КОМПЛЕКС ИМИТАЦИОННОГО И ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ МАНЕВРИРОВАНИЯ АВТОНОМНЫХ ПОДВОДНЫХ АППАРАТОВ С БОРТОВОЙ ГИДРОАКУСТИЧЕСКОЙ АППАРАТУРОЙ НАВЕДЕНИЯ НА ПОДВОДНЫЕ ОБЪЕКТЫ
SYSTEM FOR SIMULATED AND PHYSICO-MATHEMATICAL MODELLING OF MANOEUVRE PROCESSES OF AUTONOMOUS UNDERWATER VEHICLES WITH ONBOARD HYDROACOUSTIC EQUIPMENT FOR DIRECTION ONTO UNDERWATER OBJECTS

Изобретение относится к области морской техники и может быть использовано в качестве средства для оптимизации технических характеристик и алгоритмов функционирования автономных подводных аппаратов (АПА), проверки и отработки связей между бортовыми системами АПА, оценки точности и устойчивости процессов управления движением и наведения АПА на подводные технические объекты.
Известны комплексы моделирования гидроакустической аппаратуры подводных аппаратов с дорогостоящими гидробассейнами, специально оборудованными решеткой управляемых излучателей гидроакустических сигналов, воздействующих на погруженное в него антенное устройство АПА (см. Вертешев С.М., Лехин С.Н. Полунатурное моделирование гидроакустических сигналов на основе конструктивных и канонических моделей. Труды VIII Международной конференции «Прикладные технологии гидроакустики и гидрофизики», изд. Наука, 2006 г., с.446-449; Колосов К.В. О полунатурном моделировании дальнего поля. Сборник докладов научно-технической конференции по проблемам гидроакустики, изд. ЦАГИ, Москва, 2001 г., с.54-57).
Практически неразрешимой проблемой таких комплексов моделирования является невозможность полностью исключить помеху от переотражения сигналов от дна и стенок бассейна и водной поверхности.
Известен способ построения безбассейнового комплексов полунатурного моделирования гидроакустических сигналов, при котором сигналы излучающей решетки, используемой в бассейновом варианте, преобразуются с помощью электронного имитатора в сигналы, поступающие непосредственно на вход приемной части гидроакустической аппаратуры (см. Вертешев С.М., Лехин С.Н. Вопросы построения безбассейновых комплексов полунатурного моделирования гидроакустических сигналов. Труды IX Всероссийской конференции «Прикладные технологии гидроакустики и гидрофизики», изд. Наука, СПб, 2008 г., с.649-655).
Такие комплексы моделирования имеют ограниченное применение для отработки выделенной из состава АПА гидроакустической аппаратуры в статических режимах и не позволяют проводить комплексное моделирование динамики процессов управления и пространственного наведения с реальными приборами управления АПА.
Моделирование динамики процессов пространственного маневрирования АПА с реальными приборами управления возможно с помощью специальных электрогидравлических стендов, обеспечивающих угловое перемещение установленных на них приборов управления АПА и воздействие на них линейных ускорений. Финансовые затраты на создание таких стендов с приемлемыми частотными характеристиками и достаточной грузоподъемностью огромны.
Близким аналогом заявляемого комплекса моделирования по перечню решаемых задач и технологии моделирования является комплекс моделирования, созданный специалистами департамента кораблестроения и вооружения ВМС Франции (см. А.Валентинов. Моделирование ССН торпед ВМС Франции // «Зарубежное военное обозрение», №5, 1995 г., с.75-76).
Прототип позволяет выполнять цифровое (имитационное) моделирование динамики процессов управления и наведения с использованием математических моделей реальной аппаратуры и приборов управления и гибридное (физико-математическое) моделирование с включением в состав комплекса реальных гидроакустической аппаратуры и приборов управления.
Задачей изобретения является создание безбассейнового комплекса аппаратно-программных средств моделирования динамики процессов функционирования АПА с гидроакустической аппаратурой при поиске подводных объектов и наведения на них с различных дистанций обнаружения в любых гидролого-акустических условиях применения АПА.
Исключение из состава комплекса моделирования гидробассейна, оборудованного решеткой управляемых излучателей гидроакустических сигналов и погруженной в него антенной АПА, достигается подачей суммарного гидроакустического сигнала в реальном времени непосредственно на вход приемной части гидроакустической аппаратуры АПА. Для этого в состав аппаратно-программных средств комплекса моделирования дополнительно включены компьютерные модули: модуль преобразования гидроакустических сигналов и помех в точке приема антенными устройствами АПА и модуль синтеза в реальном времени сигналов и помех на входе приемной части гидроакустической аппаратуры АПА (при физико-математическом моделировании) или на входе ее компьютерной модели (при имитационном моделировании).
