УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВОДОЛАЗОМ МЕСТОПОЛОЖЕНИЯ ГИДРОАКУСТИЧЕСКОГО МАЯКА-ОТВЕТЧИКА

Полезная модель относится к снаряжению водолаза и может быть использована при выполнении подводно-технических работ и при аварийных ситуациях, в частности для определения водолазом местоположения гидроакустического маяка - ответчика, размещенного на объекте, а именно направления и дистанции до него.
Поиск объектов при работе водолаза на дистанциях превышающих сотни метров осуществляется исключительно по гидроакустическому каналу. Для удобства эксплуатации такое устройство должно интегрироваться в систему связи водолаза. При этом, учитывая возросшие за последние годы требования по дальности действия, необходимо обеспечить достаточную точность определения пеленга (не хуже 2-3 градусов) и дистанции (не хуже 1-2 м). Ввиду большой номенклатуры видов водолазного снаряжения и дыхательных аппаратов, требуется снять ограничение на установку антенн приемного тракта на фиксированном расстоянии. Большая сложность как собственно водолазных работ, так и управления водолазными комбинированными устройствами связи-управления-позиционирования требует новых форм представления информации, в том числе речевых.
Известно устройство «Пеленгатор водолаза» по патенту РФ №2494914 от 13.06.2012 г., МПК B63C 11/00; G01S 15/06; G01S 3/802, в котором пеленгация осуществляется с помощью коммутатора, подключающего к станции звукоподводной связи левый или правый телефоны водолаза в зависимости от того на какую антенну раньше приходит сигнал от пеленгуемого маяка. Используются тональные короткие импульсы, что обуславливает низкую точность пеленгования в многолучевом канале из-за интерференции лучей. Существенное ограничение на дистанцию пеленгования накладывает требование превышения сигнала над помехой не менее 10-15 дБ. Дистанция до маяка не определяется.
В устройстве по патенту США US 2013272098 от 2013.10.17 «Underwater Acoustic Array, Communication and Location System», МПК H04B 13/02 пеленгация осуществляется путем приема тональных импульсов двумя ненаправленными антеннами и их суммирования через линию задержки в одном из каналов, перебора задержек до получения максимального сигнала на выходе сумматора, расчета пеленга по задержке и формировании речевого сообщения о величине пеленга. Недостатками этого устройства являются: низкая точность пеленгования в многолучевом канале из-за интерференции лучей; необходимость обеспечения для удовлетворительного детектирования превышение сигнала над помехой не менее 10-15 дБ, отсутствие определителя дистанции; необходимость осреднения сигналов маяка, что увеличивает время принятия решения о направлении на источник сигнала; необходимость изменять положение антенной базы на ортогональное для получения вектора направления, что не всегда возможно при проведении работ.
В «Устройстве и способе с речевым интерфейсом определения водолазом направления на источник тонального звукового сигнала» по патенту РФ №2474837 от 20.06.2011 г. МПК G01S 3/80, предназначенном для дайверов, осуществляется связь, пеленгование маяка и определение дистанции до маяка для чего используются псевдослучайные сигналы. Пеленгация маяка осуществляется с использованием решетки из 4 ненаправленных антенн, расположенных вместе с электронной схемой в отдельном блоке. Несмотря на высокую потенциальную точность пеленгования, благодаря применению сложных сигналов и цифровой обработки, наличие отдельного блока, который приходится держать в руках для пеленгации, является существенным недостатком устройства. Размещение же 4 антенн на водолазе так, чтобы все они обеспечивали нужную конфигурацию и ненаправленный прием, практически невозможно.
Наиболее близким по техническим и функциональным характеристикам к предлагаемому устройству является «Пеленгатор водолаза» по патенту №43370, 30.09.2004, МПК G01S 3/80, который предназначен для пеленгования маяка, излучающего шумоподобные сигналы.
