Способ навигационного оборудования морского района
METHOD FOR NAVIGATIONAL EQUIPMENT OF THE SEA AREA

Изобретение относится к области гидроакустической навигации, а именно к навигационному оборудованию морского района, и может быть использовано для позиционирования подводных объектов посредством синхронизированных дальномерных гидроакустических навигационных систем большой дальности действия, использующих гидроакустические маяки.
Навигационное оборудование морского района представляет собой систему специальных береговых и плавучих сооружений, конструкций и устройств, предназначенных для обеспечения безопасности кораблевождения (судовождения) и служит для определения координат кораблей и судов в море, их правильной ориентировки во время плавания в прибрежных и мелководных районах. Средствами навигационного оборудования служат береговые и плавучие маяки, светящиеся и несветящиеся знаки, навигационные огни, плавучие предостерегающие знаки (буи и вехи), радиомаяки, радиолокационные и гидроакустические маяки, наземные станции радионавигационных систем и другие средства [Военно-морской словарь/ Гл. ред. В.Н. Чернавин. М.: Воениздат, 1989. - 511 с. С. 265].
Функционирование подводных объектов (ПО), к которым относятся автономные необитаемые подводные аппараты, глайдеры и другие объекты высокой автономности, на удалении от гидроакустических маяков (ГМ) до сотен и тысяч километров, особенно в районах с ледовыми полями, предполагает периодическое позиционирование ПО без всплытия на поверхность и в отсутствие судов обеспечения. Как известно, ПО оснащаются бортовой инерциальной навигационной системой, которая во время длительных миссий не обеспечивает необходимую точность позиционирования, что и вызывает необходимость периодической коррекции местоположения ПО другими средствами. В условиях недоступности сигналов GPS/ГЛОНАСС и радионавигационных маяков такая коррекция может быть обеспечена гидроакустической навигационной системой соответствующей дальности действия. Развертывание системы, в свою очередь, сопряжено с созданием морского района навигационного обеспечения (РНО), и оборудованием его в плановые сроки, или в оперативном порядке.
Наиболее приемлемыми для оборудования морского РНО являются гидроакустические навигационные системы с длинной базой (ГАНС-ДБ) и гидроакустические навигационные системы большой дальности действия (ГАНС-БД). Если в ГАНС-ДБ маяки (или маяки-ответчики) обычно представляют собой автономное устройство в виде заякоренного буя с размыкателем, переустанавливаемого в РНО по необходимости, то в ГАНС-БД маяки оснащаются мощными низкочастотными источниками навигационных сигналов (ИНС), устанавливаемыми преимущественно стационарно на время существования РНО.
Известно изобретение «Способ расширения использования GPS под водой» по патенту US 5119341 (опубликован 06.02.1992 г.), в соответствии с которым в различных точках района работ подводного аппарата выставляют свободно дрейфующие буи, имеющие приемники GPS и заглубленные гидроакустические излучатели, посредством которых подводному аппарату передают координаты буев, образующих в дрейфе длинную навигационную базу. Недостатком способа является необходимость судового сопровождения подводного аппарата и нескольких дрейфующих буев, необходимость использования сигналов GPS, ограничение размера навигационной базы районом работ ПО, а также большой объем данных, передаваемых буями подводному аппарату.
Известен другой способ размещения ГМ согласно изобретению
«Самоходный гидроакустический буй-маяк и способ навигационного оборудования морского района» (патент RU 2710831, дата публикации 14.01.2020 г.), по которому установку гидроакустических маяков и буев-маяков в морских районах предлагается осуществлять не судами, демаскирующими ведущиеся работы по его оборудованию стационарными системами, а транспортировщиком гидроакустического маяка или буя-маяка, которым является автономный необитаемый подводный аппарат, имеющий достаточную мобильность для оперативного оборудования ими морских районов. Самоходный гидроакустический буй-маяк, прибыв в точку с заданными координатами и всплывая на поверхность, получает свои координаты по сигналам космических аппаратов спутниковой системы навигации, а после самостоятельного погружения и постановки на якорь передает их по запросу подводных и надводных плавсредств. Это техническое решение обеспечивает оперативное и скрытное навигационное оборудование морского района с целью повышения безопасности плавания в нем своих плавсредсв, улучшения качества их работы и маневрирования за счет снабжения точными навигационными параметрами. Недостатком способа является необходимость использования буем спутниковой системы навигации, а также невозможность транспортировки ГМ ввиду большой массы и габаритов мощных низкочастотных ИНС, входящих в их комплект.
