Способ связи подводного аппарата с летательным аппаратом Российский патент 2020 года по МПК B06B3/00 G10K11/00 H04B11/00 

Изобретение относится к звукоподводной и звуковой связи и может быть использовано в гидроакустических системах для организации односторонней связи погруженного в водную среду объекта с воздушным объектом.

В настоящее время [1] основные способы передачи информации от подводного аппарата к летательному аппарату связаны с непосредственным всплытием подводного аппарата для использования радиоантенн ультракоротковолновых или коротковолновых диапазонов [2], или же применении радиогидроакустического буя [3], который может быть сброшен с летательного аппарата [4] или же выпущен с подводного аппарата [5].

Для начала рассмотрим особенности, связанные с всплытием подводного аппарата на поверхность, для установления радиосвязи. Во-первых, если подводный аппарат всплывает на поверхность, то тем самым он демаскирует свое местоположение, и может быть легко обнаружен как при помощи радаров и спутников, так и визуально, что может быть не желательно по ряду причин. Во-вторых, всплытие на поверхность подводного аппарата может быть затруднено или же даже не возможно из-за потери им плавучести вследствие аварии или любой другой не штатной ситуации. В-третьих, стоит принять во внимание дрейфующие гидроакустические станции и буи, а также стационарные подводные платформы, установленные на дне, всплытие на поверхность которых может быть вообще не предусмотрено [6].

Также можно выделить ряд недостатков характерных при применении радиогидроакустических буев в целях передачи информации от подводного аппарата к летательному аппарату. Первый и основной недостаток, это одноразовость использования радиогидроакустического буя. В совокупности с очень непродолжительным временем работы радиогидроакустического буя и его высокой стоимостью [7], данный способ передачи информации является крайне дорогим. Второй недостаток, это ограничения связанные с волнением моря и скоростью движения подводного аппарата. Третий недостаток, это габаритные размеры радиогидроакустического буя [4, 5]. Если установка группы радиогидроакустических буев на крупногабаритные подводные лодки давно отработана не вызывает трудностей, то в случае малоразмерных автономных необитаемых подводных аппаратов или подводных гидроакустических станций и платформ, целесообразность использования группы радиогидроакустических буев сомнительна.

Известен способ двусторонней связи с подводным объектом [8], предназначенный для организации обмена информации погруженного в водную среду объекта с подводным, надводным, наземным и воздушным объектами. В данном способе для связи используют корпус подводного объекта в качестве активного вибратора. Между носовой и кормовой точками подводного объекта устанавливают шунтирующую перемычку. Шунтирующая перемычка служит обмоткой согласующего трансформатора. В районе кормовой и носовой точек устанавливают трансформаторы. Эти трансформаторы подсоединяют к шунтирующей перемычке. Одним из трансформаторов соединяют с входом радиоприемника, а другой - с входом радиопередатчика. При этом в качестве наиболее удаленных точек используют носовую и кормовую точки подводного объекта.

Недостатком аналога является зависимость способа от длины шунтирующей перемычки и геометрических размеров подводного объекта, обеспечивающих максимальную дальность разнесения конечных точек его проводящего корпуса, применяемого в качестве активного электрического вибратора приемной и передающей антенн. Такое решение ориентировано на подводные объекты с большим водоизмещением и не обеспечит большие дальности связи на малых автономных необитаемых подводных аппаратах, морских робототехнических комплексах и батискафах.

