Гидроакустическая система навигации акустической системы донных маяков Советский патент 1993 года по МПК G01S5/00 

i Изобретение относится к гидроакустическим навигационным средствам, а имен- Но - к гидроакустическим навигационным системам с короткой (КБЛ) и (или) сверхкороткой (СКБЛ) базовыми линиями и может быть использовано для определения взаимного местоположения судна и гидроакустического маяка, а также для определения Местоположения подводного буксируемого или автономного аппарата относительно судна обеспечения.

Цель изобретения - повышение точности определения местоположения путем из- мерения и учета пространственной ориентации системы трех приемных гидроакустических антенн.

Указанная цель достигается тем, что в ГСН АСМОД (Акустическая система маяков донных),, содержащую установленные на подводном объекте гидроакустический передатчик и передающую гидроакустическую антенну, установленные на судне три приемные гидроакустические антенны и датчик вертикальной ориентации судна, а также размещенные на судне три приемника гидроакустических сигналов, опорный генератор, три измерителя гидронавигационных параметров, два вычитэтеля, схему ввода данных о скорости звука, два умножителя, преобразователь координат (ПК) и индика,- тор местоположения, причем выходы приемных антенн подключены к входам приемников, выходы приемников подключены к первым входам измерителей, выход опорного генератора подключен к вторым входам измерителей, выход первого измерителя подключен к первым входам вычита- телей, выходы второго и третьего измерителей подключены к вторым входам вычитателей, выходы вычитателей подключены к первым входам умножителей, выход схемы ввода данных о скорости звука под- ключен к вторым входам умножителей, два выхода датчика вертикальной ориентации судка подключены к первой паре входов ПК, а два выхода ПК подключены к двум входам индикатора местоположения, введены пе- реключатель и измеритель пространственной ориентации приемных антенн. Введенные в ГСН переключатель и измеритель пространственной ориентации (НПО) являются существенными отличительными признаками изобретения. Введение новых узлов обусловливает введение новых связей, также являющихся существенными отличительными признаками: два входа переключателя подключены к выходам пер- вого и второго умножителей, первая пара выходов переключателя подключена к второй паре входов ПК, вторая пара выходов переключателя подключена к паре входов НПО, а пара выходов ИПО подключена к третьей паре входов ПК.

Одним из основных существенных отличий предлагаемой ГСН является ИПО приемных антенн. Он содержит три регистра памяти, три устройства возведения в квад- рэт, два умножителя, два сумматора, устройство извлечения квадратного корня и два делителя. Первые входы первого и второго умножителей являются входами ИПО, вторые входы умножителей подключены к выходу устройства извлечения квадратного корня, выходы первого, второго и третьего регистров памяти подключены к соответствующим входам первого, второго и третьего устройств возведения в квадрат, выходы первого и второго устройств возведения в квадрат подключены к первому и второму входам первого сумматора, первый и второй входы второго сумматора подключены соответственно к выходу первого сумматора и

выходу третьего устройства возведения в квадрат, выход второго сумматора подключен к входу устройства извлечения квадратного корня, первый и второй входы первого делителя подключены соответственно к выходам первого регистра памяти и первого умножителя, первый и второй входы второго делителя подключены соответственно к входам второго регистра памяти и второго ум-. ножителя. Выходы первого и второго делителей являются соответственно первым и вторым выходами ИПО.

Введение новых блоков: переключателя и ИПО обусловливает и существенные отличия входящего в ГСН ПК. ПК заявляемой ГСН АСМОД содержит первый, второй ; третий регистры памяти, первый, второй, третий и четвертый умножители, первое и второе устройства возведения в квадрат, сумматор, вычитатель, устройство извлечения квадратного корня, первый и второй делители, а также устройство коррекции крена и дифферента (УККД). Первый и второй входы УККД являются первой парой входов ПК, первые входы первого и второго умножителей являются второй парой входов ПК, входы первого и второго регистров памяти являются третьей парой входов ПК. Вторые входы первого и второго умножителей подключены к выходам первого и второго регистров памяти, выход первого умножителя подключен к входу первого устройства возведения в квадрат и первому входу третьего умножителя, выход второго умножителя подключен к входу второго устройства возведения в квадрат и к первому входу четвертого умножителя, выход третьего регистра памяти подключен к вторым входам третьего и четвертого умножителей и к третьему входу УККД, выходы первого и второго устройств возведения в квадрат подключены к входам сумматора, выход сумматора подключен к входу вычитателя, выход -вычитателя подключен к устройству извлечения квадратного корня, выходы третьего и четвертого умножителей подключены соответственно к первым входам первого и второго делителей, вторые входы первого и второго делителей подключены к выходу устройства извлечения квадратного корня, выходы первого и второго делителей являются соответственно четвертым и пятым входами УККД, а два выхода УККД являются двумя выходами ПК.

