Способ навигационного оборудования морского района и самоходный подводный аппарат для его осуществления и арктическая подводная навигационная система для вождения и навигационного обеспечения надводных и подводных объектов навигации в стесненных условиях плавания
METHOD FOR NAVIGATION EQUIPMENT OF A SEA AREA AND SELF-PROPELLED UNDERWATER VEHICLE FOR IMPLEMENTATION THEREOF AND ARCTIC UNDERWATER NAVIGATION SYSTEM FOR PILOTING AND NAVIGATION SUPPORT OF SURFACE AND UNDERWATER NAVIGATION OBJECTS IN CONSTRAINED CRUISING CONDITIONS

Изобретение относится к области морской техники и предназначено для навигационного оборудования морских районов и обеспечения безопасности кораблевождения и определения в море своих координат плавсредствами (надводными кораблями и судами, подводными лодками и аппаратами).
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), радио-, 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 [1]).
Наиболее сложным является обеспечение безопасности плавания и точной ориентировки подводных плавсредств, так как большая часть средств навигационного оборудования установлена на поверхности воды или на берегу. Для подводных плавсредств в качестве навигационного оборудования применяют систему ведущего кабеля, обеспечивающую их движение по строго лимитированным путям (фарватерам). Принцип действия навигационной системы с ведущим кабелем основан на измерении амплитудных и фазовых соотношений электродвижущих сил, наводимых в приемных рамках бортовой аппаратуры электромагнитным полем кабеля, проложенным по дну фарватера. При этом с помощью бортовой (судовой) приемной аппаратуры определяется положение и направление движения корабля (судна) относительно кабеля.(И.С. Калинский. Навигационное оборудование морских театров. Л.: ВВМКУ им. М.В. Фрунзе, 1980. 428 с. С. 206 [2]).
Навигационная система с ведущим кабелем включает электростанцию питания, проложенный по дну фарватера кабель, гидроакустические отметчики для обозначения характерных точек на трассе, приемное устройство бортовой аппаратуры, имеющее приемные рамки из трех взаимно перпендикулярных сердечников и насаженными на них катушками, тремя усилителями, настроенными на частоту тока в кабеле, стрелочные индикаторы корабельной (судовой) аппаратуры, определяющие положение корабля(судна) относительно кабеля «слева» или «справа» и направление движения корабля (судна) «к кабелю» или «от кабеля» (И.С. Калинский. Навигационное оборудование морских театров. Л.: ВВМКУ им. М.В. Фрунзе, 1980. 428 с. С. 208-210 [3]).
Известна арктическая подводная навигационная система, предназначенная для вождения и навигационного обеспечения надводных и подводных объектов навигации в стесненных условиях плавания (патент RU №2596244С1, 10.09.2016 [4]), которая включает в себя проложенный по дну ведущий кабель, береговой генератор тока, судовую аппаратуру установленные вдоль трассы кабеля два и более гидроакустических маяка с различающимися частотами излучения импульсных сигналов, синхронизированных по тому же кабелю.
Для повышения точности навигационного обеспечения объектов навигации навигационную систему дополнительно комплектуют наземным комплексом с генератором тока крайне низких частот с возможностью генерирования и излучения электромагнитных импульсных сигналов по ведущему кабелю и генератором синхроимпульсов с возможностью синхронно или с «кодированной» задержкой времени излучать импульсные сигналы различающихся частот гидроакустическими маяками. При этом судовая аппаратура объектов навигации должна определять свое местоположение дальномерным методом по измеренным значениям времени прохождения сигнала от каждого датчика и гиперболическим методом от пары датчиков независимо от измеренной разности времени прохождения сигнала.
Для уменьшения демаскирования подводных объектов навигации при получении ими навигационной информации в навигационную систему дополнительно устанавливают ответвление от ведущего кабеля с гидроакустическим маяком-ответчиком с управляемой, адаптируемой дальностью действия двухсторонней звукоподводной связи, автономным источником питания и устройством его подзарядки по кабелю.
Для повышения надежности односторонней связи с подводным объектом навигации и устойчивости его вождения по трассе ведущего кабеля судовой аппаратурой в навигационной системе возбуждают второе электромагнитное поле более высокой частоты, соразмерной необходимому уровню информационной емкости и надежности связи, и создают электромагнитный коридор судовождения по ведущему кабелю крайне низких частот.
При использовании навигационной системы на акваториях, отягощенных ледовой обстановкой, в ее состав дополнительно включают установленный по трассе ведущего кабеля эхоледомер с электронно-управляемой формой характеристики направленности, выполненный с возможностью определения наличия льда, измерения его толщины и размеров разводов в ледовом покрове, а также обнаружения несанкционированных надводных и подводных объектов и передачи информации по тому же кабелю на пункты управления проводкой судов.
Для использования навигационной системы на участках малых глубин в период сезонных и приливно-отливных изменений в ее состав дополнительно включают датчик гидростатического давления, встроенный ведущий кабель и служащий для передачи по тому же кабелю на наземный комплекс текущего значения глубины.
Рассмотренная арктическая подводная навигационная система предназначена для обеспечения безопасного плавания судов и других плавсредств Северным морским путем и их проводки на наиболее сложных и ответственных участках.
Способ оборудования морских районов арктической подводной навигационной системой включает применение судна-укладчика ведущего кабеля, а в районах, отягощенных ледовой обстановкой, дополнительное привлечение ледокола. Такой способ навигационного оборудования морского района, принятый за прототип изобретения, имеет свои недостатки.
Применение судна для укладки ведущего кабеля и ледокола, демаскирует оборудуемый район, так как используемые суда легко обнаруживаются береговыми, морскими, воздушными и космическими средствами наблюдения заинтересованных государств. В результате факт оборудования района арктической подводной навигационной системой становится общеизвестным и служит причиной для привлечения к нему дополнительного внимания. Таким образом, отсутствие скрытности оборудования района арктической подводной навигационной системой составляет главный недостаток существующего способа.
