ГИДРОАКУСТИЧЕСКАЯ СИНХРОННАЯ НАВИГАЦИОННАЯ СИСТЕМА ДАЛЬНЕГО ДЕЙСТВИЯ Российский патент 1997 года по МПК G01S15/08 

Изобретение относится к области гидроакустических навигационных систем и может быть использовано для навигационного обеспечения подводных аппаратов повышенной дальности действия, например, работающих в ледовых условиях, затрудняющих доступ к ним обеспечивающего судна.

Известна гидроакустическая синхронная дальномерная навигационная система [1] состоящая из базы гидроакустических приемоответчиков, служащих для измерения времени распространения акустических сигналов от объекта навигации до маяков, устройства вычисления дистанции по измеренному времени распространения и известной скорости звука, и устройства вычисления координат объекта по найденным значениям дистанций. Недостатком такой системы является большая погрешность определения координат, связанная с изменчивостью скорости звука в морской среде.

Известна также гидроакустическая синхронная дальномерная навигационная система [2] содержащая донную базу из M гидроакустических приемоответчиков с различными частотами ответа, размещенные на объекте навигации гидроакустический передатчик, вход которого соединен с выходом синхронизатора, M канальный приемник, выходы которого подключены ко входам M измерителей времени распространения гидроакустических сигналов до соответствующего приемоответчика и обратно, вторые входы которых: соединены с выходом синхрогенератора, M•N блоков преобразования временных интервалов в дистанцию по числу N возможных лучевых траекторий, входы которых подключены к соответствующим выходам измерителей времени распространения, M блоков выбора максимального значения, входы которых соединены с выходами N блоков каждого из M каналов преобразования временных интервалов в дистанцию, вычислитель координат объектов навигации, вход которого соединен с выходами M блоков выбора максимального значения.

Наличие в структуре навигационной системы блоков преобразования временных интервалов в дистанции, работающих по алгоритму, учитывающему изменчивость скорости звука и эффекта многолучевости, позволяет снизить погрешность определения координат. Такая система по технической сущности является наиболее близкой к предлагаемому изобретения.

Недостатком указанной навигационной системы является относительно малая дальность действия при придонной работе подводного аппарата в глубоком море и при использовании донных маяков-ответчиков, которая определяется формулой:

где C средняя скорость звука, y- градиент скорости звука на глубине, h₁, h₂- отстояния от дна подводного аппарата и маяка-ответчика. Полагая для глубокого моря g=0,018^-1c, h₁=20-30 м, h₂=250-300 м, получаем r_max=8-9 км.

В основу технического решения положена задача разработать гидроакустическую синхронную навигационную систему с большей дальностью действия при малых отстояниях от дна подводного аппарата и маяков-ответчиков без существенного увеличения погрешности определения координат объекта навигации.

Поставленная задача решается тем, что в гидроакустической синхронной навигационной системе дальнего действия, содержащей донную навигационную базу из M гидроакустических приемоответчиков с различными частотами ответа f_i(i= 1-M), размещенные на объекте навигации первый синхронизатор, первый M канальный приемник, выходы которого подключены к первым входам M измерителей времени распространения акустических сигналов, вторые входы которых соединены с выходом первого синхронизатоар, M•N блоков преобразования временных интервалов в дистанции по числу N возможных лучевых траекторий, входы которых подключены к соответствующим выходам измерителей времени распространения, M блоков выбора максимального значения дистанции, входы которых подключены к выходам N блоков каждого из M каналов преобразователя временных интервалов в дистанции, вычислитель координат объекта навигации, вход которого соединен с выходами M блоков выбора максимального значения дистанции, передатчик акустического сигнала частоты запроса f₀, введены размещенные на объекте навигации приемник синхронного дальномера-пеленгатора с акустическим входом для акустического сигнала частоты запроса f₀, (M-1) измеритель времени распространения, первый вход которого соединен с первым выходом приемника синхронного дальномера-пеленгатора, а второй с выходом первого синхронизатора, (M-1) блок преобразования временных интервалов в дистанции, N входов которого подключены к выходу, (M-1) измерители времени распространения, (M-1) блок выбора максимального значения дистанции, вход которого соединен с выходом (M-1) блока преобразования временных интервалов в дистанции, а выход со вторым входом измерителя координат объекта навигации, измеритель пеленга и угла места, вход которого соединен со вторым выходом приемника синхронного дальномера-пеленгатора, а выход с третьим входом вычислителя координат объекта навигации, размещенные на обеспечивающем судне второй синхронизатор, синхронизированный с первым, второй M канальный приемник, с акустическим входом для ответных сигналов приемоответчиков, M модуляторов, первые входы которых соединены с соответствующими выходами второго M канального приемника, M генераторов рабочих частот ответа, выходы которых соединены со вторыми входами соответствующих модуляторов, причем передатчик, размещенный на обеспечивающем судне, выполнен (M-1) канальным, первый вход которого соединен с выходом второго синхронизатора, а остальные M входов соединены с соответствующими выходами модуляторов.

