Устройство гидроакустической связи для подводной навигации

Полезная модель относится к системам связи, в частности к обработке сигналов, и может использоваться для контроля подводной обстановки и навигации подводных необитаемых автономных аппаратов.
Известно техническое решение «Метод подводного геопозиционирования и аппарат» (Патент US20070025185, МПК G01S 3/00, G01S 3/80, опубликован 01.02.2007г.), включающий способ и устройство для определения геофизического положения автономной подводной системы с использованием подводных акустических модемов, которые обмениваются широкополосными подводными акустическими сигналами. Устройство для определения геофизического положения автономной подводной акустической модемной системы содержит: базовую акустическую модемную систему, подводный акустический приемопередатчик, подключенный либо к автономной подводной акустической модемной системе, либо к базовой акустической модемной системе, по меньшей мере, одно устройство синхронизации, подключенное к упомянутой автономной системе подводного акустического модема или базовой акустической модемной системе, а также обрабатывающее устройство, подключенное либо к автономной системе подводных акустических модемов, либо к базовой системе акустических модемов.
К недостаткам данного устройства следует отнести то, что в данном техническом решении используются комбинированные методы с измерением разности фаз на приемных многоэлементных антеннах и времени прихода сигнала, а фазовые методы с использованием сложных многоэлементных антенн являются очень чувствительными к низкому отношению сигнал шум и  могут давать высокие погрешности в сложной помеховой обстановке.
Известно так же техническое решение «Устройство передачи сигналов с высокой скоростью» (Патент WO2007084164, МПК H04B 11/00, H04B 1/59, H04B 13/00, H04B 13/02, опубликован  26.07.2007г.). Данное изобретение относится к подводной связи и, в частности, к устройствам обработки гидроакустического сигнала для использования в подводной связи для обеспечения сбора и обработки сигналов между быстро передвигающимися, передающими и приемными узлами относительно друг друга. Устройство содержит гидроакустическую антенну, пользовательский интерфейс Ethernet, входной и выходной усилители и, как минимум, два подводных акустических модема. Каждый из модемов  оборудован датчиками, которые служат в качестве подводного компонента сети двунаправленной гидроакустической связи. Модем  содержит электрическую плату, сконфигурированную с платой цифровой обработки сигналов (ЦОС) для выполнения вычислительных функций при входящей и исходящей связи. Плата ЦОС содержит  приемный и передающий модули, приемный модуль содержит функционально соединенные между собой синхронный декодер сигнала данных, группу согласованных фильтров, настроенных на различные доплеровские сдвиги частот, и декодер сигнала синхронизации,  при этом выход входного усилителя соединен с входом приемного модуля, а выход последнего соединен с входом модуля интерфейса Ethernet, а его выход последовательно соединен с передающим модулем и выходным усилителем. Сигналы формируются в соответствии с заранее запрограммированными протоколами.
Данное устройство обработки сигналов не  позволяет добиться приемлемой пропускной способности и достоверности передачи информации при максимальной энергоэффективности в сложных условиях гидроакустического канала связи с учетом наличия помех и относительного движения со знакопеременным ускорением объектов связи и навигации. Кроме того, такая конструкция устройства   не позволяет использовать ее  в различных частотных диапазонах,  и как следствие, добиться необходимой дальности связи и пропускной способности, а также помехоустойчивости. В известном устройстве использует в качестве вычислителя цифровой сигнальный процессор (DSP), который является узкоспециализированным элементом для решения задач в области сигнальной обработки, а среднее энергопотребление для модулей DSP считается сравнительно высоким, также отсутствует возможность использовать полноценную операционную систему, при слабой возможности масштабировать систему без использования дополнительных протоколов. Также к недостаткам известного устройства можно отнести то, что в данном решении принято использование согласованных фильтров для сигнала с гиперболической частотной модуляцией (HFM) при сдвиге частот вследствие доплеровских эффектов, что требует дополнительных блоков коррекции сдвига в области времени отклика данного банка согласованных фильтров, что и применяется в виде дополнительных усложняющих структуру блоков обработки дополнительных частотных тонов.
Известное изобретение является наиболее близким к заявленному и принято за прототип.
Задачей заявленного устройства является повышение качества связи и навигационной точности  для мобильных необитаемых подводных аппаратов за счет повышения помехоустойчивости приемной системы, а также оптимальная совокупность электрических блоков в тракте цифровой сигнальной обработки, позволяющих работать одинаково эффективно в различных частотных диапазонах.
