МНОГОЧАСТОТНАЯ НАВИГАЦИОННАЯ СИСТЕМА

Полезная модель относится к навигационным средствам и может быть использована для определения пространственных и угловых координат, а также характеристик движения надводных (подводных) объектов относительно установленных на дне гидроакустических маяков с регулируемой точностью измерений, что обеспечит безопасность их движения в сложных метеорологических условиях (плохая видимость, дождь, туман, ночные условия, погруженное состояние и т.п.) по маршруту, предназначенному для плавания и маневрирования в пределах естественных узкостей, фарватеров гидроаэродромов, при входах в гавани и т.д. Преимущественная область использования - гидроакустика, гидроавиация, навигационное гидроакустическое оборудование вспомогательных судов для обслуживания гидродромов.
Известна гидроакустическая навигационная система с короткой базой и маяком-пингером (см. В.И.Бородин, Г.Е.Смирнов, Н.А.Толстякова, Г.В.Яковлев. - Гидроакустические навигационные средства. Л.:
Судостроение, 1983, с.13), содержащая донный маяк-пингер (pinger -гидроакустический маяк, излучающий сигналы по заданной программе. - Терминологический словарь-справочник по гидроакустике. Под ред. А.Е.Колесникова. Л.: Судостроение, 1989. с.155), включающий в себя источник питания, генератор, хронизатор-модулятор, усилитель мощности и излучающий электроакустический преобразователь, а также бортовую аппаратуру объекта-носителя - три ненаправленных акустических приемника, трехканальный приемный тракт, включающий в себя фильтр, усилитель, детектор и формирователь видеоимпульсов в каждом, соединенные с индикатором. Маяк-пингер осуществляет излучение в импульсном режиме по заданной перед постановкой на морской грунт программе, формируя коническую по форме характеристику направленности излучения, сориентированную в пространстве вертикально вверх к поверхности моря. Принятые акустическими приемниками объекта-носителя бортовой аппаратуры сигналы фильтруются, усиливаются, детектируются и формируются в видеоимпульсы с крутыми передними фронтами. Направление на маяк определяют по времени запаздывания видеоимпульсов друг относительно друга на экране осциллографического индикатора.
Признаки, совпадающие с заявляемым объектом: маяк-пингер, включающий в себя источник питания, генератор, хронизатор-модулятор, усилитель мощности и излучающий электроакустический преобразователь, приемные преобразователи, фильтры, усилители, детекторы, индикатор.
Причинами, препятствующими достижению технического результата являются ограниченные эксплуатационные возможности гидроакустической навигационной системы с короткой базой и маяком-пингером, состоящие в том, что вследствие размывания фронтов импульсных акустических сигналов в реальных поглощающих средах (вода, газы и т.д.) мала точность пеленгации источника сигнала, необходимо осуществлять механический поворот базы приемных преобразователей в направлении на пеленгуемый источник при больших значениях углов (более 30°) между направлением на маяк и осью базы, невозможно измерение дистанции до маяка и определение характеристик движения надводного объекта относительно его местоположения, фиксирована как рабочая частота сигнала, так и зона облучения пространства антенной маяка-пингера, отсутствует возможность регулировки точности пеленгации с помощью данного устройства.
см
Известна навигационная система определения угловых направлений на маяк в вертикальных плоскостях, проходящих через оси Х и Y системы координат надводного объекта, используемая для его динамического удержания в определенном направлении (см. А.Л. Простаков. Электронный ключ к океану. - Л.: Судостроение, 1978, с.178), содержащая источник питания, генератор, хронизатор-модулятор, усилитель мощности и излучающий электроакустический преобразователь, что в совокупности образует подводный маяк-пингер, а также бортовую аппаратуру надводного объекта - приемную антенну, состоящую из двух частей и обладающую вследствие этого двухлепестковой диаграммой направленности с частичным перекрытием основных лепестков, что образует равносигнальную зону. Обе части преобразователей антенны соединены через две параллельно включенные цепочки (фильтр, усилитель и детектор) с двумя входами вычитающего устройства, выход которого соединен с индикатором. Маяк-пингер осуществляет излучение в импульсном режиме по заданной перед постановкой на грунт программе, формируя коническую по форме характеристику направленности излучения, сориентированную в пространстве вертикально вверх. Приемная антенна, состоит из двух идентичных преобразователей, развернутых один относительно другого на определенный угол φ таким образом, что их ДН перекрываются на некотором заданном уровне, что позволяет использовать метод равносигнальной зоны. Принятые антенной акустические сигналы от маяка-пингера обрабатываются в параллельных цепочках, причем, при совпадении акустической оси приемной антенны с направлением на маяк сигнал рассогласования будет равен нулю, что и считывается с экрана индикатора.
Признаки, совпадающие с заявляемым объектом: маяк-пингер, включающий в себя источник питания, генератор, хронизатор-модулятор, усилитель мощности и излучающий электроакустический преобразователь, состоящая из двух преобразователей приемная антенна, обладающая двухлепестковой диаграммой направленности с частичным перекрытием лепестков, фильтры, усилители, детекторы, индикатор.
Причинами, препятствующими достижению технического результата являются ограниченные эксплуатационные возможности навигационной системы определения угловых направлений на маяк в вертикальных плоскостях, проходящих через оси Х и Y системы координат надводного объекта, состоящие в том, что необходимо осуществлять механический поворот электроакустических приемных преобразователей до тех пор, пока сигнал рассогласования не окажется сведенным к нулю и в дальнейшем при непрерывном автоматическом сопровождении маяка по направлению» невозможно как измерять дистанцию до маяка, так и определять характеристики движения надводного объекта относительно неподвижного маяка, фиксирована как рабочая частота сигнала, так и зона облучения пространства антенной маяка-пингера, отсутствует возможность регулировки точности пеленгации с помощью данного устройства.
