Гидроакустическая синхронная дальномерная навигационная система дальнего действия

Изобретение относится к области гидроакустических навигационных систем и может быть использовано для навигационного обеспечения подводных аппаратов повышенной дальности действия. Гидроакустическая синхронная дальномерная навигационная система дальнего действия содержит донную навигационную базу из М гидроакустических приемоответчиков с различными частотами ответа f_m (m=1-M), размещенные на объекте навигации генератор синхроимпульсов, акустический передатчик с частотой опроса fo, вход которого соединен с первым выходом генератора синхроимпульсов, М-канальный приемник для приема ответных сигналов с частотами f_m, М измерителей времени распространения акустических сигналов до приемоответчика, работающего на частоте этого канала, и обратно, первые входы которых соединены с выходами М-канального приемника, а вторые входы соединены с вторым выходом генератора синхроимпульсов, M×N блоков преобразования временных интервалов в дистанции по числу N возможных лучевых траекторий, входы которых соединены с выходами соответствующих измерителей времени распространения, М блоков выбора максимального значения дистанции, входы которых соединены с выходами N блоков преобразования временных интервалов в дистанции данного канала, и вычислитель координат объекта навигации, первый вход которого соединен с выходами блоков выбора максимального значения дистанции всех М каналов. Кроме того, в состав гидроакустической синхронной дальномерной навигационной системы введены вторая донная навигационная база из М гидроакустических маяков-пингеров с различными частотами излучения F_m (m=1-M), механически связанных с соответствующими М маяками-ответчиками, содержащих М синхронно работающих генераторов синхроимпульсов, М передатчиков с различными рабочими частотами F_m, входы которых соединены с выходами генераторов синхроимпульсов, М гидроакустических излучателей с рабочими частотами F_m, входы которых соединены с выходами передатчиков с соответствующими рабочими частотами, размещенные на объекте навигации второй генератор синхроимпульсов, работающий синхронно с генераторами синхроимпульсов маяков-пингеров, первый выход которого используется для синхронизации М синхронно работающих генераторов синхроимпульсов гидроакустических маяков-пингеров перед их установкой на дно, буксируемая приемная акустическая антенна, второй М-канальный приемник для приема акустических сигналов маяков-пингеров, вход которого соединен с выходом буксируемой приемной акустической антенны, М измерителей времени распространения акустических сигналов от маяков-пингеров до объекта навигации, первые входы которых соединены с выходами второго М-канального приемника, а вторые входы соединены с вторым выходом второго генератора синхроимпульсов, дополнительные М блоков преобразования временных интервалов в дистанции, входы которых соединены с выходами М измерителей времени распространения акустических сигналов от маяков-пингеров до объекта навигации, а выходы соединены с вторыми входами вычислителя координат объекта навигации. М гидроакустических излучателей маяков-пингеров и буксируемая приемная акустическая антенна расположены вблизи морского дна на расстоянии не более длины волны на рабочих частотах F_m. Дополнительные М блоков преобразования временных интервалов в дистанции вычисляют искомые дистанции r_m через измеренные времена распространения t_m. Достигаемым техническим результатом является обеспечение определения координат объекта навигации на малых и больших расстояниях с минимальной погрешностью. 1 ил.

 

Изобретение относится к области гидроакустических навигационных систем и может быть использовано для навигационного обеспечения подводных аппаратов повышенной дальности действия, например, работающих в ледовых условиях, затрудняющих доступ к ним обеспечивающего судна

Известна гидроакустическая синхронная дальномерная навигационная система [1], состоящая из базы гидроакустических приемоответчиков, служащих для измерения времени распространения акустических сигналов от объекта навигации до маяков, устройства вычисления дистанции по измеренному времени распространения и известной скорости звука, и устройства вычисления координат объекта навигации по найденным значениям дистанций.

Недостатком такой системы является большая погрешность определения координат, связанная с изменчивостью скорости звука в морской среде.

Известна также гидроакустическая синхронная дальномерная навигационная система [2], содержащая донную базу из М гидроакустических приемоответчиков с различными частотами ответа, размещенные на объекте навигации передатчик, вход которого соединен с первым выходом генератора синхроимпульсов, М-канальный приемник, выходы которого подключены к входам М измерителей времени распространения гидроакустических сигналов до соответствующего приемоответчика и обратно, вторые входы которых соединены с вторым выходом генератора синхроимпульсов, M×N блоков преобразования временных интервалов в дистанции по числу N возможных лучевых траекторий, входы которых подключены к соответствующим выходам измерителей времени распространения, М блоков выбора максимального значения, входы которых соединены с выходами N блоков каждого из М каналов преобразования временных интервалов в дистанции, вычислитель координат объекта навигации, вход которого соединен с выходами М блоков выбора максимального значения.