УККД содержит два параллельных канала обработки, каждый из которых включает последовательно соединенные делитель, устройство вычисления обратной тригонометрической функции arctg, сумматор, устройство вычисления тригонометрической

функции tg и умножитель. Вторые входы сумматоров первого и второго каналов являются соответственно первым и вторым входами устройства коррекции, вторые входы делителей и вторые входы умножителей объединены и являются третьим входом УККД, первые входы делителей первого и второго каналов являются соответственно четвертым и пятым входами УККД, а выходы умножителей первого и второго каналов являются соответственно первым, и вторым выходами УККД.

На фиг. 1 представлена структурная схема ГСН АСМОД и показано положение системы координат X, Y, Z, связанной с судном при выполнении калибровки антенной системы ГСН и при определении взаимного местоположения судна и гидроакустического маяка. На фиг. 2 представлена структурная схема НПО, на фиг. 3 - структурная схема ПК, на фиг. 4 - структурная схема УККД. На фиг, 5 представлена схема переключателя. На фиг. 6 показаны геометрические величины и координаты ГСН в системе координат X, Y, Z, связанной с судном.

ГСН (фиг. 1) содержит установленные на подводном объекте гидроакустический передатчик 1 и передающую гидроакустическую антенну 2, установленные на судне три приемные гидроакустические антенны 3, 4 и 5, причем первая приемная антенна 3 принята за центр системы координат XYZ, и датчик б вертикальной ориентации судна, а также размещенные на судне три приемника гидроакустических сигналов 7, 8 и 9, опорный генератор 10, три измерителя 11, 12 и 13 гидронавигационных параметров, два вычитателя 14 и 15, схему 16 ввода данных о скорости звука, два умножителя 17 и 18, ПК 19, индикатор местоположения 20, переключатель 21, ИПО приемных антенн 22. ИПО 22 (фиг. 2) содержит три регистра памяти 23. 24 и 25. три устройства 26, 27 и 2.8 возведения в квадрат, два умножителя 29 и 30, два сумматора 31 и 32, устройство 33 извлечения квадратного корня и два делителя 34 и 35. ПК 19(фиг. 3)содержит первый, второй и третий регистры памяти 36, 37 и 38, первый, второй, третий и четвертый умножители 39, 40, 41 и 42, первое и второе устройства 43 и 44 возведения в квадрат, сумматор 45, вычитатель 46, устройство 47 извлечения квадратного корня, первый и второй делители 48 и 49, а также УККД 50. УККД 50 (фиг. 4) содержит два параллельных канала обработки, каждый из которых включает последовательно соединенные делитель 51 (56 - во втором канале), устройство 52 (57) вычисления функции arctg, сумматор

53 (58), устройство 54 (59) вычисления функции tg и умножитель 55 (60).

Работа ГСН включает два этапа и заключается в следующем.

5На первом этапе производится калибровка антенной системы в процессе обработки гидроакустических данных при известных координатах Хм, YM, донного гидроакустического маяка и координатах

0 Хс, Yc центра антенной системы, принятых за центр системы координат. В этом режиме переключатель 21 на два положения и два направления (фиг. 5) соединяет выходы умножителей 17 и 18 с входами ИПО 22. Излу5 чаемые антенной 2 гидроакустические сигналы передатчика 1 принимаются установленными на судне приемными антеннами 3,4, и 5. Антенна 3 принимается за центр системы координат X, Y, Z, связанной с суд0 ном (фиг. 1, 6). Поскольку блок антенн 3, 4 и 5 при первоначальной установке весьма трудно установить в плоскости, параллельной палубе судна, направления антенных баз а(3-4) и Ь(3-5) будут составлять с осями

5 ОХ и OY некоторые углы 01 и 02 (фиг. 1, 6), характеризующие пространственную ориентацию антенной системы относительно плоскости OXY, параллельной плоскости палубы.