см
В качестве прототипа выбрана навигационная пеленгационная система по пат. ФРГ №2027940, кл. G01S 3/80, опубл. в О.Б. ИЗР №7, 1977, содержащая источник питания, соединенный с генератором, хронизатором-модулятором и усилителем мощности, в свою очередь генератор через хронизатор-модулятор и усилитель мощности соединен с излучающим электроакустическим преобразователем, что в совокупности образует установленный в водной среде автономный маяк-пингер; излучающий электроакустический преобразователь маяка-пингера акустически связан через среду лоцирования с двумя группами приемных акустических преобразователей, соединенных через компенсатор с входами двух фильтров, выходы каждого из которых через усилитель и детектор соединены со входами вычитающего устройства, выход которого соединен со вторым входом индикатором, первый вход которого соединен с дополнительным выходом компенсатора. Работа навигационной пеленгационной системы происходит следующим образом. Маяк-пингер осуществляет излучение в импульсном режиме по заданной перед постановкой на морской грунт программе, формируя коническую по форме характеристику направленности излучения, сориентированную в пространстве вертикально вверх к поверхности моря, на которой находится объект - носитель навигационной пеленгационной системы. Каждая из групп акустических приемных преобразователей, установленных на объекте-носителе, имеет безлепестковую диаграмму направленности, которые сдвинуты относительно друг друга на угол φ, причем, механический поворот в пространстве групп преобразователей отсутствует. Электрические сигналы с групп преобразователей проходят через компенсатор, поворачивающий в пространстве диаграммы направленности преобразователей при пеленгации маяка-пингера, с двух выходов компенсатора электрические сигналы после фильтрации, усиления и детектирования поступает на два входа вычитающего устройства, с выхода которого сигнал рассогласования обоих каналов поступает на индикатор, на второй вход которого с дополнительного выхода компенсатора подается напряжение, характеризующее угловое положение диаграмм направленности преобразователей в пространстве. При приеме акустических сигналов от пеленгуемого маяка-пингера с помощью компенсатора поворачивают синхронно диаграммы направленности групп акустических преобразователей таким образом, чтобы равносигнальная ось данных групп совместилась с направлением на пеленгуемый источник. При этом электрические сигналы, снимаемые с выходов детекторов будут идентичны, и на выходе вычитающего устройства получают нулевое напряжение, регистрируемое на экране индикатора. При этом по величине напряжения, снимаемого с дополнительного выхода компенсатора, фиксируют направление на пеленгуемый источник.
Признаки, совпадающие с заявляемым объектом: маяк-пингер, включающий в себя источник питания, генератор, хронизатор-модулятор, усилитель мощности и излучающий электроакустический преобразователь, состоящая из двух групп преобразователей приемная антенна, обладающая двухлепестковой диаграммой направленности с частичным перекрытием лепестков, компенсатор, фильтры, усилители, детекторы, индикатор.
Причинами, препятствующими достижению заявляемого технического результата, являются ограниченные эксплуатационные возможности навигационной пеленгационной системы, что обусловлено ее способностью лишь только достаточно точно определять пеленг на маяк-пингер с помощью метода равносигнальной зоны, но невозможно измерять дистанцию до маяка и определять характеристики движения надводного объекта относительно неподвижного маяка, фиксирована рабочая частота сигнала и зона облучения пространства антенной маяка-пингера, отсутствует возможность регулировки точности пеленгации с помощью данного устройства.
Задачей полезной модели является расширение эксплуатационных возможностей навигационной системы, позволяющее обеспечить безопасность движения объекта, снабженного данной навигационной системой, в сложных метеорологических условиях (плохая видимость, дождь, туман, ночные условия, погруженное в воду состояние и т.п.) по маршруту, предназначенному для плавания и маневрирования в пределах естественных узкостей, фарватеров гидродромов, при входах в гавани и т.д., что достигается за счет одновременного точного измерения как пространственных и угловых координат объекта- носителя устройства, так и определения характеристик его движения относительно установленных на дне гидроакустических маяков-пингеров.
Технический результат полезной модели заключается в возможности получения оператором многочастотной навигационной системы дополнительной уточненной информации о местоположении объекта-носителя (пространственные и угловые координаты), а также параметрах его движения относительно маяка-пингера, причем, в отличие от радионавигационных и оптических средств объекта-носителя использование гидроакустических систем с маяками-пингерами обеспечивает высокую точность местоопределения в любых метеорологических условиях и при плавании на любых глубинах.
Разработка и проектирование навигационных средств, способных обеспечивать получение более полного и точного объема первичных данных о расположении как подводных, так и надводных объектов-носителей в море относительно установленных на дне гидроакустических маяков-пингеров, является актуальной задачей. В свете вышесказанного маяки-пингеры должны обеспечивать излучение нескольких рабочих сигналов с достаточно сильно отличающимися частотами (низкой, средней и высокой - в пределах диапазона 20 кГц - 200 кГц) при наличии одной акустической излучающей антенны, что перспективно соответственно для осуществления дальнего привода с невысокой точностью объекта-носителя навигационной системы к маяку, уточненного выбора позиции объекта-носителя для средних дистанций до маяка и прецизионного маневрирования непосредственно над ним на малых удалениях. Это может быть обеспечено при использовании в качестве антенны маяка параметрической излучающей антенны, формирующей в водной среде как первичное акустическое поле - сигналы накачки (средняя рабочая частота), так и вторичное акустическое поле -сигнал разностной частоты (низкая рабочая частота) и сигналы суммарной частоты, вторых гармоник сигналов накачки (высокая рабочая частота).