Наличие в структуре навигационной системы блоков преобразования временных интервалов в дистанции, работающих по алгоритму, учитывающему изменчивость скорости звука и эффекты многолучевости, позволяет снизить погрешность определения координат. Такая система по технической сущности является наиболее близкой к предлагаемому изобретению.

Недостатком указанной навигационной системы является относительно малая дальность действия при работе объекта навигации вблизи дна и при использовании донных маяков-ответчиков, которая связана с эффектами рефракции звука вблизи дна.

В основу технического решения положена задача разработки гидроакустической синхронной навигационной системы с большей дальностью действия без увеличения погрешности определения координат объекта навигации.

Поставленная задача решается тем, что в состав гидроакустической синхронной дальномерной навигационной системы дальнего действия, содержащей донную навигационную базу из М гидроакустических приемоответчиков с различными частотами ответа f_m (m=1-M), размещенные на объекте навигации генератор синхроимпульсов, акустический передатчик с частотой опроса f₀, вход которого соединен с первым выходом генератора синхроимпульсов. М-канальный приемник для приема ответных сигналов с частотами f_m, M измерителей времени распространения акустических сигналов до приемоответчика, работающего на частоте этого канала, и обратно, первые входы которых соединены с выходами М канального приемника, а вторые входы соединены с вторым выходом генератора синхроимпульсов, M×N блоков преобразования временных интервалов в дистанции по числу N возможных лучевых траекторий, входы которых соединены с выходами соответствующих измерителей времени распространения, М блоков выбора максимального значения дистанции, входы которых соединены с выходами N блоков преобразования временных интервалов в дистанции данного канала, вычислитель координат объекта навигации, первый вход которого соединен с выходами М блоков выбора максимального значения дистанций, введены дополнительно вторая донная навигационная база из М гидроакустических маяков-пингеров с различными частотами излучения F_m (m=1-M), механически связанных с соответствующими М маяками-ответчиками, содержащих М синхронно работающих генераторов синхроимпульсов, М передатчиков с различными рабочими частотами F_m, входы которых соединены с выходами генераторов синхроимпульсов, М гидроакустических излучателей с рабочими частотами F_m, входы которых соединены с выходами передатчиков с соответствующими рабочими частотами.

Кроме того, на объекте навигации дополнительно размещены второй генератор синхроимпульсов, работающий синхронно с генераторами синхроимпульсов маяков-пингеров, первый выход которого используется для синхронизации М синхронно работающих генераторов синхроимпульсов гидроакустических маяков-пингеров перед их установкой на дно, буксируемая приемная акустическая антенна, второй М канальный приемник для приема акустических сигналов маяков-пингеров, вход которого соединен с выходом буксируемой приемной акустической антенны, М измерителей времени распространения акустических сигналов от маяков-пингеров до объекта навигации, первые входы которых соединены с выходами второго М канального приемника, а вторые входы соединены с вторым выходом второго генератора синхроимпульсов, дополнительные М блоков преобразования временных интервалов в дистанции, входы которых соединены с выходами М измерителей времени распространения акустических сигналов от маяков-пингеров до объекта навигации, а выходы соединены с вторыми входами вычислителя координат объекта навигации, причем М гидроакустических излучателей маяков-пингеров и буксируемая приемная акустическая антенна расположены вблизи морского дна на расстоянии не более длины волны на рабочих частотах F_m, а дополнительные М блоков преобразования временных интервалов в дистанции вычисляют искомые расстояния r_m через измеренные времена распространения t_m по формуле:

где с_П - скорость распространения придонной волны, предварительно вычисленная через параметры пограничных сред границы раздела вода - морское дно по формуле:

где ρ₁, с₁ - плотность и скорость звука в придонном слое воды, ρ₂, с₂ - плотность и скорость звука в осадочном слое морского дна.

