Способ определения координат быстроходного подводного аппарата с использованием эффекта Доплера
METHOD OF HIGH-SPEED UNDERWATER VEHICLE COORDINATES DETERMINATION USING DOPPLER EFFECT

Область техники, к которой относится изобретение
Предлагаемый способ относится к области подводной навигации и может быть использован при решении задачи определения местоположения быстроходных автономных необитаемых подводных аппаратов (АНПА) по информации о доплеровском сдвиге частоты гидроакустического сигнала от одного выпускного буя. Уровень техники
Известен способ навигации АНПА [1], в котором координаты подводных объектов определяются относительно различных типов (донных и плавающих) гидроакустических маяков (ГМ) в режиме с ультракороткой базой, содержащей навигационную базу из 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.
Недостатком данного способа [1] является необходимость выполнения работ по установке и последующему координированию донных маяков, возможность определения координат АНПА в непосредственной близости от района их установки, а также необходимость оборудования АНПА приемопередающей антенной.
Известен способ определения местоположения с использованием информации о доплеровском сдвиге частот принимаемых сигналов от двух источников, стационарных или буксируемых за АНПА [2]. Особенность такого способа заключается в том, что АНПА должен быть оборудован только приемной антенной, что упрощает конструкцию АНПА. Недостатками такого подхода являются необходимость иметь два источника сигнала и требование к обязательной синхронизации времени излучающих источников.
Известен способ одномаяковой мобильной навигации АНПА [3], заключающийся в использовании автономного необитаемого водного аппарата (АНВА), переносящего ГМ. Для определения с требуемой точностью текущего местоположения ГМ транспортирующий его АНВА оборудован комбинированным приемником спутниковой навигационной системы (СНС). Данный подход основан на использовании модемной гидроакустической связи, которая позволяет АНПА и АНВА обмениваться пакетами данных, а также определять дистанцию между аппаратами на основе измерения времени распространения акустического сигнала. Коррекция местоположения АНПА осуществляется на основе информации о дальности до ГМ с помощью алгоритма, основанного на применении расширенного фильтра Калмана или фильтра частиц.
К недостаткам [3] следует отнести обязательное использование АНВА, буксирующего ГМ, а также необходимость совершать маневрирование для повышения точности определения координат АНПА.
Прототипом заявляемого способа является способ определения местоположения АНПА, основанный на использовании информации о дальностях до одного или нескольких дрейфующих или отделяемых буев, координаты которых известны по информации от СНС [4]. Особенность данного подхода заключается в том, что местоположение АНПА определяется в вычислителе одного из буев с использованием информации от навигационной системы, установленной на АНПА. Это приводит к необходимости установки на АНПА и буе приемопередающей аппаратуры и специализированных модемов, обеспечивающих синхронизацию времени АНПА и буев, что усложняет используемую аппаратуру.
Недостатки прототипа ставят задачу повышения автономности АНПА в части навигации при отсутствии требований к временной синхронизации и наличию передающей аппаратуры звукоподводной связи с излучающей антенной.
Раскрытие изобретения
Технический результат - повышение автономности подводного объекта в части навигации при отсутствии требований к временной синхронизации буя и АНПА, а также к наличию на АНПА передающей аппаратуры звукоподводной связи с излучающей антенной. Повышение автономности достигается за счет конструкции АНПА, позволяющей разместить на нем выпускной буй (ВБ), отделяемый по команде системы управления. ВБ оснащен устройством обеспечения плавучести, благодаря чему после отделения всплывает на поверхность. Расположенные на ВБ приемник СНС, модем гидроакустической (ГА) связи и излучающая антенна позволяют получать географические координаты ВБ и передавать их на АНПА. Установленные на АНПА модем ГА связи и приемная антенна позволяют получить от ВБ не только его координаты, но и измерить частоту доплеровского сдвига, позволяющего рассчитать радиальную (доплеровскую) скорость.
б
б
г
Процедура обработки информации заключается в следующем. Сигнал, поступающий по звукоподводной связи от ВБ, состоит из передаваемого на фиксированной высокой частоте сигнала длительностью τ<1 с, прием и обработка которого на АНПА позволяет определить значение доплеровского смещения частоты, и сообщения с географическими координатами местоположения ВБ широты и долготы - ϕ, λ, соответственно, полученным по данным СНС. Эта информация передается на вход алгоритма определения координат совместно с данными от блока навигационных датчиков (БНД) АНПА (измеряемых значений скорости АНПА V, курса и глубины погружения АНПА Н). Кроме того, алгоритм использует информацию о точностных характеристиках датчиков и точности знания места всплытия ВБ. В алгоритме предусмотрен учет разности глубин погружения ГА аппаратуры ВБ и АНПА. В результате на выходе алгоритма вырабатываются оценки координат АНПА в относительной системе координат, а также матрица ковариаций, характеризующая текущую точность оценивания координат.
