Абонентский приемник в составе гидроакустической системы позиционирования большой дальности для глубокого моря
SUBSCRIBER RECEIVER AS PART OF A DEEP-SEA LONG-RANGE HYDROACOUSTIC POSITIONING SYSTEM

Изобретение относится к области подводной навигации, в частности к гидроакустическим навигационным средствам для определения местоположения и приема информационных сообщений подводными объектами, движущимися в глубоком море.
Известно, что определение местоположения подводного объекта в глубоком море может обеспечиваться путем размещения в прибрежной шельфовой зоне гидроакустических излучателей-маяков (далее маяки), излучающих навигационные сложные низкочастотные сигналы, при приеме этих сигналов на борту подводного объекта навигации и определении его дальности от маяков по измеренному времени распространения сигналов и задаваемой эффективной скорости звука по трассе их распространения. Предложения по реализации таких систем защищены патентами (Патент РФ №2469346 «Способ позиционирования подводных объектов» Моргунов Ю.Н., Тагильцев А.А., Безответных В.В., Буренин А.В., Голов А.А.; патент РФ №2702700 «Способ позиционирования подводных объектов» Машошин А.И., Пашкевич И.В., Соколов А.И.; патент №2674404 «Способ навигации и позиционирования подводных объектов в глубоководном канале на больших дальностях и система для его осуществления» Половинка Ю.А., Максимов А.О.).
В этих системах для увеличения дальности действия в качестве навигационных используют низкочастотные кодоимпульсные фазоманипулированные сигналы типа М-последовательностей большой длительности, состоящих из М элементарных символов равной длины, фазы несущей частоты которых, 0 или 180 градусов, меняются по законам, задаваемым индивидуальными кодовыми комбинациями. М-последовательности обладают ортогональными свойствами, что позволяет применять их дополнительно для передачи информационных сообщений («Экспериментальное тестирование технологии высокоточной подводной акустической дальнометрии» /Ю.Н. Моргунов, В.В. Безответных, А.В. Буренин, Е.А. Войтенко, А.А. Голов. Акустический журнал. 2018. Том 64. №2. С. 191-196.).
Приемник навигационных сигналов в таких системах, размещаемый на борту объекта, реализует точность позиционирования, определяемую точностью измерения его дальности от гидроакустических маяков, которая, в свою очередь, зависит от точности измерения времени распространения навигационных сигналов и задания величины эффективной скорости звука. В известных системах предложены различные методики расчета эффективной скорости звука.
В патенте РФ №2469346 «Способ позиционирования подводных объектов» эффективная скорость звука уточняется на основании градуировки всей трассы его распространения, с использованием радиогидроакустических буев на поверхности района, в котором работает объект навигации.
Применение буев в районе работ не всегда возможно, и для уточнения эффективной скорости звука предложена схема с разделением всей акустической трассы «маяки - объект навигации» на два участка: шельфовый участок - «маяк - граница мелководной и глубоководной частей трассы» и глубоководный участок - «упомянутая граница - объект навигации». Наибольшая ошибка в оценке скорости звука формируется на шельфовом участке («Экспериментальное тестирование технологии высокоточной подводной акустической дальнометрии» /Ю.Н. Моргунов, В.В. Безответных, А.В. Буренин, Е.А. Войтенко, А.А. Голов. Акустический журнал. 2018. Том 64. №2. с. 191-196) и для ее уменьшения возможна оперативная или предварительная градуировка шельфа с передачей данных на борт объекта в составе информационных сообщений от маяков.
В глубоководном участке наиболее точно скорость распространения сигнала определяется на оси подводного звукового канала, а предпочтительная модель применения системы позиционирования реализуется при выходе объекта навигации на ось звукового канала для приема навигационных сигналов и более точного определения своего местоположения. Такая модель применения системы позиционирования может стать основной для коррекции данных автономной бортовой навигации подводного объекта, особенно в условиях его длительного плавания.