При этом технический результат, достигаемый при реализации известной системы навигации, состоит в повышении точности и безопасности судовождения на СМП при необходимом навигационном обеспечении, связи и управлении ледокольной и лоцманской проводкой судов и отдельных объектов навигации на наиболее сложных и ответственных его участках, например проливах и других опасных в навигационном отношении акваториях, кроме того, высокая точность судовождения относительно вертикальной плоскости ведущего кабеля, по меньшей мере, частично позволит с повышением интенсивности плавания в припайных ледовых полях сохранять коридор судоходным, не требующим ледокольного сопровождения.
Указанный недостаток может быть устранен, если для оборудования морского района подводной навигационной системой использовать в качестве укладчика ведущего кабеля плавсредство, обладающее необходимой скрытностью, то есть подводное.
Известно такое подводное плавсредство, как самоходный подводный аппарат (СПА), взятый за прототип изобретения (Сиденко К.С., Илларионов Г.Ю. Подводная лодка и автономный необитаемый подводный аппарат // МРЭ, №2, 2008 [5]. Самоходный подводный аппарат оснащается движителем и является разновидностью автономного необитаемого подводного аппарата. Типовой СПА имеет корпус обтекаемой цилиндрической или иной формы, и, кроме средств движения, оснащается источником энергии, гидроакустическими и/или телевизионными средствами поиска, навигационным оборудованием, средствами связи, отсеком для полезной нагрузки и приборами управления. Для связи с пунктом управления он оборудуется аппаратурой связи с гидроакустическим и/или радиотехническим каналом.
Современные СПА предназначены для выполнения различных подводных работ, они производят гидроакустические, гидрографические и батиметрические измерения, обследуют гидротехнические сооружения, ведут поисковые работы по обнаружению и идентификации морских подводных объектов (И. Белоусов. Современные и перспективные необитаемые подводные аппараты ВМС США // Зарубежное военное обозрение, 2013, №5. С. 79-88 [6]). Однако для навигационного оборудования морских районов и укладки в них ведущего кабеля СПА применения не нашли.
Технической задачей также известной группы изобретений (патент RU №2710791С1, 14.01.2020 [7], аналогами которого являются аналогичные технические решения патенты RU №2444827 С1, 10.03.2012 [8], RU №2478059 С1, 27.03.2013 [9]CN №106394837 А, 15.02.2017 [10], CN №104875867 А, 02.09.2015 [11], RU №2451300 С1, 20.05.2012[12]) является разработка способа навигационного оборудования морского района и самоходного подводного аппарата для его осуществления.
Для достижения первой цели изобретения предложен способ навигационного оборудования морского района, при котором укладывают на дно вдоль трассы проводки плавсредств подводную навигационную систему с ведущим кабелем и создают электромагнитный коридор судовождения.
Дополнительно укладку ведущего кабеля и его оборудования производят самоходным подводным аппаратом, который доставляют в заданный район на надводном, подводном или воздушном носителе, производят его предстартовую подготовку, устанавливают в бортовую систему управления подводного аппарата маршрутное задание и по готовности выпускают в воду. При подходе подводного аппарата к точке начала постановки ведущего кабеля производят его всплытие на поверхность, где уточняют с помощью спутниковой, радио- или гидроакустической системы навигации географические координаты подводного аппарата и направляют его в точку начала постановки ведущего кабеля. В этой точке отдают якорь-заземлитель с подсоединенным к нему ведущим кабелем и гидроакустическим датчиком, служащим для дистанционного включения и выключения системы ведущего кабеля по сигналу от объекта навигации, вытравливают ведущий кабель с вьюшки и укладывают его на грунт по курсу обозначаемого маршрута, в конечной точке завершают укладку ведущего кабеля, отдают якорь-заземлитель ведущего кабеля с подсоединенным к нему гидроакустическим датчиком, отделяемый блок с источником тока, генератором и аппаратурой для приема и излучения гидроакустических сигналов. В вариантном исполнении в концевых точках ведущего кабеля дополнительно вместе с якорем-заземлителем устанавливают гидроакустический маяк-ответчик или гидроакустический отметчик. После укладки ведущего кабеля и сопутствующего оборудования подводный аппарат направляют к носителю для подъема на борт и возвращения на базу или укладывают на грунт в конечной точке без отделения блока с источником тока, генератором и аппаратурой для приема и излучения гидроакустических сигналов.
Для достижения второй цели изобретения предлагается самоходный подводный аппарат, имеющий бортовую систему управления, энергосиловую установку с источником энергии и двигателем, движитель, приводы рулевых машинок, стабилизаторы и рули, обеспечивающие движение подводного аппарата по заданному маршруту, навигационное оборудование, обеспечивающее работу подводного аппарата, со спутниковой, радио- или гидроакустической системой навигации, средства радио- и звукоподводной связи с пунктом управления, носителем и объектами навигации, отсек для полезной нагрузки.
Дополнительно в отсеке для полезной нагрузки размещается оборудование подводной навигационной системы с ведущим кабелем, включающее устройство постановки ведущего кабеля с вьюшкой, ведущим кабелем, двумя гидроакустическими датчиками, двумя якорями с заземлителями, отделяемый или неотделяемый от подводного аппарата блок с источником тока, его преобразователем, генератором и аппаратурой приема и излучения гидроакустических сигналов, включающей электронный блок с усилителем, шифратором и дешифратором, обеспечивающий создание электромагнитного коридора судовождения вдоль ведущего кабеля и связь подводного аппарата и выставленной им системы ведущего кабеля с носителем, пунктом управления и объектами навигации.
Дополнительно к якорю-заземлителю могут крепиться гидроакустический маяк-ответчик или гидроакустический отметчик для обеспечения объектов навигации координатами и обозначения концов ведущего кабеля.
