Способ определения координат подводного объекта в переходной зоне шельф - глубокое море Российский патент 2021 года по МПК G01S15/08 

Изобретение относится к гидроакустике и может быть использовано при разработке гидроакустических дальномерных систем с повышенной точностью и дальностью действия, предназначенных для работы в мелком и глубоком море с большими дисперсионными искажениями акустического сигнала.

Общеизвестен способ определения координат движущегося подводного объекта (ПО) с помощью гидроакустической навигационной системы дальномерного типа. В этом способе устанавливают в районе работы ПО не менее трёх гидроакустических маяков (ГМ) или маяков ответчиков (МО), измеряют расстояние r и время распространения t акустического сигнала в морской среде от гидроакустического маяка (ГМ) или маяка ответчика (МО) до движущегося ПО по формуле

(1)

где С-скорость распространения акустического сигнала в воде, имеющая смысл эффективной групповой скорости, усреднённой по трассе распространения, если среда является неоднородной по скорости звука (Милн П. Х. Гидроакустические системы позиционирования. Л. Судостроение. 1989г, с.49-60).

В водоёме типа мелкого моря (волновода) точки излучения и приёма акустического сигнала связаны целым набором лучевых траекторий. В этом случае время распространения акустического сигнала изменяется от некоторого минимального, соответствующего максимальной групповой скорости в волноводе, до некоторого максимального значения, соответствующего минимальной групповой скорости, называемой обычно скоростью волны Эйри. Физически это означает уширение импульсного акустического сигнала, при этом погрешность акустического дальномера, работающего по алгоритму (1), становится недопустимо большой.

Известен способ определения координат ПО (Патент РФ №2469346, п.1, опубликован 10.12.2012. Бюлл.№34), снабжённого акустическим приёмником и бортовым устройством вычисления координат ПО, включающий установку в морской среде как минимум двух стационарных гидроакустических маяков ГМ, синхронизированных системой единого времени между собой и с акустическим приёмником, излучение маяками акустического сигнала, его приём акустическим приёмником ПО и последующее вычисление координат ПО с использованием известных координат ГМ и рассчитанных дистанций между ГМ и ПО с использованием предварительно измеренной скорости звука в среде и группового времени задержки акустических сигналов, при этом ГМ устанавливаются за пределами прибойной зоны на глубинах, превышающих в 5-10 раз длину волны излучаемого гидроакустического сигнала так, чтобы вероятные позиции ПО в районе работ и двух ГМ не находились на одной линии, а для вычисления координат ПО вводят координаты ГМ и электронных копий излучаемых ими сигналов в память бортового устройства вычисления координат ПО, в качестве акустического сигнала используют сложные низкочастотные сигналы с центральной частотой ниже 10кГц, выделяют в бортовом устройстве групповые времена задержки излучённого ГМ акустического сигнала посредством их взаимно-корреляционной обработки в реальном времени с электронной копией излучённого сигнала, причём для дистанций, меньших 20км и условий мелкого моря, выбирают первый по времени прихода полезный сигнал, а для дистанций, больших 20км и условий глубокого моря - последний приход.

Недостатком данного способа является большая погрешность определения координат ПО, связанная с многолучёвостью распространения акустических сигналов в мелком море с неоднородным профилем вертикального распределения скорости звука (ВРСЗ).

Для устранения этого недостатка предложен способ определения координат ПО (Патент РФ №2469346, п.2, опубликован 10.12.2012. Бюлл.№34), отличающийся от способа по п.1 тем, что скорость звука в среде определяют путём выставления в районе работы ПО, как минимум, одного радиогидроакустического буя (РГБ) с приёмником спутниковой навигационной системы (GPS) и гидрофоном, погружённым на предполагаемую глубину работы ПО, дополнительно оборудуют пункт управления, включающий канал связи, как минимум, с одним гидроакустическим маяком, передающим команды управления на ПО и, как минимум, одним выставленным радиогидроакустическим буем, передающим по радиоканалу в пункт управления принятые от гидроакустических маяков акустические сигналы совместно со своими текущими GPS координатами, в пункте управления определяют скорость звука на трассах «гидроакустический маяк-буй», формируют командный сигнал корректировки вычисляемых дистанций по полученным данным об изменении скорости звука, передают его через канал связи на излучатель ГМ, при этом среди излучаемых ГМ сложных гидроакустических сигналов этот сигнал автоматически выделяется бортовой аппаратурой ПО и выполняется корректировка позиционирования. Недостатками этого способа являются:

ограниченная точность определения координат ПО, ввиду того, что скорость распространения акустических сигналов, определённая на трассе «ГМ-РГБ», может существенно отличаться от скорости распространения акустических сигналов на трассе «ГМ-ПО». Моделирование, проведённое для района площадью 100 тыс.км², расположенного в северо-западной части Тихого океана, показало, что эта разница в зависимости от взаимного расположения ГМ и ПО может достигать 1%, таким образом, на трассе «ГМ-ПО» в 500км ошибка в определении координат ПО может достигать 5км,

необходимость выставления в районе при помощи корабля или авиации специального РГБ для определения скоростей распространения акустического сигнала от каждого ГМ и его периодической замены (ввиду ограниченного времени действия). Следствием этого является высокая сложность и стоимость способа.

Для устранения этих недостатков, т.е. для повышения точности и уменьшения трудоёмкости позиционирования ПО, предложен (Патент РФ №2702700, опубликован 09.10.2019. Бюлл.№28) способ позиционирования как минимум одного ПО, снабжённого гидроакустическим приёмником и бортовым устройством вычисления координат, включающий установку в морской среде за пределами прибойной зоны на глубине, превышающей в 5-10 раз длину волны излучаемого акустического сигнала, как минимум, двух стационарных ГМ, синхронизированных системой единого времени между собой и с ПО, введение координат каждого ГМ в бортовое устройство вычисления координат ПО, излучение ГМ сложных акустических сигналов на частоте ниже 10кГц с заложенными в них посредством кодирования условного номера ГМ и времени излучения, приём акустических сигналов гидроакустическим приёмником ПО с фиксацией времени приёма, извлечение путём декодирования из принятых акустических сигналов номера ГМ и времени излучения акустического сигнала, вычисление координат ПО с использованием известных координат ГМ, текущих скоростей распространения акустических сигналов между каждым ГМ и ПО и времён распространения акустических сигналов между каждым ГМ и ПО, причём ПО периодически с использованием сигналов спутниковой навигационной системы определяет свои текущие координаты, с использованием которых, а также известных координат ГМ и времён распространения акустических сигналов между каждым ГМ и ПО вычисляет и запоминает текущие скорости распространения акустических сигналов между каждым ГМ и ПО, которые затем используются для определения координат ПО. Данный способ определения координат ПО является наиболее близких к заявляемому способу и принят в качестве прототипа.

Недостатками этого способа являются невозможность использования спутниковой навигационной системы, например, при наличии, ледового покрытия на трассе движения ПО, либо когда его всплытие на поверхность оказывается нежелательным из тактических соображений либо из соображений скрытности. В этих случаях для повышения точности определения координат ПО необходимо использование исключительно акустических методов, основанных на теоретических предпосылках и на привлечении дополнительной информации о свойствах морской среды на трассе движения ПО.

Для устранения этих недостатков, т.е. для повышения точности определения координат ПО в условиях, исключающих использование спутниковой навигационной системы, в способе позиционирования как минимум одного ПО, снабжённого гидроакустическим приёмником и бортовым устройством вычисления координат, включающем установку в морской среде за пределами прибойной зоны на глубине, превышающей в 5-10 раз длину волны излучаемого акустического сигнала, как минимум, двух стационарных ГМ, синхронизированных системой единого времени между собой и с ПО, введение координат каждого ГМ в бортовое устройство вычисления координат ПО, излучение ГМ сложных акустических сигналов на частоте ниже 10кГц с заложенными в них посредством кодирования условного номера ГМ и времени излучения, приём акустических сигналов гидроакустическим приёмником ПО с фиксацией времени приёма, извлечение путём декодирования из принятых акустических сигналов номера ГМ и времени излучения акустического сигнала, вычисление координат ПО с использованием известных координат ГМ, текущих скоростей распространения акустических сигналов между каждым ГМ и ПО и времён распространения акустических сигналов между каждым ГМ и ПО, искомое расстояние между каждым ГМ и ПО вычисляют с использованием предварительно определённого инварианта β, предварительно определённой инвариантной скорости с_β, предварительно определённой фазовой скорости с_ф и группового времени запаздывания t_г по формуле

