БУЙ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК МОРСКИХ ВЕТРОВЫХ ВОЛН Российский патент 2013 года по МПК G01W1/04 

Изобретение относится к области гидрометеорологии и может быть использовано для определения характеристик морских ветровых волн, а также может быть использовано для измерения гидрометеорологических параметров посредством средств регистрации, размещенных на буях.

Известные устройства для измерения гидрометеорологических параметров посредством средств регистрации, размещенных на буях (авторское свидетельство SU 1280321, 30.12.1986; авторское свидетельство SU 1280320, 30.12.1986; авторское свидетельство SU 1712784, 15.02.1992; патент JP 60107490, 12.06.19S5 [1-4]), состоят из корпуса, мачты с устройством передачи информации по радио и спутниковым каналам связи, измерителя параметра ветра, измерителя атмосферного давления, датчика температуры воздуха, датчика температуры воды, маячка, радиолокационного уголкового отражателя, модуля управления с опционным блоком GPS, блока информационной памяти, центрального модуля с контроллером, измерителя высоты волны и ориентации буя, датчика скорости и направления течения, датчиков определения солености, электропроводности, мутности, содержания кислорода, содержания ионов pH, контроллера процессов окисления/восстановления, источника питания.

Общим недостатком известных устройств определения характеристик морских ветровых волн [1-4] является невысокая конструктивная надежность как самого буя, так и средств измерения и источника питания, что существенно повышает трудоемкость использования данных средств на длительном временном интервале морских исследовании.

Известно также устройство для измерения гидрометеорологических параметров посредством средств регистрации, размещенных на буях (патент RU 2328757, 10.07.2008) [5], которое состоит из корпуса цилиндрической формы, мачты с устройством передачи информации по радио и спутниковым каналам связи, измерителя параметра ветра, измерителя атмосферного давления с баропортом, включающим разделительную камеру, влагопоглотитель, гибкую соединительную трубку, запираемый канал, воздухосборник, шаровой клапан, размещенный внутри воздухозаборной трубки, датчика температуры воздуха, датчика температуры воды, маячка, радиолокационною уголкового отражателя, модуля управления с опционным блоком GPS, блока информационной памяти, центрального модуля с контроллером, измерителя высоты волны и ориентации буя, датчика скорости и направления течения, датчиков определения солености, электропроводности, мутности, содержания кислорода, содержания ионов pH, контроллера процессов окисления/восстановления, источника питания, в котором в отличие от известных аналогов [1-4] корпус буя выполнен из армированной пластмассы, а нижняя часть выполнена в виде металлического основания, снабженного стабилизирующим устройством, верхняя часть корпуса выполнена из пенопласта в виде расширяющего к верху конуса под углом 30 градусов, в центре которого герметично установлена трубка, проходящая через пенопластовый корпус, в верхней части которой на траверсе установлен датчик температуры воды, второй датчик температуры воздуха установлен на мачте в защитном экране, выполненном из гидрофобного теплоизолирующего материала с отражающим покрытием и снабженном боковыми вентиляционными отверстиями, а шаровой клапан баропорта датчика атмосферного давления выполнен из сферопластика, воздухозаборная трубка ориентирована входным отверстием вниз и внутри ее над шаровым клапаном расположен узкий канал, верхняя поверхность прилегания клапана отформована по сфере аналогичного диаметра запираемого канала.

Конструктивные отличия устройства [5] от его аналогов позволяют достичь технического результата, заключающегося в повышении надежности измерения гидрометеорологических параметров.

Однако при длительных временных исследованиях на морских акваториях, особенно в условиях арктических морей, конструкция корпуса буя, включающая наряду с металлическими элементами и элементы, выполненные из пластмассы, подвержена деформации, что существенно сокращает срок эксплуатации устройства. Появление деформации вносит дополнительные погрешности при решении задачи определения параметров волнения, обусловленные наличием неравномерного перемещения буя как в вертикальной, так и в горизонтальной плоскостях, что также негативно сказывается на обеспечении нормального функционирования спутникового канала связи.

Также существенным недостатком устройства [5] является его невысокая автономность, обусловленная сроком эксплуатации источника питания.

Аналогичными недостатками обладают и известные устройства (патент RU №2328757С2 10.07.2008; патент RU №2254600С1 20.06.2005, патент US №4220044А1 02.09.1980 [6-8]. При создании океанографических приборов широкое распространение получило комплексирование различных измерительных средств, это привело к тому, что создаваемые автономные буи стали предназначаться не только для измерения волнения, но и получения информации о температуре воды и воздуха, скорости и направлении течений, а также других физических величин.

