СПОСОБ ПОДЛЕДНОГО ПРИЕМА СИГНАЛОВ СПУТНИКОВЫХ НАВИГАЦИОННЫХ СИСТЕМ ПРИ НАХОЖДЕНИИ ПОДВОДНОГО ОБЪЕКТА НА ГОРИЗОНТЕ ПЛАВАНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ГИДРОАКУСТИЧЕСКОГО КАНАЛА ПЕРЕДАЧИ НАВИГАЦИОННОЙ ИНФОРМАЦИИ
METHOD FOR RECEPTION OF SIGNALS FROM SATELLITE NAVIGATION SYSTEMS UNDER ICE, WHEN UNDERWATER OBJECT IS LOCATED AT SAILING HORIZON, AND DEVICE FOR ITS REALISATION WITH APPLICATION OF HYDROACOUSTIC CHANNEL OF NAVIGATION INFORMATION TRANSFER

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано для коррекции инерциальной навигационной системы (ИНС) подводного объекта при нахождении его в Северном Ледовитом океане (СЛО) подо льдом на горизонте плавания.
Известен способ подледного приема сигналов Спутниковой навигационной системы (СНС), включающий приледнение подводного объекта рубкой к нижней кромке ледового покрова, образование полости во льду, размещение в ней антенны приемника сигналов СНС, удаление из полости воды, прием «сухой» антенной через лед сигналов СНС и определение по их значениям геодезических координат подводного объекта (см. патент №2119703 на изобретение «Способ подледного приема сигналов спутниковых навигационных систем». Патентообладатель: Катенин Владимир Александрович. Приоритет изобретения: 22 мая 1997 г.).
Недостатком данного способа подледного приема сигналов СНС является то, что при его использовании, исходя из его технической сущности, получают информацию, по которой можно определить вычислительным путем только обсервованные геодезические координаты подводного объекта и невозможно определение по этой же информации поправки курса подводного объекта, вырабатываемого бортовой ИНС, а следовательно, не представляется возможным осуществить коррекцию курса бортовой ИНС подо льдом.
Известен способ подледного приема сигналов СНС, включающий всплытие подводного объекта с заданного горизонта плавания до нижней кромки льда, приледнение к нижней кромке льда подводного объекта, ввод в лед расположенных в заданных местах на подводном объекте первой и второй антенн первого и второго приемников сигналов СНС в местах приледнения данных антенн к нижней кромке льда, прием этими антеннами сигналов СНС, измерение первым и вторым приемниками СНС параметров этих сигналов и по их значениям определение расчетным путем геодезических координат мест расположения первой и второй антенн во льду, а затем вычисление по их значениям поправки курса, вырабатываемого ИНС подводного объекта, осуществление путем учета данной поправки коррекции бортовой ИНС (см. патент №2295808 на изобретение авторов Алексеева С.П., Катенин В.А., Денисюка Е.А. «Способ подледного приема сигналов спутниковых навигационных систем и устройство для его осуществления». Патентообладатель: ГНИНГИ МО РФ. Приоритет изобретения: 08 июля 2004 г.).
Недостатком данного известного способа подледного приема сигналов СНС является то, что при его реализации необходимо выполнять весьма сложные и трудоемкие действия, а именно:
- осуществлять всплытие подводного объекта с заданного горизонта плавания до нижней кромки льда;
- приледнение к нижней кромке льда подводного объекта в местах нахождения антенн-приемников сигналов СНС, что связано с опасностью повреждения легкого корпуса или винтов;
- невозможность приема через лед сигналов высокочастотных СНС типа ГЛОНАСС или GPS.
В результате этого не представляется возможным определение поправок к счислимым координатам и курсу, вырабатываемых ИНС подводного объекта, а следовательно, осуществление коррекции бортовой ИНС на подводном объекте при нахождении его на заданном горизонте плавания, что существенно снижает эффективность навигационного обеспечения подводных объектов в Арктическом бассейне.
