RU2365939C1 - Method of underwater navigation - Google Patents
Method of underwater navigation Download PDFInfo
- Publication number
- RU2365939C1 RU2365939C1 RU2008122291/28A RU2008122291A RU2365939C1 RU 2365939 C1 RU2365939 C1 RU 2365939C1 RU 2008122291/28 A RU2008122291/28 A RU 2008122291/28A RU 2008122291 A RU2008122291 A RU 2008122291A RU 2365939 C1 RU2365939 C1 RU 2365939C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- navigation
- base
- hydroacoustic
- underwater object
- drifting
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Measurement Of Velocity Or Position Using Acoustic Or Ultrasonic Waves (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области навигации, а более конкретно к определению координат преимущественно подводных аппаратов.The invention relates to the field of navigation, and more particularly to determining the coordinates of mainly underwater vehicles.
Известна гидроакустическая синхронная дальномерная навигационная система [1], содержащая донную навигационную базу из M гидроакустических приемоответчиков с различными частотами ответа и размещенные на объекте навигации гидроакустический передатчик, генератор синхроимпульсов, M-канальный приемник, M измерителей времени распространения гидроакустических сигналов до приемоответчиков и обратно, M·N блоков преобразования временных интервалов в дистанции по N в каждом из каналов из M, M блоков выбора максимального значения дистанции из N значений и вычислитель координат объекта навигации, в котором каждый из M каналов введены по числу лучевых траекторий N-1 дополнительных измерителей времени распространения гидроакустических сигналов, N-1 мультивибраторов задержки, N-1 мультивибраторов строб-импульса, N-1 селекторов, причем первые входы N-1 измерителей распространения соединены с выходом генератора синхроимпульсов, вторые входы соединены с первыми выходами соответствующих селекторов, а выходы соединены с M·N входами блока преобразования временных интервалов в дистанции, первый вход каждого из селекторов соединен с выходом соответствующего мультивибратора строб-импульса, второй вход соединен с выходом соответствующего канала приемника, вход первого мультивибратора задержки соединен с выходом соответствующего канала приемника, а выход каждого последующего мультивибратора задержки соединен с вторым выходом соответствующего селектора, в каждый из M каналов введены N(N-1) дополнительных блоков преобразования временных интервалов в дистанции, N-1 дополнительных блоков выбора максимального значения дистанции и усреднитель дистанции, причем входы каждого из N-1 наборов по N блоков преобразования временных интервалов в дистанции соединены с соответствующими выходами N-1 дополнительных измерителей временных интервалов, а выходы соединены с входами N-1 дополнительных блоков выбора максимального значения, выходы всех блоков выбора максимального значения дистанции соединены с N входами усреднителя дистанций, а выход усреднителя дистанций соединен с входом вычислителя координат объекта навигации.A well-known sonar synchronous rangefinder navigation system [1], containing a bottom navigation base of M hydroacoustic transponders with different response frequencies and placed on the navigation object hydroacoustic transmitter, clock generator, M-channel receiver, M meters of propagation time of hydroacoustic signals to transponders and vice versa, M · N blocks for converting time intervals to distances along N in each of the channels from M, M blocks for selecting the maximum distance value from N characters values and a coordinate calculator of the navigation object, in which each of the M channels is entered according to the number of ray paths N-1 of additional measuring instruments for the propagation time of hydroacoustic signals, N-1 delay multivibrators, N-1 strobe multivibrators, N-1 selectors, the first inputs N-1 propagation meters are connected to the output of the clock generator, the second inputs are connected to the first outputs of the corresponding selectors, and the outputs are connected to the M · N inputs of the time interval to distance conversion unit, the first the input of each of the selectors is connected to the output of the corresponding multivibrator of the strobe pulse, the second input is connected to the output of the corresponding channel of the receiver, the input of the first delay multivibrator is connected to the output of the corresponding channel of the receiver, and the output of each subsequent delay multivibrator is connected to the second output of the corresponding selector, to each of M channels introduced N (N-1) additional blocks for converting time intervals into distances, N-1 additional blocks for selecting the maximum distance value and a distance averager, and the inputs of each of the N-1 sets of N blocks for converting time intervals into distances are connected to the corresponding outputs of N-1 additional time interval meters, and the outputs are connected to the inputs of N-1 additional blocks for selecting the maximum value, the outputs of all blocks for selecting the maximum the distance values are connected to the N inputs of the distance averager, and the output of the distance averager is connected to the input of the coordinate calculator of the navigation object.