Такое конструктивное исполнение гидроакустической синхронной навигационной системы дальнего действия позволило при использовании гидроакустической антенны обеспечивающего судна в качестве приемника и ретранслятора ответных сигналов маяков-ответчиков, расположив ее в подводном звуковом канале (ПЗК) существенно увеличить дальность системы даже при малых параметрах h₁ и h₂. Максимальная дальность действия в предлагаемой навигационной системе определяется формулой

где H-глубина моря, z_a-глубина антенны обеспечивающего судна, g_a-средний градиент скорости звука в области z<z_a. Полагая для глубокого моря H=6000 м, H>>h₁, H>>h₂, z_a= 1000 М, y_a/y≈5, получаем оценку максимальной дальности действия

Таким образом, заявляемая навигационная система в новой совокупности существенных признаков по своим характеристикам превосходит по уровню техники известные аналогичные навигационные системы, а совокупность существенных признаков заявляемого изобретения имеет причинно -следственную связь с достигнутым техническим результатом.

На чертежах представлена гидроакустическая синхронная навигационная система дальнего действия, где на фиг.1 изображены траектории, поясняющие работу навигационной системы а) прототип, б) заявляемое изобретение; где приняты следующие обозначения: ОС-обеспечивающее судно; МО-маяк- приемоответчик, АНПА-автономный необитаемый подводный аппарат объект навигации, C(Z)-профиль скорости звука, ПЗК-подводный звуковой канал; на фиг.2 структурная схема навигационной системы, где приняты следующие обозначения:
1_i приемоответчик i-го канала,
2 передатчик акустических импульсов запроса на частоте f₀ и ответа на частоте f_i,
3 первый M канальный приемник акустических сигналов,
4_i измеритель времени распространения акустических сигналов в i-м канале,
5_i- блок выбора максимальной дистанции в i-м канале,
6_ij-(j=1-N)- блок преобразования временных интервалов в дистанции,
7- вычислитель координат объекта навигации,
8- первый синхронизатор,
9- второй синхронизатор
10- второй M канальный приемник акустических сигналов,
11_i- генератор рабочих частот ответа f_i,
12_i- модулятор i-го канала
13- приемник синхронного дальномера-пеленгатора (СДП)
4(M+1)- измеритель времени распространения в канале СДП
5(M+1)- блок выбора максимальной дистанции в канале СДП
6(M+1)_j- блок преобразования временных интервалов в дистанции в канале СДП (j=1-N)
14- измеритель пеленга и угла места излучающей антенны обеспечивающего судна.

Навигационная система работает следующим образом.

Второй синхронизатор 9, расположенный на обеспечивающем судне запускает передатчик 2 акустических импульсов на частоте запроса f₀, а синхронный с ним синхронизатор 8 обнуляет M+1 измерителей времени распространения акустических сигналов 4_i, i=1- (M+1). Акустический сигнал, распространяясь в водной среде, принимается приемоответчиками 1_i(i=1-M) и приемником СДП. Каждый из приемоответчиков излучает в момент прихода на него сигнала опроса акустический сигнал ответа на частоте f₁(I=1-M), который принимается вторым M канальным приемником 10, размещенным на обеспечивающем судне, причем каждый приема настроен на одну из рабочих частот ответа f_i. Первый акустический приемник, находясь в зоне акустической тени, не принимает акустические сигналы ответа, так как они приходят к нему сильно ослабленными. После усиления и детектирования сигналы с каждого из выходов "i" канала приемника 10 поступают на соответствующие первые входы модуляторов 12_i, на вторые входы которых поступают рабочие сигналы с частотами f₁ от соответствующих генераторов 11_i. Таким образом с выхода каждого из модуляторов 12_i на вход передатчика 2 поступают импульсные сигналы с частотами заполнения f_i и излучаются в водную среду, ретранслируя акустические сигналы приемоответчиков 1_i.

Ретранслированные акустические сигналы с частотами f_i принимаются первым M канальным приемником, размещенным на объекте навигации, который по отношению к излучающей антенне обеспечивающего судна находится в зоне освещенности. Усиленные приемником 3 сигналы с выхода каждого из каналов поступают на запирающий вход соответствующих измерителей временных интервалов 4 и запирают своим передним фронтом интегратора импульсов меток времени генератора синхроимпульсов 8, а информация о числе накопленных меток времени передается в цифровом виде от каждого интегратора в соответствующие блоки преобразования временных интервалов в дистанции 6 _ij(j=1-N) по в каждом i-м канале.

Различные блоки преобразования одного и того же "i" канала отличаются значениями коэффициентов, характеризующих тип лучевой траектории в алгоритме пересчета времени распространения в наклонную дистанцию. Найденные в блоках 6_ij значения наклонных дистанций R_ij поступают на входы блоков на входы блоков выбора максимального значения дистанции 5_i, а максимальные значения дистанций с выходов блоков 5_i поступают на вход вычислителя координат объекта навигации.

