Способ навигации подводного робота с использованием одномаяковой системы

Авторы патента:

Безручко Федор Владимирович (RU)

Отческий Семен Александрович (RU)

Бурдинский Игорь Николаевич (RU)

Мяготин Антон Владимирович (RU)

G01S15/06 - системы для определения местоположения цели

Владельцы патента RU 2556326:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Тихоокеанский государственный университет" (RU)

Изобретение относится к области гидроакустических навигационных систем и может быть использовано для мобильного навигационного обеспечения подводных роботов, в том числе работающих в ледовых условиях. Технический результат - расширение функциональных возможностей. Для этого в процессе навигации подводного робота используется один опорный гидроакустический маяк, координаты которого уточняют средствами спутниковых систем навигации и передают по гидроакустическому каналу на борт подводного робота, по ходу движения которого производят измерения скорости, курса и глубины, с использованием соответствующих датчиков принимают навигационные сигналы, излучаемые опорным гидроакустическим маяком, измеряют время распространения сигнала от маяка до подводного робота; на борту подводного робота инициализируют набор предполагаемых положений: точек, географические координаты которых равномерно разбросаны вокруг области погружения; изначально каждое положение считают равновероятным; количество предполагаемых положений выбирают исходя из вычислительных возможностей аппаратуры подводного робота и требуемого уровня точности определения местоположения; в момент приема подводным роботом навигационного сигнала от опорного маяка производят детерминированный сдвиг каждого предполагаемого положения. 1 ил.

Известен способ навигации подводного объекта посредством гидроакустической навигационной системы (патент РФ №2444759, МПК G01S 15/08, 2012 г.). В нем для вычисления координат используют базу из М гидроакустических приемоответчиков, размещенных на дрейфующих станциях по водной поверхности и донных станциях на морском дне.

Недостатками способа являются: ограничение района дальностью связи подводного робота с отдельным приемоответчиком; ограничение мобильности, вызванное значительными временными затратами на развертывание и свертывание навигационной системы; увеличение стоимости навигационной системы за счет необходимости применения нескольких сложных автономных систем, какими являются дрейфующие по водной поверхности и донные гидроакустические приемоответчики.

Также известен способ навигационного обеспечения автономного подводного робота, контролируемого с борта обеспечивающего судна (патент РФ №2344435, МПК G01S 3/80, 2009 г.). В нем для определения координат используют один опорный гидроакустический маяк, буксируемый обеспечивающим судном, которое перемещают в соответствии с движениями подводного робота. Оценка координат производиться путем комплексной обработки данных бортовой системы счисления пути и сигналов гидроакустической навигационной системы.

Этот способ навигационного обеспечения автономного подводного робота, контролируемого с борта обеспечивающего судна, по своему функциональному назначению, по своей технической сущности и достигаемому результату наиболее близок заявленному и принят за прототип.

Недостатки прототипа:

- необходимость перемещать опорный гидроакустический маяк в соответствии с движением автономного подводного робота вдоль его трассы;

- необходимость в установке на борту подводного робота координат его стартовой точки.

Указанные недостатки вносят существенные трудности в применение подводных роботов в ледовых условиях ввиду того, что возможности перемещения опорного маяка ограничены, а всплытие для повторной установки стартовых координат в случае потери навигации часто затруднительно или невозможно.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является разработка способа навигационного обеспечения подводного робота с использованием одного опорного гидроакустического маяка, обладающего высокой надежностью; точностью, достаточной для успешного исполнения миссии подводного робота; совместимостью с существующими на сегодняшний день подводными роботами; мобильностью.

Технический результат достигается тем, что для навигации подводного робота используется один опорный гидроакустический маяк, координаты которого уточняют средствами спутниковых систем навигации и передают по гидроакустическому каналу на борт подводного робота, по ходу движения которого производят измерения скорости, курса и глубины, с использованием соответствующих датчиков принимают навигационные сигналы, излучаемые опорным гидроакустическим маяком, измеряют время распространения сигнала от маяка до подводного робота; согласно изобретению на борту подводного робота инициализируют набор предполагаемых положений: точек, географические координаты которых равномерно разбросаны вокруг области погружения; изначально каждое положение считают равновероятным; количество предполагаемых положений выбирают исходя из вычислительных возможностей аппаратуры подводного робота и требуемого уровня точности определения местоположения; в момент приема подводным роботом навигационного сигнала от опорного маяка производят детерминированный сдвиг каждого предполагаемого положения в соответствии с данными курса и скорости относительно предыдущего события (начало движения, прием навигационного сигнала); дополнительно к детерминированному сдвигу добавляют нормально распределенное случайное смещение, параметры которого равны оценочным параметрам ошибки измерения скорости и курса; производят пересчет вероятностей каждого предполагаемого положения согласно измерительным данным о курсе, скорости и времени распространения; вычисляют как математическое ожидание всех предполагаемых положений итоговую оценку координат подводного робота; добавляют к результату информацию о глубине подводного робота; формируют новый набор предполагаемых положений в зависимости от новых значений вероятностей; передают по гидроакустическому каналу данные, полученные на борту подводного робота, содержащие оценку его координат в составе обратного навигационного сигнала на опорный гидроакустический маяк, затем по проводной или беспроводной линии связи на обеспечивающее судно или береговой пункт управления, где отображают траекторию движения подводного робота в реальном масштабе времени.

