Способ позиционирования автономного подводного аппарата в глубоком море
METHOD FOR POSITIONING AN AUTONOMOUS UNDERWATER VEHICLE IN THE DEEP SEA

Изобретение относится к области навигации подводных объектов, в частности, к способам определения местоположения (позиционирования) автономных подводных аппаратов (АПА) с большой автономностью и дальностью действия, при выполнении миссий в глубоком море, а также в глубоком море подо льдом, в условиях отсутствия обеспечивающего судна (ОС) или отсутствия выставленного в районе работ дополнительного внешнего навигационного оборудования. АПА могут быть необитаемые или обитаемые.
Известен способ навигационного обеспечения АПА, контролируемого с борта обеспечивающего судна с большой дальностью действия, при котором на его борту устанавливаются координаты стартовой точки, счисляется траектория движения по данным датчиков скорости курса и глубины, принимаются навигационные сигналы, излучаемые опорным гидроакустическим маяком, определяются собственные координаты относительно опорного гидроакустического маяка с известными координатами, получают оценку координат при комплексной обработке данных и передают ее по гидроакустическому каналу на борт сопровождающего судна, при котором опорный гидроакустический маяк связан кабельной линией с бортом сопровождающего судна и выполнен в виде буксируемого устройства, координаты которого определяются средствами судовой навигации и передаются по гидроакустическому каналу на борт АПА в составе навигационных сигналов, излучаемых маяком. Гидроакустический маяк дополнен приемником навигационного сигнала. На борту АПА размещен передатчик навигационного сигнала, в навигационном сигнале содержатся координаты АПА, а ОС движется, сопровождая движущийся АПА [Патент РФ, №2344435 от 08.05.2007 г., опубл. 20.01.2009 г., бюл. №2].
Недостатком известного способа является необходимость размещения передатчика навигационного сигнала на борту АПА и привлечение обеспечивающего судна для поддержки миссии аппарата.
В случае одновременной работы на акватории нескольких аппаратов используют синхронизированные маяки, работающие не по запросу, а по заранее заданной программе [Гидроакустические навигационные средства. В.И. Бородин и др. - Л.: Судостроение, 1983. - 264 с.]. Аналогичен этому также известный способ позиционирования подводного объекта который включает установку в морской среде, как правило на дне, по меньшей мере одной базовой станции, каждая из которых оборудована не менее, чем двумя синхронизированными друг с другом и АПА гидроакустическими излучателями, образующими антенну с известными ориентацией в пространстве и расстоянием между излучателями, излучение ими акустического сигнала, его прием акустическим приемником подводного объекта и последующее позиционирование АПА путем расчета его бортовым вычислительным устройством дистанции до базовых станций и направления на них по разности времен приходов и разности фаз принятых сигналов [WO 2009138662, МПК G01S 3/80, опубл. 19.11.2009 г.].
Недостатками данных способов являются:
- сложность, проявляющаяся в необходимости формирования антенн из излучателей базовых станций, точного измерения расстояния между излучателями, определения ориентации антенн, определения бортовым вычислительным устройством координат АПА не только дистанции до излучателей, но и фазы сигналов, пришедших на приемник АПА; недостаточная дальность действия, связанная с ограничением по нижней рабочей частоте ввиду недопустимости разнесения излучателей в антенне базовой станции на расстояние более 0,5 длины волны сигнала;
- невозможность корректировки позиционирования АПА при изменении скорости звука в воде на акватории во время выполнения работ;
- ограничение числа одновременно работающих с базовой станцией АПА и отсутствие скрытности выполнения работ в районе при реализации заявленного в способе варианта работы антенны АПА в режиме излучения.
