Система для определения местоположения подводного аппарата
Изобретение относится к гидроакустическим навигационным средствам, а именно - к гидроакустическим системам навигации (ГСН) подводных аппаратов (ПА) относительно судна обеспечения. Повышение точности определения местоположения ПА достигается путем комплексного использования временных и фазовых измерений, а одновременное расширение функциональных возможностей - за счет определения местоположения автономных ПА. Установленная на днище судна система 1 передающих антенн, размещенных на расстояниях, кратных половине длины волны акустического сигнала, выполнена в виде единого антенного блока, а размещенная на ПА аппаратура дополнительно содержит передатчик телеметрической информации и передающую антенну. ГСН, кроме того, дополнительно содержит вынесенный относительно судна приемный блок из антенны и приемника телеметрической информации, по которой в судовой аппаратуре вычисляются координаты ПА. ГСН объединяет достоинства традиционных систем с короткой и сверхкороткой базовыми линиями, устраняя их недостатки, и позволяет получить значения точности, близкие к потенциальным при минимальной конструктивной сложности антенной системы и ее спуско-подъемных устройств. 3 з.п. ф-лы, 7 ил.
Изобретение относится к гидроакустическим навигационным средствам, а именно к гидроакустическим системам навигации (ГСН) подводных аппаратов (ПА) относительно судна обеспечения (СО).
Известны ГСН с длинной базовой линией (ДБЛ), в которых местоположение ПА и СО определяется относительно установленных на морском дне маяков-ответчиков (МО). Такие системы имеют достаточно высокую точность (0,3% от дальности до МО); однако зона их действия ограничена ( примерно до 15 км от МО), расстановка ряда МО требует трудоемкой и дорогостоящей процедуры их калибровки (определения координат), а точность таких систем снижается с увеличением дальности от МО из-за двунаправленной передачи гидроакустического сигнала ( в направлениях СО МО и обратно) и вследствие низкой помехозащищенности приемных антенн СО. Известны также системы определения местоположения ПА относительно СО, использующие метод короткой базовой линии (КБЛ) или сверхкороткой базовой линии (СКБЛ). Такие ГСН не требуют расстановки МО на дне моря и их калибровки, их зона действия не является ограниченной, поэтому КБЛ и СКБЛ системы повсеместно используются для навигации ПА (как буксируемых, так и автономных) относительно СО. Однако точность КБЛ и СКБЛ систем, обусловленная длиной базовой линии (геометрическим фактором) ниже точности ГСП с ДБЛ, а традиционные ГСН с КБЛ требуют весьма точного геометрического размещения нескольких антенн на днище судна. Кроме того, КБЛ системы обладают недостаточной помехозащищенностью из-за сильного влияния шумов судна на измерения судовых приемных антенн. Поэтому КБЛ системы устанавливают главным образом на специальные суда. Известные ГСН с СКБЛ, обладая точностью, сравнимой с КБЛ системами (0,5-1,0% от наклонной дальности до ПА), являются более простыми и дешевыми, поскольку не требуют сложных спуско-подъемных устройств с жестко определенной геометрией, а антенная система СКБЛ выполняется в виде единого антенного блока. Однако весьма близкое (половина длины волны гидроакустического сигнала) расположение гидрофонов в антенном блока является серьезным недостатком, не обеспечивая достаточной помехозащищенности и геометрической точности определения местоположения ПА. Недостаточная точность известных КБЛ и СКБЛ систем обусловлена в основном двумя методическими причинами: двусторонней передачей гидроакустических сигналов, требующей приема сигналов в условиях сильных шумов движущегося судна; недостаточной геометрической точностью, обусловленной малыми значениями длин баз по сравнению с ДБЛ. Известно устройство для определения местоположения подводного аппарата, которое является наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к техническому решению и принято за прототип. Устройство для определения местоположения подводного аппарата содержит установленную на днище СО систему передающих антенн, размещенные на СО передающие устройства, генератор частот, опорный генератор, вычислитель координат, дешифратор, датчик вертикальной ориентация СО, гирокомпас и индикатор местоположения, размещенные на ПА приемную антенну, приемник, измеритель временных интервалов, фазоизмеритель, опорный генератор и шифратор, причем входы передающих антенн подключены к выходам соответствующих передающих устройств, входы которых подключены к выходам генератора частот, первый вход генератора частот подключен к выходу опорного генератора, второй вход генератора частот подключен к первому выходу вычислителя координат, первый вход вычислителя координат подключен к выходу дешифратора, второй и третий входы вычислителя координат подключены соответственно к выходу датчика вертикальной ориентации ОС и к выходу гирокомпаса, второй выход вычислителя координат подключен к входу индикатора местоположения, выход приемной антенны ПА подключен к входу приемника, первый и второй выходы приемника подключены соответственно к первым входам измерителя временных интервалов и фазоизмерителя, первый и второй выходы опорного генератора подключены соответственно к вторым входам измерителя временных интервалов и фазоизмерителя, выходы измерителя временных интервалов и фазоизмерителя подключены соответственно к первому и второму входам шифратора, а выход шифратора соединен (посредством кабеля) с входом дешифратора. При этом судовые передающие антенны размещены на днище СО на максимально возможных (определяемых размерами СО) расстояниях друг от друга, реализуя традиционную антенную систему гидроакустической навигации с КБЛ. Однако известное устройство обладает недостаточной точностью определения местоположения, принципиально обусловленной особенностями построения ГСН с КБЛ: необходимостью максимального разнесения антенн и их точного и жесткого геометрического размещения на днище судна. Спуско-подъемные устройства судовых антенн известной ГСН достаточно сложны и громоздки. Кроме того, известная