Приемник сигналов в гидроакустических системах позиционирования большой дальности в глубоком море, устанавливаемый для автономной работы в составе подводного объекта навигации является абонентским приемником развернутой навигационной сети, который обеспечивает в автоматическом режиме и реальном времени прием и обработку сигналов навигационной сети на борту объекта с реализацией максимальной точности определения местоположения объекта с учетом особенностей его движения и выбранных методов расчета эффективной скорости сигналов.
Известен приемник в составе системы позиционирования большой дальности для подводных объектов (патент РФ №2702700 «Способ позиционирования подводных объектов» Машошин А.И., Пашкевич И.В), работающих в глубоком море, в котором для увеличения точности определения эффективной скорости распространения сигналов объект периодически всплывает на поверхность и снабжен средствами спутниковой навигации для определения текущих координат и градуировки канала распространения звука по эффективной скорости.
Обязательность выхода подводного объекта на поверхность является ключевым фактором, ограничивающим применение такого приемника.
Известен приемник в составе системы позиционирования большой дальности с использованием сети маяков (патент №2674404 «Способ навигации и позиционирования подводных объектов в глубоководном канале на больших дальностях и система для его осуществления» Половинка Ю.А., Максимов А.О.), излучающих сложные кодоимпульсные фазоманипулированные сигналы типа М-последовательностей большой длительности. Приемник содержит систему текущего (оперативного) контроля скорости распространения звука на морском шельфе, работа такой системы обеспечивается установкой приемных антенн на границе шельфового и глубоководного участков акустической трассы.
Приемник, устанавливаемый на борту объекта навигации в составе бортового навигационного комплекса в такой системе позиционирования, содержит электронные блоки приема, синхронизации, первичной обработки, декодирования принятых сигналов маяков, а также устройство вычисления координат по измеренным дальностям до маяков.
Известен приемник, предназначенный для применения в составе системы позиционирования подводных объектов (Патент РФ №2469346 «Способ позиционирования подводных объектов» Моргунов Ю.Н., Тагильцев А.А., Безответных В.В., Буренин А.В., Голов А.А), которая предполагает:
- установку в морской среде за пределами прибойной зоны на глубинах, превышающих в 5-10 раз длину волны излучаемого гидроакустического сигнала, как минимум, двух стационарных маяков, периодически излучающих гидроакустические сигналы на частоте ниже 10 кГц в виде фазоманипулированных М-последовательностей, состоящие из М элементарных символов равной длительности, фазы несущей частоты которых манипулируются цифровым кодом, индивидуальным для каждого маяка или информационного сообщения и синхронизированных системой единого времени между собой, и приемника на борту объекта навигации;
- периодическое излучение всеми маяками гидроакустических сигналов, содержащих в закодированном виде информацию об условном номере маяка, излучившего сигнал, моменте времени излучения и текущей скорости распространения сигнала;
- прием и декодирование каждого излученного гидроакустического сигнала приемником, размещенным на борту объекта навигации, с измерением и запоминанием момента времени обнаружения гидроакустического сигнала;
- вычисление текущих дистанций объекта навигации до каждого маяка как произведение скорости распространения гидроакустического сигнала на разность между моментами времен приема и излучения сигнала;
- определение текущих координат объекта навигации с использованием вычисленных дистанций до каждого маяка и хранящихся в памяти вычислителя координат каждого маяка.
Приемник, устанавливаемый на борту объекта навигации в составе такой системы, состоит из гидроакустического приемника и устройства вычисления координат, которые содержат блоки синхронизации, блоки памяти с координатами маяков и электронными копиями излучаемых сигналов, а при приеме излученных сигналов выполняется взаимно корреляционная обработка входного сигнала с электронными копиями и по максимальному значению корреляционных функций по каждой копии сигнала определяются момент времени прихода и источник сигнала, которые служат для вычисления дистанций от каждого маяка с учетом текущей скорости распространения сигналов и затем определения координат объекта.
Такой абонентский приемник наиболее близок к заявляемому.