0 Для ГСН и СКБЛ сдвиг фаз Atpa и сигналов, поступающих от приемных антенн 3, 4 и 3, 5 с базами а и b на входы приемников 7, 8 и 9 связан с углами Я и / между базовыми линиями а и b и

5 направлением прихода гидроакустического сигнала (фиг. 6) соотношениями

Ki cosA/Сзв,0) Дуъ Ka cos/ /Сзв, (2) где л f0a. n fob, fo - несущая час0 тота гидроакустического сигнала распространяющегося со скоростью звука Сэв.

Поскольку в ГСН с КБ Л разность интервалов времени прихода сигнала от маяка описывается выражениями, аналогичными

5 (1) и (2), дальнейшую работу ГСН будем рассматривать для фазовых измерений. С выходов приемников 7, 8 и 9 сигналы поступают на измерители 11, 12 и 13 гидроняьигацион- ных параметров, которые измеряют их

0 относительно опорного сигнала генератора 10. В ГСН с СКБЛ на выходе измерителей 11, 12 и 13 формируются сигналы

(рЗ - УЪг) , ( - ) , И (tp5 ,Где

рз , . рз фазы гидроакустических сиг- 5 налов, принимаемых соответственно антеннами 3, 4 и 5; (for- фаза сигнала опорного генератора. Сигналы (уэз-уЪг), (), и (), попарно поступают на входы вычитателей 14 и 15.

Вычитатели вырабатывают сигналы (( pty - Лу% и (рз - ) . которые поступают на первые входы умножителей 17 и 18, на вторые входы которых поступает сигнал С3в со схемы 16 ввода данных о скоро.сти звука. С выходов умножителей 17 и 18 .сигналы cos А С3в и cos/a - Сзв Л эь/К2поступают на входы переключателя 21 и, далее, на входы НПО 22. .

НПО 22 работает как специализированный вычислитель по аппаратурной реализации алгоритма вычисления значений cos 6 и cos ft, характеризующих пространственную ориентацию антенной системы 3, 4, 5 относительно плоскости OXY:

ХМ(3)

cos

COS 02

)172

: - YM

cos// (Xl+Yl +H2)1/2

(4)

Техническая реализация алгоритма (3), (4) ИПО 22 на основе типовых устройств цифровой вычислительной техники заключается в выполнении следующих простых математических операций. В регистрах памяти 23, 24 и 25 хранятся значения координат Хм, YM, Н используемого для калибровки донного м зяка. которые возводятся в квадрат соответственно устройствами 26, 27 и 28, Два песледовагельных сумматора 31 и 32 формируют величину (Хм +YM +Н ). ас выхода устройства 33 извлечения квадратного корня величина (Хм2+Ум2+Н2)1/2 поступает на входы умножителей 29 и 30, На другие вхо-. ды умножителей 29 и 30 поступают значения cosA и cosfi, с переключателя 21, и сформированные ими сигналы cos ДХм2+Ум2+Н2Г/2 и cos/ (XM2+YM2+H2)1/2 поступают на вторые входы делителей 34 и 35, на первые входы которых подаются соответственно сигналы Хм и YM-c регистров 23, 24. Таким образом, в режиме калибровки ИПО 22 вырабатывает сигналы cos 0- и cos 62, характеризующие пространственную ориентацию антенн 3, 4 и 5 и поступающие далее, на соответствующие входы ПК 19, где хранятся в регистрах памяти 36 и 37.

Второй этап работы ГСН является основным (режим навигации) и представляет собой непосредственное определение взаимного местоположения судна и донного маяка {или судна и подводного аппарата). В этом режиме переключатель 21 соединяет входы ПК 19 с выходами умножителей 17 и 18. ПК 19 работает как специализированный вычислитель по аппаратурной реализации алгоритма вычисления координат Х0. Y0:

--.

H COS A COS 01

Vil

1 - cos A cos 01

cos 2// cos 2 02

H cos//cos 0t

(5)

- c.os:

A cos2 0i - cos 2// cos 2 02

0

5

0

5

0

5

0

5

(6)

Хранящиеся в регистрах памяти 36 иЗ/ значения cos $1 и cos 02, перемножаются в умножителях 39 и 40 с текущими измеренными значениями cos Л и cos/4 (i - номер последовательных гидроакустических измерений в режиме навигации), и далее, - в умно-, жителях 41 и 42 со значениями Н, поступающими из регистра памяти 38.