Известен также «Способ позиционирования подводных объектов» по патенту RU 2469346 (публикация от 10.12.2012 г.), который может быть использован для одновременного позиционирования нескольких подводных автономных объектов по гидроакустическим маякам на больших дистанциях. В соответствии с этим способом в морской среде устанавливают не менее двух стационарных ГМ, синхронизированных системой единого времени между собой и с акустическим приемником ПО. ГМ устанавливают в прибрежной полосе за пределами прибойной зоны на глубинах, превышающих в 5-10 раз длину волны излучаемого гидроакустического сигнала так, чтобы вероятные позиции ПО в районе работ и двух гидроакустических маяков не находились на одной линии, дополнительно оборудуют пункт управления, включающий каналы связи, как минимум, с одним гидроакустическим маяком, передающим команды управления на ПО.
Способ позволяет осуществлять позиционирование ПО на больших дистанциях от ГМ и в любых метеоусловиях, обеспечивая акустическую незаметность ПО ввиду работы его акустического тракта только в режиме приема сигналов. Предлагаемое размещение ГМ вблизи побережья значительно упрощает осуществление способа за счет возможности оперативной постановки, снятия и обслуживания ГМ на малых глубинах, возможности уточнения координат ГМ с помощью эхолотов, береговой радионавигационной и спутниковой системы навигации, а также снижает риск утраты ГМ, повреждения или подъема рыбопромысловыми судами.
Кроме того, целесообразно размещать ИНС у дна, поскольку там формируется придонный слой холодной воды, канализирующий излученную акустическую энергию, которая распространяется в этом слое с наиболее низкой скоростью, и которая, перейдя в глубинный подводный звуковой канал (ПЗК), приходит к точке ее приема подводным объектом по кратчайшему пути.
Данный способ является наиболее близким к заявляемому техническому решению, поскольку при создании и навигационном оборудовании морского района первоочередными становятся выбор типа навигационной системы, обеспечивающей задачу позиционирования ПО, и определение возможных мест и способов установки гидроакустических маяков, входящих в ее состав.
Однако, оперативность постановки, снятия и обслуживания ГМ, размещаемых в среде стационарно, оказывается недостаточной при оборудовании морского навигационного района на непродолжительное время.
Вторым недостатком способа является ограниченность эксплуатационных характеристик разворачиваемой в процессе оборудования навигационного района гидроакустической навигационной системы, поскольку при размещении ГМ вблизи побережья передача сигналов на большие дистанции зависит от наличия на шельфе определенных гидрологических и батиметрических условий, способствующих переходу излученной энергии сигнала из придонного ПЗК в глубинный ПЗК, находящийся за пределами шельфа. При отсутствии таких условий невозможно достичь необходимой дальности действия навигационной системы и точности позиционирования ПО, следовательно, необходимо создать дополнительные условия для приема им сигналов от ГМ в ПЗК глубокого моря.
Таким образом, при навигационном оборудовании морского района требует разрешения проблема оперативности его создания, расширения эксплуатационных и точностных характеристик разворачиваемой в районе гидроакустической навигационной системы.
Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение оперативности навигационного оборудования морского района навигационного обеспечения, а также расширение эксплуатационных характеристик гидроакустической навигационной системы и точности позиционирования подводного объекта.
Предлагаемое техническое решение направлено на осуществление способа оборудования РНО навигационной системой, при котором она будет адаптирована к географическим, гидрологическим и батиметрическим условиям района, а также к использованию придонных и глубинных ПЗК.
