Pierwszenstwo: Zgloszenie ogloszono: 01.04.1974 Opis patentowy opublikowano: 30.09.1975 79609 KI. 42c, 18 MKP G01s5/18 SczrFirNin Urzedu Patentowego Pch sj Izec7*f-i:.- -\ LiiJmiel Twórca wynalazku: Kazimierz Rózdzynski Uprawniony z patentu tymczasowego: Instytu' Meteorologii i Gospodarki Wodnej, Warszawa (Polska) Sposób lokalizacji punktu chwilowego polozenia plywaka hydrometrycznego w ukladzie wspólrzednych prostokatnych Przedmiotem wynalazku jest sposób lokalizacji punktu chwilowego polozenia plywaka hydrometrycznego w ukladzie wspólrzednych prostokatnych, umozliwiajacy wyznaczenie toru przemieszczania sie plywaka hydro¬ metrycznego dla pomiarów predkosci i kierunku pradów wody w morzach, jeziorach, rzekach itp.Znany, goniometryczny sposób lokalizacji punktu chwilowego polozenia plywaka hydrometrycznego po¬ lega na tym, ze mierzy sie za pomoca oscyloskopu róznice czasów przelotu sygnalu hydroakustycznego od nadajnika hydroakustycznego umieszczonego na lokalizowanym plywaku i emitujacego ten sygnal do co naj¬ mniej dwóch hydrofonów rozmieszczonych najczesciej wzdluz osi statku.W zaleznosci od wzajemnego polozenia osi statku wzgledem plywaka zmienia sie róznica czasów odebrania sygnalów przez poszczególne hydrofony. Róznica ta zanika gdy plywak w wyniku zmiany polozenia statku _.™Jd.uJe S'C na linii prostopadlej do linii, na której rozmieszczone sa hydrofony. Wykonanie takich namiarów z co najmniej dwóch róznych pozycji statku lub z dwóch statków, pozwala zlokalizowac polozenie plywaka hydrometrycznego wzgledem zakotwiczonej boi pomocniczej, której polozenie okresla sie za pomoca urzadzen radionawigacyjnych. Dokladnosc pomiaru róznic czasów jest rzedu dwóch procent, zas dokladnosc lokalizacji goniometrycznej wynosi okolo 2°. Stad tez trójkat bledów lokalizacji plywaka z trzech pozycji ma dosc znaczna powierzchnie, co jest istotna wada tego sposobu. Ponadto w opisanym sposobie nie wyeliminowane jest zjawisko zalamania fal dzwiekowych na granicy wód o róznych wlasciwosciach fizykochemicznych, co ma bezsprzeczny, ujemny wplyw na dokladnosc lokalizacji plywaka.Celem wynalazku jest wyeliminowanie tych niedogodnosci przez rozwiazanie zagadnienia technicznego polegajacego na opracowaniu sposobu lokalizacji punktu chwilowego polozenia plywaka hydrometrycznego w ukladzie wspólrzednych prostokatnych, umozliwiajacego osiagniecie duzej dokladnosci pomiaru predkosci i ustalenia kierunku pradów wody. Cel ten spelnia sposób wedlug wynalazku, w którym lokalizacji punktu chwilowego polozenia plywaka hydrometrycznego w ukladzie wspólrzednych prostokatnych dokonuje sie za pomoca zestawu urzadzen hydroakustacznych, zawierajacego nadajnik sygnalów hydroakustycznych, odbiorniki tych sygnalów i przekaznik odzewowy umieszczony na lokalizowanym plywaku hydrometrycznym.Zgodnie z wynalazkiem, dla okreslenia wspólrzednych plywaka, mierzy sie sumaryczny czas przelotu sygnalu hydroakustycznego od nadajnika tego sygnalu, umieszczonego w poczatku zalozonego ukladu2 v 79609 wspólrzednych do przekaznika odzewowego i jego powrotu od zbiornika