АВТОНОМНЫЙ СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ИСТИННОГО КУРСА КОРАБЛЯ НА АКВАТОРИИ БАЗЫ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2009 года по МПК G01C23/00 

Изобретение относится к области навигации, в частности к определению истинного курса (ИК) корабля на акватории базы (ошвартованного у причала, стоящего на якоре и т.д.) для оперативного ввода навигационного комплекса корабля в шатанный режим работы и определения поправки к ИК корабля, выработанному бортовым курсоуказателем.

Известен способ, изложенный в нормативном документе штурманской службы, определения ИК корабля, ошвартованного у причала, включающий измерение приборами в пункте, неподвижном относительно Земли, азимута опорного направления А или направления плоскости истинного меридиана, углов α₁ и α₂ между опорным направлением и направлением соответственно на первый и второй ориентиры, расположенные на линии диаметральной плоскости (ДП) корабля, расстояния S_o между выбранными ориентирами и расстояний S₁ и S₂ между неподвижным относительно Земли пунктом и первым, вторым ориентирами соответственно, вычисление по полученным данным значения ИК корабля по формулам:

Однако данный способ, во-первых, сложен, так как для его реализации необходимо синхронно и с весьма высокой точностью измерять расстояния S₁ и S₂ и углы α₁ или α₂; во-вторых, неточен, поскольку при его реализации имеют место существенные погрешности определения ИК ошвартованного корабля, обусловленные в основном невозможностью в реальных условиях с требуемой точностью произвести измерения расстояний S₁ и S₂. Погрешность определения ИК ошвартованного корабля данным способом, как показывает практика его использования, может достигать 35 угл. мин.

Целью изобретения является повышение точности определения ИК корабля на акватории базы.

Поставленная цель достигается тем, что в автономном способе определения истинного курса (ИК) корабля на акватории базы определяют угол, образованный диаметральной плоскостью корабля и опорным направлением между первым и вторым неподвижными пунктами, азимут А которого известен, создают на первом неподвижном опорном пункте сканирующее (вращающееся) с заданной круговой частотой ω магнитное поле, измеряют на втором неподвижном опорном пункте модуль вектора индукции создаваемого магнитного поля, на корабле в заданном месте измеряют одновременно два параметра создаваемого магнитного поля - модуль вектора индукции и его проекцию на направление диаметральной плоскости корабля, устанавливают за цикл сканирования характерное значение результатов измерений в виде экстремального значения модуля вектора индукции В_экс создаваемого магнитного поля, в момент измерения которого на втором опорном пункте импульсно изменяют магнитный момент создаваемого магнитного поля, определяют на корабле промежуток времени Δt между моментами характерных измерений индукции создаваемого магнитного поля, фиксируют на момент измерения экстремальное значение модуля вектора индукции В_экс создаваемого магнитного поля и его проекцию В на направление диаметральной плоскости корабля, по полученным данным вычисляют истинный курс (ИК) корабля по формуле: ИК=А+α, где А - азимут опорного направления, α=ω·Δt-arccosB/В_экс.

Заявленное устройство для реализации автономного способа определения ИК корабля на акватории базы содержит (см. фиг.1, фиг.2) первый 1 и второй 2 неподвижные опорные пункты, расположенный на первом 1 неподвижном пункте блок управления 3, расположенный на корабле 4 вычислитель 5, при этом первый 1 неподвижный опорный пункт дополнительно содержит источник 6 сканирующего магнитного поля с источником питания, второй 2 неподвижный опорный пункт содержит модульный магнитометрический датчик 7, измеряющий модуль вектора индукции, расположенный на заданном расстоянии вдоль опорного направления ОГ, сигнал с которого поступает в блок управления 3, в котором за цикл сканирования определяется значение, равное В_экс, обеспечивающее через блок управления 3 управление мощностью источника 6, создающего сканирующее магнитное поле, кроме того, в заданном месте на корабле 4 расположены два магнитометрических датчика 8 и 9: магнитометрический датчик 8, измеряющий проекцию вектора магнитной индукции на направление, совпадающее с диаметральной плоскостью корабля 4, и модульный магнитометрический датчик 9, и измеритель моментов времени 10 экстремального значения и импульсного изменения сканирующего магнитного поля, при этом выходы магнитометрических датчиков 8 и 9 и измерителя моментов времени 10 подключены к входу вычислителя 5, предназначенного для определения истинного курса корабля 4.

