Способ и устройство коррекции координат в гидроакустической системе навигации

 

Использование: при определении взаимного местоположения судна и гидроакустического маяка, а также для определения местоположения подводного буксируемого или автономного аппарата относительно судна в гидроакустической системе навигации. Сущность изобретения: способ и устройство коррекции координат в гидроакустической системе навигации с корректной обработкой измерительной информации, включая определение скорректированных пространственных координат с учетом трех степеней свободы при движении судна за счет дополнительного измерения поправки к курсовому углу. Устройство содержит блок вычисления пространственной ориентации, блок вычисления координатной апликаты и блок вычисления плановых координат. Способ и устройство обеспечивают более точную по сравнению с известными коррекцию координат и уточнение местоположения объекте путем учете трех степеней свободы при движении объекта. 8 з.п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к гидроакустическим навигационным средствам, а именно к гидроакустическим системам навигации (ГСН) с короткой и (или) сверхкороткой базовыми линиями, и может быть использовано при определении взаимного местоположения судна и гидроакустического маяка (ГМ), а также для определения местоположения подводного буксируемого или автономного аппарата относительно судна.

В ряде известных ГСН [7-9] с пониженными требованиями к точности определения местоположения объекта расчет прямоугольных координат X₁, Y₁, Z₁ объекта проводят без учета качки судна, принимая, что гидроакустические приемники с короткой или сверхкороткой базами находятся в горизонтальной плоскости. В этом случае взаимные координаты ГМ и объекта (судна или подводного аппарата) находят по известным формулам [2, с. 10].

Однако плоскость, в которой находятся приемники ГСН движущегося объекта, практически никогда не совпадают с горизонтальной плоскостью [2, с. 11], поэтому повышение точности местоопределения требует учета крена и дифферента объекта.

Известен способ [2] коррекции определяемых по ГСН координат ГМ, учитывающий изменение значений крена η и дифферента γ , последовательность выполнения операций в котором описывается алгоритмом [2, ф-лы (11), (12): , где H=Z₁ - глубина установки ГМ; X₁, Y₁, Z₁ - нескорректированные прямоугольные координаты, полученные по измерениям ГСН; X₀, Y₀ - скорректированные прямоугольные координаты; η,γ - измеренные углы крена и дифферента соответственно. См. п. 1 примечаний.

Известно устройство [6], реализующее способ (1) [2], выполненное в виде блока обработки прямоугольных координат, имеющее четыре входа для измеренных величин сигналов, соответствующих значениям X₁, Y₁ и η,γ , а также два выхода для скорректированных значений X₀, Y₀ плановых координат.

Однако коррекция координат с помощью устройства [2] является в ряде случаев недостаточно точной, поскольку алгоритм (1) является приближенным. См. п. 2 примечаний.

Известен способ коррекции координат [1], учитывающий крен и дифферент объекта. Последовательность выполнения операций в способе [1] описывает алгоритмом [1, ф-ла 3.25]: [x₀y₀z₀]^т = αβ(x₁y₁z₁] (2) где X₁, Y₁, Z₁ и X₀, Y₀, Z₀ - прямоугольные координаты объекта без коррекции и с коррекцией соответственно:
α,β - параметры крена η и дифферента γ :

Известно также устройство, реализующее способ [1], выполненное в виде блока обработки прямоугольных координат (спецвычислителя) и имеющее пять входов для измеренных величин сигналов, соответствующих значениям η,γ и X₁, Y₁, Z₁, а также три выхода скорректированных значений X₀, Y₀, Z₀.

Этот способ [1] коррекции координат и устройство для его осуществления являются наиболее близкими по совокупности технических признаков и достигаемому техническому результату к предлагаемому техническому решению и приняты за прототип.

Однако, как показали математическое моделирование и экспериментальная оценка погрешности, способ и устройство [1], реализующее алгоритм (2), ограничены в применении малыми углами качки, относительно малыми глубинами и горизонтальными дальностями от объекта до ГМ, что не позволяет получить потенциальную точность коррекции координат в ГСН. См. п. 3 примечаний. Кроме того, прототип не учитывает третью степень свободы (поправку к курсовому углу) при движении судна, что при требованиях к высокой точности позиционирования в ГСН является в ряде случаев некорректным.

Сущность изобретения заключается в создании способа и устройства коррекции координат в ГСН, которые без каких-либо ограничений обеспечили бы адекватную корректную обработку измерительной информации, включая определение скорректированных пространственных координат X₀, Y₀, Z₀ с учетом трех степеней свободы при движении судна, и позволили бы получить более точную по сравнению с прототипом коррекцию координат, а также значения точности определения местоположения, близкие к потенциальным.

Основная техническая задача изобретения - повышение точности коррекции координат в ГСН за счет дополнительного измерения и использования при определении координат поправки к курсовому углу, что позволяет (без каких-либо ограничений) получить корректное местоположение, учитывающее в отличие от известных способов и устройств не две, а три степени свободы при движении судна (объекта). При этом погрешность определения скорректированных координат может быть уменьшена в 1,5-2,0 раза при ошибке вычисления, близкой к нулю. См. п. 4 примечаний.

Технический результат достигается за счет того, что в способе коррекции координат в ГСН, включающем измерения нескорректированных координат X₁, Y₁, Z₁ объекта, а также измерение крена η и дифферента γ с последующим определением по значениям X₁, Y₁, Z₁, η,γ скорректированных координат X₀, Y₀, Z₀, дополнительно измеряют поправку Θ . См. п. 5 примечаний, к курсовому углу, а скорректированные координаты X₀, Y₀, Z₀ определяют из соотношений

где
X₁, Y₁, Z₁ - координаты объекта, определенные без коррекции;
X₀, Y₀, Z₀ - скорректированные координаты;
η,γ,Θ - крен, дифферент и поправка к курсовому углу соответственно;
τ = τ(η,γ,Θ) - угол пространственной ориентации, определяемый из выражения). См. п. 6 примечаний.

sin(Θ-τ)·cosγ·cosη+sinγ·sinη = 0
При этом угол τ пространственной ориентации определяют в зависимости от измеренной поправки Θ к курсовому углу из соотношения. См. п. 7 примечаний.