Устройство самоходного подводного аппарата, предназначенного для оборудования морского района подводной навигационной системой ведущего кабеля, содержит СПА, гидроакустический датчик, гидроакустический маяк-ответчик или гидроакустический отметчик, якорь-заземлитель, ведущий кабель, блок с источником тока, его преобразователем, генератором и аппаратурой приема и излучения гидроакустических сигналов, бортовую систему управления СПА, бортовой источник энергии СПА, двигатель, движитель, приводы рулевых машинок, наружное оперение с рулями, навигационное оборудование со спутниковой, радио- или гидроакустической системой навигации, антенну спутниковой, радио- или гидроакустической системы навигации и связи, отсек полезной нагрузки СПА, вьюшку.
При этом навигационное оборудование морского района подводной навигационной системой с ведущим кабелем с применением самоходного аппарата и их функционирование осуществляются следующим образом.
В расчетную точку доставляют на носителе (надводном подводном или воздушном) СПА, производят его тестирование, вводят в бортовую систему управления маршрутное задание и по готовности выпускают в воду на заданный маршрут. С прибытием СПА в район укладки ведущего кабеля производят его всплытие на поверхность, уточняют с помощью спутниковой, радио- или гидроакустической системы навигации географические координаты и направляют в точку начала постановки ведущего кабеля, в которой отдают якорь-заземлитель с подсоединенным к нему ведущим кабелем, гидроакустическим датчиком и в вариантном исполнении гидроакустическим маяком-ответчиком или гидроакустическим отметчиком. По мере движения СПА по маршруту вытравливают с вьюшки ведущий кабель и укладывают его на грунт. В начальной точке отдают якорь-заземлитель ведущего кабеля с подсоединенным к нему гидроакустическим датчиком и в вариантном исполнении гидроакустическим маяком-ответчиком или гидроакустическим отметчиком, отделяют блок с источником тока, генератором и аппаратурой для приема и излучения гидроакустических сигналов и направляют СПА к носителю для подъема на борт и возвращения на базу. Если возвращение СПА не планируется, например, при использовании воздушного носителя, блок не отделяют и в начальной точке укладывают СПА на грунт.
Установленным гидроакустическим сигналом с СПА на гидроакустический датчик подводную навигационную систему приводят в действие и включают в дежурный режим. Гидроакустический маяк ответчик обеспечивает объекты навигации координатами, а гидроакустический отметчик - обозначает концы ведущего кабеля.
В режим вождения по трассе ведущего кабеля навигационную систему переключают с прибывшего в район объекта навигации установленным гидроакустическим сигналом. После проводки объекта навигации по трассе ведущего кабеля навигационную систему вновь переключают в дежурный режим.
Техническим результатом известной группы изобретений [7] является способ навигационного оборудования морского района и самоходный подводный аппарат для его осуществления, позволяющие оперативно и скрытно от посторонних наблюдателей оборудовать навигационной системой с ведущим кабелем морские районы, в том числе отягощенные ледовой обстановкой, и обеспечивать в них проводку надводных и подводных плавсредств.
Известная группа изобретений [7] позволяет определять положение объекта навигации относительно вертикальной плоскости кабеля с высокой точностью, но при этом существенным недостатком является невозможность определения местоположения вдоль трассы кабеля.
Кроме того, использование гидроакустических маяков ответчиков (см. например патенты RU №2292057, 20.01.2007, RU №2483326, 26.05.2013), принцип работы которых основан на измерении временных интервалов распространения гидроакустических сигналов от объекта навигации до маяка и обратно, их преобразовании в дистанцию при известной скорости звука в морской воде и вычислении координат места объекта навигации или поправки к их счислимым координатам отягощено малым сроком их службы, определяемый автономным источником питания, величиной саморазряда и интенсивностью работы.
Известно, что для устранения этого недостатка путем многократного использования маяка в его конструкцию вводят механизм отделения плавучей части от якоря с последующим укомплектованием новыми или восстановленными аккумуляторами и новым якорным устройством (Бородин В.И., Смирнов Г.Е., Толстикова Н.А., Яковлев Г.В. Гидроакустические навигационные средства. - Л.: Судостроение, 1983, с. 70). Это решение сопряжено со значительными организационно-техническими и производственными трудностями: выходом в море специальных плавсредств для вызова, обнаружения и подъема маяка; допустимыми гидрометеоусловиями - состоянием моря, отсутствием льда, уровнем оптической видимости и другими, а в условиях полярной ночи и высокой степени сплоченности льда такая работа представляется практически невозможной.
Серьезной проблемой эксплуатации автономных маяков-ответчиков является неопределенность текущего состояния оставшегося энергоресурса вследствие неконтролируемого объема работ - количества ответов, технологической неоднородности саморазряда аккумуляторов и отдельных элементов батареи и, как следствие, возможность неожиданной потери связи с маяком, то есть ненадежность или невозможность гарантийных оценок действительного срока службы.
Кроме того решение навигационных тактико-технических задач в значительной степени зависят от эффективности систем подводной (подледной) связи объекта навигации.
Известны системы подводной навигации (патент RU №2287450, 20.11.2006), основанные на том, что подводный объект «выбрасывает» на поверхность моря кабельный радиобуй. В арктических акваториях, в условиях ледовой обстановки, этот способ становится проблематичным или невозможным в зависимости от степени ледового покрытия поверхности моря. К тому же работа радиобуя легко обнаруживается.
Известны также способы связи, основанные на подвсплытии подводной лодки на малую, подповерхностную глубину, на которую проникают электромагнитные волны радиодиапазона. К недостаткам относится незащищенность подводной лодки от средств воздушного наблюдения и обнаружения, включая и спутниковые системы, а также технические трудности «освещения» локальной поверхности моря (http://www.Libma.ru/tehnicheskienauki/sovetskieatomnyelodki/p.21.php).