Г
1
1
1
1
г
1
Идея определения местоположения с использованием только измерений доплеровского сдвига сигнала, передаваемого от ВБ на АНПА заключается в следующем. Предполагается, что задача решается в относительной декартовой системе координат Oξης (см. фиг.), где точка О - начало этой системы координат, совпадающее с координатами излучателя сигнала, в котором содержатся данные СНС о координатах ВБ. Антенна приема ГА сигналов АНПА находится на глубине его погружения Н от расположения ГА аппаратуры ВБ. Ось Оη направлена на север (на фиг. это направление обозначено, как η(N)), ось Oξ - на восток (на фиг. это направление обозначено, как ξ(Е)), ось Oς - вертикально вниз (см. фиг.). На фиг. также изображена аналогичная относительная декартова система координат Oξης, находящаяся на глубине погружения АНПА Н, равной отрезку OO. Эта система координат приведена на фиг. для понимания взаимного расположения АНПА (находится в точке М) и ВБ (находится в точке О) относительно друг друга.
d
Пусть АНПА находится в точке М и движется со скоростью V вдоль линии пути АНПА ML (курс АНПА), а в точке О расположен ВБ с излучающей ГА антенной. Измеряется доплеровский сдвиг частоты ƒ, связанный с радиальной скоростью АНПА  относительно точки О известным соотношением
з
0
где с - скорость распространения звука в воде, ƒ - частота излучаемого сигнала.
i
i+1
i+1
i
i
i
i
i+1
i+1
i
i
1
Рассмотрим два последовательных момента времени t и t получения измерений. Введем интервал времени между ними Δt=t-t и обозначим через γ величину угла ∠OML, где L - точка, находящаяся на продолжении линии пути АНПА. Выпишем соотношения, связывающие наклонную дальность D (на фиг. отрезок ОМ) и углы γ для двух последовательных моментов времени с величиной p=OL, определяющей наклонную дальность от ВБ до линии пути (на фиг. угол γ и наклонная дальность D не показаны с целью упрощения изображения - это аналоги угла γ и наклонной дальности D через интервал времени Δt при движении АНПА вдоль линии пути со скоростью V; величина p, показанная на фиг. - горизонтальная дальность от ВБ до линии пути и показана для лучшего понимания взаимного расположения описываемых объектов):
Из соотношений (2) можно найти
Следует учесть, что
d
i
i+1
г
Отсюда достаточно просто, имея как минимум два измерения доплеровского сдвига ƒ, можно рассчитать наклонные дальности D и D по информации о  и скорости V движения АНПА и с учетом данных о курсе (направление линии пути ML) и относительной глубине Н АНПА определить пеленг на ВБ, что позволит получить относительные координаты АНПА ξ и η в относительной декартовой системе координат Oξης.
а
а
Пересчет относительных координат АНПА в географические ϕ, λможет производиться по следующим формулам:
б
б
где ϕ, λ - географические координаты ВБ,
ξ(t), η(t) - текущие координаты АНПА в относительной декартовой системе координат Oξης;
ϕ
λ
R, R - текущие радиусы кривизны меридиана и параллели.
Таким образом, предлагаемый способ по сравнению с прототипом и другими техническими решениями не требует установки и координирования ГМ, использует только один ВБ, не требует наличия АНВА с ГМ и установки излучающей антенны на АНПА, не предъявляет требований к временной синхронизации ВБ и АНПА и повышает автономность АНПА в части навигации за счет наличия ГМ в виде ВБ на борту АНПА.
Литература:
1. Патент 2456634 Российская Федерация, МПК G01S 15/06. Способ навигации подводного объекта посредством гидроакустической навигационной системы/ Жуков Ю.Н., Румянцев Ю.В., Курсин С.Б., Бродский П.Г., Павлюченко Е.Е., Аносов В.С., Суконкин С.Я., Руденко Е.И., Чернявец В.В.; патентообладатели - авторы. - №2011109995/28, заявл. 16.03.2011; опубл. 20.07.2012; Бюл. №20. - 20 с.
2. Carof А.Н. Acoustic differential delay and Doppler tracking system for long range AUV positioning and guidance/ OCEANS'94.'Oceans Engineering for Today's Technology and Tomorrow's Preservation/Proceedings. - IEEE, 1994. - T. 3. - C. III/389-III/394 vol. 3.
3. Дубровин Ф.С., Щербатюк А.Ф. Исследование некоторых алгоритмов одномаяковой мобильной навигации АНПА: Результаты моделирования и морских испытаний // Гироскопия и навигация. - 2015. - №4 (91) - с. 160-172.
4. Патент 5579285 (А) Соединенные Штаты, МПК G01S 5/00. Method and device for the monitoring and remote control of unmanned, mobile underwater vehicles/ Thomas Hubert; патентообладатели - авторы. №5,579,285, заявл. 03.12.1993; опубл. 26.11.1996; - 13 с.