СПОСОБ ГИДРОАКУСТИЧЕСКОГО ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ АВТОНОМНОГО НЕОБИТАЕМОГО ПОДВОДНОГО АППАРАТА
METHOD FOR HYDROACOUSTIC POSITIONING OF AN AUTONOMOUS UNINHABITED UNDERWATER APPARATUS

Изобретение относится к гидроакустике и может быть использовано для навигации автономных необитаемых подводных аппаратов с использованием маяков-ответчиков, устанавливаемых на различных подводных и надводных объектах.
Современные многоцелевые автономные необитаемые подводные аппараты (АНПА) представляют собой новый класс подводных робототехнических средств с присущими им задачами и практическим применением, особенностями технологии и составом систем. При этом системы, входящие в состав АНПА, отличаются большим разнообразием по назначению и физическим принципам работы с противоречивыми требованиями к технологии конструирования и внутренней системной организации.
Известен способ [1] гидроакустического позиционирования подводного объекта относительно судна обеспечения, ориентированный на минимально возможное, равное четырем, количество приемных трактов пеленгации и позволяющий определять координаты подводного объекта (источника навигационного сигнала) в трехмерном пространстве с достаточно высокой точностью.
В работе [2] даются оценки точностей позиционирования источника гидроакустического навигационного сигнала при использовании фазового пеленгатора с алгоритмом позиционирования (последовательностью действий) способа [1] на базе четырехэлементных пеленгационных антенн диаметрально-ортогональной (ДО) и пирамидальной геометрий.
В статье [3] предложена гидроакустическая навигационная система АНПА с амплитудно-модулированным навигационным сигналом и алгоритмом позиционирования способа [1], использующая четырехэлементные пеленгационные антенны ДО и пирамидальной геометрий, предназначенная для позиционирования АНПА относительно разнообразных по функциональному назначению объектов, оснащенных маяками-ответчиками гидроакустического навигационного сигнала и находящихся в двух областях водной среды, - автономных донных станций, донных станций мониторинга, придонных маяков-ответчиков, плавающих гидроакустических маяков, безэкипажных катеров-разведчиков, надводных роботизированных аппаратов. Указанная навигационная система по совокупности общих признаков может служить в качестве прототипа предлагаемого способа гидроакустического позиционирования АНПА.
В прототипе позиционирование АНПА относительно объекта с источником гидроакустического навигационного сигнала в виде маяка-ответчика осуществляется следующим образом.
АНПА оснащают эхолокационной системой для измерения расстояния до дна морской акватории, измерителем глубины погружения, формирователем запросного гидроакустического сигнала маяка-ответчика с тремя передающими антеннами 5 для излучения в верхней, нижней и передней полусферах водного пространства относительно корпуса АНПА, гидроакустическим фазовым пеленгатором с тремя четырехэлементными пеленгационными антеннами двух геометрий: двумя бортовыми антеннами 6 ДО геометрии (форма правильного параллелепипеда) для приема гидроакустического навигационного сигнала маяка-ответчика объекта позиционирования в верхней и нижней полусферах и носовой антенной 7 пирамидальной геометрии (форма правильной пирамиды) для приема гидроакустического навигационного сигнала маяка-ответчика объекта позиционирования в передней полусфере водного пространства (фиг.1). При этом в пеленгационных антеннах ДО геометрии обеспечивают ортогональное расположение двух пар приемных гидрофонов (1-2 и 3-4) в противоположных углах оснований правильного параллелепипеда (фиг.2а), ориентированного основаниями параллельно продольной оси АНПА и имеющего размер ребер оснований в два раза превышающий размер его боковых ребер, а в пеленгационной антенне пирамидальной геометрии реализуют расположение приемных гидрофонов в вершинах правильной пирамиды (фиг.2б), ориентированной основанием перпендикулярно продольной оси АНПА и имеющей размер ребер оснований (расстояние между приемными гидрофонами 2-3, 2-4, 3-4) в два раза превышающий ее высоту.
Исходя из приемлемой технологической установки пеленгационных антенн в корпусе АНПА среднего класса [4], выбора параметров навигационного сигнала и характера изменения погрешностей [2] определения угловых координат объекта позиционирования в пределах полусферы приема пеленгационной антенны, базовый установочный размер А (см. фиг.2) для пеленгационных антенн ДО и пирамидальной геометрий выбирают одинаковым.