Известен способ определения поправок к счислимым координатам, вырабатываемых бортовой ИНС на подводном объекте при нахождении его на горизонте плавания (В.А.Катенин, В.И.Дмитриев. Навигационное обеспечение судовождения. - М.: ИКЦ «Академкнига», 2006. - С.187-193), включающий проведение «запроса» гидроакустического маяка-ответчика (МО), установленного на морском дне акватории, геодезические координаты которого заблаговременно определены с требуемой точностью; измерение гидроакустическим способом расстояния от подводного объекта до маяка-ответчика и пеленга на него бортовой системой навигационной подводной типа СНП-1 и по полученным данным определение вычислительным путем искомых поправок к счислимым координатам, вырабатываемых бортовой ИНС.
Недостатком известного способа определения поправок к счислимым координатам является то, что при его использовании не представляется возможным определение поправки курса, вырабатываемого бортовой ИНС.
Кроме того, данный способ имеет недостаточную точность, поскольку при его использовании существует погрешность определения поправок к счислимым координатам, вырабатываемых бортовой ИНС, обусловленных пространственно временной изменчивостью распространения скорости звука в воде в районе нахождения МО и подводного объекта, в результате которой возникает погрешность в измерении расстояния от подводного объекта до МО, по которому определяются обсервованные координаты. Погрешность может достигать 3% от измеряемого расстояния (см. D/E/Dinn, B.D.Loncarvic. The effect of sound velosity errors on multibeam sonar depth accuracy // Procceding of American Hydrographic Symposium. 1995. - pp.1001-1009).
Данный способ является достаточно сложным и трудоемким, поскольку для его реализации необходимо заблаговременно в заданных местах с известными координатами выставить на дне Мирового океана маяки-ответчики. Эта проблема особенно трудноразрешима в Арктическом бассейне из-за постоянного наличия ледового покрова и невозможности в связи с этим провести координирование работ по установке маяков-ответчиков с требуемой точностью. Кроме того, подводному объекту для проведения коррекции необходимо заходить в зону действия МО.
Целью изобретения является расширение функциональных возможностей известных способов и устройств определения координат места и поправки курса подводного объекта при использовании спутниковых навигационных сигналов подо льдом по принципу «Все в одном».
Поставленная цель достигается тем, что в способе подледного приема сигналов спутниковых навигационных систем при нахождении подводного объекта на горизонте плавания и устройстве для его осуществления с использованием гидроакустического канала передачи навигационной информации, включающих ввод в лед антенны приемника сигналов спутниковой навигационной системы в месте приледнения данной антенны к нижней кромке льда, прием данной антенной сигналов космических аппаратов (спутников), измерение приемником параметров спутниковых сигналов и по полученным данным определение вычислительным путем искомых поправок к геодезическим счислимым координатам и курсу, вырабатываемых бортовой инерциальной навигационной системой подводного объекта, осуществление путем учета данных поправок коррекции бортовой инерциальной навигационной системы, доставляют от горизонта плавания подводного объекта до места приледнения к нижней кромке льда антенну с приемником сигналов спутниковой навигационной системы и с механизмом внедрения ее в лед, а также двухканальный маяк-ответчик (МО), который имеет разные коды запроса и разные частоты излучаемых гидроакустических сигналов, измеритель скорости звука в воде и гидростатический датчик, внедряют антенну приемников сигналов спутниковой навигационной системы в лед в месте ее приледнения к нижней кромке льда с помощью механизма внедрения до момента выхода данной антенны изо льда в воздушную среду, а на подводном объекте используют двухканальную систему с двумя гидроакустическими приемоизлучающими антеннами. Одну гидроакустическую приемоизлучающую антенну устанавливают в заданном месте в корме, а другую гидроакустическую приемоизлучающую антенну - в носу подводного объекта, при этом две данные антенны располагают вдоль направления его диаметральной плоскости или под известным углом к ней, определяют геодезические координаты маяка-ответчика приемником сигналов спутниковой навигационной системы, в период подъема до нижней кромки льда антенны с приемником сигналов спутниковой навигационной системы и их погружения до подводного объекта измеряют гидростатическое давление воды гидростатическим датчиком, а также скорость распространения звука в воде измерителем скорости звука, а на подводном объекте синхронно излучают в направлении маяка-ответчика сигналы «запроса» одной и второй гидроакустическими приемоизлучающими антеннами и принимают переизлученные сигналы маяка-ответчика данными антеннами, по измеренным параметрам которых определяют вычислительным путем наклонные расстояния от подводного объекта до маяка-ответчика и пеленги на маяк-ответчик из двух известных мест установки двух данных гидроакустических приемоизлучающих антенн двухканальной навигационной гидроакустической системы.