Существенными отличительными от способа-прототипа признаками являются: 1) на борту подводного робота не производится установка координат его стартовой точки; 2) не производится счисление траектории движения подводного робота по данным датчиков скорости, курса и глубины; 3) нет необходимости в перемещении опорного гидроакустического маяка в соответствии с движениями подводного робота и, как следствие, в привязке пункта управления к обеспечивающему судну; 4) измеряется только время распространения навигационного сигнала между опорным маяком и аппаратом, следовательно, нет необходимости в предварительной оценке величины скорости звука в районе работы подводного робота; 5) вычисление координат подводного робота производится на основе набора предполагаемых положений с использованием вероятностной оценки.

Обзор известных изобретений показал, что заявленный способ обладает новым свойством, позволяющим подводному роботу без установки координат точки старта по ходу движения определить свое местоположение (решить задачу локализации) и затем продолжить выполнение миссии с сохранением надежной точности навигации.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где на фиг.1 изображена структурная схема реализации способа навигации подводного робота с использованием одномаяковой системы с распределением оборудования на борту подводного робота и обеспечивающего судна или берегового пункта управления.

На борту подводного робота установлена аппаратура: 1 - бортовая навигационная система, в состав которой входят: датчик скорости (лаг Доплера), компас для определения курса, и датчик глубины; 2 - блок вычисления позиции, который может быть реализован как программно, так и программно-аппартно; 3 - приемник навигационных сигналов, в состав которого входят: устройство обработки навигационного сигнала для выделения координатной информации, измеритель времени распространения сигнала между роботом и аппаратом; 4 - передатчик навигационных сигналов, содержащий информацию о текущих координатах подводного робота.

На опорном гидроакустическом маяке установлены: 5 - приемник навигационных сигналов, включающий устройство обработки навигационных сигналов для выделения координатной информации; 6 - передатчик навигационных сигналов, содержащий информацию о текущих координатах опорного маяка; 7 - аппаратура связи с обеспечивающим судном или береговым пунктом управления; 8 - приемник GPS для определения текущих координат.

Способ навигации подводного робота с использованием одномаяковой системы реализуется следующим образом.

Подводный робот посредством судовых средств опускают в воду, предварительно зафиксировав на борту координаты точки его погружения. Затем в области погружения устанавливают опорный гидроакустический маяк и определяют его координаты с помощью приемника GPS 8. На борту подводного робота в блоке вычисления позиции 2 инициализируют начальные предполагаемые положения робота:

1. Создают два массива хр [xp₁..xp_npart], yp [yp₁..yp_npart] содержащие координаты предполагаемых положений робота (npart - число позиций) в локальной координатной системе подводного робота.

2. Инициализируют созданные массивы координатами точек, равномерно распределенных в пределах радиуса R вокруг точки погружения.

3. Создают массив вероятностей предполагаемых положений p [p₁..p_npart].

4. Все предполагаемые положения в начальный момент времени равновероятно могут быть реальной позицией аппарата. Поэтому массив вероятностей предполагаемых положений p заполняют значениями 1/npart.

5. Вычисляют вектор с [c₁..c_npart] который содержит кумулятивную функцию вероятностей p.

6. Вычисляют стартовое положение как математическое ожидание всех предполагаемых положений.

Затем подводный робот начинает выполнение миссии. Через передатчик навигационных сигналов 6 излучают навигационный сигнал. Этот сигнал принимается приемником 3, который вычисляет время распространения и выделяет данные о координатах маяка, передавая полученную информацию в вычислитель 2. Бортовая навигационная система 1 непрерывно снабжает блок 2 данными о курсе и скорости.