Устройство-прототип содержит два ненаправленных гидроакустических приемника, к выходам которых подключены входы соответствующих каналов двух коррелометров, при этом между выходом одного из приемников и входом одного из каналов одного из коррелометров включен блок задержки сигнала, выходы коррелометров соединены с входами блока обработки, а выход последнего подключен к телефонам водолаза. При работе пеленгатора сигналы, принятые гидроакустическими приемниками, усиливаются и поступают в коррелометры. Величина напряжения на выходе одного коррелометра максимальна при расположении источника (маяка) на линии, перпендикулярной линии, соединяющей приемники (т.н. антенной базе) и проходящей через ее середину. Величина напряжения на выходе второго коррелометра максимальна при нахождении источника на одной из двух линий, расположенных симметрично под углом от линии, перпендикулярной линии соединяющей приемники, и проходящих через центр антенной базы. При пеленгации сигнала водолаз сначала совершает поворот в горизонтальной плоскости в заранее оговоренную сторону, при этом блок обработки отслеживает моменты, когда напряжения взаимнокорреляционной функции (ВКФ) на выходе коррелометров достигают заданной максимальной величины. При появлении максимумов ВКФ в таком порядке: 2-ой коррелометр/1-ый коррелометр, в телефоны водолаза поступает звуковой сигнал, свидетельствующий о том, что маяк находится перед ним. Тем самым устраняется при применении ненаправленных гидроакустических приемников (что необходимо для обеспечения подводной связи) неоднозначность пеленга («спереди/сзади»). Далее водолаз плывет в направлении маяка. При этом блок обработки формирует в телефонах звуковой сигнал, высота тона которого зависит от величины напряжения на выходе первого коррелометра, что позволяет выделять на слух максимум коэффициента корреляции, который соответствует направлению на источник. При отклонении от направления на источник выходное напряжение первого коррелометра уменьшается, изменяя тон сигнала в телефонах, и при установленном значении блок обработки выключает звуковой сигнал. При обратном развороте в направлении маяка звуковой сигнал в телефонах водолаза снова включается. Таким образом, формируется «сектор наведения».
Недостатком прототипа является то, что величина взаимнокорреляционной функции (ВКФ), по которой происходит наведение на маяк, из-за многолучевости существенно меняется и может становиться ниже уровня порога в аппаратуре обработки, по которому формируется звуковой сигнал, свидетельствующий о том, что маяк находится перед водолазом. Кроме того, наведение на маяк по тону, частота которого зависит от амплитуды ВКФ, как показывает практика, требует достаточно длительного обучения водолаза. Наличие побочных максимумов ВКФ из-за относительно узкой полосы пропускания приемных трактов устройства, требует больших усилий, чтобы отличить их тон от тона главного максимума ВКФ, что приводит к ошибкам пеленгования.
В устройстве не предусмотрено измерение дистанции до маяка.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели «Устройство для определения водолазом местоположения гидроакустического маяка» является повышение точности определения направления на гидроакустический маяк и дистанции до него, а также повышение эксплуатационных качеств устройства при его использовании.
Технический результат полезной модели достигается тем, что после передачи водолазом с помощью кнопки команды на запуск маяка последний излучает серию ответных псевдослучайных сигналов с известной структурой, которые принимаются двумя произвольно разнесенными в пространстве ненаправленными антеннами, вычисляются свертки принятых сигналов с эталонным сигналом (взаимнокорреляционные функции - ВКФ), определяется время запаздывания (задержка) одной ВКФ относительно другой ВКФ и знак задержки, определяется задержка ВКФ первого принятого сигнала относительно ВКФ сигнала команды запуска маяка. По задержке первого ВКФ принятого сигнала относительно ВКФ сигнала команды запуска маяка определяется дистанция до маяка, по задержке и знаку сигналов ВКФ с антенн определяется направление на маяк. Данные в речевой форме поступают на телефон водолаза.
Устройство для реализации заявляемого технического результата представлено на:
фиг. 1 - блок схема устройства для определения водолазом местоположения гидроакустического маяка;
фиг. 2 - рисунок, поясняющий действия водолаза при определении направления на маяк.
