PT1882193E - Processos e dispositivos de geoposicionamento subaquáticos - Google Patents

Description

ΡΕ1882193 1

DESCRIÇÃO

"PROCESSOS E DISPOSITIVOS DE GEOPOSICIONAMENTO SUBAQUÁTICOS"

Campo da invenção A presente invenção, refere-se no geral a processos e dispositivos de geoposicionamento e em particular a processos e dispositivos em que a posição geofísica de um sistema subaquático autónomo pode ser determinada através da utilização de modems acústicos subaquáticos que trocam sinais acústicos de comunicação em banda larga.

Antecedentes da invenção

Os sistemas móveis ou autónomos subaquáticos, tripulados ou não tripulados, geralmente não têm ligação directa com recursos de posicionamento convencionais tais como o sistema de posicionamento global (GPS) , ou a outros recursos acessíveis por frequências de rádio (RF) . A necessidade de assistência à navegação sob a água é ainda agravada pela falta geral de referências visiveis disponíveis. As tecnologias de navegação disponíveis hoje para veiculos subaquáticos não tripulados (veiculos) são caras e operacionalmente limitativas. Os sistemas tipicos utilizam uma combinação de quatro técnicas: 1) Registos de ΡΕ1882193 velocidade de Doppler (DVL) que fornecem informação de navegação fazendo o "ping" no fundo do mar e calculando a posição do sistema "seguindo" o movimento do sistema em relação ao fundo. Estes sistemas, no entanto, em geral têm uma capacidade de profundidade muito reduzida (30 metros abaixo do veiculo é o normal), 2) Linha de base longa (LBL), uma outra técnica que opera dependendo de uma série de sinais de sincronização de transponder subaquático fixo. Um transdutor no sistema móvel emite um sinal de que os sinais de sincronização detectam, após o que os sinais de sincronização emitem sinais de resposta. O veiculo estima a sua distância de cada um dos sinais de sincronização cronometrando o percurso dos sinais, permitindo assim calcular a sua própria posição em relação às posições conhecidas dos sinais de sincronização. Esta técnica oferece precisão, mas requer uma preparação extensiva e expressão na superfície pelo recurso da implantação (por exemplo, uma pequena embarcação) - um factor de importância em aplicações militares; 3) navegação por inércia, uma técnica complexa e dispendiosa que se baseia na medição precisa da aceleração e rotação do sistema autónomo e, tipicamente, tem uma velocidade de deriva da ordem de 1 nm/hora sem compensação de um DVL ou LBL; e 4) e posição da superfície do GPS, que coloca limitações na capacidade do estado do mar e que oferece uma precisão dependente da quantidade de tempo gasto na superfície. Destes quatro, o sistema LBL é o menos intrusivo, e menos dispendioso para o veiculo, mas a implantação de fontes acústicas suficientes para cobrir uma área significativa (por exemplo, 5 km por 5 3 ΡΕ1882193 km) é problemática e dispendiosa em termos de tempo do barco de implantação.

Os sistemas de navegação bem-sucedidos e de custo relativamente baixo (por exemplo, LBL) baseiam-se de algum modo na utilização de energia acústica subaquática transmitida de um componente de sistema para o outro de tal modo que a distância pode ser inferida a partir do tempo necessário para que a energia atinja o seu destinatário. Um exemplo de um sistema deste tipo encontra-se descrito em pormenor na patente US 6.501.704. Existe uma relação directa e bem compreendido entre a velocidade do som e o distância entre os componentes de transmissão e recepção. No entanto, a relação é parametrizada na temperatura e salinidade da água, que muitas vezes são dificeis de medir. Na maioria dos casos é assumida uma velocidade de som média, e os erros resultantes são aceites ou estão sujeitos a operações estatísticas para os reduzir. Há duas maneiras de usar a relação entre tempo de atraso e alcance. No primeiro caso, assume-se que todos os componentes do sistema empregam relógios altamente precisos e altamente sincronizados. Assim, quando um componente transmite energia, assume-se que o receptor sabe precisamente a hora em que a transmissão ocorreu. 0 tempo real de chegada, portanto, é uma medida directa da distância, embora com base numa velocidade de som média. O segundo caso baseia-se na capacidade do receptor para responder com uma resposta imediata a um sinal recebido. No ΡΕ1882193 local do primeiro transmissor, o tempo de atraso total é simplesmente dividido por dois, e a distância é inferida. Este é um sistema de transponder. Se o receptor pretendido impuser um pequeno atraso interno (devido a velocidade de computação finita, por exemplo), que tem pouco efeito, desde que o emissor original tenha conhecimento do atraso.