ГСН не предназначена для навигации автономных ПА, что ограничивает возможности ее функционирования. Устройство, принятое за прототип, как и другие известные ГСН, не могут разрешить принципиального противоречия КБЛ и СКБЛ систем, заключающегося в том, что точность определения местоположения повышается с увеличением длины базы ГСН, однако увеличение длины базы ведет к технологически сложной установке антенной системы и ее калибровке. Кроме того, при традиционном использовании СКБЛ системы многозначность фазовых измерений не позволяет увеличивать базовую линию (расстояние между гидрофонами) более половины длины волны используемого гидроакустического сигнала, а малое расстояние между элементами СКБЛ, в свою очередь, является причиной высокой восприимчивости к помехам. С этой точки зрения "идеальной" системой подводной навигации можно считать такую ГСН, которая совмещает достоинства КБЛ и СКБЛ систем, достигая компромисса между практически необходимой точностью и сложностью антенной системы. "Идеальная" ГСН, разрешая противоречие между увеличением точности и усложнением антенной системы и ее спуско-подъемных устройств, кроме того, должна использовать преимущества однонаправленной передачи гидроакустического сигнала (только в направлении СО МО) с передачей информации по гидроакустическому каналу связи ( в направлении ПА СО) на вынесенную по отношению к СО антенну, предлагаемое изобретение является определенным шагом в направлении создания "идеальной" ГСН, разрешающей существующие противоречия "точность-сложность-помехозащищенность", т. е. позволяет получить значения точности, близкие к потенциальным, при минимальной конструктивной сложности антенной системы и ее спуско-подъемных устройств. Технический результат изобретения повышение точности определения местоположения путем комплексного использования временных и фазовых измерений при одновременном расширении функциональных возможностей за счет определения местоположения автономных подводных аппаратов и при упрощении спуско - подъемных устройств судовых акустических антенн. В системе определения местоположения ПА, содержащей установленную на днище судна систему передающих акустических антенн, размещенные на СО передающие устройства, генератор частот, опорный генератор, вычислитель координат, дешифратор, датчик вертикальной ориентации судна, гирокомпас и индикатор местоположения, размещенные на ПА приемную акустическую антенну, приемник, измеритель временных интервалов, фазоизмеритель, опорный генератор и шифратор, реализуются следующие отличительные признаки: 1) установленная на днище СО система передающих акустических антенн, размещенных на расстояниях, кратных половине длины волны излучаемого сигнала, выполнена в виде единого антенного блока; 2) размещенная на ПА аппаратура дополнительно содержит последовательно соединенные передатчик телеметрической информации и передающую акустическую антенну; 3) система определения местоположения дополнительно содержит вынесенный относительно СО гидроакустический приемный блок, включающий последовательно соединенные приемную антенну и приемник телеметрической информации. Введение новых узлов, являющихся существенными отличительными признаками, обусловливает введение новых связей: к существующим в прототипе связям, заключающимся в том, что входы передающих антенн подключены к выходам соответствующих передающих устройств, входы которых подключены к выходам генератора частот, первый вход генератора частот подключен к выходу опорного генератора, второй вход генератора частот подключен к первому выходу вычислителя координат, первый вход вычислителя координат подключен к выходу дешифратора, второй и третий входы вычислителя координат подключены соответственно к выходу датчика вертикальной ориентации судна и к выходу гирокомпаса, второй выход вычислителя координат подключен к входу индикатора местоположения, выход приемной антенны ПА подключен к входу приемника, первый и второй выходы приемника подключены соответственно к первый входам измерителя временных интервалов и фазоизмерителя, первый и второй выходы опорного генератора подключены соответственно к вторым входам измерителя временных интервалов и фазоизмерителя, выходы измерителя временных интервалов и фазоизмерителя подключены соответственно к первому и второму входу шифратора, реализуются новые связи: вход передатчика ПА подключен к выходу шифратора, а выход приемника телеметрической информации через кабельтрос подключен к входу дешифратора. Новые признаки системы обусловливают существенные отличия входящего в ГСН вычислителя координат. Вычислитель координат заявляемой системы выполнен в виде десяти регистров памяти, восьми умножителей, пяти делителей, двух сумматоров, двух вычитателей, двух устройств возведения в квадрат, устройства извлечения квадратного корня, двух устройств вычисления целой части численного значения, а также устройства коррекции крена и дифферента (УККД), преобразователя координат (ПК) и таймера. Входы первого-пятого регистров памяти являются первым входом вычислителя координат, первый и второй входы УККД являются вторым входом вычислителя координат, первый вход ПК является третьим входом вычислителя координат. Первый и второй входы первого умножителя подключены соответственно к входам первого и шестого регистров памяти, первый и второй входы второго умножителя подключены соответственно к выходам второго и седьмого регистров памяти, первый и второй входы третьего умножителя подключены соответственно к выходам третьего и седьмого регистров памяти, входы первого и второго устройств вычисления целой части численного значения подключены соответственно к выходам второго и третьего умножителей, первый и второй входы первого сумматора подключены соответственно к выходу первого устройства вычислений целой части численного значения и к выходу четвертого регистра памяти, первый и второй входы второго сумматора подключены соответственно к выходу второго устройства вычисления целой части численного значения и к выходу пятого регистра памяти, первый и второй входы четвертого умножителя