Поставленная задача решается способом навигационного оборудования морского района, по которому гидроакустические маяки размещают на глубинах, превышающих в 5-10 раз длину волны излучаемого гидроакустического сигнала так, чтобы вероятные позиции ПО в районе работ и двух гидроакустических маяков не находились на одной линии, оборудуют пункт управления, включающий каналы связи для передачи команд управления на подводный объект, причем при размещении гидроакустического маяка позицию источника навигационных сигналов выбирают по доступным и полученным оперативным данным с выполнением условий: отсутствие вблизи устьев рек и участков береговой эрозии, отсутствие вероятности замывания грунтом источника в течение функционирования навигационного района; характера и плотности грунта, обеспечивающего устойчивое положение источника навигационного сигнала; отсутствие препятствий распространению звуковой волны в придонной области в секторе вероятного района позиционирования подводного объекта; уклон дна не более 6 градусов в направлении свала глубин в секторе углов, охватывающих предполагаемый район позиционирования подводного объекта.
Существует вариант, в котором гидроакустический маяк устанавливают на судне и доставляют к заданной позиции у побережья, а источник навигационных сигналов погружают с борта судна, находящегося на якорной стоянке, на глубину придонного ПЗК, что увеличивает оперативность постановки ГМ на позиции и создания РНО, при этом, ввиду смещений судна на якоре, определяют и кодируют текущие координаты источника, которые далее передают посредством этого же источника в форме командного сигнала совместно с навигационным для вычисления дистанций на борту подводного объекта.
Существует также вариант, в котором гидроакустический маяк устанавливают на судне и доставляют к заданной позиции, находящейся в районе присутствия глубинного ПЗК, а источник навигационных сигналов погружают с борта судна, находящегося в дрейфе, на ось глубинного ПЗК, при этом определяют и кодируют текущие координаты источника, которые далее передают посредством этого же источника в форме командного сигнала совместно с навигационным для вычисления дистанций на борту подводного объекта.
Существует также вариант, в котором гидроакустический маяк доставляют к заданной позиции, находящейся в районе присутствия глубинного ПЗК, оборудование гидроакустического маяка размещают в радиобуе, соединяют радиобуй сигнальным кабель-тросом с источником навигационных сигналов, далее с борта судна, находящегося в дрейфе, погружают источник на ось глубинного ПЗК, и последовательно выставляют в дрейф источник навигационных сигналов на отдельном буе-плавучести, и радиобуй, при этом на судне периодически определяют текущие координаты радиобуя, через радиоканал передают их кодировщику радиобуя, и далее передают их посредством источника навигационных сигналов в форме командного сигнала совместно с навигационным сигналом для вычисления дистанций на борту подводного объекта.
Существует также вариант, в котором на акваторию, покрытую льдом, гидроакустический маяк доставляют к заданной позиции, источник навигационных сигналов погружают через подготовленную полынью в ледовом покрове, а оборудование маяка располагают в защищенных от климатических воздействий условиях, при этом периодически определяют текущие координаты полыньи радионавигационными или другими средствами, и далее передают их посредством источника навигационных сигналов в форме командного сигнала совместно с навигационным сигналом для вычисления дистанций на борту подводного объекта.
В работе [Tappert F.D., Spiesberger J.L., Wofson М.А. Study of a novel range dependent propagation effect with application to the axial injection of signals from the Kaneohe source // J. Acoust. Soc. Amer. 2002, Vol. 111, №2., P. 757-762] приведены и проанализированы результаты эксперимента по переходу акустических сигналов из звукового канала мелкого моря в звуковой канал глубокого моря. Теоретически и физически обоснован тот факт, что в зависимости от среднего угла наклона дна, часть переотраженных лучей также уходит в глубоководный канал, создавая эффект «акустического оползня», когда поток акустической энергии от излучателя, расположенного на шельфе, распространяется вдоль континентального склона, и при многолучевом распространении лучи с малыми углами скольжения захватываются в глубоководный канал. Указанная в статье необходимость прямой экспериментальной проверки указанного эффекта, выполнена и представлена, например, в работе [В.В. Безответных, А.В. Буренин, Ю.Н. Моргунов, Ю.А. Половинка. Экспериментальные исследования особенностей распространения импульсных сигналов из шельфа в глубокое море // Акустический журнал. 2009. Т. 55, №3, С. 374-380], где показано, что подобного естественного эффективного согласования местоположения источника звука с характеристиками ПЗК сложно достичь при его стационарном размещении вблизи свала глубин, так как значительные перемещения оси ПЗК по глубине на этом динамичном участке трассы могут вызвать формирование зональной структуры акустического поля в глубоком море.