Os sistemas LBL, sendo a técnica mais comum em uso actualmente, empregam um pressuposto de som sendo esfericamente irradiado a partir de vários nós de fonte distantes (usando relógios ou abordagens por transponder). No veiculo, emprega-se um algoritmo "simples" que se refere a intersecção de esferas para um ponto comum. Este ponto só pode ser calculado se o veiculo tem um conhecimento a priori das posições das várias fontes de som. Se as posições são conhecidas num sistema de coordenadas cartesianas 3-dimensional, então o veiculo localiza-se a si mesmo no interior do sistema. Se as geolocalizações das fontes também são conhecidas, então o veiculo pode também posicionar-se dentro de coordenadas globais. Acentue-se que as localizações das fontes devem ser pré-programadas para o veiculo antes do lançamento da unidade. A introdução de comunicações acústicas (acomms) para o esforço de posicionamento simplifica grandemente todo o processo. Os nós fonte podem informar o veiculo sobre as geoposições dos nós, o que elimina a necessidade de pré-programação desta informação. Um tal sistema, que incorpora as comunicações acústicas em combinação com uma 5 ΡΕ1882193 abordagem LBL, encontra-se descrito na patente US 5.331.602. Este sistema, no entanto, depende de um dispositivo dispendioso e inconveniente de vários nós acima da água. A WO 01/65274 descreve um sistema semelhante, em que um navio submersível recebe sinais acústicos de uma única estação de referência e navega usando um sistema de "navegação estimada". O navio recebe sinais acústicos em diferentes posições, sendo que as posições absolutas previstas do navio são calculadas utilizando dados da distância (que são de preferência derivados dos sinais) e dados da posição relativa.

Uma outra técnica é processo de linha de base ultra curto (USBL) , que permite a utilização de um único ponto "fixo" de referência tendo vários transdutores posicionados próximos um do outro no sistema móvel remoto cada um recebendo quase simultaneamente o mesmo sinal de uma referência fixa. O sistema calcula as diferenças de fase do mesmo sinal recebidas em cada um dos transdutores, e a partir dessas diferenças, é passível de estimar um rumo para o sinal. A tecnologia actual que adopta este processo está sujeita a muitas das desvantagens da LBL em que a informação pré-programada acerca de posições fixas geofísicas e profundidades deve ser coordenada antes da aplicação do sistema. É, portanto, um objectivo da presente invenção proporcionar processos fiáveis e relativamente económicos de um só nó de base para determinar as localizações dos ΡΕ1882193 sistemas subaquáticos móveis ou mergulhadores sem exigir pré-programação ou sincronização de informação de temporização e/ou informação geofisica e de profundidade. É um objectivo adicional da invenção eliminar a visibilidade acima da água de componentes do sistema, enquanto se determina as posições geofísicas e profundidade de sistemas autónomos subaquáticos empregando modems acústicos.

Outros objectos da presente invenção serão, em parte, descritos a seguir e, em parte, ser evidentes quando a descrição pormenorizada seguinte for lida em ligação com os desenhos.

Sumário da invenção A invenção proporciona um ponto de referência simples (sistema básico) que permite que os sistemas de modem acústico subaquáticos obtenham a distância, rumo, e geoposição de mergulhadores autónomos ou veículos móveis, permitindo simultaneamente o acesso a comunicações altamente flexíveis. A invenção opera, em parte, através da monitorização da profundidade do sistema autónomo e da localização de um sistema de base a transmitindo sinais acústicos subaquáticas em banda larga. Ao analisar fisicamente os sinais para determinar o rumo e distância de deslocamento entre os sistemas autónomos e de base e ao transmitir dados da profundidade, profundidade geofísica, 7 ΡΕ1882193 distância, e/ou rumo dentro de um ou mais sinais, é calculada a posição geofisica do sistema autónomo.

De acordo com um primeiro aspecto da presente invenção é proporcionado um processo para determinar a posição geofisica de um sistema subaquático autónomo de posição geofisica incerta de acordo com a reivindicação 1, compreendendo o referido processo os passos de: monitorizar a profundidade do sistema autónomo; iniciar uma troca de sinais acústicos entre o referido sistema autónomo e uma unidade de base de posição geofisica conhecida, determinar um rumo entre o sistema autónomo e a unidade de base com base no pedido de distância, sendo o pedido de distância recebido por uma pluralidade de hidrofones espaçados próximos um do outro na unidade de base espaçados separados não mais do que metade de um comprimento de onda, sendo o comprimento de onda determinado em relação à frequência de centro aproximada do pedido de distância; em que a resposta inclui informação relacionada com o rumo determinado, a posição geofisica conhecida da unidade de base, e a profundidade da unidade de base, determinar a distância entre o sistema autónomo e a unidade de base com base num tempo de trânsito dos sinais acústicos; e calcular a posição geofisica do sistema autónomo, sendo o processo caracterizado por: (a) ambos o referido sistema autónomo e a referida unidade de base estão munidos com modems acústicos e configurados para processar os sinais acústicos para obter informação contida nos sinais; (b) a troca de sinais acústicos compreende uma única troca de sinais 8 ΡΕ1882193 acústicos entre o referido sistema autónomo e a unidade de base, compreendendo a única troca um pedido de distância enviado do sistema autónomo para a unidade de base e uma resposta enviada da unidade de base para o sistema autónomo; (c) o processo compensa os efeitos da taxa da distância usando um sinal modulado de frequência não-linear e um conjunto de tonalidades de frequência única no pedido da distância ou a resposta; e (d) a posição geofísica do sistema autónomo é calculada com base na única troca de sinais acústicos e usando a profundidade do sistema autónomo, o rumo entre o sistema autónomo e a unidade de base, a posição geofísica conhecida da unidade de base, e a profundidade da unidade de base.