(2)

а в качестве приёмника акустического сигнала на ПО используют помещённый в обтекатель комбинированный приёмник, содержащий канал звукового давления и три векторных канала для измерения компонент вектора колебательной скорости. Кроме того, определяют групповое время запаздывания t_г принятого сигнала как момент времени, соответствующий максимуму функции взаимной корреляции между предварительно записанной электронной копией излучённого сигнала звукового давления и одним из принятых сигналов в векторных каналах комбинированного приёмника, которому соответствует максимальное значение максимума функции взаимной корреляции, размещают на ПО измеритель скорости звука в морской среде, измеряют профиль вертикального распределения скорости звука (ВРСЗ) в водной среде с₁(z) размещённым на ПО измерителем скорости звука в морской среде, определяют угол скольжения α в точке приёма по формуле

(3)

где I_i-максимум взаимной корреляционной функции I_i(τ)=P(t)×V_i(t-τ) при τ=τ_max, i=x,y,z, P(t), V_i(t-τ)-сигналы в канале звукового давления и векторных каналах V_i.

определяют фазовую скорость соотношением

с_ф=с₁(h)/cosα, (4)

где h-глубина моря в месте позиционирования движущегося подводного объекта в мелком море или глубина оси подводного звукового канала h_к при движении в глубоком море, определяют инвариантную скорость как скорость неоднородной волны, соответствующей нулю коэффициента отражения границы раздела вода морское дно, по формуле

(5)

где , -предварительно измеренные плотность и средняя скорость звука в водном слое, ρ₂, с₂ плотность и скорость продольных волн в грунте соответственно, ∆c₁=c₁(0)-c₁(h),

а горизонт позиционирования движущегося подводного объекта во время определения расстояния устанавливают максимально приближенным к морскому дну в случае движения в мелком море или максимально приближенным к предварительно определённой оси подводного звукового канала h_к при движении в глубоком море.

В заявленном способе измерения координат ПО общими существенными признаками для него и для прототипа являются:

- устанавливают в морской среде за пределами прибойной зоны на глубине, превышающей в 5-10 раз длину волны излучаемого акустического сигнала, как минимум, два стационарных ГМ,

-синхронизируют ГМ системой единого времени между собой и с ПО,

-вводят координаты каждого ГМ в бортовое устройство вычисления координат ПО,

-излучают ГМ сложные акустические сигналы на частоте ниже 10кГц с заложенными в них посредством кодирования условного номера ГМ и времени излучения,

-принимают акустические сигналы гидроакустическим приёмником ПО с фиксацией времени приёма,

-извлекают путём декодирования из принятых акустических сигналов номера ГМ и времени излучения акустического сигнала,

-вычисляют координаты ПО с использованием известных координат ГМ, текущих скоростей распространения акустических сигналов между каждым ГМ и ПО и времён распространения акустических сигналов между каждым ГМ и ПО,

Отличительными признаками заявленного способа измерения координат ПО и прототипа являются:

- принимают акустический сигнал на ПО помещённым в обтекатель комбинированным приёмником,

- определяют на основе измерений параметров принятого сигнала групповое время запаздывания t_г как момент времени, соответствующий максимуму функции взаимной корреляции между предварительно записанной электронной копией излучённого сигнала звукового давления и одним из принятых сигналов в векторных каналах комбинированного приёмника, которому соответствует максимальное значение максимума функции взаимной корреляции,

-измеряют скорость звука в водной среде на поверхности моря с₁(0) и на горизонте позиционирования с₁(z), максимально приближенном к морскому дну с₁(h), в случае движения в мелком море или максимально приближенным к предварительно определённой оси подводного звукового канала с₁(h_к) при движении в глубоком море.

-определяют угол скольжения α в точке приёма по формуле (3),

-определяют фазовую скорость соотношением (4)

-принимают уточнённое значение инварианта β=-2,

-определяют инвариантную скорость по формуле (5),

-определяют расстояние между каждым ГМ и ПО по формуле (2),

- горизонт позиционирования ПО во время определения расстояния устанавливают максимально приближенным к морскому дну в случае движения в мелком море или максимально приближенным к предварительно определённой оси подводного звукового канала h_к при движении в глубоком море.

