СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ ДВИЖЕНИЯ КОРАБЛЯ ОТНОСИТЕЛЬНО ГРУНТА
MEASURING METHOD OF SHIP'S MOVEMENT SPEED RELATIVE TO GROUND

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано при проектировании гидроакустических лагов, предназначенных для измерения скорости корабля относительно грунта. Основным параметром гидроакустических лагов является точность измерения скорости. Проведенные теоретические и экспериментальные исследования показали, что результирующая погрешность измерения скорости определяется как флуктуационными, так и систематическими погрешностями. Было показано, что вклад систематической компоненты в результирующую погрешность составляет 40-50%. Более поздние исследования, проведенные при плавании подводной лодки в реальных условиях, показали, что удельный вес систематической компоненты в общей ошибке может доходить до 70%. Таким образом, исключение систематической ошибки из измеренных значений скорости приобретает первостепенное значение, от решения этого вопроса во многом зависит возможность повышения точности работы гидроакустических лагов.
Известно, что систематическую составляющую ошибки измерений можно снизить путем проведения калибровки аппаратуры и ввода в нее соответствующих поправок. Такая калибровка для гидроакустических лагов проводится на специальной мерной миле. По результатам калибровки определяется коэффициент лага
1
где К - коэффициент лага,
эт
V - скорость ПЛ на мерной миле, измеренная при помощи средств эталонирования;
пр
V - значение скорости, измеренной лагом.
Полученное по результатам калибровки одно значение коэффициента лага может быть введено вручную в аппаратуру лага. При этом введенное значение коэффициента сохраняется до момента проведения следующей калибровки.
По существующей методике калибровка лага проводится только при одном значении скорости. В качестве такой скорости выбирается, например, скорость подводной лодки V=15 узлов, как наиболее вероятная на переходах. Такая методика калибровки предполагает, что коэффициент лага в освоенном диапазоне скоростей не зависит от скорости.
1
1
1
Однако анализ экспериментальных данных, имеющихся по лагу, показывает, что коэффициент лага даже в диапазоне скоростей 5-15 узлов не является постоянным. Так, например, при калибровке опытного образца лага была получена зависимость коэффициента К от скорости, показанная на фиг.1. Калибровка проводилась на трех фиксированных скоростях 5; 10; 15 узлов, причем значения коэффициента лага на каждой из скоростей являются достоверными, так как получены путем статистической обработки большой серии измерений. Аналогичная зависимость коэффициента К от скорости была получена и ранее при ходовых испытаниях экспериментального образца лага. Полученная при этом зависимость коэффициента К от скорости приведена на фиг.2. Сравнивая зависимости, приведенные на фиг.1 и 2, интересно отметить почти одинаковые наклоны кривых к оси абсцисс. Некоторое же отличие в абсолютных значениях коэффициентов объясняется различными конструкциями обтекателей и различными схемами обработки сигналов в опытном и экспериментальном образцах лага.
1
2
1
2
Таким образом, сам факт наличия зависимости коэффициента лага от скорости можно считать экспериментально подтвержденным. Как уже отмечалось выше, по существующей методике в аппаратуре лага учитывается коэффициент, полученный для скорости V=15 узлов. С точки зрения аппаратуры лага это означает, что цифровой счетчик, измеряющий допплеровскую частоту, работает с постоянным измерительным временем, соответствующим коэффициенту лага для скорости V=15 узлов. При этом принципиально вводится погрешность при работе лага на других скоростях. Как указано было ранее, эта погрешность составляет δ=0,85% для V=5 узлов и δ=0,44% для V=10 узлов. Погрешности δ и δ соизмеримы по своей величине с предельными погрешностями лага. Особенно нежелательно иметь такую погрешность на скорости V=5 узлов, которая является наиболее вероятной скоростью подводной лодки при нахождении ее на боевой позиции.
Целью предлагаемого изобретения является исключение из результирующей ошибки измерения скорости, той систематической составляющей, которая обусловлена непостоянством коэффициента лага в широком диапазоне скоростей.
Повышение точности измерения скорости лагом достигается тем, что время осреднения (измерения) данных о скорости в цифровом счетчике лага изменяется в функции скорости движения корабля.
Описание предлагаемого изобретения
1
1
Характер функциональной зависимости, связывающей изменение коэффициента К с изменением скорости, в общем случае может быть различным (измерение коэффициента К производят в процессе калибровки лага). Так, например, для лага (как показано на фиг.1) эта зависимость является практически линейной.
В общем же случае введение этой функциональной зависимости в аппаратуру лага должно производиться с помощью специального функционального преобразователя, на вход которого поступает информация о скорости корабля и с выхода которого выдается сигнал, управляющий изменением временем измерения в счетном тракте.
При постоянной емкости счетчика канала времени изменение времени счета может быть достигнуто или изменением частоты времязадающего гетеродина, или добавлением на вход канала времени в зависимости от скорости некоторого количества импульсов.
Пример схемного решения
В лаге времязадающий гетеродин в канале времени счетчика выполнен по схеме RC - генератора с мостом Вина. Для реализации предлагаемого способа достаточно связать ось сдвоенного потенциометра, входящего в схему моста Вина, с осью следящей системы, отрабатывающей скорость от относительного лага.
При изменении скорости хода корабля будет автоматически изменяться частота времязадающего гетеродина, а следовательно, и время измерения в счетчике. При соответствующим образом сфазированной системе изменение времени измерения полностью скомпенсирует ошибки, вызванные непостоянством коэффициента лага.
Необходимый коэффициент пропорциональности между изменением скорости и изменением величины сопротивления потенциометра может быть обеспечен коэффициентом редукции. То обстоятельство, что вводимая в этом случае поправка будет пропорциональна не абсолютной, а относительной скорости, при реальных скоростях течения не является существенным, так как сами поправки имеют порядок десятых долей процента и поэтому ввод их с точностью даже 10% практически не приведет к ухудшению точности предлагаемого способа.
x
x
var
1
x
y
При необходимости повысить точность ввода поправки можно в качестве датчика скорости использовать информацию о продольной составляющей абсолютной скорости корабля, несущей в себе информацию о продольной составляющей течения. Возможное схемное решение поясняется на фиг.2. Допплеровская частота, пропорциональная продольной составляющей скорости, преобразуется в счетчике 1 в код V. Код продольной составляющей скорости превращается в преобразователе 2 сначала в уровень постоянного напряжения, затем в преобразователе 3 - в частоту следования импульсов, которые через схему совпадения 4 поступают на вход канала времени счетчика 7. На второй вход схемы совпадения 4 поступает импульс с фантастрона 5, длительность которого τ≡S определяет необходимые масштабные соотношения. При этом на схему суммирования 6 поступает количество импульсов N≡V·S. Изменение частоты следования импульсов на входе канала времени импульсов также приводит к вариациям времени измерения Т и, следовательно, к компенсации ошибок, вызванных скоростной зависимостью коэффициента лага. Например, при увеличении коэффициента лага К на 1% увеличивается на 1% частота на входе канала времени, время измерения при этом уменьшается на 1% и таким образом осредненные значения составляющих скоростей V и V не содержат погрешности за счет увеличения коэффициента лага.
Положительный эффект
Из анализа имеющихся экспериментальных данных можно сделать вывод, что реализация предлагаемого способа позволит:
1) Повысить точность работы существующих гидроакустических лагов в диапазоне скоростей 5-10 узлов ориентировочно в 2-3 раза.
2) Снизить требования к жесткости обтекателей акустических антенн лагов при работе их в широком диапазоне скоростей подводной лодки.