Num processo útil para a compreensão do primeiro aspecto da invenção, o sistema remoto envia um sinal de pedido de localização para o sistema de base, que está equipado para analisar e estimar o rumo do sinal de pedido 0 sistema de base responde com uma mensagem, incluindo dados sobre o rumo do sinal de pedido, a sua profundidade conhecida (se houver) e a sua posição geofísica conhecida. 0 sistema remoto mantém o controlo do tempo que levou para transferir o sinal de pedido e sinais de resposta para estimar a distância entre os sistemas remotos e de base. Usando dados sobre sua própria profundidade, a distância entre os sistemas remotos e de base, o rumo do sinal de pedido, e a posição geofísica e profundidade (se houver) do sistema de base, o sistema remoto calcula a sua própria posição geofísica. 9 ΡΕ1882193

Um outro processo útil para a compreensão do primeiro aspecto da presente invenção estabelece adicionalmente um rumo de um dos sinais de comunicação entre os sistemas de modem acústico remotos e de base com a utilização de vários transdutores colocados no sistema remoto ou de base, através do qual as diferenças de fase, tempo, e distância do sinal de comunicações podem ser calculadas.

De acordo com um secundo aspecto da presente invenção é proporcionado um dispositivo para determinar a posição geofísica de um sistema de modem acústico subaquático autónomo de posição geofísica incerta de acordo com a reivindicação 2, compreendendo o referido dispositivo: um sistema de base de modem acústico cujo posição geofísica e profundidade são conhecidos; uma matriz acústica subaquática de vários emissores-receptores ligada ao sistema autónomo de modem acústico subaquático ou sistema de base de modem acústico de modo a que o rumo direccional entre os sistemas pode ser calculado pela análise de um sinal recebido na referida matriz de vários emissores-receptores; um dispositivo de monitorização de profundidade fixado no referido sistema autónomo subaquático de modem acústico, pelo menos um dispositivo de temporização ligado ao referido sistema autónomo de modem acústico subaquático ou sistema de base de modem acústico de modo que a distância entre os sistemas pode ser calculada; sendo o dispositivo caracterizado por pelo menos um dos sistemas autónomos de modem acústico subaquático ou 10 ΡΕ1882193 sistema de base de modem acústico estando configurado para transmitir um sinal modulado de frequência não linear e um conjunto de tonalidades de uma única frequência, para compensar os efeitos da taxa de distância; e um dispositivo de processamento ligado tanto ao sistema autónomo de modem acústico subaquático ou sistema de base de modem acústico encontra-se programado para calcular a posição geofísica do sistema autónomo subaquático das profundezas conhecidas dos sistemas, o rumo entre os sistemas, e distância entre os sistemas.

Um dispositivo útil para a compreensão do segundo aspecto da invenção inclui um sistema de base de modem acústico e um sistema autónomo de modem acústico cuja posição é desconhecida. Uma matriz de vários emissores receptores encontra ligada à base ou a sistemas autónomos. Ligar a matriz ao sistema de base pode ser preferível de modo a permitir partilhar a matriz entre várias unidades autónomas. O sistema autónomo inclui um dispositivo de monitorização de profundidade para proporcionar informação de profundidade sobre a unidade autónoma. Pelo menos um dispositivo de temporização deve ser ligado com qualquer um dos sistemas autónomos ou base para medir o tempo de percurso do sinal entre os dois sistemas e assim determinar a distância entre eles. Finalmente, um dispositivo de processamento encontra-se incluído em pelo menos um dos sistemas e programado para calcular a posição geofísica da unidade autónoma do rumo, profundidade, e dados da distância. 11 ΡΕ1882193

Num outro dispositivo útil para a compreensão do segundo aspecto da invenção, um dispositivo de sistema de posicionamento global por satélite (GPS) encontra-se ligado ao sistema de base de forma a monitorizar a posição geofísica do sistema de base de modem acústico.

Num outro dispositivo deste género, em que ambos os sistemas de base e autónomo podem estar em movimento, os sinais são compensados quanto ao movimento relativo entre os sistemas.

Breve descrição dos desenhos A estrutura, o funcionamento e a metodologia da invenção, juntamente com outros objectivos e vantagens das mesmas, podem ser melhor compreendidas através da leitura da seguinte descrição pormenorizada em ligação com os desenhos, nos quais cada parte tem um número atribuído ou etiqueta que identifica onde quer que apareça nos vários desenhos e em que:

Figura IA vista esquemática em alçado de um ambiente de comunicações subaquáticas em que um nó de base opera com um nó remoto para estabelecer a posição geofísica do nó remoto;

Figura 1B diagrama de blocos de uma forma de realização dos componentes do sistema de acordo com a invenção e os seus modos de comunicação;

Figura 2 fluxograma de alto nível de um processo de acordo 12 ΡΕ1882193 com a invenção;

Figura 3 diagrama de blocos de um sistema remoto de modem e um modem de base de acordo com a invenção; Figura 4 diagrama de blocos de um receptor numa forma de realização da invenção concebido para receber um sinal acústico e estimar o seu rumo;

Figura 5a diagrama de uma disposição circular dos hidrofones.

Figura 5b diagrama de tráfego gerado por origem que representa um sinal de sonar incidente em dois hidrofones numa forma de realização da invenção. Figura 5c diagrama que representa a relação geométrica e geoposicional entre a base e sistemas remotos de modem.

