Гидроакустическая синхронная дальномерная навигационная система

 

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

Гидроакустическая синхронная дальномерная навигационная система содержит: донную навигационную базу из М гидроакустических приемников с различными частотами ответа, размещенных на объекте навигации, гидроакустический передатчик с частотой опроса, генератор синхроимпульсов, М-канальный приемник с акустическим входом для ответных сигналов, М измерителей времени распространения гидроакустических сигналов до приемоответчика, работающего на частоте этого канала и обратно, МхN блоков преобразования временных интервалов в дистанции по числу N лучевых траекторий и вычислитель координат объекта навигации. На объекте навигации размещены также шестиэлементный акустический приемник с акустическим входом для приема ответных сигналов, элементы которого образуют три взаимно ортогональные пары гидрофонов, разнесенных на расстояние, меньшее длины волны, второй М-канальный приемник, каждый канал которого содержит три пары усилителей, М измерителей разности фаз, М вычислителей дистанции и угла скольжения и блок задания инвариантной скорости, М блоков выбора луча. 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] состоящая из базы гидроакустических приемников, 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 дистанции.

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

Известна также гидроакустическая синхронная дальномерная навигационная система [2] содержащая донную базу из М-гидроакустических приемоответчиков с различными частотами ответа, размещенные на объекте навигации гидроакустический передатчик, вход которого соединен с выходом синхронизатора, М-канальный приемник, выходы которого подключены к входам М измерителей времени распространения гидроакустических сигналов до соответствующего приемоответчика, работающего на частоте этого канала, и обратно, вторые входы которых соединены с выходами синхронизатора, МхN блоков преобразования временных интервалов в дистанции по числу N возможных лучевых траекторий, входы которых подключены к соответствующим входам 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 выходом М блоков выбора максимального значения.

Наличие в структуре навигационной системы блоков преобразования временных интервалов в дистанции, работающих с учетом лучевой структуры звукового поля, позволяет снизить погрешность определения координат. Такая система является наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому изобретению.

Недостатком указанной навигационной системы является большая погрешность определения дистанции и координат, соответственно, в случае, если первый пришедший на приемник акустический сигнал не соответствует наикратчайшей лучевой траектории. Опыт эксплуатации гидроакустической навигационной системы показывает, что в силу статистического характера звукового поля в морской среде приход акустического сигнала на приемник следует рассматривать как случайное событие, вероятность реализации которого не равна единице. Так, например, если точка наблюдения находится в первой зоне акустической освещенности, то в ней должна регистрироваться четверка лучей, которые соответствуют в порядке возрастания времени распространения прямому лучу, лучу, однократно отраженному от дна, лучу, однократно отраженному от поверхности, и лучу, однократно отраженному от дна и поверхности.

Статистический характер звукового поля проявляется в том, что не все сигналы этой четверки наблюдаются одновременно, а первым пришедшим может оказаться сигнал, не соответствующий наикратчайшей траектории. При пропадании первого сигнала, а тем более при пропадании первых нескольких сигналов, в блок преобразования временных интервалов в дистанции поступает временный отсчет, соответствующий лучевой траектории с отраженными от дна и поверхности лучами, но он будет воспринят как отсчет, соответствующий наикратчайшей лучевой траектории без отражений. Возникающая при этом погрешность определения дистанции по порядку величины соответствует отстоянию приемоответчика от дна или объекта навигации от ближайшей отражающей границы, что соответствует обычно 100 -200 м.

В основу технического решения положена задача уменьшения погрешности определения дистанции в условиях многолучевости при случайном пропадании одного или нескольких первых сигналов из общего числа многократно отраженных сигналов.