Также известен способ двухсторонней дальней радиосвязи с подводным объектом [9], предназначенный для организации двухсторонней связи и навигации без всплытия погруженного в водную среду объекта, например, подводной лодки, с подводным, надводным, наземным, воздушным объектами и космическими аппаратами, в том числе при покрытии водной поверхности льдами. Технический результат состоит в усовершенствовании способа двусторонней дальней радиосвязи подводного объекта с подводными, надводными, наземными, воздушными и космическими объектами, снижении мощности излучаемых радиоволн, увеличении информативности и скрытности радиосвязи. Для этого в способе двухсторонней дальней радиосвязи с подводным объектом подводных, надводных, наземных, воздушных объектов и космических аппаратов, в том числе при покрытии водной и земной поверхности льдами, для приема и передачи информационных радиосигналов используют радиоволны с крайне низкой плотностью мощности 10 мкВт/см² и ниже на резонансных частотах радиопрозрачности водной среды в крайне высокочастотном (КВЧ) и сверхвысокочастотном (СВЧ) диапазонах. При этом используют генераторы перестраиваемой и резонансной фиксированной несущих частот КВЧ и СВЧ диапазонов и высокочувствительные радиоприемники на фиксированной СВЧ или КВЧ резонансной частоте, передающие и приемные согласованные контактные и дистанционные направленные малошумящие антенны и антенные системы, средства кодирования, декодирования и обработки данных, расположенные в местах приема-передачи радиосигналов на несущих резонансных частотах водной среды.

Недостатком аналога является зависимость способа от свойств водной среды, в которой находится подводный объект. Химический состав водной среды может меняться в широком диапазоне значений в зависимости от района и глубины. Тем самым будет меняться резонансная частота радиопрозрачности водной среды.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является способ передачи информации от подводного объекта на летательный аппарат [10], предназначенный для использования в радиолокационных и гидроакустических системах при организации комбинированных каналов связи в морских условиях. Достигаемый технический результат – увеличение времени сеанса связи между движущимся подводным объектом и летательным аппаратом. Указанный результат достигается за счет того, что изменяют частоту электромагнитных волн синхронно с изменением угла падения по определенному закону.

Недостатком прототипа является необходимость согласования различных типов носителей информации на границе раздела сред. Для водной среды носителем информации являются гидроакустические волны, в то время как для воздушной среды носителем информации являются электромагнитные волны.

Задачей изобретения является разработка способа передачи информации от подводного аппарата на летательный аппарат посредством акустических волн.

Техническим результатом изобретения является расширение функциональных возможностей систем связи, устанавливаемых на подводных и летательных аппаратах, повышении технической надежности и скрытности передачи и приема информации для односторонней связи подводных аппаратов с летательными.

Теоретические и экспериментальные исследования показывают [11, 12], что при соблюдении определенных условий наблюдается эффект аномальной прозрачности границы раздела вода-воздух для акустических волн. Суть эффекта заключается в существенном увеличении коэффициента прохождения по давлению акустических волн из воды в воздух. Величина коэффициента прохождения зависит от волнового расстояния между гидроакустической антенной и границей раздела сред. Причина эффекта объясняется свойствами неоднородной плоской волны. Амплитуда неоднородной плоской волны амплитуда быстро спадает в направлении распространения. Поэтому неоднородная плоская волна существуют только в ближнем поле гидроакустической антенны, а ее вклад в дальнее поле гидроакустической антенны несущественен. В тоже время вклад неоднородной плоской волны в ближнее акустическое поле значительно больше вклада однородной плоской волны. Поэтому для реализации способа связи подводного аппарата с летательным аппаратом необходимо выполнения ряда условий:

- глубина погружения подводного аппарата (или его гидроакустической антенны) не должна превышать длину волны, излучаемого гидроакустической антенной акустического сигнала. К примеру, при частоте сигнала 500 Гц, глубина погружения подводного аппарата (или его гидроакустической антенны) не должна превышать 3 м;

- частота акустического сигнала должна лежать в низкочастотном (менее 1 кГц) или инфразвуковом диапазонах. На более высоких частотах подводный аппарат будет вынужден близко приближаться к границе раздела сред, что не всегда возможно во время сильного морского волнения;

- гидроакустическая антенна должна обладать либо сферической, либо цилиндрической излучающей поверхностью. Так как акустическая волна со сферическим (или цилиндрическим) волновым фронтом является суммой однородных и неоднородных плоских волн. В итоге, то уровень акустического давления в воздухе будет одновременно зависеть от двух типов плоских волн. В акустической волне с плоским волновым фронтом неоднородная плоская волна отсутствует;

- размеры подводного аппарата не должны превышать длину волны излучаемого акустического сигнала. Иначе могут возникнуть многократные отражения акустического сигнала между границей раздела сред и корпусом подводного аппарата.

