Бортовой блок подводного объекта для определения координат и приема команд управления в гидроакустической навигационной системе большой дальности

Полезная модель - бортовой блок подводного объекта для определения координат и приема команд управления в гидроакустической навигационной системе большой дальности (Бортовой блок), относится к области подводной навигации, в частности к гидроакустическим навигационным средствам для определения местоположения и приема информационных сообщений подводными объектами типа автономных необитаемых подводных аппаратов (АНПА) или обитаемых подводных аппаратов с большой автономностью и дальностью действия, при выполнении миссий в глубоком море, а также в глубоком море подо льдом, при отсутствии обеспечивающего судна или выставленного непосредственно в районе работ дополнительного внешнего навигационного оборудования, в условиях развернутой гидроакустической навигационной системы большой дальности обеспечивающей излучение навигационных сигналов от гидроакустических маяков, размещенных на большой дальности вдоль береговых линий глубокого моря.
Уровень техники
Известен способ позиционирования подводных объектов в глубоком море [1]. В способе изложен порядок организации гидроакустической навигационной системы большой дальности (ГАНС БД) в глубоком море, в которой для увеличения дальности действия используют гидроакустические излучатели навигационных сигналов с размещением излучателей (маяков) вблизи побережья, а в качестве излучаемых сигналов применяются сложные кодированные сигналы типа М-последовательностей низкочастотного диапазона. Для работы по этому способу на борту подводного объекта размещается приемник навигационных сигналов, состоящий из акустического приемника и бортового устройства вычисления координат. Решение навигационной задачи обеспечивается при приеме сигналов как минимум от двух стационарных маяков, синхронизированных системой единого времени (СЕВ) между собой и с приемником подводного объекта. Электронные копии излучаемых навигационных сигналов и координаты маяков вводят в память устройства вычисления координат на борту объекта навигации.
Для повышения точности позиционирования по расчетным дистанциям от установленных маяков обсервацию в ГАНС БД выполняют при выходе подводного объекта на ось подводного звукового канала (ПЗК) [2]. Дистанции определяют путем измерения времени распространения полезного сигнала, в качестве которого выбирают время прихода последнего отклика при корреляционной обработке сигнала с его электронной копией, и уточнения эффективной скорости распространения сигнала в морской среде, которая будет определяться скоростью звука на оси ПЗК и скоростью звука в шельфовой зоне. Для каждого маяка выполняют градуировку района его стационарной установки, в ходе которой определяют размеры шельфовой зоны и эффективную скорость распространения звука в этой зоне в зависимости от сезона года и времени суток по трассе «маяк-граница шельфовой зоны», а данные градуировки записывают в память бортового вычислителя координат объекта. Подводный объект, с размещенным на его борту измерителем скорости звука, выполняет измерение вертикального профиля скорости звука в районе работ, выявляет ПЗК и выходит на его ось для приема сигналов.
Известный способ устанавливает организацию гидроакустической навигационной системы и методику ее применения для получения высокой точности позиционирования на большой дальности. В соответствии с этим способом устанавливаются формат, структура и порядок излучения навигационных сигналов, порядок определения времени прихода сигналов при сложном многолучевом распространении, методика расчета эффективной скорости.
Однако способ в явном виде не описывает устройств, при применении которых подводные объекты могут быть абонентами развернутой навигационной системы из-за необходимости конструктивного, энергетического и информационного сопряжения приемника навигационных сигналов при его размещении на борту подводного объекта.
Для создания и производства технического устройства приема сигналов дальней навигации необходим акустический приемник, аналоговые и цифровые средства вычисления координат, функциональные характеристики которых должны соответствовать принятым в ГАНС БД сигналам навигации и управления, быть реализованными на основе использования существующей современной элементной базы и обеспечивать установленные требования по дальности и точности ГАНС БД. Необходимо также разработать комплекс средств программного обеспечения по задачам назначения и интеграции в состав подводного объекта, обеспечить конструктивное исполнение и организацию кабельного интерфейса, требуемые при размещении Бортового блока на подводном объекте, например, АНПА большой автономности.
Техническая проблема, решение которой обеспечивается предлагаемой полезной моделью, заключается в необходимости создания Бортового блока как комплекса программно-аппаратных средств, выполненных с использованием современной элементной базы, реализующих операции, необходимые для определения координат и приема команд управления подводным объектом в глубоком море с заданными параметрами дальности и точности, обладающих характеристиками обеспечивающими возможность их размещения на борту произвольного подводного объекта, например АНПА большой автономности, при применении подводного объекта в зоне действия развернутой ГАНС БД.
Технический результат полезной модели - создание нового бортового навигационного прибора, обеспеченного необходимыми программно-аппаратными средствами и готового для реализации, интегрированного в бортовую автономную навигационную систему подводного объекта, служащего для периодического определения местоположения по данным развернутой ГАНС БД и их использования для текущей коррекции данных бортовой автономной навигационной системы, а также, при необходимости - для приема команд управления из береговых центров. Полезная модель представляется завершенной конструкцией с электронными блоками и программным обеспечением, полностью подготовленной к установке на борт подводного объекта.