Поставленная задача решается тем, что в гидроакустическую синхронную дальномерную навигационную систему, содержащую донную навигационную базу из М приемоответчиков с различными частотами ответа f_m (m 1 M), размещенные на объектах навигации гидроакустический передатчик с частотой опроса f_o, вход которого соединен с первым выходом генератора синхроимпульсов, М-канальный приемник с акустическим входом для ответных сигналов, выходы которого подключены к первым входам М измерителей времени распространения гидроакустических сигналов до приемоответчика, работающего на частоте этого канала и обратно, вторые выходы которых соединены с вторым выходом генератора синхроимпульсов, М х N блоков преобразования временных интервалов в дистанции по числу лучевых траекторий, входы которых соединены с первыми выходами соответствующих измерителей времени распространения, и вычислитель координат объекта навигации, введены размещенные на объекте навигации шестиэлементный акустический приемник с акустическим входом для приема ответных сигналов, элементы которого образуют три взаимно ортогональные пары гидрофонов, разнесенных на расстояние, меньшее длины волны, второй М-канальный приемник, каждый канал которого содержит три пары усилителей, входы которых соединены с соответствующими выходами акустического приемника, М измерителей разности фаз, входы которых соединены с соответствующими выходами второго М-канального приемника, М вычислителей дистанции и угла скольжения, первые входы которых соединены с выходами соответствующих измерителей разности фаз, а вторые входы соединены с вторыми выходами соответствующих измерителей времени распространения, блок задания инвариантной скорости, выход которого соединен с третьими входами вычислителя дистанции и угла скольжения, М блоков выбора луча, первые входы которых соединены с выходами соответствующих измерителей дистанции и угла скольжения, вторые входы соединены с выходами соответствующих N блоков преобразования временных интервалов в дистанции, а выходы соединены с входом вычислителя координат объекта навигации.

В отличие от прототипа в предлагаемой навигационной системе определение искомой дистанции в каждом канале происходит в три этапа. На первом этапе в блоке преобразования временных интервалов в дистанции вычисляются для каждого канала М набор N дистанций, соответствующих различным лучевым траекториям. Критерий выбора максимальной дистанции из N возможных на этом этапе не применяется, поскольку измеренный временной отсчет может и не соответствовать наикратчайшей траектории.

На втором этапе с помощью шестиэлементного акустического приемника, элементы которого образуют три взаимно ортогональные пары, измеряются разности фаз Δϕ_x, Δϕ_y, Δϕ_z вдоль координатных осей X Y Z, образованных парами гидрофонов на каждой из ответных частот f_m (m 1 M). Искомые дистанции в каждом канале определяются через измеренное время распространения и разность фаз в направлении на источник по алгоритму, использующему инвариантную скорость, которая не зависит от вида лучевой траектории /3/: где t_г групповое время распространения, соответствующее в рассматриваемом случае времени распространения рабочего сигнала, С_г - групповая скорость в горизонтальном направлении, C_ϕ,r фазовая скорость в горизонтальном направлении, ω круговая частота, l расстояние между приемными элементами в каждой паре, r горизонтальное расстояние.

Для неоднородной морской среды с профилем скорости С (Z) в качестве инвариантной скорости можно взять среднегармоническую скорость По измеренным в каждом канале разностям фаз Δϕ_x, Δϕ_y, δϕ_z определяется также угол скольжения α соответствующий принятому сигналу: На третьем этапе вычисленные по алгоритмам (1) (3) горизонтальная дистанция и угол скольжения (r,α) сравниваются с вычисленными в блоке преобразования временных интервалов в дистанции величинами (r,α)n n 1 N для каждого луча n∈N. В качестве правила отбора принимается критерий минимума погрешности: Идентифицированная по критерию (4) лучевая траектория и соответствующая ей горизонтальная дистанция r_n считаются истинными и используются далее для определения координат объекта навигации. Таким образом, заявленная навигационная система в новой совокупности существующих признаков по своим характеристикам превосходит известные навигационные системы, а совокупность существенных признаков заявленного изобретения имеет причинно-следственную связь с достигаемым результатом.

На чертеже приведена блок-схема гидроакустической синхронной навигационной системы, где приняты следующие обозначения: I_m приемоответчик m-го канала, m 1 M;
2 передатчик акустических импульсов запроса на частоте f_o;
3 первый М-канальный приемник акустических сигналов;
4_m измеритель времени распространения акустических сигналов в "m"-ом канале;
5_m блок выбора луча m-го канала;
6_mn блок преобразования временных интервалов в дистанцию n ∈ (1, N);
7 вычислитель координат объекта навигации;
8 генератор синхроимпульсов;
9 шестиэлементный акустический приемник;
10 второй М-канальный приемник;
11_m измеритель разности фаз m-го канала;
12 вычислитель дистанции и угла скольжения в m-ом канале.

Навигационная схема работает следующим образом. Генератор синхроимпульсов 8 запускает передатчик акустических сигналов 2 и обнуляет М измерителей времени распространения акустических сигналов до приемоответчиков и обратно 4m.

В момент запуска передатчик 2 излучает акустический сигнал запроса на частоте f_o, который, распространяясь в водной среде, принимается приемоответчиками I_m. Каждый из приемоответчиков излучает в момент прихода на него сигнала запроса акустический сигнал ответа на частоте f_m. Сигналы, излученные приемоответчиками, распространяясь в водной среде, принимаются первым М-канальным приемником гидроакустических сигналов 3. Каждый из каналов приемника настроен на одну из частот f_m (m 1 M) таким образом, что в каждом канале усиливается и детектируется сигнал ответа, излученный соответствующим ему приемоответчиком I_m.

