer frem til.

KDA has implemented a sonar simulator based on an algorithm developed by FFI [1]. The sonar simulator is used in the KDA sonar trainer PROTEUS. The Norwegian navy reports that the sonar simulator does not have sufficient fidelity and claims that this is partially the reason why operational ASW-teams do not use the simulator for land-based training. We have implemented the sonar simulator in MATLAB in order to assess the sensitivity of the algorithm to a handful of parameters. The goal is to discover why the simulator lacks realism. The assessed parameters are model resolution, detection threshold, and the size of the normalization window. Two different data sets taken from PROTEUS are used in the study. The first data set is extracted from a scenario in Bjørnafjorden. In this scenario a short sonar range setting was used (12 km). The second data set employed a long sonar range (48 km) and was extracted from a scenario just outside Marsteinen in the Norwegian Trench. The model range resolution used in PROTEUS depends on the sonar range. High resolutions are used for short sonar ranges (100 m to 240 m in the Bjørnafjorden case), and low resolutions for long ranges (212 m to 960 m in the Marsteinen case). The result from the study indicates that the model range resolution should always be better than 200 m. The size of the normalization window should be 1000 m, and the corresponding guard band should be 170 m. The detection threshold should be available for adjustment by the supervisor of the training. That way, the difficulty of the training can be determined by the supervisor (low threshold results in many false alarms and thereby high difficulty). Some modeled environments are also more prone to false alarms than other, and may therefore need adjustments in the detection threshold to get a realistic sonar picture. For the cases studied in this report a range resolution between 100 m and 200 m and a detection threshold of 7 dB to 10 dB are advised. Note that this study does not include the tracking algorithm in PROTEUS. The parameters suggested above are planned tested in PROTEUS to see if a realistic sonar picture is achieved.