Общими недостатками для приемников навигационных и информационных сигналов в описанных выше системах позиционирования в глубоком море на больших дальностях являются:
- фазовая структура излученного фазоманипулированного сигнала большой длительности и с большим числом символов при движении подводного объекта быстро разрушается за счет доплеровского смещения несущей частоты, что резко снижает уровень корреляции между принимаемым сигналом и его электронной излученной копией и ведет к значительному уменьшению отношения сигнал/шум в точке приема и, соответственно, уменьшению дальности действия систем;
- прямой расчет характеристик местоположения объекта навигации, по максимуму взаимно корреляционной функции принимаемого сигнала и электронной копии излученного, при реализации приемников с использованием сигналов большой длительности и с большим числом частотных каналов для учета доплеровского смещения частоты несущей, оказывается неэффективным, поскольку требует большого объема вычислений и, следовательно, приводит к росту габаритов, энергопотребления и стоимости оборудования приемников, что также ограничивает их применение, например, в составе автономных необитаемых подводных аппаратов;
- приемники описанных систем позиционирования не обеспечивают работу в автоматическом режиме при установке на борт подводного объекта.
Технической проблемой, которая решается настоящим изобретением, состоит в устранении перечисленных недостатков.
Гидроакустическая система позиционирования большой дальности для глубокого моря, в состав которой входит заявляемый абонентский приемник, включает синхронизированные маяки, установленные в шельфовой области и излучающие навигационные и информационные сигналы типа М-последовательностей, состоящие из М символов равной длительности, а фазы несущей частоты которых (0 или 180 град) манипулируются цифровым кодом, индивидуальным для каждого маяка или информационного сообщения.
Абонентский приемник размещается на борту объекта навигации, оснащенного бортовой системой управления, системой единого времени, измерителем скорости своего движения и скорости звука, при этом объект навигации способен выполнять выход на ось подводного звукового канала.
Абонентский приемник содержит гидроакустический приемник и устройство вычисления координат объекта, реализованное на основе взаимно корреляционной обработки входного и электронных копий излучаемых сигналов, по результатам которой принимаются решения об обнаружении сигналов и времени их распространения, служащие для расчета текущих координат объекта навигации с использованием данных об эффективной скорости распространения звука и координатах маяков. При этом координаты маяков хранятся в блоке памяти устройства вычисления координат.
Абонентский приемник дополнительно снабжен устройством обнаружения, включенным между гидроакустическим приемником и устройством вычисления координат и состоящим из накопителя текущего входного цифрового сигнала на временном интервале, равном длительности М-последовательности, N-канального квадратурного приемника, порогового обнаружителя и формирователя текущей входной кодовой комбинации.
При этом, в N-канальном квадратурном приемнике для текущей реализации сигнала в накопителе, с шагом равным длительности элементарного символа М выполняется М расчетов амплитуды и фазы несущей частоты по N частотным каналам на интервале времени, равном длительности элементарного символа М, а число N частотных каналов приемника, формируемых программно с учетом известной длительности М-последовательности, определяется величиной максимального смещения частоты несущей за счет эффекта Доплера, рассчитанной по текущему значению скорости движения объекта навигации, получаемой от бортовой системы управления объектом.
При этом, в пороговом обнаружителе формируется значение порога для автоматического выделения принимаемого сигнала, для этого в каждом частотном канале вычисляется сумма амплитуд М элементарных символов текущей реализации входного сигнала, формируемой в накопителе с длительностью, равной длительности М-последовательности, а затем рассчитывается среднее значение полученных сумм по всем частотным каналам и их дисперсия, и выделяются частотные каналы, в которых сумма амплитуд М символов выше порога, равного среднему значению сумм амплитуд в каналах с учетом их дисперсии.
Далее в выделенных частотных каналах для текущей реализации входного сигнала с длительностью, равной длительности М-последовательности, выполняется расчет текущих фаз элементарных символов по данным соответствующих квадратур и формируется текущая входная кодовая комбинация из М элементарных символов.