Форма проектируемых буев должна учитывать требования, предъявляемые к бую со стороны средств измерения этих величин. Поэтому некоторые фирмы выпускают буи, имеющие не только цилиндрическую, но и иную форму.

За рубежом для измерения морского волнения используются различные радиобуи с неакустическими датчиками. Основными их производителями являются США и Канада. В Канаде для измерения волнения разработана серия компактных, сбрасываемых с летательных аппаратов или с надводных кораблей, дрейфующих радиобуев генерации CMOD (Compact Meteorogical and Oceanographic Drifter).

Так «CMOD Waves» - одноразовый дрейфующий буй предназначен для измерения и расчета характеристик поверхностного волнения и передачи данных через интегрированную систему MAT 609 Argos PTT и спутниковую систему NOAA Tiros. Дополнительно к стандартным датчикам генерации CMOD в буе используются акселерометры, датчики угла наклона и компасное устройство для определения направления волнового фронта.

Наиболее близким аналогом (прототипом) заявленного изобретения является устройство для измерения гидрометеорологических параметров посредством средств регистрации, размещенных на буях является устройство для измерения параметров волнения (патент RU №2432589 27.10.2011 [9]), сущность которого заключается в том, что в устройство для измерения гидрометеорологических параметров посредством средств регистрации, размещенных на буях [5], которое состоит из корпуса, мачты с устройством передачи информации по радио и спутниковым каналам связи, измерителя параметра ветра, измерителя атмосферного давления с баропортом, включающим разделительную камеру, влагопоглотитель, гибкую соединительную трубку, запираемый канал, воздухосборник, шаровой клапан, размещенный внутри воздухозаборной трубки, датчика температуры воздуха, датчика температуры воды, маячка, радиолокационного уголкового отражателя, модуля управления с опционным блоком GPS, блока информационной памяти, центрального модуля с контроллером, измерителя высоты волны и ориентации буя, датчика скорости и направления течения, датчиков определения солености, электропроводности, мутности, содержания кислорода, содержания ионов pH, контроллера процессов окисления/восстановления, источника питания, в котором нижняя часть корпуса выполнена в виде металлического основания, снабженного стабилизирующим устройством, в центре корпуса герметично установлена трубка, в верхней части которой на траверсе установлен датчик температуры воды, второй датчик температуры воздуха установлен на мачте в защитном экране, выполненном из гидрофобного теплоизолирующего материала с отражающим покрытием и снабженном боковыми вентиляционными отверстиями, а шаровой клапан баропорта датчика атмосферного давления выполнен из сферопластика, воздухозаборная трубка ориентирована входным отверстием вниз и внутри ее над шаровым клапаном расположен узкий канал, верхняя поверхность прилегания клапана отформована по сфере аналогичного диаметра запираемого канала, внесены следующие дополнения: корпус выполнен цельнометаллическим, сигарообразной формы, в нижней части корпуса размещено выдвижное якорное устройство, стабилизирующее устройство установлено на верхней части корпуса и выполнено в виде крыльев, сочлененных с корпусом в верхней части посредством шарниров, а в нижней части посредством резиновых амортизаторов, в верхней части корпуса также размещены элементы парашютной системы, источник питания снабжен генератором, сочлененным со стабилизирующим устройством.

Выполнение стабилизирующего устройства в виде крыльев и резиновых амортизаторов в сочетании с сигарообразным корпусом обеспечивает погашение нежелательных гидрометеорологических воздействий. Выполнение корпуса устройства цельнометаллическим позволяет использовать его многократно и исключить негативное воздействие как морской воды, так и внешних условий. Выполнение корпуса сигарообразной формы позволяет обеспечить равномерные колебания устройства при нахождении в морской среде. Размещение в нижней части корпуса якорного устройства способствует удержанию буя в вертикальном положении и уменьшению влияния ветрового дрейфа и дрейфа от волновых течений. Исключение негативного воздействия на устройство морской воды и внешних гидрометеорологических условий, а также обеспечения равномерных колебаний его при нахождении в морской среде обеспечивает повышение точности измерения гидрометеорологических параметров. Кроме того, амортизаторы, соединяющие крылья стабилизирующего устройства с нижней частью корпуса, выполнены таким образом, что при совершении поступательного движения запускают генератор источника питания и обеспечивают подзарядку аккумуляторных батарей источника питания, увеличивая тем самым срок его эксплуатации.

Однако при работе буя на малых глубинах при вертикальной качке, необходимо обеспечить демпфирование вертикальной качки в области резонанса.

Внедрение спутниковой (навигационной) технологии, комплектация волномерных буев спутниковыми навигационными приемниками значительно сокращает время определения координат буя и позволяет с высокой точностью определять его элементы движения.