1
2
1
+
2
1
1,2
1
1
1
2
+
Технический результат достигается тем, что в навигационную пеленгационную систему, содержащую источник питания, соединенный с генератором, хронизатором-модулятором и усилителем мощности, в свою очередь генератор через хронизатор-модулятор и усилитель мощности соединен с излучающим электроакустическим преобразователем, что в совокупности образует установленный в водной среде автономный маяк-пингер, излучающий электроакустический преобразователь которого акустически связан через среду лоцирования с двумя группами акустических преобразователей, выходы которых соединены через компенсатор со входами двух параллельных каналов обработки, каждый из которых состоит из последовательно включенных полосового фильтра на частоту f, усилителя и детектора, выходы которых соединены с двумя входами вычитающего устройства, выход которого соединен со вторым входом устройства отображения информации, первый вход которого соединен с дополнительным выходом компенсатора, дополнительно введены - генератор, соединенный как с источником питания, так и через хронизатор-модулятор и усилитель мощности с излучающим электроакустическим преобразователем маяка-пингера, а также по четыре цепочки в двух параллельно включенных каналах, каждая из которых содержит последовательно соединенные полосовой фильтр на частоты F=f-f, f=f+f, 2f, усилитель и детектор, два пятивходовых аналоговых ключа, три двухвходовых аналоговых ключа, дополнительный генератор, умножитель частоты, два частотных дискриминатора, три измерителя амплитуд, вычислительный блок и блок управления, причем, выходы всех детекторов каждого из каналов соединены с двумя пятивходовыми аналоговыми ключами, выходы которых соединены с двумя входами вычитающего устройства, выход которого соединен со вторым входом устройства отображения информации, в то время как его первый вход соединен с дополнительным выходом компенсатора, а управляющие входы обоих аналоговых ключей соединены с соответствующим выходом блока управления; выходы четырех усилителей из параллельно включенных цепочек с частотами f, 2f первого и второго каналов соединены с входами двух двухвходовых аналоговых ключей, выходы которых соединены через первый частотный дискриминатор с третьим входом устройства отображения информации, причем, управляющие входы двухвходовых аналоговых ключей соединены с соответствующим выходом блока управления; выход двухвходового аналогового ключа из первого канала дополнительно соединен с первым входом второго частотного дискриминатора, второй вход которого соединен с выходом третьего двухвходового аналогового ключа, оба входа которого соединены с дополнительным генератором: один - напрямую, а второй - через умножитель частоты, причем, выход второго частотного дискриминатора соединен с входом блока обработки доплеровской информации, а управляющие входы третьего двухвходового аналогового ключа и блока обработки доплеровской информации соединены с соответствующими выходами блока управления; выходы трех детекторов из параллельно включенных цепочек второго канала с частотами 2f, 2f, f соединены через три измерителя амплитуд с тремя входами вычислительного блока, выход которого соединен с четвертым входом устройства отображения информации, причем, в бортовую аппаратуру, установленную на объекте-носителе, входят все блоки начиная с двух групп акустических преобразователей, находящихся в акустическом контакте с излучающим электроакустическим преобразователем маяка-пингера, и заканчивая блоком управления.
2f1
+
2f2
1
0
2
0
=
Полезная модель поясняется чертежами. На фиг.1 показана структурная схема заявляемого устройства, на фиг.2 представлено пространственное положение диаграмм направленности (ДН) устройства на используемых рабочих сигналах и поясняется пеленгование методом равносигнальной зоны с помощью предлагаемой навигационной пеленгационной системы; на фиг.3 изображены пеленгационные характеристики метода равносигнальной зоны на рабочих частотах предлагаемого устройства, на фиг.4 представлена амплитудно-частотная характеристика частотного дискриминатора; на фиг.5 - графики функции у, отображающие продольное распределение вторичных сигналов высокой частоты Р(1), Р(2), Р(3) на оси параметрической антенны маяка-пингера при ω/ω=0,9; ω/ω1,1.
Многочастотная навигационная система содержит источник питания 1, соединенный с двумя генераторами 2, 3, хронизатором-модулятором 4 и усилителем мощности 5, в свою очередь генераторы 2, 3 через хронизатор-модулятор 4 и усилитель мощности 5 соединены с излучающим электроакустическим преобразователем 6, что в совокупности образует установленный в водной среде автономный маяк-пингер; излучающий электроакустический преобразователь 6 акустически связан через среду лоцирования с двумя группами акустических преобразователей 7, 8, выходы которых соединены с компенсатором 9, два выхода которого соединены с входами десяти параллельно включенных цепочек из полосовых фильтров 10, усилителей 11, детекторов 12, образуя двухканальный приемный тракт для обработки сигналов маяка-пингера, причем, выходы всех детекторов каждого из каналов соединены с пятью входами двух аналоговых ключей 13, выходы которых соединены с двумя входами вычитающего устройства 14, выход которого соединен со вторым входом устройства 15 отображения информации, в то время как его первый вход соединен с дополнительным выходом компенсатора 9;
1
D(f1)
1
D(2f1)
выходы четырех усилителей 11 из параллельно включенных цепочек с частотами f±f, 2f±f первого и второго каналов соединены с входами двух двухвходовых аналоговых ключей 16, выходы которых соединены через первый частотный дискриминатор 17 с третьим входом устройства 15 отображения информации;
выход двухвходового аналогового ключа 16 из первого канала дополнительно соединен с первым входом второго частотного дискриминатора 17, второй вход которого соединен с выходом третьего двухвходового аналогового ключа 18, оба входа которого соединены с дополнительным генератором 19: один - напрямую, а второй - через умножитель частоты 20, причем, выход второго частотного дискриминатора 17 соединен с входом блока обработки доплеровской информации 21;
1
D(2f1)
2
D(2f2)
+
D(f+)
выходы трех детекторов 12 из параллельно включенных цепочек второго канала с частотами (2f±f), (2f±f), (f±f) соединены через три измерителя амплитуд 22 с тремя входами вычислительного блока 23, выход которого соединен с четвертым входом устройства 15 отображения информации;
управляющие входы обоих аналоговых пятивходовых ключей 13, двухвходовых аналоговых ключей 16 первого и второго каналов, третьего двухвходового аналогового ключа 18 и блока обработки доплеровской информации 21, а также вычислительного блока 23 соединены с соответствующим выходами блока управления 24; причем, в совокупности блоки 7-24 установлены на надводном (подводном) носителе и образуют его бортовую аппаратуру.
