Способ навигационной поддержки группы специализированных подводных аппаратов, выполняющих общую миссию в мелководной акватории Российский патент 2024 года по МПК G01S3/808 

Изобретение относится к средствам подводной навигации и может быть использовано для определения с требуемой точностью местоположения группы специализированных подводных аппаратов (далее СПА), выполняющих общую миссию, например, по контролю шумового акустического поля в заданной мелководной акватории в составе группировки, дополнительно включающей командный автономный необитаемый подводный аппарат (далее АНПА), обеспечивающий сбор данных и управление работой группы.

Известно, что для навигации подводного аппарата на его борту устанавливается бортовая навигационная система (БАНС) для счисления текущего положения по данным датчиков курса, скорости и глубины. Для повышения точности счисления используются средства внешней навигационной поддержки. При комплексировании БАНС и внешней, например, гидроакустической навигационной системы с длинной базой (ГАНС), обеспечивается значительное увеличение точности навигации. В известном способе навигационно-информационной поддержки, основанном на комплексной обработке данных БАНС и ГАНС, подводный аппарат оснащается БАНС, в районе работ выставляется сеть автономных опорных маяков-ответчиков из состава ГАНС, координаты которых известны на борту аппарата, и излучающих навигационные сигналы по запросу от объекта навигации. Подводный аппарат оснащается средствами приема, излучения и обработки навигационных сигналов для расчета своих географических координат по измеренным дальностям от маяков. Решение навигационной задачи включает счисление текущих координат по данным БАНС, излучение с борта аппарата с установленным периодом сигнала запроса опорных гидроакустических маяков и прием их ответов для расчета на борту дальностей от маяков по измеренным временам распространения сигналов и установленной фиксированной скорости их распространения, комплексирование бортовых и гидроакустических навигационных данных с коррекцией накапливающихся ошибок счисления путем определения положения объекта по измеряемым дальностям от маяков. (Агеев М.Д., Киселев Л.В., Матвиенко Ю.В. и др. Автономные подводные роботы. - М., Наука, 2005, 398 с.)

Известные средства навигации могут быть применены для групп аппаратов. В навигационном поле донных маяков-ответчиков могут работать несколько идентичных подводных аппаратов, оснащенных БАНС. При организации группового запуска производится синхронизация систем единого времени подводных аппаратов, каждому из них выделяется свой слот времени для опроса маяков и для передачи данных измерений по акустическому каналу на пост управления. (Матвиенко Ю.В., Борейко А.А., Костенко В.В., Львов О.Ю., Ваулин Ю.В. Комплекс робототехнических средств для выполнения поисковых работ и обследования подводной инфраструктуры на шельфе // Подводные исследования и робототехника. 2015. №1 (19). С. 4-16.)

Другой возможный метод навигационного обеспечения группы аппаратов состоит в том, что в акватории в точках с известными координатами можно выставить 2-3 синхронных навигационных излучателя. Прием навигационных сигналов от каждого такого излучателя позволяет определять по измеренным дальностям положение каждого аппарата и использовать эти данные для коррекции БАНС (Гидроакустические навигационные средства. В.И. Бородин и др.-Л.: Судостроение, 1983.-264 с.).

Но методы с использованием маяков ответчиков и синхронных излучателей дороги, требуют наличие БАНС и системы высокоточного времени на борту аппарата, предварительной подготовки акватории, не обеспечивают скрытности работ, увеличивают количество выставляемого оборудования и усложняют операции применения из-за необходимости поддерживать развернутую навигационную сеть.

При этом одним из важных условий навигационного обеспечения групп подводных аппаратов является уменьшение стоимости навигационных средств. Для этого, как правило, точной БАНС, включающей дорогостоящий доплеровский лаг для измерения абсолютной скорости и дорогостоящую инерциальную систему для выработки точного курса, оснащается только один (называемый, например, командным или ведущим) аппарат, а остальные (называемые ведомыми) - навигационными системами с меньшей точностью и пониженной стоимостью. (Ваулин Ю.В., Дубровин Ф.С., Щербатюк Д.А., Щербатюк А.Ф. О методах обеспечения навигации групп АНПА. Краткий обзор // Подводные исследования и робототехника. 2019. №4 (30). С. 27-36.) Для увеличения точности определения положения ведомых аппаратов используются дальномерные данные между аппаратами группы. Различные варианты таких технических решений приведены в работах (Gao R., Chitre М. Cooperative Positioning using Range - Only Measurements Between Two AUVs // Proc. of the MTS/IEEE Int. Conf. OCEANS 2010. Sydney, NSW, Australia, 2010. P. 1-6; Daxiong J., Jian L. A Navigation Method for Multiple Robots Based on a Single Mobile Node // ROBOT. 2012. Vol. 34, No. 6 November. P. 1-5; Zhang L., Liu M., Zhang F. Cooperative Localization Method for AUV Using Acoustic Communication Measurement // Advanced Engineering Forum. 2012. Vol.4. P. 227-231).