Внутри блока вычисления позиции 2 выполняют следующий алгоритм:

Шаг первый: ресемплинг. Каждое предполагаемое положение 1..npart заменяют новым:

a) Генерируют случайное число r в диапазоне [0..1] по равномерному закону

b) Производят поиск первого элемента с [c₁..cnpart] удовлетворяющего условию:

с) Координаты нового предполагаемого положения принимают (xp(i), yp(i))

Шаг второй. Детерминированный сдвиг:

a) Производят детерминированный сдвиг предполагаемых положений:

где xp(i)_j-1, yp(i)_j-1 - координаты i-го предполагаемого положения; Δ это смещение, которое рассчитывается по формуле:

где ν_AUV - скорость подводного робота; dt - время, прошедшее между двумя событиями (начало движения, прием навигационного сигнала); α - курс подводного робота.

b) Производят случайный сдвиг:

где wxp_i - случайная величина, сгенерированная по нормальному закону с математическим ожиданием xp_i и среднеквадратическим отклонением sigma (выбирается в зависимости от предполагаемых ошибок измерений курса и скорости подводного робота); wyp_i - случайная величине, сгенерированная по нормальному закону с математическим ожиданием yp_i и среднеквадратическим отклонением sigma (выбирается в зависимости от предполагаемых ошибок измерений курса и скорости подводного робота).

Шаг третий. Формирование оценки координат подводного робота:

а) Производят пересчет массива вероятностей предполагаемых положений p [p₁..p_npart]. Вероятность рассчитывается относительно следующих параметров:

где pτ(i) - вероятность относительно измеренного времени распространения для i-го предполагаемого положения; pdτ(i) - вероятность относительно изменения времени распространения для i-го предполагаемого положения; pα(i) - вероятность относительно изменения направления движения для i-го предполагаемого положения; d(i) - расстояние между i-м предполагаемым положением и опорным маяком; v_s - скорость звука в воде; τ - измеренное время распространения; sigmaτ - коэффициент среднеквадратического отклонения по τ; dτ - изменение измеренного времени распространения относительно предыдущего события; dτ_est - изменение вычисленного времени распространения относительно предыдущего события; sigmadτ - коэффициент среднеквадратического отклонения по dτ; dα - изменение измеренного времени распространения относительно предыдущего события; dα_est - изменение вычисленного времени распространения относительно предыдущего события; sigmadα - коэффициент среднеквадратического отклонения по dα;

b) Оценивают координаты подводного робота как математическое ожидание всех предполагаемых положений:

с) Производят пересчет кумулятивной функции вероятностей p - вектор с [c₁..c_npart].

К полученной оценке добавляют данные о глубине подводного робота. Эта информация поступает в передатчик 4, затем по гидроакустическому каналу в приемник 5. Аппаратура 7 осуществляет передачу навигационной информации по проводной или беспроводной линии связи на обеспечивающее судно или береговой пункт управления.

Таким образом, заявленный способ навигации подводного робота с использованием одномаяковой системы обладает следующими преимуществами:

- Высокая надежность. Способ не требует начальной установки координат старта на борту подводного робота, что позволяет эксплуатировать робот без аварийных всплытий, вызванных потерей навигации.

- Сохранение уровня точности определения координат на протяжении всей миссии подводного робота. В способе не используется система счисления пути, главный недостаток которой накопление ошибки.

- Универсальность. Благодаря упрощенной структуре способ может быть использован для навигации любых подводных роботов, оснащенных гидроакустической приемо-передающей аппаратурой, путем простой программной (если позволяю вычислительные ресурсы робота) или программно-аппаратной модернизации.

- Мобильность. Для навигации подводного робота требуется только установка одного гидроакустического маяка.

