ПРИЕМНЫЙ ТРАКТ ДОПЛЕРОВСКОГО ЛАГА КОМПЛЕКСНОЙ НАВИГАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ

Полезная модель относится к области гидроакустической техники, в частности к гидроакустическим навигационным устройствам и может быть использована в доплеровских лагах, предназначенных для работы в составе комплексных навигационных систем.
Комплексная навигационная система может иметь в своем составе помимо доплеровского лага инерциальную навигационную подсистему, относительный лаг, компас, приемник спутниковых навигационных систем GPS/ГЛОНАСС [1, с. 249-254]. Комплексирование различных физических подсистем вызвано требованиями точности навигации (скорость, пройденный путь, глубина, местоположение). Например, при выполнении задания автономным необитаемым подводным аппаратом точность в определении местоположения может быть 0.03%, что означает ошибку в исчислении пути в 1.7 м за один час плавания при скорости в 3 узла [2]. Примерами комплексных навигационных систем, имеющих в составе доплеровские лаги, могут быть MARPOS, SEADEVIL и комплексная навигационная система автономного необитаемого подводного аппарата MORPHEUS [3,4,5].
Известно построение приемных трактов доплеровских лагов, которые выполняются по супергетеродинной схеме и выделением на выходе низкочастотных квадратурных компонент. Со схемотехнической точки зрения приемные тракты
доплеровских лагов незначительно отличаются от приемных трактов гидролокаторов других типов [6, с. 219, 7,8].
Подобное построение имеют аналоги ПМ - приемные тракты доплеровских лагов WHN ЗООК, WHN 600K и WHN 1200K [4], входящих в состав упомянутых комплексных навигационных систем и приемный тракт низкочастотного (38 кГц) доплеровского профилометра "Ocean Surveyor" [7,8].
Наиболее близким аналогом по структуре и совокупности признаков к предлагаемой полезной модели является приемный тракт доплеровского лага -доплеровской гидролокационной системы измерения скорости EDO Model 3050 [10,11].
Прототип содержит последовательно соединенные антенну, полосовой фильтр, усилитель и два перемножителя, вторые входы последних соединены с квадратурными выходами гетеродина. Выходы перемножителей соединены с входами фильтров нижних частот (ФНЧ), выходы которых в прототипе обозначены как I (от англ. inphase) и Q. (от англ. quardrature). Частота излучаемых импульсов доплеровского лага и частота гетеродина равна 287.5 кГц, что определяет доплеровское смещение примерно в 4 кГц при скорости носителя 20 узлов.
Недостатком приемного тракта прототипа является широкая полоса частот пропускания ФНЧ, примерно равная 4,2 кГц, и существенно больше, чем максимальная ширина по частоте ожидаемого эхосигнала, которая для прототипа примерно равна 400 Гц. Десятикратное превышение полосы частот пропускания ФНЧ приводит к соответствующему повышению частоты дискретизации, т.е. к десятикратному увеличению объема обрабатываемых данных квадратурных каналов I и Q в устройстве первичной обработки.
Задачей полезной модели является снижение частот пропускания ФНЧ, т.е. снижения объема обрабатываемых данных квадратурных каналов 1 и Q за счет использования внешней (априорной) информации о скорости носителя, имеющейся в комплексной навигационной системе. Следует сказать, что использование внешней (априорной) информации о скорости носителя реализовано в первом отечественном серийном доплеровском лаге ЛА-1. Первоначальная настройка (наведение) узкополосного фильтра системы автоматической подстройки частоты устройства измерения доплеровского смещения ЛА-1 выполняется по данным о скорости носителя, измеренной относительным лагом [12, с. 202].
Для решения указанной задачи в приемный тракт, содержащий последовательно соединенные антенну, полосовой фильтр, усилитель и два перемножителя, а также два ФНЧ, входами которых являются выходы соответствующих перемножителей, введены новые признаки, а именно, дополнительно введены блок управления и перестраиваемый по частоте гетеродин, причем эти блоки соединены последовательно, а квадратурные выходы гетеродина подключены к каждому из вторых входов перемножителей, входом блока управления является внешний источник скорости носителя, а выходами тракта являются ФНЧ с полосой пропускания, согласованной с максимально возможной шириной по частоте эхо-сигнала.
Поставленная задача в заявляемой полезной модели решается следующим образом.
На вход приемного тракта доплеровского лага поступает полезный эхосигнал, являющийся обратным донным рассеянием излучаемого сигнала. Спектральная плотность мощности (СПМ) обратного донного рассеяния может быть записана
0
u
u
∂
∂
где S - максимальное значение СПМ, ω=2πf - частота излучения, ω=2πf -доплеровское смещение,  - параметр, характеризующий ширину СПМ [13, с. 35, 6, с. 163-169]. Ширина СПМ обратного донного рассеяния может быть записана для носового и кормового акустических лучей при диаметрально-траверзной ориентации последних и непрерывном режиме излучения как
x
где V, - проекция вектора скорости носителя на ось Х горизонтальной, жестко связанной с носителем системой координат, уз; с - скорость звука в водной среде, уз; Δα - ширина характеристики направленности антенны (ХН); α - угол направления ХН [13, с. 37]. В случае импульсного режима излучения [10]
∂
где Т-длительность импульсов излучения, Δf согласно (2).
Максимально возможная ширина по частоте эхо-сигнала является постоянной величиной и определяется выражениями (2) и (3), в которые входят известные параметры доплеровского лага.
