เทคโนโลยีสมัยใหม่ในการเดินเรือใต้น้ำของเรือดำน้ำ

เมื่อวันก่อนเขียน Blog เกี่ยวกับเรื่องการใช้ Kalman Filter ร่วมกับระบบ Inertial Navigation System ในการวัดอัตราการเคลื่อนที่เพื่อนำไปคำนวณเป็นตำบลที่ที่เปลี่ยนแปลงไป สำหรับระบบหาตำบลที่ของเรือดำน้ำ อย่างไรก็ดีระบบดังกล่าวเป็นระบบที่ใช้การอ้างอิงจากระบบภายในของตนเอง และไม่มีการอ้างอิงจากระบบภายนอก จึงมีความเป็นไปได้ที่การคำนวณจะเกิด Drift ภายในซึ่งไม่สามารถแก้ไขได้โดยไม่มีการอ้างอิงจากระบบภายนอก ทำให้ระบบ Inertial Navigation System ยังคงต้องอาศัยการ Update จากระบบดาวเทียมเหนือผิวน้ำเป็นระยะๆ

อย่างไรก็ดี ในปัจจุบันกำลังมีแนวคิดใหม่ในการใช้การอ้างอิงจากระบบภายนอกเพื่อช่วยในการหาตำบลที่ใต้น้ำ โดยการอ้างอิงจากสภาพพื้นท้องทะเลแทนการใช้ระบบดาวเทียม ซึ่งจะสามารถช่วยให้เรือดำน้ำสามารถเดินเรือได้อย่างปลอดภัยขณะอยู่ใต้น้ำ โดยไม่ต้องขึ้นมาที่ผิวน้ำเพื่อ Update ตำบลที่จากดาวเทียม

หลักการดังกล่าวใช้แนวคิดในการตรวจสอบยืนยันตำบลที่จากสภาพความสูงต่ำของพื้นท้องทะเลใต้เรือดำน้ำ เช่นเดียวกับระบบ Terrain Contour Mapping (TERCOM) ของ Cruise Missile ซึ่งมีมานานแล้ว แต่ความแตกต่างที่ทำให้ Cruise Missile มีระบบ TERCOM มานานโดยที่เรือดำน้ำยังไม่มีระบบในลักษณะเดียวกัน เนื่องจากว่า Cruise Missile มีเส้นทางการเคลื่อนที่จากฐานยิงไปยังเป้าหมายเท่านั้น ทำให้ฐานข้อมูลมีขนาดไม่ใหญ่ และสามารถใช้สภาพความสูงของพื้นช่วยในการหาตำบลที่ได้ง่าย ในขณะที่เรือดำน้ำอาจอยู่ที่ไหนก็ได้ในพื้นที่ปฏิบัติการ ซึ่งทำให้การเปรียบเทียบกับฐานข้อมูลทำได้ยากกว่า นอกจากนี้แล้วระบบวัดความลึกด้วย Echo Sounder ของเรือทั่วไป (รวมทั้งเรือดำน้ำด้วย) โดยปกติจะใช้แบบ Single Beam ซึ่งให้ความลึกใต้ท้องเรือเพียงจุดเดียว และยังไม่มีการใช้ Multi-Beam Sounder อย่างแพร่หลาย ซึ่งการใช้ Multi-Beam Sounder จะให้ข้อมูลความลึกเป็นแถบกว้างได้มากกว่า

เปรียบเทียบ Single-Beam Sounder กับ Multi-Beam Sounder

แนวคิดหนึ่งในการใช้ความลึกของพื้นท้องทะเลเพื่อหาตำบลที่ (หรือ Bottom Navigation) เพื่อใช้เป็นระบบอ้างอิงจากภายนอก ร่วมกับการใช้ระบบ Inertial Navigation System คือการใช้ Correlation Filter เพื่อเปรียบเทียบระหว่างความลึก ณ จุดที่วัดได้ กับฐานข้อมูลความลึกในแผนที่อิเล็กทรอนิกส์ โดยมีหลักการเช่นเดียวกับการทำ Cross Correlation ของ Image Processing

การทำ Cross Correlation เป็นวิธีการหนึ่งของการ Matching เพื่อหาตำแหน่งชิ้นส่วนของภาพจากภาพใหญ่ ด้วยการ Slide ชิ้นส่วนเล็กไปตามตำแหน่งต่างๆ ในภาพใหญ่ และหาผลรวมของ Dot Product ในแต่ละตำแหน่ง ซึ่งตำแหน่งที่ให้ค่าผลรวมสูงสุดก็คือตำแหน่งที่ชิ้นส่วนเล็กมีความเหมือนกับจุดเดียวกันในภาพใหญ่มากที่สุด

จากภาพแสดงการทำ Cross Correlation แบบ 1 มิติ (ซ้าย) ซึ่งผลที่ได้จะเป็นเส้นโค้ง 1 เส้น ส่วนการทำ Cross Correlation แบบ 2 มิติ (ขวา) จะให้ผลที่ได้เป็นพื้นผิวโค้ง ซึ่งจุดที่ผลของการทำ Cross Correlation มีค่าสูงสุด ก็คือตำแหน่งที่ถูกต้องของชิ้นส่วนเล็กในภาพใหญ่นั่นเอง

ข้อจำกัดของการประยุกต์ใช้วิธีการ Cross Correlation เพื่อหาตำบลที่ใต้น้ำแบบ Bottom Navigation มีอยู่หลายประการ กล่าวคือ ชิ้นส่วนเล็กที่จะทำมาเปรียบเทียบจะต้องมีขนาดข้อมูลมากพอสมควรเพื่อให้สามารถเปรียบเทียบหาตำแหน่งในภาพใหญ่ได้ นอกจากนี้ยังต้องใช้การคำนวณค่อนข้างมากในการเปรียบเทียบ ไม่รวมถึงการจัดการกับ Noise ที่เกิดจากความคลาดเคลื่อนในการวัดค่าความลึก และการที่เรือดำน้ำมีการเคลื่อนที่อยู่ตลอดเวลา ทำให้ต้องทำการคำนวณเป็นปริมาณมากอย่างต่อเนื่อง

ด้วยข้อจำกัดดังกล่าว ทำให้การใช้ Correlation Filter ในการหาตำบลที่แบบ Bottom Navigation ไม่สามารถนำมาใช้งานจริงได้ อย่างไรก็ดีในปัจจุบันมีแนวคิดใหม่ที่อาจช่วยแก้ปัญหาของการทำ Bottom Navigation ได้ แต่จะเป็นการใช้วิธีการใดคงต้องติดตามในตอนต่อไป

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s