Известны и электромагнитные системы глобальной связи, основанные на крайне низких частотах (отечественная «Зевс» и американская «Sanguine», включая ее развитие - «Seafer», «AustereELF» и «ProjectELF»). Но они характеризуются чрезвычайно высокими затратами на сооружение и эксплуатацию, не получили дальнейшего развития по экономическим соображениям, а их преимущества, живучесть и надежность, в настоящее время представляются не бесспорными.
Следует отметить очевидные недостатки приемных устройств в виде буксируемых кабель-антенн длиной в сотни метров: необходимость стабилизации кабеля по глубине, конструктивная сложность управления выпуском и подбором антенны, существенное ухудшение маневренных характеристик подводного объекта и так далее.
Таким образом, «классические» электромагнитные каналы подводной связи характеризуются ограниченной дальностью действия и малой информационной емкостью, но в сравнении с гидроакустической, звукоподводной связью обладают более высокой скоростью распространения сигнала и скрытностью работы, не подвержены многочисленным гидрологическим помехам.
В качестве подводного канала связи могут быть использованы волоконно-оптические линии связи.
В Российской Федерации практически на всех флотах имеются полигоны, оборудованные подводными токоведущими кабелями, для тарировки лагов и определения маневренных элементов подводных лодок и надводных кораблей.
Арктическая навигационная система должна учитывать и известные особенности: ненадежная работа некоторых технических средств навигации в арктических широтах, например гироскопических и магнитных компасов; ограниченные точность и покрытие спутниковых систем навигации, в частности GPS и ГЛОНАСС, при работе в арктических широтах, а также их подверженность средствам противодействия; повышенную сложность СМП в навигационном отношении, многочисленными островами, проливами, малыми глубинами, неблагоприятными метеоусловиями - частыми и длительными туманами, ограниченными возможностями визуальной и астрономической обсервации, часто сложной ледовой обстановкой.
Недостатками известных систем можно признать недостаточную точность определения местонахождения плавательного средства, а также низкую степень оперативности развертывания данных систем.
В качестве прототипа выбрано техническое решение, приведенное в источнике [7].
Задачей предлагаемого технического решения является повышение оперативности при использовании навигационной системы с обеспечением достаточной точности определения местонахождения плавательного средства.
Поставленная задача решается за счет того, что в арктической подводной навигационной системе для вождения и навигационного обеспечения надводных и подводных объектов навигации в стесненных условиях плавания, при котором укладывают на дно вдоль трассы проводки плавсредств подводную навигационную систему с ведущим кабелем и создают электромагнитный коридор судовождения, укладку ведущего кабеля и его оборудования производят самоходным подводным аппаратом, который доставляют в заданный район на надводном, подводном или воздушном носителе, производят его предстартовую подготовку, устанавливают в бортовую систему управления подводного аппарата маршрутное задание и по готовности выпускают в воду, при подходе подводного аппарата к точке начала постановки ведущего кабеля уточняют с помощью географические координаты подводного аппарата и направляют его в точку начала постановки ведущего кабеля, в этой точке отдают якорь-заземлитель с подсоединенным к нему ведущим кабелем и гидроакустическим датчиком, служащим для дистанционного включения и выключения системы ведущего кабеля по сигналу от объекта навигации, вытравливают ведущий кабель с вьюшки и укладывают его на грунт по курсу обозначаемого маршрута, в конечной точке завершают укладку ведущего кабеля, отдают якорь-заземлитель ведущего кабеля с подсоединенным к нему гидроакустическим датчиком, отделяемый блок с источником тока, генератором и аппаратурой для приема и излучения гидроакустических сигналов, в вариантном исполнении в концевых точках ведущего кабеля дополнительно вместе с якорем-заземлителем устанавливают гидроакустический маяк-ответчик или гидроакустический отметчик, после укладки ведущего кабеля и сопутствующего оборудования подводный аппарат направляют к носителю для подъема на борт и возвращения на базу, или укладывают на грунт в конечной точке без отделения блока с источником тока, генератором и аппаратурой для приема и излучения гидроакустических сигналов, в котором ведущий кабель располагают по морскому дну параллельно меридиана между двумя реперными точками с известными координатами, которые устанавливают по результатам батиметрических съемок с учетом рельефа морского дна и морских глубин, при этом в реперных точках предварительно устанавливают ориентир, выполненный из железобетона в виде усеченного конуса, снабженного ложбиной, ориентированной параллельно меридиана, и отражателями, размещенными на передней и задней поверхностях ориентира.