Следует иметь в виду, что понятие «спутниковые навигационные технологии» означает методы и приемы (алгоритмы) использования результатов измерений радионавигационных параметров (РНП) сигналов спутниковых навигационных систем (СНС). полученных с точностью как обычных, так и специальных спутниковых навигационных приемников (СНП) для решения различных прикладных задач. В зависимости от требуемой точности навигационного обеспечения их можно разделить на три группы:

- задачи, обеспечиваемые штатным навигационным режимом СНС;

- задачи, обеспечиваемые дифференциальным режимом СНС;

- задачи, требующие относительного позиционирования.

Штатный навигационный режим предполагает использование измерительной информации только от СНС. Из кодовых измерений (псевдодальностей) обычно формируют опенки координат объекта с автоматическим исключением систематической ошибки измерений (расхождение системной шкалы времени и шкалы СНП). Данная ошибка является проявлением специфики бззапросного метода спутниковой навигации (псевдодальномерный метод) и исключается оцениванием ее в расширенном векторе координат. Одним из простейших алгоритмов решения задачи абсолютного позиционирования является способ наименьших квадратов (Волосов П.С., Дубинко Ю.С. и др. Судовые комплексы спутниковой навигации. - Л.: Судостроение, 1983. - 272 с.):

$$\Delta X=(H^T{H}^{-1})H^{T}L,\text{ (1)}$$

где ΔХ - вектор поправок к счислимым координатам, т.е. к координатам точки, относительно которой произведена линеаризация уравнений измерений;

L - вектор разностей измеряемых и счислимых значений навигационных параметров;

H - матрица частных производных псевдодальностей по оцениваемым параметрам $$H=\left|\left|h_{ji}\right|\right|$$ (здесь индекс i соотносит переменные с оцениваемыми параметрами, j - с номерами спутников).

Элементы матрицы h_ji (i=1, 2, 3) представляют собой направляющие косинусы линии визирования спутников, а при i=4 h_ji=1.

Решение навигационной задачи по формуле (1) реализует декомпозицию полного вектора состояния (координаты и скорости) на координатный и скоростной подвекторы и полного вектора измерений (псевдо дальности и псевдоскорости) также на два подвектора: кодовый и фазовый.

Следовательно, из псевдодоплеровских измерений получают оценки проекций вектора скорости. Систематической ошибкой здесь выступает скорость изменения расхождения шкал времени, вызванная главным образом нестабильностью опорного генератора спутникового навигационного приемника (СНП). Матрица $$\left|\left|h_{ji}\right|\right|$$ при этом изменений не претерпевает.

Дифференциальный режим в СНП предполагает формирование в наземной контрольно-корректирующей станции (ККС), координаты которой геодезически с высокой точностью привязаны к местности, поправок к измеренным значениям дальностей, вызванных ошибками прогноза эфемеридной информации (ЭИ), задержками в тропосфере и ионосфере (для одночастотного СНП), передачу их потребителям, находящимся в зоне функционирования ККС в радиусе до нескольких десятков-сотен километров, и учет этих поправок в СНП при решении навигационной задачи.

Тем не менее, оба этих режима ни функционально, ни по уровню точности непригодны для решения определения параметров движения волномерного буя с требуемой точностью, а также для решения задач определения наклонов морской поверхности.

Задача, на решение которой направлено заявленное изобретение, состоит в создании устройства, конструктивные особенности которого позволят повысить точность измеряемых гидрометеорологических параметров.

Поставленная задача решается за счет того, что в буе для определения характеристик морских ветровых волн, состоящим из корпуса, устройства передачи информации по радио и спутниковым каналам связи, модуля управления с опционным блоком GPS, источника питания, корпус выполнен цельнометаллическим, сигарообразной формы, в нижней части которого размещено выдвижное якорное устройство, стабилизирующее устройство установлено на верхней части корпуса и выполнено в виде крыльев, сочлененных с корпусом в верхней части посредством шарниров, а в нижней части корпуса посредством резиновых амортизаторов, в верхней части корпуса также размещены элементы парашютной системы, источник питания снабжен генератором, сочлененным со стабилизирующим устройством, в отличие от прототипа, корпус в подводной своей части снабжен демпфирующим устройством, состоящим из насадки, снабженной четным количеством лепестков, закрепленных к корпусу буя с помощью плоских пружин, причем нечетные лепестки закреплены с наклоном вверх, а четные лепестки закреплены с наклонном вниз, опционный блок GPS содержит четырехканальный приемник спутниковых сигналов с возможностью одновременного измерения дельтапсевдодальностей до четырех искусственных спутников Земли, при этом приемник спутникового канала связи содержит навигационный фильтр для моделирования движения буя.

