Бортовая магнитометрическая система для определения местоположения подводной лодки

 

Изобретение относится к области бортовых магнитометрических средств обнаружения подводных лодок и может быть использовано для обнаружения и определения местоположения аномалий и затонувших кораблей. Сущность: система содержит последовательно соединенные магнитометр и фильтр, а также преобразователь напряжение-код, датчик скорости носителя и устройство оценивания весовых коэффициентов магнитометрического сигнала подводной лодки. Выход датчика скорости носителя подключен к первому входу преобразователя напряжение-код. Кроме того, система содержит второй магнитометр, второй фильтр, коммутатор, блок памяти и блок управления, выходы которого соединены с управляющими входами коммутатора и блока памяти. При этом выход второго магнитометра соединен со входом второго фильтра. Выходы обоих фильтров соединены через коммутатор со вторым входом преобразователя напряжение-код, выход которого подключен ко входу блока памяти. Выход блока памяти соединен со входом устройства оценивания весовых коэффициентов магнитометрического сигнала подводной лодки. Технический результат: повышение точности определения координат подводной лодки и ее классификации по величине магнитного момента. 5 ил.

Изобретение относится к области бортовых магнитометрических средств обнаружения подводных лодок (ПЛ) и может быть использовано для обнаружения и определения местоположения и классификации геомагнитных аномалий и затонувших кораблей.

Известно устройство для определения глубины залегания магнитной аномалии (патент Великобритании №1351912, кл. G 01 V 3/08, G 01 V 3/14). Измерения индукции магнитного поля, содержащие полезный сигнал, обусловленный магнитной аномалией, и помехи, вызванные магнитным полем носителя и вариациями магнитного поля Земли (МПЗ),с выхода магнитометра поступают на блок фильтрации. С выхода блока фильтрации сигнал, очищенный от помех, спектр которых находится вне полосы спектра сигнала, поступает на вход вычислителя, который обеспечивает определение глубины магнитной аномалии в соответствии с выражением:

где m - константа, зависящая от направления движения носителя;

Н_max - максимальное значение индукции измеренного магнитного поля;

- максимальное значение производной от индукции измеренного поля по направлению движения носителя.

Известное устройство обладает существенным недостатком, заключающимся в том, что оно определяет только одну координату источника магнитной аномалии.

Известна также бортовая магнитометрическая система для определения координат ПЛ (авт.св. СССР №134289 кл. G 01 V 3/08, G 01 V 3/16), содержащая три магнитометра. Измеренные одновременно сигналы с выходов трех магнитометров поступают через соответствующие фильтры, отфильтровывающие помехи, на блоки вычитания, где образуются разностные сигналы δH₁₂, δH₂₃, δH₁₃, в которых исключены помехи, обусловленные вариациями МПЗ. Разностные сигналы являются функциями координат и составляющих вектора магнитного момента ПЛ. Вычислитель, решая систему из трех нелинейных уравнений, определяет координаты ПЛ. Это устройство обладает недостатком - требует наличия априорной информации о векторе магнитного момента ПЛ и начального приближения для решения системы нелинейных уравнений.

Известно также устройство, реализующее описанный в патенте США №4309659, кл G 01 V 3/40, G 01 V 3/165 метод определения местоположения магнитной аномалии. Это устройство содержит четыре (или три) компонентных магнитометра, преобразователь сигналов, гироскоп, вычислитель и индикаторы направления, уклонения высоты и магнитного момента. С магнитометров измерения составляющих вектора индукции магнитного поля и сигнал курса носителя с гироскопа поступают на преобразователь, где аналоговые сигналы преобразуются в цифровой вид. Сигналы с преобразователя поступают в вычислитель, который вычисляет координаты и составляющие вектора магнитного момента путем решения полинома шестой степени.

Это устройство обладает существенными недостатками: возможна обработка ложного сигнала, т.к. не решена задача оптимального обнаружения сигнала, т.е. не обеспечен минимальный уровень ложных тревог; велики ошибки в определении координат и составляющих вектора магнитного момента ПЛ, т.к. предложенный метод не учитывает характеристики помех, на фоне которых производится обработка сигнала, не обеспечивает однозначного определения координат и магнитного момента ПЛ.

