СИСТЕМА ОПРЕДЕЛЕНИЯ КООРДИНАТ ПОДВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ
SYSTEM FOR DETERMINING COORDINATES OF UNDERWATER OBJECTS

Изобретение относится к области подводной навигации и может быть применено при определении географических координат группы автономных подводных мобильных объектов или дистанционно управляемых объектов - подводных пловцов, управляемых подводных устройств, роботов, морских животных и т.д., в процессе движения.
Например, изобретение относится к области гидроакустических навигационных систем, позволяющих определить пространственные географические координаты подвижного объекта при его перемещении под поверхностью воды. Предложенное изобретение позволяет точнее и надежнее определить навигационные параметры каждого движущегося объекта из группы. Предлагаемая система включает навигационные измерительные устройства, использующие методы измерения в базовой и географической системах координат объекта. В качестве базовой системы координат выбирают выносную измерительную базу, в качестве географической системы координат - глобальную спутниковую систему позиционирования (Global Positioning System, GPS).
Известны три типа систем определения координат подводных объектов с помощью гидроакустики, отличающиеся между собой размерами измерительных баз (базовых линий), которые представляют собой расстояния между гидроакустическими антеннами, образующими измерительную решетку [1, с.23]. Это системы со сверхкороткой базой (Ultra Short Baseline, USBL), системы с короткой базой (Short Baseline, SBL), системы с длинной базой (Long Baseline, LBL).
USBL-системы относятся к угломерным системам, в которых направление на объект определяется путем измерения разности фаз между элементами антенны, образованной как минимум двумя гидроакустическими преобразователями, установленными на расстоянии друг от друга менее 10 см. Однако такие системы обладают ограниченной точностью определения координат и низкой помехозащищенностью.
SBL-системы относятся к разностно-дальномерным системам, в которых координаты подводного объекта вычисляются по разности времен прихода (Time of Arrival, TOA) передних фронтов импульсов, излучаемых гидроакустическим передатчиком с подводного объекта на три гидроакустических приемника, расположенных под водой и образующих две пересекающиеся базы. Точность определения координат зависит от длины базы, которая для систем с короткой базой составляет около 20 м. Эти системы также подвержены влиянию шумов, и, кроме того, оборудование судна спускоподъемными устройствами с гидроакустическими антеннами для формирования короткой базы требует выполнения большого объема дорогостоящих работ при постановке судна в док. При этом базовые линии необходимо точно юстировать относительно диаметральной плоскости судна. Точность определения координат снижается также из-за неточности в ориентации базовых линий, а также из-за необходимости учета крена и дифферента судна.
Наиболее близкими к заявляемому техническому решению являются LBL-системы. Они относятся к дальномерным системам, в которых местоположение подводного объекта вычисляется по результатам измерения расстояний между подводным объектом и, как минимум, тремя маяками-ответчиками, установленными в различных точках морского дна в нескольких километрах друг от друга.
Известно изобретение «Способ и устройство для мониторинга и удаленного контроля беспилотного мобильного подводного устройства», патент US №5579285, МПК G01S 5/00, G01S 5/14, G01S 11/14, опубл. 21.08.1995, в соответствии с которым в различных точках поверхности моря устанавливаются дрейфующие буи, образующие длинную базу. Каждый буй в своем составе имеет навигационный приемник глобальной системы позиционирования (GPS), часы, синхронизированные с часами GPS, гидроакустическую приемную систему с преобразователем, заглубленным под поверхностью моря, и радиомодем. Такие буи получили название GIB-буи (GIB - Global Intelligent Buoy). Каждый буй измеряет собственные координаты и времена запаздывания ТОА, и в предустановленные моменты времени передает эти данные по радиоканалу через радиомодем на судно сопровождения или наземную станцию контроля. Гидроакустический передатчик подводного объекта (пингер) периодически излучает сигнал в предустановленные моменты времени. По данным принятых ТОА с учетом скорости звука в воде вычисляются расстояния от подводного объекта до каждого из буев, и по известному алгоритму вычисляются и отображаются координаты подводного объекта и координаты всех буев.
Достоинством такого способа является следующее:
1) не требуется точной юстировки базовых линий, поскольку координаты буев известны в любой момент времени, соответственно, уменьшается погрешность определения координат из-за неточной установки буев;
2) поскольку излучает только пингер подводного объекта, значительно уменьшается объем передаваемых в воде данных, что значительно повышает ресурс работы батареи буя (маяка-ответчика).
