Гидроакустическая навигационная система с управляемыми маяками-ответчиками

ГИДРОАКУСТИЧЕСКАЯ НАВИГАЦИОННАЯ СИСТЕМА С УПРАВЛЯЕМЫМИ МАЯКАМИ-ОТВЕТЧИКАМИ
Техническое решение относится к гидроакустическим навигационным средствам, а именно - к гидроакустическим навигационным системам (ГНС) с длинной базой и может быть использовано для определения местоположения судна или подводного аппарата относительно гидроакустических маяков-ответчиков, установленных на дне моря.
Известные ГНС 1 - 5, как правило, содержат размещённые на дне маяки-ответчики, а также установленную на борту судна аппаратуру для приёма-передачи гидроакустических сигналов маякам-ответчикам и для обработки результатов измерений.
Так, ГНС 2 содержит донную навигационную базу из гидроакустических приёмоответчиков с различными частотами ответа и размещенные на объекте (судне) гидроакустический приёмопередатчик с многоканальной аппаратурой обработки измерений с целью получения координат объекта.
В ГНС 2, а также в ряде других систем 3 - 5, в ряде случаев, не достигается оптимальная энергетическая экономичность, что ограничивает их функциональные возможности.
МПК:О01 S5/00, 15/00
гидроакустические маяки-ответчики с известными координатами, а также установленную на борту судна приёмоизлучающую и обрабатывающую результаты измерений апнаратуру.
Однако организация гидроакустического канала связи в системе 1, как и в других аналогах 4, 5 недостаточна рациональна, и энергетические показатели приёма-передачи гидроакустических сигналов нельзя признать оптимальными.
Сущность предлагаемого технического решения заключается в создании ГНС с экономичной энергетикой при рациональной организации гидроакустического канала связи для передачи команд управления маяку-ответчику бортовым навигационным комплексом судна путём адресной передачи командного сообщения (код адреса маяка-ответчика и код команды) каждому конкретному маяку-ответчику посредством время-импульсной модуляции частоты сигнала запроса.
Основной технический результат предложенной ГНС повышение энергетической экономичности за счёт применения времяимпульсной модуляции и возможность использования для передачи командного сообщения частоты сигнала запроса, а также рациональное формирование командного сообщения с возможностью передачи любому из 32-х маяков-ответчиков до восьми команд.
Технический результат достигается следующим образом.
Гидроакустическая навигационная система (ГНС), содержит размещённые на дне акватории гидроакустические маяки-ответчики с известными координатами, а также установленную на борту судна приёмоизлучаюшую и обрабатывающую результаты измерений аппаратуру.
Отличительной особенностью ГНС является то, что в составе судовой приёмоизлучающей аппаратуры передающий блок выполнен в виде передатчика командного сообщения (НКС) для передачи маякамответчикам командного сообщения с использованием времяимпульсной модуляции на частоте запроса, а каждый маяк-ответчик дополнительно включает устройство автономного управления для исполнения командного сообщения, переданного ПКС с судна.
Отличие ГНС заключается в том, что передатчик командного сообщения ПКС включает панель управления, контроллер передатчика, передатчик, излучающую антенну и источник питания, причём первыйтретий выходы панели управления подключены к входам контроллера, два выхода которого подключены к входам передатчика, выход которого подключен к излучающей антенне.
При этом ГНС отличается тем, что панель управления включает кнопку «ПУСК с формирователем, устраняющим дребезг контактов, выход которого является первым выходом панели управления, и два переключателя, выходы которых являются вторым и третьим выходами панели управления.
Кроме того, что контроллер передатчика включает счётчик событий, формирователь старт-импульса, формирователь импульса защитного интервала, генератор, счётчик импульсов строк, схему сравнения кодов и мультиплексор. Причём первый выход панели управления подключён к первому входу счётчика событий, второй входвыход счётчика событий соединён с входом-выходом формирователя старт-импульса и является первым выходом контроллера, третий вход счётчика событий подключён к первому выходу счётчика импульсов строк, четвёртый вход счётчика событий подключён к выходу формирователя импульса защитного интервала, первый и второй входы мультиплексора подключены ко второму и третьему выходам панели управления, первый выход счётчика событий подключён к входу формирователя старт-импульса, второй выход счётчика событий подключён к первому входу счётчика формирователя импульса
защитного сигнала, третий выход счётчика событий подключён к первому входу счётчика импульсов строк, четвёртый выход счётчика событий подключён ко второму входу формирователя импульса защитного интервала, пятый выход счётчика событий подключён ко второму входу счётчика импульсов строк и к третьему входу мультиплексора, выход мультиплексора и второй выход счётчика импульсов строк подключены к первому и второму входам схемы сравнения кодов, выход которой является вторым выходом контроллера передатчика.