Θ-2° ≅ τ ≅ Θ+2°
Технический результат устройства, реализующего предложенный способ достигается за счет того, что устройство коррекции координат (УКК) в ГСН, содержащее блок обработки измерительной информации, включающей прямоугольные координаты X₁, Y₁, Z₁ объекта, его крен η и дифферент γ и имеющее пять входов и три выхода, причем первый третий входы УКК являются соответственно входами сигналов X₁, Y₁, Z₁, 4-й и 5-й входы УКК являются соответственно входами сигналов η и γ , а первый-третий выходы УКК являются соответственно выходами скорректированных координат X₀, Y₀, Z₀, дополнительно имеет 6-й вход для измеренной поправки Θ к курсовому углу и включает в себя блок вычисления пространственной ориентации (БПО), блок вычисления координатной апликаты Z₀ (БКА) и блок вычисления плановых координат X₀, Y₀ (БПК). Причем четвертый-шестой входы УКК подключены к первому-третьему входам БПО, к первому-третьему входам БКА и первому-третьему входам БПК. Выход БПО подключен к 4-му входу БКА и к 4-му входу БПК, 1-й вход УКК подключен к 5-му входу БКА и 6-му входу БПК, 2-й вход УКК - к 6-му входу БКА и 7-му входу БПК, а 3-й вход УКК - к 7-му входу БКА. Выход БКА подключен к 5-му входу БПК, а 1-й и 2-й выходы БПК и выход БКА являются соответственно первым-третьим выходами УКК.

Одним из основных отличительных признаков предлагаемого УКК является введение блока вычисления пространственной ориентации (БПО).

БПО включает в себя первое-третье устройства вычисления тригонометрических функций (УВТФ), первое-пятое устройства возведения в квадрат (УВК), первый-девятый умножители, вычитатель, устройство для решения квадратного уравнения (УРКУ) и устройство отбора. При этом вход 1-го УВТФ и 3-й вход устройства отбора объединены и являются 1-м входом БПО, вход 2-го УВТФ и 4-й вход устройства отбора объединены и являются 2-м входом БПО, вход 3-го УВТФ и 5-й вход устройства отбора объединены и являются 3-м входом БПО, 1-й выход 1-го УВТФ подключен к входу 1-го УВК и 1-му входу 5-го умножителя, 2-й выход 1-го УВТФ - к входу 2-го УВК и к 1-му входу 4-го умножителя, 1-й выход 2-го УВТФ подключен к входу 3-го УВК и к 1-му входу 3-го умножителя, 2-й выход 2-го УВТФ - к входу 4-го УВК и к 1-му входу 2-го умножителя. 1-й выход 3-го УВТФ подключен к 2-му входу 2-го умножителя, 2-й выход 3-го УВТФ - к входу 5-го УВК. Выход 1-го УВК подключен к 1-му входу 7-го умножителя, выход 2-го УВК - к 1-му входу 1-го умножителя и к 1-му входу 9-го умножителя. Выход 3-го УВК подключен к 2-му входу 7-го умножителя, выход 4-го УВК - к 1-му входу 8-го умножителя и к 2-му входу 1-го умножителя, выход 5-го УВК - к 2-му входу 8-го умножителя. Выход 1-го умножителя подключен к 1-му входу УРКУ, выход 2-го умножителя - к 2-му входу 3-го умножителя, выход 3-го умножителя - к 2-му входу 4-го умножителя. Выход 4-го умножителя подключен к 2-му входу 5-го умножителя, выход 5-го умножителя - к входу 6-го умножителя. Выход 6-го умножителя подключен к 2-му входу УРКУ, выход 7-го умножителя - к 1-му входу вычитателя. Выход 8-го умножителя подключен к 2-му входу 9-го умножителя, выход 9-го умножителя - к второму входу вычитателя. Выход вычитателя подключен к 3-му входу УРКУ. 1-й и 2-й выходы УРКУ подключены соответственно к 1-му и 2-му входам устройства отбора, а выход устройства отбора является выходом БПО.

БКА выключает в себя первое-шестое устройства вычисления коэффициентов (УКФ), первый-четвертый делители, первый-третий умножители, первое-седьмое УВК, вычитатель, первый-шестой сумматоры, УРКУ и логическое устройство. При этом соответствующие первый-четвертый входы первого-шестого УКФ объединены и являются соответственно первым-четвертым входами БКА. 5-й вход 1-го УКФ, 5-й вход 4-го УКФ и вход 3-го УВК объединены и являются 5-м входом БКА, 6-е входы 1-го УКФ и 4-го УКФ объединены с входом 4-го УВК и являются 6-м входом БКА. Вход 5-го УВК является 7-м входом БКА. Выход 1-го УКФ подключен к 1-му входу 1-го делителя, выход 2-го УКФ - к 1-му входу 2-го делителя, выход 3-го УКФ - к вторым входам 1-го и 2-го делителей. Выход 4-го УКФ подключен к 1-му входу 3-го делителя, выход 5-го УКФ - к 1-му входу 4-го делителя, а выход 6-го УКФ - к вторым входам 3-го и 4-го делителей. Выход 1-го делителя подключен к 2-му входу 1-го умножителя и к входу 7-го УВК, выход 2-го делителя - к 1-му входу 1-го умножителя и к входу первого УВК, а выход 3-го делителя - к 1-му входу 2-го умножителя и к входу 6-го УВК. Выход 4-го делителя подключен к 2-му входу 2-го умножителя и к входу 2-го УВК. Выход 1-го УВК подключен к 1-му входу 1-го сумматора, выход 2-го УВК - к 2-му входу 1-го сумматора. Выход 1-го сумматора подключен к входу 2-го сумматора, выход которого подключен к 1-му входу УРКУ. Выход 1-го умножителя подключен к 1-му входу 3-го сумматора, а выход 2-го умножителя - к 2-му входу 3-го сумматора, выход которого подключен к входу 3-го умножителя. Выход 3-го умножителя подключен к 2-му входу УРКУ. Выход 3-го УВК подключен к 1-му входу 4-го сумматора, а выход 4-го УВК - к 2-му входу 4-го сумматора, выход которого подключен к 1-му входу 5-го сумматора. Выход 5-го УВК подключен к 2-му входу 5-го сумматора, выход которого подключен к 2-му входу вычитателя. Выход 6-го УВК подключен к 1-му входу 6-го сумматора, а выход 7-го УВК - к 2-му входу 6-го сумматора, выход которого подключен к 1-му входу вычитателя. Выход вычитателя подключен к 3-му входу УРКУ. 1-й и 2-й выходы УРКУ подключены соответственно к 1-му и 2-му входам логического устройства, выход которого является выходом БКА.

