Способ определения географических координат подводного объекта Российский патент 2020 года по МПК G01S15/42 

Изобретение относится к области подводной навигации и предназначено для определения географических координат местоположения подводного объекта (ПО).

Известен способ навигации подводного объекта [1] посредством гидроакустической навигационной системы, содержащей навигационную базу из М гидроакустических приемоответчиков с различными частотами ответа и размещенного на объекте навигации гидроакустического приемопередатчика, посредством которого измеряют временные интервалы распространения сигналов с последующим их преобразованием в дистанции между подводным объектом и гидроакустическими приемоответчиками.

Согласно способу [1] гидроакустические приемоответчики размещают на дрейфующих станциях по водной поверхности (дрейфующих навигационных маяках), навигационные параметры подводного объекта относительно дрейфующей станции или базы из дрейфующих станций определяют в режиме с длинной и/или ультракороткой базой, и/или в комбинированном режиме (длинная + ультракороткая база), и/или в пеленгационной системе, при этом формируют из приемников две навигационные базы с общим центром, располагая их в плоскости, параллельной плоскости палубы подводного объекта, при этом ось одной базы X направлена вдоль осевой линии подводного объекта, а ось другой базы Y направлена по траверзу вправо. Отличительной особенностью данного способа является определение координат ПО в прямоугольной системе координат с началом в точке с известными координатами с использованием навигационной базы из М гидроакустических приемоответчиков, а не географические широта и долгота ПО, что требует дополнительных вычислений. Точность способа существенно зависит от знания координат начала прямоугольной системы.

Наиболее близким к предлагаемому способу по количеству общих признаков и решаемой задаче является способ [2]. Этот способ основан на определении координат ПО посредством гидроакустической навигационной системы, включающей размещение навигационной базы из М гидроакустических приемоответчиков с различными частотами ответа и размещенного на подводном объекте навигации гидроакустического приемопередатчика, посредством которого измеряют временные интервалы распространения сигналов с последующим их преобразованием в дистанции между подводным объектом навигации и гидроакустическими приемоответчиками, размещение гидроакустических приемоответчиков на дрейфующих станциях (дрейфующих навигационных маяках) по водной поверхности и донных станциях на морском дне, определение навигационных параметров подводного объекта навигации относительно донных или/и дрейфующей станции или базы из дрейфующих станций, которые определяют в режиме с длинной и/или ультракороткой базой, и/или в комбинированном режиме (длинная + ультракороткая база), и/или в пеленгационной системе, при этом формируют из приемников две навигационные базы с общим центром баз, располагая их в плоскости, параллельной плоскости палубы подводного объекта, при этом ось одной базы X направлена вдоль осевой линии подводного объекта, а ось другой базы Y направлена по траверзу вправо, обработку результатов измерений по пространственно-временным массивам наблюдений, определение координат подводного объекта навигации путем вычислений, при вычислении координат выполняют минимизацию погрешности по распределению измеренных координат, причем в вычислительное устройство вводят локальные декартовые координаты для рассматриваемой пространственно-временной области, в которой размещены дрейфующая станция, донные маяки ответчики и подводный объект, определяют временной ход гидроакустической характеристики для полученных временных рядов, при этом определяют экстремальные значения гидроакустической характеристики в каждом полученном ряду измерений методом статистики Герста, а оценку среднего арифметического значения гидроакустической характеристики по пространственно-временным массивам наблюдений выполняют путем вычислений по многомерным квадратурным формулам и функциям Хаара.

Суть данного способа заключается в повышении точности определения координат ПО за счет добавления количества измеряемых параметров и использования статистических методов оценивания. Акустические приемоответчики размещают на дрейфующих станциях по водной поверхности и донных станциях на морском дне. Технический результат: повышение надежности при обеспечении навигации подводных объектов

В приведенных патентах можно выделить два признака, а именно определение координат ПО осуществляется с использованием навигационной базы из М гидроакустических приемоответчиков (навигационных маяков) и координаты ПО определяются в прямоугольной системе координат с центром в определенной точке земного шара, координаты которой необходимо заранее определять.

Недостатком способа прототипа, как и упомянутого ранее аналога [1] является то, что использование навигационной базы из М гидроакустических приемоответчиков определяет существенные экономические затраты по изготовлению не менее трех необходимых комплектов навигационных приемоответчиков (навигационных маяков), их обслуживание и эксплуатацию.

Кроме того, поскольку морская навигация для определения положения кораблей, подводных лодок, и т.п. с большой дальностью плавания использует географическую систему координат с началом координат в центре Земли, для современных ПО с большой дальностью плавания использование прямоугольной системы координат нецелесообразно.

Отсутствие оперативного определения своих координат на борту объекта навигации в процессе решения им поставленных задач может ухудшить точность получаемых результатов.