Отсчет углов пеленга ϕ и места θ (см. фиг.2) при определении местоположения АНПА относительно приемопередающей антенны маяка-ответчика объекта позиционирования в системах координат вышеуказанных антенн АНПА иллюстрируется фиг.3, где на фиг.3а показан отсчет углов позиционирования ϕ и θ для носовой антенны 7, а на фиг.3б - отсчет углов позиционирования для бортовых антенн 6 АНПА.
Гидроакустический сигнал формирователя запросного сигнала маяка-ответчика АНПА излучают посредством передающей антенны 5 в полусферу водного пространства с ожидаемым или априорно известным присутствием объекта позиционирования и принимают посредством приемопередающей антенны маяка-ответчика на объекте позиционирования, находящемся в зоне акустического контакта с АНПА.
m
Излучают посредством приемопередающей антенны маяка-ответчика с объекта позиционирования в водную среду акватории гидроакустический навигационный сигнал с однотональной амплитудной модуляцией, в котором частоту F модулирующего гармонического сигнала выбирают из условия фазовой однозначности пеленгования [3]:
m
min
min
F≤C 14A, где C - минимальная скорость звука в морской воде, А - базовый установочный размер пеленгационных антенн.
На АНПА принимают и обрабатывают гидроакустический навигационный сигнал маяка-ответчика с определением параметров местоположения его приемопередающей антенны - пеленга ϕ, угла места θ и наклонного расстояния R в системе координат пеленгационной антенны соответствующей полусферы приема.
Пеленг ϕ и угол места θ приемопередающей антенны маяка-ответчика объекта позиционирования определяют с использованием следующих тригонометрических соотношений [3].
Носовая пеленгационная антенна передней полусферы приема:
Бортовые пеленгационные антенны верхней и нижней полусфер приема:
12
13
14
Переменные Δψ, Δψ, Δψ являются разностями фаз колебаний демодулированного амплитудно-модулированного навигационного сигнала маяка-ответчика объекта позиционирования для соответствующих пар парциальных трактов приема (выходов приемных гидрофонов 1-2, 1-3, 1-4 на фиг.2) пеленгационной антенны АНПА, измеряемыми, например, цифровым квадратурным методом [5] с соответствующими инструментальными погрешностями. Соотношения (1) (4) характеризуют функциональные зависимости алгоритма позиционирования способа [1] применительно к пеленгационным антеннам рассматриваемых геометрий.
Наклонное расстояние R между пеленгационной антенной АНПА и приемопередающей антенной маяка-ответчика объекта позиционирования рассчитывают по формулам:
1
2
где h - расстояние до дна морской акватории, измеренное в эхолокационной системе АНПА; h - глубина погружения АНПА, полученная от измерителя глубины погружения; θ - угол места приемопередающей антенны маяка-ответчика объекта позиционирования в системе координат пеленгационной антенны АНПА соответствующей полусферы приема, вычисленный с учетом зависимостей (2) или (4).
12
13
14
Погрешности оценок угловых координат ϕ и θ приемопередающей антенны маяка-ответчика объекта позиционирования обусловлены инструментальными погрешностями измерения разностей фаз Δψ, Δψ, Δψ колебаний демодулированного навигационного сигнала на выходах трех пар гидрофонов соответствующих пеленгационных антенн АНПА и погрешностями используемого алгоритма позиционирования, которые в дальнейшем будем именовать алгоритмическими погрешностями. Алгоритмические погрешности являются следствием реализационных ограничений при синтезе алгоритма позиционирования способа [1] и зависят от местоположения объекта позиционирования, а также геометрии и размеров пеленгационных антенн АНПА.
Для наклонных расстояний между АНПА и объектом позиционирования, превышающих 20 метров, влияние на точность пеленгования алгоритмических погрешностей на порядок меньше влияния инструментальных погрешностей измерения разностей фаз. Соизмеримое влияние на точность пеленгования алгоритмические погрешности оказывают при малых наклонных расстояниях (R < 10 м) между АНПА и объектом позиционирования, что нежелательно при решении задачи позиционирования с повышенной точностью, например, заведения АНПА в торпедный отсек подводной лодки, приведения АНПА к причальным устройствам подводных платформ техобслуживания или надводных роботизированных аппаратов.
Техническим результатом предлагаемого способа является повышение точности навигации в условиях малых наклонных расстояний между объектами позиционирования.