Недостатком такого способа является следующее:
1) дрейфующие буи могут быть снесены из района контроля на расстояния, превышающие дальность действия гидроакустической системы и радиомодемов;
2) поскольку ТОА определяется только по переднему фронту приходящего от пингера сигнала, то при низком отношении сигнал/шум (при значительном удалении пингера от буя, значительной интерференции в прибрежной зоне) существует неоднозначность определения времени запаздывания из-за скрывания полезного сигнала шумами [1, с.19].
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является изобретение «Система определения координат подводных объектов», патент RU 2303275, МПК G01S 3/80, опубл. 20.07.2007.
В данном изобретении исключены ошибки определения координат подводного объекта, возникающие из-за шумов судна сопровождения, за счет выполнения измерительной базы в виде системы буев, буксируемой на отдалении от судна. Кабельная «привязка» буев позволяет им всегда находиться в зоне видимости судна сопровождения и быстро передавать данные. Контролируемый подводный объект также выполнен буксируемым и всегда находится внутри измерительной базы, что позволяет обойтись тремя буями вне зависимости от протяженности буксировки. Частое, не реже раза в несколько секунд, определение координат буев позволяет устранить ошибки из-за дрейфа буев.
Недостатки данного изобретения:
1) исполнение измерительной базы в виде буксируемой системы, геометрия которой формируется за счет постоянного движения (буксировки), не позволяет производить определение координат подводных объектов в произвольном месте и в статическом положении;
2) ошибка измерения дальности от подводного объекта до буя, обусловленная, как было рассмотрено ранее, определением времени запаздывания по фронту сигнала пингера;
3) невозможность определения координат нескольких подводных объектов из-за равнозначности их сигналов;
4) ошибка измерения дальности от подводного объекта до буя, обусловленная тем, что при измерении дальности не учитывается зависимость скорости распространения звука в воде от параметров водной среды.
Технической задачей предложенного изобретения является обеспечение получения точных географических координат группы подводных объектов путем использования корреляционного метода приема сигнала пингера заданного вида и учета зависимости скорости распространения звука в воде от параметров водной среды.
Распространение акустического сигнала в воде, особенно на мелководье, характеризуется множественными переотражениями сигнала от поверхности воды, дна и от других подводных объектов. Это приводит к многолучевому распространению сигнала в водной среде и значительному ослаблению сигнала на входе приемника за счет суммирования прямого сигнала и отраженных сигналов, приходящих с различными фазами, т.е. ухудшению соотношения сигнал/шум [1, с.16]. В результате полезный прямой сигнал может случайным образом маскироваться шумами, и возникает неоднозначность определения ТОА при использовании способа обнаружения переднего фронта сигнала пингера. С помощью предложенного способа корреляционного приема предустановленного сигнала пингера с вычислением максимума корреляционной функции можно определить ТОА с высокой степенью однозначности. Например, известно, что при длине синхропосылки 16 бит и отношении сигнал/шум 12 дБ вероятность правильного приема всех 16 бит составляет не менее 99,9%.
Известны многочисленные формулы [1, с.55], отражающие зависимость скорости звука в воде от некоторых параметров. Из этих параметров наибольшее воздействие оказывают глубина (гидростатическое давление), соленость и температура воды. В предлагаемом изобретении данные параметры учитываются следующими способами:
- глубина или гидростатическое давление измеряется непосредственно на подводном объекте любым известным методом и передается в цифровом виде через GIB-буй на станцию контроля;
- для компенсации влияния температуры и солености воды измеряется реальная скорость звука в воде, путем измерения времени прохождения гидроакустического сигнала, излучаемого одним буем по команде станции контроля, до другого буя. Координаты буев, полученные с помощью системы GPS, и время прохождения передаются на станцию контроля, где вычисляется реальная скорость звука. Данная процедура может выполняться один раз, в начале подводных работ, или в любое время по команде станции контроля (например, при изменении погодных условий, вблизи эстуариев и т.п.).
p
l
Для определения координат нескольких подводных объектов в предлагаемом изобретении каждый подводный объект оснащается высокостабильными часами, предварительно синхронизированными по часам GPS. Пингер определенного подводного объекта излучает сигнал только в свой, предустановленный момент времени, в зависимости от номера, присвоенного объекту - объект i излучает свой сигнал в момент времени i·t, объект i+1 - в момент времени (i+1)·t и т.д. Время t должно быть больше времени передачи сигнала пингером t на время распространения сигнала по наибольшей длине измерительной базы (между наиболее удаленными буями) t:
p
l
t>t+t.
