Способ позиционирования подводных аппаратов при плавании по постоянному маршруту
METHOD FOR POSITIONING OF UNDERWATER VEHICLES, WHEN FLOATING ON PERMANENT ROUTE

Изобретение относится к способам навигации подводных аппаратов (ПА), а конкретно к гидроакустическим способам определения их местонахождения при плавании по постоянным маршрутам под водой.
ПА являются перспективным средством изучения и освоения Мирового океана. В скором времени ПА будут основным транспортным средством для доставки грузов и людей на подводные научные обсерватории и подводные платформы, занимающиеся добычей полезных ископаемых. Безальтернативным является использование ПА, если обсерватории и платформы находятся подо льдом.
В описанных случаях ПА будут двигаться по постоянным маршрутам, соединяющим подводные станции с береговым логистическим центром. Если маршрут является протяжённым, то бортовые средства навигации ПА (инерциальная навигационная система, лаг, эхолот) в силу накапливающейся ошибки в знании координат ПА не позволят прибыть ПА в конечную точку без периодического определения координат ПА с использованием внешних средств позиционирования.
В качестве внешних средств позиционирования могут быть применены [1-7]:
- спутниковые навигационные системы GPS, GLONASS и другие;
- радионавигационные системы;
- донные маяки-ответчики;
- естественные геофизические поля (магнитное, гравитационное, батиметрическое);
- пассивные донные акустические маяки.
Недостатком спутниковых и радионавигационных систем является необходимость всплытия ПА, на что тратится значительное время и существенный энергоресурс. К тому же в районах, покрытых льдом, всплытие не представляется возможным.
Донные маяки-ответчики имеют ограниченный срок службы, определяемый ёмкостью аккумуляторной батареи. Кроме того, они имеют значительную стоимость и ограниченный радиус действия.
Естественные геофизические поля могут быть использованы для позиционирования ПА только в аномальных районах соответствующего поля. К тому же необходимо наличие высокоточной цифровой карты каждого поля и аппаратуры, позволяющей его измерять. Кроме того, позиционирование по естественным геофизическим полям требует специального маневрирования ПА, на что тратится значительное время и энергоресурс.
В результате из всех внешних средств позиционирования ПА выделяются пассивные донные акустические маяки (ПДАМ), которые имеют неограниченный срок службы и не требуют всплытия ПА.
В качестве прототипа выберем способ позиционирования ПА, описанный в [8]. Сущность способа-прототипа заключается в следующем. В некоторой точке моря с известными координатами устанавливается ПДАМ, состоящий из сферической оболочки из синтетического материала, заполненной водой, и якоря с якорь-тросом. Чтобы сферическая оболочка была звукоотражающей для обеспечения её обнаружения в активном режиме работы гидролокатора ПА, она изготавливается с полостями, заполненными микросферами, содержащими воздух. Причём размер микросфер и плотность заполнения ими полостей в сферической оболочке подбираются такими, чтобы коэффициент отражения от них зондирующего сигнала (ЗС) на частоте работы гидролокатора был достаточно большим. Воздух, содержащийся в микросферах, кроме повышения коэффициента отражения ЗС, придаёт водозаполненной сфере положительную плавучесть, что с учётом наличия якоря с якорь-тросом позволяет установить её на расстоянии от дна, равном длине якорь-троса. Если положительной плавучести сферы за счёт микросфер будет недостаточно, то к верхней части сферы крепится дополнительная плавучесть. Диаметр сферы может варьироваться в пределах от 1м до 3м. Конкретное значение диаметра должно рассчитываться, исходя из заданной дальности её обнаружения в активном режиме работы гидролокатора ПА.
Внешний вид такого ПДАМ приведён на фиг. 1. Цифрами обозначены:
1 – водозаполненная сферическая оболочка из синтетического материала;
2 – клапан, через который осуществляется накачка сферической оболочки водой перед установкой ПДАМ на позицию;
3 – якорь-трос;
4 – якорь;
5 – рым для подвешивания ПДАМ для накачки сферической оболочки водой.