В заявленной гидроакустической синхронной дальномерной навигационной системе дальнего действия общими существенными признаками для нее и для ее прототипа являются:

- гидроакустическая синхронная дальномерная навигационная система дальнего действия, содержащая донную навигационную базу из М гидроакустических приемоответчиков с различными частотами ответа f_m (m=1-M);

- размещенные на объекте навигации генератор синхроимпульсов, акустический передатчик с частотой опроса f₀, вход которого соединен с первым выходом генератора синхроимпульсов;

- М канальный приемник для приема ответных сигналов с частотами f_m;

- М измерителей времени распространения акустических сигналов до приемоответчика, работающего на частоте этого канала, и обратно, первые входы которых соединены с выходами М канального приемника, а вторые входы соединены с вторым выходом генератора синхроимпульсов;

- M×N блоков преобразования временных интервалов в дистанции по числу N возможных лучевых траекторий, входы которых соединены с выходами соответствующих измерителей времени распространения;

- М блоков выбора максимального значения дистанции, входы которых соединены с выходами N блоков преобразования временных интервалов в дистанции данного канала;

- вычислитель координат объекта навигации, первый вход которого соединен с выходами М блоков выбора максимального значения дистанций.

Сопоставительный анализ существенных признаков заявленной гидроакустической синхронной дальномерной навигационной системы дальнего действия и прототипа показывает, что первая в отличие от прототипа имеет следующие отличительные признаки:

- вторая донная навигационная база из М гидроакустических маяков-пингеров с различными частотами излучения F_m (m=1-M), механически связанных с соответствующими М маяками-ответчиками, содержащими:

- М синхронно работающих генераторов синхроимпульсов;

- М передатчиков с различными рабочими частотами F_m, входы которых соединены с выходами генераторов синхроимпульсов;

- М гидроакустических излучателей с рабочими частотами F_m, входы которых соединены с выходами передатчиков с соответствующими рабочими частотами;

- размещенный на объекте навигации второй генератор синхроимпульсов, работающий синхронно с генераторами синхроимпульсов маяков-пингеров, первый выход которого используется для синхронизации М синхронно работающих генераторов синхроимпульсов гидроакустических маяков-пингеров перед их установкой на дно;

- буксируемая приемная акустическая антенна;

- второй М-канальный приемник для приема акустических сигналов маяков-пингеров, вход которого соединен с выходом буксируемой приемной акустической антенны;

- М измерителей времени распространения акустических сигналов от маяков-пингеров до объекта навигации, первые входы которых соединены с выходами второго М-канального приемника, а вторые входы соединены с вторым выходом второго генератора синхроимпульсов;

- дополнительные М блоков преобразования временных интервалов в дистанции, входы которых соединены с выходами М измерителей времени распространения акустических сигналов от маяков-пингеров до объекта навигации, а выходы соединены с вторыми входами вычислителя координат объекта навигации;

- М гидроакустических излучателей маяков-пингеров и буксируемая приемная акустическая антенна расположены вблизи морского дна на расстоянии не более длины волны на рабочих частотах F_m;

- дополнительные М блоков преобразования временных интервалов в дистанции вычисляют искомые расстояния r_m через измеренные времена распространения t_m по формуле:

где с_П - скорость распространения придонной волны, предварительно вычисленная через параметры пограничных сред границы раздела вода - морское дно по формуле:

где ρ₁, с₁ - плотность и скорость звука в придонном слое воды, ρ₂, с₂ - плотность и скорость звука в осадочном слое морского дна.

Данная совокупность общих и отличительных существенных признаков обеспечивает получение технического результата во всех случаях, на которые испрашивается правовая охрана. Именно такая совокупность существенных признаков заявленного устройства позволила создать гидроакустическую синхронную дальномерную навигационную систему дальнего действия, состоящую из двух подсистем, работающих независимо с частотным разделением, обладающую большей дальностью действия без увеличения погрешности определения координат объекта навигации.

Такое конструктивное исполнение гидроакустической синхронной дальномерной навигационной системы дальнего действия в виде двух подсистем, в которых донные маяки-ответчики и донные маяки-пингеры механически связаны между собой, но функционально разделены, позволяет использовать первую подсистему на основе донных маяков-ответчиков для определения координат объекта навигации на малых расстояниях, а также для определения собственных географических координат маяков-ответчиков и механически связанных с ними маяков-пингеров в процессе калибровки навигационной системы. Вторая подсистема на основе донных маяков-пингеров с известными географическими координатами и различными частотами излучения, но достаточно низкими для обеспечения заданной дальности действия, служит для определения координат объекта навигации на больших расстояниях.

Для определения координат объекта навигации с предельно малой погрешностью во второй подсистеме используется придонная волна пограничного типа, которая распространяется на границе раздела вода - морское дно. При расположении излучателей маяков-пингеров и буксируемой приемной акустической антенны вблизи морского дна на расстоянии не более длины волны на рабочих частотах F_m придонная волна является доминирующей в суммарном звуковом поле, ее амплитуда убывает с расстоянием по цилиндрическому закону, скорость распространения не зависит от частоты и от профиля вертикального распределения скорости звука в воде, а определяется плотностью и скоростью звука пограничных сред на границе раздела вода - морское дно формулой:

где ρ₁, c₁ - плотность и скорость звука в придонном слое воды, ρ₂, c₂ - плотность и скорость звука в осадочном слое морского дна.