1
2
1
2
2
1
+
2
1
1,2
Работа многочастотной навигационной системы происходит следующим образом. В маяке-пингере все электронные блоки подключены к источнику питания 1 и генераторы 2, 3 вырабатывают высокочастотные гармонические сигналы с частотами f, f, лежащими в полосе пропускания электроакустического преобразователя 6, которые поступают на два входа хронизатора-модулятора 4, на выходе которого сформирован радиоимпульс с бигармоническим ВЧ заполнением. Данный радиоимпульс после усилителя мощности 5 поступает на электроакустический преобразователь 6, излучающий зондирующий сигнал накачки в водную среду, обладающую нелинейностью своих упругих характеристик. При этом происходит нелинейное взаимодействие сигналов накачки с частотами f, f в канале распространения, результатом которого является параметрическая генерация вторичных акустических сигналов как разностной F=f-f, так и суммарной f=f+f частот, вторых гармоник 2f волн накачки. Маяк-пингер осуществляет излучение в импульсном режиме по заданной перед постановкой на грунт программе, формируя конические по форме характеристики направленности излучения на исходных сигналах накачки, сориентированные в пространстве вертикально вверх, причем, характеристики направленности излучения на вторичных акустических сигналах имеют ослабленное боковое поле, а острота направленного действия для сигнала разностной частоты соизмерима с этим параметром для накачки, в то время как острота направленного действия для вторичных высокочастотных сигналов ~ в  раз выше. Таким образом, маяк-пингер обеспечивает наличие в водной среде нескольких рабочих сигналов с достаточно сильно отличающимися частотами и различными углами обзора при использовании параметрической излучающей антенны. Из-за квадратичной зависимости вязкого поглощения звука от частоты исходные волны накачки и вторичные высокочастотные акустические поля быстрее затухают в достаточно протяженной области взаимодействия в сравнении с вторичными волнами разностной частоты, которые распространяются на значительные расстояния в виде направленного луча. Учитывая, что получение более полного объема первичных данных о расположении маяков-пингеров связано с перемещением объекта-носителя со скоростью υ относительно неподвижного источника указанных выше первичных и вторичных акустических сигналов, то при их приеме группами преобразователей 7, 8 происходит доплеровское изменение их частот. Известно, что при движении приемника относительно неподвижного источника сигнала с частотой f измененная частота принимаемого сигнала будет равна
где с - скорость звука в воде, θ - угол между направлением скорости приемника и направлением от источника к приемнику, причем, если угол θ - тупой, то принимаемая частота повышается (знак+), при θ=90° излучаемая и принимаемая частоты будут одинаковы, а если угол θ - острый, то принимаемая частота понижается (знак -) (см. Маленькая энциклопедия. Ультразвук. Гл. ред. И.П.Голямина. с.133-134).
1
2
2
1
+
2
1
1,2
D(f1)
D(2f1)
D(f2)
D(2f2)
D
D(f+)
см
D(f1)
1
D(2f1)
2
D(2f2)
D
+
D(f+)
1F
1(f1)
1(f2)
1(2f1)
1(2f1)
1(f+)
2F
2(f1)
2(f2)
2(2f1)
2(2f2)
2(f+)
1F
2F
1(f1)
2(f1)
1(2f1)
2(2f1)
При распространении в среде полигармонический акустический сигнал с частотами f, f, F=f-f, f=f+f, 2f достигает двух групп акустических преобразователей 7,8 движущегося со скоростью и объекта-носителя, претерпевая для каждой гармонической компоненты соответствующий доплеровский сдвиг частоты (±f), (±f), (±f), (±f), (±F), (±f), причем, для каждой группы 7 и 8 сдвиги частот будут различаться вследствие наличия идентичных диаграмм направленности, которые сдвинуты относительно друг друга на угол 2φ, здесь (+) и (-) соответствуют приближению или удалению объекта-носителя относительно маяка-пингера. Электрический сигнал с двух групп акустических преобразователей 7, 8, соответствующий принятому акустическому полигармоническому сигналу через компенсатор 9 поступает на входы первого и второго каналов обработки, которые содержат по пять цепочек в каждом из последовательно включенных полосовых фильтров (10), настроенных на частоты (f1±f), (2f±f), (2f±f), (F±F), (f±f), усилителей (11) и детекторов (12), на выходах которых для каждой из частот в первом и втором каналах вырабатываются видеоимпульсные напряжения U, U, U, U, U, U и U, U, U, U, U, U, амплитуды которых определяются пространственным положением диаграмм направленности (ДН) устройства на используемых рабочих сигналах относительно направления на излучающий электроакустический преобразователь 6 пеленгуемого маяка-пингера. С выходов детекторов первого и второго каналов обработки соответствующие пары видеоимпульсных напряжений - (U и U), (U и U), (U и U) и т.д. поступают через пятивходовые аналоговые ключи 13 на входы вычитающего устройства 14, выход которого соединен со вторым входом устройства 15 отображения информации. Выбор необходимой пары видеоимпульсных напряжений, поступающей на два входа вычитающего устройства 14, определяется оператором и осуществляется путем подачи соответствующего сигнала с блока управления 24.
1
2
1
2
2
1
+
2
1
1,2
D1K(f1)
D2K(f1)
fD1K(2f1)
D2K(2f1)
1
D(f1)
1
D(2f1).
1
D(f1)
1
D(2f1)
Перед подробным описанием работы бортовой аппаратуры многочастотной навигационной системы кратко опишем задачи, решаемые оператором с ее помощью. Приемная бортовая аппаратура объекта-носителя предлагаемого устройства функционально включает в себя три приемных тракта, с помощью которых измеряется пеленг на маяк-пингер, рассчитывается дистанция до него и определяются параметры движения объекта-носителя устройства при прецизионном маневрировании на малых удалениях от маяка-пингера. Работа приемного тракта для измерения пеленга на маяк-пингер основана на получении оператором двух признаков точной пеленгации: 1)минимальности амплитуды результирующего электрического сигнала ΔU=U-U рассогласования первого и второго каналов на рабочих частотах устройства (f, f, F=f-f, f=f+f, 2f); 2)минимальности доплеровского частотного сдвига [f - f], [ - f] принимаемых группами преобразователей 7 (канал 1) и 8 (канал 2) акустических сигналов кратных частот f±f, 2f±fФункционирование приемного тракта для вычисления дистанции от объекта-носителя до маяка-пингера основано на проведении вычислений оператором в соответствии с расчетными соотношениями, полученными в результате исследования основных физических закономерностей генерации вторичных высокочастотных сигналов в нелинейной среде параметрической антенной, в которые подставляются полученные в процессе измерений экспериментальные данные. Приемный тракт для определения параметров движения объекта-носителя устройства относительно маяка-пингера позволяет оператору выполнить эту задачу на основе измерения величины доплеровского сдвига для акустических сигналов кратных частот f±f, 2f±f, принимаемых группами преобразователей 7 (канал 1).