Сигналы пингеров n объектов будут переданы за время
T=n·t.
Например, пингер излучает информационную посылку объемом 10 байт со скоростью 600 бод, а расстояние между наиболее удаленными буями составляет 1000 м. Время передачи пингера составит
p
t=10·8·(1/600)=0,133 c.
Время распространения сигнала между буями при средней скорости звука в воде 1500 м/с составит
l
t=1000/1500=0,667 с.
Следовательно, время t должно быть не менее
t=>0,133+0,667=0,8 с.
С учетом времен включения/выключения гидроакустического передатчика выбираем t=1 с. Скорость выдачи сигналов пингеров подводных объектов при таком формате передачи составит 1 объект/секунду.
Все буи должны за время t передать данные об объекте и свои координаты по радиоканалу на станцию контроля. Время обработки данных, вычисления координат и вывода на дисплей ЭВМ станции контроля должно также быть менее времени t. При выполнении этих условий осуществляется определение координат со скоростью 1 объект/секунду (например, обновление координат группы из 10 мобильных подводных объектов полностью определяется за 10 с).
Таким образом, техническим результатом является повышение точности и надежности определения координат и увеличение числа контролируемых подводных объектов.
Заявленный технический результат обеспечивается за счет системы определения координат подводных объектов. Задача решается следующим образом. Система определения координат подводных объектов, содержащая подводный объект, буи, расположенные на поверхности моря, и станцию контроля, причем буи выполнены как часть системы в количестве не менее трех и снабжены радионавигационным приемником Global Positioning System, гидроакустической приемной системой, выделяющей и принимающей сигнал пингера, излучающего гидроакустический сигнал в предустановленные моменты времени и которым снабжен каждый подводный объект, контроллером-измерителем временных интервалов и радиомодемом, согласно заявляемому техническому решению отличается тем, что осуществляется контроль координат группы подводных объектов, причем подводный объект дополнительно содержит высокостабильные часы, предварительно синхронизированные по часам Global Positioning System, датчик гидростатического давления, микроконтроллер и модулятор цифрового сигнала, при этом сигнал пингера представляет собой цифровую посылку, содержащую синхропосылку заданного вида и информацию о гидростатическом давлении, а буи дополнительно содержат корреляционный приемник-демодулятор, причем один из буев дополнительно содержит гидроакустический передатчик.
В качестве вида цифровой модуляции может быть использован энергетически экономичный вид квадратурной фазовой манипуляции (например, DQPSK, π/4 DQPSK и т.п.), что позволяет увеличить скорость передачи сигнала в воде и, соответственно, скорость определения координат каждого из группы подводных объектов.
В модуляторе цифрового сигнала может быть дополнительно использовано частотное уплотнение (например, Orthogonal Frequency-Division Multiplexing, OFDM [2]), что позволяет увеличить дальность действия гидроакустической системы и, соответственно, увеличить величину измерительной базы, точность определения координат и площадь контроля движения подводных объектов.
Сущность изобретения отображена на чертежах, иллюстрирующих систему определения координат подводных объектов.
На Фиг.1 изображена общая схема системы определения координат в аксонометрии.
На Фиг.2 изображена структурная схема узлов системы определения координат.
Сущность изобретения поясняется на Фиг.1, где 1 - подводный объект, 2 - GIB-буи на морской поверхности, 3 - станция контроля, 4 - пингер, R1, R2, R3 - горизонтальные расстояния между буями на поверхности моря, формирующие измерительную базу гидроакустической навигационной системы, L1, L2, L3 - наклонные дальности от подводного объекта 1 до гидроакустического преобразователя 5 каждого из GIB-буев, L1*, L2*, L3* - проекции наклонных дальностей на поверхность моря, А - точка проекции подводного объекта на поверхность, 6 - спутниковая группировка GPS.
Гидроакустический преобразователь - пингер 4 на подводном объекте 1 по временной метке часов, синхронизированных с GPS-часами буев 2, в предустановленный для каждого объекта момент времени излучает сигнал, содержащий цифровые данные, в том числе синхропосылку заданного вида и данные о гидравлическом давлении на объекте. Этот сигнал, принимаемый каждым гидроакустическим приемником 5 буев 2, запаздывает относительно временной метки GPS-часов буев на величину, пропорциональную наклонным дальностям от подводного объекта до каждого из буев. Измеренное с помощью корреляционного приемника время запаздывания, пропорциональное наклонным дальностям, совместно с собственными координатами, полученными с помощью GPS-приемника, и данными о давлении на подводном объекте каждый буй передает на станцию контроля 3 по радиоканалу. Бортовая аппаратура станции 3 принимает данные по радиоканалу и вводит эту информацию в ЭВМ, где по известному алгоритму вычисляются координаты каждого подводного объекта и выводятся на дисплей в виде точек на карте моря и в виде цифровых данных.
