АВТОМАТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО ПРОСТРАНСТВЕННОЙ ОРИЕНТАЦИИ ПОДВИЖНОГО ПОДВОДНОГО ОБЪЕКТА

Полезная модель относится к области морской техники, к системам управления, навигации и пространственной ориентации подвижных подводных объектов. Она может быть использована для управления и навигации подвижных подводных объектов, использующих для пространственной ориентации в воде средства гидролокации и технического зрения.
Под подвижными подводными объектами далее понимаются подводные плавсредства (подводные лодки и подводные транспортировщики), а также автономные необитаемые подводные аппараты (АНПА).
Известен АНПА «Hugin» ВМС Норвегии, имеющий в составе своей бортовой системы управления инерциальную систему навигации, обеспечивающую его работу под водой, спутниковую систему навигации, обеспечивающую работу на поверхности воды, систему пространственной ориентации с трехмерным магнитометром, кварцевым датчиком давления и доплеровским лагом, гидроакустические и телевизионные средства обнаружения подводных объектов, вычислительное и коммутационное устройства, а также акустические средства связи [1]. Гидроакустические и телевизионные средства наблюдения, а также трехмерный магнитометр предназначены только для обнаружения и распознавания подводных объектов и не предусмотрены для ориентации АНПА на местности.
Известна система навигации АНПА, предназначенного для выполнения гидрологических исследований, являющаяся аналогом изобретения [2].
Система навигации АНПА включает обеспечивающее судно, АНПА и комплект маяков-ответчиков. Обеспечивающее судно оснащается приемником спутниковой навигационной системы (СНС), системой единого времени, судовой аппаратурой управления, обработки и отображения. АНПА имеет приемопередающие блоки гидроакустической системы навигации (ГСН), телеуправления и связи, навигационно-пилотажные датчики, локальную вычислительную сеть, гидроакустический доплеровский лаг для измерения скорости АНПА относительно морского дна, лаг для измерения скорости АНПА относительно водной поверхности, инерциальную навигационную систему (ИНС), приемник СНС, магнитный компас и гирокомпас, измеритель глубины, систему управления рулевыми механизмами, аппаратуру для выполнения гидрологических исследований, включающую гидролокатор бокового обзора (ГБО), профилограф, измерители температуры и электропроводности морской среды, фотокамеры.
Обеспечивающее судно выполнено в виде подводной лодки, снабженной приемопередающими блоками ГСН, лагом для измерения скорости АНПА относительно водной поверхности, который выполнен в виде индукционного измерителя продольной и поперечной составляющих скорости и угла дрейфа и дополнительно снабжен приемными датчиками, расположенными в носовой и кормовой частях корпуса АНПА для определения скорости погружения АНПА, гирокомпас выполнен в виде корректируемого гирокомпаса, построенного на базе динамически настраиваемого гироскопа и кварцевых акселерометров, ИНС построена на основе прецизионного гироскопа с электростатическим подвесом ротора, АНПА снабжен измерителем скорости звука, судовая аппаратура управления, обработки и отображения дополнительно содержит блок данных об эфемеридной информации о навигационных спутниках Земли, находящихся в регионе выполняемых исследовательских работ, электронную картографическую навигационную информационную систему и видео-плоттер.
Недостатком существующих автономных средств управления АНПА, основанных на использовании инерциальных навигационных систем, является постепенное снижение точности их работы, что требует периодического уточнения своего места и ввода соответствующих корректур. Для уточнения своих координат АНПА должен периодически всплывать на поверхность и уточнять их с помощью СНС типа ГЛОНАСС/GPS/GALILEO или использовать другие подводные средства навигационного обеспечения, которыми район должен быть оборудован заблаговременно.
Целью полезной модели является разработка автоматического устройства пространственной ориентации подвижного подводного объекта, позволяющего ему, не всплывая на поверхность воды, с заданной точностью ориентироваться в необорудованном навигационными средствами районе, содержащем известные контрастные подводные объекты, ранее обнаруженные в заданном районе.