Совокупность вышеизложенных признаков из известного уровня техники не выявлена, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения условию патентоспособности «новизна» и «изобретательский уровень».

Пример реализации.

На представленных чертежах показано следующее.

На фиг.1 схематически изображен способ определения ИК корабля на акватории базы.

Фиг.2 - устройство для его осуществления.

Фиг.3а, 3b, 3с - графики, характеризующие изменение измеряемых параметров во времени:

фиг.3а - результаты измерений модуля вектора индукции В₆ сканирующего магнитного поля магнитным датчиком 6;

фиг.3b - результаты измерений модуля вектора индукции В₈ сканирующего магнитного поля магнитометром 8 на корабле;

фиг.3с - результаты измерений проекции вектора индукции В_х сканирующего магнитного поля магнитометром 7.

Поставленная цель достигается также тем, что устройство для определения ИК корабля на акватории базы содержит первый и второй неподвижные опорные пункты, расположенный на первом неподвижном опорном пункте блок управления, расположенный на корабле вычислитель, при этом первый неподвижный опорный пункт дополнительно содержит источник сканирующего магнитного поля, второй неподвижный опорный пункт содержит магнитометрический датчик, измеряющий модуль вектора индукции, причем указанный магнитометрический датчик через блок управления, в котором за цикл сканирования определяется значение, равное экстремальному значению результатов измерений модуля вектора индукции, подключен к входу источника создаваемого сканирующего магнитного поля, кроме того, на корабле в заданном месте расположены два магнитометрических датчика, один из которых измеряет модуль вектора индукции сканирующего магнитного поля, а другой измеряет проекцию вектора индукции сканирующего магнитного поля по направлению, совпадающему с диаметральной плоскостью корабля, и измеритель времени моментов измерений экстремального и импульсного изменения создаваемого сканирующего магнитного поля, при этом выходы магнитометрических датчиков и измерителя времени подключены к входам вычислителя, предназначенного для определения по указанным измеренным значениям истинного курса корабля.

Данное устройство работает следующим образом. По управляющим электрическим сигналам, выработанным блоком управления 3, в пункте 1 источник 6 создает сканирующее магнитное поле. В результате этого создаваемый соленоидами суммарный вектор магнитного момента , имеющий модуль µ, постоянный по амплитуде и переменный по направлению, вращается по кругу с частотой ω в горизонтальной плоскости. Вектор индукции создаваемого сканирующего магнитного поля воздействует на магнитометрические датчики 7, 8 и 9.

Сигнал с датчика 7 поступает в блок управления 3, где по специальной программе за цикл сканирования определяется значение, равное экстремальному значению результатов измерений В_экс. Выбранными могут быть и другие значения, например соответствующие максимальной скорости изменения сигнала. В дальнейшем в качестве выбранного характерного значения рассматриваются экстремальные (минимальное и максимальное) значения результатов измерения.

В момент времени t₂, когда вектор сканирующего магнитного момента совпадает с направлением вектора , датчик 7 измеряет экстремальное значение сканирующего поля, блок управления 3 по заданной программе, изменяя токи в источнике 6, изменяет величину магнитного момента . В результате в момент времени t₂ измеряемые магнитометрическими датчиками 7, 8, 9 величины вектора индукции изменяются импульсно, как показано на фиг.3а, b, с.

Датчик 9 на корабле 4 измеряет модуль вектора индукции B₉ создаваемого магнитного поля. В момент времени t₁, когда вектор сканирующего магнитного момента направлен на датчик 9 (по направлению вектора ), датчик 9 измеряет экстремальное значение сканирующего магнитного поля. Сигнал с датчика 9 поступает в вычислитель 5, в котором за цикл сканирования запоминаются результаты измерений В₉ в моменты времени t₁ и t₂.