1
2
2
1
1
2
+
2
1
1,2
1F
2F
1(f1)
2(f1)
1(2f1)
2(2f1)
1F
2F
1(f1)
2(f1)
1(2f1)
2(2f1)
1,2
D(f1,2)
1,2
D(2f1,2)
D
+
D(f+)
###U255
Пеленгование методом равносигнальной зоны осуществляется путем определения разности видеоимпульсных напряжений ΔU=U-U (точки - • - 1, 2, - ° - 1',2', -  - 1", 2") на фиг.2 в вычитающем устройстве 14, на входы которого с выходов первого и второго каналов приемного тракта устройства на рабочих частотах - или разностной F=f-f, или накачки f, f, или вторичных высокочастотных f=f+f, 2f поступают через аналоговые ключи 13 соответствующие пары видеоимпульсных напряжений, например, - (U и U), (U и U), (U и U) и т.д., амплитуды которых изменяются при повороте диаграмм направленности групп акустических преобразователей 7, 8 компенсатором 9 в процессе пеленгации маяка-пингера. Перестройка компенсатора 9 может осуществляться как оператором вручную, так и автоматически с последующим слежением за маяком-пингером. При нахождении цели на линии, проходящей через точку пересечении диаграмм направленности обоих групп акустических преобразователей и называемой линией равносигнального направления, сигналы обоих каналов равны (U=U или U=U или U=U) и напряжение ΔU будет равно нулю, что и будет регистрироваться устройством 15 отображения информации. Устройство 15 отображения информации - стандартный блок гидроакустических средств и систем наблюдения, с помощью которого полученная информация представляется в виде, удобном для принятия решения оператором (см. Митько В.Б. и др. Гидроакустические средства связи и наблюдения. - Л.: Судостроение, 1982. с.107-113, Кобяков Ю.С. и др. Конструирование гидроакустической рыбопоисковой аппаратуры. - Л.: Судостроение, 1986. с.244-264). Напряжение, пропорциональное величине угла поворота Δφ равносигнального направления антенной системы, с дополнительного выхода компенсатора 9, поступает на первый вход устройства 15 отображения информации, которое индицирует информацию о угловой координате Δφ пеленгуемого маяка-пингера. Компенсатор является стандартным блоком гидроакустических средств наблюдения, предназначенных для обнаружения подводных объектов, их классификации и определения пеленга (курсового угла) на них за счет приема энергии шумового поля, создаваемого объектом (см. Справочник по гидроакустике. Под ред. А.Е.Колесникова. - Л.: Судостроение, 1982, с.14-15, В.Н.Краснов. Локация с подводной лодки.- М., 1968, с.62-72, И.А. Румынская. Основы гидроакустики. Л.: Судостроение, 1979, с.176-185). В предлагаемом устройстве пеленгование осуществляется на нескольких акустических сигналах как первичного, так и вторичного акустических полей с частотами (f±f), (2f±f), (F±F), (f±f), что позволит регулировать точность пеленгования маяка-пингера.
1
D(f1)
1
D(2f1)
D
1
1
2
F
f1
2f
###U255
Пеленгационные характеристики метода равносигнальной зоны на частотах f±f (---), 2f±f(-·-·-), F±F (―) для предлагаемого устройства представлены на фиг.3. Как видно из чертежа, крутизна пеленгационной характеристики S=dU(φ)/dφ, а следовательно, и пеленгационная чувствительность максимальны при ориентации линии равносигнального направления на цель (в этом случае ΔU=0), причем, для сигнала второй гармоники 2f пеленгационная чувствительность наивысшая, а для сигнала разностной частоты - наименьшая. Это обусловлено величиной разности видеоимпульсных напряжений ΔU=U-U (точки - • - 1,2, ΔU, - ° - 1',2', ΔU, -  - 1", 2", ΔU) для любого угла φ отклонения от линии равносигнального направления, что определяется обострением основного лепестка ДН групп акустических преобразователей в режиме приема для более высокочастотных сигналов.
см
см
0,7
0,7
0,7
-
н
+
0,7
cм
0,7н
min
1
2
2
4
Проиллюстрируем вышесказанное следующим численным примером. Общими блоками для всех трех приемных трактов являются две группы акустических преобразователей 7, 8, имеющих идентичные диаграммы направленности без дополнительных максимумов, которые сдвинуты относительно друг друга на угол 2φ (фиг.2), где φ=(0,5-0,7)×θ, θ - ширина характеристики направленности группы акустических преобразователей для сигнала накачки по уровню 0,7. Следует учитывать, что острота направленного действия данных групп акустических преобразователей существенно зависит от волновых размеров их апертуры, т.е. от соотношения D/λ, где λ - длина волны принимаемого сигнала, D - диаметр антенны. Так, например, при использовании в качестве акустических преобразователей 7, 8 непрерывных плоских многоэлементных круглых антенн с амплитудным распределением по поверхности, описываемом соотношением (1-r), где r - радиальная текущая координата, отсчитываемая от центра круговой поверхности антенны, ширина характеристики направленности θ (в радианах) рассчитывается как отношение 1,81×λ/D при уровне первого бокового максимума 0,9% от величины основного (см. Справочник по гидроакустике. Евтютов А.П. и др. -Л.: Судостроение, 1982. с.196). Тогда для диаметра антенны 10 см и длинах волн принимаемых сигналов- λ=75 мм (20 кГц), λ=15 мм (100 кГц) и λ=7,5 мм (200 кГц) величины ширины основного лепестка по уровню 0,7 θ составят ~ 78°, 16° и 8°, что при соблюдении условия φ≈(0,5-0,7)×θ для двух групп акустических преобразователей 7, 8 обеспечит сектора обзора ~ 136°, 13° и 6,4° соответственно. Таким образом, пеленгование на сигнале разностной частоты целесообразно для осуществления дальнего привода с невысокой точностью объекта-носителя к маяку, пеленгование на сигнале накачки оптимально при уточнении выбора позиции объекта для средних дистанций до маяка, а пеленгование на сигнале суммарной частоты актуально при прецизионном маневрировании непосредственно над маяком на малых удалениях. Точность осуществляемой многочастотной пеленгации можно численно оценить используя следующее: угол Δφ, при котором оператор или автоматическое устройство уверенно фиксирует наличие разницы в напряжениях U, U, определяется выражением (см. Колчеданцев А.С.Гидроакустические станции. - Л.: Судостроение, 1982)
причем, при пеленговании оператором величина µ=0.05-0,15 - (визуальный индикатор) и µ≥0.2 (слуховой индикатор).