Сущность предлагаемого изобретения представлена на фиг.1, где:

1 – устройство ввода информации;

2 – управляющая ЭВМ;

3 – генератор импульсов;

4 – усилитель мощности;

5 – излучающая гидроакустическая антенна;

6 – приемная акустическая антенна;

7 – предусилитель;

8 – полосовой фильтр;

9 – возбудитель;

10 – усилитель мощности;

11 – излучающая радиоантенна.

Предлагаемый способ реализуется следующим образом.

Излучающий тракт системы связи расположен на подводном аппарате (фиг. 1, блоки 1-5). В качестве подводного аппарата может выступать любой гидроакустический аппарат, как обитаемый, так и не обитаемый. Используя устройство ввода 1, оператор вводит передаваемое сообщение и параметры его передачи в управляющую ЭВМ 2, которая преобразует сообщение и параметры его передачи в управляющие электрические сигналы. Далее управляющие электрические сигналы с выхода управляющей ЭВМ 2 поступают на вход генератора импульсов 3, который под воздействием управляющих электрических сигналов формирует электрические радиоимпульсы заданной длительности, амплитуды и частоты. Если подводный носитель необитаем, то устройство ввода 1 отсутствует, а управляющая ЭВМ 2 формирует управляющие электрические сигналы согласно заложенному в ней программному алгоритму. С выхода генератора импульсов 3, электрические сигналы поступают на вход усилителя мощности 4, который преобразовывает маломощный электрический сигнал на входе в сигнал большей мощности на выходе с минимальными искажениями формы. С выхода усилителя мощности 4 электрический сигнал поступает на вход излучающей гидроакустической антенны 5, которая преобразует электрический сигнал в гидроакустический сигнал, и далее излучает его в водную среду. Акустическая ось излучающей пьезокерамической гидроакустической антенна 5 должна быть ориентирована в сторону к поверхности воды.

Приемный тракт системы связи расположен на летательном аппарате (фиг. 1, блоки 6-10). В качестве летательного аппарата необходимо использовать малошумящие беспилотные летательные аппараты. Это обосновывается тем, что уровень их акустических шумов гораздо ниже и стоимость меньше, чем у пилотируемых реактивных или винтокрылых аппаратов. Акустическая антенна 6 принимает прошедшие из воды в воздух акустические сигналы и преобразует их в электрические сигналы. В качестве акустической антенны 6 рекомендуется использовать высокочувствительные электроакустические преобразователи электростатического типа. С выхода акустической антенны 6 электрический сигнал попадает на вход предусилителя 7, который согласовывает импедансы и повышает уровень сигнала до практически приемлемого значения. Далее, с выхода предусилителя 7 электрический сигнал поступает на вход полосового фильтра 8, позволяющего выделить компоненты спектра полезного электрического сигнала и подавить нежелательные, тем самым улучшив соотношение сигнал/шум. С выхода полосового фильтра 8 электрический сигнал поступает на вход возбудителя 9, который объединяет в себе функции задающего генератора частоты несущей волны и модулирующего устройства, изменяющего параметры излучаемой волны в соответствии с сигналом, который требуется передать. С выхода возбудителя 9 электрический сигнал поступает на вход усилителя мощности 10, увеличивающего мощность электрического сигнала возбудителя до требуемого уровня. С выхода усилителя мощности 10 электрический сигнал поступает на вход излучающей радиоантенны 11, преобразующую энергию электромагнитного колебания в распространяющуюся в пространстве электромагнитную волну.

Промышленная применимость изобретения определяется тем, что предлагаемый способ может быть реализован согласно приведенным описанию и рисунком с использованием известных и широко распространенных компонентов.

Литература

1. Малашенко А.Е., Мироненко М.В. и др. Создание и эксплуатация радиогидроакустических систем мониторинга гидрофизических полей морских акваторий. — Владивосток: СКБ САМИ ДВО РАН, 2012. — 263 с.

