Способ акустической локализации узлов сети транспондеров для определения положения гибкой протяженной буксируемой антенны

1. Способ акустической локализации узлов сети транспондеров для определения положения (позиционирования) совокупности совместно буксируемых сейсмокос (гибких протяженных буксируемых антенн), состоящий из нескольких этапов:
этап буксировки судном множества автономных навесных или встроенных в сейсмокосы акустических приемников-передатчиков (транспондеров), при этом транспондеры приспособлены для приема и передачи коротких последовательностей тоновых акустических импульсов с различными несущими частотами, имеющих низкую взаимную корреляцию между сигналами разных передатчиков, передаваемых между транспондерами, установленными как вдоль в одной и той же сейсмокосы, так и на разных сейсмокосах;
этап буксировки начальных и концевых буев с установленными на них GPS/ГЛОНАСС антеннами для их спутникового позиционирования и для синхронизации по глобальному времени, и радиомодемом для передачи этой информации на борт судна, а также с установленными на буях акустическими транспондерами, при этом начальные и концевые буи используются для определения абсолютных координат опорных точек сети акустических транспондеров;
этап излучения и приема акустических сигналов, синхронизированный по глобальному времени, сетью транспондеров, установленных на сейсмокосах и начальных и концевых буях, при этом синхронизация транспондеров, расположенных на/в сейсмокосах, осуществляется по линиям связи в сейсмокосах, а транспондеров, расположенных на начальных и концевых буях - по радиоканалу или глобальному времени по данным с установленных на них GPS/ГЛОНАСС антенн;
этап обработки принятых акустических сигналов процессорами в транспондерах, включающая выделение сигналов, излучаемых предварительно заданным набором других транспондеров сети и определение времен задержек прохождения акустических сигналов до них, передача в бортовой компьютер информации о временах задержек прохождения акустических сигналов от предварительно заданного набора транспондеров сети до заданного транспондера, в том числе дополнительной информации о глубине транспондеров, их пространственной ориентации, заряде батареи и др., при этом передача информации от транспондеров, расположенных на сейсмокосах, осуществляется по линиям связи в сейсмокосах, а от транспондеров, расположенных на начальных и концевых буях - по радиоканалу;
этап решения с помощью специального программного обеспечения оптимизационной задачи о пространственном положении сети транспондеров на основе минимизации функционала невязок между искомыми и измеренными расстояниями между транспондерами с учетом жесткой привязки сети к положению транспондеров на начальных и концевых буях.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что этапе излучения и приема акустических сигналов дополнительно включает циклическое или управляемое излучение последовательности коротких тоновых сигналов, называемых буквами, и формированием слов из этих букв, как их строго упорядоченных во времени последовательностей, при этом излучение коротких тоновых сигналов производится на ограниченном наборе (~8÷16) несущих частот из диапазона 40-80 кГц, а длительность отдельного тонового сигнала (буквы) может меняться, составляя, например 1÷2 мс, при этом между различными тоновыми сигналами могут быть пустые интервалы (задержки) любой, но заранее предписанной длительности, а количество букв в словах и интервалы между буквами могут быть различными, при этом слова, излучаемые разными транспондерами, выбираются так, чтобы в группе транспондеров, находящихся в зоне взаимной слышимости, они были максимально ортогональными.
3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что на этапе обработки принятых акустических сигналов производится фильтрация регистрируемых сигналов набором полосовых фильтров, соответствующих частотам излучаемых тоновых сигналов, при этом фильтрация осуществляется аппаратным образом, заменяя более трудоемкую цифровую корреляционную обработку, а также производится определение огибающей отфильтрованных полосовыми фильтрами зарегистрированных сигналов.
4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что на этапе обработки принятых акустических сигналов устанавливаются широкие, робастные временные интервалы (окна), в которых производится идентификация требуемых сигналов (слов), при этом идентификация требуемых слов осуществляется по критерию превышения определенного порога произведений огибающих тоновых сигналов, сдвинутых на время задержки последовательности букв в слове, а время, соответствующее максимуму произведения огибающих тоновых сигналов, превышающих заданный порог, принимается в качестве времени прохождения сигналов между транспондерами, которая называется задержкой.
5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что на этапе решения оптимизационной задачи предварительно производится определение набора валидных задержек, при этом считаются валидными и принимаются в расчетах лишь те временные задержки между транспондерами, разность между которыми на встречных направлениях не превышает заданной погрешности, а сама валидная задержка определяется как полусумма задержек на встречных направлениях, кроме того, производится преобразование времени прохождения сигнала в расстояние между идентифицированными транспондерами путем умножением времени валидной задержки на скорость звука в воде, при этом для оценки скорости звука в воде может браться величина, получаемая от деления известной длины между парами ближайших транспондеров на одной и той же сейсмокосе к валидному времени прохождения сигнала между ними.
6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что на этапе решения оптимизационной задачи выполняется построение сети по совокупности одновременно измеренных валидных расстояний между транспондерами и решается задача определения координат всех узлов сети на основе минимизации целевого функционала в форме невязки между искомыми и измеренными (валидными) расстояниями сети транспондеров с начальным приближением, полученным из проектного расположения или из предыдущего цикла измерений, при этом в целевом функционале дополнительно в виде регуляризирующих слагаемых производится учет информации о координатах транспондеров, размещенных на начальных и концевых буях, которая передается на борт от размещенных на них же GPS/ГЛОНАСС приемников по радиоканалу, а также информации о длине кабельных связей между транспондерами вдоль сейсмокос и информация о заглублении транспондеров, передаваемой от них на борт по линиям связи в сейсмокосах.
7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что на этапе решения оптимизационной задачи производится минимизация нелинейного целевого функционала на основе метода Ньютона-Рафсона и метода сопряженных градиентов для определения пространственного положения сети транспондеров, и, следовательно, пространственного положения сейсмокос, включая изменения положения в результате их движения, изгиба и схождения-расхождения, при этом выполняется контроль точности получаемого решения для каждого узла сети на основе оценки средней невязки, определяемой как среднее от невязок всех валидных расстояний от данного узла сети до других узлов.