В вычислителе 5 с помощью сигналов от измерителя времени 10 определяется промежуток времени Δt между моментом t₂ импульсного изменения сигнала и моментом t₁ измерения значения вектора индукции, соответствующего экстремальному значению В_9max (фиг.3b).

В момент t₁ вычислитель 5 регистрирует величину В_9max и проекцию B_x вектора , измеряемую магнитометрическим датчиком 8 на направление х, совпадающее с диаметральной плоскостью корабля (фиг.3с).

Вычислитель 9 вычисляет ИК корабля по формуле:

где А - азимут опорного направления,

где ω - круговая частота сканирующего магнитного поля.

Вывод формулы (3) производится из треугольника ОВС (фиг.1):

где

Измеряемый датчиками 7 и 9 модуль вектора индукции создаваемого магнитного поля может быть оценен по формуле (см. Магниторазведка. Справочник геофизика. М.: Недра, 1990):

где - угол между вектором и радиус-вектором соединяющим источник с конкретным магнитометрическим датчиком.

При совпадении векторов и значение модуля B вектора индукции создаваемого магнитного поля максимально и равно:

В этом случае угол между и соответствует углу между и .

Одновременно составляющая вектора индукции B_x, измеряемая датчиком 7, равна

где - угол между направлением вектора и диаметральной плоскостью корабля, так как совпадает с .

Блок управления 3 может быть реализован на основе модулей, обеспечивающих ввод-вывод и преобразование информации от нескольких датчиков, например, на микропроцессорах AVR АТМЕС.

Вычислитель 5 может быть выполнен, например, на основе ЭВМ PC/AT (IBM), имеющей специальное программное обеспечение.

Источник сканирующего магнитного поля может быть изготовлен из трех индукционных катушек, расположенных в горизонте под углом 120°.

Погрешность m_ик определения истинного курса корабля заявленным способом и устройством можно вычислить по формуле:

где m_A - погрешность определения азимута A;

m_α - погрешность определения угла α.

Погрешность m_α определения угла α вычисляется по формуле:

где m_ωΔt - погрешность определения угла между векторами и ;

m_arc - погрешность определения угла между диаметральной плоскостью корабля и вектором

Если точности измерителей модуля вектора индукции 7 и 9 равны, то есть m_B7=m_B9=m_B то:

Угол между диаметральной плоскостью корабля и вектором определяется в момент совпадения векторов и который фиксируется по максимальному значению результатов измерений магнитометрического датчика 9 (см. Методы и средства измерения параметров магнитного поля. III всесоюзная конференция. Тезисы докладов. НПО ВНИИМ им. Д.И.Менделеева. - М.: 1985):

Например, если принять погрешность измерения составляющих вектора индукции равной погрешности измерений современными феррозондовыми магнитометрами m_Bx=10^-2 нТл, а погрешность измерения индукции модуля индукции равной погрешности измерений квантовыми магнитометрами m_B=10^-3 нТл, то при R₁=R₂=100 м, , что соответствует µ≈10³ (кА м²), то из (10) следует, что

m_ωΔt=1,4·10^-6 (рад)=3”.

Например, при (что соответствует следует, что , и, следовательно, можно принять

m_arc≈0,7×10^-4=15”.

Подставляя полученные значения m_ωΔt и m_arc в формулу (11), получаем, что погрешность угла α соответствует m_α≈15", а для прототипа погрешность определения угла α равна 21". Таким образом, использование данного способа позволит снизить погрешность определения угла α примерно в 1,4 раз для рассмотренного примера.

Погрешность определения азимута современными гиротеодолитами примем, что m_л=15", тогда погрешность определения ИК для прототипа составит:

а для заявляемого способа погрешность определения ИК составит:

что практическим соответствует погрешности определения азимута А для неподвижных пунктов на берегу.

Таким образом, использование заявляемого способа определения ИК корабля на акватории базы и устройств для его осуществления обеспечивает определение азимута диаметральной плоскости корабля на уровне погрешности определения опорного азимута между неподвижными относительно Земли опорными пунктами с точностью, превышающей на порядок точность существующего в настоящее время способа и устройства.