В известных исследованиях, подтвердивших проявления эффекта акустического «оползня», угол наклона дна на шельфе составлял не более 6° (по результатам эксперимента 3,55°, а по модельным расчетам 5,71°), что приведено в работе [J. L. Spiesberger and F. D. Tappert, Kaneohe acoustic thermometer further validated with rays over 3700 km and the demise of the idea of axially trapped energy, J.Acoust.Soc.Am. 99, 173-184. 1996.].
С учетом положений, представленных в этих работах, уклон дна в заявляемом способе обозначен величиной не более 6 градусов в направлении свала глубины в секторе углов, охватывающих предполагаемый район позиционирования подводного объекта. Выполнение других условий, касающихся отсутствия вблизи устьев рек и участков береговой эрозии при выборе позиции ГМ и установки источника навигационных сигналов, является необходимым ввиду большой погрешности определения скорости звука в распресненной воде на акватории, для снижения вероятности заиливания ИНС и обеспечения беспрепятственного распространения энергии излучаемых звуковых сигналов.
При навигационном оборудовании долговременного РНО, оборудование стационарных ГМ размещают на побережье, предпочтительно у обитаемых маячных сооружений, имеющих транспортную доступность и обеспечение электроэнергией, при этом позицию ИНС выбирают предпочтительно на удалении от 500 до 1000 метров от береговой линии, что определяется приемлемой длиной кабеля, укладываемого к берегу с использованием маломерных плавсредств, а также необходимой глубиной места и безопасным удалением от берега якорной стоянки обеспечивающего судна.
Для формирования временного РНО (до нескольких суток, с учетом метеоусловий) размещают ГМ на борту судна обеспечения с погружением ИНС мобильного исполнения в область придонного ПЗК (2 - 5 м над грунтом) в условиях якорной стоянки судна на выбранной позиции.
При формировании временного РНО (до нескольких суток, с учетом метеоусловий) может возникнуть необходимость изменения навигационной базы (расстояния между позициями ГМ), или необходимость постановки ГМ в точку, находящуюся за пределами шельфа в области устойчивого положения глубинного ПЗК. В этих случаях ГМ размещают на судне обеспечения, доставляют на выбранную позицию и вывешивают ИНС на ось глубинного ПЗК с борта дрейфующего судна, а при допустимых метеоусловиях выполняют постановку полного комплекта ГМ в дрейф с сопровождением его обеспечивающим судном.
От качества позиций ГМ зависит доступность использования ПЗК, что повышает такие рабочие характеристики ГАНС-БД, как дальность действия и точность позиционирования ПО. Выбор позиций определяет также перспективы оперативного развертывания и передислокации ГМ, способы обеспечения связи между пунктами управления, обеспечение устойчивости работы ГАНС-БД в целом.
Для повышения оперативности навигационного оборудовании морского района, а также расширения эксплуатационных характеристик ГАНС-БД, в РНО должны быть предусмотрены как основные, так и запасные (резервные) места размещения ГМ и позиции ИНС, в том числе в защищенных по метеоусловиям акваториях.
Таким образом, технический результат повышения оперативности навигационного оборудовании морского района достигается посредством использования мобильных ГМ, размещенных и функционирующих на борту судов на якорных стоянках и в дрейфе; технический результат расширения эксплуатационных характеристик гидроакустической навигационной системы достигается в заявляемом способе обеспечением доступа к придонному и глубинным ПЗК, позволяя адаптировать навигационную систему к поставленной задаче позиционирования ПО, а также сочетать способы постановки ГМ в разнообразных условиях морского навигационного района больших масштабов; технический результат повышения точности позиционирования подводного объекта достигается уточнением координат источников навигационных сигналов посредством эхолотов, судовых и радионавигационных береговых систем, постановкой ИНС на глубины ПЗК, где звуковая энергия распространяется по кратчайшему пути, а также передачей текущих координат ИНС в форме командных сигналов совместно с навигационными сигналами по гидроакустическому каналу для корректировки дистанций, вырабатываемых бортовыми навигационными средствами ПО.
