ГИДРОАКУСТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ
HYDROACOUSTIC POSITIONING SYSTEM

Изобретение относится к области геофизической разведки, высокоточной навигации, в частности к области подводной навигации, и может быть использовано для определения географических координат подводных буксируемых объектов при проведении морских геолого-геофизических исследований.
Известны несколько типов гидроакустических систем для позиционирования, а именно определения координат подводных объектов, с различными размерами измерительных баз. Это системы с короткой базой, системы со сверхкороткой базой, системы с длинной базой.
Системы со сверхкороткой базой относятся к угломерным системам, в которых направление на объект определяется путем измерения разности фаз между элементами антенны, образованной как минимум двумя гидроакустическими преобразователями, установленными в одном корпусе на расстояниях друг от друга менее длины волны несущего колебания, которое составляет сантиметры. Системы с короткой базой относятся к так называемым разностно-дальномерным системам, в которых координаты подводного объекта вычисляются по разности времен прихода передних фронтов импульсов, излучаемых гидроакустическим преобразователем с подводного объекта на три гидроакустических преобразователя, расположенных под водой и образующих две пересекающиеся базы. Точность определения координат снижается из-за неточности в ориентации базовых линий, а также из-за необходимости учета случайных ошибок, возникающих из-за крена и дифферента судна. Практическая дальность действия систем с короткой базой ограничивается расстоянием в 1-2 км.
Известна гидроакустическая система для позиционирования, в соответствии с которой в различных точках заданного района работ на поверхности моря устанавливаются свободно дрейфующие буи, образующие систему с длинной базой. Каждый буй имеет в своем составе навигационный приемник системы GPS и гидроакустическую систему преобразователем, заглубленным под поверхностью моря. Измеренные каждым буем собственные координаты передаются на подводный аппарат. Гидроакустическая система на подводном аппарате, получив данные о расстояниях до каждого буя и их координаты, вводит эту информацию в вычислительное устройство, которое определяет координаты подводного аппарата непосредственно на его борту. Однако подводный аппарат знает собственные координаты, но с судна невозможно отслеживать его местоположение (Патент США №5119341, опубликован 06.02.1992, МПК Н04В 001/59).
Недостатком является сложность обработки большого объема данных при передаче их по гидроакустическому каналу связи от каждого из буев и невозможность отслеживать местоположение подводного аппарата с судна.
Известна гидроакустическая система для позиционирования, в соответствии с которой в различных точках поверхности моря устанавливаются дрейфующие буи, образующие длинную базу. Каждый буй в своем составе имеет навигационный приемник GPS, часы, синхронизированные с часами GPS, гидроакустическую приемную систему с заглубленным преобразователем и радиомодем. Такие буи получили название GIB буи, а технология их применения - GIB технология (GIB - global intelligent buoy). Каждый буй измеряет собственные координаты и времена запаздывания в предустановленные моменты времени и передает вместе с координатами в стандарте NMEA по радиоканалу через радиомодем на судно. По данным принятых времен запаздывания сигналов пингера с учетом скорости звука в воде на борту судна вычисляются расстояния от подводного объекта до каждого из буев, и по известному алгоритму вычисляются и отображаются координаты подводного объекта и координаты всех буев (Патент США №5579285, МПК G01S 005/00; G01S 005/14; G01S 011/14 от 06.23.1994).
Недостатком данного устройства является то, что для определения координат глубоководных буксируемых комплексов требуется большое количество буев, так как траектория буксировки, как правило, имеет значительную протяженность. Кроме того, дрейфующие буи могут быть снесены из района работ на расстояния, превышающие дальность действия гидроакустической системы и радиомодемов.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) к предлагаемому изобретению является известная гидроакустическая система для позиционирования, содержащая буксирующее судно, соединенные с ним кабель-тросом буксируемый подводный объект и буи с неподвижными рулями, предварительно установленными на заданный угол, расположенные на поверхности моря, в количестве не менее трех штук, и имеющие в своем составе последовательно соединенные антенну Global Positioning System (GPS), модуль GPS и контроллер, гидроакустическую приемную систему, выделяющую и принимающую сигнал пингера, излучающего гидроакустический сигнал в предустановленные моменты времени, которым снабжен буксируемый подводный объект, и контроллером-измерителем временных интервалов, при этом буи и буксируемый подводный объект соединены каждый с буксирующим объектом кабелем-тросом, образуя систему с длинной базой с обеспечением постоянного пространственного нахождения буксируемого объекта внутри измерительной базы системы, сохраняя соотношения размеров измерительной базы при любых протяженных траекториях перемещениях подводного объекта, при этом буи снабжены неподвижными рулями, предварительно установленными на заданный угол, и преобразователем, размещенным под поверхностью моря (Патент РФ №2303275, МПК G01S 3/80 от 12.08.2004 г. )
Недостатком данного устройства является невозможность его применения для позиционирования многоэлементных цифровых кабельных антенн.