Descrição pormenorizada A invenção inclui um sistema de modem acústico subaquático de banda larga que é passivel de determinar a posição geofísica uma unidade autónoma proporcionando um mecanismo para a transferência de dados através de sinais acústicos de banda larga entre a base e os sistemas móveis. A figura IA ilustra os elementos de uma forma de realização da invenção num ambiente subaquático. Um submersível 100 inclui um sistema de modem acústico subaquático com transdutor 120 que é utilizado para transmitir um sinal de pedido 122. Um sistema de base fixo 102 recebe o sinal 122 numa matriz de vários receptores 12 6 do qual o rumo do sinal 122 é determinado. São conhecidas a profundidade, 13 ΡΕ1882193 posição geofísica do sistema de base fixa 102 e, em conjunto com um cálculo do rumo do sinal de pedido original, são transmitidas dentro de um sinal de resposta de banda larga através de um transdutor 124 para o submersível 100. É utilizado um mecanismo de temporização (não apresentado) para medir o tempo de deslocamento de um ou mais sinais entre os sistemas. Isto pode ser conseguido através do proporcionamento de relógios sincronizados em ambos os sistemas ou a programação do sistema autónomo com o conhecimento do tempo necessário para a emissão do sinal de resposta do sistema de base e medindo o tempo de viagem (e portanto a distância) entre os sistemas. Um processador (não mostrado) no submersível 100 pode agora calcular a sua própria posição geofísica sabendo a sua própria profundidade, a profundidade e posição geofísica do sistema de base, o cálculo do rumo, e distância entre os sistemas. A figura lb ilustra uma visão geral dos passos de acordo com uma forma de realização do processo de acordo com a invenção em relação aos componentes do dispositivo realizados pela invenção. O submersível 100 envia primeiro um sinal de pedido 122 para um sistema de base (não mostrado) numa matriz de vários transmissores-receptores 126. Um controlador (não mostrado) no sistema de base estima o rumo do sinal de pedido através da análise dos sinais recebidos na matriz 126. Finalmente, o sistema de base envia uma mensagem de resposta 128 a partir do transdutor 124 com uma mensagem incluindo a posição de profundidade e geofísica do sistema de base e cálculo do 14 ΡΕ1882193 rumo. Um controlador no submersível é programado para calcular a distância entre ele e o sistema de base baseado no intervalo de tempo entre o sinal de pedido e a recepção do sinal de resposta e, em conjunto com o conhecimento da sua própria profundidade e os dados recebidos no sinal de resposta, calcula a sua posição geofísica.

Um diagrama de fluxo de alto nível do processo de acordo com a invenção encontra-se apresentado na figura 2, adicionalmente descrita como se segue. Um passo inicial do processo de acordo com a invenção consiste em estabelecer a profundidade e posição geofísica do sistema de base do modem acústico, contra o qual a posição geofísica do sistema autónomo se encontra referenciado. Isto pode ser conseguido de várias maneiras, incluindo a monitorização contínua do sistema de base por meio de um dispositivo GPS acima da água. Para iniciar a sequência de determinação da posição do sistema autónomo num dado momento, é transmitido um sinal de pedido entre os sistemas. Dependendo da fonte do sinal de pedido e disposição do dispositivo, vários dados, incluindo a profundidade, posição geofísica conhecida, e dados de temporização, são transmitidos com o sinal e é recebido em ambos os sistemas autónomos ou base. Pelo menos um dos sistemas inclui um dispositivo de determinação de "rumo", por exemplo uma matriz de vários emissores-receptores que calcula o rumo de sinais que recebe. Assim, é realizado um cálculo do rumo com base num pedido ou num sinal de resposta, dependendo de onde é que o hardware de determinação do rumo foi localizado. 0 sinal de 15 ΡΕ1882193 resposta contém todas as informações necessárias para completar o cálculo da posição geofísica do sistema autónomo. A figura 3 mostra um diagrama de blocos de um sistema de modem remoto 300 e um sistema de modem de base 102, que mostra uma forma de realização dos passos de acordo com a invenção conforme eles se referem respectivamente a cada sistema.

Numa forma de realização do dispositivo de acordo com a invenção apresentado na figura 4, um sistema de modem base 5 encontra-se munido com pequenos receptores multi-elementos 35 que são utilizados para fazer uma estimativa do rumo em sinais recebidos do modem remoto. Este tipo de disposição pode reduzir a carga no veículo, que não requereria mais em adição a um modem, a uma bússola, e a um detector de profundidade. O sistema de base 5 inclui um modem 10, um dispositivo de processamento de sinal 20, e uma matriz única multi-canal 30 de hidrofones 35. Os algoritmos matemáticos passíveis de estimar o rumo do veículo da saída do sistema, dada uma entrada de sinal de modem convencional, encontram-se descritos pormenorizadamente mais tarde quanto às figuras 5a-c. Esta estimativa do rumo é enviada acusticamente para o veículo em resposta juntamente com a geoposição do sistema de base do modem 5. O tempo de retorno entre um pedido do veículo e a resposta 16 ΡΕ1882193 do sistema de base fornece a distância entre os dois. Esta informação, quando recebida pelo veiculo, é suficiente para localizar a geoposição do veiculo. Mais uma vez, a figura 3 mostra a sequência de operações envolvidas neste sistema.