2. Сутягин И. Средства связи атомных подводных лодок типа «Лос-Анджелес» // Зарубежное военное обозрение. – 1995. - № 9. - С. 52-57.

3. Устройство радиогидроакустический буй реактивный. Патент 2400392 RU от 25.05.2009, B63B22/00, B63G6/00.

4. Polmar N. The Naval Institute Guide to the Ships and Aircraft of the U.S. Fleet. 17th. — Annapolis: Naval Institute Press, — 2001, 592 p.

5. Friedman N. The Naval Institute guide to world naval weapons systems, 1997-1998. — Annapolis: Naval Institute Press, 1997. — 808 p.

6. Буйковая станция для гидрофизических измерений. Патент 2090431 RU от 28.02.1995, B63B22/06.

7. Артемьев А. Охотники за субмаринами // Авиация и космонавтика. - 1996. - Т.18. № 7. - С. 3-11.

8. Способ двусторонней связи с подводным объектом. Патент 2361364 RU от 18.06.2007, H04B 7/26, H04B 13/02.

9. Способ двухсторонней дальней радиосвязи с подводным объектом. Патент 2666904 RU от 06.06.2017, H04B 13/02.

10. Способ передачи информации от подводного объекта на летательный аппарат. Патент 2710026 RU от 10.12.2018, G01S 13/78.

11. Волощенко А.П., Тарасов С.П. Эффект аномальной прозрачности границы раздела жидкость-газ для звуковых волн // Акустический журнал. 2013. Т. 59. № 2. С 186-192.

12. Voloshchenko A.P., Tarasov S.P. Experimental study of the transmission of low-frequency acoustic waves through a water–air interface // J. Acoust. Soc. Am. 2019. – V. 145. № 1. – P. 143-148.

Изобретение относится к звукоподводной и звуковой связи и может быть использовано в гидроакустических системах для организации односторонней связи погруженного в водную среду объекта с воздушным объектом. Техническим результатом изобретения является расширение функциональных возможностей систем связи, устанавливаемых на подводных и летательных аппаратах, повышение технической надежности и скрытности передачи и приема информации для односторонней связи подводных аппаратов с летательными. Способ связи подводного аппарата с летательным аппаратом характеризуется тем, что излучающий тракт расположен на подводном аппарате и состоит из управляющей ЭВМ, генератора импульсов, усилителя мощности, излучающей гидроакустической антенны, а приемный тракт расположен на летательном аппарате и состоит из приемной акустической антенны, предусилителя, полосового фильтра, возбудителя, усилителя мощности, излучающей радиоантенны, причем глубина погружения подводного аппарата (или его гидроакустической антенны) не должна превышать длину волны излучаемого гидроакустической антенной акустического сигнала; частота акустического сигнала должна лежать в низкочастотном (менее 1 кГц) или инфразвуковом диапазонах; гидроакустическая антенна должна обладать либо сферической, либо цилиндрической излучающей поверхностью; размеры подводного аппарата не должны превышать длину волны излучаемого акустического сигнала. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ связи подводного аппарата с летательным аппаратом, характеризующийся тем, что излучающий тракт расположен на подводном аппарате и состоит из управляющей ЭВМ, генератора импульсов, усилителя мощности, излучающей гидроакустической антенны, а приемный тракт расположен на летательном аппарате и состоит из приемной акустической антенны, предусилителя, полосового фильтра, возбудителя, усилителя мощности, излучающей радиоантенны, причем глубина погружения подводного аппарата (или его гидроакустической антенны) не должна превышать длину волны излучаемого гидроакустической антенной акустического сигнала; частота акустического сигнала должна лежать в низкочастотном (менее 1 кГц) или инфразвуковом диапазонах; гидроакустическая антенна должна обладать либо сферической, либо цилиндрической излучающей поверхностью; размеры подводного аппарата не должны превышать длину волны излучаемого акустического сигнала.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что излучающий тракт содержит устройство ввода информации.