Раскрытие сущности полезной модели
Поставленная задача решается тем, что Бортовой блок, обеспечивающий получение навигационных или информационных сообщений передаваемых кодированными фазоманипулированными сигналами типа М-последовательностей в развернутой навигационной сети ГАНС БД, состоящей из комплекта стационарных низкочастотных излучателей (маяков), синхронизированных системой единого времени между собой и с подводным объектом, и выполняющий вычисление координат подводного объекта с использованием известных координат маяков и рассчитанных дистанций между маяками и подводным объектом по выделенным временам прихода сигналов маяков и величине эффективной скорости звука по всей акустической трассе, размещаемый на подводном объекте, способном выходить в глубоком море на ось подводного звукового канала, принимать навигационные сигналы, вычислять координаты подводного объекта, при этом в электронную память Бортового блока введены координаты гидроакустических маяков и электронных копий излучаемых ими сигналов, а Бортовой блок способен выполнять взаимно корреляционную обработку входного навигационного сигнала и электронных копий излучаемых сигналов и настроен на прием сигналов, излучаемых комплектом маяков или командной информации, и принимающий решения об обнаружении сигналов и времени их распространения, необходимых для расчета текущих координат подводного объекта навигации с использованием данных об эффективной скорости распространения звука, по максимумам корреляционных функций, полученным при взаимно корреляционной обработке, при этом Бортовой блок для определения координат и приема команд управления в ГАНС БД интегрирован в состав подводного объекта и получает от него электропитание и синхронизирующие сигналы системы единого времени, функционально связан с его бортовой системой управления, от которой получает уведомление о выходе объекта на ось подводного звукового канала и данные об измеренной в точке приема величине скорости звука и состоящий из
- конструкции, включающей цилиндрический герметичный контейнер, с прочностью обеспечивающей работу Бортового блока на предельных глубинах погружения подводного объекта, с установленной на контейнере в цилиндрическом обтекателе ненаправленной приемной антенной - гидрофоном, габариты которой соизмеримы с размерами контейнера, при этом контейнер через герморазъем соединен интерфейсным кабелем с бортовыми системами подводного объекта, контейнер оборудован средствами мягкой установки на корпус объекта с целью уменьшения влияния вибраций на прием низкочастотных сигналов, внутри контейнера размещен узел электроники, имеющий аналоговую и цифровую части;
- узла электроники, в аналоговой части оснащенного электронными платами предварительного усиления, фильтрации и аналого-цифрового преобразования, характеристики которых согласованы по чувствительности, частотному и динамическому диапазону с характеристиками антенны и излучаемых сигналов, в качестве которых используются фазоманипулированные сигналы с выбранной низкой частотой несущей, также узел электроники включает цифровую часть с электронной платой программируемой логики с микроконтроллером и содержит в памяти программное обеспечение;
- программное обеспечение в цифровой части узла электроники с функциями корреляционной обработки входных, излучаемых комплектом маяков и их электронных копий из памяти цифровой части узла электроники сигналов; декодирования данных и команд управления, содержащихся в принимаемых сигналах; выработки навигационных данных на основании декодированных данных, регистрации этой информации, информационного сопряжения с бортовой системой управления подводного объекта.
При этом в составе системы управления подводного объекта содержатся: модуль управления движением объекта в соответствии с установленными режимами обсервации (выхода на ось ПЗК), модуль СЕВ и модуль регистрации информации и информационного сопряжения с Бортовым блоком ГАНС БД.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1 - компоновка и основные конструктивные элементы Бортового блока.
Фиг. 2 - схема структурная Бортового блока, включающая функциональные части устройства, их основные взаимосвязи, а также некоторые модули системы управления подводного объекта и связи с ними частей Бортового блока.
Осуществление полезной модели
Бортовой блок подводного объекта для определения координат и приема команд управления в ГАНС БД осуществляется следующим образом.
Конструкция Бортового блока (фиг. 1) готова для установки на подводный объект.
На фиг. 1 обозначено следующее
1 - ненаправленная приемная антенна – гидрофон;
2 - цилиндрический герметичный контейнер;
3 - узел электроники;
4 - интерфейсный кабель.
На фиг. 2 обозначено следующее
5 - бортовой блок;
1 - ненаправленная приемная антенна – гидрофон;
3 - узел электроники.
Позиции аналоговой части узла электроники 3.
6 - плата предварительного усилителя с полосовым фильтром;
7 - плата сопряжения цифровой обработки сигналов (ЦОС);
8 - 16-ти разрядный АЦП;
9 - Вторичный преобразователь питания.
Позиции цифровой части узла электроники 3.
10 - плата ЦОС;
11 - программный модуль корреляционной обработки сигналов;
12 - программный модуль декодирования принятых сигналов (данных и команд управления);
13 - программный модуль выработки навигационных данных;
14 - программный модуль регистрации информации и информационного сопряжения с системой управления подводного объекта;
15 - программный модуль СЕВ.