Цель полезной модели достигается благодаря тому, что предлагается автоматическое устройство пространственной ориентации подвижного подводного объекта, включающее трехмерный магнитометр, кварцевый датчик давления и доплеровский лаг, гидроакустические и телевизионные средства обнаружения подводных объектов, вычислительное и коммутационное устройства и акустические средства связи. По полезной модели отличающееся тем, что оно дополнительно оборудуется запоминающим устройством для записи массива данных с характеристиками трехмерных образов известных контрастных подводных объектов, ранее обнаруженных в заданном районе, устройством создания трехмерных образов контрастных подводных объектов, вновь обнаруживаемых средствами обнаружения подвижного подводного объекта и их записи в массив данных запоминающего устройства, устройством распознавания вновь обнаруженного трехмерного образа контрастного подводного объекта среди имеющегося в запоминающем устройстве множества трехмерных образов для его последующего отождествления и получения координат подводного объекта и своей пространственной ориентации, аппаратурой подготовки данных, служащей для формирования массива данных об окружающем пространстве, блоком обработки данных для уточнения координат подвижного подводного объекта.
Автоматическое устройство пространственной ориентации подвижного подводного объекта позволит решать следующие задачи:
- повышение точности навигационного ориентирования подвижного подводного объекта;
- обеспечение независимости работы подводного управляемого объекта управления от наличия сил и средств навигационного обеспечения;
- повышение тактико-технических характеристик подводных управляемых объектов при выполнении задач высокоточного маневрирования относительно подводных контрастных объектов пространства в условиях меняющейся тактической и помехо-сигнальной обстановки.
Решение этих задач становится возможным за счет использования в автоматическом устройстве пространственной ориентации гидроакустических и телевизионных средств обнаружения подводных объектов, аппаратуры подготовки данных, датчиков параметров среды (магнитометра, датчиков давления, лага), вычислительного устройства.
Принцип работы автоматического устройства пространственной ориентации подвижного подводного объекта заключается в том, что в качестве ориентиров в нем определены находящиеся в районе известные контрастные подводные объекты, характеристики которых записаны в запоминающее устройство. Движение подвижного подводного объекта по заданному маршруту осуществляется путем последовательного следования от одного известного контрастного подводного объекта к другому, с возвращением, каждый раз после очередной ориентации, к заданному маршруту по кратчайшему пути. В качестве начального ориентира используются либо точка старта подвижного подводного объекта с известными координатами, либо первый контрастный подводный объект, им обнаруженный.
Гидролокатор и телевизионные средства обнаружения (видеосистема) осуществляют непрерывное сканирование окружающего пространства, обработка результатов которого осуществляется в вычислительном устройстве и блоке обработки данных.
Работа автоматического устройства пространственной ориентации подвижного подводного объекта проиллюстрирована рисунками (фиг. 1, 2 и 3), на которых показаны:
фиг. 1 - Выбор маршрута автоматическим устройством пространственной ориентации подвижного подводного объекта по последовательности контрастных подводных объектов на заданном маршруте (вид сверху);
фиг. 2 - Использование гидролокатора автоматическим устройством пространственной ориентации подвижного подводного объекта в горизонтальной плоскости (вид сверху);
фиг. 3 - Использование гидролокатора автоматическим устройством пространственной ориентации подвижного подводного объекта в вертикальной плоскости (вид сбоку).
На фиг. 1 цифрами обозначены:
1 - подвижный подводный объект (АНПА) в точке старта с известными координатами;
2 - заданный маршрут;
3 - точка назначения;
4 - контрастные подводные объекты;
5 - зона обнаружения контрастных объектов гидролокатором;
6 - фрагмент реального маршрута подвижного подводного объекта при ориентировании по контрастному объекту i=1, с последующим возвращением к трассе заданного маршрута 2.
7 - фрагмент реального маршрута подвижного подводного объекта при ориентировании по контрастному объекту i=2, с последующим возвращением к трассе заданного маршрута 2.
На фиг.2 цифрами обозначены:
1 - подвижный подводный объект (АНПА) в точке старта с известными координатами;
4 - контрастный подводный объект в зоне обнаружения 5 гидролокатора;
5 - зона обнаружения контрастных объектов гидролокатором;
8 - размер контрастного объекта по азимуту;
9 - линии уровня сигнала гидролокатора при отражении от дна моря;
10 - шкала дальности гидролокатора;
11 - шкала азимута гидролокатора.
На фиг. 3 цифрами обозначены:
1 - подвижный подводный объект (АНПА) в точке старта с известными координатами;
4 - контрастный подводный объект в зоне обнаружения 5 гидролокатора;
5 - зона обнаружения контрастных объектов гидролокатором;
8 - размер контрастного объекта по дальности;
10 - шкала дальности гидролокатора;
12 - шкала угла места гидролокатора;
13 - поверхность воды;
14 - морское дно.