Известна также бортовая магнитометрическая система для определения местоположения ПЛ. Эта система по своему назначению и технической сущности является наиболее близкой предлагаемому техническому решению. По максимальному количеству сходных существенных признаков эта система выбирается за прототип.

Система, выбранная за прототип (фиг.1), содержит магнитометр 1, фильтр 2, преобразователь напряжения - код (ПНК) 3, датчик скорости носителя 4, устройство оценивания весовых коэффициентов магнитометрического сигнала подводной лодки (МС ПЛ) 5 и вычислитель глубины 6. Выход магнитометра 1 через фильтр 2 подключен к входу вычислителя глубины 6 и к первому входу ПНК 3. Выход датчика скорости носителя 4 подключен ко второму входу ПНК 3, выход которого подключен к входу устройства оценивания весовых коэффициентов МС ПЛ 5.

Система, выбранная за прототип, работает следующим образом. Измерения индукции магнитного поля, содержащие МС ПЛ и помехи, с выхода магнитометра 1, "очищенные" фильтром 2 от составляющих, лежащих вне спектра МСПЛ, поступают на вход ПНК3. Частота дискретизации входного сигнала ПНК3 пропорциональна скорости носителя магнитометрической системы и изменяется в зависимости от величины сигнала с датчика скорости носителя 4, поступающего на другой вход ПНК3, чем достигается инвариантность последующей обработки изменений индукции магнитного поля к изменениям скорости носителя. С выхода ПНК3 изменения индукции магнитного поля в цифровом виде поступают на вход устройства оценивания весовых коэффициентов МС ПЛ 5.

В результате обработки входной информации устройство оценивания весовых коэффициентов формирует оценки параметров , , , . Полученные оценки параметров МС ПЛ используются для определения положения плоскости траверса ПЛ в соответствии с выражением для величины МС ПЛ в точке траверса:

Вычислитель глубины осуществляет определение глубины ПЛ в соответствии с выражением (1). Эта система обладает существенным недостатком, заключающимся в том, что она определяет только две координаты ПЛ, а именно: глубину погружения и траверс, т.е. не обеспечивает однозначное определение положения ПЛ, что приводит к большим ошибкам в определении координат ПЛ.

Цель настоящего изобретения - повышение точности определения координат ПЛ и ее классификация по величине магнитного момента.

Это достигается тем, что в бортовую магнитометрическую систему, содержащую последовательно соединенные магнитометр и фильтр, а также ПНК, датчик скорости носителя, выход которого подключен к первому входу ПНК, и устройство оценивания весовых коэффициентов МСПЛ, введены второй магнитометр, второй фильтр, коммутатор, блок управления и блок памяти, причем выход второго магнитометра через второй фильтр подключен ко второму входу коммутатора, первый вход которого подключен к выходу первого фильтра, а выход коммутатора подключен ко второму входу ПНК, выход которого подключен к входу блока памяти, выход которого подключен к входу устройства оценивания весовых коэффициентов МС ПЛ, а два выхода блока управления подключены соответственно к управляющим входам коммутатора и блока памяти.

Заявителем не обнаружено технических решений со сходными признаками, и поэтому можно считать, что предложенное решение обладает существенными отличиями.

Введение в систему второго магнитометра, разнесенного в пространстве с первым, позволяет определить траверс ПЛ, глубину погружения ПЛ, боковое уклонение от первого и второго магнитометров, составляющие и модуль вектора магнитного момента ПЛ, что позволяет повысить точность определения координат ПЛ и классифицировать ее.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена структурная схема прототипа, на фиг.2 изображена структурная схема предложенной магнитометрической системы, на фиг.3 представлена структурная схема коммутатора, на фиг.4 изображена структурная схема блока управления, на фиг.5 изображена декартова система координат XYZ с центром 0 в точке расположения ПЛ, ось Y которой направлена по линии полета носителя магнитометрической системы АА', ось Z проходит через линию полета, ось X ортогональна первым двум осям.

