СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ГЛУБИНЫ ЭХОЛОКАЦИЕЙ Российский патент 2005 года по МПК G01V1/38 G01C21/00 

Изобретение относится к области навигации, а более конкретно к способам определения местоположения измеренных глубин преимущественно посредствам многолучевого эхолота.

Известные способы [1, 2] включают излучение звуковых сигналов в виде импульсов посредством многолучевого эхолота, прием отраженных сигналов, измерение глубин, включающее обработку сигналов и определение величин глубин при различных наклонах излучения, с определением погрешности в оценке местоположения отражения звукового импульса от дна при различных наклонах излучения. При этом основной составной частью является оценка погрешности за счет вращения судна, обусловленного килевой и бортовой качкой и рысканьем судна относительно курса. Решение этой задачи в известных способах сводится к составлению матрицы вращения с помощью соответствующих углов Эйлера. Дисперсии углов Эйлера и элементы матрицы вращения используются для получения линеаризованных уравнений для оценки погрешности измерений.

При таком решении задачи конечные результаты не являются достоверными по двум основным причинам.

Во-первых, существует двенадцать вариантов представления одного и того же конечного вращения твердого тела (судна) вокруг неподвижной точки (центра тяжести судна) с использованием углов Эйлера в трехмерном пространстве. Каждый вариант отличается своей последовательностью осей, вокруг которых осуществляются повороты, с соответствующими своими углами Эйлера, при этом реальное вращательное движение судна не соответствует полностью ни одному из этих вариантов. От выбора базового варианта зависит конкретный вид функциональной зависимости между углами Эйлера в элементах матрицы вращения. Это в конечном итоге приводит к различным уравнениям в окончательном выражении для определения погрешности за счет вращения судна при измерении глубины многолучевым эхолотом, что приводит к неоднозначности полученных результатов.

Во-вторых, использование в качестве основного параметра в оценке погрешности углов Эйлера не обеспечивает получение достоверных конечных результатов, т.к. Дисперсия как момент вероятностного распределения информативна только для нормального распределения, а угол Эйлера задан на конечном интервале [0; 2п] и не может соответствовать нормальному закону распределения. Для соответствия значений угла Эйлера нормальному распределению осуществляют переход от конечного интервала к бесконечному с помощью тангенса угла, но это не приводит к положительному эффекту, т.к. Распределение Коши не имеет дисперсии [3].

Задачей настоящего изобретения является повышение точности измерения глубины многолучевым эхолотом путем получения достоверных определений погрешности измерения.

Решение поставленной задачи достигается за счет того, что в способе определения местоположения измеренных глубин звуковыми сигналами, включающем излучение звуковых сигналов посредством многолучевого эхолота, прием отраженных сигналов, измерение глубин, содержащие обработку сигналов и определение величин глубин при различных наклонах излучения с определением погрешности в оценке местоположения отражения сигнала от случайного вращения судна - определение погрешности осуществляют по значению плотности распределения случайного вращения судна в соответствии с зависимостью

где: dP - плотность распределения случайного вращения судна; θ - полярное расстояние; ϕ - долгота; δ - угол поворота судна вокруг оси.

Осуществление предлагаемого способа основывается на том, что конечное движение судна между двумя последовательными посылками звукового импульса может быть представлено как винтовое перемещение вокруг некоторой неподвижной оси (теорема Эйлера-Даламбера) и конечное вращение судна можно определить с использованием направляющих косинусов оси поворота вместе с углом поворота вокруг этой оси [3]. Для каждого момента посылки звукового импульса имеется своя ось поворота и свой угол поворота вокруг нее. Направление этой оси относительно фиксированной прямоугольной системы координат связанной с центром масс судна, лежит в конусе с осью, совпадающей с осью, которая направлена по курсу судна, а ось поворота направлена в сторону левого борта. При этом косинусы оси вращения относительно этих осей связаны с углами Эйлера выражениями [3]:

где Ω=sin(δ/2), δ - угол поворота вокруг оси; α, β, γ - углы Эйлера следующей последовательности поворотов, определяющих вращение:

1. Поворот вокруг оси u₁ на угол α;

2. Поворот вокруг оси u₂ на угол β;

3. Поворот вокруг оси u₃ на угол γ.

