СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕСТОПОЛОЖЕНИЯ СУДОВ
METHOD FOR DETERMINING THE LOCATION OF VESSELS

Изобретение относится к области измерений, навигации, мониторинга и контроля движения судов и может быть использовано для разработки технических систем и средств навигационного обеспечения, связи и управления объектами навигации.
Известен способ определения географических координат подводного объекта по патенту RU №2713814 С1 от 29.11.2018, МПК G01S 15/42 (2006.01) опубл. 07.02.2020 Бюл. №4 [1], заключающийся в определении географических координат подводного объекта посредством гидроакустических приемо-передающих устройств от постоянно дрейфующего навигационного маяка, а глубина нахождения подводного объекта определяется по показаниям датчика давления [1].
Известна гидроакустическая навигационная система по патенту RU №2477497 С1 от 06.06.2011, МПК G01S 15/08 (2006.01) опубл. 10.03.2013 Бюл. №7 [2], содержащая навигационную базу из Μ гидроакустических приемоответчиков с различными частотами ответа, гидроакустический приемопередатчик, аппаратуру измерения временных интервалов распространения сигналов, часть из Μ гидроакустических приемоответчиков навигационной базы закреплена на морском дне, остальные установлены на водной поверхности и оснащены приемниками сигналов спутниковых радионавигационных систем. Антенна гидроакустического приемопередатчика выполнена с электронно-управляемой формой характеристики направленности, при этом управление формой характеристики направленности осуществляется с помощью навигационного вычислителя, число лучей характеристики направленности поддерживается равным числу маяков-ответчиков, а их ширина - обратно пропорциональной дистанциям соответствующих маяков ответчиков до объекта навигации [2].
Недостатками данных способа и системы является отсутствие возможности определения скорости подводного объекта, отсутствие возможности отображения подводного объекта на судоходной электронной графической карте и учета его при навигации судов в акватории, необходимость организации электропитания дрейфующих навигационных маяков, отсутствие возможности точного определения местоположения судна в местах отсутствия покрытия глобальной навигационной спутниковой системы, постоянно дрейфующие маяки под действием течений и ветров уходят с заданных мест и требуют постоянного контроля целостности их системы распределения в акватории.
Известен способ измерения разборчивости речи (Пат. 2620569 от 26.05.2017 Российская Федерация, МПК G10L 15/00 (2006.01) [3], основанный на использовании виброакусто-оптического эффекта, для распознавания речи в оптическом волокне.
Недостатком данного способа является отсутствие возможности определения точного места положения источника виброакустического воздействия.
Известен способ одновременного измерения разборчивости речи нескольких источников (RU, патент 2 690 027 С1, МПК H04R 29/00 (2006.01), СПК H04R 29/00 (2018.08), 2019, Бюл. №16) [4], заключающийся в том, что прокладывают по заданным точкам выделенного помещения пространственно-распределенный преобразователь акустического сигнала, представленный оптическим волокном, программно разбивают его на K измерительных участков и задают K точек измерения, каждая из которых выступает отдельным приемником акустических сигналов, что в совокупности с измерительным модулем позволяет произвести разборчивость речи от Μ источников одновременно.
Недостатком данного способа является отсутствие возможности определения точного места положения каждого источника виброакустического воздействия.
Известен способ определения координат места падения боеприпаса (RU, патент 2 730 420 С1, МПК F41J 5/00 (2006.01), G01V 1/24 (2006.01), G01V 1/30 (2006.01), СПК F41J 5/00 (2020.02); G01V 1/24 (2020.02); G01V 1/30 (2020.02), 2020, Бюл. №24) [5], основанный на установке на испытательном полигоне сейсмических регистраторов, приеме и анализе параметров сейсмических колебаний, определении координат точки удара боеприпаса о грунт - эпицентра сейсмических колебаний по их параметрам, в грунт измерительной площадки посредствам распределенного преобразователя сейсмических колебаний (РПСК), представленного оптическим волокном (ОВ), таким образом, чтобы в двух и более направлениях было проложено не менее двух параллельных линий, программно разбивают его на N измерительных участков и задают K точек измерения, каждая из которых выступает отдельным приемником сейсмических колебаний, подключают РПСК к измерительному модулю (ИМ), расположенному на безопасном удалении от измерительной площадки, производят калибровку ИМ и после воздействия боеприпаса на полигон вычисляют по точкам первичного воздействия пеленги на центр формирования сейсмических колебаний, определяют центр формирования сейсмических колебаний в плоскости закладки РПСК от n точек измерения, вычисляют координаты эпицентра сейсмических колебаний - места падения боеприпаса.
