ГИДРОАКУСТИЧЕСКАЯ НАВИГАЦИОННАЯ СИСТЕМА Российский патент 2014 года по МПК G01S15/08 

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано при разработке гидроакустических навигационных систем повышенной точности, работающих при наличии отражающих границ раздела, т.е. при волноводных условиях распространения.

Известна гидроакустическая дальномерная навигационная система, состоящая из М гидроакустических маяков-ответчиков, устанавливаемых в районе работы объекта навигации и размещенных на объекте гидроакустического передатчика, опрашивающего маяки-ответчики на частоте f_o, М-канального приемника, принимающего ответы маяков-ответчиков на частотах f₁, f₂,…, f_м, и вычислителя координат объекта навигации (Авторское свидетельство СССР №713278, МПК G01S 15/08, 1978 г.).

В навигационной системе такого типа координаты определяются по набору дистанций, каждая из которых определяется через измеренное время задержки ответа t по формуле r=Ct/2, где С - средняя скорость звука для заданного района работы.

Недостатком такой навигационной системы является большая погрешность определения координат, связанная с непостоянством скорости звука в реальной морской среде, а также с явлением многолучевости распространения звука при наличии отражающих границ раздела.

Известна гидроакустическая навигационная система, содержащая донную навигационную базу из М гидроакустических приемоответчиков с различными частотами ответа и размещенные на объекте навигации гидроакустический передатчик, вход которого соединен с выходом генератора синхроимпульсов, М- канальный приемник, выходы которого подключены к входам М измерителей времени распространения гидроакустических сигналов до приемоответчика, работающего на частоте этого канала и обратно, вторые входы которых соединены с выходом генератора синхроимпульсов, N (по числу видов возможных траекторий лучей в каждом из М каналов) блоков преобразования временных интервалов в дистанции, входы которых подключены к выходу измерителя времени распространения соответствующего канала, и блок выбора максимального значения дистанции, вход которого подключен к выходам N блоков преобразования временных интервалов в дистанции данного канала, а выходы блоков выбора максимального значения дистанции всех М каналов соединены с входами вычислителя координат объекта навигации (Патент РФ №2032187, МПК G01S 15/08, опубл. 27.03.1995 г.).

Включение в навигационную систему N блоков преобразования измеренных временных интервалов в дистанции в каждом из приемных каналов позволяет учесть в рамках какой-либо расчетной модели, например лучевой, как рефракцию лучей, связанную с непостоянством скорости звука, так и многолучевость процесса распространения, связанную с наличием отражающих границ раздела.

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) к предлагаемому изобретению является гидроакустическая навигационная система, содержащая навигационную базу, включающую расположенный на береговом посту блок формирования излучаемых сигналов, выходы которого соединены с расположенными на дне симметрично относительно судового хода двумя гидроакустическими излучателями с различными несущими частотами излучаемых сигналов, а также бортовую аппаратуру, включающую приемоусилительный тракт, блок обработки принятых сигналов и индикатор, при этом приемоусилительный тракт содержит два канала усиления, а блок обработки принятых сигналов содержит подключенные к выходам соответствующих усилителей регулируемые линии задержки, выходы которых подключены к входам индикатора (Патент РФ №1840666, МПК G01S 7/52, В63В 49/00, опубл. 27.06.2008 г.).

Недостатком этой навигационной системы является большая погрешность определения координат, связанная с неидентичностью двух разных каналов приема сигналов, а также существенные ограничения по трудоемкости выполнения калибровки.

Техническим результатом изобретения является повышение надежности определения навигационных параметров и уменьшения трудоемкости выполнения калибровки системы.