Если зона обнаружения гидролокатора автоматического устройства захватывает одновременно два или более контрастных подводных объектов вдоль заданного маршрута, как показано на фиг. 1 - номера контрастных объектов i=1 и i=2, то вычислительное устройство определяет наиболее подходящий выбор объекта для текущей ориентации из числа одновременно наблюдаемых объектов путем минимизации суммарного пути, сначала к объекту, а затем - к трассе заданного маршрута. Тем самым минимизируются время и путь следования подвижного подводного объекта по заданному маршруту.
Принцип действия гидролокатора и видеосистемы является одинаковым. Он состоит в одновременном излучении зондирующего сигнала одновременно во всем секторе 5 азимута (фиг. 2) и в послойном излучении гидроакустических и световых сигналов по вертикально расположенным слоям - ярусам 12 (фиг. 3), а затем - в последующем приеме отраженных сигналов, обрабатываемых в вычислительном блоке.
Отраженные сигналы в секторах азимута и в вертикальных ярусах формируют гидролокационное и (или) видеоизображение пространства на каждом ярусе. Отражающие поверхности, например, морское дно 14 (фиг. 3), формируют в каждом ярусе сплошную кривую линию лоцирования 9, повторяющую поверхность дна (фиг. 2). Контрастные целевые объекты 4 вызывают разрывы 8 непрерывных линий лоцирования по своему контуру (фиг. 2, 3).
Назначение гидролокатора и видеосистемы определяются различием их характеристик по дальности и точности. Гидролокатор имеет дальность действия, многократно превышающую дальность действия видеосистемы, при сравнительно малой точности измерения координат подводных контрастных объектов. Поэтому его назначение состоит в первичном поиске подводных контрастных объектов в дальней зоне обнаружения (фиг. 1). Назначение видеосистемы состоит во вторичном обнаружении подводных контрастных объектов в ближней зоне при сближении с ними АНПА и в высокоточных регистрации их координат и создании трехмерных образов.
Аппаратура подготовки данных формирует два массива данных, описывающих пространство и представляющих собой:
- для дальней зоны массив S{ϕ, λ, Nα, Nh, d), где ϕ - географическая широта, λ - географическая долгота, Nα - номер горизонтально расположенного сектора азимута, Nh - номер вертикально расположенного слоя-яруса, d - глубина места с электронной навигационной карты или цифровой модели рельефа дна. Массив данных формируется путем сегментации исходного изображения карты или цифровой модели рельефа дна на участки, равные площади поверхности дна, освещаемые элементом разрешения характеристики направленности;
- для ближней зоны массив V{X, Y, В}, где X - координата пикселя эталонного видеоизображения целевого контрастного объекта по горизонтальной оси; Y - координата пикселя эталонного видеоизображения целевого контрастного объекта по вертикальной оси, учитывающая положение вертикально расположенного слоя-яруса, В - градация яркости по черно-белой шкале.
Для каждого цикла зондирования на каждом из ярусов гидролокатора формируется массив данных в полярной системе координат, связанной с целевым контрастным объектом O{D; КУ}, где D - дальность до объекта, КУ - курсовой угол. Одновременно текущее изображение пространства и целевого контрастного объекта в виде, аналогичном массиву V, передается в блок обработки.
Расчетные данные о текущем местоположении и углах ориентации подводного целевого контрастного объекта поступают от навигационной системы и датчиков параметров среды (трехмерного магнитометра, кварцевого датчика давления и доплеровского лага). Блок обработки данных выполняет сравнение счислимых координат АНПА с вычисленными по данным наблюдения целевого контрастного объекта и глубине его нахождения, последующей интерпретации полученных данных и выработку поправок для коррекции данных о местоположении АНПА.
Техническим результатом полезной модели является автоматическое устройство пространственной ориентации подвижного подводного объекта, позволяющее ему, не всплывая на поверхность воды, ориентироваться в необорудованном навигационными средствами районе с заданной точностью.
Источники информации, использованные при выявлении полезной модели и составлении ее описания:
1. Илларионов Г.Ю., Сиденко К.С, Сидоренков В.В. Подводные роботы в минной войне: Монография. Калининград: ООО «Янтарный сказ», 2008. - 116 с. С. 74-75.
2. Патент на изобретение RU 2460043. Система навигации автономного необитаемого подводного аппарата / Зеньков А.Ф. и др. М.: ФИПС 2012. Бюл. №24.