Новые отличительные признаки предлагаемого технического решения, заключающиеся в том, что корпус буя в подводной своей части снабжен демпфирующим устройством, состоящим из насадки, снабженной четным количеством лепестков, закрепленных к корпусу буя с помощью плоских пружин, причем нечетные лепестки закреплены с наклоном вверх, а четные лепестки закреплены с наклонном вниз, опционный блок GPS содержит четырехканальный приемник спутниковых сигналов с возможностью одновременного измерения дельтапсевдодальностей до четырех искусственных спутников Земли, при этом приемник спутникового канала связи содержит навигационный фильтр, для моделирования движения буя, позволяют при работе буя на малых глубинах при вертикальной качке, обеспечить демпфирование вертикальной качки в области резонанса, повысить точности измерения при решении задач определения параметров движения буя, и наклонов морской поверхности.

Сущность предлагаемого технического решения поясняется чертежами.

Фиг.1. Блок-схема буя для определения характеристик морских ветровых волн, которая включает модуль управления 1 с опционным блоком GPS, источник питания 2, корпус 3 буя, выдвижное якорное устройство 4, стабилизирующее устройство 5, выполненное в виде крыльев, 6 - шарниры, 7 - резиновые амортизаторы, 8 - узел крепления парашютной системы, 9 - электрохимический размыкатель, 10 - таймер, предназначенный для запуска источника питания 2, 11 - микродвигатель с редуктором 12, 13 - антенна спутникового канала связи системы GPS, демпфирующее устройство 14.

Фиг.2. Конструкция демпфирующего устройства. Демпфирующее устройство 14 состоит из насадки 15, снабженной четным количеством лепестков 16, закрепленных к корпусу 3 буя с помощью плоских пружин 17, причем нечетные лепестки закреплены с наклоном вверх, а четные лепестки закреплены с наклоном вниз.

Фиг.3. Схема к определению параметров движения заданной точки буя. Корпус 3 буя, антенна 13 спутникового канала связи GPS.

Буй для определения характеристик морских ветровых волн устанавливается на морскую поверхность с летательного аппарата, также как и в прототипе, что позволяет сократить время на установку множества таких устройств при выполнении широкоформатных исследований, например, при длительных исследованиях процессов на границе среды атмосфера - океан или при проведении изыскательских работ при сооружении морских гидротехнических объектов, включая морские терминалы газонефтяных месторождений. Для установки с летательного аппарата устройство снабжено узлом крепления парашютной системы, посредством которой осуществляется спуск буя на морскую поверхность. Антенна 13 спутникового канала связи системы GPS выполнена с линейной поляризацией в виде несимметричного полуволнового штыревого вибратора, обеспечивающего наилучшие энергетические характеристики излучения в области малых углов, с учетом ограничений по массогабаритным характеристикам и условиям эксплуатации буя.

Для обеспечения требуемой вероятности безошибочного приема информационного сообщения с буя через транслятор (космический аппарат) на наземный приемный пункт, составляющей не менее 0,99 в условиях интерференционных замираний передаваемого сигнала, предусмотрено формирование пакетных сообщений, содержащих блок корректирующего кода и синхроблок, состоящий из синхропреамбулы для космического аппарата (транслятора) и синхропреамбулы для наземного пункта приема, обеспечивающий определение факта приема пакета, тактовую синхронизацию и оценку текущей достоверности побитного приема. Кроме того, применена кратная передача пакетных сообщений с длительностью, не превышающей средней длительности благоприятных для приема временных интервалов, с независимым приемом, мажоритарным сложением пакетов и восстановлением передаваемого сообщения буем на наземном пункте.

Выполненная оценка вероятности безошибочного приема сообщения буя объемом 500 бит с учетом моделирования коэффициента передачи канала, рабочего диапазона углов места космического аппарата и волнения при скорости ветра от 6 до 10 м/с в зависимости от мощности радиоизлучения для кодовых конструкций, отличающихся корректирующим кодом, кратностью передачи пакетных сообщений для мажоритарной обработки и наличием или отсутствием перемежения символов корректирующего кода, показала, что для достижения требований достоверности приема сообщений в диапазоне углов места космического аппарата 15-45 градусов и кратности передачи пакета, равной 5, наибольшее время передачи сообщений, равное 21,6 с, достигается при использовании наиболее эффективного корректирующего кода БЧХ, а наименьшее время, равное 9,4 с, достигается при использовании простого кода Касахары, имеющего наибольшую относительную скорость передачи; минимальная мощность радиоизлучения, равная 3,5 Вт, достигается при использовании корректирующего кода БЧХ, а наибольшая, равная 29 Вт, достигается при использовании простого кода БЧХ.