Недостатком данного способа является узкая область применения, отсутствие возможности идентификации отслеживаемых объектов, отсутствие возможности определения скорости объекта, отсутствие возможности пополнения базы данных признаковыми индивидуальными вибро-акустическими характеристиками.
Наиболее близким аналогом и принятым за прототип является способ, реализованный в решении по патенту «Арктическая подводная навигационная система для вождения и навигационного обеспечения надводных и подводных объектов навигации в стесненных условиях плавания» (RU, патент 2596244 С1, от 10.08.2015 г., МПК G01S 15/58 (2006.01) опубл. 10.09.2016 Бюл. №25, 2020, Бюл. №24) [6]. Технический результат, достигаемый при реализации разработанной системы навигации, состоит в повышении точности и безопасности судовождения. Система содержит проложенный по дну ведущий кабель, береговой генератор тока и судовую аппаратуру. Дополнительно вдоль трассы кабеля устанавливают, по меньшей мере, два гидроакустических маяка с различающимися частотами излучения импульсных сигналов, синхронизированных по тому же кабелю. Судовая аппаратура выполнена с возможностью определения положения объекта вдоль кабеля по гиперболическим изолиниям, соответствующим измеренным разностям времен прохождения сигналов от пары гидроакустических маяков, координаты которых заведомо известны.
Недостатком прототипа является отсутствие возможности создания графической модели судоходной акватории, отсутствие возможности идентификации отслеживаемых объектов, отсутствие возможности определения скорости объекта, отсутствие возможности пополнения базы данных признаковыми индивидуальными вибро-акустическими характеристиками, большие энергетические затраты для питания системы на всей его протяженности.
Техническим результатом изобретения является повышение точности и сокращение времени определения координат и направления движения каждого судна, а также вычисления скорости движения судов в акватории при их навигации за счет использования пространственно-распределенных преобразователей виброакустических воздействий, представленных волоконно-оптическими кабелями (ВОК), позволяющих расширить диапазон низких частот.
n j
max
Ci
m
m
Ci
n i
m
C n i
m
C n i
m
n i
m
C n i
n j
C n i
n j
Ci
Ci
Ci
Ci
Ci
Ci+1
Ci
Ci
Ci
Технический результат достигается тем, что в известном способе определения местоположения судов, заключающемся в том, что в судоходной акватории размещают гидроакустические приемники, измеряют виброакустические воздействия судов на гидроакустические приемники, определяют координаты судов и передают их на суда для осуществления навигации, дополнительно задают периодичность Δt измерений амплитуд A виброакустических воздействий окружающей акустической обстановки, максимальное время проведения измерений T, частотный диапазон измерений, задают индивидуальные виброакустические характеристик B судов, формируют графическую модель судоходной акватории с учетом карты местности, в качестве K гидроакустических приемников используют Μ пространственно-распределенных преобразователей виброакустических воздействий, представленных волоконно-оптическими кабелями, для чего по дну судоходной акватории в направлении движения судов прокладывают Μ волоконно-оптических кабелей, подключают каждый из Μ пространственно-распределенных преобразователей виброакустических воздействий к соответствующему комплекту аппаратуры Q мониторинга и регистрации внешних вибро-акустических воздействий, программно разбивают каждый из Μ пространственно-распределенных преобразователей виброакустических воздействий на N точек измерения, при этом каждая из N точек измерения выступает отдельным приемником виброакустических воздействий, а количество гидроакустических приемников , производят калибровку каждого комплекта аппаратуры Q мониторинга и регистрации внешних виброакустических воздействий исходя из оптической длины пространственно-распределенного преобразователя вибро-акустических воздействий и осуществляют привязку координат прокладки волоконно-оптического кабеля к ранее сформированной графической модели судоходной акватории, создают базу данных {B} индивидуальных виброакустических характеристик судов, с заданной периодичностью Δt измеряют в заданном диапазоне частот амплитуду A виброакустических воздействий окружающей акустической