Пеленгатор гидроакустической навигационной системы с ультракороткой базой

 

Изобретение относится к средствам подводной навигации и может быть использовано в составе ультракороткобазисных гидроакустических навигационных систем повышенной точности для обеспечения работы автономных и привязных необитаемых подводных аппаратов или других подводных технических средств. Пеленгатор гидроакустической навигационной системы с ультракороткой базой содержит антенну с круговой базой с эквидистантно размещенными на ней N приемными элементами, N-канальный измеритель фазы, N-канальный измеритель амплитуды, вычислитель, N-канальный измеритель отношения сигнал-шум, блок фазирования и вычислитель пеленга. N-канальные измерители образуют измеритель параметров сигнала. Вход блока фазирования соединен с N-канальными измерителями фазы и амплитуды, а выход блока фазирования - с третьим входом вычислителя пеленга. Первый N-канальный вход вычислителя пеленга соединен с выходом N-канального измерителя фазы, а второй N-канальный вход - с выходом N-канального измерителя отношения сигнал-шум. Расстояние между приемными элементами антенны выбирается из диапазона 0,5 - 3 длин волн навигационной частоты. В качестве начальной оценки пеленга используются выходные данные блока фазирования, а пеленг определяется решением уравнения, связывающего конфигурацию антенны с параметрами принятого сигнала. Достигаемым техническим результатом является увеличение точности оценки пеленга. 2 ил.

Изобретение относится к средствам подводной навигации и может быть использовано в составе ультракороткобазисных гидроакустических навигационных систем повышенной точности для обеспечения работы автономных и привязных необитаемых подводных аппаратов или других подводных технических средств.

Известно, что основу гидроакустического пеленгатора детерминированных навигационных сигналов составляют дискретная приемная антенна, измеритель фазы с числом каналов, равным числу элементов антенны, и вычислитель пеленга, в котором решается уравнение, связывающее пеленг на объект навигации с размером измерительной базы и принятым набором фазовых данных. Для однозначного определения пеленга должно выполняться условие d ≅ λ/2, где d - расстояние между элементами антенны, λ- длина волны навигационной частоты [1] .

Поскольку погрешность пеленга определяется размером измерительной базы, точность такого пеленгатора является низкой. Для увеличения точности необходимо увеличивать размер измерительной базы до нескольких λ, но это приводит к ошибкам определения пеленга за счет неоднозначности фазовых измерений, возникающих если расстояние между приемными элементами превышает λ/2. Известны пеленгаторы, в которых для увеличения точности все элементы приемной антенны разделены на две группы, образующие малую базу с размещением элементов по правилу d ≅ λ/2 для однозначного, но грубого пеленгования и большую базу, где элементы разнесены на несколько длин волн для точного пеленгования. Такие пеленгаторы содержат многоэлементную антенну, цифровые блоки измерения фаз в каждом канале и вычислитель пеленга. Схема работы пеленгатора состоит в выборе сектора углов малой базой и затем в уточнении пеленга в этом секторе большой базой [2, 3] .

Недостатком таких устройств является неэффективное использование аппаратных средств пеленгатора, потому что для достижения высокой точности необходимо значительное увеличение числа элементов антенны и каналов пеленгатора.

Известен пеленгатор, антенна которого содержит элементы только на большой (3-5λ) базе, а устранение фазовой неоднозначности, необходимое для правильного вычисления пеленга, основано на использовании для навигации многочастотных сигналов. При обработке данных, соответствующих некоторому значению пеленга, на каждой частоте и для каждой пары приемных элементов определяется разность фаз с точностью до целого числа длин волн. Затем производится статистическая обработка фазовых данных, нормированных на соответствующую частоту. Эти величины имеют смысл времени запаздывания акустического сигнала на измерительной базе антенны. Максимальное значение плотности распределения времени запаздывания соответствует искомому и однозначно определенному времени запаздывания. Пеленгатор обеспечивает высокую точность при большом отношении сигнал-шум [4] .

Недостатком пеленгатора является резкий рост сложности программно-аппаратных средств, необходимых для формирования и обработки многочастотных сигналов.

