Гидроакустическая синхронная дальномерная навигационная система дальнего действия

Изобретение относится к области гидроакустических навигационных систем и предназначено для навигационного обеспечения подводных аппаратов повышенной дальности действия. Гидроакустическая синхронная дальномерная навигационная система дальнего действия содержит донную навигационную базу из гидроакустических приемоответчиков и донную навигационную базу из гидроакустических маяков-пингеров, механически связанных с соответствующими маяками-ответчиками. Кроме того, система содержит генераторы синхроимпульсов, передатчики, гидроакустические излучатели, расположенные вблизи морского дна, измерители времени распространения акустических сигналов до маяка-ответчика, блоки преобразования временных интервалов в дистанции по числу N возможных лучевых траекторий, блоки выбора максимального значения дистанции, вычислитель координат объекта навигации, второй генератор синхроимпульсов, работающий синхронно с генераторами синхроимпульсов маяков-пингеров, приемную акустическую антенну, второй М канальный приемник для приема акустических сигналов маяков-пингеров, измерители времени распространения акустических сигналов от маяков-пингеров до объекта навигации, дополнительные М блоков преобразования временных интервалов в дистанции. Приемная акустическая антенна и гидроакустические излучатели выполнены направленными в вертикальной плоскости. Технический результат: повышенная дальность действия с минимально необходимой для этого излучаемой мощностью, без увеличения погрешности определения координат объекта навигации и без буксировки приемной антенны вблизи морского дна. 1 ил.

 

Изобретение относится к области гидроакустических навигационных систем и может быть использовано для навигационного обеспечения подводных аппаратов.

Известна гидроакустическая синхронная дальномерная навигационная система [1], содержащая донную базу из М гидроакустических приемоответчиков с различными частотами ответа, размещенные на объекте навигации гидроакустический 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 со 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 уменьшить погрешность определения координат объекта навигации.

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.

Известна также гидроакустическая синхронная дальномерная навигационная система дальнего действия [2], содержащая донную базу из М гидроакустических приемоответчиков с различными частотами ответа f_m (m=1-M), вторую донную навигационную базу 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 расположенных вблизи морского дна на расстоянии не более длины волны на рабочих частотах F_m гидроакустических излучателей, входы которых соединены с выходами передатчиков с соответствующими рабочими частотами, 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 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 дистанции, второй генератор синхроимпульсов, работающий синхронно с генераторами синхроимпульсов маяков-пингеров, первый вход которого используется для синхронизации М синхронно работающих генераторов синхроимпульсов гидроакустических маяков-пингеров перед их установкой на дно, буксируемая акустическая антенна для приема акустических сигналов маяков-пингеров, 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 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 t_m по формуле

r_m=t_mc_п,

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

c_п=с₁(1-ρ₁₂ ²)^0.5(1-ρ₁₂ ²c₁₂ ²)^-0.5, ρ₁₂=ρ₁/ρ₂, c₁₂=c₁/c₂,

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

Наличие в структуре гидроакустической синхронной дальномерной навигационной системы маяков-пингеров с большой дальностью действия и использование в качестве информационного носителя придонной волны, скорость распространения которой слабо зависит от условий распространения, позволяют увеличить дальность действия всей навигационной системы при сохранении достаточно малой погрешности определения координат объекта навигации.

Эта гидроакустическая синхронная дальномерная навигационная система является по технической сущности наиболее близкой к предлагаемому изобретению.

Недостатком указанной гидроакустической синхронной дальномерной навигационной системы является сложность буксировки приемной антенны вблизи морского дна на расстоянии не более длины волны на рабочих частотах F_m маяков-пингеров, и как следствие этого, потеря акустического контакта и работоспособности всей навигационной системы.

В основу изобретения положена задача разработки гидроакустической синхронной навигационной системы с большей дальностью действия и минимально необходимой для этого излучаемой мощностью без существенного увеличения погрешности определения координат объекта навигации, но без использования сложного в реализации режима буксировки приемной антенны вблизи морского дна.