usytuowanego w poczatku ukladu wspólrzednych. Równoczesnie mierzy sie czas przelotu tego samego sygnalu hydroakustycznego do drugiego odbiornika umieszczonego w znanej odleglosci od poczatku ukladu wspólrzednych na jednej ze wspólrzednych tego ukladu, który to odcinek stanowi baze pomiarowa, oraz mierzy sie sumaryczny czas przelotu tego sygnalu na drodze, nadajnik — przekaznik odzewowy — drugi odbiornik. Dla okreslenia polozenia plywaka w ukladzie 360° mierzy sie czas przelotu tego samego sygnalu od nadajnika do trzeciego odbiornika umieszczonego na drugiej ze wspólrzednych ukladu w znanej odleglosci od poczatku ukladu wspólrzednych, korzystnie równej odleglosci w jakiej umieszczony jest drugi odbiornik, oraz mierzy sie sumaryczny czas przelotu sygnalu na drodze, nadajnik — przekaznik odzewowy — trzeci odbiornik, a nastepnie poszukiwane wspólrzedne punktu chwilowego polozenia plywaka wyznacza sie w oparciu o uzyskane wartosci czasów przelotu sygnalu hydroakus¬ tycznego i zaleznosci geometryczne trójkatów lokacyjnych.Sposób lokalizacji punktu chwilowego polozenia plywaka hydrometrycznego moze byc zrealizowany za pomoca opisanego wyzej zestawu urzadzen hydroakustycznych polaczonych przewodowo zwlaszcza w przy¬ padku dokonywania namiarów w strefach przybrzeznych, zas wykorzystujacych dla lacznosci odpowiedni kanal UKF, w przypadku dokonywania namiarów na pelnych wodach. Na dokladnosci lokalizacji plywaka hydrome¬ trycznego sposobem wedlug wynalazku nie maja istotnego wplywu takie czynniki jak, ugiecia, odbicia i zala¬ mania fal dzwiekowych. Sposób ten pozwala na zlokalizowanie polozenia zrównowazonego plywaka wzgledem zalozonego ukladu wspólrzednych prostokatnych z sumarycznym, teoretycznym bledem pomiarowym co naj¬ wyzej 1,5%, niezaleznie od wlasciwosci hydroakustycznych wód akwenu, co odpowiada dokladnosci rzedu 40' w systemie goniometrycznym. Na drodze zmniejszenia bledu pomiaru czasów przelotów sygnalu i dobrania bazy pomiarowej odpowiednio do spodziewanego lub zamierzonego uwarstwienia, osiacalne jest zmniejszenie wymie¬ nionej wyzej wartosci bledu pomiaru do ±0,3-^0,5% dlugosci przyjetej bazy pomiarowej. Tak wiec sposób wedlug wynalazku pozwala na osiagniecie 5-MO-k-otnie wiekszej dokladnosci od sposobu goniometrycznego i zapewnia jednoznacznosc lokalizacji wzgledem przyjetego ukladu wspólrzednych prostokatnych, latwosc opracowania i interpretacji wyników pomiarów oraz latwosc ich bezposredniego nanoszenia na mapy przez personel niewyspecjalizowany.Opracowany sposób zapewnia mozliwosc objecia pomiarami akwenów o dowolnej powierzchni, a wiec mozliwosc zmiany bazy pomiarowej bez koniecznosci dokonywania jakichkolwiek przeliczen, z zachowaniem tej samej wzglednej dokladnosci pomiarów. Sposób stwarza mozliwosc uzyskania wyników pomiarów w postaci cyfrowej, dogodnej do natychmiastowych obliczen w warunkach terenowych, jak i do zapisu na nosniki infor¬ macji, celem dokonania maszynowych obliczen trajektorii plywaka hydrometrycznego. Na podkreslenie zaslu¬ guje równiez mozliwosc wykorzystania sposobu wedlug wynalazku do