Поставленная задача достигается тем, что устройство приема в гидроакустической связи для подводной навигации содержит гидроакустическую антенну, входной усилитель, плату цифровой обработки сигналов (плата ЦОС) и модуль интерфейса Ethernet, которые электрически соединены между собой. Плата ЦОС одержит функционально соединенные между собой аналого-цифровой преобразователь, когерентный демодулятор сигнала, банк согласованных фильтров с управлением от корректора частоты и фазы, а также дискриминатор синхронизации.  Выход входного усилителя соединен с входом приемного модуля, выход последнего соединен с входом модуля интерфейса Ethernet.  Плата ЦОС выполнена на базе программируемой логической интегральной схемы (ПЛИС). Плата ЦОС дополнительно снабжена адаптивным корректором уровня сигнала, блоком отслеживания частоты и  фазы сигнала, банком полосовых низкочастотных фильтров и дискриминатором данных. Выход входного усилителя подключен к входу адаптивного корректора уровня сигнала, первый выход которого соединен с первым входом банка согласованных фильтров с управлением от корректора частоты и фазы, а второй выход адаптивного корректора уровня сигнала параллельно соединен с блоком отслеживания частоты и фазы сигнала и когерентным демодулятором сигнала. Выход блока отслеживания частоты и фазы сигнала соединен со вторым входом банка согласованных фильтров с управлением от корректора частоты и фазы. Выход банка согласованных фильтров с управлением от корректора частоты и фазы соединен с входом дискриминатора синхронизации. Выход дискриминатора синхронизации функционально соединен со вторым входом когерентного демодулятора сигнала. Выход когерентного демодулятора сигнала соединен с входом банка полосовых низкочастотных фильтров. Выход банка полосовых низкочастотных фильтров соединен с входом дискриминатора данных, выход дискриминатора данных соединен с модулем интерфейса Ethernet. Элементы устройства гидроакустической связи размещены в герметичном корпусе, при этом   гидроакустическая антенна жестко соединена с корпусом.
Новизна заявленного устройства приема в гидроакустической связи для подводной навигации заключается в том, что:
- в устройство дополнительно введен адаптивный корректор уровня сигнала;
- устройство дополнительно снабжено блоком отслеживания частоты и  фазы сигнала;
- устройство дополнительно содержит банк полосовых низкочастотных фильтров и дискриминатор данных;
- используется перенастраиваемый блок цифровой обработки сигналов, выполненный базе ПЛИС, позволяющий адаптировать заявленное устройство под широкий диапазон рабочих частот посредством изменения частотных режимов и протоколов обмена для гидроакустического канала связи;
- повышение помехоустойчивости обеспечивается за счет совокупной работы следующих элементов: адаптивного корректора уровня сигнала, блока согласования фильтров с управлением от корректора частоты и фазы, дискриминатора синхронизации,  блока отслеживания частоты и  фазы сигнала.
Работа устройства в различных диапазонах частот обеспечивается работой блока согласования фильтров с управлением от корректора частоты и фазы, блока отслеживания частоты и  фазы сигнала, адаптивного корректора уровня сигнала, дискриминатора синхронизации.
Именно такая совокупность существенных признаков заявленного устройства позволяет получить перенастраиваемую приемную систему в гидроакустической связи для подводной навигации для автономных подводных необитаемых аппаратов, работающих в сложной помеховой обстановке канала с высокой многолучевостью и нестационарностью при наличии мощных импульсных помех.
Полезная модель поясняется чертежом, на котором представлена блок-схема устройства.
