Способ осуществления гидроакустической связи между автономными подводными аппаратами
METHOD OF PERFORMING HYDROACOUSTIC COMMUNICATION BETWEEN AUTONOMOUS UNDERWATER VEHICLES

Изобретение относится к аппаратуре и способам гидроакустической связи между автономными подводными аппаратами (ПА).
Гидроакустическая связь является необходимым средством обеспечения функционирования ПА, поскольку, кроме обмена данными и командами с пунктом управления и взаимодействующими ПА, при помощи гидроакустической связи реализуется высокоточное позиционирование ПА [1-4].
Для осуществления гидроакустической связи на всех без исключения автономных ПА устанавливается ненаправленная (в зарубежной литературе всенаправленная) приемно-излучающая гидроакустическая антенна [5-7].
Способ-прототип [5] осуществления гидроакустической связи между двумя ПА проиллюстрирован на фиг. 1. При необходимости первому ПА передать сообщение по гидроакустическому каналу второму ПА, первый ПА с использованием ненаправленной антенны посылает запрос на передачу сообщения с указанием в запросе условного номера второго ПА (блок 1). Второй ПА принимает запрос с использованием ненаправленной антенны (блок 2). Убедившись, что запрос адресован ему, второй ПА с использованием ненаправленной антенны посылает первому ПА подтверждение готовности к приему сообщения (блок 3). Первый ПА с использованием ненаправленной антенны принимает от второго ПА подтверждение готовности к приему сообщения (блок 4) и с использованием ненаправленной антенны передает сообщение второму ПА (блок 5). Второй ПА с использованием ненаправленной антенны принимает сообщение от первого ПА (блок 6).
Заметим, что вместо одной ненаправленной приемно-излучающей антенны могут использоваться отдельные приемная и излучающая ненаправленные антенны.
Положительным аспектом использования ненаправленных антенн является то, что для вхождения в гидроакустическую связь с конкретным корреспондентом не нужно знать его угловые координаты.
Однако применение ненаправленных антенн гидроакустической связи имеет и свои недостатки, а именно:
- Низкая скрытность гидроакустической связи, поскольку передаваемое сообщение может принимать любой подводный объект, расположенный во всем круговом секторе относительно излучающего ПА.
- Малые дальности гидроакустической связи в силу низкой концентрации ненаправленной антенны, как при излучении, так и при приеме. При необходимости повысить дальность гидроакустической связи приходится повышать мощность излучения, что ведет к дополнительному расходованию заряда аккумуляторной батареи ПА и к еще большему снижению его скрытности.
Решаемая техническая проблема - совершенствование гидроакустической связи между подводными аппаратами.
Технический результат - повышение дальности и скрытности гидроакустической связи.
Указанный технический результат достигается тем, что на ПА, кроме ненаправленной приемно-излучающей антенны гидроакустической связи, дополнительно устанавливается направленная приемно-излучающая антенна гидроакустической связи (либо отдельные направленные приемная и излучающая антенны). Поскольку координаты ПА, которому необходимо передать сообщение, не известны, то запрос на передачу сообщения передается с использованием ненаправленной антенны. А уже подтверждение готовности получить сообщение и передача самого сообщения осуществляются с использованием направленной антенны.
Осуществление предлагаемого способа показано на фиг. 2. При необходимости первому ПА передать сообщение второму ПА, первый ПА с использованием ненаправленной излучающей антенны посылает запрос на передачу сообщения на установление гидроакустической связи с указанием в запросе условного номера второго ПА (блок 1). Второй ПА принимает запрос с использованием направленной приемно-излучающей антенны с одновременным определением направления прихода запроса (блок 2). Убедившись, что запрос адресован ему, второй ПА с использованием направленной приемно-излучающей антенны посылает по направлению прихода запроса подтверждение готовности к приему сообщения (блок 3). Первый ПА с использованием направленной приемно-излучающей антенны принимает от второго ПА подтверждение готовности к приему сообщения с одновременным определением направления прихода подтверждения (блок 4) Первый ПА с использованием направленной приемно-излучающей антенны передает по направлению прихода подтверждения сообщение второму ПА (блок 5). Второй ПА с использованием направленной приемно-излучающей антенны принимает с направления прихода запроса сообщение от первого ПА (блок 6).