Технический результат достигается за счет того, что в гидроакустической навигационной системе, содержащей навигационную базу, включающую расположенный на береговом посту блок формирования излучаемых сигналов, выходы которого соединены с расположенными на дне симметрично относительно судового хода двумя гидроакустическими излучателями с различными несущими частотами излучаемых сигналов, а также бортовую аппаратуру, включающую приемоусилительный тракт, блок обработки принятых сигналов и индикатор, приемоусилительный тракт выполнен одноканальным в виде ненаправленного гидрофона с подключенным к его выходу предварительным усилителем, а блок обработки принятых сигналов выполнен в виде подключенных к выходу предварительного усилителя двух полосовых фильтров, настроенных на частоты соответствующих гидроакустических излучателей, мультипликативного смесителя, подключенного к выходам полосовых фильтров, фильтра нижних частот, подключенного к выходу мультипликативного смесителя, частотных фильтров-дискриминаторов, входы которых подключены к выходу фильтра нижних частот, и сумматора, входы которого подключены к выходам частотных фильтров-дискриминаторов, а выход - к входу индикатора.

Сущность предлагаемого способа поясняется чертежом, где на Фиг. 1 представлена блок-схема предлагаемого устройства.

Гидроакустическая навигационная система содержит навигационную базу, включающую расположенный на береговом посту источник питания 1, блок формирования излучаемых сигналов 2, усилители мощности сигналов 3 и 4, выходы которых соединены с расположенными на дне симметрично относительно судового хода двумя гидроакустическими излучателями 5 и 6 с различными несущими частотами излучаемых сигналов, а также бортовую аппаратуру, включающую приемоусилительный тракт, выполненный одноканальным в виде ненаправленного гидрофона 7 с подключенным к его выходу предварительным усилителем 8, и блок обработки принятых сигналов, выполненный в виде подключенных к выходу предварительного усилителя 8 двух полосовых фильтров 9 и 10, настроенных на частоты соответствующих гидроакустических излучателей 5 и 6, мультипликативного смесителя 11, подключенного к выходам полосовых фильтров 9 и 10, фильтра нижних частот 12, подключенного к выходу мультипликативного смесителя 11, трех частотных фильтров-дискриминаторов 13, 14 и 15, входы которых подключены к выходу фильтра нижних частот 12, сумматора 16, входы которого подключены к выходам частотных фильтров-дискриминаторов 13, 14 и 15, и индикатора направления отклонения объекта навигации от судового хода 17, подключенного к выходу сумматора 16.

Предлагаемая навигационная система работает следующим образом.

На береговом посту расположены питаемый источником энергии 1 блок формирования излучающих сигналов 2, который генерирует линейно-частотно-модулированные сигналы с одинаковой длительностью Т посылки и одинаковой базой сигналов β, но с различными несущими частотами, разнесенными на величину не менее чем ширина полосы каждого из сигналов Δω=Δf=βT. Генерируемые сигналы усиливаются усилителями мощности 3 и 4 и образуют непрерывную последовательность без перерывов во времени. Последовательности усиленных сигналов подаются на гидроакустические излучатели 5 и 6, расположенные на дне симметрично относительно судового хода. Излученные сигналы принимаются расположенным на объекте навигации одиночным ненаправленным гидрофоном 7. После предварительного усиления в блоке 8 сигналы выделяются полосовыми фильтрами 9 и 10 и подаются на мультипликативный смеситель 11 и далее на фильтр нижних частот 12 с полосой пропускания 2Δf, который выделяет сигнал разностной частоты ΔΩ, которая может принимать всего четыре различных значения, в зависимости от соотношений времен распространения от гидроакустических излучателей до приемной антенны, а именно

$$\Delta \Omega =\{\begin{array}{l}\left|\delta \right|,\text{ для сигналов одной посылки}\\ \Delta \omega +\left|\delta \right|,\text{для сигналов смежных посылок}\end{array}$$

при меньшем времени распространения сигнала с большей несущей частотой, и

$$\Delta \Omega =\{\begin{array}{l}\Delta \omega -\left|\delta \right|,\text{ для сигналов одной посылки}\\ 2\Delta \omega +\left|\delta \right|,\text{для сигналов смежных посылок}\end{array}$$

при меньшем времени распространения сигнала с меньшей несущей частотой.