Состав системы приведен на Фиг.2.
LBL-систему образуют подводные объекты 1, три GIB-буя 2, 7, 8, и станция контроля 3.
Каждый GIB-буй содержит GPS-приемник 9, гидроакустический приемник 5, корреляционный приемник-демодулятор 10, контроллер-измеритель временных интервалов 11 и радиомодем 12. GIB-буй 2 оснащен дополнительным гидроакустическим передатчиком 13, предназначенным для определения реальной скорости звука в воде.
Каждый подводный объект содержит пингер 4, высокостабильные часы 14, предварительно синхронизированные по часам GPS, датчик гидростатического давления 15, микроконтроллер 16, модулятор цифрового сигнала 17.
Станция контроля 3 содержит радиомодем 18 и ЭВМ 19.
Система работает следующим образом.
GIB-буи 2, 7, 8 устанавливаются на поверхности моря, образуя измерительную базу. Подводные объекты 1 в процессе движения под водой должны находиться в пределах измерительной базы.
Работа системы начинается с процедуры определения реальной скорости звука в воде. По команде станции контроля 3, переданной с помощью радиомодема 18 по радиоканалу на буи 2 и 7, буй 2 в предустановленный момент времени, синхронизированный по GPS-приемнику 9, с помощью гидроакустического передатчика 13 излучает сигнал, состоящий из синхропосылки заданного вида. Гидроакустический приемник 5 буя 7 принимает этот сигнал с помощью корреляционного приемника-демодулятора 10 и с помощью контроллера-измерителя временных интервалов 11 рассчитывает время запаздывания. Далее станция контроля 3 принимает по радиоканалу от всех буев их координаты, а от буя 7 дополнительно время запаздывания сигнала от буя 2 к бую 7, и на основе этих данных с помощью ЭВМ 19 по известной формуле рассчитывает реальную скорость звука в воде.
Расчет координат производится на основе длинной измерительной базы (R1, R2, R3), используя пространственный принцип на основе вычисления расстояний, определенных гидроакустическим методом с измерением времени запаздывания гидроакустического сигнала ТОА корреляционным приемником-демодулятором 10 буев 2, 7, 8 относительно излучаемой пингером 4 подводных объектов 1 синхропосылки заданного вида. При этом подводные объекты 1 снабжают высокостабильными часами 14, предварительно синхронизированными по часам GPS с GPS-приемниками 9 каждого буя 2, 7, 8. Излучение пингера производится в предустановленный момент времени, синхронный с ходом часов 14 и различный для каждого подводного объекта. Сигнал от определенного объекта принимается корреляционным приемником-демодулятором 10 буев 2, 7, 8, где с помощью контроллера-измерителя временных интервалов 11 рассчитывается время запаздывания до каждого буя. Далее каждый буй с помощью радиомодема 12 передает эти времена по радиоканалу на станцию контроля 3, где ЭВМ вычисляет координаты определенного объекта и выводит их на дисплей.
Изменение географических координат буев 2, 7, 8 под влиянием внешних воздействий не приводит к возникновению ошибки определения координат подводных объектов, поскольку каждый буй вместе со временем ТОА подводного объекта передает на станцию контроля 3 собственные координаты, определенные с помощью GPS-приемника 9.
Для увеличения точности определения координат дополнительно используется информация о гидростатическом давлении на каждом объекте, получаемая с помощью датчика гидростатического давления 15. Данная информация в виде цифровых данных излучается пингером 4 вместе с синхропосылкой и после приема ретранслируется буями 2, 7, 8 на станцию контроля 3, где используется для коррекции значения скорости звука в воде для каждого подводного объекта по известной формуле.
В результате достигают заявленный технический результат.
Предложенное техническое решение обеспечивает повышенную точность и надежность определения координат группы мобильных подводных объектов, а также малое время разворачивания и готовности системы к работе.
Источники информации
1. Милн П.Х. Гидроакустические системы позиционирования. Перевод с англ. В.К.Комлева - Л.: Судостроение, 1989 - С.232.
2. Method and apparatus for carrying out high data rate and voice underwater communication. US Patent 6130859 Int. C1, H04B 11/00, Oct. 10, 2000.