Referindo-nos novamente à figura 4, a matriz multicanal de hidrofones/transdutores 30 está ligada como um número de hidrofone 35. Cada hidrofone 35 na matriz 30 está ligado a um controlo de ganho automático (AGC) 40, cuja sarda está ligada a um dispositivo analógico-digital (A/D) 50. A forma de realização inclui também um controlador 20 que incorpora um processador de sinal digital (DSP) 25, e módulo de programa 60 para calcular a estimativa do rumo. Os dados da mensagem são enviados e recebidos pelo modem 10 através de um transdutor multi-direcional 70. A interface entre a matriz fisica de transdutor multi-hidrofone, os componentes associados, e o subsistema digital é de preferência combinada com tecnologia de empacotamento bem conhecida num pacote electrónico condicionante de sinal multi-nivel muito compacto, incluindo todos os componentes necessários condicionantes e de digitalização de sinal. 0 sistema de placa única pode ser fabricado com aproximadamente o tamanho da espessura de uma nota de um dólar. O DSP 25, integrado com o modem, executa o processamento digital necessário dos sinais. A colocação fisica dos 35 hidrofones encontra-se 17 ΡΕ1882193 projectada para proporcionar cobertura sobre uma área substancial do sistema. Uma forma de realização é uma disposição circular, tal como apresentado na figura 5a, em que cada hidrofone 35 abrange aproximadamente 60 graus em cada sentido. Reportando-nos novamente à figura 4, a sarda de cada um dos 6 hidrofones 35 pré-amplifiçados é enviada para um dispositivo A/D 50 correspondente, depois de ter a sua amplitude controlada por um controlo correspondente de ganho automático (AGC) 40. Os AGCs 40 são controlados pelo DSP 25. Um exemplo de um dispositivo DSP que pode ser utilizado nesta forma de realização é fabricado pela Texas Instruments (Modelo TI6711), passivel de realizar o processamento de sinal apropriado (por exemplo, controlo da filtragem adaptada 65) em cada canal para obter seis versões da saida apropriada do filtro de base complexa. A saida ao quadrado da magnitude é enviada através de um comparador de limites (não mostrado) para determinar a chegada de um sinal. O sinal mais forte único é identificado, juntamente com o canal adjacente que é o próximo mais forte. Estes canais proporcionam uma saida baseada em complexo para o módulo 60 que calcula o rumo e passa o cálculo para o modem 10 através de uma porta de comunicação RS232 existente (não representada). O DSP 25 fornece um sinal de realimentação de controlo AGC 80 no caso de o sinal exigir correcção de ganho adicional. Ao mesmo tempo, o transdutor direccional 70 recebe e encaminha o sinal para o modem para o processamento convencional, como um sinal acomms (o qual pode conter, por exemplo, dados de profundidade e geoposicionais). Uma forma de 18 ΡΕ1882193 realização de um transdutor funcional para esta finalidade é um transdutor direccional de anel deflector modificado tal como descrito na patente US 6.768.702.

Depois de reconhecer o sinal recebido como um pedido de distância, o modem 10 gera uma mensagem de retorno que contém o rumo e a geoposição do controlador e, quando necessário, os dados de temporização, que são transmitidos através do transdutor direccional 70. A plataforma de pedido original recebe esses dados, calcula a distância, estima a sua própria geoposição, e pode definir o seu relógio interno para o tempo do controlador.

Podem ser usados vários algoritmos baseados na geometria para calcular uma estimativa de rumo no interior da forma de realização acima descrita do multi-hidrofone. Numa forma de realização, o módulo 60 é programado para calcular o rumo determina quais dos sinais dos hidrofones são os dois mais fortes. As diferenças de fase entre estes sinais são calculadas para determinar a diferença no tempo em que um sinal determinado foi recebido pelos dois hidrofones. Tendo colocado os hidrofones a uma distância predeterminada (d) afastados uns dos outros e conhecendo as profundidades da base e sistemas remotos, a fase prontamente se traduz para rumo, tal como descrito como se segue.

As formas de realização típicas da invenção utilizam sinais de banda larga utilização que têm um rácio 19 ΡΕ1882193 moderado central de frequência para largura de banda, tal como uma modulada por frequência hiperbólica (HFM) . Tais sinais podem ser representados pela seguinte equação:

Aiíje^ (2.1) em que A(t) é o envelope (complexo) do sinal, e Fc é a frequência central. A duração das alterações na frequência é T, e a sua largura de banda é W. Quanto agora à figura 5b, este sinal chega a ambos os pequenos hidrofones xl e x2 de um ângulo Θ em relação à normal entre eles. É realizada uma correlação da réplica em xl para alcançar a hora de chegada aproximada da sarda do correlator, Ri (τ) . Quer dizer r*m lÀ9(t+‘ t~rn

ψ+τη{A’(> 4-

í-r/3 em que R(r) é a função de autocorrelação (complexa) de Α(τ) . Assuma que | R (τ) | é aproximadamente constante (ver abaixo). 20 ΡΕ1882193