Техническим результатом изобретения является обеспечение возможности позиционирования многоэлементных буксируемых гидроакустических антенн, например, Патент РФ №2417383 от 27.04.2011 г, Патент РФ №2426146 от 10.08.2011 г, Патент РФ №2458359 от 10.08.2012 г., Патент РФ №2461845 от 20.09.2012 г.
Технический результат достигается за счет того, что в гидроакустической системе для позиционирования, содержащей буксирующее судно, соединенные с ним кабель-тросом буксируемый подводный объект и буи с неподвижными рулями, предварительно установленными на заданный угол, расположенные на поверхности моря, в количестве не менее трех штук, и имеющие в своем составе последовательно соединенные антенну Global Positioning System (GPS), модуль GPS и контроллер, согласно изобретению буксируемый подводный объект выполнен в виде многоэлементной цифровой кабельной антенны, буксирующее судно снабжено блоком синхронизации и обработки данных, при этом каждый буй снабжен последовательно соединенными с первым выходом контроллера генератором, усилителем и гидроакустическим излучателем, а также блоком памяти, соединенным со вторым выходом контроллера, причем каждый буй соединен с буксирующим судном соответствующим тросом, причем блок синхронизации и обработки данных выполнен в виде последовательно соединенных антенны GPS, модуля GPS, контроллера, модуля сбора данных и компьютера, при этом первый вход модуля сбора данных соединен с выходом контроллера, а второй вход модуля сбора данных соединен через кабель-трос с выходом многоэлементной цифровой кабельной антенны.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлен общий вид предлагаемого устройства, на фиг. 2 представлена блок-схема элементов буя, на фиг. 3 представлена блок-схема блока синхронизации и обработки данных.
Устройство содержит буксирующее судно 1, соединенные с ним кабель-тросом 2 буксируемый подводный объект 3, выполненный в виде многоэлементной цифровой кабельной антенны, буи 4 в количестве не менее трех штук с неподвижными рулями 5, предварительно установленными на заданный угол, расположенные на поверхности моря и соединенные с буксирующим судном 1 соответствующими тросами 6, блок синхронизации и обработки данных 7.
Каждый буй 4 содержит в своем составе последовательно соединенные антенну Global Positioning System (GPS) 8, модуль GPS 9, контроллер 10, генератор 11, усилитель 12 и гидроакустический излучатель 13, а также блок памяти 14.
Блок синхронизации и обработки данных содержит последовательно соединенные антенну Global Positioning System (GPS) 15, модуль GPS 16, контроллер 17, модуль сбора данных 18 и компьютер 19, при этом многоэлементная кабельная цифровая антенна 3 соединена через кабель-трос 2 со вторым входом модуля сбора данных 18.
Устройство работает следующим образом.
Буксирующее судно 1 буксирует соединенные с ним кабель-тросом 2 буксируемый подводный объект 3, выполненный в виде многоэлементной цифровой кабельной антенны, буи 4 в количестве не менее трех штук с неподвижными рулями 5, предварительно установленными на заданный угол, расположенные на поверхности моря и соединенные с буксирующим судном 1 соответствующими тросами 6.
Буи 4 системы позиционирования представляет собой автономное устройство, буксируемое на тросе 5 за буксирующим судном 1. На фиг. 2 показана блок-схема работы буя 4. Антенна системы GPS 8 принимает сигналы от спутников, модуль GPS 9 обрабатывает сигналы и вычисляет координаты буя 4. Также модуль GPS 9 генерирует сигналы точного спутникового времени. Контроллер 10 производит обработку полученной информации и с первого выхода выдает команды для работы генератора 11. Генератор 11 формирует сигнал для управления усилителем мощности 12. Усилитель мощности 12 усиливает сигналы генератора 11 и передает их на гидроакустический излучатель 13. Гидроакустический излучатель 13 излучает сигнал буя 3.
Одновременно контроллер 10 со второго выхода передает полученную информацию от буя 4 в блок памяти 14.
Гидроакустический сигнал с буя 4 поступает на многоэлементную цифровую кабельную антенну 3.
Для разделения сигналов разных буев 4, работающих в системе, разные буи 4 настраиваются на излучение в разные моменты времени и излучают сигналы с различной формой огибающей. Это позволяет различать многоэлементной цифровой кабельной антенной 3 сигналы разных буев 4.
Блок синхронизации и обработки данных 7 предназначен для синхронизации по времени многоэлементной цифровой кабельной антенны 3. Блок-схема работы блока синхронизации 7 показана на фиг. 3. Антенна системы GPS 15 принимает сигналы от спутников, модуль GPS 16 обрабатывает сигналы и вычисляет координаты буя 4, также модуль GPS 16 генерирует сигналы точного спутникового времени. Контроллер 17 производит обработку полученной информации и передает сигналы точного времени и данные. Модуль сбора данных 18 обрабатывает информацию, поступающую с многоэлементной цифровой кабельной антенны 3, и синхронизирует ее по времени. Полученные данные передаются на компьютер 19 для сохранения и обработки.
Таким образом, предложенная гидроакустическая система для позиционирования позволяет использовать в составе исследовательского гидроакустического комплекса многоэлементную цифровую кабельную антенну.