Перечисленные свойства придонной волны делают ее чрезвычайно перспективной при разработке гидроакустических навигационных систем с большой дальностью действия и минимальной погрешностью определения координат объекта навигации.

По сравнению с известной гидроакустической синхронной дальномерной навигационной системой с дальностью действия до 15 км заявляемая система имеет дальность действия до 100 км.

На основании изложенного можно заключить, что совокупность существенных признаков заявленного изобретения имеет причинно-следственную связь с достигнутым техническим результатом, т.е. благодаря данной совокупности существенных признаков изобретения стало возможным решить поставленную задачу.

Следовательно, заявленное изобретение является новым, обладает изобретательским уровнем, т.е. оно явным образом не следует из уровня техники и пригодно для использования.

Заявленная гидроакустическая синхронная дальномерная навигационная система дальнего действия поясняется чертежом. На чертеже и в описании приняты следующие обозначения:

1_m - приемоответчик m-го канала,

2 - передатчик акустических импульсов запроса на частоте f₀,

3 - первый М канальный приемник акустических сигналов ответа на частотах f_m,

4_m - измеритель времени распространения акустических сигналов до маяка-ответчика и обратно в m-м канале,

5_m - блок выбора максимального значения дистанции в m-м канале,

6_mn(m=1-М, n=1-N) - блок преобразования временных интервалов в дистанции,

7 - вычислитель координат объекта навигации,

8 - первый генератор синхроимпульсов,

9_m - генератор синхроимпульсов m-го маяка-пингера,

10m - передатчик m-го маяка-пингера,

11m - излучатель m-го маяка-пингера,

12 - второй генератор синхроимпульсов,

13 - буксируемая приемная акустическая антенна,

14 - второй М-канальный приемник акустических сигналов маяков-пингеров,

15_m - измеритель времени распространения акустических сигналов от маяка-пингера до объекта навигации,

16_m - дополнительный блок преобразования временных интервалов в дистанции m-го канала.

Гидроакустическая синхронная дальномерная навигационная система дальнего действия работает следующим образом.

Расположенный на объекте навигации первый генератор синхроимпульсов 8 запускает передатчик 2 акустических импульсов на частоте запроса f₀ и обнуляет счетчики М измерителей 4_m времени распространения акустических сигналов до маяка-приемоответчика и обратно в каждом канале. Акустические сигналы, распространяясь в водной среде, принимаются приемоответчиками 1_m, переизлучаются обратно и принимаются первым М канальным приемником 3 акустических сигналов ответа на рабочих частотах f_m 3. Усиленные приемником 3 сигналы с выхода каждого из каналов поступают на запирающий вход каждого из измерителей 4_m времени распространения и запирают своим передним фронтом интегратор импульсов-меток времени генератора синхроимпульсов 8, а информация о числе накопленных меток времени передается в цифровом виде от каждого интегратора в соответствующие блоки 6_mn преобразования временных интервалов в дистанции по N в каждом m-м канале. Различные блоки 6_mn преобразования одного и того же m-го канала отличаются значениями коэффициентов, характеризующих тип лучевой траектории в алгоритме пересчета времени распространения в наклонную дистанцию. Найденные в блоках 6_mn значения наклонных дистанций поступают на входы блоков 5_m выбора максимального значения дистанций, а максимальные значения дистанций с выходов блоков 5_m поступают на первый вход вычислителя 7 координат объекта навигации. По аналогичной схеме и хорошо известным методикам [1] определяются координаты маяков-ответчиков и механически связанных с ними маяков-пингеров по известным координатам объекта навигации в режиме калибровки навигационной базы. Если объект навигации находится в пределах дальности действия первой подсистемы, то его координаты определяются первой подсистемой.