Возможность моделирования динамики пространственного процесса наведения АПА на подводный объект с реальными приборами управления без использования сложных и дорогостоящих стендов, обеспечивающих угловое перемещение установленных на них приборов управления АПА и воздействие на них линейных ускорений, достигается включением в состав аппаратно-программных средств заявляемого комплекса моделирования АПА электронного имитатора блока датчиков угловых скоростей и ускорений приборов управления АПА.
На фиг.1 приведена структурная схема заявляемого комплекса моделирования. На схеме показаны:
- модуль расчета взаимоположения АПА и подводных объектов 1;
- модуль расчета гидроакустических сигналов и помех в точке приема 2;
- модуль преобразования гидроакустических сигналов и помех антенными устройствами АПА 3;
- модуль синтеза в реальном времени сигналов и помех на входе приемной части гидроакустической аппаратуры АПА 4;
- приемная часть реальной гидроакустической аппаратуры АПА (или ее компьютерная модель) 5;
- модуль динамики движения АПА 6;
- имитатор блока датчиков угловых скоростей и ускорений приборов управления движением АПА 7;
- реальные приборы управления движением АПА (или их компьютерная модель) 8;
- модуль компьютерных моделей рулевых машин АПА 9;
На фиг.1 показано соединение входов и выходов модулей и устройств комплекса моделирования.
Заявляемый комплекс моделирования функционирует следующим образом. Перед пуском на первый вход модуля расчета взаимоположения АПА и подводных объектов 1 в качестве начальных условий вводятся начальные координаты АПА и объектов поиска, а на первый вход модуля расчета гидроакустических сигналов и помех в точке приема 2 в качестве начальных условий вводятся гидролого-акустические характеристики района применения АПА. Значения изменяющихся в процессе движения координат АПА рассчитываются в модуле динамики движения АПА 6 и с первого выхода модуля 6 поступают на второй вход модуля расчета взаимоположения АПА и подводных объектов 1. С выхода модуля 1 относительные координаты АПА и подводных объектов и их положение относительно границ раздела сред (поверхности, дна) поступают на второй вход модуля расчета гидроакустических сигналов и помех в точке приема 2. Результаты расчета характеристик сигналов и помех в каждом цикле излучения-приема в цифровой форме с выхода модуля 2 поступают на вход модуля преобразования гидроакустических сигналов и помех антенными устройствами АПА 3, с выхода которого также в цифровой форме поступают на вход модуля синтеза в реальном времени сигналов и помех на входе приемной части гидроакустической аппаратуры АПА 4. Синтезированный в модуле 4 суммарный сигнал в виде цифрового спектра преобразуется в аналоговый сигнал реального времени и поступает на вход приемной части реальной гидроакустической аппаратуры АПА (или ее компьютерной модели) 5. Команды управления движением АПА в соответствии с заданными алгоритмами функционирования с выхода реальной гидроакустической аппаратуры 5 поступают на второй вход реальных приборов управления 8 по штатной схеме моделируемого образца АПА. Выработанные приборами управления рулевые команды с выхода приборов управления 8 поступают на вход модуля компьютерных моделей рулевых машин АПА 9. Значения отклонений рулей с модуля 9 поступают на вход модуля динамики движения АПА 6 и изменяют угловые координаты АПА и сигнально-помеховую ситуацию в процессе функционирования АПА. Со второго выхода модуля 6 на вход имитатора блока датчиков угловых скоростей и ускорений приборов управления движением АПА 7 поступают текущие значения составляющих угловых скоростей и ускорений АПА, которые преобразуются в электрические сигналы, полностью идентичные сигналам, снимаемым с реальных датчиков приборов управления моделируемого образца АПА, и с выхода имитатора 7 поступают на первый вход реальных приборов управления (на электронные сумматоры). С помощью имитатора 7 исключается необходимость применения при моделировании динамики движения АПА сложных и дорогостоящих динамических стендов.
Совокупность описываемых признаков позволяет создать мощный инструмент для исследования и отработки алгоритмов функционирования бортовой аппаратуры и приборов управления разрабатываемых образцов АПА. Отказ от строительства гидробассейна для погружения в него гидроакустической аппаратуры и исключение из процесса моделирования дорогостоящего динамического стенда для установки приборов управления при одновременном исключении погрешностей, связанных с переотражением гидроакустических сигналов в бассейне и неидеальностью частотных характеристик динамических стендов, позволяет существенно повысить качество моделирования, сократить объем и сроки проведения натурных испытаний АПА и дает большой экономический эффект.
К моменту заявления разработаны математические модели и программное обеспечение и собран функционирующий макет комплекса имитационного и физико-математического моделирования процессов маневрирования автономных подводных аппаратов с бортовой гидроакустической аппаратурой наведения на подводные объекты.