1
2
2
1
+
2
1
1,2
1
D(f1)
1
D(2f1)
2
D(2f2)
D
+
D(f+)
Таким образом, использование в навигационной пеленгационной системе сигналов накачки с частотами f или f, вторичных акустических сигналов как разностной F=f-f, так и суммарной f=f+f частот, вторых гармоник 2f волн накачки, обрабатываемых в пяти двухканальных цепочках, содержащих последовательно включенные полосовые фильтры (10), настроенные на частоты (f±f), (2f±f), (2f±f), (F±F), (f±f)„ усилители (11) и детекторы (12) и затем подаваемых попарно через пятивходовые аналоговые ключи 13 на входы вычитающего устройства 14, выход которого соединен со вторым входом устройства 15 отображения информации, позволяет осуществить пеленгование маяка-пингера методом равносигнальной зоны с требуемой точностью, возрастающей для более высокочастотных сигналов, что обусловлено уменьшением ширины ДН по уровню 0,7 групп преобразователей 7, 8 приемной антенны устройства. Выбор того или иного рабочего сигнала осуществляется путем подачи с блока управления 23 сигналов на управляющие входы пятивходовых аналоговых ключей 13, что в свою очередь определяется необходимой точностью выполнения задачи определения местоположения донного маяка-пингера с объекта-носителя предлагаемого устройства.
см
см
0,7
0,7
0,7
0,7
D
D
1
D(f1)
1
D(2f1)
см
см
1
С помощью предлагаемого устройства можно дополнительно произвести пеленгование маяка-пингера с использованием эффекта Доплера, обусловленного тем, что при движении объекта-носителя с горизонтальной скоростью υ относительно дна происходит изменение величины угла 9 между направлением вектора скорости движения объекта-носителя (приемник) и направлением от маяка-пингера (источник) к объекту-носителю (приемник), что и вызывает доплеровский сдвиг частот принимаемых как первичных, так и вторичных акустических сигналов (см. соотношение (1)). Учитывая особенности конструкции приемной антенны, состоящей из двух групп акустических преобразователей 7, 8, имеющих идентичные диаграммы направленности без дополнительных максимумов, которые сдвинуты относительно друг друга на угол 2φ, где φ=(0,5-0,7)×θ, θ - ширина характеристики направленности группы акустических преобразователей для используемых сигналов по уровню 0,7, а также условия применения используемого для пеленгования маяка-пингера в устройстве метода равносигнальной зоны, можно сделать вывод о том, что основные лепестки ДН групп акустических преобразователей будут всегда ориентированы по-разному относительно направления от источника к приемнику и, соответственно, углы между направлением вектора скорости υ корабля-носителя и направлениями основных лепестков при точной пеленгации маяка-пингера будут равны (θ+0,6θ) и (θ-θ,6θ). Рассмотрим диапазон изменения угла θ: при значительном удалении объекта-носителя от местоположения маяка-пингера, но приближении к нему θ~180° и cosθ~(-1), в то время как при значительном удалении объекта-носителя от местоположения маяка-пингера, но удалении от него θ~0° и cosθ~(+1), что в обоих случаях обусловит максимальность изменения частоты принимаемого сигнала маяка-пингера, и только при непосредственном нахождении объекта-носителя над маяком-пингером θ~90° и cosθ~0, что и обусловит отсутствие изменения частоты принимаемого сигнала маяка-пингера. Таким образом, доплеровский сдвиг частот для каждой группы акустических преобразователей 7, 8 будет разным и зависящим как от местоположения объекта-носителя на водной поверхности, направления его движения относительно маяка-пингера (угол θ), скорости движения υ, так и от частоты сигнала f(см. соотношение (1). Так, при приближении объекта-носителя предлагаемого устройства к местоположению над донным маяком-пингером угол θ уменьшается и стремится к 90°, что приведет к постепенному снижению величины доплеровского сдвига частот (+Δf↓) для обеих групп акустических преобразователей до минимального значения (при нахождении судна вертикально над маяком), а затем к постепенному росту величины доплеровского сдвига (-Δf↑) при удалении, причем, для более высокочастотных сигналов этот сдвиг будет большим по величине, динамика изменения частот более значительной и потому легче регистрируемой. Дополнительный пеленгационный тракт на основе эффекта Доплера включает в себя два двухвходовых аналоговых ключа 16, входы которых подключены к выходам усилителей 11 из параллельно включенных цепочек для обработки электрических сигналов с частотами (f±f), (2f±f) как в первом канале, так и во втором. Выходы обоих аналоговых ключей 16 из первого и второго каналов дополнительного пеленгационного тракта устройства соединены через частотный дискриминатор 17 с третьим входом устройства 15 отображения информации, причем, управляющие входы аналоговых ключей 16 обоих каналов соединены с выходом блока управления 24. При нахождении объекта-носителя непосредственно над маяком равносигнальное направление акустической оси антенны будет совпадать с вертикалью, что в силу конструктивных особенностей приемной антенны обусловит следующее расположение в пространстве основных максимумов групп акустических преобразователей 7, 8 - один под углом (90°-φ), а другой - (90°+φ) относительно вектора скорости судна-носителя, что обеспечит разные знаки («+»- канал 1 и «-» - канал 2) наименьшего доплеровского сдвига в обоих каналах на исходных частотах накачки f в соответствии с соотношениями
1
На акустических сигналах вторых гармоник 2f за счет обужения ~ в  раз основных лепестков диаграмм направленности групп преобразователей 7, 8 и использования более высокой частоты наименьший доплеровский сдвиг в соседних каналах («+»- канал 1 и «-» - канал 2) будет иметь другую величину
В
1
1
На выходе частотного дискриминатора вырабатывается сигнальное напряжение U, амплитуда которого пропорциональна разности доплеровских частот первого и второго каналов на используемых рабочих сигналах f, 2f что с учетом знаков («+» - канал 1 и «-» - канал 2) наименьших доплеровских сдвигов частот приведет к их удвоению
в(2f1)
в(f1)
Тогда в соответствии с его амплитудно-частотной характеристикой частотного дискриминатора (фиг.4) (см. Екимов В.Д., Павлов К.М. Проектирование радиоприемных устройств.- М.: Связь, 1970. с.282-287) для более высокочастотных рабочих сигналов и, соответственно, больших разностей доплеровских сдвигов в первом и втором каналах, величина сигнального напряжения имеет большую величину (U>U), чтo увеличивает как отношение «сигнал/шум», так и помехоустойчивость рассматриваемого приемного тракта.