В работе (A. Scherbatyuk, N. Sergeenko, F. Dubrovin. Some Algorithms of Cooperative AUV Navigation with Mobile Surface Beacon. // OCEANS 2013 MTS/IEEE Conference, September 23-27, 2013, San Diego, USA. ISBN CD-ROM: 978-0-933957-40-4) предложен способ групповой навигации, основанный на измерении дальностей аппаратов группы от ведущего аппарата с известными координатами, измерении взаимных дальностей между аппаратами группы и использовании данных бортовых навигационных систем каждого аппарата. Для решения навигационной задачи на борту каждого аппарата группы применяется система счисления пути с коррекцией результатов дальномерными данными. При этом все аппараты оборудованы акустическими модемами, предназначенными для связи между собой и ведущим аппаратом. Бортовой вычислитель каждого ведомого аппарата выполняет операции счисления пути по данным датчиков глубины, курса и скорости, расчета дальности до ведущего аппарата и взаимных дальностей между ведомыми аппаратами группы, осуществляет информационный обмен навигационными оценками, формируемыми бортовыми навигационными системами ведомых аппаратов и обеспечивает решение навигационной задачи по совокупности данных с использованием известных методов кальмановской фильтрации.

Способ, предложенный в этой работе, наиболее близок к предлагаемому техническому решению и принят за прототип.

Недостатками известного способа являются:

высокая стоимость навигационного обеспечения, определяемая необходимостью оснащения каждого ведомого аппарата оборудованием системы счисления пути и бортовыми вычислителями для выполнения операций, необходимых при решении навигационной задачи. При этом данными, получаемыми при прямых измерениях (относительно точки с известными координатами), являются только дальности ведущего аппарата от ведомых аппаратов группы, а взаимные дальности аппаратов группы формируются между точками, координаты которых подлежат определению, что в целом определяет зависимость достигаемой точности от точности текущих навигационных оценок ведомых аппаратов.

Задачей настоящего изобретения является разработка недорогого быстро развертываемого способа координирования группы специализированных подводных аппаратов, выполняющих общую миссию в мелководной акватории и имеющей в своем составе командный подводный аппарат (АНПА) с точной бортовой автономной навигационной системой.

Поставленная задача решается тем, что известный способ навигационной поддержки группы специализированных подводных аппаратов (СПА), выполняющих общую миссию в локальной мелководной акваторий, в ходе которой предусматривается периодический выход аппаратов группы на поверхность, включающий применение командного подводного аппарата группы (АНПА), обеспечивающего управление работой группы, и определение географических координат СПА при их нахождении на поверхности;

при котором АНПА, выполняющий функции управления с использованием гидроакустического канала информационного обмена с каждым СПА, стартует с поверхности, определяет текущие географические координаты точными средствами бортовой автономной навигации, корректирует под водой внешними гидроакустическими или на поверхности спутниковыми средствами навигации, обеспечивающими при комплексной обработке всех данных точную текущую географическую оценку координат АНПА. При этом каждый СПА стартует с поверхности в начале миссии и определяет свои географические координаты при нахождении на поверхности, оборудован средствами для передачи и приема команд управления по гидроакустическому каналу информационного обмена с АНПА.

При реализации способа в ходе миссии в подводном положении группа СПА периодически осуществляют согласованные сеансы гидроакустической связи с АНПА, при которых АНПА излучает навигационный сигнал, принимает ответы от каждого СПА, определяет времена распространения сигнала по трассам «АНПА - каждый СПА» и определяет текущие дальности каждого СПА от АНПА. В ходе сеансов связи также каждый СПА по очереди излучает навигационный сигнал, принимает ответы от остальных СПА, определяет времена распространения сигнала по трассам «очередной СПА - остальные СПА» и определяет свои текущие дальности от остальных СПА в составе группы.