Данный технический результат достигается за счет того, что при позиционировании АНПА относительно источника гидроакустического навигационного сигнала в виде маяка-ответчика, размещенного на объекте позиционирования подводного или надводного местоположения, заключающемся в оснащении АНПА эхолокационной системой для измерения расстояния до дна морской акватории, измерителем глубины погружения, формирователем запросного гидроакустического сигнала маяка-ответчика с тремя передающими антеннами для излучения в верхней, нижней и передней полусферах водного пространства относительно корпуса АНПА, гидроакустическим фазовым пеленгатором с тремя четырехэлементными пеленгационными антеннами двух геометрий: двумя бортовыми антеннами ДО геометрии для приема гидроакустического навигационного сигнала маяка-ответчика объекта позиционирования в верхней и нижней полусферах водного пространства с ортогональным расположением двух пар приемных гидрофонов в противоположных углах оснований правильного параллелепипеда, ориентированного основаниями параллельно продольной оси АНПА и имеющего размер ребер оснований в два раза превышающий размер его боковых ребер, и носовой антенной пирамидальной геометрии для приема гидроакустического навигационного сигнала маяка-ответчика объекта позиционирования в передней полусфере водного пространства с расположением приемных гидрофонов в вершинах правильной пирамиды, ориентированной основанием перпендикулярно продольной оси АНПА и имеющей размер ребер основания в два раза превышающий ее высоту, при этом размер боковых ребер параллелепипеда и высоту пирамиды, определяющих базовый установочный размер пеленгационных антенн в корпусе АНПА, выбирают одинаковыми, в излучении с АНПА посредством передающей антенны в полусферу водного пространства с ожидаемым или априорно известным присутствием объекта позиционирования запросного гидроакустического сигнала маяка-ответчика, в приеме посредством приемопередающей антенны маяка-ответчика на объекте позиционирования, находящемся в зоне акустического контакта с АНПА, запросного гидроакустического сигнала маяка-ответчика, в излучении приемопередающей антенной маяка-ответчика с объекта позиционирования гидроакустического навигационного сигнала с однотональной амплитудной модуляцией, частоту модулирующего гармонического сигнала которого выбирают из условия фазовой однозначности пеленгования, в приеме и обработке гидроакустического навигационного сигнала маяка-ответчика на АНПА с определением параметров местоположения его приемопередающей антенны - пеленга, угла места и наклонного расстояния в системе координат пеленгационной антенны АНПА соответствующей полусферы приема на основе тригонометрических соотношений алгоритма позиционирования, вводят в алгоритм позиционирования, при обработке гидроакустического навигационного сигнала маяка-ответчика на АНПА, дополнительные функционально связанные процедуры, в которых для пеленгационной антенны АНПА соответствующей полусферы приема гидроакустического навигационного сигнала маяка-ответчика вычисляют: декартовы координаты приемопередающей антенны маяка-ответчика объекта позиционирования, расстояния от гидрофонов пеленгационной антенны до приемопередающей антенны маяка-ответчика объекта позиционирования, вспомогательные угловые координаты приемопередающей антенны маяка-ответчика объекта позиционирования, приближенные алгоритмические погрешности оценки угловых координат приемопередающей антенны маяка-ответчика объекта позиционирования и скорректированные угловые координаты приемопередающей антенны маяка-ответчика объекта позиционирования.
Существенным отличием предлагаемого способа является введение в алгоритм позиционирования прототипа пяти дополнительных функционально связанных процедур, позволяющих уменьшить алгоритмические погрешности вычисления угловых координат приемопередающей антенны маяка-ответчика объекта позиционирования и тем самым повысить точность навигации в условиях малых наклонных расстояний между АНПА и объектом позиционирования.
Совокупность действий в процессе позиционирования АНПА прототипа и дополнительно введенных функционально связанных процедур предлагаемого способа имеет причинно-следственную связь с достигаемым результатом, из чего можно заключить, что данный способ обладает новизной изобретательского уровня, так как явным образом не следует из известных технических решений, и пригоден для практического применения.
Предлагаемый способ поясняется чертежами.
Фиг. 1 иллюстрирует размещение антенн навигационной системы АНПА, где 5 - передающие антенны запросного сигнала; 6 - бортовые пеленгационные антенны ДО геометрии; 7 - носовая пеленгационная антенна пирамидальной геометрии.
Фиг.2 отображает системы координат и геометрические параметры пеленгационной антенны 6 ДО геометрии (фиг.2а) и пеленгационной антенны 7 пирамидальной геометрии (фиг.2б), где X,Y,Z - декартова система координат; А - базовый установочный размер антенн; ϕ - пеленг приемопередающей антенны объекта позиционирования; θ - угол места приемопередающей антенны объекта позиционирования; 1,2,3,4 - приемные гидрофоны пеленгационных антенн.