D
D
д
0,7(м)
0,7(м)
д
D0
D
1
1
0,5
Как известно, облучение морской поверхности коническим пучком звуковых волн от маяка-пингера приводит к расширению доплеровского спектра частот, причем, ширина Δf доплеровского спектра по уровню половинной мощности может быть определена из приближенного соотношения (для случая прямого прохождения сигналов от источника к приемнику) Δf≈υ×f×sinθ×θ/c, где θ - ширина диаграммы направленности антенны маяка-пингера на рабочем сигнале с частотой f по уровню 0,7, θ - угол наклона оси диаграммы направленности антенны по отношению к горизонтальной поверхности; с - скорость звука в воде (см. Букатый В.М., Дмитриев В.И. Гидроакустические лаги. М.: Пищ. пром., 1980, с.60, с.84). Появление доплеровского спектра частот вызывает погрешность в определении доплеровского сдвига частоты по следующей причине -мгновенная частота доплеровского спектра претерпевает флуктуации от средней частоты f спектра. Среднеквадратичная погрешность измерения доплеровского сдвига частот из-за флуктуации средней частоты спектра можно оценить из приближенного соотношения δf≈K×(ΔfD/T), где К -постоянный коэффициент, Т - время усреднения. Видно, что для уменьшения погрешности измерений следует предельно сужать основной лепесток диаграммы направленности антенны, что выполняется для более высокочастотных сигналов. Таким образом, дополнительный пеленгационный признак для точного определения местоположения донного маяка может быть получен при использовании в навигационной пеленгационной системе сигнала накачки с частотой f, излучаемого параметрической антенной маяка-пингера, а также вторичного акустического сигнала второй гармоники 2f волны накачки, формирующегося в нелинейной водной среде. С этой целью данные сигналы принимаются двумя группами акустических преобразователей 7, 8, установленными на объекте-носителе, и преобразуются в соответствующие электрические сигналы с помощью двух групп 7, 8 акустических преобразователей, равносигнальное направление которых устанавливается в пространстве на пеленгуемый маяк-пингер посредством поворота диаграмм направленности компенсатором 9. С двух выходов компенсатора 9, электрические сигналы соответствующие каждой из групп преобразователей, обрабатываются в двух каналах в параллельных цепочках, содержащих последовательно включенные полосовые фильтры 10, усилители 11 и двухвходовые аналоговые ключи 16, выходы которых соединены с входами частотного дискриминатора 17, выход которого соединен с третьим входом устройства 15 отображения информации, что позволяет осуществить пеленгование маяка-пингера на основе использования эффекта Доплера с требуемой точностью, возрастающей для более высокочастотных сигналов вследствие уменьшения ширины ДН по уровню 0,7 групп преобразователей приемной антенны устройства. Выбор того или иного рабочего сигнала осуществляется путем подачи с блока управления 24 сигналов на управляющие входы обоих двухвходовых аналоговых ключей 16, что в свою очередь определяется необходимой точностью выполнения задачи определения местоположения донного маяка-пингера с объекта-носителя.
Приемный тракт для определения параметров движения объекта-носителя предлагаемого устройства относительно маяка-пингера включает в себя два двухвходовых аналоговых ключа: - 16 - из первого канала обработки и третьего дополнительного - 18, второй частотный дискриминатор 17, дополнительный генератор 19, умножитель частоты 20 и блок обработки доплеровской информации 21 (на структурной схеме устройства в фиг.1 данные блоки расположены в первом канале), причем, два входа первого аналогового ключа 16 соединены с выходами двух усилителей 11 в первом канале, а его выход соединен с первым входом второго частотного дискриминатора 17, второй вход которого соединен с выходом третьего аналогового ключа 18, два входа которого соединены с выходом дополнительного генератором 19 - первый - непосредственно, а второй - через умножитель частоты 20 с коэффициентом умножения 2. Блок обработки доплеровской информации 21 - стандартный блок, используемый в гидроакустических навигационных системах, также в аналогичных радиодоплеровских системах (см. Бородин В.И. Гидроакустические навигационные средства. Л.: Судостроение, 1983. с.219-223, Цифровые навигационные устройства. Под ред. В.Б. Смолова. М., Сов. радио, 1980).
1
D(f1)
1
D(2f)
1
1
1
D(f1)
D(2f1)
Для измерения характеристик движения объекта-носителя предлагаемого устройства один из электрических сигналов с частотой (f±f) или (2f±f) с выходов соответствующих усилителей 11 первого канала через первый аналоговый ключ 16 поступают на первый вход второго частотного дискриминатора 17, на второй вход которого с выхода третьего аналогового ключа 18 подается соответственно один из сигналов с частотой f или 2f без доплеровского смещения. Для этого входы третьего аналогового ключа 18 соединены с выходом дополнительного генератора 19 гармонического сигнала с частотой f, а также с выходом умножителя частоты 20 с коэффициентом умножения -«2». Выбор того или иного сигнала осуществляется путем подачи с блока управления 24 соответствующих сигналов на управляющие входы первого - 16 - и третьего - 18 - аналоговых ключей, а также блока обработки доплеровской информации 21. На выходе частотного дискриминатора выделяется электрический сигнал с частотой соответствующей доплеровскому смещению (f) или (f), что позволяет в блоке обработки доплеровской информации 21 рассчитать значения скорости объекта-носителя предлагаемого устройства на основе эффекта Доплера по соотношению
V(nf)
см
(nf)
где K=2×(nf)×соs(θ-φ)/c - скоростная чувствительность доплеровского измерителя для акустического сигнала на частоте nf, представляющая собой приращение доплеровской частоты при изменении скорости на 1 узел; υ - скорость относительного сближения (+) или удаления (-) маяка-пингера и объекта - носителя, измеренная на соответствующем акустическом сигнале; nf - частота акустического сигнала, используемого для измерения параметров движения; n=1,2 - номер используемой гармоники; с - скорость звука в водной среде.