подключены соответственно к выходу первого сумматора и к выходу шестого регистра памяти, первый и второй входы пятого умножителя подключены соответственно к выходу второго сумматора и к выходу шестого регистра памяти, первые входы первого и второго делителей подключены соответственно к выходам четвертого и пятого умножителей, вторые входы первого и второго делителей подключены соответственно к выходами восьмого и девятого регистров памяти, первые входы третьего и четвертого делителей подключены соответственно к выходам первого и второго делителей, вторые входы третьего и четвертого делителей подключены к выходу седьмого регистра памяти, выход третьего делителя подключен к первому входу шестого умножителя и к входу первого устройства возведения в квадрат, второй вход шестого умножителя подключен к выходу первого умножителя, выход четвертого делителя подключен к выходу второго устройстве возведения в квадрат и к первому входу восьмого умножителя, выход первого устройстве возведения в квадрат подключен к входу первого вычитателя, выход первого вычитателя подключен к первому входу второго вычитателя, выход второго устройства возведения в квадрат подключен к второму входу второго вычитателя, выход второго вычитателя подключен к входу устройства извлечения квадратного корня, выход которого подключен к первому входу седьмого умножителя, второй вход седьмого умножителя подключен к выходу шестого умножителя, выход седьмого умножителя подключен к второму входу восьмого умножителя, первый и второй входы пятого делителя подключены соответственно к выходу восьмого умножителя и к выходу третьего делителя, третий, четвертый и пятый входы УККД подключены соответственно к выходам седьмого умножителя, пятого делителя и первого умножителя, первый и второй выходы УККД подключены соответственно к второму и третьему входам преобразователя координат, вход таймера подключен к выходу девятого регистра памяти. Выход таймера является первым выходом вычислителя координат, первый и второй выходы ПК и выход первого умножителя являются вторым выходом вычислителя координат. УККД выполнено в виде двух параллельных каналов обработки, каждый из которых включает последовательно соединенные делитель, устройство вычисления обратной тригонометрической функции arctg сумматор, устройство вычисления тригонометрической функции tg и умножитель. В УККД вторые входы сумматоров первого и второго каналов являются соответственно первым и вторым входами устройства коррекции, первые входы делителей первого и второго каналов являются соответственно третьим и четвертым входами устройства коррекции, вторые входы делителей и вторые входы умножителей объединены и являются третьим входом УККД, и выходы умножителей первого и второго каналов являются соответственно первым и вторым выходами УККД. ПК выполнен в виде устройства вычисления тригонометрической функции sin, устройства вычисления тригонометрической функции cos, четырех умножителей, сумматора и вычитателя. Входы устройств вычисления тригонометрических функций объединены и являются первым входом ПК, первые входы первого и третьего умножителей объединены и являются вторым входом ПК, первые входы второго и четвертого умножителей объединены и являются третьим входом ПК. Вторые входы первого и второго умножителей подключены к выходу устройства вычисления тригонометрической функции sin, вторые входы третьего и четвертого умножителей подключены к выходу устройства вычисления тригонометрической функции cos, первый и второй входы сумматора подключены соответственно к выходам второго и третьего умножителей, первый и второй входы вычитателя подключены соответственно к выходам четвертого и первого умножителей. Выходы сумматора и вычитателя являются соответственно первым и вторым выходами ПК. На фиг. 1 представлена иллюстрация выполнения метода определения местоположения ПА; на фиг.2 показано положение системы координат X, Y, Z связанной с судном; на фиг.3 представлена структурная схема системы навигации ПА, на фиг. 4 структурная схема вычислителя координат; на фиг. 5 - структурная схема УККД; на фиг.6 структурная схема ПК фиг.7 иллюстрирует работу предложенной системы навигации ПА. Система подводной навигации содержит (фиг.1,3) установленную на днище СО систему 1 передающих акустических антенн 6, 7 и 8, размещенную на СО аппаратуру 2, включающую передающие устройства 9, 10 и 11, генератор 12 частот, опорный генератор 13, вычислитель 14 координат, дешифратор 15, датчик 16 вертикальной ориентации судна, гирокомпас 17 и индикатор 18 местоположения, размещенные на подводном аппарате 3 приемную акустическую антенну 19, приемник 20, измеритель 21 временных интервалов, фазоизмеритель 22, опорный генератор 23, шифратор 24, передатчик 25 телеметрической информации, передающую акустическую антенну 26, а также вынесенный относительно судна гидроакустический приемный блок 4, включающий приемную антенну 27 и приемник 28 телеметрической информации, соединенный через кабель-трос 5 с аппаратурой 2 СО. Вычислитель 14 координат содержит (фиг. 4) десять регистров 29-38 памяти, восемь умножителей 39-41, 46, 47, 52, 58 и 59, пять делителей 48-31 и 60, два сумматора 44 и 45, два вычислителя 55 и 56, два устройства 53 и 54 возведения в квадрат, устройство 57 извлечения квадратного корня, два устройства 42 и 43 вычисления целой части численного значения, УККД 61, ПК 62 и таймер 63. УККД 61 (фиг. 5) содержит два параллельных канала обработки, каждый из которых включает делитель 64 (69 во втором канале), устройство 65 (70) вычисления функции arctg, сумматор 66 (71), устройство 67 (72) вычисления функции tg и умножитель 68 (73). ПК 62 (фиг.6) содержит устройства 74 и 75 вычисления функций sin и cos, четыре умножителя 76-79, сумматор 80 и вычитатель 81. Система для определения местоположения подводного аппарата работает следующим образом. Установленные на днище судна в едином антенном блоке 1 передающие акустические антенны 6, 7 и 8 (фиг.1-3), размещенные соответственно на расстояниях d1 и d2 кратных половине длины волны











































