Автономный гравиметрический способ определения истинного курса подводного объекта в подводном положении

Изобретение относится к области подводной навигации и может быть применено для определения истинного курса подводного объекта на горизонте его плавания с целью коррекции бортового навигационного комплекса. Измеряют составляющие модуля вектора абсолютной скорости подводного объекта вдоль и поперек его диаметральной плоскости, ускорения движущимися на объекте навстречу друг другу акселерометрами с вертикальной осью чувствительности вдоль направления вектора абсолютной скорости движения приборов, определяют относительно объекта линейную скорость движения акселерометров, расстояние по вертикали между акселерометрами и уровнем моря, широту места объекта, а значение истинного курса объекта вычисляют по формуле, приведенной в описании. Изобретение позволяет упростить и повысить точность определения истинного курса объекта в подводном положении. 2 ил.

 

Изобретение относится к области подводной навигации и может быть использовано для определения истинного курса подводного объекта на горизонте плавания с целью коррекции его бортового навигационного комплекса.

Известен гравиметрический способ определения истинного курса подводного объекта [Павлов Ю.Н., Селезнев А.В., Толстоусов Г.Н. Геоинформационные системы. - М.: Машиностроение, 1978. - 272 с; Груздев Н.М., Колтуненко В.В., Гладков Г.Е. Морская навигация. - М.: Воениздат, 1992. - 472 с.], включающий измерение на движущемся объекте ускорения силы тяжести гравиметрами, расположенными на заданных расстояниях вдоль и поперек диаметральной плоскости объекта, или измерение по этим же направлениям составляющих значений модуля вектора горизонтального градиента ускорения силы тяжести градиентометром, определение по результатам измерений курсового угла вектора горизонтального градиента ускорения силы тяжести , а по карте, на которой нанесены векторы горизонтальных градиентов ускорения силы тяжести и угол между истинным меридианом и направлением вектора горизонтального градиента ускорения силы тяжести , и по полученным данным вычисляют истинный курс по формуле

Однако этот способ определения истинного курса объекта имеет низкую точность, которая зависит от погрешностей гравиметрической съемки, счисления во время измерений и самих измерений в процессе определения ИК, а также характера гравитационного поля в месте определения. Считая все перечисленные факторы независимыми, погрешность определения истинного курса (m_ик) известным способом можно вычислить по формуле

где m_α - погрешность определения направления вектора горизонтального градиента ускорения силы тяжести по карте;

- погрешность определения истинного курса за счет погрешности счисления;

m_изм - погрешность измерения ускорения силы тяжести или градиента ускорения силы тяжести;

g - градиент гравитационного поля в месте определения истинного курса;

l - расстояние между гравиметрами;

R - чувствительность гравиметров или градиентометра.

Величина m_α при использовании в период съемки полигона спутниковых навигационных систем и навигационных комплексов может быть получена не хуже 0, 1°.

Величина может достигать в открытой части океана 1-3°.

Величина m_изм для современных гравиметров составляет 1-5 мГл, для перспективных образцов - 0,1 мГл, а R=0,1 мГл.

Например, когда m_α=0, 1°; ; m_изм=0,1 мГл; g=10 мГл/милю; l=100 м; R=0,1 мГл, то m_ик составит 15°.

Допустимая погрешность определения истинного курса судовыми системами курсоуказания в приполярных районах в соответствии с нормативными документами не должна превышать 0, 1-0, 2°.

Кроме того, известный гравиметрический способ определения истинного курса объекта весьма сложен, так как при его реализации требуется наличие специальных карт векторов горизонтальных градиентов ускорения силы тяжести, для создания которых необходимо заблаговременно произвести детальную гравиметрическую съемку с повышенной точностью.

Практикой доказано, что для производства такой гравиметрической съемки необходимо использование океанографических исследовательских судов, большое количество сложного научно-технического оборудования и высококвалифицированных специалистов. Это обусловливает значительную сложность, большую стоимость работ и значительные затраты рабочего времени.

Целью настоящего изобретения является упрощение и повышение точности определения истинного курса объекта в подводном положении без использования специальных карт.

Указанная цель достигается тем, что в гравиметрическом способе определения истинного курса объекта, включающем измерение на объекте ускорения силы тяжести и вычисление по результатам измерений искомой величины истинного курса объекта, дополнительно измеряют составляющие модуля вектора абсолютной скорости объекта вдоль и поперек его диаметральной плоскости, ускорения движущимися на объекте навстречу друг другу акселерометрами с вертикальной осью чувствительности вдоль направления вектора скорости движения объекта, определяют относительно объекта скорость движения акселерометров, расстояние по вертикали между акселерометрами и уровнем моря, широту места объекта, а значение истинного курса объекта вычисляют по формуле, которую можно вывести следующим образом:

где П - путь объекта;

α - угол между направлением вектора скорости движения объекта и его диаметральной плоскостью.

Известно, (см. Иванов Б.Е. Эффект Этвеша при горизонтальном перемещении гравиметра. Деп. В ЦНИИТИ МО, 1981, № Д-4955, с.6), что при измерении ускорения силы тяжести с помощью перемещаемого относительно объекта гравиметра или акселерометра с вертикальной осью чувствительности поправка за эффект Этвеша Δg_э вычисляется по формуле

где V - скорость движения объекта;

П - путь объекта;

V_пр - скорость движения акселерометра на объекте;

δ - угол между вектором скорости движения объекта и акселерометра;

h - расстояние по вертикали между акселерометром и уровнем моря;

R_г - радиус кривизны геоида.