Предлагаемый способ отличается от известного тем, что каждый СПА передает свои текущие дальности от остальных СПА по гидроакустическому каналу на борт АНПА вместе со своими географическими координатами, полученными при крайней обсервации на поверхности. Кроме того, АНПА оснащен программными средствами своей системы бортового управления, которыми решает задачу определения текущих относительных координат каждого СПА в локальной системе координат с центром в точке размещения АНПА с использованием системы уравнений:

и граничных условий

где i=1…I, J=2…I, I - число СПА в группе, x_i, у_i, - неизвестные текущие относительные координаты каждого СПА в локальной системе координат с центром в точке размещения АНПА, х_io, у_io - относительные координаты каждого СПА, определенные им при крайней обсервации на поверхности, R_i - накапливаемая ошибка координат каждого СПА за время выполнения миссии, D_iо - дальности каждого СПА от АНПА, D_ij - взаимные дальности между СПА.

Анализ заявляемого технического решения показывает, что оно имеет следующие новые существенные признаки:

признак: «каждый СПА передает свои текущие дальности от остальных СПА по гидроакустическому каналу на борт АНПА вместе со своими координатами, полученными при крайней обсервации на поверхности» - служит для формирования на борту АНПА всех измеренных дальностей (между аппаратами группы) и данных для формирования граничных условий, при этом знание текущей дальности - того СПА от ведущего АНПА обеспечивает уменьшение области, формирующей ошибку определения местоположения i - того СПА зоной пересечения круга радиусом R_i; и дуги с шириной r_i (где r_i - ошибка измерения дальности D_io), а набор взаимных дальностей устанавливает расстояние между всеми парами СПА и позволяет сформировать планшет размещения группы СПА на плоскости в виде жесткого многоугольника, в вершинах которого находятся СПА, при этом нет необходимости знать координаты СПА;

признак: «…АНПА оснащен программными средствами своей системы бортового управления, которыми решает задачу определения текущих относительных координат каждого СПА в локальной системе координат с центром в точке размещения АНПА с использованием системы уравнений

и граничных условий

где i=1, j=2…7, 7 - число СПА в группе, x_i, у_i - текущие относительные координаты каждого СПА в локальной системе координат с центром в точке размещения АНПА, х_io, у_io - относительные координаты каждого СПА, определенные им при крайней обсервации на поверхности, R_i - накапливаемая ошибка координат каждого СПА за время выполнения миссии, D_io - дальности каждого СПА от АНПА, D_ij взаимные дальности между СПА» - позволяет решением системы уравнений с граничными условиями математически строго определить текущие относительные координаты каждого СПА в локальной системе координат при их нахождении в подводном положении. При этом расчет текущих координат каждого СПА выполняется на борту командного АНПА. Тем самым определяются точные координаты СПА в локальной системе координат, в центре которой размещен АНПА, для которого определены географические координаты.

Технический результат заявленного изобретения - определение географических координат группы подводных аппаратов в ходе выполнения миссии в подводном положении, в составе которой только один аппарат оснащен средствами точной подводной навигации для определения географических координат. При этом ошибка определения координат всех аппаратов группы фактически соответствует аналогичной ошибке в известных гидроакустических навигационных системах с длинной базой, в которых положение объекта навигации определяется по его дальностям от сети навигационных маяков (Агеев М.Д., Киселев Л.В., Матвиенко Ю.В. и др. Автономные подводные роботы. - М., Наука, 2005, 398 с.).

Совокупность существенных признаков заявленного изобретения имеет причинно-следственную связь с достигаемым техническим результатом. На основании изложенного можно заключить, что заявленное техническое решение способа является новым и обладает изобретательским уровнем, т.к. явным образом не следует из уровня техники и пригодно для промышленного применения.

Заявленный способ реализуется следующим образом.

Группа, включающая по меньшей мере три СПА и командный аппарат, выставляется на поверхность моря с борта судна в мелководном локальном районе для применения по задачам назначения. Текущие географические координаты каждого аппарата контролируются его средствами спутниковой навигации на поверхности.

АНПА стартует с поверхности, определяет текущие географические координаты точными средствами бортовой автономной навигации, корректирует внешними на поверхности спутниковыми средствами навигации, обеспечивающими при комплексной обработке всех данных точную текущую географическую оценку координат АНПА.

Далее АНПА погружается на середину глубины акватории для управления работой группы, определяет свои текущие географические координаты средствами бортовой автономной навигации с использованием комплексирования данных этой системы, включающей доплеровский лаг для измерения абсолютной скорости и инерциальную систему для выработки точного курса, и данных полученных от внешних гидроакустических навигационных систем. Для получения спутниковых навигационных данных и связи с пунктом управления АНПА может иметь отделяемый поверхностный радиобуй.