No segundo receptor, x2, a função de autocorrelação é representada por: l t+τη R2(t) « L + (23) * t-τη m + (23) O pico de |R(τ) | é determinado, e o atraso é escolhido para ser τ = 0. Neste momento: R2 (l) « (constam) {2.7} e agora a fase de Ri(0) é comparada com a fase de R2 (L) . Seja D =, e note que Ri(0) « 1 (real) . Então o ângulo de fase entre as duas autocorrelações complexas é Φ = aían(ímag(.D}? real(D)} (2.8) em que a tangente do arco é a versão de 4 quadrantes dos seus argumentos. Mas na proximidade do pico, o qual é assumido como sendo quase constante, D»e~j2lIFcL, assim Φ » 2sFeL (2J> {2.10} 21 ΡΕ1882193 com c = velocidade sónica (assumido conhecido). Portanto, o ângulo desejado é & « &11) em que λ = c/Fc é o comprimento de onda na frequência central. A exigência de que |R(t) | seja constante é equivalente a uma exigência de que 1/W > d/c, o que significa que W < c/d. Por exemplo, se W = 5 kHz (o padrão ATM 885) , e c 1500 m/s, então estamos apenas constrangidos a d < 30 cm. No entanto, uma restrição maior é que d < λ/2, que, para Fc = 11520 Hz (modem LF padrão), a spadng máxima entre os hidrofones é de aproximadamente 6,5 cm. O algoritmo acabado de descrever exige que os sinais recebidos sejam de banda base (representação complexa, analítica) antes de as estimativas de rumo serem calculadas. O algoritmo pode ser igualmente implementado na banda de passagem (um sinal "real") com algumas pequenas alterações. Em particular, o lobo principal da função de correlação modula a portadora sinusoidal, o que por si só não contém nenhuma informação de fase. No entanto, ao calcular a transformação Fourier da região lóbulo principal das duas correlações, e ao comparar as suas fases, o data requerida pode ser extraída. Os resultados serão os mesmos 22 ΡΕ1882193 que com a abordagem da banda de base. A importância desta observação é simplesmente eficiência computacional. Considerando que a abordagem da banda de base usa uma taxa de amostra muito menor durante o cálculo, ele tem a carga adicional do cálculo da banda de base (não é um processo computacionalmente trivial). A abordagem da banda de passagem elimina a banda de base, mas requer que os algoritmos de estimativa de correspondência de filtragem e rumo sejam executados a uma taxa de amostragem relativamente elevada. A influência da profundidade diferencial entre o veiculo e o controlador introduz um erro no cálculo do rumo. Deixe ® ser o rumo estimado pela equação (2.11). Se d é a diferença em profundidade, então, assumindo geometria linear, pode ser mostrado que o rumo pode ser corrigido por esta diferença de profundidade de acordo com a equação (2.12).

ÇU2) A amplitude do sonar é considerada a seguir um caminho elipsoidal do sistema remoto para a base. Este caminho é um caminho de três dimensões ao longo de um arco "circular" em conformidade com o arco de um elipsóide aproximado definindo a forma da Terra a uma dada latitude e azimute sonar. WGS-84 (http://www.wgs84.com) é uma fonte conhecida de dados de pesquisa que fornecem esta informação 23 ΡΕ1882193 (isto é, DATUM.a e DATUM.es), sendo que as equações abaixo demonstram uma forma de forma de realização da invenção que adopta o uso da mesma.

As equações e processos de caminho elipsoidal são utilizados para calcular uma posição em algum azimute ao longo de uma amplitude sobre a superficie elipsoidal. A figura 5c mostra as relações entre os diferentes caminhos entre dois pontos. A amplitude do sonar (Da) é então convertida numa "distância de corda" (Dc) . Esta distância de corda é a distância do vector tridimensional (marca para marca). Laurila, Simo H. "Electronic Surveying and Navigation." John Wiley & Sons, Nova Iorque (1976), dá-nos uma conversão de Da para Dc:

Dc- 2*R* Da/(2.0*R) (laurila 1976, Paga 117equation 2.61}

Esta conversão é baseada num valor local para o raio do arco equivalente para um arco que coincide com a superficie elipsoidal em algum azimute. Para esta conversão aproximada a latitude do controlador (lat) e o azimute do sonar (azm) são usados e R é calculado a partir dos dois raios, a curvatura no meridiano (mO) e a curvatura na vertical (n): 24 ΡΕ1882193 m»DATIMa* (1.0»DATUM^s>/({1.^DATyM.es%m{Saí)A2}A{3/2}); nsDATUM.a/sqft{1.l>DAiruy.es*si«(!ai}A2); R Β π *mt (m*sin(azm)ft2 t n * cos{azm}A2);

Com Dc, a distância da corda 3-D, a distância sobre a superfície elipsoidal do sistema de base para o veiculo é calculada como se ambos estivessem directamente sobre a superfície do elipsóide. "da" define esse valor de tal modo que: da » [ (12*R*2 * Μ) / (12*{R+H) * (R+K) - M)j *(1/2) (LaurMa 1976, page 204 aquatioa 15.25) em que M = DcA2 - (Η-Κ)Λ2 e H = Altura UUV K = Altura do controlador

