Способ контроля маршрута движения автономного необитаемого подводного аппарата с возможностью съёма технической информации и устройство для его реализации
METHOD FOR CONTROLLING ROUTE OF UNMANNED UNDERWATER VEHICLE WITH POSSIBILITY OF REMOVING TECHNICAL INFORMATION AND DEVICE FOR REALIZING SAID METHOD

Предлагаемое изобретение относится к области специальной радиотехники и может быть использовано в системе управления и контроля автономного необитаемого подводного аппарата.
К автономным необитаемым подводным аппаратам (АНПА) относятся самоходные НПА с автономной системой энергообеспечения и, как правило, беспроводным каналом телеуправления и связи [Необитаемые подводные аппараты: состояние и общие тенденции развития. Электроника: наука, технология, бизнес 7/2009, с. 62].
Известно [Е.С. Лазарев. Пути совершенствования океанографических необитаемых подводных аппаратов. // Журнал Известия Южного федерального университета. Технические науки. 2010. с. 179], что основными направлениями совершенствования и развития АНПА являются: повышение их автономности за счет новейших источников энергии; совершенствование систем автономной навигации и каналов связи с целью получения информации в реальном времени и повышения степени управляемости аппарата.
С возрастанием степени автономности НПА и продолжительности рабочего цикла возникает необходимость контроля заданного алгоритма его функционирования для проверки правильности следования внесенного в память маршрута движения, оперативного получения информации о состоянии работы его систем, а в случае сбоя или отказа аппаратуры - для его поиска.
В качестве прототипов АНПА для предлагаемого изобретения рассмотрены аппараты повышенной автономности существующих робототехнических средств ЗАО «НПППТ «Океанос» - глайдеры типа IVER2, ТПА типа Н300Мк2. Эти средства наиболее близко отвечают требованиям самостоятельного, долговременного и скрытого мониторинга [Б.А. Гайкович, В.Ю. Занин, И.В. Кожемякин. Вопросы разработки морских робототехнических платформ на примере создания подводного аппарата типа «Глайдер». Конференция «перспективные системы и задачи управления». Морская робототехника. С. 153]. На этих аппаратах уже имеются станции цифровой радиосвязи, узел WiFi ближнего радиуса действия, 3G станции связи (используемой в отладочном режиме), модули гидроакустической связи (гидроакустический модем, с возможностью подводной навигации) и спутниковой связи.
В качестве устройства контроля и определения местоположения объектов взят прототип, описанный в следующем патенте [Патент РФ на изобретение №2561012 от 23.04.2014], где система содержит группировку расположенных на водной поверхности радиогидроакустических буев, связанных радиоканалами со станцией контроля и гидроакустическими каналами - с подводным объектом.
Каждый из буев группировки содержит приемник сигналов внешней навигационной системы, гидроакустическую аппаратуру, обеспечивающую возможность приема информационных гидроакустических сигналов, поступающих с подводного объекта, а также средства, обеспечивающие возможность определения задержек распространения принимаемых информационных гидроакустических сигналов, и средства радиосвязи со станцией контроля, обеспечивающие возможность передачи на нее данных об указанных задержках и данных о текущем местоположении буя.
Анализ использования двух прототипов [Б.А. Гайкович, В.Ю. Занин, И.В. Кожемякин. Вопросы разработки морских робототехнических платформ на примере создания подводного аппарата типа «Глайдер». Конференция «перспективные системы и задачи управления». Морская робототехника, с. 153; Патент РФ на изобретение №2561012 от 23.04.2014] в совокупности показал следующие недостатки:
1) построение такой системы для обеспечения контроля автономных аппаратов требует существенных материальных затрат и значительных временных ресурсов на оборудование района действия АНПА;
2) оборудование района такими средствами, как буи, снижает надежность и безопасность использования системы в целом, делая ее уязвимой перед внешними факторами;
3) значительное количество элементов системы увеличивает время, затраты и ресурсы на поддержание ее работоспособности или восстановление в случае повреждения;
4) использование различного излучающего радиопередающего оборудования вынуждает АНПА всплывать или держаться вблизи поверхности моря, увеличивая риск его повреждения проходящим надводным средством;
5) в случае выхода из строя балластного устройства, АНПА не сможет всплыть на поверхность или требуемую глубину, для вызова аварийной службы при использовании радиопередающего оборудование.