Известен способ позиционирования подводных объектов, в котором для увеличения дальности действия и повышения точности позиционирования, а также расширения функциональности и надежности, используют синхронизированные гидроакустических излучатели, в качестве излучаемого сигнала применяются сложные сигналы низкочастотного диапазона, с размещением излучателей вблизи побережья, при этом на борту АПА достаточным является размещение только малогабаритного приемника навигационных сигналов [Патент РФ №2469346 МПК G01S 3/80 от 10.12.2012, опубл. 10.12.2012 г. ]. В этом способе решается задача позиционирования как минимум одного подводного объекта (ПО), снабженного акустическим приемником и бортовым устройством вычисления координат, заключающимся в установке в морской среде как минимум двух стационарных гидроакустических маяков (ГМ), синхронизированных системой единого времени между собой и с акустическим приемником, излучении маяками гидроакустического сигнала, его приеме акустическим приемником подводного объекта и последующем вычислении координат ПО с использованием известных координат ГМ и рассчитанных дистанций между ГМ и ПО на основе известных данных о скорости звука в среде и задержки во времени прихода полезных сигналов, при этом гидроакустические маяки устанавливают за пределами прибойной зоны на глубинах, превышающих в 5-10 раз длину волны излучаемого гидроакустического сигнала, так, чтобы вероятные позиции ПО в районе работ и позиции двух маяков не находились на одной линии, вводят координаты маяков и электронных копий излучаемых ими сигналов в память бортового устройства вычисления координат ПО, в качестве гидроакустического сигнала используют низкочастотные сложные сигналы с центральной частотой ниже 10 кГц, а вычисление координат ПО включает выделение бортовым устройством полезного сигнала гидроакустических маяков посредством их взаимной корреляционной обработки с электронной копией излученного сигнала в реальном времени, при этом для глубокого моря выбирают последний по времени приход полезного сигнала. Для повышения точности позиционирования ведется контроль скорости звука на акватории в реальном времени. Для этого в районе работ ПО дополнительно выставляют, как минимум, один радиогидроакустический буй с приемником спутниковой навигационной системы (например, GPS) и гидрофоном, погруженным на предполагаемую глубину работы ПО, дополнительно оборудуют пункт управления, включающий аппаратуру обработки сигналов ГМ, аналогичную установленной на ПО, а также каналы связи, как минимум, с одним гидроакустическим маяком для передачи через него команд управления на ПО и, как минимум, одним выставленным радиогидроакустическим буем, который передает по радиоканалу в пункт управления принятые от гидроакустических маяков акустические сигналы совместно со своими текущими GPS-координатами для вычисления скорости звука на трассах «гидроакустический маяк - буй»; по данным об изменении скорости звука в пункте управления формируют командный сигнал корректировки вычисляемых дистанций, передают его через канал связи на излучатель ГМ, при этом среди излучаемых ГМ сложных гидроакустических сигналов этот сигнал автоматически выделяется бортовой аппаратурой ПО, и затем устройством вычисления координат ПО выполняется корректировка позиционирования.
Недостатком известного способа является то, что для повышения точности позиционирования в районе работ АПА необходимо размещать специальный радиогидроакустический буй (РГБ) для оперативного измерения эффективной скорости распространения навигационных сигналов и применять специальную аппаратуру для оперативной доставки текущих данных об эффективной скорости на борт АПА. РГБ должен иметь средства приема акустического сигнала, выставленные на глубину нахождения АПА, средства спутниковой навигации для определения его текущего местоположения, а также средства связи с пунктом управления работой ГМ. Применение таких РГБ значительно усложняет процедуру позиционирования, а в большинстве практических случаев невозможно.
Данный способ является наиболее близким к заявленному изобретению и принят за прототип.
Задача, которая решается настоящим изобретением, состоит в повышении точности позиционирования АПА в глубоком море, путем определения его местоположения по дальномерным данным от гидроакустических маяков, стационарно размещенных в прибрежной полосе на значительном удалении от района нахождения АПА. Способ может быть использован также для обеспечения коррекции автономных бортовых средств навигации.
Поставленная задача достигается тем, что в способе позиционирования АПА в глубоком море, снабженного акустическим приемником и бортовым устройством вычисления координат, при котором в морской среде устанавливают как минимум два стационарных ГМ (в контексте данной заявки могут называться навигационными маяками), синхронизированных системой единого времени между собой и с акустическим приемником АПА, причем ГМ устанавливают в морской среде за пределами прибойной зоны на глубинах превышающих в 5-10 раз длину волны излучаемого маяками низкочастотного гидроакустического навигационного сигнала так, чтобы вероятные позиции АПА в районе работ и двух маяков не находились на одной линии, электронные копии этих сигналов и координаты маяков вводят в память бортового устройства вычисления координат, а позиционирование АПА выполняют по расчетным дистанциям от установленных ГМ путем измерения времени распространения полезного сигнала, в качестве которого выбирают время прихода последнего отклика полезного сигнала при корреляционной обработке полезного сигнала с его электронной копией и откорректированной скоростью звука в морской среде, на борту АПА дополнительно размещают измеритель скорости звука и функционально связывают его с системой управления АПА и системой управления движением АПА, для каждого ГМ выполняют градуировку района его стационарной установки, в ходе которой определяют размеры шельфовой зоны и эффективную скорость распространения звука в этой зоне в зависимости от сезона года и времени суток по трассе ГМ - граница шельфовой зоны, а данные градуировки записывают в память бортового вычислителя координат АПА, посредством АПА с размещенным на его борту измерителем скорости звука выполняют измерение вертикального профиля скорости звука в районе работ, выявляют подводный звуковой канал (ПЗК), выводят АПА на ось ПЗК, удерживают АПА на оси ПЗК и принимают навигационные сигналы ГМ акустическим приемником АПА, а затем выполняют позиционирование АПА, для чего дистанцию до каждого маяка рассчитывают по формуле:
i
i
пзк
iш
пзк
iш
D=tC+D(1-C/C),
где
i-
D - дистанция до i-того стационарного маяка,
i
t - измеренное время распространения навигационного сигнала от i-того стационарного маяка,
пзк
С - скорость звука на оси ПЗК,
iш
D - размер шельфового участка по трассе ГМ - граница шельфовой зоны в районе установки i-того стационарного маяка,
iш
С - эффективная скорость звука на шельфовом участке в районе установки i-того стационарного маяка по трассе ГМ - граница шельфовой зоны.
