Способ определения географических координат подводного объекта
METHOD OF DETERMINING GEOGRAPHIC COORDINATES OF AN UNDERWATER OBJECT

Изобретение относится к области подводной навигации и предназначено для определения географических координат местоположения подводного объекта (ПО).
Известен способ навигации подводного объекта [1] посредством гидроакустической навигационной системы, содержащей навигационную базу из М гидроакустических приемоответчиков с различными частотами ответа и размещенного на объекте навигации гидроакустического приемопередатчика, посредством которого измеряют временные интервалы распространения сигналов с последующим их преобразованием в дистанции между подводным объектом и гидроакустическими приемоответчиками.
Согласно способу [1] гидроакустические приемоответчики размещают на дрейфующих станциях по водной поверхности (дрейфующих навигационных маяках), навигационные параметры подводного объекта относительно дрейфующей станции или базы из дрейфующих станций определяют в режиме с длинной и/или ультракороткой базой, и/или в комбинированном режиме (длинная + ультракороткая база), и/или в пеленгационной системе, при этом формируют из приемников две навигационные базы с общим центром, располагая их в плоскости, параллельной плоскости палубы подводного объекта, при этом ось одной базы X направлена вдоль осевой линии подводного объекта, а ось другой базы Y направлена по траверзу вправо. Отличительной особенностью данного способа является определение координат ПО в прямоугольной системе координат с началом в точке с известными координатами с использованием навигационной базы из М гидроакустических приемоответчиков, а не географические широта и долгота ПО, что требует дополнительных вычислений. Точность способа существенно зависит от знания координат начала прямоугольной системы.
Наиболее близким к предлагаемому способу по количеству общих признаков и решаемой задаче является способ [2]. Этот способ основан на определении координат ПО посредством гидроакустической навигационной системы, включающей размещение навигационной базы из М гидроакустических приемоответчиков с различными частотами ответа и размещенного на подводном объекте навигации гидроакустического приемопередатчика, посредством которого измеряют временные интервалы распространения сигналов с последующим их преобразованием в дистанции между подводным объектом навигации и гидроакустическими приемоответчиками, размещение гидроакустических приемоответчиков на дрейфующих станциях (дрейфующих навигационных маяках) по водной поверхности и донных станциях на морском дне, определение навигационных параметров подводного объекта навигации относительно донных или/и дрейфующей станции или базы из дрейфующих станций, которые определяют в режиме с длинной и/или ультракороткой базой, и/или в комбинированном режиме (длинная + ультракороткая база), и/или в пеленгационной системе, при этом формируют из приемников две навигационные базы с общим центром баз, располагая их в плоскости, параллельной плоскости палубы подводного объекта, при этом ось одной базы X направлена вдоль осевой линии подводного объекта, а ось другой базы Y направлена по траверзу вправо, обработку результатов измерений по пространственно-временным массивам наблюдений, определение координат подводного объекта навигации путем вычислений, при вычислении координат выполняют минимизацию погрешности по распределению измеренных координат, причем в вычислительное устройство вводят локальные декартовые координаты для рассматриваемой пространственно-временной области, в которой размещены дрейфующая станция, донные маяки ответчики и подводный объект, определяют временной ход гидроакустической характеристики для полученных временных рядов, при этом определяют экстремальные значения гидроакустической характеристики в каждом полученном ряду измерений методом статистики Герста, а оценку среднего арифметического значения гидроакустической характеристики по пространственно-временным массивам наблюдений выполняют путем вычислений по многомерным квадратурным формулам и функциям Хаара.
Суть данного способа заключается в повышении точности определения координат ПО за счет добавления количества измеряемых параметров и использования статистических методов оценивания. Акустические приемоответчики размещают на дрейфующих станциях по водной поверхности и донных станциях на морском дне. Технический результат: повышение надежности при обеспечении навигации подводных объектов
В приведенных патентах можно выделить два признака, а именно определение координат ПО осуществляется с использованием навигационной базы из М гидроакустических приемоответчиков (навигационных маяков) и координаты ПО определяются в прямоугольной системе координат с центром в определенной точке земного шара, координаты которой необходимо заранее определять.
Недостатком способа прототипа, как и упомянутого ранее аналога [1] является то, что использование навигационной базы из М гидроакустических приемоответчиков определяет существенные экономические затраты по изготовлению не менее трех необходимых комплектов навигационных приемоответчиков (навигационных маяков), их обслуживание и эксплуатацию.
Кроме того, поскольку морская навигация для определения положения кораблей, подводных лодок, и т.п. с большой дальностью плавания использует географическую систему координат с началом координат в центре Земли, для современных ПО с большой дальностью плавания использование прямоугольной системы координат нецелесообразно.
Отсутствие оперативного определения своих координат на борту объекта навигации в процессе решения им поставленных задач может ухудшить точность получаемых результатов.
Задачей изобретения является повышения оперативности получения ПО его географических координат и сокращение экономических затрат при решении ПО поставленных задач.
Технический результат заключается в разработке способа получения географических координат ПО по одному дрейфующему навигационному маяку, вместо трех и более при повышении оперативности и точности.