Рабочими режимами СПА является работа у дна или работа с перемещением в водной толще от поверхности до дна и обратно с использованием специализированных инструментов для решения задач назначения. Например, СПА несут на борту скалярно-векторные приемники звука с задачей контроля шумовой обстановки в акватории, а вся развернутая группа СПА образует в горизонтальной плоскости пространственную приемную антенну большой апертуры. Данные от такой антенны передаются по каналам связи «СПА - АНПА» и «АНПА - пункт управления» и обрабатываются в пункте управления, причем эффективность такой антенны определяется точностью координатной привязки положения каждого ее элемента. Каждый СПА находится в зоне действия гидроакустической системы связи с АНПА.

При проведении работ СПА стартуют от поверхности моря из точек с известными географическими координатами Х_io, У_io - вследствие различных факторов (течений и т.д.) текущие координатные оценки СПА в подводном положении x_i, у_i отличаются от координат крайней обсервации на поверхности и содержат ошибки в виде кругов радиусом R_i величины которых растут с увеличением времени. В ходе миссии предусматривается периодический выход аппаратов группы на поверхность. Периодичность обсервации обратно пропорциональна средней скорости движения СПА (V_движ) - оценка периода обсервации может быть получена с использованием соотношения: 20+10/V_движ - она выбирается в диапазоне от 30 до 60 минут для диапазона средней скорости движения СПА от 0,25 м/с до 1 м/с.

Данные инструментального поиска с борта СПА по установленной периодичности (например, каждые 20-40 минут) передаются на борт АНПА по гидроакустическому каналу во время сеанса связи. Периодичность сеансов связи прямо пропорциональна объему устройства хранения информации на борту СПА (I_данные), обратно пропорциональна скорости накопления поисковых данных при выполнении задания (V_данные). Оценка периодичности сеансов связи может быть рассчитана ПО формуле: I_данные /V_данные⋅

Возможен также экстренный сеанс связи, необходимость которого определяется на борту СПА важностью полученных данных инструментальных исследований.

В ходе сеанса связи АНПА дополнительно излучает навигационный сигнал, принимает ответы от каждого СПА, определяет времена распространения сигнала по трассам «АНПА - каждый СПА» и определяет текущие дальности D_io каждого СПА от АНПА. Кроме того, в ходе сеанса каждый СПА по очереди излучает навигационный сигнал, принимает ответы от остальных СПА, определяет времена распространения сигнала по трассам «очередной СПА - остальные СПА» и определяет свои текущие дальности от остальных СПА в составе группы. Информация D_ij по трассам «очередной СПА - остальные СПА» передается по гидроакустическому каналу на борт АНПА вместе с географическими координатами Х_io, Y_io, полученными СПА при крайней обсервации на поверхности.

Для определения координат каждого СПА при его нахождении в подводном положении на борту АНПА формируется информация о дальностях СПА от АНПА D_io и взаимных дальностях СПА D_ij. Далее программными средствами своей системы бортового управления, которыми оснащен АНПА, решается задача определения текущих относительных координат каждого СПА в локальной системе координат с центром в точке размещения АНПА путем решения системы уравнений. Система уравнений в случае, например, трех СПА в составе группы будет иметь вид:

Решение этой системы шести квадратных уравнений относительно шести неизвестных x_i, у_i (i=1,2,3) становится однозначным при учете граничных условий

связывающих координаты СПА, определенные ранее на поверхности, с границами возможных ошибок. В приведенных формулах х_io, у_io - относительные координаты каждого СПА определенные им при крайней обсервации на поверхности, т.е. значения географических координат x_io, у_io - пересчитанные в локальной системе координат с центром в точке размещения АНПА.

При измерении дальности каждого СПА от АНПА зона ошибок определения координат каждого СПА формируется пересечением круга накапливаемой ошибки с центром в точке крайней обсервации на поверхности х_io, у_io и радиусом R_i, пропорциональным времени от крайней обсервации на поверхности (радиус этого круга при наличии даже незначительного течения, например, 0.1 м/с при времени миссии, равном одному часу может составлять несколько сотен метров), и дуги радиусом D_io, равным текущей дальности СПА от АНПА, с шириной r_i (r_i - ошибка дальномерных измерений). Дополнительные измерения взаимных дальностей СПА которые приводятся к виду позволяют сформировать конфигурацию (топологию) текущего положения СПА в виде жесткого многоугольника (в случае трех СПА - треугольника). Далее сформированный многоугольник соответствующими вершинами вписывается в области пересечений кругов и дуг, однозначно определяя текущие координаты СПА (фиг. 1).