Фиг. 3 поясняет порядок отсчета углов позиционирования ϕ и θ в носовой 7 и бортовых 6 пеленгационных антеннах АНПА.
На фиг.4 показано возможное уменьшение максимальных алгоритмических погрешностей в зависимости от угла места позиционируемого объекта при навигации.
В основу предлагаемого способа позиционирования АНПА положено то обстоятельство, что зависимости погрешностей позиционирования от угловых координат объекта позиционирования, получаемые на основе соотношений (1) ÷ (4), являются гладкими функциями с непрерывными производными в области определения, у которых малые изменения аргумента приводят к малым изменениям функции. На этой основе предлагается модификация способа позиционирования прототипа, которая предполагает в своей реализации для пеленгационной антенны АНПА соответствующей полусферы приема навигационного сигнала маяка-ответчика объекта позиционирования следующие действия и функционально связанные вычислительные процедуры, позволяющие повысить точность позиционирования АНПА.
12
13
14
1
2
1. Измеряют в процессе позиционирования: разности фаз Δψ, Δψ, Δψ колебаний демодулированного амплитудно-модулированного навигационного сигнала маяка-ответчика объекта позиционирования для трех пар приемных трактов (гидрофонов) пеленгационной антенны, расстояние h от АНПА до дна морской акватории и глубину погружения h АНПА.
2. Вычисляют на основе соотношений (1) ÷ (4) угловые координаты приемопередающей антенны маяка-ответчика объекта позиционирования: пеленг ϕ и угол места θ, ас использованием формул (5) - наклонное расстояние R от пеленгационной антенны АНПА до приемопередающей антенны маяка-ответчика объекта позиционирования.
3. Вычисляют декартовы координаты х, у, z приемопередающей антенны маяка-ответчика объекта позиционирования:
1
2
3
4
4. Вычисляют для пеленгационной антенны АНПА с базовым установочным размером А (см. фиг.2) расстояния S, S, S, S от приемных гидрофонов пеленгационной антенны до приемопередающей антенны маяка-ответчика объекта позиционирования.
Бортовые пеленгационные антенны верхней и нижней полусфер приема:
Носовая пеленгационная антенна передней полусферы приема:
0
0
5. Вычисляют вспомогательные угловые координаты ϕ, θ приемопередающей антенны маяка-ответчика объекта позиционирования с составляющими только алгоритмической погрешности.
Бортовые пеленгационные антенны верхней и нижней полусфер приема:
Носовая пеленгационная антенна передней полусферы приема:
А
А
6. Вычисляют приближенные алгоритмические погрешности Δϕ, Δθ оценки угловых координат приемопередающей антенны маяка-ответчика объекта позиционирования:
ск
ск
7. Вычисляют скорректированные угловые координаты ϕ, θ приемопередающей антенны маяка-ответчика объекта позиционирования с уменьшенными алгоритмическими погрешностями:
При технической реализации предлагаемого способа для оснащения АНПА и объектов позиционирования могут быть использованы как промышленно выпускаемые устройства и системы, так и необходимое специализированное оборудование, изготовленное под конкретные типы АНПА и объекты позиционирования.
Так, например, необходимое для реализации предлагаемого способа оснащение АНПА можно осуществить с использованием:
- эхолокационной системы на базе навигационного эхолота Echopilot FLS 3D [6];
- измерителя глубины погружения на основе тензопреобразователя КНС типа [7];
- формирователя запросного сигнала маяка-ответчика, реализованного на базе флэш-плеера Transcend МР330 [8] и усилителя мощности TDA7250 [9];
- трех передающих антенн для излучения запросного сигнала маяка-ответчика, использующих гидроакустические преобразователи фирмы Брюль и Къер типа 8104 [10];
- оборудования гидроакустической навигационной системы прототипа [3] с фазовым пеленгатором, схемотехническая реализация которого рассмотрена в патенте [1].
Маяк-ответчик с однотональным амплитудно-модулированным навигационным сигналом для оснащения объектов позиционирования может быть реализован на базе флэш-плеера Transcend МР330 [8], усилителя мощности TDA7250 [9], приемоизлучающего гидроакустического преобразователя фирмы Брюль и Къер типа 8104 [10], коммутатора сигналов К176КТ1 [11] и микроконтроллера ADUC841BSZ62-5 [12].