Известен также пеленгатор ультракороткобазисной гидроакустической навигационной системы, использующий для навигации одночастотные сигналы и выполненный на основе антенны с круговой базой, на которой размещены N приемных элементов с шагом d ≅ λ/2, обеспечивающим однозначное пеленгование [5] . Пеленгатор гидроакустической навигационной системы с ультракороткой базой состоит из антенны с круговой базой с эквидистантно размещенными на ней N приемными элементами, N-канального измерителя фазы и вычислителя пеленга. N входов N-канального измерителя фазы соединены с выходами N приемных элементов антенны, а один из N-канальных входов вычислителя пеленга соединен с N выходами N-канального измерителя фазы. При вычислении пеленга используется уравнение связывающее N измеренных значений фаз с характеристиками приемной антенны. Известный пеленгатор по своему функциональному назначению, по своей технической сущности и достигаемому техническому результату наиболее близок к заявляемому.

Недостатками такого пеленгатора являются большое число каналов (элементов антенны), необходимых для достижения высокой точности, и использование при обработке данных только фазовой информации, дающей несмещенные оценки пеленга только при высоком соотношении сигнал-шум.

Задачей настоящего изобретения является увеличение точности пеленгатора при ограниченном числе каналов и увеличение точности оценки пеленга при обработке зашумленного сигнала.

Поставленная задача решается тем, что в пеленгаторе гидроакустической навигационной системы с ультракороткой базой, содержащем антенну с круговой базой с эквидистантно размещенными на ней N приемными элементами, N-канальный измеритель фазы, N входов которого соединены с выходами N приемных элементов антенны, и вычислитель пеленга, отличающийся тем, что входы вычислителя пеленга содержат первые и вторые N-канальные входы и третий вход, а сам пеленгатор дополнительно снабжен N-канальным измерителем амплитуды, N-канальным измерителем отношения сигнал-шум и блоком фазирования антенны на источник навигационного сигнала, причем выходы N приемных элементов антенны дополнительно соединены с N входами N-канального измерителя амплитуды и первыми N входами N-канального измерителя отношения сигнал-шум, N выходов N-канального измерителя фазы соединены с первыми N-канальными входами вычислителя пеленга и дополнительно соединены с первыми N входами блока фазирования антенны и со вторыми N входами N-канального измерителя отношения сигнал-шум, N выходов N-канального измерителя амплитуды соединены со вторыми N входами блока фазирования антенны и с третьими N входами N-канального измерителя отношения сигнал-шум, N выходов которого соединены со вторыми N-канальными входами вычислителя пеленга, а выход блока фазирования антенны соединен с третьим входом вычислителя пеленга, при этом расстояние между приемными элементами антенны выбирается в диапазоне от 0,5 до 3,0 длин волн навигационной частоты, в качестве начальной оценки пеленга используются выходные данные блока фазирования антенны, а пеленг определяется решением уравнения где q_i ² - отношение сигнал-шум в i-том канале, i= 1, . . . N, Φ_i- фаза сигнала в i-том канале, i= 1, . . . N, а - радиус круговой базы, λ- длина волны навигационной частоты, β- пеленг.

Для оценки потенциальной точности предлагаемого устройства положим, что в каждом канале отношение сигнал-шум одинаково и равно q₀ ². Тогда погрешность измерения пеленга будет иметь вид σ²_β = (q²₀N(ka)²)^-1.
Пусть q₀ ²= 20 дБ, расстояние между элементами 2λ, число элементов N= 7, тогда ka≈14 и σ_β ≈ 0,15°. Для сравнения, если расстояние между элементами λ/2, число элементов N= 7, тогда, как следует из прототипа, σ_β ≈ 0,5°, а для того чтобы получить погрешность σ_β ≈ 0,15°, необходимое число элементов N= 15.

Сопоставительный анализ заявляемого технического решения и прототипа показывает, что первый имеет в отличие от прототипа следующие существенные признаки:
- наличие блока фазирования антенны на источник навигационного сигнала,
- наличие N-канального измерителя амплитуды,
- наличие N-канального измерителя отношения сигнал-шум,
- расстояние между приемными элементами антенны выбирается в диапазоне от 0,5 до 3,0 длин волн навигационной частоты,
- в качестве начальной оценки пеленга используются выходные данные блока фазирования антенны,
- пеленг определяется решением уравнения

где q_i ² - отношение сигнал-шум в i-том канале, i= 1, . . . N, Φ_i- фаза сигнала в i-том канале, i= l, . . . N, а - радиус круговой базы, λ- длина волны навигационной частоты.

В заявленном пеленгаторе высокая точность достигается применением антенны с минимальным числом приемных элементов, размещенных с большим шагом на круговой базе. Характерная для таких систем неоднозначность определения пеленга устраняется в блоке предварительного фазирования. Кроме того, при вычислении пеленга производится взвешенная обработка данных каждого канала на основе дополнительных измерений отношения сигнал-шум для получения более точной оценки пеленга при обработке зашумленного сигнала.