В устройстве вычисления координат, в отличие от такового в прототипе при работе блока взаимно корреляционной обработки в качестве опорных сигналов используются записанные в блоке памяти устройства опорные кодовые комбинации М-последовательностей, излучаемых маяками как навигационные и информационные сигналы, а в качестве входного сигнала - текущая входная кодовая комбинация из М элементарных символов, сформированная устройством обнаружения.
Кроме того, устройство вычисления координат связано функционально с бортовой системой управления объекта навигации, от которой получает данные об измеренной в точке приема величине скорости звука, уведомление о выходе объекта на ось подводного звукового канала.
Далее устройство вычисления координат рассчитывает дальности объекта от маяков по выделенным временам прихода сигналов маяков и величине эффективной скорости звука по всей акустической трассе. Эффективная скорость звука определяется через величины скорости звука, измеренной объектом в точке приема глубоководного участка трассы, и скорости звука шельфового участка трассы, назначенной и хранящейся в памяти устройства или содержащейся в принятом информационном сообщении.
Сопоставительный анализ существенных признаков заявленного абонентского приемника и его прототипа показывает, что первый в отличие от прототипа дополнен устройством обнаружения и содержит дополнительные операции, выполняемые устройством вычисления координат.
Технический результат изобретения заключается в создании абонентского приемника гидроакустической навигационной системы большой дальности, как автоматического устройства для приема сигналов навигационной сети, развернутой в шельфовой зоне, примыкающей к глубоководному району работ объекта навигации, и выработке данных о текущих географических координатах, необходимых, например, для коррекции координат, счисленных автономной бортовой навигационной системой объекта, которая может быть установлена на его борту. Для работы приемника объект навигации должен иметь бортовую систему управления, систему единого времени, средства измерения собственной скорости движения и скорости звука. При этом приемник по измеренным дальностям определяет свои текущие географические координаты, причем высокая точность позиционирования достигается при выходе объекта на ось подводного звукового канала и принятых ранее мерах по градуировке канала распространения сигналов по эффективной скорости звука на всей трассе и ее шельфовом участке.
Предлагаемый абонентский приемник является универсальным и при его установке на борт произвольного подводного объекта обеспечивает получение навигационных или информационных сообщений в развернутой навигационной сети, которая при дальности действия до 500 км может охватывать значительную часть морской акватории, например, Японского моря. При этом одновременно в акватории могут действовать и получать навигационную информацию любое количество подводных объектов, например, группировка автономных необитаемых подводных аппаратов.
Предлагаемый абонентский приемник обеспечивает:
- прием, обработку и выделение кодовой комбинации излученного фазоманипулированного сигнала, искаженного доплеровским смещением несущей частоты за счет изменения частоты несущей в опорном сигнале (при формировании N-частотных квадратурных приемников в устройстве обнаружения), что увеличивает уровень корреляции между принимаемым сигналом и его электронной копией, ведет к увеличению отношения сигнал/шум в точке приема и, соответственно, увеличению дальности действия системы;
- сокращение вычислительных затрат путем управления объемами расчетов за счет знания текущей скорости объекта, фактической замены расчета корреляционной функции путем выполнения операции свертки по сигналам большой длительности на операцию суммирования по совпадающим символам входной и опорных кодовых комбинаций. При классической схеме корреляционного приемника на основе свертки входной реализации, равной длительности М-последовательности, с электронными копиями излученных М-последовательностей, с формированием десятков или даже сотен частотных каналов для компенсации эффекта Доплера выполнение всего объема расчетов за интервал дискретизации потребует затратных вычислительных ресурсов, которые не могут быть размещены на объектах, например, типа автономный необитаемый подводный аппарат;
- применение в расчете дальности объекта значения эффективной скорости звука, подлежащего оперативной коррекции по принятым информационным сообщениям, записям в памяти и собственным измерениям объекта;
- расчет географических координат в автоматическом режиме на борту объекта в реальном времени.
Модель обработки в предлагаемом абонентском приемнике реализуется на устройствах программируемой логики, имеет малое энергопотребление и массогабаритные характеристики, что позволяет применять приемник на борту подводных объектов навигации различного водоизмещения.