Аналогичным образом сигнал опроса частотой f₀, принятой приемником синхронного дальномера -пеленгатора 13 после усиления и детектирования поступает с первого его выхода на блоки измерителя времени распространения 4_M+1, преобразования временных интервалов в дистанции 6_M+1,j, выбора максимальной дистанции 5_M+1 в канале СДП, а информация об измеренной дистанции от объекта навигации до излучающей антенны обеспечивающего судна поступает в вычислитель координат 7. Со второго выхода приемника СДП принятые сигналы частотой f₀ поступают на вход измерителя пеленга и угла места излучающей антенны обеспечивающего судна, а с его выхода на третий вход вычислителя координат объекта навигации 7.

В вычислитель координат вводится информция о средней глубине моря H, профили скорости звука C(Z), глубина антенны обеспечивающего судна Z_a, а также данные о высоте установки маяков-ответчиков h_2,i и высоте объекта навигации над дном h₁. Вычисленные значения наклонных дистанций между антенной обеспечивающего судна и маяками ответчиками R_i однозначно определяют положение антенны в системе координат, связанной с донной базой маяков-ответчиков, а измеренный СДП значения угловых координат и дистанции между антенной обеспечивающего судна и объектом навигации позволяют однозначно определить положение объекта навигации относительно антенны обеспечивающего судна, а следовательно, и относительно донной базы маяков-ответчиков.

Изобретение относится к области гидроакустических навигационных систем и может быть использовано для навигационного обеспечения подводных аппаратов повышенной дальности действия, например, работающих в ледовых условиях, затрудняющих доступ к ним обеспечивающего судна. Гидроакустическая синхронная навигационная система дальнего действия содержит: донную навигационную базу из M гидроакустических приемоответчиков с различными частотами ответа, размещенные на объекте навигации синхронизатор, M канальный приемник (M+1) измерителей времени распространения акустических сигналов, M•N блоков преобразования временных интервалов в дистанции по числу N возможных лучевых траекторий, M блоков выбора максимального значения дистанций, вычислитель координат объекта навигации, передатчик акустического сигнала частоты запроса, приемник синхронного дальномера-пеленгатора с акустическим входом для акустического сигнала частоты запроса f₀. На объекте навигации размещены также (M+1) измеритель времени распространения, (M+1) блок преобразования временных интервалов в дистанции, (M+1) блок выбора максимального значения дистанции, измеритель пеленга и угла места. На обеспечивающем судне размещены второй синхронизатор, синхронизированный с первым, второй M канальный приемник, с акустическим входом для ответных сигналов гидроакустических приемоответчиков, M модкляторов, M генераторов рабочих частот ответа и передатчик выполненный M+1 канальным. 2 ил.

Гидроакустическая синхронная навигационная система дальнего действия, содержащая донную навигационную базу из М гидроакустических приемоответчиков с различными частотами ответа, передатчик акустического сигнала частоты запроса, размещенные на объекте навигации первый синхронизатор, первый М-канальный приемник, выходы которого подключены к первым входам М измерителей времени распространения акустических сигналов, вторые входы которых соединены с выходами первого синхронизатора, M x N блоков преобразования временных интервалов в дистанции по числу N возможных лучевых траекторий, входы которых подключены к соответствующим выходам измерителей времени распространения акустических сигналов, М блоков выбора максимального значения дистанции, входы которых подключены к выходам N блоков каждого из М каналов преобразователя временных интервалов в дистанции, вычислитель координат объекта навигации, первый вход которого соединен с выходами М блоков выбора максимального значения дистанции, отличающаяся тем, что в нее введены размещенные на объекте навигации приемник синхронного дальномера-пеленгатора с акустическим входом для акустического сигнала частоты запроса f₀, (М + 1)-й измеритель времени распространения акустических сигналов, первый вход которого соединен с первым выходом приемника синхронного дальномера-пеленгатора, а второй вход соединен с выходом первого синхронизатора, (М + 1)-й блок преобразования временных интервалов в дистанции, N входов которого подключены к выходу (М + 1)-го измерителя времени распространения акустических сигналов, (М + 1)-й блок выбора максимального значения дистанции, вход которого соединен с выходом (М + 1)-го блока преобразования временных интервалов в дистанции, а выход с вторым входом вычислителя координат объекта навигации, измеритель пеленга и угла места, вход которого соединен с вторым выходом приемника синхронного дальномера-пеленгатора, а выход с третьим входом вычислителя координат объекта навигации, размещенные на обеспечивающем судне второй синхронизатор, синхронизированный с первым синхронизатором, второй М-канальный приемник с акустическим входом для ответных сигналов гидроакустических приемоответчиков, М модуляторов, первые входы которых соединены с соответствующими выходами второго М-канального приемника, М генераторов рабочих частот ответа, выходы которых соединены с вторыми входами соответствующих модуляторов, причем передатчик акустического сигнала частоты запроса размещен на обеспечивающем судне и выполнен (М + 1)-канальным, первый вход которого соединен с выходом второго синхронизатора, а остальные М входов соединены с соответствующими выходами модуляторов.