Способ позиционирования самоходного необитаемого подводного аппарата, выполняющего мониторинг подводной акватории
METHOD FOR POSITIONING A SELF-PROPELLED UNMANNED UNDERWATER VEHICLE THAT MONITORS THE UNDERWATER AREA

Изобретение относится к области морской техники, а именно к способам определения координат подводных аппаратов, выполняющих задачи по обследованию подводных акваторий или подводных коммуникаций. Способ может быть использован в том числе при непрерывном или периодическом мониторинге технического состояния объектов подводной инфраструктуры (подводных трубопроводов, кабелей связи и др.)
Из уровня техники известен «Способ навигационного оборудования морского района» по патенту №RU 2709058 (опубл. 13.12.2019), при котором сначала рассчитывают количество гидроакустических буев-маяков, необходимых для навигационного оборудования заданного морского района и определяют точки их установки. Далее, согласно способу, готовят на базе гидроакустические буи-маяки к установке, проверяют их работоспособность и загружают на плавсредство, на котором доставляют буи-маяки в заданный морской район и в расчетных точках сбрасывают в воду, где после приводнения переводят в рабочее положение. В соответствии с данным способом применяют дрейфующие буи, которые на поверхности воды получают от спутниковой системы навигации географические координаты буя и по запросу надводных или подводных плавсредств передают их по радио или звукоподводной связи. Отличительным признаком указанного способа является использование мобильных буев-маяков, выполненных на базе автономных необитаемых подводных аппаратов с введенным в их бортовую систему управления маршрутным заданием. Согласно своему маршрутному заданию, мобильные буи-маяки действуют в группе согласованно и осуществляют движение до района развертывания. Недостатком данного способа при его применении для позиционирования отдельного самоходного необитаемого подводного аппарата (СНПА), перемещающегося по своему заданному маршруту, является стационарность буев-маяков после развертывания в заданном районе. В случае значительной протяженности маршрута СНПА возникает опасность его выхода из зоны действия гидроакустической связи с буями. Кроме того, установка антенны и приемника спутниковой системы навигации на поплавке, связанном с подводным аппаратом-носителем посредством соединяющего кабеля, снижает точность позиционирования ввиду неконтролируемого вращения поплавка на кабеле.
Наиболее близким к предложенному способу среди технических решений для определения местоположения отдельного автономного необитаемого подводного аппарата (АНПА), выполняющего непрерывный или периодический мониторинг подводной акватории большой площади, является «Способ навигационно-информационной поддержки автономного необитаемого подводного аппарата (АНПА), выполняющего мониторинг подводного добычного комплекса» по патенту №RU2756668 (опубл. 04.10.2021). Согласно данному способу в районе работ расставляют сеть опорных стационарных маяков с известными координатами, оснащенных высокочастотными малой дальности действия и низкочастотными большой дальности действия гидроакустическими приемо-передающими средствами информационного обмена с АНПА, и соединяют маяки линиями связи с удаленным пунктом управления. При этом рабочую частоту низкочастотного оборудования выбирают из условия обеспечения дальности равной размеру района мониторинга. Недостатком указанного способа является стационарное размещение опорных маяков на инспектируемых объектах подводной инфраструктуры, что значительно усложняет применение способа для инспектирования объектов существенной протяженности (например трубопроводов или кабелей связи).
Задачей предлагаемого изобретения является создание способа работы мобильной системы позиционирования отдельного СНПА, выполняющего мониторинг подводной акватории большой протяженности.
Техническим результатом заявляемого способа является повышение точности позиционирования самоходного необитаемого подводного аппарата в режиме реального времени.
Для достижения указанного результата согласно способу позиционирования самоходного необитаемого подводного аппарата (СНПА), выполняющего мониторинг подводной акватории, сначала формируют группу самоходных автономных необитаемых надводных аппаратов (САННА) из по меньшей мере трех САН НА, каждый из которых снабжен аппаратурой приема и/или передачи гидроакустического сигнала, аппаратурой спутниковой навигации и аппаратурой радиосвязи. Далее в бортовые системы управления каждого САННА вводят маршрутное задание. Затем размещают группу САННА в зоне мониторинга и на каждом САННА запускают выполнение команд упомянутого маршрутного задания. При этом САННА группы в процессе выполнения маршрутного задания действуют между собой согласованно посредством бортовой аппаратуры радиосвязи. В бортовую систему управления каждого САННА вводят его уникальный идентификатор в группе. По рассчитанным с применением аппаратуры приема и/или передачи гидроакустического сигнала текущим координатам СНПА и рассчитанным с применением аппаратуры спутниковой навигации текущим координатам САННА группы вычисляют координаты вершин правильного многоугольника на поверхности воды из условия обеспечения равноудаленности всех САННА от СНПА в пределах радиуса действия аппаратуры приема и/или передачи гидроакустического сигнала. Вычисляют текущий вектор горизонтального перемещения СНПА, а в упомянутое маршрутное задание включают команду на передвижение надводного аппарата группы в точку с координатами, вычисленными смещением отвечающей его идентификатору вершины правильного многоугольника на текущий вектор горизонтального перемещения СНПА. Выполняют упомянутую команду на каждом САННА многократно, вычисляя текущие координаты СНПА и текущие координаты САННА группы в режиме реального времени. Кроме того, вычисляют упомянутые координаты вершин правильного многоугольника, обеспечивая условие параллельности одной из его биссектрис текущему вектору горизонтального перемещения СНПА и размещая соответствующую биссектрисе вершину многоугольника в направлении текущего вектора горизонтального перемещения СНПА.