Передатчик ГНС включает последовательно соединённые блок запуска и генератор сигнала ответа, причём первый и второй входы блока запуска, являющиеся входами передатчика, подключены к первому и второму выходам контроллера передатчика, а выход генератора сигнала ответа является выходом передатчика и подключён к излучающей антенне.
Отличием ГНС также является то, что устройство автономного управления маяка-ответчика включает приёмоизлучающую антенну, коммутатор приёма-передачи, приёмник, контроллер приёмника, блок запуска, генератор сигнала ответа, переключатель установки кода адреса, переключатель установки кода основной частоты, формирователь сигнала отделения, отделитель и источник питания. Причём вход-выход приёмоизлучающей антенны подключен к входувыходу коммутатора приёма-передачи, выход которого подключен к входу приёмника, а вход - к выходу генератора сигнала ответа, выход приёмника подключён к первому входу контроллера, ко второму входу которого подключён выход переключателя установки кода адреса, первый выход контроллера подключён к первому входу генератора сигнала ответа, второй и третий выходы контроллера подключены к первому и второму входам блока запуска, четвёртый выход контроллера
подключен к входу формирователя сигнала отделения, выход которого подключён к входу отделителя, выход блока запуска подключен ко второму входу генератора сигнала ответа, к третьему входу которого подключен выход переключателя установки кода основной частоты.
При этом контроллер приёмника маяка-ответчика включает селектор длительности импульсов, переключатель, таймер сторожевой, счётчик событий, таймер защитного интервала, счётчик строк, генератор импульсов строк, регистр цифры HI, регистр цифры НО, дешифратор команды, схему сравнения, переключатель установки кода адреса и регистр команды, причём вход селектора является входом контроллера приёмника маяка-ответчика, выходы селектора длительности импульсов подключены к первому входу переключателя, к входу таймера сторожевого и к первому входу счётчика событий, выходы таймера сторожевого, таймера защитного интервала и счётчика строк подключены соответственно ко второму, третьему и четвёртому входам счётчика событий, первый выход счётчика событий подключен ко второму входу переключателя, второй выход счётчика событий подключен к первому входу таймера защитного интервала, третий выход счётчика событий подключен к первому входу счётчика строк и к первому входу регистра цифры HI, четвёртый выход счётчика событий подключен ко второму входу таймера защитного интервала, пятый выход счётчика событий подключен ко второму входу счётчика строк и к первому входу регистра цифры НО, шестой выход счётчика событий подключен к первому входу схемы сравнения, выход генератора импульсов строк подключён к третьему входу счётчика строк, выход которого подключён к третьему входу регистра цифры HI и к третьему входу регистра цифры НО, выход переключателя подключён ко вторым входам регистров цифр HI и НО, выходы регистров цифр HI и НО подключены ко второму и третьему входам схемы сравнения, четвёртый
ВХОД которой подключён к выходу переключателя установки кода адреса, второй выход регистра цифры НО подключён к входу дешифратора команды, выход схемы сравнения и выход дешифратора команды подключены к входам регистра команды, выход которого является выходом контроллера приёмника маяка-ответчика.
На фиг. 1 приведена обпцая схема конструктивного выполнения передатчика командного сообщения. Фиг. 2 иллюстрирует процесс формирования командного сообщения: 1) из восьми двоичных разрядов; б) из двух шестнадцатеричных цифр HI и НО; в) временная диаграмма командного сообщения, определяющая процедуру кодирования и декодирования сообщений; г) пример формирования командного сообщения. На фиг. 3 и 4 приведены соответственно схемы устройства автономного управления маяком-ответчиком и контроллера маякаответчика.