Com esta geodésica elipsoidal (na superfície elipsoidal) determinada, tudo é necessário para calcular a posição UUV remota a partir da posição de base, a distância elipsoidal (da) e o azimute (azm). A posição final pode ser determinada usando uma 25 ΡΕ1882193 série de técnicas matemáticas que variam em velocidade e precisão, dependendo da distância relativa do remoto. Dois desses processos encontram-se realizados em rotinas Matlab mostradas abaixo, uma (Iptdirect.m) que funciona de forma rápida a uma distância de menos de 10 km com precisão submétrica, e a outra (ngsdirect .m) que é mais lenta, mas que pode proporcionar precisões submétricas ao longo de milhares de quilómetros. % Itpdirect.m % local tangent plane posltion from range and azimuth % good for dlstances less than 10 kllometers O. Ό

function newpos=aproxdirect (pos, range, azimuth) ; global DATUM delta_east=sin (azimuth) *range; delta_north=cos (azimuth) *range; n=nphi (pos . lat) ; m=mphi (pos .lat) ; % convert here changes in meters of easting and northing % to changes in longitude and latitude newpos . lon= pos . Ion+delta_east/ (n *cos (pos .lat)) ; newpos.lat= pos.lat + delta_north / m; newpos. hea=0; % ngsdirect,m % MatLab Script: % this module takes longitude and latitude for start position % and the geodetic range and azimuth to a start position 26 ΡΕ1882193 % returns the longitude and latitude of the end position % References: % National Geodetic Survey. Forward and Inverse % http://www.ngs.noaa.gov/PC_PROD/pc_prod.shtml#InvFwd % Vincenty, T. 1975, Direct and Inverse Solutions of Geodesics % on the Ellipsoid with Application of Nested Equations. % Survey Review XXII, 176. (April) . Q, "0 % module takes position longitude and latitude in radians, % azimuth in radians % range in meters % returns longitude and latitude of end position in radians o

O function posllh = ngsdirect (position,range,azm); global D ATUM; phi=position.lat; lambda=position.lon; f=l. O-sqrt (1 . O-DATUM. es) ; r=l. 0-f; tul=r* sin (phi) /cos (phi) ; sf=sin (azm); cf=cos(azm); if cf == 0.0 baz=0.0; else baz=atan2 (tu l,cf)*2.0; end cu=l. O/sqrt (tul*tul +1.0); 27 ΡΕ1882193 su=tul*cu; sa=cu *sf; c2a=l.O-sa*sa; xO=sqrt ( (1.0/ (r*r) -1.0) *c2a+l .0)+1.0; x= (xO-2.0) /xO; cO=l. 0-x; c= (x*x/4.0+1.0) /cO; d= (0.375*x*x-l. 0) *x; tu= ((range/r) /DATUM. a) /c; y=tu; conv=9999; 1=0; while abs (y-conv) >10Λ-30 1=1+1; sy=sln (y) ; cy=cos (y) ; cz=cos (baz+y) ; e=cz*cz*2.0-1.0; conv=y; x=e*cy; yO=e+e-l. 0; y= ( ( (sy*sy*4.0-3.0) *y0*cz*d/6. 0+x) *d!4 . O-cz) *sy*d+tu; if 1>30 break; end baz=cu*cy*cf~su*sy; c=r*sqrt (sa *sa+baz*baz) ; d=su*cy+cu*sy*cf; phi2=atan2 (d, c) ; c=cu*cy-su*sy*cf; 28 ΡΕ1882193 x=atan2 (sy*sf, c) ; c=( (~3.0*c2a+4.0) *f+4.0) *c2a*f/16. 0; d= ((e*cy*c+cz) *sy*c+y) *sa; lambda2=lambda+x- (1.0-c) *d*f; posllh.lon=lambda2; posllh.Iat=phi2; posilh.hea=0.0;

Para aplicações da invenção em que os sistemas de base e autónomos se movem rapidamente em relação um ao outro (por exemplo, maior do que 20 ou mais nós) e introduzem um significativo efeito "Doppler" nas transmissões de sinais acústicos, a compensação é necessária para contrariar os efeitos e processar dados com segurança dentro de transmissões. Um exemplo para compensar estes efeitos encontra-se descrito no pedido US 10/991.765, depositado em 18 de Novembro de 2004. Uma forma de realização da técnica compreende os passos de gerar um sinal de comunicação com um componente de aquisição para proporcionar uma estimativa inicial da taxa de distância. O componente de aquisição é um sinal modulado de frequência não linear cujas características de sinal não são substancialmente afectadas pela taxa de distância e é de preferência na forma de um sinal modulado de frequência hiperbólica. O componente de sinal inicial é seguido por um segundo conjunto de sinais, de preferência um conjunto de tonalidades de frequência única, que são utilizadas para obter uma estimativa mais precisa da taxa de distância. O sinal de comunicação é então desmodulado utilizando a 29 ΡΕ1882193 estimativa mais precisa da taxa da distância para compensar os efeitos da taxa da distância no sinal de comunicação de modo a que o sinal de comunicação parece não ter sido influenciado pelos efeitos da taxa da distância.

Tendo descrito a invenção em relação a formas de realização particulares, irão ocorrer aos técnicos outras variações com base nos seus ensinamentos, e pretende-se que todas essas variantes estejam dentro do escopo da invenção tal como definido pelas reivindicações anexas.