Способ навигации подводного робота с использованием одномаяковой системы, заключающийся в использовании одного опорного гидроакустического маяка, координаты которого уточняют средствами спутниковых систем навигации и передают по гидроакустическому каналу на борт подводного робота, по ходу движения которого производят измерения скорости, курса и глубины, с использованием соответствующих датчиков принимают навигационные сигналы, излучаемые опорным гидроакустическим маяком, измеряют время распространения сигнала от маяка до подводного робота; отличающийся тем, что на борту подводного робота инициализируют набор предполагаемых положений: точек, географические координаты которых равномерно разбросаны вокруг области погружения; изначально каждое положение считают равновероятным; количество предполагаемых положений выбирают исходя из вычислительных возможностей аппаратуры подводного робота и требуемого уровня точности определения местоположения; в момент приема подводным роботом навигационного сигнала от опорного маяка производят детерминированный сдвиг каждого предполагаемого положения в соответствии с данными курса и скорости относительно предыдущего события (начало движения, прием навигационного сигнала); дополнительно к детерминированному сдвигу добавляют нормально распределенное случайное смещение, параметры которого равны оценочным параметрам ошибки измерения скорости и курса; производят пересчет вероятностей каждого предполагаемого положения согласно измерительным данным о курсе, скорости и времени распространения; вычисляют как математическое ожидание всех предполагаемых положений итоговую оценку координат подводного робота; добавляют к результату информацию о глубине подводного робота; формируют новый набор предполагаемых положений в зависимости от новых значений вероятностей; передают по гидроакустическому каналу данные, полученные на борту подводного робота, содержащие оценку его координат в составе обратного навигационного сигнала, на опорный гидроакустический маяк, затем по проводной или беспроводной линии связи на обеспечивающее судно или береговой пункт управления, где отображают траекторию движения подводного робота в реальном масштабе времени.

Изобретение относится к гидроакустике и предназначено для обнаружения объектов и измерения дистанции до них при взрывном источнике зондирующих сигналов. Изобретение позволяет определить дальность обнаружения и обеспечить скрытность приемного устройства.

Способ определения положения судна и характеристик его движения // 2546846

Изобретение предназначено для использования в системах управления движением судов (СУДС) при осуществлении оператором управления проводкой судна по сложным фарватерам.

Система демодуляции сигнала // 2520357

Система демодуляции сигнала относится к области демодуляции модулированного по фазе или по частоте сигнала и может использоваться для обнаружения движения объекта.

Пеленгатор водолаза // 2494914

Изобретение относится к водолазной технике, а именно к аппаратуре звукоподводной связи и пеленгования, используемой водолазами. Пеленгатор водолаза, совмещенный со станцией звукоподводной связи, состоит из генератора импульсов и двух идентичных приемных каналов импульсов, каждый из которых имеет свою антенну, установленную слева или справа от водолаза.

Система гидролокации целей в условиях мелководья // 2461844

Изобретение относится к области гидролокации и предназначено для обнаружения подводных целей в прибрежных мелководных областях. .

Способ навигации подводного объекта посредством гидроакустической навигационной системы // 2456634

Изобретение относится к области подводной навигации, а именно к определению координат подводного объекта. .

Устройство подповерхностного зондирования // 2433423

Изобретение относится к радиотехнике, преимущественно к радиолокации объектов, и, в частности, может быть использовано для подповерхностного зондирования внутренних органов человека и животных в процессе ультразвуковых исследований.

Способ определения координат посредством гидроакустической навигационной системы // 2431156

Изобретение относится к гидроакустике, в частности к гидроакустическим навигационным системам, работающим при наличии отражающих границ раздела, а более конкретно к определению координат преимущественно подводных подвижных аппаратов.

Способ определения местоположения и параметров движения низколетящего над водной поверхностью со сверхзвуковой скоростью объекта по следу на водной поверхности // 2388012

Изобретение относится к области радиолокации, лазерной локации и оптики, в частности к обнаружению, определению параметров движения и сопровождению сверхзвукового малозаметного низколетящего над водной поверхностью объекта (СМНО).

Способ определения горизонтальных координат неподвижного подводного источника гидроакустических навигационных сигналов // 2378663

Изобретение относится к средствам подводной навигации, в частности к определению местоположения или для точной координатной привязки точек постановки стационарных маяков гидроакустических навигационных систем, стартовых точек или точек зависания автономных подводных роботов и других подводных технических средств, оснащенных источниками навигационных сигналов.

Способ обнаружения и сопровождения целей циклически работающей системой наблюдения, состоящей из нескольких разнородных приемных каналов // 2558276

Изобретение относится к области создания систем наблюдения, состоящих из нескольких разнородных приемных каналов. Существо предлагаемого изобретения состоит в том, что если условию идентичности наблюдаемой и комплексной цели удовлетворяет несколько комплексных целей, то из них выбирается та, которая сформирована из тех же целей в отдельных каналах наблюдения, что и комплексная цель, продолжение траектории которой ищется. В случае отсутствия такой цели за продолжение траектории комплексной цели (ее сопровождение) принимается та комплексная цель, для которой норма вектора разности в среднем минимальная по всем идентифицированным с ней наблюдаемым целям. В результате комплексирование векторов идентификационных параметров наблюдаемых целей производится с выбранной таким образом комплексной целью. Техническим результатом является повышение качества сопровождения целей в системах наблюдения, состоящих из нескольких разнородных приемных каналов.