celów przybrzeznej nawigacji hydroakus- tycznej podczas prowadzenia terenowych prac badawczych.Sposób wedlug wynalazku zostanie blizej omówiony w oparciu o przyklad wykonania namiarów z uwzgle¬ dnieniem obliczen rachunkowych przy wykorzystaniu rysunku, na którym przedstawiony jest schemat rozmiesz¬ czenia poszczególnych urzadzen zestawu hydroakustycznego.Jak uwidoczniono na rysunku w poczatku zalozonego ukladu wspólrzednych prostokatnych XY usytuo¬ wany jest nadajnik 1 sygnalów hydroakustycznych oraz odbiornik 2 tych sygnalów, zas na plywaku hydrome- trycznym 3 znajdujacym sie w odleglosci a od poczatku ukladu wspólrzednych, znajduje sie hydroakustyczny przekaznik odzewowy 4. Na wspólrzednej Y ukladu umieszczony jest drugi odbiornik hydroakustyczny 5 w znanej odleglosci c od poczatku ukladu wspólrzednych, zas na wspólrzednej X umieszczony jest trzeci odbiornik 6 w odleglosci c{ od poczatku ukladu wspólrzednych, równej odleglosci c wzdluz wspólrzednej Y.W przypadku gdy kierunek ruchu plywaka hydrometrycznego 3 jest znany, jak na przyklad przy dokony¬ waniu namiarów na rzekach lub wodach przybrzeznych, sposób wedlug wynalazku realizuje sie za pomoca zestawu urzadzen hydroakustycznych, zawierajacego wyzej wymienione urzadzenia z pominieciem umieszczo¬ nego na wspólrzednej X odbiornika 6. Wówczas poczatek ukladu wspólrzednych obiera sie przy brzegu i umieszcza sie w tym punkcie nadajnik 1 sygnalów hydroakustycznych i odbiornik 2 tych sygnalów, zas drugi odbiornik 5 wyklada sie w akwen badany na odleglosc korzystna dla pomiaru i stanowiaca zarazem bazpomiaro¬ wa c, równa na przyklad 500 m, 1000 m itp. Prosta przchodzaca przez punkt umieszczenia nadajnika 1 wraz z odbiornikiem 2 oraz przez punkt umieszczenia drugiego odbiornika 5, stanowi wspólrzedna Y zalozonego ukladu wspólrzednych, zas prosta prostopadla do wspólrzednej Y a przechodzaca przez punkt umieszczenia nadajnika 1 wraz z odbiornikiem 2 stanowi wspólrzedna X. Obydwa odbiorniki wspólpracuja z urzadzeniem rejestrujacym lub mierzacym czas. Jest ono uruchamiane sygnalem hydroakustycznym emitowanym przez nadaj¬ nik 1, a zatrzymane w momencie odebrania tego sygnalu przez odbiorniki. Na plywaku hydrometrycznym 3 umieszczony jest przekaznik odzewowy 4, którego zadaniem jest odebrac, wzmocnic i bez straty czasu wyslac79609 3 sygnal hydroakustyczny. Celem zastosowania tego przekaznika jest wyeliminowanie zaklócen w odbiorze echa, spowodowanych na przyklad falowaniem wody, odbiciami od dna, brzegu itp. Wysylanie przez ten przekaznik sygnalu wzmocnionego oraz mozliwosc nastawienia progu czulosci urzadzen odbiorczych, pozwalaja wyelimino¬ wac wplyw wyzej wymienionych zaklócen.W wyniku zastosowania omawianego wyzej zestawu urzadzen hydroakustycznych mierzy sie lub rejestruje nastepujace czasy:t — czas przelotu sygnalu hydroakustycznego przez akwen badany od nadajnika 1 tych syg¬ nalów do odbiornika 5 oddalonego od poczatku ukladu wspólrzednych o odleglosc c i powrotu tego sygnalu na drodze przewodowej do rejestratora lub miernika cza.su — czasowi temu odpowiada praktycznie