Д
Д
Д
Д
Д
Д
Д
Д
ПО
ПО
ПО
ПО
ПО
ПО
ПО
ПО
ПО
ПО
ПО
ПО
Для решения поставленной задачи в способ определения координат подводного объекта (ПО) основанный на излучении запросного сигнала гидроакустическим приемопередатчиком, размещенном на ПО, приема его и переизлучении приемоответчиком, размещенном на дрейфующем навигационном маяке (ДНМ), посредством которого измеряют временные интервалы распространения излученного ПО сигнала на ДНМ и обратно с последующим преобразованием его в дистанцию между ПО и приемоответчиком ДНМ, передаче географических координат ДНМ, определенных с помощью глобальной навигационной спутниковой системе (ГНСС), на ПО, определение координат ПО в прямоугольной системе координат, введены новые признаки, а именно: приемоответчик и приемопередатчик выполняют одноканальными, с приемопередатчика ПО, на котором установлена система с ультракороткой базой или короткой базой посылают запрос географических координат ДНМ широты В и долготы L и одновременно производят определение дистанции D и пеленга α на ДНМ, затем с помощью спецвычислителя не менее чем с 32 разрядной сеткой, установленного на ПО, осуществляют пересчет географических координат широты В и долготы L ДНМ в прямоугольные пространственные координаты X, Y, Z с началом координат в центре Земли, затем рассчитывают сферические широту ϕ и долготу λ ДНМ, на земной сфере, касающейся общеземного эллипсоида в точке нахождения ДНМ, по значению давления Р на глубине нахождения ПО, полученного с помощью датчика давления, установленного на ПО, в спецвычислителе производят пересчет давления Р в глубину Н нахождения ПО и дистанции D в центральный угол ϕ земной сферы, затем по сферическим координатам ДНМ ϕ и λ, центральному углу ϕ производят расчет сферических координат ПО широты ϕ и долготы λ и оценку точности полученного решения, затем по сферическим координатам ϕ и λ рассчитывают прямоугольные пространственные координаты ПО Х, Y, Z и производят их пересчет в прямоугольные пространственные координат ПО Х, Y, Z с началом координат в центре Земли по которым определяют в географические координаты широты В и долготы L ПО.
Способ определения географических координат подводного объекта заключается в том, что на ПО с гидроакустической навигационной системой с короткой базой (ГАНС-КБ (SBL системы) или гидроакустической навигационной системой с ультра короткой базой (ГАНС-УКБ (USBL, иногда SSBL системы), определяющую пеленг на ДНМ и дистанцию до него дополнительно устанавливается датчик давления и спецвычислитель с не менее чем с 32 разрядной сеткой для расчета координат ПО и совместно с введением остальных новых признаков: предложенного способа расчета географических координат ПО с использованием глубины ПО, пеленга на ДНМ и координат ДНМ позволяет сократить количество ДНМ до одного и оперативно получать на борту ПО свои координаты.
Д
Д
ПО
ПО
Сущность изобретения поясняется фиг. 1-6, при этом на фиг. 1 схематически изображена функциональная схема, реализующая способ. На фиг. 1 обозначены: сплошная линия представляет запросный сигнал; пунктирная линия - ответный сигнал; ГНСС - глобальная навигационная спутниковая система; ДНМ - дрейфующий навигационный маяк;. Δt - временной интервал; В, L - географическая широта и долгота ДНМ соответственно; D - дистанция между ПО и ДНМ; α - пеленг на ДНМ; Р - давление на глубине нахождения ПО; В, L - географическая широта и долгота ПО соответственно.
з
Фиг. 2 поясняет расчет центрального угла земной сферы ϕ между ПО и ДНМ, на фиг. 2 обозначены: ОЗ - центр земной сферы; Б - положение ДНМ; З - положение ПО; Н - глубина, на которой находится ПО; А - проекция положения ПО на земную сферу; R - радиус земной сферы.
ПО
ПО
Д
Д
б
б
б
б
Д
Д
ПО
ПО
Д
Фиг. 4-6 поясняют расчет сферических координат широты ϕ и долготы λ ПО по сферическим координатам широте ϕ и долготе λ ДНМ, центральному углу земной сферы ϕ и пеленга на ДНБ, на фиг. 4 приведено взаимное положение ПО и ДНМ в интервале углов 0≤α≤90°, на фиг. 5 приведено взаимное положение ПО и ДНМ в интервале углов 90°<α≤180°, на фиг. 5 приведено взаимное положение ПО и ДНМ в интервале углов 180°<α≤270°, на фиг. 6 приведено взаимное положение ПО и ДНМ в интервале углов. 270°<α<360°. На фиг. 4-6 обозначены: ϕ - географическая широта ДНМ; λ - географическая долгота ДНМ; ϕ - географическая широта ПО; λ - географическая долгота ПО; БС=90°-ϕ; АБ=ϕ; α - угол между меридианом и направлением на ДНМ.