Устройство для осуществления заявленного способа содержит антенну с приемником сигналов спутниковой навигационной системы, которая закреплена в верхней части выдвижного устройства и выполнена в виде головки, например, механического бура, выдвижное устройство представляет собой полую трубу диаметром до 80 мм и перемещаемое по вертикали с одновременным вращением с помощью редуктора от электромотора, приемник сигналов спутниковой навигационной системы, вход которого соединен с выходом данной антенны, навигационную гидроакустическую систему типа СНП-20, содержащую гидроакустическую приемоизлучающую антенну, гидроакустическую станцию шумопеленгования, передающий блок, приемоизмерительный блок, маяк-ответчик, блок-управления, блок определения поправок к счислимым координатам и курсу, вырабатываемых инерциальной навигационной системой подводного объекта, при этом выходы приемника сигналов спутниковой навигационной системы и гидроакустической станции шумопеленгования через блок управления соединены с входом блока определения поправок к счислимым координатам и курсу, вырабатываемых инерциальной навигационной системой подводного объекта, выход передающего блока через блок управления соединен с входом гидроакустической приемоизлучающей антенны, а выход ее через блок управления - с входом приемоизмерительного блока, выход которого и выход инерциальной навигационной системы через блок управления соединены с входом блока определения поправок к счислимым координатам и курсу, вырабатываемых инерциальной навигационной системой подводного объекта, в него введено всплывающее устройство, выполненное в виде положительной плавучести или бортового аварийно-сигнального буя с движителем для его всплытия, закрепленного на кабель-тросе введенного спуско-подъемного устройства, установленного в заданном месте на корпусе подводного объекта, внутри положительной плавучести (аварийно-сигнального буя) в верхней ее части установлены приемник сигналов спутниковой навигационной системы с антенной и выдвижным устройством, а в нижней части установлен в заданном месте введенный двухканальный маяк-ответчик, который имеет разные коды запуска и разную частоту излучаемого сигнала, введенные измеритель скорости распространения звука в воде и гидростатический датчик давления, блок управления, блок определения средней скорости распространения звука в воде на расстоянии от маяка-ответчика до подвижного объекта, при этом выходы измерителя скорости распространения звука в воде и гидроакустического датчика через блок управления соединены с входом блока определения средней скорости распространения звука в воде, выход которого соединен с входом блока определения поправок к счислимым координатам и курсу, вырабатываемых инерциальной навигационной системой подводного объекта, дополнительно введены вторая гидроакустическая станция шумопеленгования и вторая гидроакустическая приемоизлучающая антенна, при этом первая гидроакустическая приемоизлучающая антенна с первой гидроакустической станцией шумопеленгования установлены в заданном месте в носу, а вторая гидроакустическая приемоизлучающая антенна и вторая гидроакустическая станция пеленгования - в корме подводного объекта, выходы данных первой и второй гидроакустических приемоизлучающих антенн, первой и второй гидроакустических станций шумопеленгования соединены с входом двухканальной навигационной гидроакустической системы, выход которой через блок управления соединен с блоком определения поправок к счислимым координатам и курсу, вырабатываемых инерциальной навигационной системой подводного объекта.
Пример выполнения
На фиг.1 схематически изображен способ подледного приема сигналов спутниковой навигационной системы при нахождении подводного объекта на горизонте плавания и структурная схема устройства для его осуществления с использованием гидроакустического канала передачи навигационной информации.