Навигационное оборудование морского района осуществляют следующим образом.
При размещении ГМ учитывают географические, гидрологические и батиметрические особенности РНО, а также особенности постановки и эксплуатации низкочастотных источников звука ввиду их значительной массы и габаритов.
Места и способы размещения ГМ выбирают на основе исходных данных: географического положения, масштабов и времени функционирования РНО, требуемой дальности действия, количества и состава судового обеспечения. Средствами судового обеспечения ГМ доставляют к выбранным позициям. Используя технические средства судна на подходе проверяют глубины, рельеф, уклон и характер грунта. С учетом течения и направления ветра, судно ставят на якорь вблизи точки с обозначенными координатами.
При развертывании стационарного варианта ГМ, с помощью маломерных плавсредств производится осмотр береговой полосы, устанавливают и размечают створы для вывода кабельной линии на берег, доставляют на берег аппаратуру и оборудование ГМ. Используя эхолот и технические средства судна проверяется глубина, рельеф и характер грунта. С помощью судового оборудования выполняют постановку стационарного ИНС на грунт, при этом уточняют его координаты. Кабельную линию выводят на берег и подключают морской участок линии к береговому и аппаратуре ГМ.
При необходимости оперативного оборудования морского РНО, и при достаточности судового обеспечения, используют мобильные варианты ГМ. При развертывании мобильного варианта ГМ, его аппаратура находится на борту судна, ИНС мобильного исполнения погружают в область придонного ПЗК (2 - 5 м над грунтом) в условиях якорной стоянки на выбранной позиции. Для повышения точности определения дистанций от ИНС до ПО периодически определяют текущие координаты ИНС, которые с его же помощью передают в виде командного сигнала совместно с навигационным для вычисления и корректировки дистанций на борту ПО.
При необходимости размещения ИНС на оси глубинного ПЗК используют мобильные варианты ГМ, постановку ИНС выполняют погружением с борта дрейфующего судна (ГМ находится на борту), или, при допустимых метеоусловиях, выполняют постановку в дрейф комплекта ГМ в составе радиобуя, в котором находится оборудование ГМ, и источника навигационных сигналов. Судовыми грузоподъемными средствами выполняют погружение источника на ось глубинного ПЗК, и далее последовательно выставляют в дрейф соединенные кабель-тросом источник навигационных сигналов на отдельном буе-плавучести, и радиобуй, сопровождая ГМ судном. Действия по отводу оборудования от борта судна выполняют с использованием маломерного плавсредства. Выборку ГМ осуществляют в обратном порядке.
Техническая осуществимость предлагаемого способа подтверждается тем, что навигационное оборудование РНО морского района неоднократно осуществлялось при выполнении натурных экспериментальных исследований в условиях Японского и Охотского морей с развертыванием ГАНС-БД, размещением ГМ и постановкой ИНС во всех заявляемых техническим решением вариантах. Позиционирование ПО на удалениях до 500 км от берега выполнялось с расстановкой ГМ в стационарном и мобильном вариантах вдоль береговой линии на дистанциях между ними до 300 км и постановкой ИНС у побережья на глубинах 30 - 50 м, а в дрейфующем варианте для постановки на ось глубинного ПЗК - на глубинах 150 - 250 м. Оперативность оборудования морского района определялась фактическим временем доставки ГМ судами к наиболее удаленным от портов выбранным позициям ГМ, а также метеоусловиями в оборудуемом РНО.
Размещение ГМ в ледовых условиях происходило в зимний период при стендовых испытаниях его оборудования, которое доставлялось автотранспортом и размещалось на льду в защищенных от климатических воздействий условиях. ИНС на специальной санной платформе, оборудованной лебедкой, доставлялся к подготовленной полынье и вывешивался на кабеле на заданную глубину, при этом радионавигационными средствами периодически определялись текущие координаты полыньи.