Для контроля заливаемости морской волной антенны 13 и затенении космического аппарата при малых углах места и больших выемах воли в модуле управления 1 предусмотрено устройство контроля, включающее датчик тока в цепи оконечного каскада усилителя мощности передатчика буя с амплитудным модулятором на два режима работы: режим «большой мощности», используемый при передаче сообщения, и режим «малой мощности», используемый при ожидании благоприятных для передачи условий.

Стабилизирующее устройство, выполненное в виде крыльев 5, сочлененных с нижней частью корпуса при помощи резиновых амортизаторов 7, в сочетании с сигарообразным корпусом обеспечивают погашение нежелательных гидрометеорологических воздействий. Кроме того, во время гидрометеорологических воздействий на буй резиновые амортизаторы 7 сокращаются и растягиваются, совершая поступательное движение. Совершая поступательное движение, амортизаторы запускают генератор источника питания 2, что обеспечивает подзарядку аккумуляторных батарей источника питания 2. Якорное устройство 4 предназначено для удержания буя в вертикальном положении и уменьшения влияния ветрового дрейфа и дрейфа от волновых течений. Выполнение корпуса 3 устройства цельнометаллическим позволяем использовать его многократно и исключить как негативное воздействие морской воды, так и влияние внешних условий, которые в морских условиях непостоянны.

Выполнение корпуса 3 устройства сигарообразной формы позволяет обеспечить равномерные колебания устройства при нахождении в морской воде.

В качестве корпуса устройства измерения гидрометеорологических параметров могут быть использованы корпуса серийно выпускаемых морских сигнальных буев, что существенно может снизить затраты на изготовление буя.

Программное обеспечение измерения параметров волнения позволяет реализовать определение параметров волнения (высота, период, частота, длина, скорость) с выделением низкочастотной части для описания крупномасштабных колебаний морской поверхности, используемой в дальнейшем при анализе квазизеркального отражения радиоволн методом Кирхгофа и высокочастотной части для описания мелкомасштабных колебаний морской поверхности (ветровая рябь), используемой в дальнейшем при анализе диффузного рассеяния радиоволн методом возмущений. В отличие от прототипа [9], в предлагаемом техническом решении, для демпфирования вертикальной качки в области резонанса корпус 3 снабжен демпфирующим устройством 14. Демпфирующее устройство 14 состоит из насадки 15, снабженной четным количеством лепестков 16, закрепленных к корпусу 3 буя с помощью плоских пружин 17, причем нечетные лепестки закреплены с наклоном вверх, а четные лепестки закреплены с наклоном вниз (фиг.2).

Демпфирующее устройство 14 представляет собой насадку 15, устанавливаемую в подводной части буя на корпусе 3. Демпфирующим элементом являются лепестки 16, закрепленные к корпусу 3 буя посредством плоских пружин 17. Демпфирующее устройство 14 имеет четное число лепестков, причем нечетные лепестки закреплены с наклоном вверх, а четные с наклоном вниз.

При вертикальной качке буя лепестки 16 будут раскрывайся, в результате чего увеличится сила демпфирования. Особенностью демпфирующею устройства 14 является то, что величина силы сопротивления, при вертикальных колебаниях буя, будет зависеть от частоты этих колебаний.

В отличие от прототипа [9] опционный блок GPS 1 содержит четырехканальный приемник спутниковых сигналов с возможностью одновременного измерения дельтапсевдодальностей до четырех искусственных спутников Земли, при этом приемник спутникового канала связи содержит навигационный фильтр для моделирования движения буя.

Определение текущей скорости буя по сигналам СНС представляет собой довольно сложную задачу, особенность которой заключается в том, что по сигналам СНС удается измерить координаты точки буя, совмещенной с фазовым центром антенны (ФЦА) спутниковой навигационной аппаратуры, установленной на буе. Эта точка участвует в сложном поступательном и вращательном движении. Задача определения параметров движения буя может быть представлена следующим образом. Пусть буй (фиг.3) с центром качаний М, произвольно заданной точкой N и фиксированной точкой А, совмещенной с ФЦА, участвует в поступательном движении с линейной скоростью $$\overline{V}$$ и вращается вокруг мгновенного центра качаний с угловой скоростью $$\overline{{\omega }_k}$$ . Линейная скорость точек А и N в условиях сложного движения обозначена векторами $${\overline{V}}_A$$ и $${\overline{V}}_N$$ . Положение точек А, N и М относительно центра Земли обозначено векторами $${\overline{R}}_A$$ , и $${\overline{R}}_N$$ . Точки А и N фиксированы относительно корпуса буя, а положение точки М в процессе динамического движения непрерывно меняется. Векторы $$\overline{RA}$$ и $$\overline{VA}$$ определяются координатами и составляющими скорости точки А, вырабатываемыми СНП. Пренебрегая в данном случае нежесткостью несущих конструкций антенного устройства СНП и корпуса самого буя, на основании известного выражения для вектора скорости твердого тела при сложном движении (Ривкин С.С. Определение линейных скоростей и ускорений качки корабля инерциальным методом. - Л..: ЦНИИ «Рубин», 1980. - 180 с.) следует, что:

$${\overline{V}}_A={\overline{V}}_M+{\overline{r}}_k{\overline{\omega }}_k\overline{V_N}={\overline{V}}_M+{\overline{\omega }}_k{\overline{r}}_N.\left(2\right)$$