гу. О . л гу

Сигналы cos-Ai cos ©in cos ц cos ©2 с выходов устройств 43 и 44 возведения в квадрат суммируются сумматором 45. Вычитатель 46 формирует сигнал

(1 -COS2 Ai cos2 0i - cos2/ cos2 02), а устройство 47 извлечения квадратного корня сигнал (1 - COS 2 At cos 2 От - cos 2fi cos 2 0).

На входы делителей 48 и 49 поступает парасигналов HcosArcos0i

(1 - COS2 Ai cos20i - cos2//; cos2 0;)1/2и H eps//i cos 02

(1 -соЗ АгсоЗ 01 -c oi/ i coi 02)1/2 из которых формируются значения координат X0i и Yoi в соответствии с выражениями (5) и (6). ,.. . . ..

Значения вычисленных координат Х0 и Yoi поступают на 4-й и 5-й входы УККД 50, в котором производится коррекция крена TJ и дифферента yi, измеренных датчиком 6 вертикальной ориентации судна, согласно алгоритму:

(arctgX0i/H+),. (7) (arctg Yoi/H+ /i). . (8) УККД может быть реализован на основе типовых устройств вычислительной техники и в двух.параллельных каналах выполняет следующие операции: деление Xoi/Н и Yoi/H в делителях 51 и 56, выполнение фунX

Yc

кций arctg arctg -rr- устройствами 52 и

Н

Н

57, суммирование сигналов в сумматорах 53 и 58, вычисление функции tg устройствами 54 и 59 и формирование исправленных координат Xii; Yn в умножителях 55 и 60. Значения вычисленных «координат Хц,. Yir с выходов УККД 50. являющихся и выходами ПК 19, поступают на индикатор 20.

Таким образом, в режиме калибровки ИПО в соответствии с алгоритмом (3), (4) измеряет значения углов, образуемых приемными базами антенн с осями координатной системы, связанной с судном, а в режиме навигации ПК и УККД, выполненные в виде реализующем алгоритмы (5), (6) и (7), (8), по измерениям направлений прихода гидроакустического сигнала с учетом измеренной при калибровке ориентации антенн вычисляют относительные координаты судна-и подводного обьекта. | . Предложенная ГСП АСМОД с измерителем пространственной ориентации блока приемных антенн позволяет исключить систематические погрешности, возникающие при повторных установках блока в рабочее положение после морских переходов или демонтажа антенны для необходимого ремонта. Исключаются также погрешности из- Г|за смещения фазевых центров антенн относительно их геометрических центров. Трудоемкий (в основном, ручной) и сложный процесс торировки антенн системы во время стоянки судов в сухих доках заменяется в предложенной ГСН нетрудо- змкой, эффективной и точной гидроакустической калибровкой антенной системы, позволяющей получить значения точности СН такого типа, близкие к потенциальным.. | Формула и з о брете ния

1. Гидроакустическая система навига- ций акустической системы донных маяков, содержащая установленные на подводном объекте гидроакустический передатчик и передающую гидроакустическую антенну, установленные на судне три приемные гидроакустические антенны и датчик.верти- .калькой ориентации судна, а также фазмещенные на судне три приемника гидроакустических сигналов, опорный генера- iop, три измерителя гидронавигациониых параметров, два вычитателя, схему ввода Данных о скорости звука, два умножителя, Преобразователь координат и индикатор Местоположения, причем выходы приемных гидроакустических антенн подключены к выходам приемников гидроакустических сиг- Налов, выходы приемников гидроакустиче- фих сигналов подключены к первым входам Измерителей гидронавигационных пара- Метров, выход опорного генератора - к вто- р|ым входамизмерителей гИдронавигационных параметров, выход . первого измерителя гидронавигационных параметров по сигналам первой приемной гидроакустической антенны, принятой за центр системы координат, подключен к пер- входам вычитат.елей, выходы второго и тэетьего измерителей гидронавигационных параметров -.к вторым входам вычитателей, в вычитэтелей -- к первым входам ум- нэжителей. выход схемы данных о скорости з )ука - к вторым входам умножителей, два

выхода датчика вертикальной ориентации судна подключены к первой паре входов преобразователя координат, а два выхода преобразователя координат-к двух входам