ПДАМ доставляется в точку установки на судне. В точке установки сферическая оболочка 1 за рым 5 с использованием кран-балки, оборудованной управляемым захватом, вывешивается за бортом судна. Затем при помощи насоса, подключённого к клапану 2, сферическая оболочка 1 заполняется водой, после чего ПДАМ погружается в воду. Когда сферическая оболочка полностью оказывается в воде, захват на кран-балке открывается и ПДАМ погружается на дно. Координаты ПДАМ и отстояние отражающей сферы от дна запоминаются для последующего использования.
Распознавание ПДАМ описанной конструкции в активном режиме работы гидролокатора ПА осуществляется по следующим признакам:
- по его неподвижности (что отличает ПДАМ от подвижных морских отражающих объектов);
- по известному отстоянию ПДАМ от дна (что отличает его от донных объектов различного происхождения);
- по его известным геометрическим размерам (что отличает ПДАМ от затонувших кораблей и других габаритных донных объектов)
- по известной величине коэффициента отражения ЗС на частоте работы гидролокатора ПА.
Определение координат ПА с использованием ПДАМ осуществляется следующим образом (фиг. 2).
1) ПДАМ описанной конструкции заблаговременно устанавливаются вдоль заданного маршрута движения ПА. Точные координаты каждого установленного ПДАМ и их классификационные параметры, включая геометрические размеры, величину отстояния от дна, а также коэффициент отражения на частоте ЗС и расчетная дальность обнаружения ПДАМ в активном режиме работы гидролокатора ПА записываются в память системы управления (СУ) ПА.
2) При движении ПА по заданному маршруту СУ ПА извлекает из памяти характеристики следующего по маршруту ПДАМ и периодически вычисляет текущее расстояние до него . Как только вычисленное расстояние , увеличенное на возможную ошибку счисления пути, станет равным хранящейся в памяти СУ расчётной дальности обнаружения ПДАМ, СУ выдаёт команду на погружение на максимально возможную глубину и на включение активного режима гидролокатора и обнаружение отражающих объектов.
3) При обнаружении каждого отражающего объекта измеряются его пеленг, угол в вертикальной плоскости прихода отраженного сигнала  (с плюсом – выше горизонта, с минусом – ниже), наклонная дистанция , угловая протяженность эхосигнала в горизонтальной плоскости , давление эхосигнала (ЭС) в его полосе частот, приведённое ко входу приёмной антенны гидролокатора , а также производится его классификация. Классификация осуществляется путём определения следующих классификационных параметров обнаруженного объекта:
- скорости объекта , измеряемой по доплеровскому смещению частоты эхосигнала относительно частоты ЗС, а также по результатам траекторного анализа объекта;
- отстояния обнаруженного объекта от дна , которое рассчитывается по формуле
<maths num="9"><img file="00000008.jpg" he="8" wi="76" img-content="undefined" img-format="jpg" /></maths>
(1)
где  - измеренная эхолотом глубина под килём ПА, м;
- горизонтальной геометрической протяженности объекта , определяемой по формуле
<maths num="12"><img file="00000011.jpg" he="7" wi="33" img-content="undefined" img-format="jpg" /></maths>
(2)
- коэффициента отражения ЗС , который рассчитывается по формуле
<maths num="14"><img file="00000013.jpg" he="14" wi="59" img-content="undefined" img-format="jpg" /></maths>
(3)
где  - давление ЗС в его полосе частот на оси характеристики направленности излучающей антенны гидролокатора на расстоянии 1 м от неё, Па;
- коэффициент пространственного затухания на частоте ЗС, дБ/км.
Рассчитанные значения , ,  и  с использованием заданных пороговых значений сравниваются со своими истинными значениями, хранящимися в памяти СУ ПА. По результату сравнения принимается решение, является обнаруженный объект искомым ПДАМ или неким посторонним объектом.