Скорость точки М, положение которой неопределенно меняется, выразиться в виде разностей: $${\overline{V}}_M={\overline{V}}_A-{\overline{\omega }}_k{\overline{R}}_A$$ ; $${\overline{V}}_M={\overline{V}}_N-{\overline{\omega }}_k{\overline{r}}_N.\left(3\right)$$

Из данного выражения получим значение для вектора скорости заданной точки буя:

$${\overline{V}}_N={\overline{V}}_A+{\overline{\omega }}_k\left({\overline{r}}_N-{\overline{r}}_A\right)={\overline{V}}_A+{\overline{\omega }}_k{\overline{r}}_N.\left(4\right)$$ .

Поскольку выражении (3) и (4) свободны от параметров движения и положения мгновенного центра качаний М, они могут быть использованы для пересчета измеренной по сигналам СНС информации в заданную точку.

Из выражения (2) следует, что для определения вектора скорости заданной точки буя по данным СНС дополнительно к $${\overline{V}}_A$$ необходимо знать относительное положение заданной точки и антенны $$\left({\overline{r}}_k\right)$$ , а также угловую скорость вращения корпуса буя $$\left({\overline{\omega }}_k\right)$$ . Решение данного вопроса возможно посредством описания положения точки М через А и N: $${\overline{R}}_M={\overline{R}}_A-{\overline{r}}_A$$ ; $${\overline{R}}_M={\overline{R}}_N-{\overline{r}}_N\left(5\right)$$ .

Из формулы (5) получим выражение, определяющее положение заданной точки буя: $${\overline{R}}_N={\overline{R}}_A-{\overline{r}}_A+{\overline{r}}_N={\overline{R}}_A-{\overline{r}}_A.\left(6\right)$$ .

Поскольку выражения (2) и (3) свободны от параметров движения и положения мгновенного центра качаний М, они могут быть использованы для пересчета измеренной по сигналам СНС информации в заданную точку.

Представив выражения (2) и (3) в проекциях на оси топоцентрической системы координат с началом в точке А, получим: $$\begin{array}{l}{V}_{NX}=V_{AX}+{\omega }_{ky}{r}_x-{\omega }_{kx}{r}_y;R_{NX}=R_{AX}-r_x=-r_x;\\ V_{Ny}=V_{Ay}+{\omega }_{kx}{r}_x-{\omega }_{kx}{r}_x;R_{Ny}=R_{Ay}-r_y=-r_y;\\ V_{NX}=V_{AX}+{\omega }_{kx}{r}_y-{\omega }_{ky}{r}_x;R_{NX}=R_{AX}-r_x;\end{array}\}\left(7\right)$$

Методика расчета параметров движения морского объекта в условиях нерегулярной качки детально разработана в работах (Ривкин С.С. Определение линейных скоростей и ускорений качки корабля инерциальным методом. - Л..: ЦНИИ «Рубин», 1980. - 180 с. Сетевые спутниковые радионавигационные системы / B.C. Шибшевич, П.П. Дмитриев, Н.В. Иванцевич и др. - М.: Радио и связь, 1982 - 272 с.) и позволяет вычислить статистические характеристики погрешностей навигационных определений по сигналам СНС.

Чтобы исключить влияние отстояния точек А и N на точность определения составляющих вектора скорости перемещения заданной точки буя, в общем случае необходимо учитывать соответствующие члены в правых частях уравнений (7). В конкретном случае в связи с малыми размерениями буя этими величинами можно пренебречь.