В линейном приближении доплеровское смещение равно [6, с. 132]
Следовательно, при использовании внешней (априорной) информации о скорости носителя, имеющейся в комплексной навигационной системе, посредством выражения (4) можно определить необходимую частоту перестраиваемого гетеродина с квадратурными выходами и, если полоса пропускания ФНЧ согласована с максимально возможной шириной по частоте эхо-сигнала, то разностные сигналы на выходах перемножителей будут в полосе пропускания ФНЧ.
Введенные в заявленное устройство перестраиваемый по частоте гетеродин с квадратурными выходами и блок управления, реализующий выражение (4), что обеспечивает решение поставленной задачи - снижение частот пропускания ФНЧ, т.е. снижения объема обрабатываемых данных квадратурных каналов 1 и Q за счет использования внешней (априорной) информации о скорости носителя, имеющейся в комплексной навигационной системе.
Сущность полезной модели поясняется структурной схемой, приведенной на фиг.1.
Заявленное устройство (фиг.1) содержит последовательно соединенные блок 1 антенну, блок 2 полосовой фильтр, блок 3 усилитель и два блока 4 и 5 перемножителей. Вторые входы блоков 4 и 5 перемножителей соединены с квадратурными выходами блока 8 перестраиваемого по частоте гетеродина, вход последнего соединен с выходом блока 9 управления, а его вход соединен с внешним источником скорости носителя, выходы блоков 4 и 5 перемножителей соединены с входами блоков 6 и 7 ФНЧ.
Выполнение блоков 1-7 известно из общедоступных источников. Например, в аналоге [7] блок 2 представляет собой последовательно соединенный LC контур,
блок 3 - операционный усилитель фирмы Signetic SA604A, блоки 4 и 5 - аналоговые микросхемы фирмы Signetic 74 C 4053, блоки 6 и 7 - ФНЧ с полосой пропускания в 20% от частоты излучаемых импульсов с фазовой манипуляцией на 180 градусов. Выполнение блока 8 - перестраиваемого по частоте гетеродина с квадратурными выходами, возможно с использованием управляемых кодом цифровых синтезаторов частоты. Например, в [9, с. 68-80] рассмотрены схемотехнические вопросы и проектирование управляемых кодом цифровых синтезаторов частоты на интегральных микросхемах. Выполнение блока 9 управления возможно с использованием микропроцессоров цифровой обработки сигналов (ЦОС) с плавающей запятой и тактом (30-50) не. В аналоге [7] используется микропроцессор ЦОС Texas Instruments TMS 320 E 15, а в [8]-32-х разрядный микропроцессор с плавающей запятой и временем выполнением всех операций в пределах 50 не, Реализация блока 9 управления занимает, например, на микропроцессоре ЦОС фирмы Моторола DSP96002 (отечественный аналог 1В577) менее 0,5 мкс.
Предлагаемый приемный тракт доплеровского лага комплексной навигационной системы работает следующим образом:
выходные сигналы блока 1 антенны подаются на блок 2 полосовой фильтр. Блок 3 усилитель обеспечивает необходимый уровень отфильтрованного сигнала для работы блоков 4 и 5 перемножителей. Блок 9 управления производит вычисление необходимой частоты, используя значение скорости носителя, имеющейся в комплексной навигационной системе, согласно выражению (4) и преобразование значения частоты в управляющий код fr для блока 8. Квадратурные выходные сигналы необходимой частоты блока 8 поступают на вторые входы блоков 4 и 5 перемножителей. Блоки 6 и 7 ФНЧ обеспечивают пропускание сигналов разностных
частот с выходов блоков 4 и 5 перемножителей. Выходные квадратурные сигналы 1 и Q, а также управляющий код fr- для перестраиваемого по частоте гетеродина, поступают во внешнее устройство измерения доплеровского смещения лага.
фнч
∂
Для сопоставления в табл. 1 приведены расчетные значения полос пропускания ФНЧ Δf, приемных трактов, минимальной частоты дискретизации f и объема обрабатываемых данных N квадратурных каналов I и Q (время приема 1с) некоторых доплеровских лагов. В правом столбце табл.1 приведены данные заявляемого устройства.
Табл.1
WHN 300К
EDO Model 3040
EDO Model 3050 (прототип)
Заявляемая полезная модель
f<sub>0</sub>,кГц
300
287.5
287.5
287.5
V<sub>max</sub>,уз
20
40
20
20
Δf<sub>фнч</sub>,Гц
4300
8400
4200
400
f<sub>∂</sub>,Гц
8600
16800
8400
800
N
17200
33600
16800
1600
фнч
Как показывает сопоставление, полоса пропускания ФНЧ Δf, и объем обрабатываемых данных N квадратурных каналов I и Q уменьшается не менее чем на порядок, что позволяет считать задачу полезной модели решенной.
Источники информации
1.Богородский А.В. и др. Гидроакустическая техника исследования и освоения океана. Ленинград, Гидрометеоиздат, 1984.
2. Sea Technology, December 2001, p. 24-29.
3. Hydro International, January-February 2002, vol. 6, No 1.
4. www.dvlnav.com
5.IEEE Journal of Oceanic Engineering, October 2001, vol.26, No 4, pp. 548-560. 6.Бородин В.И. и др. Гидроакустические навигационные средства. Ленинград, "Судостроение", 1983.
7-Патент США 5208785 от 4.05.93.
8.www.rdinstruments.com
9.Цифровые радиоприемные системы. Под редакцией Жодзишского М.И. М., Радио и связь, 1990.
10.0CEAN-93, vol. 2, pp. 469-474.
11. www.janes.com Jane's Underwater Technology 2000-2001
12." 50 лет ЦНИИ "Морфизприбор". Составитель Г. В. Яковлев. Санкт-Петербург. 1999.
13. Виноградов К.А. и др. Абсолютные и относительные лаги. Ленинград, "Судостроение", 1990.