БПК включает в себя первое-четвертое устройства УВТФ, первый-седьмой умножители, первый и второй вычитатели и устройство для решения системы двух линейных уравнений (УРСУ). Причем входы первого-четвертого УВТФ являются соответственно первым-четвертым входами БПК, вторые входы 6-го и 7-го умножителей объединены и являются 5-м входом БПК, первые входы 1-го и 2-го вычитателей являются соответственно 6-м и 7-м входами БПК. 1-й выход 1-го УВТФ подключен к 1-му входу 6-го умножителя, 2-й выход 1-го УВТФ - к 1-му входам 1-го и 2-го умножителей. Выход 1-го умножителя подключен к входу 3-го умножителя. Выход 6-го и 7-го умножителей подключены соответственно к 2-м входам 2-го и 1-го вычитателей. Выходы 5-го умножителя, 4-го умножителя, 1-го вычитателя, 3-го умножителя, 2-го умножителя и 2-го вычитателя подключены соответственно к первому - шестому входам УРСУ, 1-й и 2-й выходы которого являются 1-м и 2-м выходами БПК соответственно.

Устройство отбора (УО) блока БПО включает в себя первое - пятое устройства УВТФ, два сумматора, два делителя, первый - шестой умножители и логическое устройство. Причем 2-й вход 5-го умножителя и 2-й вход 4-го УВТФ объединены и являются 1-м входом УО, 2-й вход 6-го умножителя и 2-й вход 5-го УВТФ объединены и являются 2-м входом УО. Входы 1-го и 2-го УВТФ являются соответственно 3-м и 4-м входами УО, а объединяемые вход 3-го УВТФ и 3-й вход логического устройства 5-м входом УО. 1-й и 2-й выходы 1-го УВТФ подключены соответственно к первым входам 1-го и 2-го умножителей, 1-й и 2-й выходы 2-го УВТФ - соответственно к вторым входам 1-го и 2-го умножителей. 1-й выход 3-го УВТФ подключен к 2-му входу 4-го умножителя, 2-й выход 3-го УВТФ - к 2-му входу 3-го умножителя, а выход 1-го умножителя - к 1-му входу 1-го сумматора и к 1-му входу 2-го сумматора. Выход 2-го умножителя подключен к первым входам 3-го и 4-го умножителей, выход 3-го умножителя - к 2-м входам 1-го и 2-го делителей, а выход 4-го умножителя - к первым входам 5-го и 6-го умножителей. Выход 5-го умножителя подключен к 2-му входу 1-го сумматора, выход 6-го умножителя - к 2-входу 2-го сумматора. Выход 1-го сумматора подключен к 1-му входу 1-го делителя, выход 2-го сумматора - к 1-му входу 2-го делителя. Выход 1-го делителя подключен к 1-му входу 4-го УВТФ, выход 2-го делителя - к 1-му входу 5-го УВТФ, а выходы 4-го и 5-го УВТФ - соответственно к 1-му и 2-му входам логического устройства, выход которого является выходом УО.

Первое - шестое устройства УВК в блоке БКА выполнены в виде вычислительных средств, реализующих соответствующие алгоритмы по известным значениям

На фиг. 1 проиллюстрировано взаимное положение нескорректированной и скорректированной систем координат X₁, Y₁, Z₁ и X₀, Y₀, Z₀ при выполнении способа; на фиг. 2 представлена структурная схема УКК; на фиг. 3 - вариант выполнения БПО; на фиг. 4 - вариант выполнения БКА; на фиг. 5 - схема варианта выполнения БПК; на фиг. 6 - устройство отбора.

УКК содержит БПО 1, БКА 2 и БПК 3 (фиг. 2). БПО1 (фиг. 3) содержит первое - третье УВТФ 4, 5, 6, первое - пятое УВК 7-11, первый - девятый умножители 12-20, вычитатель 21, УРКУ 22 и УО 23. БКА 2 (фиг. 4) содержит первое - шестое устройства УКФ 24-29, первый - четвертый делители 30-33, первый - третий умножители 38, 39, 41, первое-седьмое УВК 34, 35, 42, 43, 45, 47, 48, вычитатель 50, первый - шестой сумматоры 36, 37, 40, 44, 46, 49, УРКУ 51 и логическое устройство 52. БПК 3 (фиг. 5) содержит первое-четвертое УВТФ 53-56, первый-седьмой умножители 57-63, первый и второй вычитатели 64 и 65, УРСУ 66. УО 23 (фиг. 6) содержит первое - пятое УВТФ 67-69, 80, 81, первый и второй сумматоры 76 и 78, первый и второй делители 77 и 79, первый-шестой умножители 70-75 и логическое устройство 82.

Способ коррекции координат выполняется следующим образом.