обстановки, оказываемые на N точек измерений, и запоминают их значения, измеряют в заданном диапазоне частот амплитуду A виброакустических воздействий, оказываемые на N точек измерений, излучаемые судами в реальных условиях, сравнивают измеренные значения амплитуды A виброакустических воздействий, оказываемых судами на N точек измерения, со значениями амплитуды A виброакустических воздействий, оказываемых на N точек измерения, окружающей акустической обстановки, если значение амплитуды вибрационных воздействий A в заданном диапазоне частот меньше амплитуды A вибрационных воздействий окружающей обстановки, то продолжают измерять параметры вибрационных колебаний в эксплуатационных условиях объекта с периодом измерения Δt, если значение амплитуды вибрационных воздействий A в заданном диапазоне частот больше заданной амплитуды A вибрационных воздействий окружающей обстановки, то регистрируют спектрограммы B индивидуальных виброакустических характеристик судов, сравнивают зарегистрированную спектрограмму B с множеством спектральных шаблонов {B} из базы данных, если полученная спектрограмма B не соответствует ни одному из заданных шаблонов {B}, то определяют характер воздействия, регистрируют новый спектральный шаблон воздействия Β и заносят в базу данных, при выявлении соответствия полученной спектрограммы B с заданным спектральным шаблоном {B} идентифицируют суда по индивидуальным виброакустическим характеристикам судов B, и по ним определяют и запоминают точки воздействия каждого судна на пространственно-распределенные преобразователи виброакустических воздействий, определяют по точкам воздействия координаты и направление движения каждого судна, а также вычисляют их скорости движения, передают на каждое судно его координаты, скорость и направление движения, а также близлежащих судов, влияющих на безопасность судоходства в данной акватории, отображают координаты каждого судна на графической модели акватории, осуществляют мониторинг судоходной акватории на протяжении всего времени судоходства.
Благодаря новой совокупности существенных признаков в заявленном способе обеспечивается своевременность, повышение скорости и точности определения координат и направление движения каждого судна, а также вычисления скорости движения судов в акватории, что обеспечивает повышение безопасности навигации судоходства в заданной акватории. В качестве гидроакустических приемников используется ВОК, который заменяет любое необходимое количество точечных комбинаций приемников вибрационных воздействий.
Из уровня техники не выявлено решений, касающихся способов своевременного определения координат и направление движения каждого судна, а также вычисления скорости движения судов в акватории, характеризующихся заявленной совокупностью признаков, следовательно, предлагаемое изобретение соответствует критерию патентоспособности - «новизна».
Заявленный способ поясняется чертежом - блок-схема способа определения местоположения судов.
Заявленный способ реализован в виде блок-схемы моделирования, представленной на чертеже.
n j
max
Ci
В блоке 1 задают периодичность Δt измерений амплитуд A виброакустических воздействий окружающей акустической обстановки, максимальное время проведения измерений T, частотный диапазон измерений ƒ1÷ƒ2, задают индивидуальные виброакустические характеристики судов B.
Период измерения Δt выбирается в зависимости от длины ОВ. Период измерения Δt должен быть больше времени прохождения оптического импульса по всей протяженности ОВ и обратно.
max
Максимальное время проведения измерений T задается большим или равным времени организации навигации в судоходной акватории и имеет возможность корректировки в случае увеличения времени судоходства.
Границы частотного диапазона измерений задаются относительно необходимого диапазона частот, мониторинг которых обеспечивает функционирование заявленного способа определения местоположения судов.
Ci
Ci
Индивидуальные виброакустические характеристики судов B могут быть получены по результатам экспериментальных исследований и представлены в виде спектральных шаблонов B для каждого судна.
В блоке 2 формируют графическую модель судоходной акватории с учетом карты местности. Графическая модель может быть сформирована посредством графических редакторов, таких как GPSMapEdit [7], MapEdit++ [8], ArcGIS Pro [9] и д.р.