Устройство включает две ненаправленные гидроакустические антенны А1 и А2, антенна А1 подключена к коммутатору КОМ, линии коммутации которого подключены ко входу усилителя У1 и выходу передатчика ПРД, вход управления коммутатора соединен с первым выходом микропроцессора МК, антенна 2 подключена к усилителю 2, выходы которого и усилителя 1 подключены к первым входам соответстветственно коррелометров КОР1 и КОР2, вторые входы которых соединены с блоком хранения эталона БХЭ, выход КОР1 подключен ко входу первого аналого-цифрового преобразователя АЦП1, а выход КОР2 - ко второму АЦП2, при этом выходы АЦП1 и АЦП 2 подключены ко второму и третьему входам микропроцессора МК соответственно, к четвертому входу которого подключена кнопка запуска КН, к пятому входу МК - блок хранения речевых сообщений БХРС. Выход микропроцессора МК через цифро-аналоговый преобразователь ЦАП соединен с телефоном.
Устройство работает следующим образом.
При нажатии кнопки КН микроконтроллер МК подключает через коммутатор КОМ передатчик ПРД к антенне А1 и передает команду «включение» маяка-ответчика, после чего подключает антенну А1 к усилителю УС1. Маяк принимает команду включения и передает ответный псевдошумовой сигнал, который принимается антеннами А1, А2 и через усилители У1, У2 передается на коррелометры КОР1 и КОР2, где вычисляются свертки сигналов с эталоном, хранящимся в блоке БХЭ (взаимнокорреляционные функции - ВКФ1, ВКФ2). Сигналы с выходов КОР1 и КОР2 через АЦП1 и АЦП2 поступают на микроконтроллер МК, где вычисляется время запаздывания ВКФ1 относительно момента излучения команды включения маяка (t1) и время (t2) и знак временного сдвига ВКФ1 относительно ВКФ2. МК вычисляет дистанцию D до маяка по формуле , где c - скорость звука в воде и угол α между нормалью к линии соединяющей антенны А1, А2 по формуле , где В - расстояние между антеннами А1, А2. В соответствии с вычисленными величинами D и α, микропроцессор выбирает из блока БХРС слова и через ЦАП передает их на телефоны водолаза. При этом, в случае размещения антенн на водолазе, как показано на фиг. 2, если сигнал (ВКФ1) с антенны А1 расположенной со стороны левой руки приходит раньше, чем сигнал (ВКФ2) с антенны А2, расположенной со стороны правой руки водолаза, перед озвучиванием величины угла транслируется слово «слева», если сигнал (ВКФ1) с антенны А1 расположенной со стороны левой руки приходит позже, чем сигнал (ВКФ2) с антенны А2, расположенной со стороны правой руки водолаза, то перед озвучиванием величины угла транслируется слово «справа», например, «слева пять градусов». Для устранения неопределенности в определении направления на маяк реализуется следующая последовательность действий водолаза, которая поясняется фиг. 2.
Водолаз вращается по часовой стрелке, пока речевое сопровождение не изменится со слов «справа… градусов» на слова «слева… градусов», после чего движется вперед. Для удобства наведения указанным способом посылки в первую минуту после запуска маяка формируются часто (примерно 1 раз в секунду), что позволяет водолазу быстро устранить неоднозначность в направлении.
Таким образом, достигается заявленный технический эффект, заключающийся в однозначности определения местоположения источника псевдослучайного сигнала, приходящего с любого направления, с погрешностью пеленгования, как показывает опыт, не более 1-2 угловых градусов, при расположении антенн на дыхательном аппарате или его шлангах на расстоянии около 20-30 см друг от друга, и с точностью определения дистанции около 1-2 м, при этом данные о местоположении маяка и дистанции до него водолаз получает в речевом виде на телефоне, что подтверждает высокие эксплуатационные качества устройства и тем самым существенно облегчает работу водолаза на акватории.