czas przelotu sygnalu hydroakustycznego na drodze równej odleglosci c bedacej jednoczesnie baza pomiarowa; U — czas przelotu tego samego sygnalu hydroakustycznego od nadajnika 1, poprzez przekaznik odzewowy 4 do odbior¬ nika 2 znajdujacego sie w poczatku ukladu wspólrzednych — czasowi temu odpowiada czas przelotu sygnalu na drodze podwójnej odleglosci plywaka hydrometrycznego 3 od poczatku ukladu wspólrzednych; t2 — czas prze¬ lotu sygnalu od nadajnika 1, poprzez przekaznik odzewowy 4 do odbiornika 5 usytuowanego na osi Y.Poszukiwane wspólrzedne x i y punktu chwilowego polozenia plywaka hydrometrycznego wynikaja z od¬ powiednich, prostych zaleznosci geometrycznych trójkatów lokacyjnych. Jezeli wspólczynniki wspólrzednych prostokatnych Kyl i Kxl wyznaczone zostana z odpowiednich proporcji czasów przebiegu rygnalu hydroakus¬ tycznego pomiedzy wyzej omówionymi punktami, to wspólrzedne x i y punktu chwilowego polozenia plywaka hydrometrycznego wyraza sie w krotnosciach bazy pomiarowej c jako y = Ky-j • C oraz x = Kxl • c W przypadku prowadzenia badan w akwenach obejmujacych I i II cwiartke przyjeteqo ukladu wspólrzednych lub caly uklad, nalezy omawiany wyzej zestaw urzadzen hydroakustycznych powiekszyc o trzeci odbiornik hydroakustyczny 6, umieszczony na wspólrzednej X w znanej odleglosci Ci od poczatku ukladu, korzystnie równej odleglosci c, w jakiej umieszczony jest drugi odbiornik 5 na wspólrzednej Y.Przy wykorzystaniu tego odbiornika mierzy sie dodatkowo nastepujace czasy przelotu tego samego syg¬ nalu hydroakustycznego: t3 — czas przelotu sygnalu od nadajnika 1, poprzez przekaznik odzewowy 4 do odbior¬ nika 6 usytuowanego na osi X; t4 — czas przelotu sygnalu od nadajnika 1 do odbiornika 6. Poznanie czasów t3 i t| umozliwia wyznaczenie wspólczynników Ky2 i Kx2 ukladu wspólrzednych prostokatnych, który obrócony jest wzgledem ukladu pierwotnego o kat n/2.Wyznaczenie skorygowanych wartosci wspólrzednych Kys j kxs punktu pierwotnego ukladu wspólrzednych moze nastapic na drodze analitycznej, z zaleznosci na srednie arytmetyczne. Poniewaz wspólczynniki Kxl i Kx2 moga posiadac zarówno wartosc dodatnia jak i ujemna, wiec dogodnym wskaznikiem orientacyjnym, w której cwiartce przyjetego ukladu wspólrzednych znajduje sie lokalizowany plywak hydro- metryczny, jest znak przy wspólczynniku Ky2. Przy znaku dodatnim tego wspólczynnika ruch plywaka odbywa sie w cwiartce I, przy ujemnym — w cwiartce II ukladu wspólrzednych. Dla potrzeb dokladniejszej lokalizacji punktu chwilowego polozenia plywaka hydrometrycznego mozna wprowadzic wspólczynniki korekcyjne, uwzgledniajace zmiany predkosci sygnalu hydroakustycznego wzdluz najdluzszych dróg, a wiec pomiedzy nadaj¬ nikiem 1 a odbiornikami 5 i 6 umieszczonymi odpowiednio na wspólrzednych Y i X poprzez przekaznik odze¬ wowy 4. Czasy przelotu sygnalu na tych drogach reprezentuja omówione wyzej czasy t2 i t3.Wspólczynnik korekcyjny wyznacza sie z zaleznosci nastepujacej: zas odpowiednie wyrazenia na wartosci wspólrzednych maja nastepujaca postac! K'ys = Kys • Kd oraz K'xs = Kxs • Kd PL PL