Передатчик командного сообщения (фиг. 1) состоит из панели 1 управления, контроллера 2 передатчика, передатчика 3, излз ающей антенны 16 и источника 17 питания. На панели 1 управления размещается кнопка «ЕГУСК (START) с формирователем 4, устраняющим дребезг контактов, и переключатели 5 и 6 набора кода командного сообщения. Контроллер 2 передатчика включает счётчик 7 событий, формирователь 8 старт-импульса, формирователь 9 импульса защитного интервала, генератор 10 и счётчик 11 импульсов строк, схему 12 сравнения кодов и мультиплексор 13. Устройство автономного управления маяка-ответчика (фиг. 3) включает приёмоизлучающую антенну 18, коммутатор 19 приёма-передачи, приёмник 20, контроллер 21 приёмника, блок 22 запуска, генератор 23 сигнала ответа, переключатель 24 установки кода адреса, переключатель 25 установки кода основной частоты, формирователь 26 сигнала отделения, отделитель 27 и источник 28 питания. Контроллер 21 приёмника маякаответчика (фиг. 4) содержит селектор 29 длительности импульсов, переключатель 30, таймер 31 сторожевой, счётчик 32 событий, таймер 33 защитного интервала, счётчик 34 строк, генератор 35 импульсов строк, регистр 36 цифры HI, регистр 37 цифры НО, дешифратор 38 команды, схему 39 сравнения, переключатель 40 установки кода адреса и регистр 41 команды.
Работа ГНС заключается в следующем.
Рассмотрим варианты работы, когда сигнал запроса принимают все маяки-ответчики, находящиеся в зоне акустического контакта, и каждый маяк-ответчик генерирует сигнал ответа на своей частоте, т.е. команда передаётся конкретно выбранному маяку-ответчику (адресуемая команда). Командное сообщение содержит код адреса маяка-ответчика и код команды. Информационный объём командного сообщения выбирается равным восьми двоичным разрядам (фиг. 2, а). На фиг. 2,а символами Bi обозначены программируемые биты. Нять старщих разрядов (В7...ВЗ) используются как код адреса, а три младщих разряда (В2...ВО) как код команды. Командное сообщение допускает максимально передачу восьми команд любому из 32-х маяков-ответчиков, находящихся в зоне акустического контакта с навигационным комплексом судна. Командное сообщение (фиг. 2, а) представлено в виде числа из двух щестнадцатеричных цифр HI, НО (фиг. 2, б). Временная диаграмма командного сообщения, определяющая процедуру кодирования и декодирования сообщений представлена на фиг. 3, в. Во времени командное сообщение начинается с передачи старт-импульса (Ю.. .tl), длительность которого выбирается в несколько раз больще, чем длительность импульса запроса для возможности их идентификации. Для передачи каждой щестнадцатеричной цифры командного сообщения используется отдельный временной кадр: (tl...t3) - кадр цифры HI; (t3...t5) - кадр
Me/( 1
цифры но. Защитные интервалы времени (tl.. .t2) и (t3.. .t4) необходимы для затухания возможных переотражений передаваемых сигналов. Интервал времени (t2 - t3) условно разделён на 16 строк (по числу, равному основанию системы счисления, выбранной для кодирования сообщения). Длительность каждой строки равна длительности импульса запроса. Передаваемая шестнадцатеричная цифра определяется по наличию импульса, аналогичного импульсу запроса, который появится в соответствующей строке кадра. На фиг. 3, в представлен пример формирования командного сообщения. Шестнадцатеричный код сообщения 5Е; соответствующий ему двоичный код 01011110; код адреса 01011; код команды ПО. В десятичном коде, удобном для восприятия, это означает, что устройству (маяку-ответчику) с адресом 11 надлежит выполнить шестз о команду (Кб).