Усиленные в первом приемнике 3 сигналы с выхода каждого из каналов поступают на запирающий вход соответствующих измерителей времени 4_m и запирают его своим передним фронтом от импульсов-меток времени генератора синхроимпульсов 8. Информация о накопленном числе меток времени, характеризующем время распространения акустического сигнала до m-го приемоответчика и обратно, поступает в соответствующие N блоков преобразования временных интервалов в дистанции. В каждом из N блоков по измеренному времени распространения определяются дистанция и угол скольжения, соответствующие n-й лучевой траектории, причем различные лучевые траектории (лучи) отличаются числом отражений от поверхности и дна.

Кроме этого, ответные акустические сигналы поступают на шестиэлементный акустический приемник, элементы которого образуют три взаимно ортогональные пары гидрофонов, разнесенных на базовое расстояние l<λ, (λ длина волны). С выхода акустического приемника акустические сигналы поступают на вход второго М-канального приемника, каждый канал которого настроен на частоту соответствующего приемоответчика f_m и содержит три пары усилителей по числу пар гидрофонов акустического приемника. С выходов приемников каждого канала сигналы частоты f_m поступают на вход измерителя разности фаз 11_m, который последовательно измеряет величины Dv_x, Δϕ_y, Δϕ_z по каждой паре сигналов. Измеренные разности фаз из блоков 11_m, времени распространения акустических сигналов, измеренные в блоках 4_m, а также вычисленные в блоке 13 значения инвариантной скорости поступают в соответствующие блоки вычисления дистанции и угла скольжения 12_m. Вычисленные по формулам значения дистанции и угла скольжения используются в качестве первого приближения для идентификации искомой лучевой траектории в соответствии с критерием (4) в блоках 5_m выбора луча. Точные значения дистанций r_n, удовлетворяющие этому критерию, поступают с выходов блоков 5_m в блок вычисления координат объекта навигации 7.

Таким образом, в заявляемой навигационной системе высокая точность определения координат объекта навигации сохраняется и при случайном пропадании сигналов, соответствующих наикратчайшим лучевым траекториям.

Литература
1. П. Х.Млан. Гидроакустические системы позиционирования. Л. Судостроение, 1989, с.49 -60.

2. Патент РФ N713278, кл. G01S 9/66, 1993.

3. Патент РФ N1327685, кл. G01S 15/88, 1993.

Формула изобретения

Гидроакустическая синхронная дальномерная навигационная система, содержащая донную навигационную базу из М гидроакустических приемоответчиков с различными частотами ответа f_m (m 1 M), размещенные на объекте навигации гидроакустический передатчик с частотой опроса f_о, вход которого соединен с первым выходом генератора синхроимпульсов, М-канальный приемник с акустическим входом для ответных сигналов, выходы которого подключены к первым входам М измерителей времени распространения гидроакустических сигналов до приемоответчика, работающего на частоте этого канала, и обратно, вторые входы которых соединены с вторым выходом генератора синхроимпульсов, М х N блоков преобразования временных интервалов в дистанции по числу N лучевых траекторий, входы которых соединены с первыми выходами соответствующих измерителей времени распространения, и вычислитель координат объекта навигации, отличающаяся тем, что в нее введены размещенные на объекте навигации шестиэлементный акустический приемник с акустическим входом для приема ответных сигналов, элементы которого образуют три взаимно ортогональные пары гидрофонов, разнесенных на расстояние, меньшее длины волны, второй М-канальный приемник, каждый канал которого содержит три пары усилителей, входы которых соединены с соответствующими выходами акустического приемника, М измерителей разности фаз, входы которых соединены с соответствующими выходами второго М-канального приемника, М вычислителей дистанции и угла скольжения, первые входы которых соединены с выходами соответствующих измерителей разности фаз, а вторые входы соединены с вторыми выходами соответствующих измерителей времени распространения, блок задания инвариантной скорости, выход которого соединен с третьими входами вычислителей дистанции и угла скольжения, М блоков выбора луча, первые входы которых соединены с выходами соответствующих измерителей дистанции и угла скольжения, вторые входы с выходами соответствующих N блоков преобразования временных интервалов в дистанции, а выходы соединены с входом вычислителя координат объекта навигации.

РИСУНКИ

Рисунок 1