Устройство для осуществления заявленного способа подледного приема сигналов СНС при нахождении подводного объекта на горизонте плавания содержит забортное всплывающее устройство, выполненное в виде положительной плавучести или, например, аварийно-спасательного буя - 1 с движителем для всплытия - 2 подводного объекта - 6, закрепленного на кабель-тросе - 3 бортового спуско-подъемного устройства - 4, установленного в заданном месте - 5 на корпусе подводного объекта.
В корпусе положительной плавучести (аварийно-сигнального буя) - 1 установлены приемник сигналов СНС с антенной - 7 и выдвижным устройством - 8 антенны данного приемника для внедрения в лед - 9 в месте приледнения буя - 1 к нижней кромке льда - 10, двухканальный маяк-ответчик - 11 или два маяка-ответчика, которые имеют разные коды запуска и разную частоту излучаемого сигнала, измеритель скорости распространения звука в воде - 12 и гидростатический датчик давления - 13.
На подводном объекте - 6 устанавливают двухканальную навигационную гидроакустическую систему - 14, две гидроакустические приемоизлучающие антенны которой с двумя гидроакустическими шумопеленгаторными станциями установлены следующим образом: одна данная антенна - 15 с шумопеленгаторной станцией в заданном месте в носу, а вторая данная антенна - 16 с шумопеленгаторной станцией в корме подводного объекта - 6. Данные антенны установлены вдоль направления его диаметральной плоскости - 17 или же под известным углом относительно ее.
В корпусе подводного объекта - 6 установлены блок управления - 18 и блок определения поправок к счислимым координатам и курсу -19, вырабатываемых бортовой ИНС.
При этом выходы технических средств 7, 11, 12 и 13 соединены кабель-тросом - 3 с входом блока управления - 18, выход которого соединен с входом навигационной двухканальной гидроакустической системы - 14, выход которой соединен с входом блока - 19 определения поправок к счислимым координатам и курсу, выработанных бортовой ИНС подводного объекта - 6, выход блока управления - 18 соединен с входом спуско-подъемного устройства - 4.
В качестве спуско-подъемного устройства - 4 может быть использована, например, морская судовая лебедка типа «Лерок».
В качестве всплывающего устройства может быть использован аварийно-спасательный буй - 1 подводного объекта - 6.
В качестве приемника сигналов СНС с антенной - 7 может быть использован приемник сигналов СНС ГЛОНАСС и/или GPS.
В качестве навигационной двухканальной гидроакустической системы - 14 могут быть использованы две навигационные гидроакустические системы типа СНП-20, в состав которых входит двухканальный маяк-ответчик или два одноканальных маяка-ответчика.
Блок управления - 18 может быть реализован на основе микропроцессора, обеспечивающего ввод-вывод информации и преобразование сигналов от нескольких датчиков, например микропроцессора семейства A8rR фирмы АТМЕС.
Механизм - 8 внедрения антенны приемника сигналов СНС - 7 в лед - 9 представляет собой устройство в виде головки, например, механического бура.
Блок - 19 определения поправок к счислимым координатам и курсу, вырабатываемых бортовой ИНС подводного объекта - 6, может быть реализован, например, на основе ПЭВМ РС/АТ фирмы IBM со специальным программным математическим обеспечением.
Датчик гидростатического давления - 13 может быть реализован, например, на основе преобразователя давления DIGIQUARTZ серии 2000, изготавливаемого фирмой PAROSCIENTIFIC inc. со встроенным микропроцессором, который вводит основную температурную поправку, выдает данные в цифровом виде в физических величинах в стандартном интерфейсе RS-232 и обеспечивает измерение гидростатического давления с точностью 0,01%, что позволяет с такой же точностью определять глубину до всплывающего и погружаемого аварийно-сигнального буя - 1.
В качестве примера измерителя - 12 скорости распространения звука в воде можно использовать циклический скоростемер (см.. Гусев М.Н., Яковлев Г.В. Гидроакустические доплеровские лаги. // Судостроение за рубежом, 1976, №5. - С.55-57).
Реализация заявленного способа подледного приема сигналов СНС при нахождении подводного объекта на горизонте плавания с использованием гидроакустического канала передачи навигационной информации производится следующим образом.
Подводный объект - 6 прекращает движение на заданном горизонте плавания - 20, становится на стабилизатор глубины без хода.