Позиции подводного объекта 16.
16 - подводный объект;
17 - система управления подводного объекта с программными модулями;
18 - программный модуль поиска оси ПЗК;
19 - программный модуль информационного сопряжения с блоком СЕВ подводного объекта;
20 - программный модуль информационного сопряжения с Бортовым блоком ГАНС БД и регистрации информации;
21 - блок СЕВ подводного объекта;
22 - измеритель скорости звука;
23 - источник питания подводного объекта.
Ниже представлена реализация Бортового блока для его установки на подводный объект. При этом плата ЦОС цифровой части узла электроники реализована на плате вычислителя DE10-nano Intel SoC Cyclone V, включающей микросхему CYCLONE V SE 5CSEBA6U23I7, в состав которой входят двухъядерный ARM Cortex-А9 процессор 800 МГц и программируемая логическая матрица, работающие в операционной системе реального времени Linux console (kernel 4.5) Intel SoC Cyclone V.
Программно-аппаратные средства Бортового блока связаны с аппаратурой подводного объекта и решают функциональные задачи, обеспечивающие работу бортового блока как абонентского приемника ГАНС БД.
Бортовой блок для определения координат и приема команд управления работает, например, при установке на АНПА, следующим образом. Устройство устанавливается на борт АНПА и подключается к его электропитанию. В систему управления АНПА интегрируются программные модули управления движением объекта в соответствии с установленными режимами обсервации (выхода на ось ПЗК), модуль СЕВ и модуль регистрации информации и информационного сопряжения с Бортовым блоком ГАНС БД. АНПА выполняет миссию в глубоком море в зоне действия низкочастотных навигационных маяков. Для обсервации АНПА выходит на ось ПЗК и ведет прием сигналов гидрофоном. Сигналы усиливаются, фильтруются, оцифровываются в аналоговой части узла электроники и поступают на платы цифровой части узла электроники для обработки. Цифровая обработка обеспечивается соответствующими функциями программного обеспечения. При этом цифровая часть узла электроники Бортового блока с помощью информационного сопряжения с бортовой системой управления подводного объекта получает необходимый сигнал синхронизации, поступающий с модуля СЕВ подводного объекта, что обеспечивает формирование набора тактируемых и управляющих сигналов для корректного осуществления функции корреляционной обработки входных, излучаемых комплектом маяков и их электронных копий из памяти цифровой части узла электроники сигналов.
В варианте исполнения плата ЦОС цифровой части узла электроники реализована на плате вычислителя DE10-nano Intel SoC Cyclone V, включающей микросхему CYCLONE V SE 5CSEBA6U23I7, в состав которой входят двухъядерный ARM Cortex-А9 процессор 800 МГц и программируемая логическая матрица, работающие в операционной системе реального времени Linux console (kernel 4.5) Intel SoC Cyclone V.
В варианте исполнения Бортового блока программными средствами выполняется детектирование пяти установленных псевдослучайных М-последовательностей длительностью 1023 символа служащих для идентификации маяков и передачи информации, определение доплеровского смещения несущей частоты, возникающей при движении объекта, за счет формирования 850 параллельных каналов несущей, определение времен приходов навигационных сигналов в заданном информационном интервале при работе от внутреннего сигнала СЕВ, регистрация данных, поступающих с АЦП и с выхода коррелятора с привязкой к сигналу СЕВ, формирование сигнала «Авария» при срабатывании датчика воды и информационное сопряжение с системой управления подводного объекта. Решение об обнаружении навигационного или информационного сигнала содержит кодовый номер последовательности, частотный сдвиг несущей, возникающий при движении объекта, значение максимума корреляционной функции (фактически отношение сигнал/помеха на выходе блока обработки) и положение максимума на абсолютной шкале времени.
Предложенный Бортовой блок при его установке на борт произвольного подводного объекта обеспечивает получение навигационных или информационных сообщений, передаваемых кодированными фазоманипулированными сигналами типа М-последовательностей в развернутой навигационной сети, которая при дальности действия до 500 км может охватывать значительную часть морской акватории, например, Японского или Охотского морей. При этом одновременно в акватории может действовать и получать навигационную информацию любое количество подводных объектов, например группировка автономных необитаемых подводных аппаратов.
Описанная полезная модель Бортового блока для определения координат и приема команд управления была разработана, установлена на борт АНПА и успешно прошла испытания, подтвердив возможность точного координирования и приема команд управления в ГАНС БД по технологии, описанной в [2] на дальностях 500 км.
Источники информации.
1. Способ позиционирования подводных объектов. Патент РФ №2469346, опубл. 10.12.2012.
2. Моргунов Ю.Н., Безответных В.В., Буренин А.В., Войтенко Е. А., Голов А.А. Экспериментальное тестирование технологии высокоточной подводной акустической дальнометрии // Акустический журнал. Том 64. №2. 2018. С. 191-196.