Сущность изобретения поясняется чертежом (фиг. 1), где приведена функциональная схема предлагаемого абонентского приемника (на фиг. 1 ограничен штрихпунктирной линией) и его связи с бортовой системой управления объекта навигации. На чертеже обозначены следующие элементы:
I - гидроакустический приемник:
1 - приемная акустическая антенна;
2 - приемно-усилительный аналоговый тракт;
3 - аналого-цифровой преобразователь.
II - устройство обнаружения:
4 - накопитель входного сигнала;
5 - N-канальный квадратурный приемник;
6 - пороговый обнаружитель;
7 - формирователь текущей входной кодовой комбинации.
III - устройство вычисления координат:
9 - блок памяти;
11 - блок взаимно корреляционной обработки;
12 - блок расчета дальностей объекта навигации от маяков и выделения информационных сообщений;
13 - блок расчета текущих координат объекта навигации.
Кроме того, на борту объекта навигации размещаются:
8 - система единого времени объекта навигации;
10 - бортовая система управления объекта навигации;
Абонентский приемник работает следующим образом.
i
В системе единого времени 8 вырабатываются синхроимпульсы (СИ), синхронизирующие поток данных и результаты их обработки с излучаемыми маяками сигналами.
мi
i
li
li
В блоке памяти 9 содержатся предварительно записанные сведения о координатах стационарных маяков-излучателей (К) и опорных кодовых комбинациях М-последовательностей (КК), соответствующих излучаемым навигационным или информационным сообщениям. Кроме того, в блоке записаны данные об используемой М-последовательности: длительности (Т), количестве элементарных символов (М) и частоте несущей (F). В блоке памяти также хранятся значения назначенной скорости звука шельфового участка акустической трассы С по трассам от каждого из установленных маяков и размеры шельфовых участков D.
В гидроакустическом приемнике блоками 1-3 ведется непрерывный прием низкочастотных фазоманипулированных сигналов М-последовательностей и их аналого-цифровое преобразование. На выходе приемника с шагом по времени, равным интервалу дискретизации входного сигнала, формируется поток цифровых данных, синхронизированных по времени с сигналами маяков.
Информационный поток цифровых данных поступает на накопитель входного сигнала 4 входных данных, где формируется запись данных продолжительностью, равной длительности М-последовательности. При этом величина емкости накопителя 4 составляет L цифровых отсчетов
s
L=F⋅T,
s
где F - частота дискретизации входного сигнала аналого-цифровым преобразователем, Т - длительность М-последовательности.
Текущая запись входных данных накопителя 4 обрабатывается N-канальным квадратурным приемником 5, требуемое число формируемых каналов которого определяется условием
m
m
он
2
N=2⋅dF/dF, dF=F⋅V/C,
m
он
2
где dF - максимально возможное смещение частоты несущей М-последовательностей из-за эффекта Доплера при движении объекта навигации со скоростью V, F - частота несущей М-последовательностей, dF - шаг по частоте формирования каналов относительно частоты несущей М-последовательностей, С - скорость звука в точке нахождения объекта навигации, измеренная бортовым измерителем.
2
он
m
он
2
Шаг по частоте формируемых каналов относительно частоты несущей М-последовательностей dF при различных скоростях движения объекта навигации определяется условием сохранения заданной величины фазового набега частоты несущей М-последовательностей в течение их длительности. Приемлемой величиной фазового набега, не влияющей существенно на результат дальнейшего вычисления корреляционных функций, является 0,1⋅π. Например, при длительности М-последовательностей Т=10 с, несущей частоте F=400 Гц, скорости звука С=1500 м/с и скорости движения объекта V =1,5 м/с, фазовый набег равный 0,1⋅π за время приема М-последовательности получается, если несущая частота изменится на dF=0,005 Гц (из равенства 0,1⋅π=2⋅π⋅dF⋅T). При этом максимально возможное смещение частоты несущей определяется условием dF=F⋅V/C=0,4 Гц, частотный диапазон наблюдения за доплеровским сдвигом частоты несущей принятых сигналов тогда составит от 399,6 до 400,4 Гц, а необходимое число частотных каналов квадратурного приемника, N=160.
