Способ позиционирования подводных аппаратов
METHOD OF UNDERWATER VEHICLES POSITIONING

Изобретение относится к способам навигации автономных подводных аппаратов (ПА), конкретно к гидроакустическим способам определения местонахождения ПА с использованием подводных акустических маяков (AM).
Известен ряд гидроакустических способов позиционирования ПА с использованием AM [1-10]. Все эти способы объединяет наличие одного или нескольких AM с известными координатами, излучающих либо переизлучающих гидроакустические сигналы. Эти AM могут располагаться на дне (донные маяки-ответчики - ДМО), на дрейфующих буях, оборудованных приемниками сигналов глобальной навигационной системы, на надводных судах. Достоинством этих способов является простота и высокая точность позиционирования ПА, а недостатком - высокая стоимость реализации этих способов вследствие высокой стоимости AM, а также ограниченный срок действия, что обусловлено в случае автономных AM (ДМО и буев) ограниченным ресурсом их аккумуляторных батарей (АБ).
м
накл
м
накл
м
ПА
м
м
ПА
ПА
В качестве прототипа выберем способ позиционирования ПА, описанный в [1, с. 174]. Существо способа-прототипа поясняется на фиг. 1. В некоторой точке моря с известными координатами устанавливается AM (например, в виде ДМО или заякоренного, либо дрейфующего буя) с гидроакустическим излучателем, периодически излучающим сигнал в строго определенные моменты времени. ПА принимает эти сигналы, при помощи пассивной гидроакустической станции (ГАС) определяет пеленг на AM Р и наклонную дистанцию до AM R (последнюю по разности времени приема сигнала и планового времени излучения сигнала, умноженной на скорость звука в воде). С использованием измеренных Р и R и известных отстояний от дна AM Н и ПА Н, а также координат AM X, Y в некоторой местной декартовой системе координат, в которой ось Y совпадает с направлением на север, а ось X - на восток, вычисляются координаты ПА Х, Y в той же системе координат по формулам:
Недостатками способа-прототипа являются:
- высокая стоимость AM (вследствие наличия гидроакустического излучателя и стабилизированных часов);
- ограниченное время функционирования AM (вследствие ограниченной емкости АБ);
- ограниченная надежность AM (вследствие наличия большого числа радиоэлементов);
- излучение гидроакустических сигналов осуществляет акустическую подсветку ПА и тем самым демаскирует его. Кроме того, демаскирующим фактором является сам факт установки активного AM в конкретном месте.
Технический результат заявляемого изобретения - уменьшение стоимости, увеличение времени и надежности функционирования AM, повышение скрытности позиционирования ПА.
Указанный технический результат достигается тем, что вместо активного AM, излучающего гидроакустические сигналы, используется пассивный AM, удовлетворяющий следующим требованиям:
- координаты AM должны быть известны с высокой точностью;
- AM должен надежно обнаруживаться и распознаваться.
Выполнение первого требования трудностей не вызывает: координаты AM фиксируются при его установке при помощи глобальной навигационной системы или каким-либо другим способом.
Трудности вызывает второе требование, поскольку обнаружение и распознавание пассивного AM необходимо осуществлять в активном режиме работы ГАС ПА на фоне многочисленных донных объектов естественного (камни, неровности дна) и искусственного (мусор, оставленный кораблями, следы кораблекрушений) происхождения. Т.е. пассивный AM, помимо того, что он должен быть заметен на фоне отражений зондирующих сигналов (ЗС) от дна, он должен иметь отличительные признаки от других донных объектов.
С учетом этого замечания предлагается в качестве пассивного AM использовать сферическую оболочку из синтетического материала, заполненную водой. Аналогичное техническое решение использовано в патенте [11], где водозаполненная оболочка выступает в качестве звукопрозрачной гидроакустической антенны. Поскольку в заявляемом изобретении сферическая оболочка должна быть звукоотражающей для обеспечения ее обнаружения в активном режиме работы ГАС ПА, она изготавливается с полостями, заполненными микросферами, содержащими воздух. Причем размер микросфер и плотность заполнения ими полостей в сферической оболочке подбираются такими, чтобы коэффициент отражения от них ЗС на частоте работы гидролокатора был достаточно большим. Воздух, содержащийся в микросферах, кроме повышения коэффициента отражения ЗС, придает водозаполненной сфере положительную плавучесть, что позволяет, оборудовав AM якорем и якорь-тросом, установить его на некотором расстоянии от дна. Если положительной плавучести сферы за счет микросфер будет недостаточно, то к верхней части сферы крепится дополнительная плавучесть. Диаметр сферы может варьироваться в пределах от 1 м до 5 м. Конкретное значение диаметра должно рассчитываться, исходя из заданной дальности ее обнаружения в активном режиме работы ГАС ПА.
Внешний вид предлагаемого пассивного AM приведен на фиг. 2.
Цифрами обозначены:
1 - водозаполненная сферическая оболочка из синтетического материала;
2 - клапан, через который осуществляется накачка сферической оболочки водой перед установкой AM на позицию;
3 - якорь-трос;
4 - якорь;
5 - рым для подвешивания AM для накачки сферической оболочки водой.