Поставленная задача также решается за счет того, что самоходный подводный аппарат, имеющий бортовую систему управления, энергосиловую установку с источником энергии и двигателем, движитель, приводы рулевых машинок, стабилизаторы и рули, обеспечивающие движение подводного аппарата по заданному маршруту, навигационное оборудование, обеспечивающее работу подводного аппарата, со спутниковой, радио- или гидроакустической системой навигации, средства радио- и звукоподводной связи с пунктом управления, носителем и объектами навигации, отсек для полезной нагрузки, в отсеке для полезной нагрузки размещается оборудование подводной навигационной системы с ведущим кабелем, включающее устройство постановки ведущего кабеля с вьюшкой, ведущим кабелем, двумя гидроакустическими датчиками, двумя якорями с заземлителями, отделяемый или неотделяемый от подводного аппарата блок с источником тока, его преобразователем, генератором и аппаратурой приема и излучения гидроакустических сигналов, включающей электронный блок с усилителем, шифраторам и дешифратором, обеспечивающий создание электромагнитного коридора судовождения вдоль ведущего кабеля и связь подводного аппарата и выставленной им системы ведущего кабеля с носителем, пунктом управления и объектами навигации, дополнительно к якорю-заземлителю могут крепиться гидроакустический маяк-ответчик или гидроакустический отметчик для обеспечения объектов навигации координатами и обозначения концов ведущего кабеля, в котором в отличие от прототипа, самоходный подводный аппарат дополнительно содержит светильники, обзорную и стационарную видеокамеры, датчики глубиныи температуры, компенсаторы давления, блок плавучести, установленный в верхней части подводного аппарата, на выходе отсека полезной нагрузки дополнительно установлена видеокамера так, что ее ось визирования постоянно направлена в центр вытравляемого ведущего кабеля, обзорная видеокамера установлена посредством кронштейна над блоком плавучести в диаметральной плоскости подводного аппарата в его кормовой части, самоходный подводный аппарат дополнительно снабжен лазерными указателями, системой изменения плавучести, гидроакустическим маяком-ответчиком, мини-гидролокатором кругового обзора, инерционным измерительным устройством, обзорная видеокамера установлена на устройстве, обеспечивающем наклон и поворот камеры в диапазоне±30 градусов и выполнена с десяти кратным приближением изображения, светильники выполнены на светодиодах с мощностью светового потока не менее 2000 люмен с возможностью изменения цветовой температуры и плавной регулировки яркости свечения для уменьшения эффекта засветки от взвешенных в воде частиц, при этом блоки плавучести выполнены из композита на основе полых стеклянных микросфер (синтактика), инерционное измерительное устройство выполнено с мощным микроконтроллером, имеющим встроенную программу предварительной обработки данных, устройство постановки ведущего кабеля состоит из системы автоматической укладки ведущего кабеля представляет собой барабан для хранения кабеля, вращение барабана осуществляется с помощью бесколлекторного редуцированного электродвигателя в маслозаполненном компенсированном корпусе, передача управляющего сигнала и питающего напряжения на ведущий кабель осуществляется с помощью установленного внутри барабана оптоэлектрического вращающегося коммутационного устройства, система автоматической укладки ведущего кабеля также состоит из винтового приводного вала, укладчика, натяжителя кабеля и системы аварийной отдачи ведущего кабеля, система захвата и удержания ведущего кабеля, лебедки, укладчик представляет собой гайку винтовой передачи, перемещение которой согласовано с вращением барабана, натяжитель представляет собой систему подпружиненных роликов, позволяющих обеспечить необходимое натяжение кабеля, лебедка для укладки ведущего кабеля имеет как режим ручного управления, так и режим автоматического управления, система аварийной отдачи ведущего кабеля выполнена гильотинного типа, лебедка выполнена из конструкционных пластиков и сплавов алюминия, система захвата и удержания ведущего кабеля представляет собой створку силовой рамы, которая приводится в действие редуцированным сервоприводом, самоходный подводный аппарат также оснащен одностепенным манипулятором с тросорезом, состоящим из тросореза, компенсированного маслозаполненного корпуса, бесколлекторного электродвигателя.
Поставленная задача также решается за счет того, что арктическая подводная навигационная система для вождения и навигационного обеспечения надводных и подводных объектов навигации в стесненных условиях плавания, содержащая проложенный по дну ведущий кабель, посредством подводного аппарата, береговой генератор тока и судовую аппаратуру, в которой в отличие от прототипа, ведущий кабель проложен по дну параллельно меридиана между двумя реперными точками с известными координатами, которые устанавливают по результатам батиметрических съемок с учетом рельефа морского дна и морских глубин, при этом в реперных точках предварительно устанавливают ориентир, выполненный из железобетона в виде усеченного конуса, снабженного ложбиной, ориентированной вдоль меридиана, и отражателями, размещенными на передней и задней поверхностях ориентира, судовая аппаратура содержит инерциальную навигационную систему, и/или гидроакустический лаг, вычислительный блок, который своими входами соединен с выходами инерциальной навигационной системы и/или гидроакустического лага, ведущий кабель проложен по дну параллельно меридиана.
В качестве обеспечивающего судна могут быть использованы как надводные суда, так и автономные подводные аппараты (АПА). В состав АПА входят: несущая рама с блоками плавучести; движительно-рулевой комплекс; прочные корпуса для размещения электронных компонентов; блок управления; система энергообеспечения; видеосистема; система освещения; лазерные указатели; комплект датчиков (курсоуказатель, датчик глубины, датчики крена и дифферента); система изменения плавучести; одностепенной манипулятор типа схват; гидроакустический маяк-ответчик; проблесковый маяк; мини гидролокатор кругового обзора. В состав комплекса бортового (судового) оборудования входят: силовая рама; лебедка с системой автоматической укладки ведущего кабеля; ведущий кабель; система захвата и удержания ведущего кабеля, пульт управления комплексом; программное обеспечение на CD-диске.
Комплекс бортового оборудования АПА имеет следующие основные характеристики: работоспособность в пресной и морской воде соленостью до 35%; диапазон глубин применения от 0 до 2500 м работоспособность обеспечивается при температуре воздуха от минус 30 до плюс 50°С и температуре воды от минус 2 до плюс 35°С; масса комплекса бортового АПА в сборе не превышает 75 кг. Электропитание комплекса бортового АПА осуществляется от сети постоянного тока напряжением от 190 до 250 В. Потребляемая пиковая мощность комплекса бортового АПА не превышает 2,0 кВт. Электропитание бортового АПА осуществляется за счет встроенных в АПА химических источников тока - аккумуляторных батарей.