Совокупность существенных признаков заявленного изобретения имеет причинно-следственную связь с достигаемым техническим результатом. На основании изложенного можно заключить, что заявленное техническое решение является новым и обладает изобретательским уровнем, т. к. явным образом не следует из уровня техники и пригодно для промышленного применения.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где: на фиг. 1 изображена структурная схема пеленгатора гидроакустической навигационной системы с ультракороткой базой; на фиг. 2 - характеристики направленности антенны, формируемые в блоке фазирования для числа элементов N= 7, при расстояниях между элементами λ, 2λ и 3λ, (а) - для углов компенсации 0^o и (б) - для углов компенсации 25,7^o.

Пеленгатор гидроакустической навигационной системы с ультракороткой базой состоит из акустической антенны 1 с круговой базой с эквидистантно размещенными на ней N приемными элементами, N-канального измерителя 2 отношения сигнал-шум, N-канального измерителя 3 фазы, N-канального измерителя 4 амплитуды, блока 5 фазирования и вычислителя 6 пеленга. N-канальный измеритель 3 фазы, N-канальный измеритель 2 отношения сигнал-шум и N-канальный измеритель 4 амплитуды образуют измеритель параметров сигнала. Вход блока 5 фазирования антенны соединен с N-канальным измерителем 3 фазы и N-канальным измерителем 4 амплитуды, а выход блока 5 фазирования соединен с третьим входом вычислителя 6 пеленга. Первый N-канальный вход вычислителя 6 пеленга соединен с выходом N-канального измерителя 3 фазы, а второй N-канальный вход - с выходом N-канального измерителя 2 отношения сигнал-шум.

Пеленгатор гидроакустической навигационной системы с ультракороткой базой работает следующим образом. Акустический навигационный сигнал принимается N приемными элементами антенны 1 и после обычной предварительной аналоговой обработки поступает на N-канальные квадратурные измерители, обеспечивающие определение амплитуды А_i и фазы Φ_i сигнала в каждом канале. Затем производится вычисление отношения сигнал-шум q_i в каждом канале по формуле

где m - временный индекс дискретизированного сигнала,
М - объем временной выборки,
y_i,m - цифровой отсчет сигнала в m-ный момент времени,
Т₀ - период навигационной частоты,
f_d - частота дискретизации сигнала.

Далее в блоке 5 фазирования антенны формируется оценка направления на источник навигационного сигнала, обеспечивающая устранение неоднозначности нахождения пеленга, характерной для антенн, апертура которых может достигать нескольких длин волн. Суть фазирования состоит в поиске оценки направления на источник навигационного сигнала для которой функция

где имеет максимальное значение. Поиск проводится в диапазоне углов 0-360^o с мелким (один-два градуса) шагом. Значения функции F для принятого набора данных амплитуд А_i и фаз Φ_i максимально при когерентном сложении сигналов. Однозначное определение направления при компенсации характеристики направленности на источник сигнала обеспечивается, если характеристика направленности приемной антенны 1 имеет один главный максимум, а уровень боковых лепестков меньше на 4-6 дБ. Для антенны 1 с круговой базой с эквидистантно размещенными на ней N приемными элементами вид характеристики направленности в плоскости антенны 1 определяется числом элементов, волновым расстоянием между ними и зависит от угла компенсации. Для оценки направленности такой антенны ее можно представить в виде эквивалентной линейной дискретной решетки с неэквидистантным расположением элементов и амплитудно-фазовым распределением, зависящим от угла компенсации. Как известно [6] , неэквидистантное расположение элементов позволяет формировать характеристики направленности, не имеющие добавочных максимумов, равных основному даже при значительном разрежении антенны. Условием правильного определения направления при фазировании является превышение уровня основного лепестка характеристики направленности над боковыми при различном числе элементов антенны и расстоянии между ними. На фиг. 2 приведен ряд ХН, скомпенсированных в направлении, проходящем через один из элементов антенны и ее ось (а), и в направлении, проходящем через ось и середину линии, соединяющую элементы (б). Параметр кривых - расстояние между приемными элементами антенны. Число приемных элементов антенны N= 7. Фактически при фазировании уже решается задача однозначного и грубого определения пеленга за счет направленных свойств антенны. Фазирование по своей сути обеспечивает результат, который получают при обработке данных малой базы в системах с разделенной антенной [2, 3] , т. е. β₀ задает центральный угол сектора обзора шириной 15-20^o. Далее начальное приближение β₀ и измеренные параметры сигнала поступают в блок 6 вычисления пеленга, в котором получают оценку пеленга методом максимального правдоподобия при наличии некоррелированных шумов в каналах [7] .