При очередном появлении СПА на поверхности их координаты X_io, Y_io уточняются спутниковыми средствами навигации.

Таким образом, предложен способ координирования группы СПА, находящихся в подводном положении и связанных гидроакустическим каналом связи с АНПА управления на основе формирования текущих дальномерных данных между АНПА управления и каждым СПА из группы, а также между всеми отдельными СПА. Обработка всех дальномерных данных на борту АНПА, текущие координаты которого известны с высокой точностью, позволяет определить географические координаты каждого СПА с ошибкой не более 2r_i, соответствующей ошибке определения координат при трилатеральной обработке дальностей.

При работе группы в мелководных акваториях и обоснованном предположении размещения группировки в плоскости одного горизонта (например, при глубинах акватории в десятки метров и диапазоне дальностей до единиц км) можно значительно упростить и удешевить средства бортовой навигации специализированных подводных аппаратов, оснастив их только недорогими средствами спутниковой навигации для точного определения местоположения при нахождении на поверхности и простыми навигационными датчиками глубины, курса и скорости для обеспечения возможного перемещения СПА в подводном положении. Способ также может быть применен для навигационной поддержки в случае, когда СПА представляют собой группу выставленных гидроакустических или океанологических станций, оснащенных гидроакустическими модемами для связи между собой и с командным АНПА.

Изобретение относится к средствам подводной навигации и может быть использовано для определения точного местоположения группы специализированных подводных аппаратов. В способе точного определения координат группы подводных аппаратов, оснащенных недорогими средствами навигации, координаты определяются на борту командного аппарата, оснащенного развитой навигационной системой и связанного с аппаратами группы гидроакустическими средствами связи. Решение задачи обеспечивается на основании измерений дальности каждого аппарата группы от командного и взаимных дальностей аппаратов группы. Технический результат - определение географических координат группы подводных аппаратов в ходе выполнения миссии в подводном положении, в составе которой только один аппарат оснащен средствами точной подводной навигации для определения географических координат. 1 ил.

Способ навигационной поддержки группы специализированных подводных аппаратов (СПА), выполняющих в локальной мелководной акватории общую миссию, в ходе которой предусматривается периодический выход аппаратов группы на поверхность, включающий применение командного подводного аппарата группы (АНПА), обеспечивающего управление работой группы, и определение географических координат СПА при их нахождении на поверхности,

при котором АНПА, выполняющий функции управления с использованием гидроакустического канала информационного обмена с каждым СПА, стартует с поверхности, определяет текущие географические координаты точными средствами бортовой автономной навигации, корректирует под водой внешними гидроакустическими или на поверхности спутниковыми средствами навигации, обеспечивающими при комплексной обработке всех данных точную текущую географическую оценку координат АНПА,

каждый СПА стартует с поверхности в начале миссии и средствами спутниковой навигации определяет свои географические координаты при нахождении на поверхности, оборудован средствами для передачи и приема команд управления по гидроакустическому каналу информационного обмена с АНПА;

в ходе миссии в подводном положении группа СПА периодически осуществляют согласованные сеансы гидроакустической связи с АНПА, при которых АНПА излучает навигационный сигнал, принимает ответы от каждого СПА, определяет времена распространения сигнала по трассам «АНПА - каждый СПА» и определяет текущие дальности каждого СПА от АНПА;

в ходе сеансов связи также каждый СПА по очереди излучает навигационный сигнал, принимает ответы от остальных СПА, определяет времена распространения сигнала по трассам «очередной СПА - остальные СПА» и определяет свои текущие дальности от остальных СПА в составе группы;

отличающийся тем, что каждый СПА передает свои текущие дальности от остальных СПА по гидроакустическому каналу на борт АНПА вместе со своими географическими координатами, полученными при крайней обсервации на поверхности,

а АНПА оснащен программными средствами в составе своей системы бортового управления, которыми решает задачу определения текущих относительных координат каждого СПА в локальной системе координат с центром в точке размещения АНПА с использованием системы уравнений:

и граничных условий

где i=1…I, j=2…I, I - число СПА в группе, x_i, y_i, - неизвестные текущие относительные координаты каждого СПА в локальной системе координат с центром в точке размещения АНПА, x_io, y_io - относительные координаты каждого СПА, определенные им при крайней обсервации на поверхности, R_i - накапливаемая ошибка координат каждого СПА за время выполнения миссии, D_io - дальности каждого СПА от АНПА, D_ij - взаимные дальности между СПА.