При этом следует заметить, что, поскольку в предлагаемом способе запрос на передачу данных посылается, как и прежде, с использованием ненаправленной излучающей антенны, имеющей меньший коэффициент концентрации по сравнению с направленной антенной, то для обеспечения дальности связи, соответствующей использованию направленных антенн, излучение запроса должно осуществляться с повышенной мощностью, компенсирующей снижение концентрации на частоте излучения ненаправленной антенны по сравнению с направленной.
Расчет эффективности реализации предлагаемого изобретения проведен для следующих исходных данных:
- глубина района 200 м;
- гидроакустические условия соответствуют условиям зимнего периода в мелком море (сплошная акустическая освещенность). Вертикальное распределение скорости звука для этих условий приведено в табл. 1. Волнение моря 3 балла;
- коэффициент пространственного затухания рассчитывается по формуле [8]:
kHz
kHz
где f - средняя частота сигнала гидроакустической связи (f=12,5 кГц);
- полоса частот сигнала гидроакустической связи 3 кГц;
- ненаправленная приемно-излучающая антенна представляет собой цилиндр диаметра 10 см и высоты 10 см;
- направленная приемно-излучающая гидроакустическая антенна представляет собой цилиндр диаметра 50 см и высоты 10 см (ширина характеристики направленности в горизонтальной плоскости на частоте сигнала гидроакустической связи 15°);
- акустическая мощность излучения 100 Вт;
-4
- пороговое отношение сигнал/помеха для обнаружения сигнала гидроакустической связи и его распознавания с ошибкой не более 10 на символ +10 дБ.
Выполненные теоретические оценки показали, что:
- дальность двусторонней гидроакустической связи с использованием ненаправленных антенн составляет 8,7 км;
- дальность двусторонней гидроакустической связи с использованием дополнительно используемой на правленной приемно-излучающей антенны составляет 15,8 км. Т.е. при использовании направленной приемно-излучающей антенны дальность гидроакустической связи возрастает более чем на 80%;
- при переходе от ненаправленной к использованию направленной приемно-излучающей антенны показатель скрытности гидроакустической связи, равный отношению ширины характеристик направленности в горизонтальной плоскости ненаправленной антенны и ширины характеристики направленности направленной антенны, возрастает в 24 раза.
Таким образом, заявленный технический результат - повышение дальности и скрытности гидроакустической связи - можно считать достигнутым.
Источники информации:
1. Kinsey J.C., Eustice R.M., Whitcomb L.L. A Survey of Underwater Vehicle Navigation: Recent Advances and new Challenges // IF AC Conference on maneuvering and control of marine craft. 2006. Lisbon, Portugal.
2. Кебкал К.Г., Машошин А.И. Гидроакустические методы позиционирования автономных необитаемых подводных аппаратов // Гироскопия и навигация, 2016, №3 (94), с. 115-130.
3. Дубровин Ф.С., Щербатюк А.Ф. Исследование некоторых алгоритмов одномаяковой мобильной навигации АНПА: результаты моделирования и морских испытаний // Гироскопия и навигация. 2015. №4. С. 160-170.
4. Милн П.Х. Гидроакустические системы позиционирования // Л.: Судостроение. 1989.
5. Тарасенко А.А., Краснов В.В., Смирнов К.А., Кирьянов А.В., Хан Р.Е. Зарубежные самоходные необитаемые морские аппараты // СПб: АО "СПМБМ "Малахит". 2016. 300 с.
6. Илларионов Г.Ю., Сиденко К.С., Бочаров Л.Ю. Угроза из глубины: XXI век // Хабаровск: КГУП "Хабаровская краевая типография". 2011. 304 с.
7. Белоусов И. Современные и перспективные необитаемые подводные аппараты ВМС США // Зарубежное военное обозрение. 2013. №5. С. 79-88.
8. Урик Р. Дж. Основы гидроакустики // Л.: Судостроение, 1978.