Несущая рама АПА изготавливается из полипропилена. Использование полипропилена в качестве материала для изготовления рамы позволяет достичь оптимального соотношения между ее прочностью и массой. Помимо этого, полипропилен обеспечивает ударопрочность конструкции в силу высоких ударопоглощающих свойств. Форма рамы обеспечивает размещение всех элементов и систем АПА при его минимальных габаритах. Модульная конструкция рамы обеспечивает возможность установки быстросъемных модулей с дополнительным оборудованием. Блоки плавучести изготавливаются из композита на основе полых стеклянных микросфер (синтактика), что позволяет достичь обеспечить сохранение необходимой плавучести аппарата на всем диапазоне глубин применения аппарата. Для предохранения блоков плавучести от механического износа предусмотрена накладка из пластика. Компоновка движительно - рулевого комплекса АПА выбрана из условий обеспечения больших значений упора при использовании одинакового количества выбранных движителей. Наибольший упор по маршу достигается при использовании векторной компоновки с углом движителей в 30° относительно продольной оси АПА. Для обеспечения возможности движения АПА с изменением углов крена и дифферента принято решение использовать три вертикальных движителя. При этом АПА может развивать скорость горизонтального движения в 1,5 уз. и скорость движения лагом в 1,0 уз. С помощью программного обеспечения для гидродинамического моделирования были рассчитаны оценочные значения необходимого суммарного упора движителей для движения по маршу и лагу, составляющие 13 кгс и 7,6 кгс соответственно. Согласно полученным результатам, необходимый упор одного двигателя должен составлять 3,8 кгс. В качестве движителей предлагается использовать винтомоторные агрегаты ХТ-150, которые могут функционировать на рабочей глубине 2 500 м и имеют мощность 200 Вт и представляют собой бесколлекторный электродвигатель, помещенный в компенсированный герметичный корпус вместе с контроллером. Передача вращения с вала двигателя на гребной винт осуществляется с помощью магнитной муфты. В блоке управления и электронной аппаратуре АПА реализованы алгоритмы удержания АПА по глубине - «автоглубина» и курсу «автокурс».
Видеосистема состоит из двух цветных видеокамер, переднего и заднего вида, системы управления видеокамерами и хранения фото-видео данных, интегрированной в программное обеспечение пульта управления комплексом или внутренней памяти АПА. Передняя видеокамера устанавливается на устройстве, обеспечивающим наклон и поворот камеры в диапазоне углов ±30°. Характеристики применяемых видеокамер не хуже: разрешение - 700 твл; чувствительность - 0,1 люкс; угол обзора в воде - 66°. Видеосистема обеспечивает: переключение видеокамер в черно-белый режим; 10-ти кратное зуммирование (приближение) изображения; видеозахват и сохранение изображения от видеокамер по выбору в подсистему хранения фото-видео данных на пульте управления комплексом или внутреннюю память АПА по команде судового оператора; автоматический баланс белого света. Видеосистема АПА автоматически сохраняет во внутреннюю энергонезависимую память АПА видеоданные в течении 1 часа с последующей их перезаписью.
В системе освещения АПА использованы светодиодные светильники с разнесенной схемой установки в количестве не менее двух штук с мощностью светового потока не менее 2000 люмен с возможностью изменения цветовой температуры и плавной регулировки яркости свечения судовым оператором ТНПА для уменьшения эффекта засветки от взвешенных в воде частиц. Размещение светильников и видеокамер выбраны таким образом, чтобы минимизировать зоны засветки.
Лазерные указатели, устанавливаемые на АПА, обеспечивают проведение визуальной оценки судовым оператором реконструкции укладки ведущего кабеля относительно реперных точек по их линейным размерам.
Для получения данных по курсу, крену и дифференту, а также обеспечения функции «автокурс» использован датчик (инерционное измерительное устройство) с мощным микроконтроллером, имеющим встроенную программу предварительной обработки данных, что позволит на выходе иметь готовые к использованию результаты без необходимости проведения калмановской фильтрации для всех осей: крен, деферент и курс (рысканье). Для обеспечения функции «автоглубина» кроме датчика глубины использован дифференциальный датчик давления.
Система изменения плавучести обеспечивает возможность установки нулевой плавучести АПА (в комплекте с дополнительным оборудованием) как в пресной, так и в морской воде. Система представляет собой комплект балластных грузов, которые предлагается размещены на раме АПА для установки его нулевой плавучести.
Для расширения круга выполнимых задач и повышения качества и объема работ, проводимых АПА, используется одностепенной манипулятор с тросорезом. С помощью подводного одностепенного манипулятора возможно выполнение захвата объектов, расположенных на дне акваторий, и удержании этих объектов с целью доставки их на обеспечивающее судно или перемещения в воде. В качестве одностепенного манипулятора использован манипулятор типа ХМ-1, конструктивными особенностями которого являются наличие тросореза, компенсированный маслозаполненный корпус, бесколлекторный электродвигатель.
Подводный одностепенной манипулятор представляет собой металлический корпус с подвижным трехпалым захватом. Захват приводится в движение штоком, который через уплотнение устанавливается в корпус манипулятора. Шток в свою очередь связан с электродвигателем через передачу винт-гайка. Особенностью конструкции манипулятора является наличие возможности установки ножа на один из пальцев захвата. Данная особенность позволяет перерезать веревки и неметаллические тросы не большего диаметра.
Позиционирование АПА относительно судна обеспечения осуществляться с помощью судовой гидроакустической системы и гидроакустического маяка-ответчика, устанавливаемого на бетоном основании реперных точек.
Проблесковый маяк выполнен в виде интегрированного в конструкцию АПА светового импульсного источника.
Мини гидролокатор кругового обзора представляет собой гидролокатор с механической или электронной разверткой.
Силовая рама АПА изготавливается из полипропилена, что позволяет достичь оптимального соотношения между ее прочностью, плавучестью и массой. Помимо этого, полипропилен обеспечивает ударопрочность конструкции в силу высоких ударопоглощающих свойств. На силовой раме размещается гараж, в котором находится АПА перед спуском в воду. Форма рамы обеспечивает размещение всех систем гаража и удобный доступ к ним.