Носле подачи питания от источника 17 питания счётчик 7 событий автоматически сбрасывается в состояние 0. Это состояние сбрасывает счётчик 11 строк. На панели 1 управления с помощью переключателей 5 и 6 набирается код командного сообщения. Для его передачи необходимо нажать и отпустить кнопку «НУСК, что вызовет переход счётчика 7 событий в состояние 1 и запустит формирователь 8 старт-импульса. Импульс с выхода формирователя 8 включает передатчик 3 на время (tO - tl) (фиг. 2). Задний фронт старт-импульса переводит счётчик 7 событий в состояние 2. Нри этом включится формирователь 9 импульса защитного интервала (tl - t2), задний фронт которого переведёт счётчик 7 событий в состояние 3 и разрешит счёт импульсов строк, поступающих с выхода генератора 10, на вход счётчика 11. Счётчик 11 будет последовательно менять своё состояние от О до F. Поразрядные входы счётчика 11 подключены к первым входам схемы 12 сравнения кодов. На вторые входы схемы 12 сравнения поступает вход первой цифры (HI, фиг. 2, б) через
мультиплексор 13с переключателя 5. При совпадении кодов на выходе схемы 12 сравнения кодов появляется импульс, включающий передатчик 3 на время, равное длительности одной строки. Для рассматриваемого примера это случится в пятой строке. Отсчитав 16 строк, счётчик 11 вырабатывает импульс переполнения, который приводит счётчик 7 событий в состояние 4 (t3, фиг. 2, в). Работа счётчика 11 запрещается и он сохраняет своё состояние О до следующего кадра. Состояние 4 счётчика 7 событий включает формирователь 9 импульса защитного интервала (t3 - t4, фиг. 2, в). В момент времени t4 счётчик 7 событий переходит в состояние 5. Это состояние вновь разрешает работу счётчика 11 строк и переключает мультиплексор 13 так, что на вторые входы схемы 12 сравнения поступает код второй цифры (НО, фиг. 2, б) командного сообщения. При совпадении кодов (строка Е, фиг. 2) включится передатчик 3 на время одной строки, а импульсом переполнения с выхода счётчика 11 строк счётчик 7 событий приводится к состоянию О и всё устройство переходит в ожидание до следующего нажатия кнопки «ПУСК.
Маяк-ответчик (фиг. 3) работает в двух основных режимах: режиме приёма сигналов запроса и в режиме приёма и исполнения командного сообщения.
Акустические сигналы принимаются антенной 18 и через коммутатор 19 поступают на вход приёмника 20. Приёмник 20 осуществляет усиление, частотную фильтрацию, детектирование и сглаживание принятого сигнала. Далее сигнал поступает в контроллер 21 приёмника. Если контроллер 21 приёмника определил по длительности, что принятый сигнал является сигналом запроса, то через блок 22 запуска включается генератор 23 сигнала ответа, который через коммутатор 19 приёма-передачи излучается антенной 18. Если же в контроллер 21 приёмника поступит старт-импульс, то продолжается
приём двух импульсов командного сообщения, его декодирование, проверка на равенство кода адреса с кодом, установленным переключателем 24 установки кода адреса и, если командное сообщение адресовано данному маяку-ответчику, команда выполняется. После этого с помощью блока 22 запуска, включается генератор 23 и излучается акустический импульс ответа, подтверждающий выполнение команды. Если командное сообщение имеет другой адрес, команда игнорируется и ответный сигнал не излучается.
Генератор 23 сигнала ответа может работать на пяти фиксированных частотах. Одна из них является запасной для всех маяков-ответчиков, а четыре распределяются между маяками так, чтобы при их установке на дне соседние маяки-ответчики имели всегда неодинаковые частоты, используемые в качестве заданной. Установка заданной частоты каждого маяка-ответчика производится с помощью переключателя 25 частоты ответа. Кроме того, частота генератора 23 может быть изменена по команде.
В управляемом маяке-ответчике, например, модели МО6-8 используются следующие команды (коды):
КО (000) - ответ на заданной частоте;
К1 (001) - ответ на запасной частоте;
К2 (010) - выключение передатчика;
КЗ (011) - переход на следующую частоту;
К4 (100) - возврат на частоту, заданную переключателем 25;
К5 (101) - отделение с ответом на заданной частоте;
Кб (110) - отделение с ответом на запасной частоте;
К7 (111) - не используется (резерв).
Команды К5 и Кб кроме управления генератором 23 и блоком 22 запуска через формирователь 26 включают электромагнитный
отделитель 27. Отделитель 27 разрывает механическую связь маякаответчика с якорем, и маяк всплывает.
Источник 28 питания обеспечивает энергоснабжение электронного блока маяка-ответчика на период эксплуатации от постановки до эвакуации на борт обеспечивающего судна после всплытия.
Сигналы с выхода приёмника 20 (фиг. 3) поступают на вход селектора 29 длительности импульсов. Если принят сигнал запроса, то он выделится на первом выходе селектора 29 длительности импульсов и, через переключатель 30, инициирует работу блока 22 запуска, что приведёт маяк-ответчик к изучению сигнала ответа.