Учитывая малые размерения буя и равные соотношения величины антенны, определение координат места и составляющих скорости его движения целесообразно проводить по квазидальномерным или квазидоплеровским измерениям. Использование одновременных измерений дальности и радиальной скорости позволяет по такой выборке определить не только координаты, но и составляющие скорости движения буя. Для нахождения всех неизвестных параметров нет необходимости решать систему уравнений, так как используя метод декомпозиции при определенных условиях, можно упростить задачу и перейти к независимому решению двух уравнений, дающих, соответственно, координаты и составляющие вектора скорости буя. Условием применения декомпозиции является отсутствие откликов измеряемых величин на изменения некоторых из определяемых параметров. Известно, что при одномоментных измерениях составляющие скорости определяются только по доплеровским измерениям. В тоже время для орбит навигационных спутников системы ГЛОНАСС можно считать, что доплеровские измерения слабо откликаются на изменения координат, вследствие чего координаты определяются практически только по квазидальномерным измерениям. Следовательно, без потери точности обработку дальномерно-доплеровских измерений можно производить в два этапа. На первом этапе по результатам квазидоплеровских (разностно-доплеровских) измерений оценивают составляющие скорости его движения. На первом этапе могут быть использованы дальномерный, разностно-дальномерный и квазидальномерный алгоритмы (Бортовые устройства спутниковой радионавигации / Н.В. Кудрявцев, И.И. Мищенко, А.И. Волынкин и др. - М.: Транспорт, 1988 - 201 с)

На втором этапе оценка составляющих скорости волномерного буя сводится к решению следующих уравнений:

- при доплеровских измерениях $$R_i=\stackrel{-1}{r_i}\left[\left(x_{ci}-x\right)\left(x_{ci}-x\right)+\left(y_{ci}-y\right)\left(y_{ci}-y\right)+\left(z_{ci}-z\right)\left(z_{ci}-z\right)\right],i=\mathrm{1,}\mathrm{2,}3\left(8\right)$$

- при разностно-доплеровских измерениях $$\Delta r_{jl}=r_j-r_l,i=\mathrm{2,}\mathrm{3,}4\left(9\right)$$

при квазидоплеровских измерениях $$r_{jl}=r_j+\delta r_f\left(10\right)$$

где δr_f - поправка радиальной скорости за счет расхождения частот генераторов приемника буя и спутника.

Системы уравнений (8-10) относительно составляющих скоростей x, y, z линейные, и способы их решения очевидны.

В конкретной реализации заявляемого технического решения, ввиду того, что измерения псевдодальностей до четырех спутников выполняются четырехканальным приемником, то применен следующий алгоритм:

$${\displaystyle \sum _{J=1}^3{\left(x_{cy}-x_j\right)}^2={\left(r_i-\tau \right)}^2\left(11\right)}$$ .

При этом, измеренные псевдодальности можно отнести к единому моменту времени, поэтому однократная засечка четырех псевдодальностей позволяет зафиксировать мгновенное пространственное положение буя. Точность определения мгновенных координат не зависит от динамики буя, тем не менее уточнение этих координат за счет сглаживания быстро флуктуирующих погрешностей измерений может быть осуществлено только при наличии информации о характере траектории буя, позволяющей осуществить счисление его координат в промежутках между измерениями псевдодальностей. Знание траектории движения буя (его динамики) необходимо для выработки текущих значений таких важных навигационных параметров, как составляющие вектора его скорости, в конкретной реализации предлагаемого технического решения, такая информация может быть получена с помощью математической модели, описывающей динамику буя. Для этого, в приемнике применен навигационный фильтр для моделирования движения буя. В качестве такого фильтра использован дискретный фильтр Калмана (Зайцев А.В., Резниченко В.И. Определение путевой скорости корабля по сигналам среднеорбитной космической навигационной системы // Записки по гидрографии. - 1982 - №208а. - с.62-64), который построен на основе следующих моделей динамики буя и измерений:

$$X_k={Ф}_{k-1}{Х}_{k-1}+A_{k-1}{W}_{k-1}\left(12\right)$$

$$Z_k=H_k{Х}_k+U_{k-1}\left(13\right)$$

где X_k - вектор состояния;

Ф_k - матрица перехода;

H_k - матрица частных производных измерений;

Z_k - вектор измерений;

W_k - вектор возмущений (шумов) динамики буя;

U_k - вектор шумов измерений.

Движение буя моделируется динамической системой, возбуждаемой шумами. Переменные дифференциальных уравнений, описывающих эту систему, образуют вектор состояния X_k. Кроме этих переменных, в фильтре моделируются некоторые «мешающие» параметры - систематические погрешности измерений псевдодальности и псевдоскорости, которые также включаются в вектор состояния.

Для буя в вектор измерений Z, помимо псевдодальностей, включается дельтапсевдодальности, которые по существу представляют собой результаты интегрирования доплеровского смещения частоты на конечном интервале Δt=t_i+1-t_i. Если просуммировать на интервале t_n-t₀ дельтапсевдодальности, полученные интегрированием доплеровской частоты с погрешностью ε_i в последовательные моменты времени t_i получим приращение дальности на интервале с погрешностью . Дисперсия этой суммы: $${\delta }_{\Sigma }^2={\displaystyle \sum _{I=0}^n{\displaystyle \sum _{j=0}^{n}E\left[{\epsilon }_i-{\epsilon }_j\right].\left(14\right)}}$$ .