Такая обработка отличается от обычных вычислителей пеленга использованием взвешенных фазовых оценок в каждом канале, причем веса - суть отношение сигнал-шум по энергии в каждом канале.

Таким образом, в сравнении с прототипом в заявленном изобретении пеленгатор гидроакустической системы с ультракороткой базой обладает большей точностью при небольшом числе элементов приемной антенны и обеспечивает вычисление пеленга при различном уровне шумов в каналах.

Пеленгатор составляет основу гидроакустической системы с ультракороткой базой, разработанной в Институте проблем морских технологий для навигации автономных необитаемых подводных аппаратов. Система содержит планарную антенну с семью приемными элементами, размещенными на круговой базе с межэлементным расстоянием 0,9 длины волны навигационного сигнала. Институтом проведены лабораторные и натурные морские испытания гидроакустической навигационной системы с ультракороткой базой. Как показали результаты испытаний пеленгатор, входящий в эту систему, позволил решить поставленную задачу, а именно:
- увеличить точность при ограниченном количестве каналов;
- увеличить точность оценки пеленга при обработке зашумленного сигнала.

Источники, принятые во внимание:
1. Касаткин Б. А. , Кулинченко С. И. , Матвиенко Ю. В. , Нургалиев Р. Ф. Исследование характеристик фазового пеленгатора для УКБ-ГАНС. В сб. Подводные роботы и их системы. Вып. 6, 1995, Владивосток, Дальнаука, с. 75-83.

2. James E. Deveau. Underwater Acoustic Positioning Systems. - OCEANS-95, Vol. 1, p. 167-174, San Diego, USA.

3. Thomas C. Austin, Roger Stokey. Relative Acoustic Tracking. - Sea Technology, 1998, March, p. 21-27.

4. M. Watson, C. Loggins and Y. T. Ochi. - A New High Accuracy Super Short Base Line (SSBL) System. - Underwater Technology, 1998, p. 210-215, Tokyo, Japan.

5. Касаткин Б. А. Оценка погрешности УКБ-пеленгатора с круговой базой В сб. Морские технологии. Вып. 1, 1996, Владивосток, Дальнаука, с. 69-73, прототип.

6. Смарышев М. Д. , Добровольский Ю. Ю. Гидроакустические антенны. Справочник. - Л. , Судостроение, 1984, с. 171.

7. Матвиенко Ю. В. Статистическая обработка информации гидроакустической навигационной системы с ультракороткой базой В сб. Морские технологии. Вып. 2, 1998, Владивосток, Дальнаука, с. 70-80.

Формула изобретения

Пеленгатор гидроакустической навигационной системы с ультракороткой базой, содержащий антенну с круговой базой с эквидистантно размещенными на ней N приемными элементами, N-канальный измеритель фазы, N входов которого соединены с выходами N приемных элементов антенны, и вычислитель пеленга, отличающийся тем, что входы вычислителя пеленга содержат первые и вторые N-канальные входы и третий вход, а сам пеленгатор дополнительно снабжен N-канальным измерителем амплитуды, N-канальным измерителем отношения сигнал-шум и блоком фазирования антенны на источник навигационного сигнала, причем выходы N приемных элементов антенны дополнительно соединены с N входами N-канального измерителя амплитуды и первыми N входами N-канального измерителя отношения сигнал-шум, N выходов N-канального измерителя фазы соединены с первыми N-канальными входами вычислителя пеленга и дополнительно соединены с первыми N входами блока фазирования антенны и с вторыми N входами N-канального измерителя отношения сигнал-шум, N выходов N-канального измерителя амплитуды соединены с вторыми N входами блока фазирования антенны и с третьими N входами N-канального измерителя отношения сигнал-шум, N выходов которого соединены с вторыми N-канальными входами вычислителя пеленга, а выход блока фазирования антенны соединен с третьим входом вычислителя пеленга, при этом расстояние между приемными элементами антенны выбирается в диапазоне 0,5 - 3,0 длин волн навигационной частоты, в качестве начальной оценки пеленга используются выходные данные блока фазирования антенны, а пеленг определяется решением уравнения

где q_i ² - отношение сигнал-шум в i-м канале, i = 1, . . . . N;
Φ_i - фаза сигнала в i-м канале, i = 1, . . . N;


a - радиус круговой базы;
λ - длина волны навигационной частоты;
β - пеленг.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2