a
a
a
Указанные недостатки устраняются при построении такого устройства на основе известного [Ю.П. Дьяков, К.К. Ляпин, Н.И. Поздняков и др. Радиофизический метод зондирования гидроакустических полей. / Тезисы четырнадцатой Всесоюзной школы-семинара по статистической гидроакустике. - М: Акустический институт им. акад. Н.Н. Андреева АН СССР, 1986, с. 94-97; Патент РФ на изобретение №2257692 от 28.06.2005] способа радиолокационного считывания акустических вибраций водной поверхности, облучаемой гидроакустическими волнами. В этом способе (Фиг. 1) используется акустический излучатель, помещенный в точке А на подводном объекте, и облучаемый поверхность моря на частоте акустических волн Ω. Приемоизлучатель электромагнитных волн (ЭМВ) на частоте ω, находится на мобильной или стационарной платформе (точка В). В общем виде, отраженный от поверхности моря, в области акустической вибрации, сигнал определяется в точке С, где он состоит из трех компонент: средней (СК) с частотой ω и двух комбинационных - верхней (ВКК) и нижней (НКК) с частотами соответственно ω+Ω и ω-Ω.
Полезная часть отраженного сигнала является ВКК, которая может быть записана в виде [Ю.П. Дьяков, К.К. Ляпин, Н.И. Поздняков и др. Радиофизический метод зондирования гидроакустических полей. / Тезисы четырнадцатой Всесоюзной школы-семинара по статистической гидроакустике. - М: Акустический институт им. акад. Н.Н. Андреева АН СССР, 1986]:
где:
К - волновое число ЭМВ;
а
К - волновое число акустических волн;
- напряженность поля, излучаемого с ЛА;
ω - круговая частота ЭМВ;
0
R - расстояние от ЛА до центра облучаемого участка;
a
0
R - расстояние от ПО до центра облучаемого участка;
0
r - расстояние от точки наблюдения до центра облучаемого участка;
М, N - коэффициенты, учитывающие векторные соотношения падающей и отраженной волн;
- орт направления падения акустической волны в текущую точку поверхности ξ(x,y,t),
0
q - орт направления падения ЭМВ;
х, z - орты координат;
ν - орт нормали к поверхности ξ(x,y,t),
- амплитуда вибрации поверхности воды,
a
ρc - акустический импеданс воды,
- амплитуда акустического давления,
a
Ω - круговая частота акустических колебаний,
- единичный вектор поляризации падающей и рассеянной волны соответственно;
и  - орты волновых векторов падающего и рассеянного электромагнитного поля;
- приращение расстояния до текущей точки на поверхности моря по сравнению с расстоянием до начала координат, которое помещено в середину освещаемой площадки;
- орт нормали к поверхности крупных волн;
, где  - орт нормали к поверхности Σ (х, y, t)
Максимум отраженного электромагнитного поля ВКК наблюдается в направлении, определяемом условием (точка С совмещается с точкой В, Фиг. 1).
где λ и  - длины волн ЭМ и акустической соответственно.
1
2
Целью предлагаемого изобретения, является реализация нового надежного и безопасного способа контроля маршрута движения АНПА с возможностью съема технической информации за счет взаимного и одновременного, по пространству и времени, облучения участка морской поверхности в месте нахождения АНПА, акустическими и электромагнитными волнами. За счет акустических волн в запрограммированные интервалы времени (T+Δt, Т+Δt и т.д.), относительно заданных контрольных точек маршрута движения, АНПА обозначает свое место на поверхности и, при их временном модулировании, в течение каждого периода акустического воздействия, передает техническую информацию через нее.
1
2
За счет облучения, приема и декодирования электромагнитных волн, отраженных от морской поверхности в месте (контрольной точке маршрута) движения АНПА, в этом же интервале времени (T+Δt, Т+Δt и т.д.), определяется наличие АНПА в соответствии с установленной программой движения, а за счет модуляции принимаемого радиосигнала в течение каждого периода акустического воздействия реализуется прием от него технической информации.
Для реализации предлагаемого способа контроля маршрута АНПА с возможностью съема технической информации предлагается устройство (Фиг. 2), состоящее из летательного или космического аппарата (1), оборудованного специальным радиолокационным устройством считывания акустических вибраций водной поверхности; АНПА (2), оборудованного акустической аппаратурой подсветки водной поверхности (Фиг. 3), в состав которой входит генераторный блок (2), блок управления (3) и акустический излучатель (1) с остронаправленной характеристикой излучения, ориентированной в направлении находящейся над ним поверхности воды.
Предложенный способ и устройство его реализующее, соответствует критерию существенные отличия, так как использование вышеописанного способа и технического решения в оборудовании АНПА вышеописанным комплектом аппаратуры, а также реализующего его устройства в известных существующих подводных аппаратах и устройствах их обеспечивающих или взаимодействующих с ними не обнаружено.