AM доставляется в точку установки на судне. В точке установки AM за рым с использованием кран-балки, оборудованной управляемым захватом, вывешивается за бортом судна. Затем при помощи насоса, подключенного к клапану AM, сферическая оболочка заполняется водой, после чего AM погружается в воду. Когда сферическая оболочка полностью оказывается в воде, захват на кран-балке открывается, и AM погружается на дно. Место установки AM наносится на карту.
Распознавание AM описанной конструкции в активном режиме работы ГАС ПА может осуществляться по ряду признаков:
- по его неподвижности (что отличает AM от подвижных морских отражающих объектов);
- по известному отстоянию AM от дна (что отличает его от донных объектов различного происхождения);
- по его известным геометрическим размерам (что отличает AM от затонувших кораблей и других габаритных донных объектов);
- по известной величине коэффициента отражения ЗС на частоте работы ГАС ПА.
Достоинствами AM описанной конструкции являются:
- неограниченное время функционирования;
- высокая надежность;
- относительно низкая стоимость;
- отсутствие демаскирования ПА в процессе позиционирования.
Реализация заявляемого способа выглядит следующим образом (фиг. 3).
1) Пассивные AM описанной конструкции заблаговременно устанавливаются вдоль заданного маршрута движения ПА. Точные координаты каждого установленного AM, включая геометрические размеры, величину отстояния от дна, а также коэффициент отражения на частоте ЗС и расчетная дальность обнаружения AM в активном режиме работы ГАС ПА записываются в память системы управления (СУ) ПА.
м
oб
2) При движении ПА по заданному маршруту СУ ПА извлекает из памяти характеристики следующего по маршруту AM и периодически вычисляет текущее расстояние до него R. Как только вычисленное расстояние R, увеличенное на возможную ошибку счисления пути, станет равным хранящейся в памяти СУ расчетной дальности обнаружения AM, СУ выдает команду на включение активного режима ГАС и обнаружение отражающих объектов.
3) При обнаружении каждого отражающего объекта ГАС производит его классификацию. Классификация осуществляется путем определения следующих характеристик обнаруженного объекта:
oб
- скорости объекта V, измеряемой по доплеровскому смещению частоты эхосигнала относительно частоты ЗС, а также по результатам траекторного анализа объекта;
расч
- отстояния обнаруженного объекта от дна ΔН, которое рассчитывается по формуле
ПА
где ΔН - измеренная эхолотом глубина под килем ПА, м;
oб
R - измеренное ГАС наклонное расстояние до ПА, м;
ψ - измеренный ГАС угол в вертикальной плоскости прихода отраженного сигнала (с плюсом - выше горизонта, с минусом - ниже), град;
- горизонтальной геометрической протяженности объекта ΔL, определяемой по формуле
гор
где Δψ - угловая протяженность эхосигнала.
расч
- коэффициента отражения ЗС K, который рассчитывается по формуле [12]
ЗС
где Р - давление ЗС в его полосе частот на оси характеристики направленности излучающей антенны на расстоянии 1 м от нее, Па;
ЭС
Р - давление эхосигнала (ЭС) в его полосе частот, приведенное ко входу приемной антенны, Па;
β - коэффициент пространственного затухания на частоте ЗС, дБ/км.
oб
расч
расч
Рассчитанные значения V, ΔН, ΔL и K с использованием заданных пороговых значений сравниваются со своими истинными значениями, хранящимися в памяти СУ. По результату сравнения принимается решение, является обнаруженный объект искомым AM или неким посторонним объектом.
4) Если принято решение, что обнаруженный объект является искомым AM, вычисляются координаты ПА по формуле
Реализуемость и эффективность заявляемого способа подтверждены путем разработки макета AM описанной конструкции и измерения его акустических характеристик в гидроакустическом бассейне.
Таким образом, заявленный технический результат - уменьшение стоимости, увеличение времени и надежности функционирования AM, повышение скрытности позиционирования ПА - можно считать достигнутым.
Источники информации
1. Справочник штурмана под ред. В.Д. Шандабылова. - М.: Воениздат, 1968, 540 с.
2. Kinsey J.C., Eustice R.M., Whitcomb L.L. A Survey of Underwater Vehicle Navigation: Recent Advances and new Challenges. - IFAC Conference on maneuvering and control of marine craft, 2006, Lisbon, Portugal.
3. Малеев П.И. Проблемы средств навигации АНПА и возможные пути их решения // Навигация и гидрография, 2015, №39. - С. 7-11.
4. Кебкал К.Г., Машошин А.И. Гидроакустические методы позиционирования автономных необитаемых подводных аппаратов. - Гироскопия и навигация, 2016, том 24, №3 (94), с. 115-130.
5. 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.
6. Милн П.Х. Гидроакустические системы позиционирования. - Л.: Судостроение, 1989.
7. Патент RU 2459346 с приоритетом от 11.07.2011 г. Способ позиционирования подводных объектов.
8. Патент US 2003078706 с приоритетом от 03.09.2002 г. Methods and systems for navigating under water.
9. Патент JP 2005269378 с приоритетом от 19.03.2004 г. Marine information providing buoy for underwater, marine information communication system using the same and data management center for marine information communication.
10. Патент CN 100495066 с приоритетом от 16.12.2003 г. Underwater GPS positioning navigation method and system without high stable frequency scale.
11. Патент RU 2535639 с приоритетом от 21.08.2013. Бескорпусная гидроакустическая антенна.
12. Урик Р. Дж. Основы гидроакустики. - Л.: Судостроение, 1978.