Система и способ определения местоположения водолаза // 2575045

Использование: изобретение относится к средствам, обеспечивающим безопасность при выполнении водолазных работ различного назначения. Сущность: система определения местоположения водолаза включает аппаратуру двух маяков и судна, дрейфующих в акватории выполнения водолазных работ. Аппаратура судна и маяков включает систему спутниковой навигации, гидроакустические приемопередатчики и приемопередатчики по радиоканалу. Аппаратура водолаза включает гидроакустический приемопередатчик. Маяки передают на судно свои координаты, и на судне определяют дистанции до каждого из маяков. Излучив с судна запросный сигнал по гидроакустическому каналу и получив ответный сигнал от маяков, используя данные о расстояниях судно-маяк, на судне определяют текущую скорость звука. Аппаратура водолаза в автоматическом режиме, приняв излученный с судна сигнал, ненаправленно излучает сигнал, который принимается аппаратурой маяков и судна, причем аппаратура маяков ретранслирует по гидроакустическому каналу принятый от водолаза сигнал вместе с временем приема этого сигнала. Используя значение текущей скорости звука, данные о времени излучения запросного сигнала и времени приема ответных сигналов от водолаза, на судне определяют дистанции между водолазом и маяками и между водолазом и судном. По этим дистанциям определяют координаты водолаза, наносят на дисплей, соединяя координаты водолаза в траекторию его движения. Изобретение может быть использовано не только для профессиональных водолазов, но и для обеспечения погружения дайверов-любителей, которые не имеют полнолицевой маски со средствами телефонной связи с судном обеспечения. Система и способ могут быть также использованы для контроля местоположения группы водолазов и для автоматизированного контроля местоположения подводных аппаратов, работающих в зоне действия гидроакустических средств маяков. Технический результат: обеспечение контроля местоположения водолаза с визуализацией этого местоположения, повышение точности определения координат водолаза и упрощение аппаратуры водолаза. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Способ определения координат места пробоя корпуса гермоотсека космического объекта частицей природного или техногенного происхождения и устройство для его реализации // 2583251

Группа изобретений относится к методам и средствам защиты космических объектов от высокоскоростных метеоритных или техногенных частиц. Способ осуществляют устройством в виде набора акустических датчиков (АКД), подключенных к измерительно-расчетному блоку, и высокочастотных антенн. Последние размещены вблизи поверхности гермоотсека, а АКД - в его объеме. При пробое корпуса объекта фиксируют моменты прихода к АКД звуковой волны, а по электромагнитным сигналам антенн - момент пробоя гермоотсека. Координаты места пробоя находят, исходя из системы уравнений, выражающих расстояния места пробоя от АКД, определяемые по указанным моментам времени. Из множества АКД выбирают четвёрки с миним. временами прихода звуковой волны. Технический результат группы изобретений направлен на уменьшение погрешности определения координат места пробоя при ограничении количества АКД. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

Локационная система воздушного судна для определения его положения в водных средах // 2620885

Предложены способ и устройство для локационной системы воздушного судна, содержащей конструкцию воздушного судна и множество акустических отражателей, связанных с указанной конструкцией воздушного судна. Множество акустических отражателей выполнено с возможностью генерирования первых звуковых сигналов в ответ на прием вторых звуковых сигналов. 4 н. и 18 з.п. ф-лы, 27 ил.

Способ поиска затонувших объектов // 2645743

Изобретение относится к области радиолокации и может быть использовано для определения координат затонувших объектов (летательных аппаратов, кораблей и т.п.). Достигаемый технический результат - снижение временных и материальных затрат на поиск затонувшего объекта и повышение точности определения его координат. Указанный результат достигается за счет того, что предварительно на объект, запланированный для пересечения водной поверхности, устанавливают N≥1 контейнеров, в каждом из которых уложен отражатель электромагнитных волн (ЭМВ) с возможностью его автоматической отстыковки при погружении объекта в водную среду, отстыкованный отражатель саморазворачивается и всплывает на водную поверхность, причем отражатель выполнен в виде сетчатой структуры, в узлах которой установлены металлизированные элементы с положительной плавучестью. В район предполагаемого погружения объекта направляют поисковый летательный аппарат с установленной на нем радиолокационной станцией, которая облучает водную поверхность и по сигналам, рассеянным отражателем ЭМВ, фиксируют координаты затонувшего объекта. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.