Lisboa, 10 de Maio de 2013

Claims (3)

1. ΡΕ1882193 1 REIVINDICAÇÕES 1. Processo para determinar a posição geofísica de um sistema subaquático autónomo (100) de posição geofísica incerta, compreendendo o referido processo os passos de: monitorizar a profundidade do sistema autónomo (100); iniciar uma troca de sinais acústicos (122, 128) entre o referido sistema autónomo (100) e uma unidade de base (102) da posição geofísica conhecida, em que (a) ambos, o referido sistema autónomo (100) e a referida unidade base (102) encontram-se munidos com modems acústicos e configurados para processar os sinais acústicos para obter informação contida nos sinais; e (b) a troca de sinais acústicos (122, 128) compreende uma única troca de sinais acústicos (122, 128) entre o referido sistema autónomo (100) e a unidade de base (102), compreendendo a troca única um pedido de distância (122) enviado a partir do sistema autónomo (100) para a unidade de base (102) e uma resposta (128) enviada da unidade de base (102) para o sistema autónomo (100); determinar um rumo entre o sistema autónomo (100) e a unidade de base (102) determinar uma distância entre o sistema autónomo (100) e a unidade de base (102) com base no tempo de 2 ΡΕ1882193 trânsito dos sinais acústicos (122, 128); e calcular a posição geofísica do sistema autónomo (100), em que (c) o processo compensa os efeitos da taxa da distância utilizando um sinal modulado de frequência não linear e um conj unto de tonalidades de frequência única no pedido de distância (122) ou a resposta (128); e sendo o processo caracterizado por a determinação do rumo ser baseada no pedido da distância (122), sendo o pedido da distância (122) recebido por uma pluralidade de hidrofones espaçados próximos (126) na unidade de base (102) espaçados um do outro em menos de metade de um comprimento de onda, sendo o comprimento de onda determinado relativamente à frequência central aproximada do pedido de distância (122); em que a resposta (128) inclui informação relacionada com o rumo determinado, a posição geofísica conhecida da unidade de base (102), e a profundidade da unidade de base (102); e (d) a posição geofísica do sistema autónomo (100) é calculada com base na única troca de sinais acústicos (122, 128) e usando a profundidade do sistema autónomo (100), o rumo entre o sistema autónomo (100) e a unidade de base (102), a posição geofísica conhecida da unidade de base (102), e a profundidade da unidade de base (102).
2. 2 . Dispositivo para determinar a posição 3 ΡΕ1882193 geofísica de um sistema de modem acústico subaquático autónomo (300) de posição geofísica incerta, compreendendo o referido dispositivo: um sistema de modem acústico de base (102) cuja posição geofísica e profundidade são conhecidos; uma matriz acústica subaquática de vários emissores-receptores (126, 30) ligada ao sistema de modem acústico de base (102) de modo a que o rumo direccional entre os sistemas (102, 300) pode ser calculado por meio da análise de um sinal recebido na referida matriz de vários emissores-receptores (126, 30) ; um dispositivo de monitorização da profundidade ligado ao referido sistema autónomo de modem acústico subaquático (300); pelo menos um dispositivo de temporização ligado ao referido sistema autónomo de modem acústico subaquático (300) ou sistema de base de modem acústico (102) de modo que a distância entre os sistemas (102, 300) pode ser calculada; em que (a) ambos, o referido sistema autónomo (100) e a referida unidade base (102) encontram-se munidos com modems acústicos, encontrando-se os modems configurados para trocar sinais acústicos (122, 128) e configurados para processar os sinais acústicos para obter informação contida nos sinais; (b) a troca de sinais acústicos (122, 128) compreende uma única troca de sinais acústicos ΡΕ1882193 (122, 128) entre o referido sistema autónomo (100) e a unidade de base (102), compreendendo a troca única um pedido de distância (122) enviado a partir do sistema autónomo (100) para a unidade de base (102) e uma resposta (128) enviada da unidade de base (102) para o sistema autónomo (100); pelo menos um dos sistemas autónomos de modem acústico subaquático (300) ou o sistema de modem acústico de base (102) estando configurado para transmitir um sinal modulado de frequência não linear e um conjunto de tonalidades de frequência única, para compensar os efeitos da taxa de distância; sendo o dispositivo caracterizado por a unidade de base (102) compreender uma pluralidade de hidrofones espaçados próximos (126) espaçados um do outro menos do que metade de um comprimento de onda, sendo o comprimento de onda determinado em relação à frequência central aproximada do pedido de distância (122); um dispositivo de processamento (20) ligado ao sistema autónomo de modem acústico submarino (300) ou sistema de base de modem acústico (102) é programado para calcular a posição geofísica do sistema autónomo subaquático (300) das profundidades conhecidas dos sistemas (102, 300), o rumo entre os sistemas (102, 300), e distância entre os sistemas (102, 300).
3. 3. Dispositivo de acordo com a reivindicação 2, ΡΕ1882193 em que a matriz de vários emissores-receptores (126, 30) está ligada ao sistema de base de modem acústico (102); em que o referido pelo menos um dispositivo de temporização se encontra ligado ao sistema autónomo de modem acústico subaquático (300); e em que o referido dispositivo de processamento (20) se encontra ligado ao referido sistema autónomo (300) e programado para calcular a distância entre os sistemas de base (102) e autónomos (300) sincronizando a propagação dos sinais de saida (122) e de entrada (128) . Lisboa, 10 de Maio de 2013