Принятый приёмником 20 старт-импульс вызывает отклик на втором выходе селектора 29 (фиг. 4). При этом запускается таймер 31 сторожевой и переводит счётчик 32 событий в состояние 1. Ненулевое состояние счётчика 32 событий переключает первый выход селектора 29 длительности со входа блока 22 запуска па первые входы разрешения регистров 36, 37 цифр П1 и ПО. Состояние 1 счётчика 32 событий включает таймер 33 защитного интервала. Через время, равное t2 - tl (фиг. 2, в) выходной импульс таймера 33 защитного интервала переводит счётчик 32 событий в состояние 2, которое разрешает работу счётчика 34 строк от генератора 35 импульсов строк и даёт разрешение на запись в регистр 36 цифры П1 - старшей цифры командного сообщения. Состояние счётчика 34 строк начинает последовательно изменяться от О до F. Это соответствует интервалу времени t2, t3 (фиг. 2, в). В течение этого интервала импульс первой цифры командного сообщения с выхода приёмника 20 (фиг. 3) через селектор 29 длительности импульсов и переключатель 30 (фиг. 4) осуществляет запись состояния счётчика 34 строк в регистр 36 цифры П1 - старшей цифры командного сообщения. В примере приведённом на фиг. 2, это
.)§ //ef6 и
соответствует цифре 5. Переполнение счётчика 34 переводит счётчик 32 событий в состояние 3, которое вновь включает таймер 33 защитного интервала. После выдержки времени, равного t4 - t3 (фиг. 2, в), выходной импульс таймера 33 защитного интервала переводит счётчик 32 событий в состояние 4, которое разрешает работу счётчика 34 строк от генератора 35 импульсов строк и даёт разрешение на запись в регистр 37 цифры ПО, то есть младшей цифры командного сообщения. Состояние счётчика 34 строк опять начинает последовательно изменяться от О до F. Это соответствует интервалу времени t4, t5 (фиг. 2, в). В течение этого интервала времени импульс второй цифры с выхода приёмника 20 (фиг. 3) через селектор 29 длительности и переключатель 30 (фиг. 4) осуществляет запись состояния счётчика 34 строк в регистр 37 цифры ПО. В примере приведённом на фиг. 2, это соответствует цифре Е. Переполнение счётчика 34 строк переводит счётчик 32 событий в состояние 5. В этом состоянии разрешается работа схемы 40 сравнения, на один вход которой поступает пятиразрядный двоичный код принятого адреса (разряды В7...ВЗ, фиг. 1), а на другой вход - пятиразрядный код адреса, присвоенного данному маякуответчику и установленному заблаговременно с помощью переключателя 41 адреса. Команда будет выполняться, если коды совпадают. В противном случае командное сообщение игнорируется. Три младших разряда двоичного кода командного сообщения (В2...ВО, фиг. 1) поступают на вход дещифратора 39 команды. Дешифрированная команда (одна из восьми возможных) записывается в регистр 41 команды выходным импульсом схемы 39 сравнения при совпадении кода адреса командного сообщения с кодом адреса, установленным на переключателе 40 адреса. Этот же импульс включает блок 22 запуска (фиг. 3), что вызывает излучение акустического сигнала ответа маякомответчиком. Таким образом, подтверждается приём командного
, n
сообщения и электронное устройство маяка-ответчика выполняет команда по назначению. В случае ошибки или сбоя в работе схемы или по истечении времени, необходимого для приёма командного сообщения счётчик 32 событий переводится в состояние О по цепи сброса импульсом с выхода таймера сторожевого. Таким образом, контроллер приёмника переходит в состояние ожидания очередного командного сообщения.
Таким образом, за счёт применения время-импульсной модуляции в предложенной ГНС повышается энергетическая экономичность, реализуется возможность использования для передачи командного сообщения частоты сигнала запроса, обеспечивается рациональное формирование командного сообщения с возможностью передачи любому из 32-х маяков-ответчиков до восьми команд.
ИСТОЧНИКИ НО УРОВНЮ ТЕХНИКИ I. Нрототип и аналоги:
1.Милн Н.Х. Гидроакустические системы позиционирования: Hep. с англ. - Л.: Судостроение, 1989. - 232с. (прототип. с.50 - 52).
2.RU 2032187 С1, 27.03.1995 (аналог).
II. Дополнительные источники по уровню техники:
3.RU 2058567 С 1,20.04.1996.
4.RU 2152625 С1, 10.07.2000.
5.Гидроакустические навигационные системы / Отчёт о тематическом поиске. -ВЦНУ, Ростовский ф-л. 1998, 39с.