В блоке 3 в судоходной акватории размещают гидроакустические приемники. При этом в качестве K гидроакустических приемников используют Μ пространственно-распределенных преобразователей виброакустических воздействий, представленных волоконно-оптическими кабелями, для чего по дну судоходной акватории в направлении движения судов прокладывают Μ волоконно-оптических кабелей,
В блоке 4 подключают каждый из Μ пространственно-распределенных преобразователей виброакустических воздействий (ПРПВАВ) к соответствующему комплекту аппаратуры Q мониторинга и регистрации внешних вибро-акустических воздействий (МРВВАВ). Регистрация внешних виброакустических воздействий может быть осуществлена при помощи измерительного блока (ИБ), описанного в патенте РФ 2 715 176 С1 МПК: G10L 15/00 (2013.01), Н04 В 10/25 (2013.01), G01R 29/08 (2006.01), СПК: G10L 15/00 (2019.08), Н04 В 10/25 (2019.08), 2020, Бюл. №6 [10].
Принцип действия ИБ с ПРГТВАВ на основе оптического волокна (ОВ) реализован на принципе действия оптического рефлектометра. В ОВ (ПРГТВАВ) лазером вводится мощное измерительное оптическое излучение и анализируются характеристики рассеянного на примесях, распределенных по всей длине ОВ (ПРГТВАВ), отраженного назад оптического излучения. За счет чувствительности приемной части измерительного модуля к фазовой (амплитудной, частотной, поляризационной) модуляции (например, при использовании интерферометра Маха-Цендера (Быков В.П. Лазерная электродинамика. Элементарные и когерентные процессы при взаимодействии лазерного излучения с веществом. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2006, стр. 50-77)) [11] в ПРПВАВ возможно, как измерение вибрационных колебаний по всей тестируемой длине волокна, так и локализация измерения на любом его участке за счет разного времени возврата отраженных от примесей оптических сигналов [4, 5].
m
m
m
В блоке 5 программно разбивают каждый из Μ пространственно-распределенных преобразователей виброакустических воздействий на N точек измерения [3, 4, 5], при этом каждая из N точек измерения выступает отдельным приемником виброакустических воздействий, а количество гидроакустических приемников является совокупностью N точек измерения:
Под измерительной точкой понимается участок ВОК, необходимый для осуществления измерения точки мониторинга. При необходимости, измерительные точки (участки ВОК) могут уменьшаться с целью повышения точности определения координат вибрационных воздействий.
В блоке 6 производят калибровку каждого комплекта аппаратуры Q мониторинга и регистрации внешних виброакустических воздействий исходя из оптической длины пространственно-распределенного преобразователя вибро-акустических воздействий. В этих целях излучают тестовый световой импульс в ПРГТВАВ и по времени отраженного импульсного сигнала определяют границы ПРГТВАВ [5]. Затем, излучая тестовые световые импульсы в ПРПВАВ, производят направленные вибрационные воздействия на ПРГТВАВ и отмечают границы каждой из N измерительных точек.
В блоке 7 осуществляют привязку координат прокладки волоконно-оптического кабеля к ранее сформированной графической модели судоходной акватории, что позволяет оперативно определять координаты и изменения виброакустических воздействий.
Ci
Ci
В блоке 8 создают базу данных индивидуальных виброакустических характеристик судов {B}. База данных индивидуальных виброакустических характеристик судов {B} обновляется при подключении новых пользователей и регистрации их судов.
n i
m
n
m
В блоке 9 с заданной периодичностью измеряют в заданном диапазоне частот значение амплитуд A виброакустических воздействий окружающей акустической обстановки, оказываемые на N точек измерений, и запоминают их значения. Амплитуды вибрационных воздействий A измеряются посредством измерительных устройств Q МРВВАВ, которые могут быть построены на основе когерентных рефлектометров [10, 11].
C n i
m
В блоке 10 измеряют в заданном диапазоне частот значение амплитуд A виброакустических воздействий, излучаемых судами в реальных условиях, оказываемых на N точек измерений.
C n i
m
n i
m
В блоке 11 сравнивают значение амплитуд A виброакустических воздействий, оказываемых судами на N точек измерения, со значением амплитуд A виброакустических воздействий окружающей акустической обстановки, оказываемых на N точек измерения
C n i
m
n j
Если значение амплитуд вибрационных воздействий A виброакустических воздействий, оказываемых судами на N точек измерения в заданном диапазоне частот меньше значений амплитуд A вибрационных воздействий окружающей обстановки, то продолжают измерять параметры вибрационных колебаний в эксплуатационных условиях объекта с периодом измерения Δt (бл. 9 чертежа).