Тc время распространения старт-импульса, излучаемого ПА З, до поверхности воды,
f0 частота акустического сигнала;






d1, d2 расстояния между антеннами 7 и 8 первой и 7, 6 второй пар передающих антенн;
ent символ целой части численного значения. В регистрах 29-38 памяти хранятся соответственно значения Тс (регистр 29),





























X2= Z


Y2= Z


УККД (фиг. 5) может быть реализован на базе типовых вычислительных устройств и в двух параллельных каналах выполняет следующие операции: деление X1/Z и Y1/Z в делителях 64 и 69, выполнение функции arctg устройствами 65 и 70, суммирование сигналов в сумматорах 66 и 71, вычисление функции tg устройствами 67 и 72 и формирование исправленных координат X2 и Y2 в умножителях 68 и 73. Сигналы X2 и Y2 в соответствии с выражениями (6) и (7) с выходов УККД поступают на второй и третий входы ПК 62. ПК 62 выполняется на основе совокупности типовых вычислительных устройств и реализует алгоритм преобразования координат в соответствии с курсом К судна:
X0= X2


Y0= -X2


Устройства 74 и 75 вычисления функций sin и cos формируют сигналы sin K и cos K из сигналов К, поступающих на их вход. Первый умножитель 76 ПК вырабатывает сигнал X2




Формула изобретения
РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7