Данное изобретение относится к определению истинного курса корабля на акватории базы. Достигаемым техническим результатом является сокращение времени ввода навигационного комплекса корабля в рабочее состояние и коррекция вырабатываемого им истинного курса. Сущность заявленного способа заключается в том, что создают на первом опорном пункте сканирующее (вращающееся) с заданной круговой частотой магнитное поле, измеряют на втором опорном пункте модуль вектора индукции создаваемого магнитного поля, а на корабле - модуль вектора индукции создаваемого магнитного поля и его проекцию на направление диаметральной плоскости корабля, устанавливают за цикл сканирования характерное значение результатов измерений, например экстремальное значение модуля вектора индукции создаваемого магнитного поля, в момент измерения которого на втором опорном пункте импульсно изменяют магнитный момент создаваемого магнитного поля, измеряют на корабле промежуток времени между моментами характерных измерений индукции, создаваемого магнитного поля на опорном пункте и корабле и фиксируют экстремальное значение модуля вектора индукции создаваемого магнитного поля и его проекцию на направление диаметральной плоскости корабля, а по полученным данным вычисляют истинный курс корабля. Заявленный способ реализуется с помощью устройства, выполненного определенным образом. 2 н.п. ф-лы, 5 ил.

1. Автономный способ определения истинного курса корабля на акватории базы, заключающийся в том, что определяют угол α, образованный диаметральной плоскостью корабля и опорным направлением между первым и вторым неподвижными опорными пунктами, при этом азимут второго неподвижного опорного пункта известен, создают на первом неподвижном опорном пункте сканирующее вращающееся с заданной круговой частотой ω магнитное поле, измеряют на втором неподвижном опорном пункте модуль вектора индукции создаваемого магнитного поля, на корабле в заданном месте измеряют одновременно два параметра создаваемого магнитного поля - модуль вектора индукции и его проекцию на направление диаметральной плоскости корабля, устанавливают за цикл сканирования характерное значение результатов измерений в виде экстремального значения модуля вектора индукции В_экс создаваемого магнитного поля, в момент измерения которого на втором неподвижном опорном пункте импульсно изменяют магнитный момент создаваемого магнитного поля, измеряют на корабле промежуток времени Δt между моментами характерных измерений индукции создаваемого магнитного поля на втором неподвижном опорном пункте и на корабле, фиксируют экстремальное значение модуля вектора индукции В_экс создаваемого магнитного поля и его проекцию В на направление диаметральной плоскости корабля, по полученным данным вычисляют истинный курс (ИК) корабля по формуле: ИК=А+α, где А - азимут опорного направления, α=ω Δt-arcos В/В_экс.

2. Устройство для осуществления способа по п.1, содержащее первый и второй неподвижные опорные пункты, расположенный на первом неподвижном опорном пункте блок управления, расположенный на корабле вычислитель, при этом первый неподвижный опорный пункт дополнительно содержит источник сканирующего магнитного поля, второй неподвижный опорный пункт содержит магнитометрический датчик, измеряющий модуль вектора индукции, расположенный на заданном расстоянии вдоль опорного направления, причем указанный магнитометрический датчик через блок управления, в котором за цикл сканирования определяется значение, равное выбранному характерному значению результатов измерений модуля вектора индукции, подключен к входу источника создаваемого сканирующего магнитного поля, кроме того, в заданном месте на корабле расположены магнитометрический датчик, измеряющий проекцию вектора магнитной индукции по направлению, совпадающему с диаметральной плоскостью корабля, магнитометрический датчик, измеряющий экстремальное значение создаваемого сканирующего магнитного поля, и измеритель времени момента измерения экстремального значения сканирующего магнитного поля и момента измерения импульсного изменения магнитного момента создаваемого сканирующего магнитного поля, при этом выходы магнитометрических датчиков и измерителя времени, расположенных на корабле, подключены к входам вычислителя, причем вычислитель предназначен для определения по указанным измеренным значениям истинного курса корабля.