C n i
m
n j
Если значение амплитуд вибрационных воздействий A виброакустических воздействий, оказываемых судами на N точек измерения в заданном диапазоне частот больше средних значений амплитуд A вибрационных воздействий окружающей обстановки, то переходят к блоку 12.
Ci
Ci
m
В блоке 12 регистрируют спектрограммы B индивидуальных виброакустических характеристик судов. Спектрограммы B индивидуальных виброакустических характеристик судов регистрируют посредством измерительных устройств Q МРВВАВ, которые могут быть построены на основе когерентных рефлектометров [10, 11].
Ci
Ci
В блоке 13 сравнивают зарегистрированную спектрограмму B с множеством спектральных шаблонов {B} из базы данных.
Ci
Ci
Ci+1
Если полученная спектрограмма B не соответствует ни одному из заданных шаблонов {B}, то определяют характер воздействия (бл. 20 чертежа), регистрируют новый спектральный шаблон воздействия Β (бл. 21 чертежа) и заносят в базу данных (бл. 8 чертежа).
Ci
Ci
Ci
При выявлении соответствия полученной спектрограммы B с заданным спектральным шаблоном {B} в блоке 14 идентифицируют суда по индивидуальным виброакустическим характеристикам судов B.
В блоке 15 определяют и запоминают точки воздействия каждого судна на пространственно-распределенные преобразователи виброакустических воздействий.
В блоке 16 определяют по точкам воздействия координаты и направление движения каждого судна, а также вычисляют их скорости движения.
В блоке 17 передают на каждое судно его координаты, скорость и направление движения, а также близлежащих судов, влияющих на безопасность судоходства в данной акватории,
В блоке 18 отображают координаты каждого судна на графической модели акватории.
т
max
т
max
В блоке 19 производят сравнение текущего времени проведения измерений Т с максимальным временем проведения измерений T. Если текущее время проведения измерений Τ меньше максимального времени проведения измерений T, то продолжают измерять параметры вибрационных колебаний в эксплуатационных условиях объекта с периодом измерения Δt (бл. 9 чертежа), иначе измерения прекращаются.
Мониторинг судоходной акватории осуществляют на протяжении всего времени судоходства.
Ci
Таким образом, за счет применения, пространственно-распределенные преобразователей виброакустических воздействий на основе оптического волокна с возможностью приема вибрационных воздействий в плоскости закладки волоконно-оптического кабеля от N измерительных точек в совокупности с измерительной аппаратурой мониторинга и пополняемой базой данных {B} достигается выполнение технического результата.
Источники информации:
1. RU №2713814 С1 от 29.11.2018, МПК G01S 15/42 (2006.01) опубл. 07.02.2020 Бюл. №4
2. RU №2477497 С1 от 06.06.2011, МПК G01S 15/08 (2006.01) опубл. 10.03.2013 Бюл. №7
3. RU, патент 2 620 569, МПК G10L 15/00 (2006/01), H04R 29/00 (2006.01), 2017, Бюл. №15
4. RU, патент 2 690 027 С1, МПК H04R 29/00 (2006.01), СПК H04R 29/00 (2018.08), 2019, Бюл. №16
5. RU, патент 2 730 420 С1, МПК F41J 5/00 (2006.01), G01V 1/24 (2006.01), G01V 1/30 (2006.01), СПК F41J 5/00 (2020.02); G01V 1/24 (2020.02); G01V 1/30 (2020.02), 2020, Бюл. №24
6. RU, патент 2 596 244 С1, от 10.08.2015 г., МПК G01S 15/58 (2006.01) опубл. 10.09.2016 Бюл. №25
7. http://www.geopainting. com/index.php?lang=ru_RU
8. http://www.gpsvsem.ru/soft.php?id=52
9. https://www.esri.com/ru-ru/arcgis/products/arcgis-pro/overview
10. RU, патент 2 715 176 C1 МПК G10L 15/00 (2013.01), H04B 10/25 (2013.01), G01R 29/08 (2006.01), СПК G10L 15/00 (2019.08), H04B 10/25 (2019.08), 2020, Бюл. №6.
11. Быков В.П. Лазерная электродинамика. Элементарные и когерентные процессы при взаимодействии лазерного излучения с веществом. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2006, стр. 50-77