он
Для уменьшения объема вычислений путем минимизации числа частотных каналов, формируемых для обработки данных, в квадратурный приемник от бортовой системы управления 10 поступают сведения о реальной текущей скорости объекта навигации V.
В N-канальном квадратурном приемнике 5 данные текущей записи накопителя входного сигнала 4 на интервале длительности М-последовательностей последовательно на интервалах длительности элементарного символа М-последовательности обрабатываются синфазными и квадратурными опорными сигналами во всех сформированных частотных каналах и, по полученным квадратурам, вычисляются амплитуды и фазы каждого принятого элементарного символа.
Далее в пороговом обнаружителе 6 в каждом сформированном частотном канале N определяются суммы вычисленных амплитуд принятых элементарных символов М, затем среднее по частотным каналам значение сумм и их дисперсия.
В формирователе текущей входной кодовой комбинации 7 для сформированных частотных каналов N, в которых сумма амплитуд, полученных в пороговом обнаружителе, превышает среднее значение сумм амплитуд по каналам с учетом дисперсии, фиксируются расчетные значения фаз для элементарных символов принятого сигнала, выполняется их аппроксимация значениями 0 или 180 градусов и формируется текущая входная кодовая комбинация на интервале длительности М-последовательности.
i
Сформированная текущая входная кодовая комбинация поступает на вход блока взаимно корреляционной обработки 11, где определяются текущие значения функций взаимной корреляции, сформированной входной кодовой комбинации с каждой из опорных кодовых комбинаций (КК), хранящихся в блоке памяти 9 устройства вычисления координат.
Описанный процесс повторяется для следующей входной кодовой комбинации, сформированной по данным состояния накопителя входного сигнала, обновленного на временной интервал равный шагу дискретизации.
Далее в блоке взаимно корреляционной обработки 11 ведется накопление текущих значений функций взаимной корреляции по каждой из опорных кодовых комбинаций, фиксируются момент формирования максимума этих функций, и опорная кодовая комбинация, для которой получен максимум. Затем с учетом данных системы единого времени 8, определяется время распространения сигнала.
i
2
li
li
li
i
В блоке расчета дальностей объекта навигации от маяков и выделения информационных сообщений 12 по выделенным опорным кодовым комбинациям принятых сигналов М-последовательностей идентифицируются номера передающих сигналы маяков или содержание передаваемых маяками информационных сообщений. Содержания сообщений передаются в бортовую систему управления объекта навигации. Затем рассчитываются его дальности от маяков по временным интервалам между моментами излучения и приема сигналов М-последовательностей t, величине скорости звука глубоководного участка трассы С, измеренной объектом навигации в точке приема, скорости звука шельфового участка трассы С и размеру шельфового участка D, назначенных и хранящихся в блоке памяти 9 или содержащихся в принятом от маяков информационном сообщении. Где D - размер (длина) шельфового участка по трассе маяк - граница шельфовой зоны в районе установки i-того стационарного маяка. Расчет дальности объекта навигации от i-того маяка D выполняется по формуле:
i
i
2
li
li
D=t⋅C+D⋅(l-C2/C).
он
мi
В блоке 13 вычисляют географические координаты объекта (К), рассчитанные по его дальностям от маяков и координатам маяков (К) из блока памяти 9.
2
он
Бортовая система управления объектом 10 для увеличения точности приема навигационных сигналов направляет в блок расчета текущих координат объекта 13 сообщение о выходе объекта на ось подводного звукового канала (На фиг. 1 это сообщение обозначено, как ПЗК), в блок расчета дальностей объекта навигации от маяков и выделения информационных сообщений 12 направляет величину измеренной на его оси скорости звука (С), а также принимает от блока расчета текущих координат объекта 13 географические координаты объекта (К).