Способ измерения скорости судна доплеровским лагом
VESSEL SPEED MEASURING METHOD BY THE DOPPLER LOG

Изобретение относится к области кораблевождения, а именно к способам и устройствам измерения скорости судна доплеровским методом.
Одним из условий безопасного кораблевождения является постоянный контроль абсолютной (относительно дна) скорости судна и глубины под килем с использованием гидроакустического доплеровского лага (ДЛ) [1-6].
Глубина под килем измеряется при помощи эхолота [4-6].
Как ДЛ, так и эхолот являются дорогостоящими устройствами, особенно при плавании в глубоководных районах, когда необходимо использовать относительно низкие частоты и, как следствие, иметь приемно-излучающую антенну больших габаритов. Поэтому было бы целесообразно использовать в качестве измерителя скорости судна и глубины под килем одно универсальное устройство - лаг-эхолот.
Совмещение функций ДЛ и эхолота в одном устройстве известно. Например, в ДЛ, описанном в изобретении [3], сначала измеряется глубина под килем, затем с использованием измеренной глубины рассчитывается допустимая длительность тонального сигнала, применяемого для измерения скорости судна. Недостатком такого технического решения является невозможность отслеживания изменения глубины под килем (т.е. рельефа дна) в процессе движения судна.
Для отслеживания рельефа дна необходимо глубину под килем измерять одновременно с измерением скорости судна. Но для этого нужно разрешить техническое противоречие между ДЛ и эхолотом. Оно состоит в том, что в ДЛ для обеспечения высокой точности измерения скорости судна используется тональный зондирующий сигнал (ЗС) большой длительности, определяемой по приближенной формуле [1]:
ТС
Т - длительность тонального ЗС, с;
dno
H - глубина под килем, м;
zv
C - средняя скорость распространения ЗС, м/с.
При использовании ЗС такой длительности среднеквадратическая ошибка (СКО) , измерения глубины составит
т.е. 33% от измеряемой глубины. Естественно, такая ошибка для практического использования неприемлема.
ШС
ШС
Для уменьшения ошибки измерения глубины необходимо вместо тонального зондирующего сигнала использовать сложный широкополосный сигнал с полосой частот Δƒ и малой длительностью Т, разрешение которого по времени (а следовательно и по глубине) пропорционально обратной величине его полосы частот. В результате СКО определения расстояния до дна будет определяться по формуле:
ШС
Например, при типовом значении Δƒ=1 кГц СКО определения расстояния до дна составит порядка 0,2 м, что достаточно для практического использования.
изл
ТС
ТС
В качестве прототипа выберем описанный в работе [1] и поясненный условной блок-схемой (фиг. 1) способ измерения скорости судна доплеровским лагом, включающий излучение под наклоном ψ тонального зондирующего сигнала с длительностью Т; формирование характеристики направленности (ХН) для приема сигнала с направления излучения; вычисление спектра сигнала, поступающего с выхода сформированной ХН, на интервале длительности Т с перекрытием не менее чем на 50% относительно предыдущего интервала той же длительности; выполнение процедуры обнаружения эхосигнала в вычисленном спектре. В случае обнаружения эхосигнала (ЭС) осуществляется определение его частоты и с ее использованием вычисление скорости судна по формуле:
где
ЗС
ƒ - частота тонального ЗС, Гц;
ЭС
ƒ - частота эхосигнала (ЭС), Гц;
V - скорость судна, м/с;
изл
изл
ψ - угол между направлением излучения ЗС и направлением вертикально вниз, град (как правило, ψ=30°);
Процедуры, реализуемые в блоках 3 и 4, повторяются на интервале времени
max
где H - максимальная глубина под килем, м.
Решаемая техническая проблема - расширение функций ДЛ.
Технический результат - повышение точности измерения доплеровским лагом расстояния до дна.
ТС
ШС
ШС
Указанный технический результат изобретения достигается тем, что следом за излучением доплеровским лагом тонального ЗС (далее - тональный сигнал) с большой длительностью Т, рассчитанной по формуле (1), дополнительно излучается широкополосный зондирующий сигнал (далее - широкополосный сигнал) с полосой частот Δƒ и с малой длительностью Т. В результате по отраженному от дна тональному сигналу с высокой точностью определяется скорость судна, а по широкополосному сигналу - расстояние до дна.
ШС
ШС
Полоса частот Δƒ широкополосного сигнала определяется с учетом формулы (3), исходя из заданной точности измерения глубины и полосы пропускания излучающей антенны. Длительность широкополосного сигнала Т определяется исходя из примерного равенства помехоустойчивости обнаружения тонального и широкополосного сигналов, что имеет место при выполнении условия
Блок-схема заявляемого способа изображена на фиг. 2.
ТС
ШС
ШС
В блоке 1 осуществляется излучение тонального зондирующего сигнала, состоящего из тонального сигнала с большой длительностью Т и следующего непосредственно за ним широкополосного сигнала с полосой Δƒ и с малой длительностью Т.
В блоке 2 выполняется формирование характеристики направленности для приема сигнала с направления излучения.
ТС
В блоке 3 осуществляется вычисление спектра сигнала на последовательных перекрывающихся не менее чем на 50% интервалах времени длительности Т.
В блоке 4 выполняется процедура обнаружения тонального эхосигнала в каждом вычисленном спектре. В случае обнаружения тонального ЭС определяется его частота и с ее использованием по формуле (3) вычисляется скорость судна.
ШС
ШС
В блоке 5 вычисляется мощность широкополосного сигнала в полосе Δƒ на каждом из перекрывающихся интервалов времени длительности Т.
ШС.
В блоке 6 выполняется процедура обнаружения широкополосного эхосигнала методом временного контраста [1] на каждом из перекрывающихся интервалов времени длительности ТВ случае обнаружения широкополосного ЭС вычисляется разность ΔT времен его обнаружения и излучения и с использованием этой разности вычисляется расстояние до дна (глубина под килем) по формуле:
Таким образом, обеспечивается одновременное измерение скорости судна и глубины под килем и, как следствие, отслеживание рельефа дна.
Технический результат подтвержден имитационным моделированием.
Источники информации:
1. Виноградов К.А., Кошкарев В.Н., Осюхин Б.А., Хребтов А.А. Абсолютные и относительные лаги // Л.: Судостроение, 1990.
2. Хребтов А.А., Виноградов К.А., Кошкарев В.Н., и др. Судовые измерители скорости // Л.: Судостроение, 1978.
3. Патент РФ №2439613. Гидроакустический доплеровский лаг с алгоритмом многоальтернативной фильтрации эхосигнала, основанным на использовании банка фильтров Калмана.
4. Богородский В.В. и др. Гидроакустическая техника исследования и освоения океана // Л.: Гидрометиздат, 1984, 264 с.
5. Гидроакустические навигационные средства. Под ред. В.В. Богородского // Л.: Судостроение, 1983. 262 с.
6. Виноградов К.А., Новиков И.А., Гидроакустические навигационные системы и средства // Навигация и гидрография, 1999, №7.