Поставленная задача решается тем, что в гидроакустической синхронной дальномерной навигационной системе дальнего действия, содержащей донную навигационную базу из М гидроакустических приемоответчиков с различными частотами ответа f_m (m=1-M), вторую донную навигационную базу 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 расположенных вблизи морского дна на расстоянии не более длины волны на рабочих частотах F_m гидроакустических излучателей, входы которых соединены с выходами передатчиков с соответствующими рабочими частотами, 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 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, второй генератор синхроимпульсов, работающий синхронно с генераторами синхроимпульсов маяков-пингеров, первый вход которого используется для синхронизации М синхронно работающих генераторов синхроимпульсов гидроакустических маяков-пингеров перед их установкой на дно, приемная акустическая антенна для приема акустических сигналов маяков-пингеров, второй М канальный приемник для приема акустических сигналов маяков-пингеров, вход которого соединен с выходом 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 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, приемная акустическая антенна выполнена направленной в вертикальной плоскости, причем максимум ее характеристик направленности соответствует критическому углу скольжения β=arccos(c₁₂), М расположенных вблизи морского дна на расстоянии не более длины волны на рабочих частотах F_m гидроакустических излучателей выполнены направленными в вертикальной плоскости, причем максимум характеристики направленности лежит в диапазоне углов скольжения , а дополнительные М блоков преобразования временных интервалов в дистанции вычисляют искомые расстояния r_m через измеренные времена распространения t_m по формуле:

r_m=t_mc_п,

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.

Такое исполнение гидроакустической синхронной дальномерной навигационной системы дальнего действия позволяет эффективно возбуждать придонную волну расположенными вблизи морского дна направленными излучателями и принимать акустические сигналы маяков-пингеров на борту объекта навигации направленной в вертикальной плоскости приемной антенной при произвольном его расположении относительно морского дна. Анализ условий возбуждения придонной волны свидетельствует о том, что наиболее эффективным для этого является направленный в вертикальной плоскости донный излучатель, максимум характеристики направленности которого лежит в диапазоне углов скольжения . Использование направленного донного излучателя для возбуждения придонной волны позволит существенно снизить излучаемую мощность, увеличить автономность донного излучателя и продолжительность его работы. Кроме того, распространение придонной волны сопровождается излучением боковой составляющей под критическим углом скольжения β=arccos(c₁₂), что облегчает возможность ее приема, но изменяет в небольших пределах скорость ее распространения, что может привести к появлению систематической погрешности определения координат объекта навигации. Для определения координат объекта навигации с предельно малой погрешностью скорость распространения придонной волны скорректирована с учетом ее более сложной структуры.

Таким образом, именно такая совокупность существенных признаков заявленного устройства позволила создать гидроакустическую синхронную дальномерную навигационную систему большой дальности действия с минимально необходимой для этого излучаемой мощностью, без существенного увеличения погрешности определения координат объекта навигации и без буксировки приемной антенны вблизи морского дна.

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.

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,

10_m - передатчик m-го маяка-пингера,

11_m - излучатель m-го маяка-пингера,

12 - второй генератор синхроимпульсов,

13 - 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. 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 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 7 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. Патент Российской Федерации №713278, МПК G01S 9/66, 1978 г.

2. Патент Российской Федерации №2289149, МПК G01S 13/08 (2006.01), опубл. 10.12.2006 г., бюл. №34 - прототип.

Гидроакустическая синхронная дальномерная навигационная система дальнего действия, содержащая донную навигационную базу из М гидроакустических приемоответчиков с различными частотами ответа f_m (m=1-M), вторую донную навигационную базу из М гидроакустических маяков-пингеров с различными частотами излучения F_m (m=1-М), 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 расположенных вблизи морского дна на расстоянии не более длины волны на рабочих частотах F_m гидроакустических излучателей, входы которых соединены с выходами передатчиков с соответствующими рабочими частотами, 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 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 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, второй генератор синхроимпульсов, работающий синхронно с генераторами синхроимпульсов маяков-пингеров, первый вход которого используется для синхронизации М синхронно работающих генераторов синхроимпульсов гидроакустических маяков-пингеров перед их установкой на дно, приемная акустическая антенна для приема акустических сигналов маяков-пингеров, второй М канальный приемник для приема акустических сигналов маяков-пингеров, вход которого соединен с выходом 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 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, отличающаяся тем, что приемная акустическая антенна выполнена направленной в вертикальной плоскости, причем максимум ее характеристик направленности соответствует критическому углу скольжения β=arccos(c₁₂), М расположенных вблизи морского дна на расстоянии не более длины волны на рабочих частотах F_m гидроакустических излучателей выполнены направленными в вертикальной плоскости, причем максимум характеристики направленности лежит в диапазоне углов скольжения, , а дополнительные М блоков преобразования временных интервалов в дистанции вычисляют искомые расстояния r_m через измеренные времена распространения t_m по формуле: r_m=t_mc_п, 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.