Лебедка с системой автоматической укладки кабель-связки представляет собой барабан для хранения кабеля, закрепленный в задней части силовой рамы. Вращение барабана осуществляется с помощью бесколлекторного редуцированного электродвигателя в маслозаполненном компенсированном корпусе. Передача управляющего сигнала и питающего напряжения на АПА осуществляется с помощью установленного внутри барабана оптоэлектрического вращающегося коммутационного устройства.
Система автоматической укладки ведущего кабеля предназначена для предотвращения провиса или обрыва ведущего и состоит из винтового приводного вала, укладчика и натяжителя кабеля. Укладчик представляет собой гайку винтовой передачи, перемещение которой согласовано с вращением барабана. Натяжитель представляет собой систему подпружиненных роликов, позволяющих обеспечить необходимое натяжение кабеля.
Лебедка с системой автоматической укладки ведущего кабеля имеет как режим ручного управления, так и режим автоматического управления. Возможность аварийной отстыковки ведущего кабеля от АПА и лебедки осуществляется с помощью системы аварийной отдачи ведущего кабеля гильотинного типа. Для минимизации массы лебедки в качестве материалов применяются конструкционные пластики и сплавы алюминия.
Система захвата и удержания ведущего кабеля представляет собой створку силовой рамы, которая приводится в действие редуцированным сервоприводом. Створка обеспечивает неподвижную фиксацию ведущего кабеля при его нахождении на борту АПА.
В качестве пульта управления комплексом АПА использован пульт типа ХНС-2, который позволяет осуществлять управление АПА и гаражом. На мониторе выводится изображение с видеокамер, установленных на АПА, а также данные с датчиков АПА.
Состав пульта управления комплексом включает джойстики, регуляторы камеры и света, группу кнопочных переключателей, аварийный выключатель, сенсорный дисплей. Два трехстепенных джойстика позволяют управлять горизонтальным и вертикальным движением аппарата, а также осуществлять сжатие и разжатие одностепенного манипулятора. Регулятор управления угла наклона камеры позволяет осуществлять управление положением камеры. Регулятор интенсивности светильников позволяет осуществлять управление интенсивностью светильников АПА и осуществлять их полное отключение. Пять кнопочных переключателей позволяют осуществлять открытие и закрытие гаража, ручное управление лебедкой и включение/выключение лазерных указателей. Аварийный выключатель предназначен для включения аварийного режима. Сенсорный дисплей диагональю 10,1" предназначен для вывода данных с датчиков АПА и управления дополнительными функциями АПА.
Программное обеспечение пульта управления обеспечивает режим сохранения данных от видеосистемы АПА с указанием в кадре аннотации - текста служебной информации. В электронной аппаратуре АПА реализован аварийный режим работы. Функциями аварийного режима АПА являются: сброс аварийного балласта; отдача АПА от ведущего кабеля; включение проблескового маяка при всплытии АПА на поверхность моря; перевод гидроакустического маяка-ответчика в режим «пингера» (периодического излучения гидроакустических сигналов).
Как и в прототипе на акваториях, отягощенных ледовой обстановкой, навигационная система может дополнительно содержать установленный по трассе ведущего кабеля датчик эхоледомера с электронно-управляемой формой характеристики направленности, выполненный с возможностью определения наличия льда, измерения его толщины и размеров разводов в ледовом покрове, а также обнаружения несанкционированных надводных и подводных объектов и передачи информации по тому же кабелю на пункты управления проводкойсудов. Навигационная система может также содержать встроенный в ведущий кабель датчик гидростатического давления, выполненный с возможностью измерения (на участках малых глубин в период сезонных и приливно-отливных изменений) и передачи текущего значения глубины по тому же кабелю на наземный комплекс.
Подводный комплекс состоит из проложенного по дну акватории ведущего кабеля с установленными по трассе судовождения эхоледомером, датчиком гидростатического давления для определения глубины и изменений, например, приливно-отливного характера, а также из кабель - антенны подводной электромагнитной связи и вождения и электромагнитного модулятора подводной связи. При этом ведущий кабель проложен по дну параллельно меридиана.
Наземный комплекс включает генератор тока крайне низких частот (3-30 Гц) для судовождения по трассе ведущего кабеля, надводных и подводных объектов, генератор питания эхоледомера, датчика, гидростатического давления, генератор синхронизированных импульсов, генератор модулированных электромагнитных сигналов для подводной электромагнитной связи «в зоне ведущего кабеля» и вычислительно-информационный блок.
Судовая аппаратура состоит из электромагнитной части, инерциальной навигационной системы и/или гидроакустического лага и вычислительного блока, который своими входами соединен с выходами инерциальной навигационной системы и/или гидроакустического лага.
Электромагнитная часть судовой аппаратуры, как и в прототипе, включает приемное устройство, состоящее из магнитоиндукционных датчиков - трех ортогонально расположенных по главным корабельным осям (х, у, z) высокочувствительных индукционных катушек, с соответствующими предварительными усилителями. Приемное устройство аппаратуры ведущего кабеля является выносным прибором, устанавливается в зоне наименьшего электромагнитного экранирования. Измерительный блок включает избирательные усилители, преобразователи, блок отношения сигналов, определяющий индикацию «кабельный курс» («кабель слева», «кабель справа»), и блок отношения сигналов, определяющий индикацию «зона кабеля».
Кроме того, ведущий кабель содержит эхоледомер с изменяемой характеристикой направленности для определения наличия льда, его толщины, скорости ледообразования, а также мониторинга разрешительного порядка судовождения и обзора подводной обстановки по трассе ведущего кабеля.
Для повышения безопасности плавания на малых глубинах, характерных для прибрежных окраинных морей восточного сектора СМП, а также в проливах, устьях рек, в период сезонных или приливно-отливных изменений, ведущий кабель содержит датчик гидростатического давления для дистанционного измерения и передачи текущего значения глубины в наземный пункт управления.