Для определения знака и величины дифференциального частотного сдвига 8 выделенный сигнал разностной частоты подается на банк из трех узкополосных частотных фильтров-дискриминаторов 13-15, настроенных на частоты f=0, f=Δω и f=2Δω, соответственно, и осуществляющих предварительную узкополосную фильтрацию сигнала с последующей выработкой сигнала, пропорционального отклонению частоты от центральной частоты фильтра. Сигналы с выходов частотных дискриминаторов 13-15 суммируются сумматором 16, что обеспечивает непрерывное однозначное определение величины и знака искомого дифференциального сдвига частоты 8 во всех четырех указанных комбинациях параметров частотно-разностного сигнала. При использовании в качестве индикатора, например, аналогового стрелочного вольтметра с нулевым средним положением, величина отклонения стрелки будет пропорциональна величине отклонения объекта навигации от судового хода, а направление ее отклонения от нулевого положения будет соответствовать направлению (вправо или влево) отклонения от судового хода, что позволяет своевременно производить коррекцию курса для удержания суда на линии фарватера.

В предлагаемом устройстве применена пассивная система гидроакустической навигации, которая позволяет использовать дифференциально-частотную систему решения задачи определения смещения судна относительно судового хода. При этом прием сигналов на объекте навигации осуществляется на одиночном, ненаправленном гидрофоне, что повышает надежность определения навигационных параметров и уменьшает трудоемкость выполнения калибровки системы.

Определив направление отклонения от судового хода, объект навигации выполняет корректировку курса с целью возвращения на судовой ход. Количество объектов навигации, осуществляющих прием гидроакустических сигналов для определения своего отклонения от судового хода не ограничено. Прием гидроакустических сигналов, их обработка и индикация направления смещения объекта навигации от судового хода осуществляется постоянно и непрерывно в пределах зоны уверенного приема.

Использование: изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано при разработке гидроакустических навигационных систем повышенной точности, работающих при наличии отражающих границ раздела. Сущность: гидроакустическая навигационная система содержит навигационную базу, включающую расположенный на береговом посту блок формирования излучаемых сигналов, выходы которого соединены с расположенными на дне симметрично относительно судового хода двумя гидроакустическими излучателями с различными несущими частотами излучаемых сигналов, а также бортовую аппаратуру, включающую приемоусилительный тракт, блок обработки принятых сигналов и индикатор, при этом приемоусилительный тракт выполнен одноканальным в виде ненаправленного гидрофона с подключенным к его выходу предварительным усилителем, а блок обработки принятых сигналов выполнен в виде подключенных к выходу предварительного усилителя двух полосовых фильтров, настроенных на частоты соответствующих гидроакустических излучателей, мультипликативного смесителя, подключенного к выходам полосовых фильтров, фильтра нижних частот, подключенного к выходу мультипликативного смесителя, частотных фильтров-дискриминаторов, входы которых подключены к выходу фильтра нижних частот, и сумматора, входы которого подключены к выходам частотных фильтров-дискриминаторов, а выход - к входу индикатора. Техническим результатом изобретения является повышение надежности определения навигационных параметров и уменьшение трудоемкости выполнения калибровки системы. 1 ил.

Гидроакустическая навигационная система, содержащая навигационную базу, включающую расположенный на береговом посту блок формирования излучаемых сигналов, выходы которого соединены с расположенными на дне симметрично относительно судового хода двумя гидроакустическими излучателями с различными несущими частотами излучаемых сигналов, а также бортовую аппаратуру, включающую приемоусилительный тракт, блок обработки принятых сигналов и индикатор, отличающаяся тем, что приемоусилительный тракт выполнен одноканальным в виде ненаправленного гидрофона с подключенным к его выходу предварительным усилителем, а блок обработки принятых сигналов выполнен в виде подключенных к выходу предварительного усилителя двух полосовых фильтров, настроенных на частоты соответствующих гидроакустических излучателей, мультипликативного смесителя, подключенного к выходам полосовых фильтров, фильтра нижних частот, подключенного к выходу мультипликативного смесителя, трех частотных фильтров-дискриминаторов, входы которых подключены к выходу фильтра нижних частот, и сумматора, входы которого подключены к выходам частотных фильтров-дискриминаторов, а выход - к входу индикатора.