Указанный технический результат достигается за счет того, что сеть гидроакустических маяков формируют в виде группы самоходных автономных необитаемых надводных аппаратов, что позволяет управляемо посредством команд введенного в их бортовые системы управления маршрутного задания перемещать их в пространстве в заданные точки. Кроме того, сочетание признаков «вычисляют координаты вершин правильного многоугольника на поверхности воды по рассчитанным... текущим координатам СНПА и рассчитанным... текущим координатам САННА из условия обеспечения равноудаленности всех САННА от СНПА в пределах радиуса действия аппаратуры приема и/или передачи гидроакустического сигнала», «в упомянутое маршрутное задание включают команду на передвижение надводного аппарата группы в точку с координатами, вычисленными смещением отвечающей его идентификатору вершины правильного многоугольника на текущий вектор горизонтального перемещения СНПА» и «выполняют упомянутые команды на каждом САННА многократно, вычисляя координаты вершин упомянутого правильного многоугольника в режиме реального времени» обеспечивают сохранение вслед за перемещением СНПА такого взаимного расположение подводного аппарата и сети маяков, при котором достигается максимальная точность вычисления его пространственных координат в каждый момент времени, а именно - в вершинах перевернутой правильной пирамиды. При этом присвоение идентификатора каждому САННА исключает перемещение надводных аппаратов в многоугольнике между вершинами.
Способ осуществляется следующим образом. Сначала на берегу или на борту судна сопровождения формируют группу САННА введением в бортовую систему управления каждого из надводных аппаратов маршрутного задания и значения идентификатора САННА в группе (например, его порядкового номера). Далее САННА группы и СНПА размещают в стартовой зоне водной акватории, куда они могут быть доставлены, например, на судне сопровождения или любым иным способом. На СНПА и САННА запускают выполнение маршрутных заданий, например посредством расположенных на корпусе кнопок или посредством канала радиосвязи для САННА и канала гидроакустической связи или телеуправления для СНПА. Все аппараты начинают выполнение команд своих маршрутных заданий. В текущий момент времени САННА группы определяют свои пространственные координаты в соответствии с текущими показаниям аппаратуры спутниковой навигации и производят обмен по радиосвязи полученными значениями в группе. Одновременно, используя аппаратуру приема и/или передачи гидроакустического сигнала (ГС), САННА обмениваются ГС с СНПА для определения его пространственных координат. По вычисленным координатам всех аппаратов в соответствии с заявленным способом вычисляют пространственные координаты равноудаленных от СНПА и в пределах радиуса действия ГС точек, образующих правильный многоугольник на поверхности воды, и однозначно сопоставляют им упомянутые идентификаторы. В группе САННА производят обмен по радиосвязи полученными парами значений координат вершин многоугольника и идентификаторов. По текущим и известным с предыдущих моментов времени координатам СНПА вычисляют текущее значение вектора его горизонтального перемещения. И далее каждый САННА группы осуществляет движение в точку, координаты которой вычисляют смещением координат соответствующей его идентификатору вершины многоугольника на текущий вектор горизонтального перемещения СНПА. При этом вычисление текущих координат СНПА и текущих координат САННА группы производят в режиме реального времени вслед за движением СНПА по своему маршруту.
С целью максимизации точности позиционирования подводного аппарата была дополнительно решена задача наилучшего пространственного расположения вершин правильного многоугольника относительно траектории перемещения подводного аппарата. Наибольшая точность достигается, когда проекция подводного аппарата на плоскость правильного многоугольника расположена точно в его центре. Однако, вычисление координат вершин многоугольника и передвижение к ним надводных аппаратов выполняется с запаздыванием по отношению к собственному перемещению подводного аппарата, что приводит к смещению последнего относительно правильного многоугольника. Для уменьшения влияния такого смещения на точность позиционирования предложено ориентировать многоугольник в горизонтальной плоскости, обеспечивая смещение подводного аппарата относительно правильного многоугольника по одной из его биссектрис и в направлении вершины соответствующего биссектрисе угла. В этом случае достигается попарная равноудаленность от вершин многоугольника.
Таким образом, заявляемое техническое решение позволяет за счет оптимизации в режиме реального времени взаимного расположения в пространстве сети маяков и подводного аппарата максимизировать точность позиционирования, что в свою очередь увеличивает автономность системы, уменьшает ее массогабаритные характеристики и, как следствие, повышает экономический эффект от ее применения.