Традиционным методом (см. п. 8 примечаний) измеряют нескорректированные координаты X₁, Y₁, Z₁ объекта, его крен η и дифферент γ . Затем дополнительно измеряют (см. п. 9 примечаний) поправку Θ к курсовому углу. Скорректированные координаты X₀, Y₀, Z₀ по измерениям X₁, Y₁, Z₁, η,γ,Θ определяют в соответствии с выражением (3).

Устройство УКК работает следующим образом.

На первый - шестой входы УКК поступают соответственно сигналы η,γ,Θ , X₁, Y₁, Z₁. Сигналы η,γ,Θ подаются на входы БПО1, на выходе которого формируется сигнал τ . На семь входов БКА 2 поступают соответственно сигналы η,γ,Θ,τ , X₁, Y₁, Z₁, по которым БКА 2 на выходе вырабатывает сигнал Z₀. БПК 3 по сигналам η,γ,Θ,τ , X₁, Y₁, Z₁ формирует на выходе сигналы X₀ и Y₀. Таким образом на трех выходах УКК вырабатываются сигналы, соответствующие скорректированным координатам X₀, Y₀, Z₀.

БПО 1 работает следующим образом.

На входы УВТФ 4, 5, 6 поступают соответственно сигналы η,γ,Θ . На двух выходах УВТФ 4, 5, 6 формируются соответствующие сигналы sinα и cosα(α = η,γ,Θ). . УАК 7 выполняет операцию sin²η , а УВК 8 - операцию cos²η . На выходе УВК 9 вырабатывается сигнал sin²γ, , на выходе УВК 10 - сигнал cos²γ, . УВК 11 выполняет операцию cos²Θ . На выходе умножителя 12 вырабатывается сигнал cos²γ,cos²η. . Умножитель 13 выполняет операцию cosγsinΘ , умножитель 14 - операцию sinγ·cosγ·cosΘ, , умножитель 15 - операцию sinη·cosη·sonγ·cosγ·sinγ , умножитель 16 - операцию cosη·cosγ·cosγ·cosΘ, , а умножитель 17 - операцию умножения на два. На выходе умножителя 18 вырабатывается сигнал sin²η·sin²γ, , на выходе умножителя 19 - сигнал cos²γ·cos²Θ, , на выходе умножителя 20 - сигнал cos²η·cosγ²·cosΘ, , а на выходе вычитателя 21 - сигнал (sin²η·sin²γ-cos²η·cos²Θ·cosγ). . УРКУ 22 формирует сигналы (cosτ)₁ и (cosτ)₂ , значения которых соответствуют значениям корней квадратного уравнения ax²+bx+c=0 с коэффициентами
.

На выходе УО 23 формируется сигнал τ. .

БКА 2 работает следующим образом.

На первый - четвертый входы первого - пятого УКФ 24-29 поступают сигналы η,γ,Θ и τ соответственно. На 5-й и 6-й входы УКФ 24 и УКФ 27 поступают соответственно сигналы X₁ и Y₁. На вход УВК 45 поступает сигнал Z₁. На выходах УКФ 24-29 формируются сигналы, соответствующие значениям S₁^oCS₆ (выражения 4^oC9). Делитель 30 выполняет операцию b₁=S₁/S₃, делитель 31 - операцию a₁=S₂/S₃, делитель 32 - операцию b₂=S₄/S₆, а делитель 33 - операцию a₂= S₅/S₆. На выходе УВК 34 вырабатывается сигнал a²₁ , а на выходе УВК 35 - сигнал a²₂. . На выходе сумматора 36 формируется сигнал (a²₁+a²₂), , а на выходе сумматора 37 - сигнал (1+a²₁+a²₂), . Умножитель 38 выполняет операцию a₁·b₁, а умножитель 39 - операцию a₂·b₂. На выходе сумматора 40 формируется сигнал (a₁b₁+a₂b₂), а на выходе умножителя 41 - сигнал 2(a₁b₁+a₂b₂). УВК 42 выполняет операцию x²₁, , а УВК 43 - операцию y²₁. . Сумматор 44 формирует сигнал (x²₁+y²₁) . УВК 45 выполняет операцию z²₁, , а сумматор 46 - операцию (x²₁+y²₁+z²₁). . На выходе УВК 47 вырабатывается сигнал b²₂ , а на выходе УВК 48 - сигнал b²₁. . Сумматор 49 выполняет операцию b²₁+b²₂ . Вычитатель 50 формирует сигнал (b²₁+b²₂-x²₁-y²₁-z²₁). . На выходе УРКУ 51 вырабатываются сигналы (Z₀)₁ и (Z₀)₂, значения которых соответствуют значениям корней квадратного уравнения ax²+bx+c=0 с коэффициентами
a = 1+a²₁+a²₂; ;
b=2(a₁b₁+a₂b₂);
c = b²₁+b²₂-x²₁-y²₁-z²₁
Логическое устройство 52 выполняет операцию выбора из значений (Z₀)₁ и (Z₀)₂ неотрицательного значения. Таким образом, на выходе логического устройства 52, являющегося выходом БКА 2, формируется сигнал, соответствующий значению Z₀.

БПК 3 работает следующим образом.

На входы УВТФ 53-56 поступают сигналы, соответствующие значениям η,γ,Θ,τ. . На вторые входы умножителей 62 и 63 поступает сигнал Z₁. На 1-й вход вычитателя 64 поступает сигнал X₁, на 1-й вход вычитателя 65 - сигнал Y₁. Сигнал Z₁ поступает на вторые входы умножителей 62 и 63. На 1-м и 2-м выходах УВТФ 53 вырабатываются сигналы sinη и cosη. . На 1-м и 2-м выходах УВТФ 54 - сигналы sinτ и cosτ. . На 1-м и 2-м выходах УВТФ 55 формируются сигналы sinγ и cosγ, , на 1-м и 2-м выходах УВТФ 56 - сигналы sinΘ и cosΘ соответственно. Умножитель 57 выполняет операцию (sinτ·cosη), , а умножитель 59 - операцию (sinτ·cosη). . На выходе умножителя 58 вырабатывается сигнал (cosτ·cosη) , на выходе умножителя 60 - сигнал (cosγ·sinΘ), , а на выходе умножителя 61 - сигнал (cosΘ·cosγ). . Умножитель 62 выполняет операцию (z·sinη), , а вычитатель 65 - операцию (y-zsinη) . На выходе умножителя 63 формируется сигнал (z·sinγ), , а на выходе вычитателя 64 - сигнал (x-zsinγ) . На первом выходе УРСУ 66 вырабатывается сигнал X₀, а на втором его выходе - сигнал Y₀. Таким образом на трех выходах БПК формируются сигналы скорректированных координат X₀, Y₀, Z₀.