Устройство приема в гидроакустической связи для подводной навигации, содержит герметичный корпус 1, гидроакустическую антенну 2, входной усилитель 3,  плату 4 цифровой обработки сигналов (плата ЦОС) и модуль 5 интерфейса Ethernet, которые электрически соединены между собой. Плата 4 ЦОС содержит функционально соединенные между собой аналого-цифровой преобразователь 6 (АЦП), когерентный демодулятор 7 сигнала, банк 8 согласованных фильтров с управлением от корректора частоты и фазы, а также дискриминатор 9 синхронизации.  Плата 4 ЦОС выполнена на базе программируемой логической интегральной схемы (ПЛИС). Плата 4 ЦОС дополнительно снабжена адаптивным корректором 10 уровня сигнала, блоком 11 отслеживания частоты и  фазы сигнала, банком 12 полосовых низкочастотных фильтров и дискриминатором 13 данных. Выход входного усилителя 3 подключен к входу АЦП 6, выход которого соединен с входом адаптивного корректора 10 уровня сигнала, первый выход которого соединен с первым входом банка 8 согласованных фильтров с управлением от корректора частоты и фазы, а второй выход адаптивного корректора 10 уровня сигнала параллельно соединен с блоком 11 отслеживания частоты и фазы сигнала и когерентным демодулятором 7 сигнала. Выход блока 11 отслеживания частоты и фазы сигнала соединен со вторым входом банка 8 согласованных фильтров с управлением от корректора частоты и фазы. Выход банка 8 согласованных фильтров с управлением от корректора частоты и фазы соединен с входом дискриминатора 9 синхронизации. Выход дискриминатора 9 синхронизации функционально соединен со вторым входом когерентного демодулятора 7 сигнала. Выход когерентного демодулятора 7 сигнала соединен с входом банка 12 полосовых низкочастотных фильтров. Выход банка 12 полосовых низкочастотных фильтров соединен с входом дискриминатора 13 данных, выход дискриминатора 13 данных соединен с модулем 5 интерфейса Ethernet. Элементы устройства приема в гидроакустической связи для подводной навигации размещены в герметичном корпусе 1, при этом   гидроакустическая антенна 2 жестко соединена с корпусом 1.
Устройство приема в гидроакустической связи для подводной навигации работает следующим образом.
Режим приема сигнала.
Прием сигнала производится на гидроакустическую антенну 2 с последующими операциями полосовой фильтрации и усиления сигнала с коэффициентом до 5000. Далее сигнал поступает на АЦП 6 платы 4 ЦОС, где выполняется оценка уровня сигнала и адаптивное управление его амплитудой. На этом этапе с помощью блока 11 отслеживания частоты и фазы сигнала производится также оценка набега фазы в сигнале для последующей параллельной коррекции доплеровских сдвигов при выполнении процедуры согласованной фильтрации сигналов синхронизации и данных. После этапа адаптивной коррекции амплитуды и оценки фазы сигнал поступает на банк 8 согласованных фильтров с управлением от корректора частоты и фазы, где параллельно с процедурой корреляции выполняется фазовая адаптация коэффициентов согласованного фильтра под изменения во входном сигнале. Далее на выходе банка 8 согласованных фильтров с управлением от корректора частоты и фазы с помощью дискриминатора 9 синхронизации выполняется запуск системы синхронизации для приема сигнала данных. При поступлении сигнала данных на адаптивный корректор 10 уровня сигнала по выработанному сигналу дискриминатора 9 синхронизации выполняется процедура когерентной демодуляции высокочастотного сигнала с последующей низкочастотной фильтрацией в когерентном демодуляторе 7 сигнала данных. Частота и фаза опорного генератора когерентного демодулятора 7 сигнала данных с помощью фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) управляется синхронно с поступающим сигналом. После когерентной демодуляции и низкочастотной фильтрации многочастотный сигнал данных поступает в банк  12 полосовых низкочастотных фильтров, на выходе которых формируются отклики соответствующие передаваемым данным, и обрабатываемые на дискриминаторе 13 данных. На выходе дискриминатора 13 данных формируется параллельный пакет данных с последующим параллельно-последовательным преобразованием и форматированием под Ethernet протокол в модуле 5 интерфейса Ethernet.
-5
Устройство приема в гидроакустической связи для подводной навигации обеспечивает повышение качества связи (экспериментально подтвержденная вероятность ошибки приема цифровых сообщений до 10 при скорости информационного обмена до 1 кбит/с на дистанции 3 км, центральная рабочая частота 28 кГц) и навигационной точности (экспериментально подтвержденная точность позиционирования составляет +- 2 см для дистанции 500 м в статичном положении узлов, и +- 30 см для мобильных узлов на дистанции до 500 м) для мобильных подводных узлов за счет повышения помехоустойчивости приемной системы, а также оптимальной совокупности электрических блоков в тракте цифровой сигнальной обработки (выполнена на базе ПЛИС), позволяющих работать одинаково эффективно в широком частотном диапазоне.