Погрешности соседних измерений доплеровских интегралов коррелированны с коэффициентом - 0,5:

$$E\left[{\epsilon }_i{\epsilon }_j\right]=\left\{\begin{array}{l}{\delta }_{\epsilon }^2\dots \dots \dots \dots i=j\\ -\mathrm{0,5}{\delta }_{\epsilon }^2\dots \dots \left|I-j\right|=1\\ 0\dots \dots \dots \dots \left|I-j\right|>1\end{array}\right\}\left(15\right)$$

Тогда

$${\delta }_{\Sigma }^2=\left(n-1\right){\delta }_{\epsilon }^2-2\cdot \mathrm{0,5}n{\delta }_{\epsilon }^2={\delta }_{\epsilon }^2\left(16\right)$$ .

Таким образом, среднеквадратическая погрешность приращения дальности доплеровским методом не зависит от длительности интервала интегрирования и от разбиения этого интервала на части. Последнее обстоятельство позволяет при непрерывных измерениях дельтапсевдодальностей до четырех спутников, исключив систематическую погрешность эталона частоты приемного устройства буя, построить траекторию его движения независимо от его динамики.

Промышленная реализация заявляемого технического решения может быть осуществлена путем применения серийно выпускаемых измерительных датчиков, узлов и элементов, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения условию патентоспособности «промышленная применимость».

Таким образом, новые отличительные признаки заявленного изобретения обеспечивают достижение технического результата, заключающегося в повышении точности измерения гидрометеорологических параметров.

Источники информации

1. Авторское свидетельство SU №1280321, 30.12.1986.

2. Авторское свидетельство SU №1280320, 30.12.1986.

3. Патент SU №1712784, 15.02.1992.

4. Патент JP 60107490, 12.06.1985.

5. Патент RU 2328757, 10.07.2008.

6. Патент RU №2328757 C2, 10.07.2008.

7. Патент RU №2254600 C1, 20.06.2005.

8. Патент US №4220044 A1, 02.09.1980.

9. Патент RU №2432589, 27.10.2011.

Изобретение относится к области океанографии и может быть использовано для определения характеристик морских ветровых волн. Сущность: устройство состоит из корпуса (3), устройства для передачи информации по радио- и спутниковым каналам связи (13), модуля управления (1) с опционным блоком GPS, источника питания (2). Корпус (3) выполнен цельнометаллическим, сигарообразной формы. В нижней части корпуса (3) размещено выдвижное якорное устройство (4), а в верхней его части - стабилизирующее устройство (5), выполненное в виде крыльев. В верхней части корпуса (3) также размещены элементы парашютной системы (8). Кроме того, корпус (3) в подводной своей части оснащен демпфирующим устройством (14), состоящим из насадки, снабженной четным количеством лепестков. Лепестки насадки прикреплены к корпусу буя с помощью плоских пружин. Причем четные лепестки прикреплены с наклоном вниз, а нечетные лепестки - с наклоном вверх. Опционный блок GPS содержит четырехканальный приемник спутниковых сигналов, выполненный с возможностью одновременного измерения дельтапсевдодальностей до четырех искусственных спутников Земли. При этом приемник спутникового канала связи содержит навигационный фильтр для моделирования движения буя. Технический результат: определение характеристик морских ветровых волн. 3 ил.

Буй для определения характеристик морских ветровых волн, состоящий из корпуса, устройства передачи информации по радио- и спутниковым каналам связи, модуля управления с опционным блоком GPS, источника питания, корпус выполнен цельнометаллическим, сигарообразной формы, в нижней части которого размещено выдвижное якорное устройство, стабилизирующее устройство установлено на верхней части корпуса и выполнено в виде крыльев, сочлененных с корпусом в верхней части посредством шарниров, а в нижней части корпуса - посредством резиновых амортизаторов, в верхней части корпуса также размещены элементы парашютной системы, источник питания снабжен генератором, сочлененным со стабилизирующим устройством, отличающийся тем, что корпус в подводной своей части снабжен демпфирующим устройством, состоящим из насадки, снабженной четным количеством лепестков, закрепленных к корпусу буя с помощью плоских пружин, причем нечетные лепестки закреплены с наклоном вверх, а четные лепестки закреплены с наклоном вниз, опционный блок GPS содержит четырехканальный приемник спутниковых сигналов с возможностью одновременного измерения дельтапсевдодальностей до четырех искусственных спутников Земли, при этом приемник спутникового канала связи содержит навигационный фильтр для моделирования движения буя.