+
2
1
1,2
+
+
01
02
g
0
0
н
н
н
+
3
2
2
2
2
0,5
Предположим, что осуществляется завершающая стадия точного определения местоположения маяка-пингера при прецизионном маневрировании объекта-носителя над ним, в процессе выполнения которой целесообразно кроме измерения пеленга маяка-пингера иметь возможность получения информации и о дальности до него. В данном случае для определения расстояния до пеленгуемого маяка можно использовать некоторые физические особенности нелинейной генерации вторичных сигналов суммарной f=f+f частоты, вторых гармоник 2f волн накачки при распространении в водной среде, осевые распределения уровней звуковых давлений которых описываются следующими зависимостями (см. Волощенко В.Ю. Исследование и разработка параметрической антенны в режиме генерации акустических сигналов суммарной частоты для использования в гидроакустических системах ближнего действия: Дис. на соиск. уч. степени канд. техн. наук: 01.04.06, 05.12.01. Таганрог, 1993. с.165) P=(εωPPℓ/2ρc )×{[0,251n(1+Z )+arctgZ]/(1+Z )}×exp(-βz),(8)
+
1
2
1,2
1,2
01
02
g
0
0
g1,2
1,2
0
0
1
2
1
2
H
g
н
1,2
g1,2
+
2f 1,2
2f1
+
2f2
1,2,3
1
0
2
0
2
2
где ω=2π(f+f), ω=2πf; P,P - амплитуды звукового давления сигналов накачки у поверхности антенны; ℓ=aω/2c, ℓ=aω/2c-длины зон дифракции Френеля для сигналов-с центральной частотой накачки f=(f+f)/2 и исходных частот f,f; Z=z/ℓ и Z=z/ℓ - нормированное расстояние; β, β - коэффициенты затухания акустических сигналов суммарной частоты, вторых гармоник исходных волн накачки. Как видно из (8) и (9), сомножители в фигурных скобках и определяют продольное распределение амплитуд звукового давления вторичных сигналов высокой частоты Р(1), Р(2), Р(3) на оси параметрической антенны маяка-пингера. Графики функций y, определяемые этими сомножителями без учета затухания, при ω/ω=0,9; ω/ω=1,1 представлены на фиг.5.
Анализ нелинейной генерации вторичных высокочастотных сигналов параметрической антенной, образованной коллинеарными акустическими пучками с гауссовым поперечным распределением накачки средней интенсивности, позволяет сделать следующие выводы:
м(+)
g
м(2f1)
g
1
0
м(2f2)
g
2
0
1) на оси параметрической антенны (ПА), образованной двухчастотным первичным пучком накачки при гауссовом поперечном распределении звукового давления сигналов средней интенсивности, при увеличении продольной координаты z амплитуды звуковых давлений вторичных высокочастотных сигналов (без учета затухания) монотонно возрастают, достигая максимумов различной величины на определенных расстояниях z=1,425ℓ; z=1.425ℓ(f/f); z=.425ℓ(f/f), после чего происходит спад уровней, обусловленный дифракционной расходимостью как исходных волн накачки, так и вторичных волн;
1
2
01
02
0
2f2
+
2f1
2) учет затухания вторичных высокочастотных сигналов (при f<f, P=P=P) оказывает заметное влияние на уровни амплитуд звуковых давлений в дальней зоне преобразователя накачки ПА, выражающееся в их уравнивании и слиянии всех трех осевых распределений, что обусловлено следующим соотношением пространственных коэффициентов затухания - β>β>P;
1
2
1
2
+
0
1
2
+
3) в любой точке полупространства гауссово поперечное распределение звукового давления сигналов накачки в двухчастотном первичном пучке определяет именно гауссово поперечное распределение звукового давления исследуемых сигналов в формирующихся вторичных пучках, причем, аналитические функции, описывающие угловые распределения звукового давления акустических сигналов вторых гармоник 2f, 2f прямо пропорциональны возведенным во вторую степень функциям, описывающим угловое распределение для каждого из первичных сигналов накачки f, f, a для ССЧ f - произведению этих функций (или второй степени функции, описывающей угловое распределение звукового давления сигнала накачки с центральной частотой f=(f+f)/2=f/2).
2f1
2f2
1
2
3
1
2
Исходя из представленных выводов и соотношений (8) - (9), приблизительную оценку дальности нахождения маяка-пингера от объекта-носителя предлагаемого устройства можно осуществить, например, разделив друг на друга аналитические выражения вида (9) для амплитуд звуковых давлений Р и Р вторых гармоник исходных сигналов накачки с учетом того, что функции у≈y≈y при условии, что частоты накачки f≈f. В этом случае мы получим
Взяв натуральный логарифм от (10), можно рассчитать дальность нахождения маяка-пингера
+
2f1
2f2
+
2(2f1)
2(2f2)
2(f+)
Аналогичные соотношения для этой же дальности z маяка-пингера можно получить и для других отношений амплитуд звуковых вторичных высокочастотных компонент - Р/Р, Р/Р, что позволит увеличить точность расчета за счет усреднения. Приемный тракт для расчета дистанции до маяка-пингера функционально расположен во втором канале устройства (см. фиг.1) и включает в себя три измерителя амплитуд 22 и вычислительный блок 22, причем, входы измерителей амплитуд 21 соединены с выходами детекторов 12 во втором канале, вырабатывающих видеоимпульсные напряжения U, U, U, измеренные величины которых поступают на входы вычислительного блока 23, причем, в момент точной пеленгации маяка-пингера по сигналу с блока управления 24 производятся необходимые вычисления, результаты которых поступают на четвертый вход устройства 15 отображения информации.
Данная многочастотная навигационная система может быть использована для обеспечения удержания объекта-носителя в точке проведения работ на грунте, связанных со строительством подводных сооружений, а также для обеспечения безопасности движения надводных объектов в сложных метеорологических условиях (дождь, туман, ночные условия и т.п.) по маршруту, предназначенному для плавания и маневрирования в пределах естественных узкостей, фарватеров гидроаэродромов, при входах в гавани и т.д.