Ведущий кабель располагается параллельно меридиана. Для беспоискового вхождения в зону действия ведущего кабеля подвижный подводный объект выполняет маневрирование, которое начинается на расстояние от ведущего кабеля, рассчитанном исходя из оценки величины накопленной погрешности, т.е. долготы места подвижного объекта до пересечения ведущего кабеля. При этом выполняется режим инерционной коррекции.
ф
После проведения инерционной коррекции и (или) использования ГАЛ и определения инерциальной широты с точностью  подвижный объект ложится на курс 270 (90) градусов для пересечения ведущего кабеля под углом близким к 90 град, и движется до фиксации момента пересечения ведущего кабеля. В момент пересечения ведущего кабеля фиксируется мгновенное значение долготы по данным ИНС  или схемы счисления  с использованием ГАЛ. Разность между фиксируемой долготой λ и  будет искомая поправка.
Расчет расстояния от исходной точки до ведущего кабеля осуществляется посредством вычислительного блока.
При этом исходными данными являются:
1. Средняя квадратическая погрешность (СКП) выходной долготы ИНС после утверждения инерционной коррекции
2. СКП укладки ведущего кабеля по долготе
3. СКП определения долготы за счет наличия мертвой зоны и погрешности судовой аппаратуры
зр
4. Заданная вероятность пересечения ведущего кабеля подвижным объектом при определении его долготы (Р).
Расстояние от исходной точки до ведущего кабеля находится решением трансцендентного уравнения (1), при условии, что перечисленные выше погрешности подчиняются нормальному закону распределения.
Результаты расчетов приведены в таблице 1.
Расчеты показывают, что для современных ИНС отстояние исходной точки от ведущего должно располагаться на расстоянии не менее 1,1 км.
Выполнение специального маневрирования и инерционная коррекция позволяет уменьшить длину ведущего кабеля.
Исходными данными для расчета длины ведущего кабеля являются:
1. СКП выходной широты ИНС после утверждения инерционной коррекции
2. СКП укладки ведущего кабеля по широте
3. СКП счисления по широте за время движения объекта от исходной точки к ведущему кабелю
3
4. Заданная вероятность пересечения ведущего кабеля подвижным объектом при определении его долготы (Р).
Результаты расчетов длины ведущего кабеля (L) приведены в таблице 2.
Расчеты показывают, что для коррекции современных ИНС может быть использован ведущий кабель длиной 440 метров.
Таким образом, выполнение инерционной коррекции посредством ИНС или использование ГАЛ позволяет определить широту подвижного объекта, а пересечение ведущего - определить долготу.
Положительный технический результат заключается в том, что обеспечивается проведение протяженной инерционной коррекции и (или) измерением скорости подвижного объекта с помощью гидроакустического лага для повышения точности выработки широты ИНС. При выполнении специального маневрирования подвижного объекта исключаются влияния накопленной погрешности долготы места подвижного объекта и обеспечивается беспоисковое вхождение в зону действия ведущего кабеля.
Кроме того, длина ведущего кабеля может быть уменьшена в 8 раз, при сравнимой точности выполнения обсервации (определения координат места подвижного объекта): СКП широты  и  (Р=0,997).
Предлагаемая группа изобретений работает следующим образом.
Посредством аппаратуры АПА (минигидролокатора или эхолота) с учетом имеющегося архива съемок рельефа дна в заданном районе выбирают точки рельефа морского дна между которыми будет проложен ведущий кабель. В выбранных точках посредством одностепенного манипулятора АПА устанавливают в реперных точках ориентир, выполненный из железобетона в виде усеченного конуса, снабженного ложбиной, ориентированной вдоль меридиана, и отражателями, размещенными на передней и задней поверхностях ориентира. Далее посредством системы автоматической укладки ведущего кабеля укладывают ведущий кабель в ложбину первого ориентира. При этом, посредством якоря-заземлителя ведущий кабель фиксируется за корпус первого ориентира. Такая операция повторяется и при достижении второго ориентира. Весь процесс укладки ведущего кабеля между двумя ориентирами контролируется видеокамерами и лазерными указателями.
Многочисленные острова и другие особенности акватории позволяют отнести к перспективным задачам развитие региональной сети подводного ведущего кабеля для навигационного обеспечения транспортных магистралей, а также для высокоточной обсервации в подводно-подледном пространстве с покрытием исключительной экономической зоны арктического сектора Российской Федерации.
Навигационная система может быть использована при проведении геофизических и океанографических исследований с использованием подводных аппаратов, а также для обеспечения подходов к отдельным морским основаниям арктического шельфа в сложных в навигационном отношении и стесненных условиях судовождения.
Источники информации.
1. Военно-морской словарь / Гл. ред. В.Н. Чернавин. М.: Воениздат, 1989. - 511 с. 265).
2. И.С. Калинский. Навигационное оборудование морских театров. Л.: ВВМКУ им. М.В. Фрунзе, 1980. 428 с.
3. И.С. Калинский. Навигационное оборудование морских театров. Л.: ВВМКУ им. М.В. Фрунзе, 1980. 428 с. С.208-210.
4. Патент RU №2596244С1, 10.09.2016.
5. Сиденко К.С., Илларионов Г.Ю. Подводная лодка и автономный необитаемый подводный аппарат // МРЭ, №2, 2008.
6. И. Белоусов. Современные и перспективные необитаемые подводные аппараты ВМС США // Зарубежное военное обозрение, 2013, №5. С.79-88.
7. Патент RU№2710791С1, 14.01.2020.
8. Патент RU №2444827 С1, 10.03.2012.
9. Патент RU №2478059 С1, 27.03.2013.
10. Патент CN №106394837 А, 15.02.2017.
11. Патент CN №104875867 А, 02.09.2015.
12. Патент RU №2451300 С1, 20.05.2012.