По выработанным блоком управления - 18 управляющим сигналам осуществляется следующее.
Спуско-подъемное устройство - 4 производит вытравливание кабель-троса - 3. В результате под действием подъемной силы аварийно-сигнальный буй - 1 всплывает к нижней кромке льда - 10. В месте приледнения аварийно-сигнального буя - 1 с помощью механизма внедрения - 8 производится внедрение антенны - 7 приемника сигналов СНС в лед до момента выхода ее изо льда в воздушную среду, прием антенной - 7 сигналов космических аппаратов - 21 СНС, измерение параметров этих сигналов и определение по их значениям обсервованных геодезических координат места внедрения антенны - 7 в лед приемником сигналов СНС.
Далее с помощью приемоизлучающих носовой - 15 и кормовой - 16 антенн двухканальной гидроакустической станций - 14 синхронно излучают в сторону двухканального маяка-ответчика - 11 сигналы запроса по одному и второму коду каждого канала и принимают переизлученные сигналы маяка-ответчика - 11 антеннами 15 и 16 двухканальной навигационной гидроакустической системой - 14 и определяют по ним обсервованные координаты φ, λ мест установки антенн 15 и 16.
В процессе подъема аварийно-сигнального буя - 1 до места его приледнения к нижней кромке льда - 10 и погружения (возвращения) на штатное место на подводном объекте - 6 на аварийно-сигнальном буе - 1 измеряют скорость распространения звука в воде соответствующим прибором (типа «Береста»), а также глубину погружения погружающего аварийно-сигнального буя - 1 гидростатическим способом с помощью гидростатического датчика.
ГА1
ГА1
ГА2
ГА2
По полученной информации от технических средств 7, 11, 12, 13, 15, 16 в навигационной гидроакустической системе - 14 определяются геодезические координаты φ, λ и φ, λ мест установки гидроакустических антенн 15 и 16 системы - 14 соответственно по следующим формулам (см. Практическое кораблевождение. Книга первая. Изд. ГУНиО МО СССР, 1988. - С.367-369):
о
о
где φ, λ - обсервованные геодезические координаты места внедрения в лед антенны - 7 приемника сигналов СНС ГЛОНАСС или GPS и определение по нему данных координат;
ГА1
ГА1
ГА2
ГА2
о
о
Δφ, Δλ; Δφ, Δλ - приращение геодезических координат к геодезическим координатам φ и λ в местах расположения антенн 15 и 16 соответственно;
Г1
Г2
1
2
D, D, П, П - горизонтальные расстояния от МО, расположенного во льду, до гидроакустических антенн 15 и 16 и пеленги этих расстояний соответственно;
H1
H2
D, D - наклонные расстояния от МО, расположенного во льду, до гидроакустических антенн - 15 и 16 соответственно;
Н - глубина до антенн 15 и 16;
ср
С - средняя скорость распространения звука в воде от МО до гидроакустических антенн - 15 и 16;
i
С - значение распространения скорости звука в воде на 1-ом горизонте;
i
Z - глубина на i-ом горизонте определения по гидростатическому давлению, измеренному гидростатическим датчиком;
n
ср
Z - горизонт, для которого вычисляется средняя скорость звука в воде C;
n
Z - первое значение глубины, определенное по гидростатическому давлению.
По значениям полученных координат в блоке - 19 определение поправок к счислимым координатам Δφ, Δλ и курсу ΔК производится по следующим формульным зависимостям:
где А - азимут прямой линии, соединяющей центр места установки первой антенны - 15 и второй антенны - 16 на корпусе подводного объекта - 6;
К - курс подводного объекта - 6, выработанный его бортовой ИНС;
δ - угол, образованный прямой линией, соединяющей центры мест установки первой - 15 и второй - 16 антенн на корпусе подводного объекта - 3, и диаметральной плоскостью подводного объекта - 6, который определяется в базе заблаговременно;
а
а
в
в
φ, λ и φ, λ - геодезические координаты центров мест установки первой - 15 и второй - 16 гидроакустических антенн навигационной гидроакустической системы - 14 на корпусе подводного объекта - 6 соответственно;
а
а
х, У - прямоугольные геодезические координаты центра места установки гидроакустической антенны - 15;
в
в
х', х' - прямоугольные геодезические координаты центра места установки второй гидроакустической антенны - 16;
N, М - радиусы кривизны первого вертикала и меридиана соответственно;
a - большая полуось земного эллипсоида;
b - малая полуось земного эллипсоида;
е' - второй эксцентриситет земного эллипсоида.