1) 1) Если принято решение, что обнаруженный объект является искомым ПДАМ, вычисляются координаты ПА по формуле
<maths num="21"><img file="00000016.jpg" he="19" wi="82" img-content="undefined" img-format="jpg" /></maths>
(4)
где
- декартовы координаты ПДАМ;
- декартовы координаты ПА.
Недостатками способа-прототипа являются:
- высокая стоимость ПДАМ вследствие высокой трудоёмкости изготовления звукоотражающей сферической оболочки;
- сложность установки ПДАМ на позицию, особенно в районах, круглый год покрытых льдом.
Решаемая техническая проблема – обеспечение позиционирование ПА при плавании по постоянному маршруту.
Достигаемый технический результат – уменьшение стоимости оборудования постоянного маршрута движения ПА.
Указанный технический результат достигается следующим.
1) Вместо звукоотражающего тела в виде водозаполненной сферической оболочки в составе ПДАМ применяют уголковый отражатель из лёгкого металлического сплава, например, алюминиевого. Согласно [9] уголковый отражатель имеет наибольший коэффициент звукоотражения среди всех идентичных по размеру тел. Кроме того, уголковый отражатель прост в изготовлении и, следовательно, дешев. ПДАМ с уголковым отражателем показан на фиг.3, на котором цифрами обозначены:
3 – якорь-трос;
4 – якорь;
6 – уголковый отражатель;
7 – вьюшка, на которую намотан якорь-трос при транспортировке ПДАМ;
8 – плавучесть, обеспечивающая нахождение уголкового отражателя на расстоянии от дна, равном длине якорь-троса.
2) При отсутствии ледового покрова ПДАМ устанавливают в расчётной точке с борта судна путём сбрасывания ПДАМ за борт. При погружении ПДАМ под действием растягивающей силы, равной разности силы тяжести якоря и архимедовой силы, действующей на плавучесть, трос сматывается с вьюшки, в результате чего после погружения якоря на дно уголковый отражатель фиксируется на расстоянии от дна, равном длине якорь-троса.
3) При наличии ледового покрова ПДАМ устанавливают в расчётной точке с борта ледокола описанным выше способом либо со льда. В последнем случае ПДАМ погружается в проделанную во льду майну (лунку) одним из известных способов, например, путём бурения с использованием малогабаритной буровой установки либо путём протаивания майны с использованием термопушки.
4) ПДАМ устанавливают вдоль постоянного маршрута ПА с интервалом, определяемым из условия, согласно которому ПА, двигаясь постоянным курсом от одного ПДАМ к другому, должен попасть в круг с центром в точке расположения этого ПДАМ и радиусом, не превышающим дистанции обнаружения ПДАМ гидролокатором. Это условие выражается неравенством
<maths num="24"><img file="00000019.jpg" he="14" wi="51" img-content="undefined" img-format="jpg" /></maths>
(5)
где
– допустимое расстояние между соседними ПДАМ;
– расчётная горизонтальная дистанция обнаружения ПДАМ гидролокатором АНПА;
– предельная погрешность позиционирования ПДАМ при установке;
– предельная величина отклонения ПА от маршрута за единицу пройденного пути.
Позиционирование ПА при движении по постоянному маршруту осуществляется так, как описано в способе-прототипе.
Оценим величину  для следующих типовых условий:
а) типовые параметры гидролокатора ПА большого класса:
- частота излучения зондирующего сигнала (ЗС)  = 15 кГц;
- полоса частот излучаемого зондирующего сигнала  = 3 кГц;
- длительность излучаемого сигнала  = 100 мс;
- давление зондирующего сигнала на оси характеристики направленности излучающей антенны  = 174 дБ относительно 20 мкПа;
- размеры приемной антенны (Ш×В) 2×0,5 м, что обеспечивает коэффициент концентрации на частоте излучения  = 30 дБ [9];
- пороговое индикаторное отношение сигнал/помеха (ОСП) для обнаружения эхосигнала  = 32 (15 дБ);
б) характеристики гидроакустических условий:
- цилиндрический закон распространения акустического сигнала с переходным расстоянием со сферического на цилиндрический закон распространения =1 км (это расстояние, на котором сферический закон распространения сигнала переходит в цилиндрический);
- коэффициент пространственного затухания на частоте ЗС =2,1 дБ/км;
- приведенный уровень шумов моря при волнении 3 балла 33 дБ, что соответствует давлению помех на входе приемной антенны на частоте и в полосе ЗС =44,2 дБ;
в) сила цели (т.е. коэффициент отражения) уголкового отражателя с длиной ребра 1м на частоте ЗС  =15,2 дБ [9];
г) предельная погрешность позиционирования ПДАМ с учётом сноса по течению при погружении  =500 м;
д) предельная величина отклонения ПА от маршрута за единицу пройденного пути  составляет 2% от пройденного пути в мелководных районах, где возможно использование гидроакустического лага, и 10% в глубоководных районах.
