Гидроакустическая синхронная дальномерная навигационная система для мелкого моря

 

Изобретение относится к гидроакустическим навигационным системам и может быть использовано для навигационного обеспечения подводных аппаратов. Гидроакустическая синхронная дальномерная навигационная система содержит донную навигационную базу из М гидроакустических приемоответчиков с различными частотами ответа f_m(m=1-М), размещенный на объекте 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, выполненный М·N-канальным по числу М·N рабочих частот ответа f_mn, М измерителей времени распространения гидроакустических сигналов от объекта навигации до приемоответчика, работающего на частоте этого канала и обратно, выполненный М·N-канальным, М·N блоков преобразования временных интервалов в дистанции по числу N лучевых траекторий, входы которых соединены с выходами соответствующих измерителей времени распространения, и вычислитель координат объекта навигации, на гидроакустических приемоответчиках размещены М идентичных вертикально ориентированных приемных антенн, каждая из которых состоит из М пар противофазно возбуждаемых групп по 2N+1 гидрофонов, расстояние между которыми равно половине длины волны на частоте опроса f_o. Размещенные на гидроакустических приемоответчиках акустические передатчики выполнены N-частотными с частотами ответа f_mn. На объекте навигации размещена вертикально ориентированная приемная антенна, состоящая из М пар противофазно возбуждаемых групп по 2N-1 гидрофонов, расстояние между которыми равно половине длине волны на верхней частоте f_mn рабочего диапазона частот. Технический результат заключается в уменьшении погрешности измерения координат. 2 ил.

Изобретение относится к гидроакустическим навигационным системам 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 навигационную донную базу из М гидроакустических приемоответчиков с различными частотами ответа f_m(m=1-M), размещенный 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 входам М измерителей времени распространения гидроакустических сигналов до соответствующего приемоответчика, работающего на частоте этого канала и обратно, вторые входы которых соединены со вторыми выходами 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 с учетом лучевой структуры звукового поля, позволяет снизить погрешность определения координат.

Известная навигационная система по своей технической сущности, функциональному назначению и достигаемому техническому результату является наиболее близкой к заявляемому изобретению.

Недостатком известной навигационной системы является большая погрешность определения дистанции и координат соответственно при работе в мелком море, когда временные задержки между отдельными лучами уменьшаются, а сами лучи невозможно идентифицировать и выделить отдельно.

В основу изобретения положена задача уменьшения погрешности измерения координат при работе гидроакустической синхронной дальномерной навигационной системы в мелком море в условиях развитой многолучивости.

Поставленная задача решается тем, что в гидроакустическую синхронную дальномерную навигационную систему, содержащую 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 от объекта навигации до приемоответчика, работающего на частоте этого канала и обратно, вторые входы которых соединены со вторым выходом генератора синхроимпульсов, M·N блоков преобразования временных интервалов в дистанции по числу N лучевых траекторий, входы которых соединены с выходами соответствующих измерителей времени распространения, и вычислитель координат объекта навигации, введены размещенные на гидроакустических приемоответчиках М идентичных вертикально ориентированных приемных антенн, каждая из которых состоит из М пар противофазно возбуждаемых групп по 2N+1 гидрофонов, расстояние между которыми равно половине длины волны на частоте опроса f_о, а размещенные на гидроакустических приемоответчиках акустические передатчики выполнены N частотными с частотами ответа f_mn, равномерно распределенными в рабочем интервале частот f₁₁-f_MN, на объекте навигации размещена вертикально ориентированная приемная антенна, состоящая из М пар противофазно возбуждаемых групп по 2N+1 гидрофонов, расстояние между которыми равно половине длины волны на верхней частоте f_MN рабочего диапазона частот, М канальный приемник с общим акустическим входом для приема ответных сигналов выполнен M·N-канальным по числу M·N рабочих частот ответа f_mn, М - канальный измеритель времени распространения акустических сигналов от объекта навигации до приемоответчика, работающего на частоте этого канала и обратно, выполнен M·N-канальным, входы которого соединены с соответствующими выходами приемника, а выходы соединены с соответствующими входами M·N блоков преобразования временных интервалов в дистанции, введены М измерителей расстояния от объекта навигации до каждого из гидроакустических приемоответчиков, вход каждого измерителя расстояний соединен с N выходами, соответствующими различным лучам, из M·N выходов блока преобразования временных интервалов в дистанции, а выходы измерителей расстояний соединены с входом вычислителя координат.