Задачей изобретения является повышения оперативности получения ПО его географических координат и сокращение экономических затрат при решении ПО поставленных задач.

Технический результат заключается в разработке способа получения географических координат ПО по одному дрейфующему навигационному маяку, вместо трех и более при повышении оперативности и точности.

Для решения поставленной задачи в способ определения координат подводного объекта (ПО) основанный на излучении запросного сигнала гидроакустическим приемопередатчиком, размещенном на ПО, приема его и переизлучении приемоответчиком, размещенном на дрейфующем навигационном маяке (ДНМ), посредством которого измеряют временные интервалы распространения излученного ПО сигнала на ДНМ и обратно с последующим преобразованием его в дистанцию между ПО и приемоответчиком ДНМ, передаче географических координат ДНМ, определенных с помощью глобальной навигационной спутниковой системе (ГНСС), на ПО, определение координат ПО в прямоугольной системе координат, введены новые признаки, а именно: приемоответчик и приемопередатчик выполняют одноканальными, с приемопередатчика ПО, на котором установлена система с ультракороткой базой или короткой базой посылают запрос географических координат ДНМ широты В_Д и долготы L_Д и одновременно производят определение дистанции D и пеленга α на ДНМ, затем с помощью спецвычислителя не менее чем с 32 разрядной сеткой, установленного на ПО, осуществляют пересчет географических координат широты В_Д и долготы L_Д ДНМ в прямоугольные пространственные координаты X, Y, Z с началом координат в центре Земли, затем рассчитывают сферические широту ϕ_Д и долготу λ_Д ДНМ, на земной сфере, касающейся общеземного эллипсоида в точке нахождения ДНМ, по значению давления Р на глубине нахождения ПО, полученного с помощью датчика давления, установленного на ПО, в спецвычислителе производят пересчет давления Р в глубину Н нахождения ПО и дистанции D в центральный угол ϕ земной сферы, затем по сферическим координатам ДНМ ϕ_Д и λ_Д, центральному углу ϕ производят расчет сферических координат ПО широты ϕ_ПО и долготы λ_ПО и оценку точности полученного решения, затем по сферическим координатам ϕ_ПО и λ_ПО рассчитывают прямоугольные пространственные координаты ПО Х_ПО, Y_ПО, Z_ПО и производят их пересчет в прямоугольные пространственные координат ПО Х_ПО, Y_ПО, Z_ПО с началом координат в центре Земли по которым определяют в географические координаты широты В_ПО и долготы L_ПО ПО.

Способ определения географических координат подводного объекта заключается в том, что на ПО с гидроакустической навигационной системой с короткой базой (ГАНС-КБ (SBL системы) или гидроакустической навигационной системой с ультра короткой базой (ГАНС-УКБ (USBL, иногда SSBL системы), определяющую пеленг на ДНМ и дистанцию до него дополнительно устанавливается датчик давления и спецвычислитель с не менее чем с 32 разрядной сеткой для расчета координат ПО и совместно с введением остальных новых признаков: предложенного способа расчета географических координат ПО с использованием глубины ПО, пеленга на ДНМ и координат ДНМ позволяет сократить количество ДНМ до одного и оперативно получать на борту ПО свои координаты.

Сущность изобретения поясняется фиг. 1-6, при этом на фиг. 1 схематически изображена функциональная схема, реализующая способ. На фиг. 1 обозначены: сплошная линия представляет запросный сигнал; пунктирная линия - ответный сигнал; ГНСС - глобальная навигационная спутниковая система; ДНМ - дрейфующий навигационный маяк;. Δt - временной интервал; В_Д, L_Д - географическая широта и долгота ДНМ соответственно; D - дистанция между ПО и ДНМ; α - пеленг на ДНМ; Р - давление на глубине нахождения ПО; В_ПО, L_ПО - географическая широта и долгота ПО соответственно.

Фиг. 2 поясняет расчет центрального угла земной сферы ϕ между ПО и ДНМ, на фиг. 2 обозначены: ОЗ - центр земной сферы; Б - положение ДНМ; З - положение ПО; Н - глубина, на которой находится ПО; А - проекция положения ПО на земную сферу; R_з - радиус земной сферы.

Фиг. 4-6 поясняют расчет сферических координат широты ϕ_ПО и долготы λ_ПО ПО по сферическим координатам широте ϕ_Д и долготе λ_Д ДНМ, центральному углу земной сферы ϕ и пеленга на ДНБ, на фиг. 4 приведено взаимное положение ПО и ДНМ в интервале углов 0≤α_б≤90°, на фиг. 5 приведено взаимное положение ПО и ДНМ в интервале углов 90°<α_б≤180°, на фиг. 5 приведено взаимное положение ПО и ДНМ в интервале углов 180°<α_б≤270°, на фиг. 6 приведено взаимное положение ПО и ДНМ в интервале углов. 270°<α_б<360°. На фиг. 4-6 обозначены: ϕ_Д - географическая широта ДНМ; λ_Д - географическая долгота ДНМ; ϕ_ПО - географическая широта ПО; λ_ПО - географическая долгота ПО; БС=90°-ϕ_Д; АБ=ϕ; α - угол между меридианом и направлением на ДНМ.