В то же самое время синхронно работающие генераторы синхроимпульсов 9_m донных маяков-пингеров запускают передатчики 10_m маяков-пингеров, которые в свою очередь подают импульсы возбуждения на гидроакустические излучатели 11_m маяков-пингеров, а расположенный на объекте навигации второй генератор синхроимпульсов 12 обнуляет счетчики импульсов - меток времени измерителей 15_m времени распространения акустических сигналов от маяков-пингеров до объекта навигации. Излученные маяками-пингерами акустические сигналы с рабочими частотами F_m распространяются в водной среде и принимаются расположенной на объекте навигации буксируемой приемной акустической антенной 13, с выхода которой они поступают на вход второго М-канального приемника 14. Усиленные приемником 14 акустические сигналы поступают на запирающий вход соответствующих измерителей 15_m времени распространения акустических сигналов от маяков-пингеров до объекта навигации, а информация о времени распространения в цифровом виде передается в дополнительные блоки 16_m преобразования временных интервалов в дистанции. Вычисленные в блоках 16_m дистанции поступают в вычислитель 7 координат объекта навигации.

Информация об акустических параметрах пограничных сред границы раздела вода - морское дно вводится предварительно в дополнительные блоки 16_m преобразования временных интервалов в дистанции. Информация о географических координатах маяков-ответчиков и механически связанных с ними маяков-пингеров, полученная в процессе калибровки навигационной системы, вводится предварительно в вычислитель координат объекта навигации.

Таким образом, обе подсистемы, работая независимо с частотным разделением, обеспечивают определение координат объекта навигации на малых и больших расстояниях с минимальной погрешностью.

Источники информации

1. Милн П.Х. Гидроакустические системы позиционирования. Л.: Судостроение, 1989 г., с.49-60.

2. Патент РФ № 713278, МПК G 01 S 9/66, 1978г. - прототип.

Гидроакустическая синхронная дальномерная навигационная система дальнего действия, содержащая донную навигационную базу из М гидроакустических маяков-ответчиков с различными частотами ответа f_m (m=1-M), размещенные на объекте навигации генератор синхроимпульсов, акустический передатчик с частотой опроса f₀, вход которого соединен с первым выходом генератора синхроимпульсов, М-канальный приемник для приема ответных сигналов с частотами f_m, M измерителей времени распространения акустических сигналов до маяка-ответчика, работающего на частоте этого канала, и обратно, первые входы которых соединены с выходами М-канального приемника, а вторые входы соединены со вторым выходом генератора синхроимпульсов, M×N блоков преобразования временных интервалов в дистанции по числу N лучевых возможных траекторий, входы которых соединены с выходами соответствующих измерителей времени распространения, М блоков выбора максимального значения дистанции, входы которых соединены с выходами N блоков преобразования временных интервалов в дистанции данного канала, вычислитель координат объекта навигации, первый вход которого соединен с выходами М блоков выбора максимального значения дистанции, отличающаяся тем, что в ее состав введены вторая донная навигационная база из М гидроакустических маяков-пингеров с различными частотами излучения F_m (m=1-M), механически связанных с соответствующими М маяками-ответчиками, содержащих М синхронно работающих генераторов синхроимпульсов, М передатчиков с различными рабочими частотами F_m, входы которых соединены с выходами генераторов синхроимпульсов, М гидроакустических излучателей с рабочими частотами F_m, входы которых соединены с выходами передатчиков с соответствующими рабочими частотами, размещенные на объекте навигации второй генератор синхроимпульсов, работающий синхронно с генераторами синхроимпульсов маяков-пингеров, первый выход которого используется для синхронизации М синхронно работающих генераторов синхроимпульсов гидроакустических маяков-пингеров перед их установкой на дно, буксируемая приемная акустическая антенна, второй М-канальный приемник для приема акустических сигналов маяков-пингеров, вход которого соединен с выходом буксируемой приемной акустической антенны, М измерителей времени распространения акустических сигналов от маяков-пингеров до объекта навигации, первые входы которых соединены с выходами второго М-канального приемника, а вторые входы соединены со вторым выходом второго генератора синхроимпульсов, дополнительные М блоков преобразования временных интервалов в дистанции, входы которых соединены с выходами М измерителей времени распространения акустических сигналов от маяков-пингеров до объекта навигации, а выходы соединены со вторыми входами вычислителя координат объекта навигации, причем М гидроакустических излучателей маяков-пингеров и буксируемая приемная акустическая антенна расположены вблизи морского дна на расстоянии не более длины волны на рабочих частотах F_m, а дополнительные М блоков преобразования временных интервалов в дистанции вычисляют искомые дистанции r_m через измеренные времена распространения t_m по формуле

где с_П - скорость распространения придонной волны, предварительно вычисленная через параметры пограничных сред границы раздела вода - морское дно по формуле

где ρ₁, с₁ - плотность и скорость звука в придонном слое воды, ρ₂, с₂ - плотность и скорость звука в осадочном слое морского дна.