ГИДРОАКУСТИЧЕСКИЙ ЛАГ Советский патент 2009 года по МПК G01P3/50 G01S11/10 

Предлагаемое изобретение относится к области проектирования гидроакустических лагов, позволяющих измерять скорость корабля относительно грунта (абсолютную скорость), и направлено на повышение точности их работы в реальных условиях эксплуатации. Основным параметром этих лагов является точность измерения скорости корабля. Однако указанные лаги могут обеспечить высокоточное измерение абсолютной скорости лишь в определенных условиях работы. В связи с этим весьма актуальными являются поиски решений, расширяющих область внешних условий (диапазон скоростей, глубин под килем, допустимых углов качки и др.), при которых обеспечивается заданная точность измерения скорости. При этом особенно важное значение приобретает задача компенсации неосредняемых систематических погрешностей, которые проявляются в тех или иных условиях работы лага. В частности, в упомянутом лаге по авторскому свидетельству №1840717, являющемся прототипом для предлагаемого изобретения, с целью компенсаций систематической погрешности, обусловленной смещением спектра эхо-сигнала при работе на больших глубинах под килем, в схему лага введен блок выработки поправки. Однако проведенные в последнее время на предприятии исследования показали (3), что систематическая погрешность измерения скорости возникает также и при работе гидроакустического лага в условиях качки корабля. Учет такого рода ошибки во всех известных авторам лагах не производится. Согласно изобретению поставленная задача решается дополнительным введением в состав аппаратуры лага схемы выделения допплеровской частоты, обусловленной вертикальным перемещением корабля на реальном волнении, и умножителя, на другой вход которого поступает информация о текущем значении углов качки. Физическая сущность систематической ошибки, возникающей при работе лага на качке, поясняется ниже. В известных гидроакустических лагах для уменьшения влияния кренов и дифферентов корабля на точность измерения используется четырехлучевая антенна (типа ЯНУС), а алгоритм обработки сигналов в четырехканальном приемном тракте предусматривает попарное вычитание допплеровских сдвигов частоты сигналов по каналам "нос-корма" и "левый-правый" и как результат - выработку двух горизонтальных составляющих абсолютной скорости V_ax и V_ау. При этом удается в определенном диапазоне углов крена и дифферента скомпенсировать ошибки, обусловленные бортовой и килевой качкой корабля. Область эффективного действия системы типа ЯНУС определяется соотношением

где α₀ - угол между направлением движения и направлением излучения, входящий в основную формулу для допплеровского сдвига частоты;

Δα - значения углов крена (дифферента),при которых приближенное равенство (1) выдерживается с заданной точностью.

Однако при движении корабля на реальном волнении центр тяжести корабля совершает орбитальное движение, которое помимо двух горизонтальных составляющих скорости V_x и V_y характеризуется также и вертикальной составляющей V_z. (фиг.1). При этом составляющая скорости V_z, проектируясь на направление излучения, вызывает дополнительное ("паразитное") допплеровское смещение частоты,

которое для аппаратуры лага не отличимо от полезного допплеровского сдвига, обусловленного, например, горизонтальной составляющей орбитального движения V_x, либо поступательной скоростью корабля V_ax. Если бы вертикальное перемещение корабля происходило при постоянном угле дифферента или крена (например, на ровном киле), то дополнительные допплеровские сдвиги частоты по каждому из лучей при движении вверх и вниз были бы равны по величине и обратны по знаку. В этом случае суммарное приращение допплеровской частоты за счет составляющей скорости V_z, а следовательно, и ошибка измерения были бы равны нулю. В действительности же вертикальное перемещение корабля сопровождается одновременным изменением углов крена и дифферента, в связи с чем полной компенсации допплеровских сдвигов частоты не происходит. Очевидно, что при измерении продольной составляющей скорости максимальная величина ошибки была бы в том случае, если при перемещении вверх корабль имел, например, дифферент на корму, а при движении вниз - на нос (фиг.2).

Аналогично обстоит дело и при измерении поперечной составляющей скорости V_ay, однако в этом случае необходимо совместно рассматривать процессы вертикального перемещения и бортовой качки корабля.

Проведенными на предприятии исследованиями установлено, что с приемлемой для практики точностью величина указанной ошибки, носящей систематический характер, определяется соотношением (3)

где b - константа (для данного типа корабля);

V_z - вертикальная составляющая скорости орбитального движения;

Ψ - угол качки.

В выражении (3) константа b учитывает реальные взаимо-корреляционные характеристики случайных процессов вертикального перемещения и качки корабля, а также фактическое время осреднения информации.

Расчеты показывают (4), что для подводных лодок большого водоизмещения относительная ошибка уже при Ψ=2° достигает величины , что соизмеримо с заданными точностями измерения абсолютной скорости. Таким образом, задача, решаемая предлагаемым изобретением, является весьма важной. Для компенсации систематической ошибки, обусловленной вертикальной составляющей скорости орбитального движения корабля V_z, необходимо постоянно вырабатывать значение поправки ΔV_z в соответствие с выражением (3) и корректировать измеренные значение скорости по формуле

V_ист=V_изм±V_z(4)

где V_ист - истинное значение скорости перемещения корабля в горизонтальной плоскости;

V_изм - измеренное приемным трактом лага значение скорости.