5 индикатора местоположения, отличающаяся тем, что, с целью повышения точности определения местоположения путем измерения и учета пространственной ориентации системы трех приемных гидроаку10 стических антенн, в нее введены .переключатель и измеритель пространственной ориентации приемных антенн, причем два входа переключателя подключены к выходам первого и второго умножителей. ,

15 первая пара выходов переключателя - к второй паре входов преобразователей координат, вторая пара выходов переключателей - к паре входов измерителя пространственной ориентации приемных антенн, а пара

0 выходов измерителя пространственной ориентации приемных антенн - к третьей паре входов преобразователя координат.

2. Система по п. 1, о т л и ч а ю ща я с.я тем, что измеритель пространственной ори5 ентации приемных антенн выполнен в виде трех регистров памяти, трех устройств возведения в квадрат, двух умножителей, двух сумматоров, устройства извлечения квад- ратного корня и двух сумматоров, устройст0 ва извлечения квадратного корня и двух делителей, причем первые входы первого и второго умножителей являются входами измерителя пространственной ориентации приемных антенн, вторые входы умножите5 лей подключены к выходу устройства извлечения квадратного корня, выходы первого, второго и третьего регистров памяти подключены к соответствующим входам первого, второго и третьего устройств возведения

0 в квадрат, выходы первого и второго устройств возведения в квадрат подключены к первому и второму входам первого сумматора, первый и второй входы второго сумматора и третьего устройства возведения в

5 квадрат, выход второго сумматора подключен к вхбду устройства извлечения квадратного корня, первый и второй входы первого делителя подключены соответственно к выходам первого регистра памяти i/. первого .

0 умножителя, первый и второй входы второго делителя подключены соответственно к выходам второго регистра памяти и второго умножителя, а выходы первого и второго делителей являются соответственно пер5 вым и вторым выходами измерителя пространственной ориентации приемных антенн,

3. Система поп. 1,отличающаяся тем, что преобразователь координат выполнен в виде первого, второго и третьего регистров памяти, первого - четвертого умножителей, первого и второго устройств возведения в квадрат, сумматора, вычитателя, устройства извлечения квадратного корня, первого и второго делителей, а также устройство коррекции крена и дифферента, причем первый и второй входы устройства коррекции крена и дифферента являются первой парой входов преобразователя координат, первые входы первого и второго умножителей - второй парой входов преобразователя координат, входы первого и второго регистров памяти - третьей парой входов преобразователя координат, вторые входы первого и второго умножителей под- ключены к выходам первого и второго реги- строо памяти, выход первого умножителя подключен к входу первого устройства возведения в квадрат и к первому входу третьего умножителя, выход второго умно- жители - к пходу второго устройства возве- дения в квадрат и к первому входу четвертого умножителя, выход третьего ре- гистрз памяти подключен к вторым входам третьего и четвертого умножителя и к треть- ему входу устройства коррекции крена и дифферента, выхода первого и второго устройств возведения в квадрат подключены к входам сумматора, выход сумматора - к входу вычитэтеля, выход которого подключен к устройству извлечения квадратного корня, выходы третьего и четвертого умножителей подключены соответственно к первым входам первого и второго делителей, вторые входы первого и второго делителей - к выходу устройства извлечения квадратного корня, выходы первого и второго делителей являются соответственно четвертым и пятым входами устройства коррекции крена и дифферента, а два выхода устройства коррекции крена и дифферента являются двумя выходами преобразователя координат.

4. Система по пп. 1 и 3, о т л и ч а ю- щ а я с я тем, что устройство коррекции крена и дифферента выполнено в виде двух параллельных каналов обработки, каждый из которых включает в себя последовательно соединенные делитель, устройство вычисления обратной тригонометрической функции arctg, сумматор, устройство вычисления тригонометрической функции tg и умножитель, причем вторые входы сумматоров первого и второго каналов является соответственно первым и вторым входами устройства коррекции, вторые входы делителей и вторые входы умножителей объединены и являются третьим входом устройства коррекции, первые входы делителей первого и второго каналов являются соответственно четвертым и пятым входами устройства.коррекции, а выходы умножителей первого и второго каналов являются соответственно первым и вторым выходами устройства коррекции крена и дифферента.

Ф 1/zZ

Фиг.5

J