Данная совокупность существенных и отличительных признаков обеспечивает получение технического результата во всех случаях, на которые испрашивается правовая охрана. Именно такая совокупность существенных признаков заявляемого способа измерения координат ПО позволит учесть неоднородность водного слоя по профилю ВРСЗ, повысить точность определения группового времени запаздывания, повысить точность определения угла скольжения, повысить точность определения инварианта и инвариантной скорости, а, следовательно, точность определения расстояния от ГМ до ПО при его движении. На основании изложенного можно заключить, что совокупность существенных признаков заявленного изобретения имеет причинно-следственную связь с заявленным изобретением. Следовательно, заявленное изобретение является новым, обладает изобретательским уровнем, т.е. оно явным образом не следует из известных технических решений и пригодно для использования.

Способ измерения координат ПО реализуется следующим образом.

Устанавливают в морской среде за пределами прибойной зоны на глубине, превышающей в 5-10 раз длину волны излучаемого акустического сигнала, как минимум, два стационарных ГМ, синхронизируют ГМ системой единого времени между собой и с ПО, оснащают ПО помещённым в обтекатель комбинированным приёмником и измерителем скорости звука в воде, определяют при спуске на воду ПО скорость звука с₁(0) на поверхности моря, вводят в бортовое устройство определения координат ПО параметры водной среды и грунта ρ₁, с₁(0), ρ₂, с₂, а также координаты каждого ГМ, излучают ГМ сложные акустические сигналы на частоте ниже 10кГц с заложенными в них посредством кодирования условного номера ГМ и времени излучения. При движении ПО по заданному маршруту принимают акустический сигнал на ПО помещённым в обтекатель комбинированным приёмником, определяют на основе измерений параметров принятого сигнала групповое время запаздывания t_г как момент времени, соответствующий максимуму функции взаимной корреляции между предварительно записанной электронной копией излучённого сигнала звукового давления и одним из принятых сигналов в векторных каналах комбинированного приёмника, которому соответствует максимальное значение максимума функции взаимной корреляции, измеряют скорость звука в водной среде на горизонте позиционирования с₁(z), максимально приближенном к морскому дну с₁(h), в случае движения в мелком море или максимально приближенным к предварительно определённой оси подводного звукового канала с₁(h_к) при движении в глубоком море, определяют угол скольжения α в точке приёма по формуле (3), определяют фазовую скорость по формуле (4). Для уточнения значения инварианта нужно воспользоваться его определением, данным в работе Чупрова С.Д. (Интерференционная структура звукового поля в слоистом океане. Акустика океана. Современное состояние. М.: Наука,1982. С.71-91.)

где с_ф, с_г – фазовая и групповая скорости, соответствующие произвольному углу скольжения α. После этого принимают уточнённое значение инварианта β=-2, определяют инвариантную скорость по формуле (5), определяют расстояния между каждым ГМ и ПО по формуле (2). а горизонт позиционирования ПО во время определения расстояния устанавливают максимально приближенным к морскому дну при его движении в мелком море или максимально приближенным к предварительно определённой оси подводного звукового канала h_к при движении в глубоком море. После определения всех искомых параметров вводят в бортовое устройство определения координат ПО искомые расстояния между ГМ и ПО и определяют координаты ПО в локальной системе координат, связанной с ГМ, или в географической системе координат.