Устройство отбора УО 23, входящее в БПО 1, работает следующим образом. На входы УВТФ 67-69 поступают сигналы η,γ,Θ соответственно. Кроме того, сигнал Θ поступает на 3-й вход логического устройства 82. Сигнал (cosτ)₁ подается на вторые входы умножителя 74 и УВТФ 80, сигнал (cosτ)₂ - на вторые входы умножителя 75 и УВТФ 81. На первых и вторых выходах УВТФ 67-69 вырабатываются сигналы sinα и cosα(α=η,γ,Θ). . Умножитель 70 выполняет операцию (sinη·sinγ), , а умножитель 71 - операцию (cosη·cosγ). . На выходе умножителя 72 формируется сигнал (cosη·cosγ·cosΘ), , на выходе умножителя 73 - сигнал sinΘ·cosη·cosγ), , на выходе умножителя 74 - сигнал [(sinΘ·cosη·cosγ·(cosτ)₁] , на выходе умножителя 75 - сигнал [sinΘ·cosη·cosγ(cosτ)₂]. . Сумматор 76 выполняет операцию [sinη·sinγ+sinΘ·cosη·cosγ(cosτ)₁]. , а сумматор 78 - операцию [sinη·sinγ+sinΘ·cosη·cosγ(cosτ)₂]. . Делители 77 и 79 формируют сигналы (sinτ)₁ и (sinτ)₂ . См. п. 10 примечаний. УВТФ 80 по сигналам (sinτ)₁ и (cosτ)₁ формирует значение τ₁ , а УВТФ 81 по значениям (sinτ)₂ и (cosτ)₂ - значение τ в интервале 0 ≅ τ₁, τ₂≅ 2π . Логическое устройство 82 выбирает из значений τ₁ и τ₂, значение, принадлежащее интервалу Θ-2° ≅ τ ≅ Θ+2°. . Таким образом, на выходе логического устройства 82 формируется сигнал τ , соответствующий углу пространственной ориентации.

Таким образом, за счет новых существенных признаков предложенных способа и устройства получен новый технический результат: повышения точности корректировки координат с учетом трех степеней свободы при движении судна (объекта). Возможность практического осуществления технического результата подтверждается испытаниями макета и моделированием процесса коррекции координат в ГСН с короткой и/или сверхкороткой базами. См. п. 11 примечаний.

Примечания.

1. Согласно [1, 2] принято, что ось X₁ направлена к носу судна (объекта), ось Y₁ - ортогонально правому борту и направлена в сторону правого борта. Оси X₀ и Y₀ лежат в горизонтальной плоскости и при отсутствии крена (η = 0) оси Y₀ и Y₁ совпадают, при отсутствии дифферента (γ = 0) совпадают оси X₀ и X₁. Оси Z₀ и Z₁ направлены вниз (см. фиг. 1).

Под углом крена η понимают угол между осью Y₁ и ее проекцией на плоскость X₀Y₀, а под углом дифферента - угол между осью X₁ и ее проекцией на плоскость X₀Y₀ (подробнее см. фиг. 1).

2. В [2] принято, что дифферент не сказывается на значении Y, а крен - на значении X, что не вполне корректно (см. подробнее 1, с. 30). Кроме того, значение третьей координаты Z принято равным H, что не выполняется в условиях качки, а координата Z₀ в данном способе не определяется.

Математическое моделирование и экспериментальная оценка погрешностей показали, что способ [2] дает приемлемую точность коррекции координат лишь при глубинах ГМ более 5 тыс. м и при горизонтальных дальностях ГМ менее 700 м. При других значениях перечисленных параметров погрешность способа [2] возрастает.

Как показали матмоделирование и экспериментальная оценка погрешностей способ и устройство [1] дают приемлемую точность коррекции координат только при соблюдении хотя бы одного на следующих условий:
а) малые углы крена и дифферента (η,γ < 2°); ;
б) малые глубины установки ГМ (менее 2500 м);
в) при горизонтальных дальностях между объектом и ГМ не превышающих половину наклонной дальности.

Если эти условия не выполняются, то ошибка определения каждой их координат X₀, Y₀ может достигать 30-40 м, причем ошибка вычисления составит до 15 м. Для ГСН с повышенными требованиями к точности такие значения погрешностей не приемлемы (см. например [1]).

4. Основным отличительным признаком изобретения является учет не двух, а трех степеней свободы при движении судна. Как показал А.А.Борисов, необходимость введения третьей координаты обусловлена тем, что при углах крена и дифферента, отличных от нуля, либо ось X₁ лежит в плоскости X₀Z₀, либо ось Y₁ не лежит в плоскости Y₀Z₀, либо обе оси не лежат в указанных плоскостях (в противном случае оси X₁ и Y₁ были бы не ортогональны).

Введение 3-й степени свободы, т.е. дополнительное измерение и использование поправки к курсовому углу, что ранее не использовалось, обеспечивает полный корректный набор входных данных и делает погрешность вычисления координат, близкой к нулю.