ИГ
ИГ
Анализ формул (14), (15), (16) позволяет заключить, что точность определения поправок Δφ, Δλ, ΔК заявленными способом и устройством для его осуществления характеризуется, исходя из их технической сущности, точностью определения φ, λ и Н.
Δφ,Δλ
сч
сч
Δк
сч
Оценку точности заявленного способа можно произвести по средней квадратической погрешности определения поправки m к счислимым геодезическим координатам: широте φ и долготе λ и по средней квадратической погрешности m к счислимому курсу К, вырабатываемых бортовой ИНС подводного объекта - 6.
Δφ,Δλ
ΔК
Значения m и m можно определить в соответствии с теорией вероятностей по следующим формулам:
µ
где n - количество определений поправок Δφ, Δλ и ΔК;
ЛП
ИГ
ИГ
m - средняя квадратическая погрешность навигационной линии положения, по которой определяются геодезические координаты φ, λ;
ИГ
ИГ
ИГ
ИГ
Мφ, λ - средняя квадратическая погрешность определения геодезических координат φ, λ;
Dг
m - средняя квадратическая погрешность определения расстояния;
п
m - средняя квадратическая погрешность определения пеленга;
L - расстояние между центрами установки гидроакустических антенн 15 и 16;
мо
m - средняя квадратическая погрешность определения геодезических координат маяка-ответчика приемником сигналов СНС в месте внедрения в лед антенны - 7.
ИГ
ИГ
Dг
г
п
мо
г
Δφ
Δλ
ΔK
Например, для случая, когда Мφ, λ=1 м, m=0,01 D; m=0,5°; m=0,1 м (возможности вышеприведенных технических средств, используемых для осуществления заявленного способа и устройства для его осуществления), n=16, L=100 м, D=150 м, то m, составит 0,25 м, а m=0,14°, что на порядок точнее требуемых значений определения поправок Δφ, Δλ, ΔK, указанных в нормативных документах по навигации.
Предложенное техническое решение является новым, поскольку из общедоступных сведений не известен способ подледного приема сигналов СНС, обеспечивающий вышеуказанные результаты.
Предложенное техническое решение имеет изобретательский уровень, поскольку из опубликованных научных данных и известных технических решений явным образом не следует, что заявленная дополнительная новая совокупность действий совместно с действиями сборного прототипа - способа подледного приема сигналов СНС при нахождении подводного объекта на горизонте плавания - обеспечит получение нужной информации для определения с повышенной точностью поправок к счислимым координатам и курсу, вырабатываемых бортовой ИНС.
Предлагаемое техническое решение промышленно применимо, так как для его реализации могут быть использованы стандартное оборудование и приспособления, используемые для изготовления морских приборов и технических средств, а также существующих средств навигации.
Технико-экономическая эффективность заявленного способа подледного приема сигналов спутниковых навигационных систем при нахождении подводного объекта на горизонте плавания и устройства для его осуществления заключается:
- в возможности, не меняя маршрута движения и глубины плавания при проведении исследовательских или ремонтно-восстановительных работ, определять поправки к счислимым координатам и курсу, вырабатываемые бортовой ИНС, и тем самым экономить время на поиск полыньи или разводья для производства коррекции и возвращения на заданный маршрут следования;
- в экономии средств за счет отказа от использования для коррекции координат места, вырабатываемых бортовой ИНС, донных маяков - ответчиков навигационной гидроакустической системы с длинной базой, выставка и координирование которых весьма проблематична в высоких широтах, и кроме того, зона их действия и срок службы весьма ограничены, а стоимость каждого маяка составляет 2000000 руб.