В заявленном способе позиционирования АПА в глубоком море общими существенными признаками для него и для его прототипа являются:
- снабжение АПА акустическим приемником и бортовым устройством вычисления координат;
- в морской среде установка как минимум двух стационарных ГМ, синхронизированных системой единого времени между собой и с акустическим приемником АПА;
- причем ГМ устанавливают в морской среде за пределами прибойной зоны на глубинах, превышающих в 5-10 раз длину волны излучаемого маяками низкочастотного гидроакустического навигационного сигнала так, чтобы вероятные позиции АПА в районе работ и двух гидроакустических маяков не находились на одной линии, электронные копии этих сигналов и координаты гидроакустических маяков вводят в память бортового устройства вычисления координат;
- позиционирование АПА выполняют по расчетным дистанциям от установленных ГМ путем измерения времени распространения полезного сигнала, в качестве которого выбирают время прихода последнего отклика полезного сигнала при корреляционной обработке полезного сигнала с его электронной копией и откорректированной скоростью звука в морской среде.
Сопоставительный анализ существенных признаков заявленного способа и прототипа показывает, что первый в отличии от прототипа имеет следующие существенные признаки:
- на борту АПА дополнительно размещают измеритель скорости звука и функционально связывают его с системой управления АПА и системой управления движением АПА;
- для каждого ГМ выполняют градуировку района его стационарной установки, в ходе которой определяют размеры шельфовой зоны и эффективную скорость распространения звука в этой зоне в зависимости от сезона года и времени суток по трассе ГМ - граница шельфовой зоны, а данные градуировки записывают в память бортового вычислителя координат АПА;
- посредством АПА с размещенным на его борту измерителем скорости звука выполняют измерение вертикального профиля скорости звука в районе работ, выявляют подводный звуковой канал (ПЗК), выводят АПА на ось ПЗК, удерживают АПА на оси ПЗК и принимают навигационные сигналы ГМ акустическим приемником АПА;
- затем выполняют позиционирование АПА, для чего дистанцию до каждого маяка рассчитывают по формуле:
i
i
пзк
iшt
пзк
iш
D=tC+D(l-С/С),
где
i-
D - дистанция до i-того стационарного маяка,
i
t - измеренное время распространения навигационного сигнала от i-того стационарного маяка,
пзк
С - скорость звука на оси ПЗК,
iш
D - размер шельфового участка по трассе ГМ - граница шельфовой зоны в районе установки i-того стационарного навигационного маяка,
iш
С - эффективная скорость звука на шельфовом участке в районе установки i-того стационарного навигационного маяка по трассе ГМ - граница шельфовой зоны.
Именно такая совокупность существенных признаков заявленного способа позиционирования АПА в глубоком море позволила получить технический результат, а именно существенно повысить точность позиционирования АПА.
Технический результат заявленного способа позиционирования АПА заключается в повышении точности позиционирования в глубоком море при отсутствии в районе работ АПА специального РГБ для контроля текущей эффективной скорости распространения навигационных сигналов, что достигается за счет приема навигационных сигналов на оси ПЗК, оперативного измерения скорости звука на оси ПЗК средствами, размещенными на борту АПА, и введения поправок измерения дальности за счет учета особенностей распространения сигналов в шельфовой зоне, учтенных при предварительной градуировке района установки стационарных навигационных маяков.
На основе изложенного можно заключить, что совокупность существенных отличительных признаков заявленного способа позиционирования АПА в глубоком море имеет причинно-следственную связь с достигнутым техническим результатом.