Так как приборы (акселерометры) движутся навстречу друг другу вдоль вектора скорости движения объекта, то δ=0. В этом случае формула (4) примет вид

Известно, (см. Сажина Н.Б., Грушинский Н.П. Гравитационная разведка. - М.: Недра, 1966. - 263 с), что при движении акселерометров навстречу друг другу на движущемся объекте ускорения и , измеренные соответственно первым и вторым акселерометрами в момент их встречи, можно вычислить по формулам

а с учетом формулы (5) выражение (6) примет вид

где , - скорости движения одного и второго акселерометров соответственно;

- значение ускорения силы тяжести при отсутствии , .

Разность значений и будет иметь вид

Из формулы (8) после несложных математических преобразований формула для расчета П будет иметь вид

Схематически гравиметрический способ определения истинного курса объекта изображен на чертежах (фиг.1 и фиг.2).

Реализацию предложенного гравиметрического способа определения истинного курса объекта можно осуществить следующим образом. На объекте, например подводном аппарате - 1, размещают гравиметрический прибор - 2, блок-схема которого показана на фиг.2.

Гравиметрический прибор - 2 содержит основание - 3, на котором установлен маятниковый штатив, имеющий основную опорную плиту, к которой подвешены маятники 4 и 5. На маятниковом штативе смонтировано устройство регистрации колебаний маятников 4 и 5, на маятниках 4 и 5 установлены быстродействующие акселерометры 7 и 8, а также устройства 9 и 10 - регистраторы моментов встречи маятников 4 и 5.

Устройства регистрации колебаний маятников 6, акселерометры 7 и 8, устройства 9 и 10 функционально подключены к счетно-регистрирующему устройству 11.

При работе гравиметрического прибора - 2 маятники 4 и 5 совершают колебания в противофазе и в момент их встречи с помощью счетно-регистрирующего устройства - 11 производится отсчет величин, и по сигналам акселерометров 7 и 8, а также вычисляется разность

Команду для отсчета осуществляют устройства 9 и 10 в момент встречи на траверзе маятников 4 и 5.

В блоке - 12 определяется линейная скорость движения относительно объекта акселерометров 7 и 8 в момент их встречи на траверзе.

Основание гравиметрического прибора - 3, установленное на стабилизированной платформе - 13 на подшипнике - 14 с помощью следящей системы, содержащей функционально соединенные реле - 15, электродвигатель - 16 и редуктор - 17, приводиться в положение, при котором угол между векторами скорости движения подводного объекта - 1 и акселерометров 7 и 8 в момент их встречи на траверзе равен нулю, так как в данном положении обеспечивается измерение ускорения движущимися навстречу друг другу акселерометрами 7 и 8 по направлению вектора скорости движения подводного объекта.

Следящая система работает следующим образом. Электрический сигнал, пропорциональный углу α, поступает от вычислителя навигационного инерциального комплекса на усилитель - 18, а затем на реле - 15. Реле - 15 управляет электродвигателем - 16. Последний через редуктор - 17 приводит основание - 3 гравиметрического прибора - 2 в положение, при котором угол между векторами скорости движения подводного объекта - 1 и акселерометров 7 и 8 в момент их встречи на траверзе равен нулю.

От гравиметрического прибора - 2 в вычислитель - 18 бортового навигационного комплекса поступают значения , .

Значения h определяются с помощью глубиномера, который входит в состав навигационного инерциального комплекса подводного объекта.

Значения R_г и φ выбираются из памяти вычислителя - 18 навигационного комплекса подводного объекта.

По указанным данным в вычислителе - 18 определяется истинный курс подводного объекта.

Погрешность определения истинного курса подводного объекта (m_ик) предложенным способом можно вычислить по формуле

где m_φ, , m_h - погрешности определения широты, скорости движения акселерометров и подводного объекта, значений и h соответственно.

Например, когда V=20 уз, ; φ=80°; ; m_V=0,1 уз; m_φ=0,5 дуг. мин; m_h=1% от h, то m_ик составит не более 0,25°. При использовании перспективной гравиметрической аппаратуры, обеспечивающей определение с порядка 0,3 мГл, можно ожидать при прочих равных условиях повышение точности значения ИК, характеризуемой m_ик=0,05-0,1°.

Таким образом, использование предлагаемого изобретения «Автономный гравиметрический способ определения истинного курса подводного объекта в подводном положении» по сравнению с прототипом обеспечивает значительное упрощение и повышение точности определения истинного курса подводных объектов, в том числе и на акватории Северного Ледовитого океана подо льдами, так как при его реализации отсутствует основная погрешность прототипа - погрешность определения истинного курса подводного объекта за счет погрешностей счисления, а основная погрешность определения истинного курса объекта за счет измерения гравитационного поля значительно снижена (более чем на 1,5 порядка).

Гравиметрический способ определения истинного курса подводного объекта, включающий измерение на объекте ускорения и вычисление по полученным данным искомой величины (истинного курса объекта), отличающийся тем, что, с целью упрощения и повышения точности, измеряют составляющие модуля вектора абсолютной скорости подводного объекта вдоль и поперек его диаметральной плоскости, ускорения движущимися на объекте навстречу друг другу акселерометрами с вертикальной осью чувствительности вдоль направления вектора абсолютной скорости движения объекта, определяют относительно объекта линейную скорость движения акселерометров, расстояние по вертикали между акселерометрами и уровнем моря, широту места объекта, а значение истинного курса (ИК) объекта вычисляют по формуле

где - значение разности отсчетов акселерометров с вертикальной осью чувствительности и в момент их встречи на траверзе;
v - абсолютная скорость движения подводного объекта;
, - скорость движения относительно объекта первого и второго акселерометров соответственно;
v₁, v₂ - составляющие модуля вектора абсолютной скорости движения объекта вдоль и поперек его диаметральной плоскости соответственно;
φ - широта места подводного объекта;
R_г - радиус кривизны геоида;
h - расстояние по вертикали между акселерометрами и уровнем моря.