В предлагаемом способе (фиг. 1) гидроакустический приемопередатчик 2 ПО через приемопередающую антенну 1 излучает акустический сигнал запроса, который принимает гидроакустический приемоответчик 5 ДНМ. Приемоответчик 5 ДНМ при приеме запросного сигнала излучает ответный сигнал, который принимает приемопередатчик 2 ПО и определяет временной интервал Δt между моментами времени излучения сигнала запроса и прихода ответного сигнала с географическими координатами В_Д, L_Д ДНМ.

По временному интервалу Δt в приемопередатчике 2 рассчитывается дистанция D между ПО и ДНМ, которая вместе с координатами В_Д, L_Д ДНМ передается в спецвычислитель 4.

В спецвычислителе 4 по алгоритму приведенному в ГОСТ Р 51794-2008 [3] осуществляется пересчет географических координат (широты В_Д и долготы L_Д) ДНМ в прямоугольные пространственные координаты (X, Y, Z). Затем по прямоугольным координатам X, Y, Z рассчитываются сферические координаты ДНМ ϕ_Д и λ_Д по следующим формулам:

λ_Д∈[0°;360°],

ϕ_Д∈[-90°;90°], sign(ϕ_Д)=sign(z)

Спецвычислитель 4 опрашивает датчик давления 3 и по полученному давлению Р рассчитывается глубина Н нахождения ПО.

где ρ - плотность воды в районе нахождения ПО;

g - ускорение свободного падения.

На начальном этапе производится пересчет дистанции D в центральный угол ϕ земной сферы (фиг. 2).

В треугольнике О_ЗБЗ по теореме косинусов [4]

Из (3) формула для расчета угла ϕ будет иметь вид (см. фиг. 2)

Для нахождения сферических координат ПО (широты ϕ_ПО и долготы λ_ПО) необходимо рассмотреть треугольники АБС и АББ/ на фиг. 3-6.

α - угол между меридианом и направлением на ДНМ, который равен:

α=α_д при 0≤α_Д≤180°;

α=360°-α_Д при 180°<α_Д≤360°,

где α_Д - измеряемый пеленг на ДНМ.

По теореме синусов в треугольнике АБС [1]

Учитывая, что БС=Б'С=90°-ϕ_Д и АБ=ϕ

Треугольник АББ' - сферический прямоугольный, в котором ББ'=γ.

По теореме Пифагора [1]

Если 0≤α_Д≤90° (фиг. 3), то

Если 90°<α_Д≤180° (фиг. 4), то

Если 180°<α_Д≤270° (фиг. 5), то

Если 270°<α_Д<360° (фиг. 6), то

При необходимости в спецвычислителе 4 может быть проведена оценка точности полученных сферических координат ПО. В соответствии с [5] ошибки определения координат ПО определяются следующими выражениями:

где

δλ_ПО - ошибка определения долготы ПО; δϕ_ПО - ошибка определения широты ПО; δD - ошибка определения наклонной дальности; δН - ошибка определения глубины; δα - ошибка определения пеленга; δλ_Д - ошибка определения долготы ДНМ; δϕ_Д - ошибка определения широты ДНМ.

Частные производные, входящие в выражения (15) и (16) находятся дифференцирование выражений (2)-(14).

Для ошибки по долготе ПО δλ_ПО частные производные определяются следующими выражениями:

Для ошибки по долготе ПО δϕ_ПО частные производные определяются следующими выражениями:

Знак в выражении (23) определяется значением угла α_б.

Частные производные и определяются выражениями

После расчета сферических координат ПО широты ϕ_ПО и долготы λ_ПО и оценки ошибок определения долготы δλ_ПО и широты δϕ_ПО в спецвычислителе 4 по сферическим координатам ПО ϕ_ПО, λ_ПО, R_З рассчитываются прямоугольные координаты

По алгоритму, изложенному в ГОСТ Р 51794-2008 [3], в спецвычислителе 4 по прямоугольным координатам X, Y, Z рассчитываются географические координаты В_ПО, L_ПО ПО.

Таки образом географические координаты ПО получены автоматически, с использованием только одного ДНМ, что существенно сокращает время решения задачи, так как не требует развертывания прямоугольной системы координат и привязки ее к географической системе, при этом точность определения координат ПО повышается, так как исключаются ошибки привязки начала прямоугольной системы координат. Это позволяет считать, что заявленный технический результат достигнут.