Способ позиционирования АПА в глубоком море осуществляется следующим образом:
Для глубокого моря, в котором планируется активное применение автономных подводных объектов (подводных лодок, обитаемых и необитаемых аппаратов), вдоль побережья устанавливается сеть стационарных гидроакустических навигационных маяков долговременного применения. Маяки выставляют вдоль береговой линии за пределами прибойной зоны, при этом расстояние между ними должно быть сравнимо с дальностью их действия в сторону глубокого моря. Каждый маяк излучает индивидуальный низкочастотный шумоподобный навигационный сигнал, синхронизированный системой единого времени ГМ и акустическим приемником АПА. Точные координаты маяков и электронные копии излучаемых ими сигналов вносят в устройство вычисления координат на подводном объекте. После постановки навигационных маяков выполняют градуировку районов их установки с целью определения границ шельфовой зоны, от которой акустическая энергия далее распространяется по оси ПЗК, определяют эффективную скорость распространения сигналов на шельфовом участке. Результаты градуировки в виде размера зоны и эффективной скорости также вносят в устройство вычисления координат на подводном объекте.
АПА, выполняющий миссию в глубоком море, побережье которого оборудовано навигационными маяками, синхронизируется с маяками системой единого времени, оснащается акустическим приемником навигационных сигналов и устройством вычисления координат, в память которого для каждого выставленного навигационного маяка вводятся их точные координаты, электронные копии излучаемых сигналов, а также данные о размерах шельфового участка и скорости распространения сигналов на этих участках с учетом их сезонно-суточной изменчивости. На борту АПА (подводного объекта) дополнительно устанавливают измеритель скорости звука и интегрируют его в систему бортового управления и управления движением.
пзк
i
Как правило, АПА при выполнении работ в глубоком море выполняют оценку текущего местоположения по данным средств собственной автономной навигационной системы, ошибка которой растет с увеличением времени. Например, для больших автономных необитаемых подводных аппаратов величина ошибки достигает нескольких сотен метров за час и соответственно за 10 часов работы эта ошибка может составить несколько километров, что на практике неприемлемо и необходимо «сбросить» накопленную ошибку (выполнить коррекцию данных в бортовой навигационной системе) сравнением счисленных данных с данными внешней навигационной системы, в качестве которых выступают измеренные дистанции до навигационных маяков. Точность позиционирования по измеренным дистанциям от маяков однозначно определяется точностью измерения дистанций. Для выполнения коррекции данных в автономной бортовой навигационной системе подводный объект выполняет перемещение по глубине, измеряет вертикальный профиль скорости звука, системой управления определяет минимум скорости С и глубину прохождения оси ПЗК и, с помощью средств бортовой системы управления, выходит на ось ПЗК, а далее, удерживаясь на оси ПЗК, ведет прием навигационных сигналов. Акустическим приемником, содержащим электронные копии навигационных сигналов маяков, принимаются навигационные сигналы, выполняется их корреляционная обработка с хранящимися копиями и, по последнему пику корреляционной функции (соответствующему минимальной скорости распространения сигналов), определяется время распространения навигационного сигнала t до соответствующего маяка.
iш
iш
Затем, с использованием хранящихся в памяти бортового устройства вычисления координат значений размера шельфового участка в районе установки соответствующего стационарного маяка D и эффективной скорости звука на шельфовом участке - районе установки этого маяка - С, бортовым устройством вычисления координат определяется текущая дальность до каждого маяка по формуле:
i
i
пзк
iш
пзк
iш
D=tC+D(1-С/С).
1
iш
iш
пзк
1
1
Предварительная градуировка шельфовых районов установки маяков и предложенный алгоритм расчета дальности позволяет резко повысить точность измерения дистанций. Так, например, пусть от гидроакустического маяка с номером 1 время распространения составляет t=200 с, а результаты предварительной градуировки шельфового участка С=1500 м/с, D=30 км (что соответствует, например, работе АПА в Японском море на удалении около 300 км от побережья, на котором установлены навигационные маяки). АПА определил скорость на оси ПЗК С=1450 м/с, тогда расчетная дальность до маяка без учета особенностей распространения на шельфе составит D=290 км, а с учетом этих особенностей - D=291 км. Таким образом, предлагаемый способ позиционирования позволяет учесть эффект, изученный проведенными экспериментальными исследованиями (Моргунов Ю.Н. и др. Исследование влияния гидрологических условий при распространении псевдослучайных сигналов из шельфа в глубокое море - Акустический журнал. 2016. том 62. №3, с. 341-347) и ошибка расчета дальности не превосходит нескольких десятков метров. Неучет поправок дает ошибку позиционирования около 1 км. Введение поправки за счет учета особенностей шельфовой зоны уменьшает ошибку более, чем в 10 раз.
Способ позиционирования может применяться для позиционирования подводных объектов при их нахождении в подводном положении в глубоком море на больших дальностях от береговой черты, когда необходимо провести корректировку автономной бортовой навигации АПА и сбросить накопленную ошибку счисления, позволяет осуществлять одновременное позиционирование нескольких АПА на больших дистанциях, в любых метеоусловиях, в условиях скрытности.