Так как промерные работы выполняются при достаточно малых углах бортовой и килевой качки и при устойчивом движении судна по курсу [4], то для оценок углов Эйлера используются значения соответствующих углов качки - бортовой для β, килевой для γ, и ошибок курсовых углов для α. При этом α≈γ≪β, т.е. при малых углах Эйлера выражение (1), (2) и (3) приводят к соотношению с₃≈с₂≫с₁, которые показывают, что ось вращения судна лежит в конусе с осью поворота, совпадающей с осью u₁.

При переходе к сферическим координатам описания положения оси вращения θ и ϕ (0≤θ≤π - полярное расстояние, 0≤ϕ≤2π - долгота) вращение судна будет определяться трехмерным параметрическим пространством (θ, ϕ, δ), где 0≤δ≤2π.

При равномерном распределении этих трех параметров вероятностная мера соответствует выражению [5]

Определив плотность распределения параметров θ, ϕ, δ и используя выражение (4) определяют плотность распределения случайного вращения судна. В полярных координатах ось вращения судна будет иметь координаты близкие к θ≈π/2, ϕ≈0.

Для задания плотностей распределения каждого из углов θ, ϕ, δ, заданных на конечных интервалах, используют бета-распределение с плотностью [3]:

Здесь г(*) - гамма-функция, а, b - положительные действительные параметры.

В конечном итоге плотность распределения случайного вращения судна с учетом выражений (4) и (5) определяется в соответствии с выражением:

что позволяет определить плотность распределения случайного вращения судна не связанную какой-либо заданной последовательностью поворотов относительно осей, что повышает достоверность определения погрешности в местоположении измеренных глубин многолучевым эхолотом.

Заявляемый способ реализуется следующим образом. При выполнении промерных работ с использованием многолучевого эхолота излучают звуковые сигналы" принимают отраженные сигналы, обрабатывают полученные сигналы (усиливают, формируют), определяют величины глубин при различных наклонах излучения с оценкой погрешности местоположения отраженного звукового импульса от дна с учетом случайного вращения судна, определяемой по значению плотности распределения случайного вращения судна в соответствии с зависимостью

Данная совокупность признаков из известного уровня техники не выявлена, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого решения критерию патентоспособности - "изобретательский уровень".

Предлагаемый способ может быть реализован без привлечения внешних источников информации с использованием только штатных судовых средств: многолучевого эхолота, измерителя углов качек (система стабилизации, азимутгоризонткомпас или инерциальная навигационная система) и персональный компьютер, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого решения критерию патентоспособности " промышленная применяемость".

Источники информации

1. Wiele T.V. Aspect of Accuracy Analis for Sounding. // The gidrographic journal. N95, 2000, 19-21 pp.

2. Hare R. Depth and position error budgets for multibeam echosounding. // JHR, v.72, N2, 1995, 37-69 pp.

3. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. М. Наука, 1978, 831 с.

4. Руководство по промерным работам, ПГС-4. Л., ГУНиО МО, 1984.

5. Кендалл, Моран П. Геометрические вероятности. М. Наука, 1972, 192 с.

Изобретение относится к области геофизики и может быть использовано при определении глубины эхолокацией. Согласно заявленному способу осуществляют излучение звуковых сигналов, прием отраженных сигналов, их обработку и определение величины глубины при различных наклонах излучения. Также определяют погрешность местоположения отражения сигнала. При определении погрешности дополнительно определяют плотность распределения случайного вращения судна по плотности распределения полярного расстояния, долготы и угла поворота судна вокруг оси. Технический результат: повышение точности определении глубин эхолокацией.

Способ определения глубины эхолокацией, включающий излучение звуковых сигналов посредством многолучевого эхолота, прием отраженных сигналов, их обработку и определение величины глубины при различных наклонах излучения с определением погрешности местоположения отражения сигнала, отличающийся тем, что при определении погрешности местоположения отражения сигнала дополнительно определяют плотность распределения случайного вращения судна по плотности распределения полярного расстояния, долготе и углу поворота судна вокруг оси.