Д
Д
В предлагаемом способе (фиг. 1) гидроакустический приемопередатчик 2 ПО через приемопередающую антенну 1 излучает акустический сигнал запроса, который принимает гидроакустический приемоответчик 5 ДНМ. Приемоответчик 5 ДНМ при приеме запросного сигнала излучает ответный сигнал, который принимает приемопередатчик 2 ПО и определяет временной интервал Δt между моментами времени излучения сигнала запроса и прихода ответного сигнала с географическими координатами В, L ДНМ.
Д
Д
По временному интервалу Δt в приемопередатчике 2 рассчитывается дистанция D между ПО и ДНМ, которая вместе с координатами В, L ДНМ передается в спецвычислитель 4.
Д
Д
Д
Д
В спецвычислителе 4 по алгоритму приведенному в ГОСТ Р 51794-2008 [3] осуществляется пересчет географических координат (широты В и долготы L) ДНМ в прямоугольные пространственные координаты (X, Y, Z). Затем по прямоугольным координатам X, Y, Z рассчитываются сферические координаты ДНМ ϕ и λ по следующим формулам:
Д
λ∈[0°;360°],
Д
Д
ϕ∈[-90°;90°], sign(ϕ)=sign(z)
Спецвычислитель 4 опрашивает датчик давления 3 и по полученному давлению Р рассчитывается глубина Н нахождения ПО.
где ρ - плотность воды в районе нахождения ПО;
g - ускорение свободного падения.
На начальном этапе производится пересчет дистанции D в центральный угол ϕ земной сферы (фиг. 2).
З
В треугольнике ОБЗ по теореме косинусов [4]
Из (3) формула для расчета угла ϕ будет иметь вид (см. фиг. 2)
ПО
ПО
Для нахождения сферических координат ПО (широты ϕ и долготы λ) необходимо рассмотреть треугольники АБС и АББ/ на фиг. 3-6.
α - угол между меридианом и направлением на ДНМ, который равен:
д
Д
α=α при 0≤α≤180°;
Д
Д
α=360°-α при 180°<α≤360°,
Д
где α - измеряемый пеленг на ДНМ.
По теореме синусов в треугольнике АБС [1]
Д
Учитывая, что БС=Б'С=90°-ϕ и АБ=ϕ
Треугольник АББ' - сферический прямоугольный, в котором ББ'=γ.
По теореме Пифагора [1]
Д
Если 0≤α≤90° (фиг. 3), то
Д
Если 90°<α≤180° (фиг. 4), то
Д
Если 180°<α≤270° (фиг. 5), то
Д
Если 270°<α<360° (фиг. 6), то
При необходимости в спецвычислителе 4 может быть проведена оценка точности полученных сферических координат ПО. В соответствии с [5] ошибки определения координат ПО определяются следующими выражениями:
где
ПО
ПО
Д
Д
δλ - ошибка определения долготы ПО; δϕ - ошибка определения широты ПО; δD - ошибка определения наклонной дальности; δН - ошибка определения глубины; δα - ошибка определения пеленга; δλ - ошибка определения долготы ДНМ; δϕ - ошибка определения широты ДНМ.
Частные производные, входящие в выражения (15) и (16) находятся дифференцирование выражений (2)-(14).
ПО
Для ошибки по долготе ПО δλ частные производные определяются следующими выражениями:
ПО
Для ошибки по долготе ПО δϕ частные производные определяются следующими выражениями:
б
Знак в выражении (23) определяется значением угла α.
Частные производные  и  определяются выражениями
ПО
ПО
ПО
ПО
ПО
ПО
З
После расчета сферических координат ПО широты ϕ и долготы λ и оценки ошибок определения долготы δλ и широты δϕ в спецвычислителе 4 по сферическим координатам ПО ϕ, λ, R рассчитываются прямоугольные координаты
ПО
ПО
По алгоритму, изложенному в ГОСТ Р 51794-2008 [3], в спецвычислителе 4 по прямоугольным координатам X, Y, Z рассчитываются географические координаты В, L ПО.
Таки образом географические координаты ПО получены автоматически, с использованием только одного ДНМ, что существенно сокращает время решения задачи, так как не требует развертывания прямоугольной системы координат и привязки ее к географической системе, при этом точность определения координат ПО повышается, так как исключаются ошибки привязки начала прямоугольной системы координат. Это позволяет считать, что заявленный технический результат достигнут.
Источники информации
1 Патент РФ №2365939, G01S 15/08, Способ навигации подводного объекта, дата публикации патента 27.08.2009.
2 Патент РФ №2444759, G01S, Способ навигации подводного объекта посредством гидроакустической навигационной системы, дата публикации патента 10.03.2012.
3. ГОСТ Р 51794-2008 «Системы координат. Методы преобразований координат определяемых точек»
4. А.А. Рывкин, А.З. Рывкин, Л.С. Хренов. Справочник по математике для учащихся-заочников средних специальных учебных заведений. М.: Высшая школа, 1964 г.
5. Дж. Тейлор. Введение в теорию ошибок. Пер. с англ. - М.: Мир, 1985 г. С. 272, ил.