С учетом вышесказанного блок-схема предлагаемого лага с компенсацией систематической ошибки за счет качки корабля имеет вид, как на фиг.3.

Четырехлучевая акустическая антенна 1 является единой как для излучающего тракта 2, так и приемного тракта 8. Приемный тракт имеет четырехканальную схему 4 для выделения допплеровских сдвигов частоты, соответствующих каждому из лучей антенны. Между приемным трактом 4 и измерительной схемой 3 включен сумматор 6, предназначенный для ввода поправок в измеренные значения скорости. Блок выработки поправки 7, подключенный к входящему в состав излучающего тракта формирователю импульсов переменной длительности 8, приемному тракту 3 и сумматору 6, предназначен для компенсации ошибки за счет смещения спектра эхо-сигнала при работе лага на больших глубинах под килем. Схема 9 предназначена для попарного сложения допплеровских частот в каналах "нос-корма" либо "левый борт - правый борт" с целью получения информации о вертикальной составляющей скорости V_z. На вход перемножителя 10 помимо информации о вертикальной составляющей скорости V_z c выхода схемы 9 поступает также информация о текущих значениях углов бортовой и килевой качки. Умножитель предназначен для выработки поправки, компенсирующей ошибку, обусловленную вертикальной составляющей скорости корабля на качке. Умножитель 10 подключен к одному из входов сумматора 6.

Предлагаемая схема функционирует следующим образом. При использовании гидроакустического лага по прямому назначению на вход схемы 9 с выходов каналов 4 приемного тракта 3 поступают сигналы с частотами, содержащими допплеровские сдвиги как за счет поступательного движения, так и за счет вертикальных перемещений корабля на качке. В схеме 9 происходит попарное сложение частот сигналов, поступивших с противоположных каналов (нос-корма, левый борт - правый борт). Частоту сигнала на выходе носового канала приемного тракта 3 можно представить в виде

а на выходе кормового

где f₀ - частота излученного сигнала;

f_g0 - полезный допплеровский сдвиг частоты, обусловленный скоростью поступательного движения корабля;

f_gz - допплеровский сдвиг частоты, вызванный вертикальной составляющей скорости V_z.

На выходе схемы 9 частота сигнала будет равна

После исключения удвоенного значения известной частоты f₀ частота f_gz может быть использована для вычисления поправки согласно выражению (3). Для этого сигнал с частотой f_gz≡V_z поступает на один из входов умножителя 10. На другой вход умножителя поступают данные о текущих значениях углов качки, которые могут быть получены, например, от штатной корабельной гировертикали.

В перемножителе 10 осуществляются необходимые электрические и масштабные преобразования, а затем и перемножение входных величин. Выработанная поправка поступает на один из входов сумматора 6, где в соответствие с формулой (4) обеспечивает компенсацию ошибки за счет вертикальных перемещений корабля на качке. Выработка поправки и коррекция измеренных значений скорости производится раздельно для продольной V_ax и поперечной V_ay составляющих скорости, для чего соответственно используются значения углов килевой и бортовой качки.

Положительный эффект

Компенсация ошибок, обусловленных вертикальными перемещениями корабля, позволяет повысить точность работы существующих типов гидроакустических лагов в условиях качки в 1,4-1,8 раза и расширить диапазон углов качки, при которых возможна работа с заданными точностями измерения скорости.

Изобретение является весьма эффективным при разработке схемы лага для надводного корабля, так как может исключить необходимость стабилизации антенны в вертикальной плоскости, что связано с большими конструктивными трудностями из-за больших габаритов и весов акустических антенн. В настоящее время предлагаемая схема лага реализуется в ОКР.

ЛИТЕРАТУРА

1. Проспект Geberal Applied Science Laboratories "Doppler Navigator Janus".

2. Shiplilding & Shipping record №4, 112, 26.07.1968 г.

Гидроакустический лаг содержит передающий тракт, приемно-излучающую антенну, приемный тракт со схемами выделения допплеровского сдвига частот эхо-сигнала по отдельным каналам блоками выработки поправки на смещение спектра, сумматоры и измерительную схему. Схема выделения допплеровского сдвига частоты подключена между выходом каждой соответствующей пары каналов приемного тракта и перемножителем. Один из входов перемножителя подключен к выходу схемы выделения допплеровского сдвига частоты. Второй вход - к датчику углов качки судна. Выход перемножителя подключен к одному из входов сумматора. Технический результат - компенсация систематической погрешности лага, обусловленной одновременным вертикальным перемещением судна и угловой качкой. 3 ил.

Гидроакустический лаг, содержащий передающий тракт, приемно-излучающую антенну, приемный тракт со схемами выделения допплеровского сдвига частот эхо-сигнала по отдельным каналам и блоками выработки поправки на смещение спектра, сумматоры и измерительную схему, отличающийся тем, что, с целью компенсации систематической погрешности лага, обусловленной одновременным вертикальным перемещением судна и угловой качкой, схема выделения допплеровского сдвига частоты подключения между входом каждой соответствующей пары каналов приемного тракта и перемножителем, при этом один из входов перемножителя подключен к выходу схемы выделения допплеровского сдвига частоты, второй вход - к датчику углов качки судна, а выход перемножителя подключен к одному из входов сумматора.