Согласно известному (см., напр.: Штурман флота: Справочник по кораблевождению /В.И.Каманис, А.В.Лаврентьев, Р.А.Скубко. - М.: Воениздат, 1986, с. 308) соотношению для погрешности определения координат
,
где
m_н.п. - погрешность, обусловленная измерением;
m_в - погрешность вычисления,
при уменьшении погрешности вычисления уменьшается и погрешность определения координат.

Т.о. погрешность определения координат (m_к=20^oC40 м) при снижении погрешности m_в вычисления до нуля уменьшается в предложенном изобретении в 1,5^oC2,0 раза.

5. Поправка Θ к курсовому углу представляет собой "дополнительный" угол к курсовому углу: угол между проекцией оси X₁ на плоскость X₀Y₀ и осью X₀, отсчитываемый по часовой стрелке от оси X₀ (см. фиг. 1).

Способы измерения значений Θ и технические средства для этого с помощью, например, среднеорбитальной спутниковой радионавигационной системы подробно описаны в [3].

Однако в литературных источниках (напр., в [3]) поправка Θ используется лишь для оценки (уточнения) курса судна (объекта). Измерение значений Θ для коррекции координат в ГСН предложено в данной заявке впервые.

6. Угол пространственной ориентации τ определяется как угол между проекцией оси Y₁ на плоскость X₀Y₀ и осью Y₀, отсчитываемый по часовой стрелке от оси Y₀ (см. фиг. 1). Значение τ определяется из соотношения l_x·l_y=0, где l_xl_y - единичные орты осей X и Y соответственно.

В системе координат X, Y, Z это соотношение имеет вид . Произведя преобразования, можно из (п. 1) получить уравнения для cosτ и sinτ, , а следовательно, и значение τ , которое удовлетворяет условию: Θ-2° ≅ τ ≅ Θ+2°. . (Определение элементарно, но весьма громоздко, поэтому здесь не приводится).

Апликата Z₀ определяется из соотношения (3) путем исключения из системы уравнений величин X₀ и Y₀. Не приводя полностью вывода формул, отметим, что подставив выражения (4) - (9) в (3) и произведя элементарные преобразования, получим квадратное уравнение вида ax²+bx+c=0 для определения Z₀ (подробнее см. описание в части работы блока БКА 2), а из двух значений Z₀ выбираем положительное.

Координаты X₀, Y₀ определяются из системы двух линейных уравнений (первые два уравнения системы (3) при известном значении апликаты Z₀.

7. Соотношение обусловлено тем, что из двух значений τ выбирается ближайшее к Θ (см. примеч. 6). Для реальных условий качки судна (при крене и дифференте 10 - 20^o это условие, как правило (см. [1]), выполняется.

8. См. например [1], описывающий прототип.

9. См. примечание 5.

10. В соответствии с выражениями
.

11. Математическое моделирование показало, что в реальных условиях движения судна точность определения каждой из координат увеличивается на 7 - 10 м (т.е. значение абсолютной погрешности снижается на 7 - 10 м), повышая точность определения местоположения объекта в 1,5 - 2,0 раза при ошибке вычисления координат, близкой к нулю (см. примеч. 4)
Источники информации
1. Милн П.Х. Гидроакустические системы позиционирования: Пер. с англ. - Л.: Судостроение, 1989, 232 с. (прототип, с. 30-32).

2. Гидроакустические навигационные средства /Бородин В.И., Смирнов Г.Е., Толстякова Н.А. и др. - Л.: Судостроение, 1983, 264 с. (аналог, с. 10-11).

3. Никитенко Ю. И., Устинов А.В. Алгоритмы оценки курса крена и дифферента по сигналам среднеорбитальной СРНС. - В кн.: Матер. 15 Всес. н.-т. конф. секции радиосвязи и радионавигации, 27-29 нояб. 1990, т. 2. - М., 1992 с. 61-65, с. 101-104.

4. (Польша) пат. 150923, кл. G 05 D 1/02, 1990 (см. РЖ "Водн.тр." N 1, 1992).

5. США, пат. 4238824, кл. G 06 F 15/50, НКИ 364-449, 1980.

6. СССР, пат 1838798, кл. G 01 S 5/00, опубл. Б.И. 1993, N 32, т. 2.

7. Гидроакустические навигационные средства для определения глубоководных объектов /Отсчет о патентных исследованиях. - ВЦПУ, Кишиневский ф-л, рег. N 03526, 1987, 172 с.

8. Гидроакустические навигационные системы /Отсчет о тематическом поиске. - ВЦПУ, Ростовский ф-л, 1988, 39 с.

9. Вычислительные устройства и системы гидроакустических станций /Отсчет о тематическом поиске. - ВЦПУ, Ростовский ф-л, 1989, 60 с.

Формула изобретения

1. Способ коррекции координат в гидроакустической системе навигации, включающий измерение нескорректированных координат X₁, Y₁, Z₁, объекта, а также измерение крена η и дифферента γ с последующим определением по значениям X₁, Y₁, Z₁, η,γ скорректированных координат X₀, Y₀, Z₀, отличающийся тем, что дополнительно измеряют поправку Θ к курсовому углу, а скорректированные координаты X₀, Y₀, Z₀ определяют из соотношений

где X₁, Y₁, Z₁ - координаты объекта, определенные без коррекции;
X₀, Y₀, Z₀ - скорректированные координаты;
η, γ, Θ - крен, дифферент и поправка к курсовому углу соответственно;
τ = τ(η,γ,Θ) - угол пространственной ориентации, определяемый из выражения
sin(Θ-τ)·cosγ·cosη+sinγ·sinη = 0.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что угол τ пространственной ориентации определяют в зависимости от измеренной поправки Θ к курсовому углу из соотношения