Использование: изобретение относится к прикладной гидроакустике и может быть использовано при разработке гидроакустических навигационных систем дальномерного типа, определяющих координаты подводных объектов (ПО) в переходной зоне шельф – глубокое море. Сущность: способ включает в себя установку в морской среде за пределами прибойной зоны как минимум двух стационарных гидроакустических маяков (ГМ), синхронизированных системой единого времени между собой и с ПО, введение координат каждого ГМ в бортовое устройство вычисления координат ПО, излучение ГМ сложных акустических сигналов на частоте ниже 10 кГц с заложенными в них посредством кодирования условным номером ГМ и временем излучения, приём акустических сигналов комбинированным приёмником ПО с фиксацией времени приёма, извлечение путём декодирования из принятых акустических сигналов номера ГМ и времени излучения акустического сигнала, определение группового времени запаздывания акустического сигнала на трассе ГМ-ПО. Расстояния между ГМ и ПО определяются с использованием предварительно определенного профиля вертикального распределения скорости звука в морской среде, угла скольжения в месте расположения ПО и фазовой скорости, предварительно определённого инварианта и инвариантной скорости как скорости неоднородной волны, соответствующей нулю коэффициента отражения границы раздела вода - морское дно. Горизонт позиционирования ПО во время определения расстояния устанавливают максимально приближенным к морскому дну в случае движения в мелком море или максимально приближенным к предварительно определённой оси подводного звукового канала при движении в глубоком море. После определения всех искомых параметров вводят в бортовое устройство определения координат ПО искомые расстояния между ГМ и ПО и определяют координаты ПО в локальной системе координат, связанной с ГМ, или в географической системе координат. Технический результат: уменьшение погрешности определения координат ПО при отсутствии доступа к спутниковым навигационным системам, повышение точности определения координат ПО.

Способ определения координат как минимум одного подводного объекта (ПО), снабжённого гидроакустическим приёмником и бортовым устройством определения координат, включающий установку в морской среде за пределами прибойной зоны на глубинах, превышающих в 5-10 раз длину волны излучаемого акустического сигнала, как минимум, двух стационарных гидроакустических маяков (ГМ), синхронизированных системой единого времени между собой и с ПО, введение координат каждого ГМ в бортовое устройство вычисления координат ПО, излучение ГМ сложных акустических сигналов на частоте ниже 10 кГц с заложенными в них посредством кодирования условным номером ГМ и временем излучения, приём акустических сигналов гидроакустическим приёмником ПО с фиксацией времени приёма, извлечение путём декодирования из принятых акустических сигналов номера ГМ и времени излучения акустического сигнала, вычисление координат ПО с использованием известных координат ГМ, текущих скоростей распространения акустических сигналов между каждым ГМ и ПО, отличающийся тем, что искомое расстояние между каждым ГМ и ПО вычисляют с использованием предварительно определённого инварианта β, предварительно определённой инвариантной скорости с_β, предварительно определённой фазовой скорости с_ф и группового времени запаздывания t_г по формуле

,

в качестве приёмника акустического сигнала на ПО используют помещённый в обтекатель комбинированный приёмник, содержащий канал звукового давления и три векторных канала для измерения компонент вектора колебательной скорости, определяют групповое время запаздывания t_г принятого сигнала как момент времени, соответствующий максимуму функции взаимной корреляции между предварительно записанной электронной копией излучённого сигнала звукового давления и одним из принятых сигналов в векторных каналах комбинированного приёмника, которому соответствует максимальное значение максимума функции взаимной корреляции, размещают на ПО измеритель скорости звука в морской среде, измеряют профиль вертикального распределения скорости звука (ВРСЗ) в водной среде с₁(z) размещённым на ПО измерителем скорости звука в морской среде, определяют угол скольжения α в точке приёма по формуле

где I_i - максимум взаимной корреляционной функции I_i(τ)=P(t)×V_i(t-τ) при τ=τ_max, i=x,y,z, P(t), V_i(t-τ) - сигналы в канале звукового давления и векторных каналах V_i,

определяют фазовую скорость соотношением

с_ф=с₁(h)/cosα,

где h - глубина моря в месте позиционирования движущегося подводного объекта в мелком море или глубина оси подводного звукового канала h_к при движении в глубоком море, определяют инвариантную скорость как скорость неоднородной волны, соответствующей нулю коэффициента отражения границы раздела вода - морское дно, по формуле

где - предварительно измеренные плотность и средняя скорость звука в водном слое, ρ₂, с₂ - плотность и скорость продольных волн в грунте соответственно, ∆c₁=c₁(0)-c₁(h),

а горизонт позиционирования движущегося подводного объекта во время определения расстояния устанавливают максимально приближенным к морскому дну в случае движения в мелком море или максимально приближенным к предварительно определённой оси подводного звукового канала h_к при движении в глубоком море.