В отличие от прототипа в заявленной гидроакустической синхронной дальномерной навигационной системе прием акустических сигналов производится вертикально ориентированными направленными антеннами. Характеристика направленности приемной антенны, установленной на каждом гидроакустическом приемоответчике, содержит на частоте опроса f_о два лепестка, симметрично расположенные относительно горизонтального направления, которым соответствуют углы скольжения α₀= ±arcsin 1/2N, ширина каждого лепестка на уровне 0,7 от максимального определения выражением 2Δα₀ = 60/M·N, т.е. определяется полной длиной приемной вертикальной антенной, выраженной в длинах волн.

Характеристика направленности приемной антенны, установленной на объекте навигации, содержит два лепестка, симметрично расположенные относительно горизонтального направления, которым соответствуют углы скольжения a ширина каждого лепестка на уровне 0,7 от максимального оценивается аналогичным выражением Поскольку каждый приемоответчик излучает ответный сигнал, содержащий N спектральных составляющих f_mn, n= 1-N, а каждой спектральной составляющей соответствует свой угол скольжения, то ответный сигнал, излученный каждым приемоответчиком, принимается вдоль N углов скольжения α_mn, n=1-N, которым соответствуют (N)_m лучевых траекторий.

Таким образом, частотному разделению ответных сигналов соответствует угловое разделение лучевых траекторий и селективный прием отдельных лучей направленной приемной антенной. В свою очередь угловая селекция лучевых траекторий позволяет уменьшить погрешность определения расстояний в мелком море. Сами расстояния определяются следующим образом.

По измеренному времени распространения t_o,mn акустического сигнала от объекта навигации до гидроакустического приемоответчика и обратно и известным углам приема α₀,α_mn определяются в первом приближении время распространения акустического сигнала с частотой опроса f_o от объекта навигации до приемоответчика t⁽¹⁾_o и время распространения акустического сигнала от приемоответчика, излучающего ответный сигнал с частотой f_mn, до объекта навигации t⁽¹⁾_mn По найденным временам t⁽¹⁾_m, t⁽¹⁾_o, известному профилю скорости звука C(z) на акватории мелкого моря и горизонтам излучения-приема Z_о, Z_m, соответствующим объекту навигации и гидроакустическому приемоответчику, в блоке преобразования временных интервалов в дистанции определяются горизонтальные расстояния r⁽¹⁾_o,mn и r⁽¹⁾_mn,o, соответствующие первому приближению к искомому расстоянию, и уточненные значения углов скольжения на горизонтах получения-приема α⁽₀¹⁾,α⁽¹_mn⁾, по которым снова определяются во втором приближении t⁽²⁾_mn, t⁽²⁾_o По найденным временам t⁽²⁾_mn, известному профилю скорости звука C(z) и горизонтам излучения-приема z_o, z_m определяются в блоке преобразования временных интервалов в дистанции горизонтальные расстояния r⁽²⁾_o,mn, r⁽²⁾_mn,o и углы скольжения α⁽₀²⁾,α⁽²_mn⁾ во втором приближении, а за искомое значение расстояния между объектом навигации и m-м гидроакустическим приемоответчиком принимается среднее значение r_mn = (r⁽²⁾_o,mn·r⁽²⁾_mn,o)^1/2.

Найденные значения расстояний r_mn поступают в блок измерителей расстояний от объекта навигации до каждого приемоответчика, где они усредняются по всем N лучевым траекториям, а искомое расстояние r_m определяется алгоритмом усреднения в которой роль весовых коэффициентов играют коэффициенты правдоподобия a_n. По набору расстояний r_m определяются координаты объекта навигации.

Таким образом, заявленная гидроакустическая синхронная дальномерная навигационная система в новой совокупности существенных признаков является новой, обладает изобретательским уровнем, т.е. она явным образом не следует из уровня техники и по своим характеристикам превосходит известные навигационные системы. Совокупность существенных признаков заявленного изобретения имеет причинно-следственную связь с достигаемым техническим результатом.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 приведена блок-схема гидроакустической синхронной дальномерной навигационной системы; на фиг. 2 - лучевые схемы распространения акустических сигналов опроса и ответа в мелком море: а) излучение и прием сигнала опроса на частоте f_o, б) излучение и прием ответного сигнала на частотах f_mn.

На чертежах приняты следующие обозначения: 1_m - приемоответчик m-го канала, m=1-М;
2 - передатчик акустических импульсов опроса частотой f_о;
3_mn - M·N-канальный приемник ответных акустических сигналов;
4_mn - M·N-канальный измеритель времени распространения акустических сигналов в mn-ном канале;
5_mn - M·N-канальный блок преобразования временных интервалов в дистанции в mn-ном канале;
6_m - измеритель расстояний между объектом навигации и m-м приемоответчиком;
7 - вычислитель координат объекта навигации;
8 - генератор синхроимпульсов;
9 - вертикальная приемная антенна на объекте навигации;
10_m - вертикальная приемная антенна на m-м приемоответчике.