3. Устройство коррекции координат в гидроакустической системе навигации выполнено в виде блока обработки измерительной информации, включающей прямоугольные координаты X₁, Y₁, Z₁ объекта, его кран η и дифферент γ , и имеющее пять входов и три выхода, причем первый-третий входы устройства коррекции координат являются соответственно входами сигналов X₁, Y₁, Z₁, четвертый и пятый входы устройства коррекции координат являются соответственно входами сигналов η и γ , а первый, второй и третий выходы устройства коррекции координат являются соответственно выходами скорректированных координат X₀, Y₀, Z₀, отличающееся тем, что блок обработки измерительной информации, шестой вход которого является шестым входом устройства коррекции координат и является входом сигнала измеренной поправки Θ к курсовому углу, содержит блок вычисления пространственной ориентации, блок вычисления координатной апликаты Z₀ и блок вычисления плановых координат X₀, Y₀, причем четвертый-шестой входы устройства коррекции координат подключены к первому-третьему входам блока вычисления пространственной ориентации, к первому-третьему входам блока вычисления координатной апликаты Z₀ и первому-третьему входам блока вычисления плановых координат X₀, Y₀, выход блока вычисления пространственной ориентации подключен к четвертому входу блока вычисления координатной апликаты Z₀ и четвертому входу блока вычисления плановых координат X₀, Y₀, первый вход устройства коррекции координат подключен к пятому входу блока вычисления координатной апликаты Z₀ и шестому входу блока вычисления плановых координат X₀, Y₀, второй вход устройства коррекции координат подключен к шестому входу блока вычисления координатной апликаты Z₀ и седьмому входу блока вычисления плановых координат X₀, Y₀, третий вход устройства коррекции координат подключен к седьмому входу блока вычисления координатной апликаты Z₀, выход блока вычисления координатной апликаты Z₀ подключен к пятому входу блока вычисления плановых координат X₀, Y₀, а первый и второй выходы блока вычисления плановых координат X₀, Y₀ и выход блока вычисления координатной апликаты Z₀ являются соответственно первым-третьим выходами устройства коррекции координат.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что блок вычисления пространственной ориентации включает в себя первое-третье устройства вычисления тригонометрических функций, первое-пятое устройства возведения в квадрат, первый-девятый умножители, вычитатель, устройство для решения квадратного уравнения и устройство отбора, причем вход первого устройства вычисления тригонометрических функций и третий вход устройства отбора объединены и являются первым входом блока вычисления пространственной ориентации, вход второго устройства вычисления тригонометрических функций и четвертый вход устройства отбора объединены и являются вторым входом блока вычисления пространственной ориентации, вход третьего устройства вычисления тригонометрических функций и пятый вход устройства отбора объединены и являются третьим входом блока вычисления пространственной ориентации, первый выход первого устройства вычисления тригонометрических функций подключен к входу первого устройства возведения в квадрат и первому входу пятого умножителя, второй выход первого устройства вычисления тригонометрических функций подключен к входу второго устройства возведения в квадрат и к первому входу четвертого умножителя, первый выход второго устройства вычисления тригонометрических функций подключен к входу третьего устройства возведения в квадрат и к первому входу третьего умножителя, второй выход второго устройства вычисления тригонометрических функций подключен к входу четвертого устройства возведения в квадрат и к первому входу второго умножителя, первый выход третьего устройства вычисления тригонометрических функций подключен к второму входу второго умножителя, второй выход третьего устройства вычисления тригонометрических функций подключен к входу пятого устройства возведения в квадрат, выход первого устройства возведения в квадрат подключен к первому входу седьмого умножителя, выход второго устройства возведения в квадрат подключен к первому входу первого умножителя и к первому входу девятого умножителя, выход третьего устройства возведения в квадрат подключен к второму входу седьмого умножителя, выход четвертого устройства возведения в квадрат подключен к первому входу восьмого умножителя и к второму входу первого умножителя, выход пятого устройства возведения в квадрат подключен к второму входу восьмого умножителя, выход первого умножителя подключен к первому входу устройства решения квадратного уравнения, выход второго умножителя подключен к второму входу третьего умножителя, выход третьего умножителя подключен к второму входу четвертого умножителя, выход четвертого умножителя подключен к второму входу пятого умножителя, выход пятого умножителя подключен к входу шестого умножителя, выход шестого умножителя подключен к второму входу устройства решения квадратного уравнения, выход седьмого умножителя подключен к первому входу вычитателя, выход восьмого умножителя подключен к второму входу девятого умножителя, выход девятого умножителя подключен к второму входу вычитателя, выход вычитателя подключен к третьему входу устройства решения квадратного уравнения, первый и второй выходы устройства решения квадратного уравнения подключены соответственно к первому и второму входам устройства отбора, а выход устройства отбора является выходом блока вычисления пространственной ориентации.