12
13
14
В качестве примера эффективности предлагаемого способа на фиг.4 для пеленгационных антенн АНПА с базовым установочным размером А = 0.06 м показано расчетное уменьшение (в разах) максимальных алгоритмических погрешностей в зависимости от угла места позиционируемого объекта в области пеленгов ϕ ∈ 0°…360° относительно курса АНПА при наклонных расстояниях до объекта позиционирования R = 2 и 5 м, определяемых с погрешностью ±2%, и погрешности инструментального измерения разностей фаз Δψ, Δψ, Δψ колебаний демодулированного навигационного сигнала равной ±0.2°.
Представленные на фиг.4 зависимости показывают возможность значительного (до 34 раз) уменьшения алгоритмических погрешностей позиционирования в условиях малых наклонных расстояний между АНПА и объектом позиционирования, что позволяет повысить точность навигации, свидетельствуя о достижении заявляемого технического результата и целесообразности применения предлагаемого способа позиционирования в бортовой навигационной системе АНПА.
Кроме того, предлагаемый способ позиционирования оказывается востребованным на этапе предэксплуатационной градуировки антенн указанных геометрий гидроакустического фазового пеленгатора навигационной системы АНПА, выполняемой в лабораторных условиях по нестандартизованным методикам проверки функциональных элементов навигационного оборудования АНПА.
Таким образом, предлагаемый способ позиционирования может быть использован при решении задач высокоточного приведения автономных необитаемых подводных аппаратов к объектам причаливания различного вида и функционального назначения. Техническая реализация способа не требует дополнительных аппаратурных затрат, так как выполняется на программном уровне. Способ позиционирования хорошо интегрируется в общую структуру навигационного комплекса автономного необитаемого подводного аппарата, не требуя значительных вычислительных ресурсов бортовой вычислительной системы. Возможность применения способа при лабораторной оценке точностных характеристик фазовых пеленгаторов рассмотренной структуры указывает на его дополнительную практическую востребованность.
Список использованных источников
1. Патент РФ 2709100, МПК G01S 1/72. Способ определения местоположения подводного объекта / В.Г. Арсентьев, Г.И. Криволапое, А.Е. Малашенко, Д.Д. Минаев. - Заявка 2018122532, заявлено 19.06.2018, опубликовано 16.12.2019. Бюл. №35.
2. Арсентьев В.Г., Криволапое Г.И. О влиянии геометрических параметров антенны на характеристики гидроакустического фазового пеленгатора // Вестник СибГУТИ. Новосибирск. 2019. №1. С.92- 101.
3. Арсентьев В.Г., Криволапов Г.И. Гидроакустическая навигационная система автономного необитаемого подводного аппарата // Сборник материалов российской научно-технической конференции «Современные проблемы телекоммуникаций». Новосибирск, апрель 2021. С.159 - 168 [Электронный ресурс] // URL: https://sibsutis.ru/workgroups/w/group/46/files/Материалы Конференций/РНТК-2021 (дата обращения: 20.12.2021).
4. ГОСТ Р 56960-2016. Аппараты необитаемые подводные. Классификация. Введен 01.04.2017. - М.: Стандартинформ. 2016. - 7 с.
5. Арсентьев В.Г., Криволапов Г.И. Измерение разности фаз гармонических сигналов в линейных трактах с квазибелым шумом // Вестник СибГУТИ. Новосибирск. 2019. №2. С.21-31.
6. Навигационный эхолот Echopilot FLS 3D [Электронный ресурс] // URL: https://seacomm.ru/catalog/593/9884 (дата обращения: 20.12.2021).
7. Сенсоры физических величин [Электронный ресурс] // URL: http://www.zaovip.ru/products/kns1/(дата обращения: 20.12.2021).
8. Портативные плееры [Электронный ресурс] // URL: https://headphonesbest.ru/portativnyj -pleer/14941top-15-luchshix-portativnyx-mp3-pleerov.html (дата обращения: 20.12.2021).
9. Усилитель TDA7250 [Электронный ресурс] // URL: http://www.radiomaster.net/pdf/audio/us_mos.pdf (дата обращения: 20.12.2021).
10. Гидрофоны: типы 8101-8106 [Электронный ресурс] // URL: http://asm-tm.ru/wp-content/uploads/2014/08/8101-8106-Gidrofony-NEW-PD.pdf (дата обращения: 20.12.2021).
11. Микросхема коммутатора сигналов К176КТ1 [Электронный ресурс] // URL: https://www.microshemca.ru/M.K176KT1 (дата обращения: 20.12.2021).
12. Микроконтроллер ADUC841BSZ62-5 [Электронный ресурс] // URL: https://www.chipdip.ru/product/aduc841bsz62-5 (дата обращения: 20.12.2021).