Источники информации

1 Патент РФ №2365939, G01S 15/08, Способ навигации подводного объекта, дата публикации патента 27.08.2009.

2 Патент РФ №2444759, G01S, Способ навигации подводного объекта посредством гидроакустической навигационной системы, дата публикации патента 10.03.2012.

3. ГОСТ Р 51794-2008 «Системы координат. Методы преобразований координат определяемых точек»

4. А.А. Рывкин, А.З. Рывкин, Л.С. Хренов. Справочник по математике для учащихся-заочников средних специальных учебных заведений. М.: Высшая школа, 1964 г.

5. Дж. Тейлор. Введение в теорию ошибок. Пер. с англ. - М.: Мир, 1985 г. С. 272, ил.

Изобретение относится к области подводной навигации и предназначено для повышения оперативности получения подводным объектом (ПО) его географических координат и сокращения экономических затрат при решении ПО поставленных задач за счет использования одного дрейфующего навигационного маяка (ДНМ) вместо не менее трех. Технический результат заключается в разработке способа оперативного получения географических координат ПО, оборудованных приемопередатчиком гидроакустической навигационной системы, работающей в режиме ультракороткой базы или короткой базы - по одному дрейфующему навигационному маяку. С этой целью на ПО устанавливается датчик давления и спецвычислитель не менее чем с 32-разрядной сеткой. ПО запрашивает с ДНМ его географические координаты (широту В_Д и долготу L_Д), полученные с помощью глобальной навигационной системы (ГНСС), с одновременным измерением дистанции (D) до ДНМ и пеленга (α) на него. Полученные географические координаты ДНМ в спецвычислителе пересчитываются в прямоугольные пространственные координаты (X, Y, Z), а затем рассчитываются сферические (широта ϕ_Д и долгота λ_Д) на земной сфере, касающейся общеземного эллипсоида в точке нахождения ДНМ, по значению давления Р на глубине нахождения ПО, полученной от датчика давления, в спецвычислителе производится пересчет давления Р в глубину Н нахождения ПО и дистанции D в центральный угол ϕ земной сферы, затем по сферическим координатам ДНМ ϕ_Д и λ_Д, центральному углу ϕ производится расчет сферических координат ПО (широты ϕ_ПО и долготы λ_ПО) и оценка точности полученного решения, затем по сферическим координатам ϕ_ПО и λ_ПО рассчитываются прямоугольные пространственные координаты ПО (X_ПО, Y_ПО, Z_ПО) и производится пересчет сферических координат ϕ_ПО и λ_ПО в географические координаты широты В_ПО и долготы L_ПО. 6 ил.

Способ определения координат подводного объекта (ПО), основанный на излучении запросного сигнала гидроакустическим приемопередатчиком, размещенным на ПО, приеме его и переизлучении приемоответчиком, размещенным на дрейфующем навигационном маяке (ДНМ), посредством которого измеряют временные интервалы распространения излученного ПО сигнала на ДНМ и обратно с последующим преобразованием его в дистанцию между ПО и приемоответчиком ДНМ, передаче географических координат ДНМ, определенных с помощью глобальной навигационной спутниковой системы (ГНСС), на ПО, определение координат ПО в прямоугольной системе координат, отличающийся тем, что приемоответчик и приемопередатчик выполняют одноканальными, с приемопередатчика ПО, на котором установлена система с ультракороткой базой или короткой базой, посылают запрос географических координат ДНМ широты В_Д и долготы L_Д и одновременно производят определение дистанции D и пеленга α на ДНМ, затем с помощью спецвычислителя не менее чем с 32-разрядной сеткой, установленного на ПО, осуществляют пересчет географических координат широты В_Д и долготы L_Д ДНМ в прямоугольные пространственные координаты X, Y, Z с началом координат в центре Земли, затем рассчитывают сферические широту ϕ_Д и долготу λ_Д ДНМ, на земной сфере, касающейся общеземного эллипсоида в точке нахождения ДНМ, по значению давления Р на глубине нахождения ПО, полученного с помощью датчика давления, установленного на ПО, в спецвычислителе производят пересчет давления Р в глубину Н нахождения ПО и дистанции D в центральный угол ϕ земной сферы, затем по сферическим координатам ДНМ ϕ_Д и λ_Д, центральному углу ϕ производят расчет сферических координат ПО широты ϕ_ПО и долготы λ_ПО и оценку точности полученного решения, затем по сферическим координатам ϕ_ПО и λ_ПО рассчитывают прямоугольные пространственные координаты ПО Х_ПО, Y_ПО, Z_ПО и производят их пересчет в прямоугольные пространственные координаты ПО Х_ПО, Y_ПО, Z_ПО с началом координат в центре Земли, по которым определяют в географические координаты широты B_ПО и долготы L_ПО ПО.