Предлагаемая система (фиг.2) как и прототип, содержит последовательно соединенные магнитометр 1 и фильтр 2, а также ПНК 3, датчик скорости носителя 4, выход которого подключен к первому входу ПНК 3, и устройство оценивания весовых коэффициентов МС ПЛ 5.

В отличие от прототипа в систему введены второй магнитометр 7, второй фильтр 8, коммутатор 9, блок памяти 10 и блок управления 11, причем выход второго магнитометра 7 подключен к входу второго фильтра 8. Выходы фильтров 2 и 8 подключены к двум соответствующим входам коммутатора 9, к управляющему входу которого подключен первый выход блока управления 11, а выход коммутатора 9 подключен ко второму входу ПНК3, выход которого подключен ко входу блока памяти 10, к управляющему входу которого подключен второй выход блока управления 11. Выход блока памяти 10 подключен к входу устройства оценивания весовых коэффициентов МС ПЛ 5.

Коммутатор 9 может быть выполнен, например, на 2-х логических элементах "2И" (фиг.3) и собран на микросхеме 564ЛА7.

Блок памяти 10 представляет собой известное устройство, которое может быть выполнено на интегральных микросхемах 134РУ6А.

Блок управления 11 (фиг.4) может содержать, например, кварцевый генератор 12, выполненный на резонаторе РГ-05-16ЕТ-5000 кГц, формирователь импульсов 13 и генератор одиночных импульсов 14. Формирователь импульсов 13 может быть выполнен по схеме, приведенной в Справочнике по интегральным микросхемам на стр.724. (Издательство "Энергия", М, 1981 г.). Его выход соединен с управляющим входом блока памяти 10. Генератор одиночных импульсов 14 может быть выполнен по схеме, приведенной на стр.670 указанного Справочника. Выход генератора одиночных импульсов 14 соединен с управляющим входом коммутатора 9.

Поясним принцип работы предлагаемой системы.

Известно, что МС ПЛ, формируемый магнитометром при полете носителя в магнитном поле ПЛ, можно представить в виде разложения в ряд по ортонормированным базисным функциям (статья Яроцкого В.А. Оптимальное обнаружение магнитного диполя, Измерительная техника, - 1993. - №10 - с.43-45)

где α_j - весовые коэффициенты, а S_j(R _z, R_y) - базисные функции, равные:

R_z - наклонная траверсная дальность;

R_y=V·t - расстояние по линии полета;

V - скорость носителя;

T - текущее время;

M_x , M_y, M_z - составляющие вектора магнитного момента ПЛ;

K_x, K_y, K_z - составляющие орта индукции МПЗ.

Известно также, что оптимальным устройством оценивания весовых коэффициентов МС ПЛ является многоканальный корреляционный приемник, в котором в качестве опорных функций используются три базисные функции S _j(R_z, R_y) разложения МС ПЛ в ряд (авторское свидетельство СССР №209034, кл. G 01 V 3/08, 3/16).

Устройство оценивания весовых коэффициентов МС ПЛ производит оценку параметров МС ПЛ, которые затем используются для решения задачи обнаружения. Для этого вычисляется отношение правдоподобия, которое сравнивается с порогом обнаружения, определенным автоматически или заданным вручную. Если отношение правдоподобия превышает установленный порог обнаружения, то принимается решение об обнаружении МС ПЛ и устройство оценивания весовых коэффициентов выдает оценки параметров , , , которые используются для определения координат, и составляющих вектора магнитного момента ПЛ. По результатам обработки информации от одного магнитометра возможно лишь определение одной координаты ПЛ - положение плоскости траверса.

Для решения задачи совместного определения координат и составляющих вектора магнитного момента ПЛ необходима дополнительная информация от второго магнитометра, разнесенного в пространстве с первым магнитометром на расстояние δ (фиг.5). С этой целью магнитометры могут быть установлены, например, на концах крыльев самолета. Параметры магнитометрических сигналов ПЛ, формируемых двумя магнитометрами, соответственно , , , и , , , , используются для определения глубины погружения ПЛ - h₂, боковых уклонений от 1-го и 2-го магнитометров -δ₁ и δ₂, составляющих и модуля вектора магнитного момента ПЛ - и М в соответствии с выражениями:

где h₁ - высота полета носителя;

γ₁ и γ₂ - углы между осями Z' и Z₁, Z₂, соответственно (фиг.5);

δ - расстояние между магнитометрами.