5. Устройство по п.3, отличающееся тем, что блок вычисления координатной апликаты включает в себя первое-шестое устройства вычисления коэффициентов, первый-четвертый делители, первый-третий умножители, первое-седьмое устройства возведения в квадрат, вычитатель, первый-шестой сумматоры, устройство для решения квадратного уравнения и логическое устройство для выбора неотрицательного значения, причем соответствующие первый-четвертый входы первого-шестого устройства вычисления коэффициентов объединены и являются соответственно первым-четвертым входами блока вычисления координатной апликаты, пятый вход первого устройства вычисления коэффициентов, пятый вход четвертого устройства вычисления коэффициентов и вход третьего устройства вычисления коэффициентов объединены и являются пятым входом блока вычисления апликаты, шестой вход первого устройства вычисления коэффициентов, шестой вход четвертого устройства вычисления коэффициентов и вход четвертого устройства возведения в квадрат объединены и являются шестым входом блока вычисления координатной апликаты, вход пятого устройства вычисления коэффициентов является седьмым входом блока вычисления координатной апликаты, выход первого устройства вычисления коэффициентов подключен к первому входу первого делителя, выход второго устройства вычисления коэффициентов подключен к первому входу второго делителя, выход третьего устройства вычисления коэффициентов подключен к вторым входам первого и второго делителей, выход четвертого устройства вычисления коэффициентов подключен к первому входу третьего делителя, выход пятого устройства вычисления коэффициентов подключен к первому входу четвертого делителя, выход шестого устройства вычисления коэффициентов подключен к вторым входам третьего и четвертого делителей, выход первого делителя подключен к второму входу первого умножителя и к входу седьмого устройства вычисления коэффициентов, выход второго делителя подключен к первому входу первого умножителя и входу первого устройства вычисления коэффициента, выход третьего делителя подключен к первому входу второго умножителя и входу шестого устройства вычисления коэффициентов, выход четвертого делителя подключен к второму входу второго умножителя и входу второго устройства вычисления коэффициентов, выход первого устройства подключен к первому входу первого сумматора, выход второго устройства вычисления коэффициентов подключен к второму входу первого сумматора, выход первого сумматора подключен к входу второго сумматора, выход второго сумматора подключен к первому входу устройства решения квадратного уравнения, выход первого умножителя подключен к первому входу третьего сумматора, выход второго умножителя подключен к второму входу третьего сумматора, выход третьего сумматора подключен к входу третьего умножителя, выход третьего умножителя подключен к второму входу устройства решения квадратного уравнения, выход третьего устройства решения квадратного уравнения подключен к первому входу четвертого сумматора, выход четвертого устройства вычисления коэффициентов подключен к второму входу четвертого сумматора, выход четвертого сумматора подключен к первому входу пятого сумматора, выход пятого устройства вычисления коэффициентов подключен к второму входу пятого сумматора, выход пятого сумматора подключен к второму входу вычитателя, выход шестого устройства вычисления коэффициентов подключен к первому входу шестого сумматора, выход седьмого устройства вычисления коэффициентов подключен к второму входу шестого сумматора, выход шестого сумматора подключен к первому входу вычитателя, выход вычитателя подключен к третьему входу устройства решения квадратного уравнения, первый и второй выходы устройства решения квадратного уравнения подключены соответственно к первому и второму входам логического устройства для выбора неотрицательного значения, выход которого является выходом блока вычисления координатной апликаты.

6. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что блок вычисления плановых координат включает в себя первое-четвертое устройства вычисления тригонометрических функций, первый-седьмой умножители, первый и второй вычитатели и устройство для решения системы двух линейных уравнений, причем входы первого-четвертого устройства вычисления тригонометрических функций являются соответственно первым-четвертым входами блока вычисления плановых координат, вторые входы шестого и седьмого умножителей объединены и являются пятым входом устройства вычисления плановых координат, первые входы первого и второго вычитателей являются соответственно шестым и седьмым входами блока вычисления плановых координат, первый выход первого устройства вычисления тригонометрических функций подключен к первому входу шестого умножителя, второй выход первого устройства вычисления тригонометрических функций подключен к первым входам первого и второго умножителей, выход первого умножителя подключен к входу третьего умножителя, выходы шестого и седьмого умножителей подключены соответственно к вторым входам второго и первого вычитателей, выходы пятого умножителя, четвертого умножителя, первого вычитателя, третьего умножителя, второго умножителя и второго вычитателя подключены соответственно к первому-шестому входам устройства для решения системы двух линейных уравнения, первый и второй выходы которого являются соответственно первым и вторым выходами блока вычисления плановых координат.

7. Устройство по пп.3 и 4, отличающееся тем, что устройство отбора блока вычисления пространственной ориентации включает в себя первое-пятое устройства вычисления тригонометрических функций, первый и второй сумматоры, первый и второй делители, первый-шестой умножители и логическое устройство для выбора значения, принадлежащего заданному интервалу, причем второй вход пятого умножителя и второй вход четвертого устройства вычисления тригонометрических функций объединены и являются первым входом устройства отбора, второй вход шестого умножителя и второй вход пятого устройства вычисления триногометрических функций объединены и являются вторым входом устройства отбора, входы первого и второго устройства вычисления тригонометрических функций являются соответственно третьим и четвертым входами устройства отбора, вход третьего устройства вычисления тригонометрических функций и третий вход логического устройства для выбора значения, принадлежащего заданному интервалу, объединены и являются пятым входом устройства отбора, первый и второй выходы первого устройства вычисления тригонометрических функций подключены соответственно к первым входам первого и второго умножителей, первый и второй выходы второго устройства вычисления тригонометрических функций подключены соответственно к вторым входам первого и второго умножителей, первый выход устройства вычисления тригонометрических функций подключен к второму входу четвертого умножителя, второй выход третьего устройства вычисления тригонометрических функций подключен к второму входу третьего умножителя, выход первого умножителя подключен к первому входу первого сумматора и первому входу второго сумматора, выход второго умножителя подключен к первым входам третьего и четвертого умножителей, выход третьего умножителя подключен к вторым входам первого и второго делителей, выход четвертого умножителя подключен к первым входам пятого и шестого умножителей, выход пятого умножителя подключен к второму входу первого сумматора, выход шестого умножителя подключен к второму входу второго сумматора, выход первого сумматора подключен к первому входу первого делителя, выход второго сумматора подключен к первому входу второго делителя, выход первого делителя подключен к первому входу четвертого устройства вычисления тригонометрических функций, выход второго делителя подключен к первому входу пятого устройства вычисления тригонометрических функций, выходы четвертого и пятого устройства вычисления тригонометрических функций подключены соответственно к первому и второму входам логического устройства для выбора значения, принадлежащего заданному интервалу, выход которого является выходом устройства отбора.

8. Устройство по пп.3, 4 и 5, отличающееся тем, что первое-шестое устройства вычисления коэффициентов в блоке вычисления координатной апликаты выполнены в виде вычислителей, реализующих выражения

где X₁, Y₁ - значения измеренных плановых прямоугольных координат объекта;
η, γ, Θ - измеренные значения крена, дифферента и поправки к курсовому углу соответственно;
τ - значение угла, измеренное блоком пространственной ориентации.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6