Гидроакустическая синхронная дальномерная навигационная система работает следующим образом.

В момент запуска передатчик 2 излучает акустический сигнал запроса на частоте f_o, который, распространяясь в водной среде, принимается приемоответчиком 1_m. Все акустические сигналы распространяются в мелкoe море под углами скольжения, не превышающими некоторого критического значения, но направленная приемная антенна приемоответчика 10_m принимает только те сигналы, которые распространяются под углами скольжения, близкими к α₀. Каждый из приемоответчиков 1_m излучает в момент прихода на него сигнала запроса N-частотный сигнал ответа, содержащий набор частот f_mn, n=1-N. Сигналы, излученные приемоответчиками 1_m, распространяясь в водной среде, принимаются направленной приемной антенной 9, расположенной на объекте навигации, но из всех возможных лучей принимаются только те, для которых углы скольжения близки к α_mn, n = 1-N. M·N - канальный приемник 3_mn принимает все акустические сигналы с частотами f_mn, каждой из которых соответствует луч с углом скольжения α_mn. Усиленные в приемнике сигналы с выхода каждого из каналов поступают на запирающий вход соответствующих измерителей 4_mn времени и запирают его своим фронтом от импульсов - меток времени генератора 8 синхроимпульсов. Информация о полученном числе меток времени, характеризующем время распространения акустического сигнала от объекта навигации до m-го приемоответчика и обратно, поступает на вход M·N блоков 5_mn преобразования временных интервалов в дистанции. В каждом блоке 5_mn по измеренному времени распространения определяются дистанция и угол скольжения, соответствующие конкретной траектории. Вычисленные значения дистанций и углов скольжения α⁽²_mn⁾ поступают в M-канальный измеритель 6_m расстояний между объектом навигации и m-м приемоответчиком 1_m, где значения r_mn усредняются по N лучевым траекториям с учетом отклонения вычисленных углов скольжения α⁽²_mn⁾ от заданных характеристикой направленности приемной антенны значений α_mn.
Вычисленные значения дистанций r_m поступают в вычислитель 7 координат объекта навигации.

Таким образом, в заявляемой гидроакустической синхронной дальномерной навигационной системе высокая точность определения координат обеспечивается и в мелком море за счет использования направленных приемных антенн, позволяющих выделить вклад отдельных лучей.

Источники информации
1. Милн П.Х. Гидроакустические системы позиционирования.- Л.: Судостроение, 1989, c.49-60.

2. Патент РФ N 713278, кл. G 01 S 9/66, 1993 г.- прототип.

Формула изобретения

Гидроакустическая синхронная дальномерная навигационная система для мелкого моря, 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_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 от объекта навигации до приемоответчика, работающего на частоте этого канала, и обратно, вторые входы которых соединены с вторым выходом генератора синхроимпульсов, M · N блоков преобразования временных интервалов в дистанции по числу N лучевых траекторий, входы которых соединены с выходами соответствующих измерителей времени распространения, и вычислитель координат объекта навигации, отличающаяся тем, что в нее введены размещенные на гидроакустических приемоответчиках М идентичных вертикально ориентированных приемных антенн, каждая из которых состоит из М пар противофазно возбуждаемых групп по 2N+1 гидрофонов, расстояние между которыми равно половине длины волны на частоте опроса f_o, а размещенные на гидроакустических приемоответчиках акустические передатчики выполнены N-частотными с частотами ответа f_mn, равномерно распределенными в рабочем интервале
частот f₁₁-f_MN, размещенная на объекте навигации вертикально ориентированная приемная антенна, состоящая из М пар противофазно возбуждаемых групп по 2N+1 гидрофонов, расстояние между которыми равно половине длины волны на верхней частоте f_MN рабочего диапазона частот, при этом М-канальный приемник с общим акустическим входом для приема ответных сигналов выполнен M · N-канальным по числу M · N рабочих частот ответа f_mn, М-канальный измеритель времени распространения акустических сигналов от объекта навигации до приемоответчика, работающего на частоте этого канала, и обратно, выполнен M · N-канальным, его входы соединены с соответствующими выходами приемника, а выходы - с соответствующими M · N входами M · N блоков преобразования временных интервалов в дистанции, введены М измерителей расстояния от объекта навигации до каждого из гидроакустических приемоответчиков, вход каждого измерителя расстояния соединен с N выходами, соответствующими различным лучам, из M · N выходов блока преобразования временных интервалов в дистанции, а выходы измерителей расстояний соединены с входом вычислителя координат.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2