где K_x', K_y', K_z' - составляющие орта индукции МПЗ в системе координат X'Y'Z'.

Положение плоскости траверса ПЛ определяется в соответствии с выражением для величины МСПЛ в точке траверса:

Предлагаемая система работает следующим образом.

Сигналы с выходов магнитометров 1 и 7 соответственно через фильтры 2 и 8, отфильтровывающие помехи, лежащие вне полосы спектров магнитометрических сигналов ПЛ, поступают на соответствующие входы коммутатора 9.

Коммутатор 9 в зависимости от сигналов управления, поступающих с блока управления 11, поочередно подключает сигналы с выходов фильтров 2 и 8 к входу ПНКЗ, осуществляющего преобразование аналоговых магнитометрических сигналов ПЛ в цифровой вид. С выхода датчика скорости носителя 4 на первый вход ПНКЗ поступает сигнал, обеспечивающий управления частотой дискретизации реализации с выходов фильтров 2 и 8 таким образом, чтобы выборка отсчетов производилась через равные пространственные интервалы.

С выхода ПНКЗ аддитивная смесь магнитометрического сигнала ПЛ и помехи записывается в блок памяти 10. Управление режимами записи и считывания информации в блоке памяти 10 осуществляется блоком управления 11. С выхода блока памяти 10 информация последовательно во времени поступает на вход устройства оценивания весовых коэффициентов МС ПЛ 5, формирующего на своем выходе оценки параметров магнитометрических сигналов которые выдаются в бортовую ЭВМ, где они используются для определения координат ПЛ и ее магнитного момента в соответствии с выражениями (2), (3), а также классификации ПЛ в соответствии с линейной зависимостью, связывающей величину магнитного момента ПЛ с ее водоизмещением:

где Р - водоизмещение ПЛ;

ξ - коэффициент пропорциональности, зависящий от класса ПЛ.

Зависимость (4) позволяет определить водоизмещение ПЛ и ее тип.

Дальность обнаружения D_обн. существующих магнитометрических систем равна 900 м ("Sea Technology, 1979, vol. 20 N 1; "Ocean Science News" 1978, vol. 20, N 47; "Defense Rsi Markets", 1979).

Область возможного присутствия ПЛ можно ограничить полусферой диаметром 1800 м. Математическое моделирование, проведенное на ЭВМ М-220, показало, что среднеквадратичные ошибки в определении координат ПЛ предлагаемой магнитометрической системой составляют σ_x=σ_y=σ_z=180 м

Так как прототип не обеспечивал определения величины бокового уклонения ПЛ, максимальная ошибка в определении координаты ПЛ по боковому уклонению, полученная исходя из дальности обнаружения системы D_обн.=900 м, составляет 1800 м. Таким образом, точность в определении координат местоположения ПЛ предлагаемой системы в 10 раз выше точности существующих систем и прототипа.

Положительный эффект заключается в увеличении точности определения местоположения ПЛ по сравнению с прототипом и возможности классификации обнаруженной ПЛ по ее магнитному моменту.

Формула изобретения

Бортовая магнитометрическая система для определения местоположения подводной лодки, содержащая последовательно соединенные магнитометр и фильтр, а также преобразователь напряжение-код, датчик скорости носителя, выход которого подключен к первому входу преобразователя напряжение-код и устройство оценивания весовых коэффициентов магнитометрического сигнала подводной лодки, отличающаяся тем, что, с целью повышения точности определения координат подводной лодки и ее классификации по величине магнитного момента, в нее введены второй магнитометр, второй фильтр, коммутатор, блок памяти и блок управления, выходы которого соединены с управляющими входами коммутатора и блока памяти, при этом выход второго магнитометра соединен с входом второго фильтра, выходы обоих фильтров соединены через коммутатор с вторым входом преобразователя напряжение-код, выход которого подключен к входу блока памяти, а выход блока памяти соединен с входом устройства оценивания весовых коэффициентов магнитометрического сигнала подводной лодки.

РИСУНКИ