Дистанция  обнаружения ПДАМ определяется как решение уравнения [9]
<maths num="43"><img file="00000037.jpg" he="7" wi="153" img-content="undefined" img-format="jpg" /></maths>,
(6)
где
- неучтенные технические потери ( = 6 дБ);
– аномалия распространения сигнала, при цилиндрическом законе вычисляемая по формуле
<maths num="47"><img file="00000040.jpg" he="22" wi="61" img-content="undefined" img-format="jpg" /></maths>
(7)
Из решения уравнения (7) следует, что дистанция обнаружения ПДАМ при отражающем теле в виде треугольного уголкового отражателя со стороной треугольника 1 м составляет 9,1 км.
Подставляя все данные в формулу (5), получим, что в мелководных районах ПДАМ могут устанавливаться с интервалом до 400 км, в глубоководных районах – до 80 км.
Оценим выигрыш по стоимости оборудования маршрута движения ПА при использовании ПДАМ с уголковым отражателем по сравнению с ПДАМ со сферой. Согласно [9] сила цели звукоотражающей сферы диаметром 1 м составляет = -12 дБ.
Произведя расчёты по формулам (6) и (5) при = -12 дБ получим, что дистанция обнаружения ПДАМ с водозаполненной сферой равна 4,3 км, а интервал установки ПДАМ составляет до 165 км в мелком море и до 33 км в глубоком море. Т.е. для оборудования одного и того же маршрута требуется в 2,4 раза больше ПДАМ, чем при использовании ПДАМ с уголковым отражателем. И это без учёта того, что трудоёмкость установки ПДАМ с уголковым отражателем существенно ниже.
Следует заметить, что при увеличении диаметра сферы до 3 м трудоёмкость установки ПДАМ существенно возрастает (особенно при установке со льда) и при этом проигрыш по количеству потребных ПДАМ всё равно сохраняется.
Таким образом, заявленный технический результат – уменьшение стоимости оборудования постоянного маршрута движения ПА – можно считать достигнутым.
Источники информации:
1. Справочник штурмана под ред. В.Д. Шандабылова // М.: Воениздат, 1968, 540 с.
2. Kinsey J.C., Eustice R.M., Whitcomb L.L. A Survey of Underwater Vehicle Navigation: Recent Advances and new Challenges. // IFAC Conference on maneuvering and control of marine craft, 2006, Lisbon, Portugal.
3. Малеев П.И. Проблемы средств навигации АНПА и возможные пути их решения // Навигация и гидрография, 2015, № 39. - С.7-11.
4. Кебкал К.Г., Машошин А.И. Гидроакустические методы позиционирования автономных необитаемых подводных аппаратов // Гироскопия и навигация, 2016, том 24, №3 (94), с.115-130.
5. Милн П.Х. Гидроакустические системы позиционирования // Л.: Судостроение, 1989.
6. Патент 2003078706 США. Methods and systems for navigating under water.
7. Патент 2005269378 (Япония). Marine information providing buoy for underwater, marine information communication system using the same and data management center for marine information communication.
8. Патент РФ № 2717161.
9. Урик Р. Дж. Основы гидроакустики. // Л.: Судостроение, 1978.