В данной системе реализован способ навигации подводного объекта, включающий размещение гидроакустических ответчиков на дне водоема, создание навигационной базы из M гидроакустических приемоответчиков с различными частотами ответа, калибровку с помощью внешних средств обеспечения навигационной базы, посредством гидроакустического передатчика, размещенного на подводном объекте, измеряют временные интервалы распространения сигналов с последующим их преобразованием в дистанции между подводным объектом и гидроакустическими приемоответчиками. Для получения достоверных результатов измерений измеренные дистанции усредняют.This system implements a method for navigating an underwater object, including placing hydroacoustic transponders at the bottom of a pond, creating a navigation base of M hydroacoustic transponders with different response frequencies, calibrating using external means to provide a navigation base, using a hydroacoustic transmitter located on an underwater object, measure time intervals the propagation of signals, followed by their conversion in the distance between the underwater object and sonar receiving by the little branches. To obtain reliable measurement results, the measured distances are averaged.
Навигационная база таких систем, предварительно устанавливаемая на дне акватории, как правило, состоит из 12-16 маяков ответчиков и предварительно калибруется в относительных и в географических координатах (относительная и абсолютная калибровки) с помощью судна обеспечения, оснащенного бортовым комплексом спутниковой и гидроакустической системам навигации. После выработки своего энергетического ресурса маяки-ответчики заменяются, при этом производится новая калибровка донной навигационной базы. Данный способ позволяет обеспечить географическую привязку подводного аппарата в пределах площади до 100 квадратных километров и протяженностью до 50 километров.The navigation base of such systems, pre-installed at the bottom of the water area, as a rule, consists of 12-16 beacon transponders and is pre-calibrated in relative and geographical coordinates (relative and absolute calibrations) using a support vessel equipped with an on-board complex of satellite and sonar navigation systems. After developing their energy resource, the transponder beacons are replaced, and a new calibration of the bottom navigation base is performed. This method allows for the geographic location of the underwater vehicle within an area of up to 100 square kilometers and a length of up to 50 kilometers.
Использование известного способа навигации подводных аппаратов требует значительных затрат судового времени, большого количества донных маяков-ответчиков с длительным сроком автономности, ограничивает радиус действия подводного аппарата дальностью связи с донной навигационной базой. С учетом того, что подводные станции подвержены влиянию гидрологических и литодинамических факторов, то для получения достоверных результатов навигации подводных объектов требуется калибровочные работы выполнять не только при установке и снятии подводных станций, но и в период их эксплуатации при изменении внешних факторов.Using the known method for navigating underwater vehicles requires a significant amount of ship time, a large number of bottom transponder beacons with a long autonomy, limits the range of the underwater vehicle to the communication range with the bottom navigation base. Considering that underwater stations are subject to the influence of hydrological and lithodynamic factors, in order to obtain reliable results of navigation of underwater objects, calibration work is required to be performed not only when installing and removing underwater stations, but also during their operation when external factors change.
При проведении научно-исследовательских работ с применением автономных подводных обитаемых аппаратов, выполнении оперативно-тактических задач подводными аппаратами на морских полигонах протяженностью до тысяч километров и площадью десятки тысяч квадратных километров особое значение приобретает оперативное высоконадежное обеспечение этих работ без использования судна обеспечения.When conducting research work using autonomous underwater manned vehicles, performing operational and tactical tasks by underwater vehicles at sea ranges of up to thousands of kilometers and an area of tens of thousands of square kilometers, operational highly reliable provision of these works without the use of a support vessel is of particular importance.
Задачей настоящего технического предложения является повышение надежности при обеспечении навигации подводных объектов с одновременным снижением трудоемкости. Поставленная задача решается за счет того, что в способе навигации подводного объекта посредством гидроакустической навигационной системы, содержащей навигационную базу из M гидроакустических приемоответчиков с различными частотами ответа и размещенного на объекте навигации гидроакустического приемопередатчика, посредством которого измеряют временные интервалы распространения сигналов с последующим их преобразованием в дистанции между подводным объектом и гидроакустическими приемоответчиками, гидроакустические приемоответчики размещают на дрейфующих станциях по водной поверхности, навигационные параметры подводного объекта относительно дрейфующей станции или базы из дрейфующих станций определяют в режиме с длинной и/или ультракороткой базой, и/или в комбинированном режиме (длинная + ультракороткая база), и/или в пеленгационной системе, при этом формируют из приемников две навигационные базы с общим центром базы, располагая их в плоскости, параллельной плоскости палубы подводного объекта, при этом ось одной базы X направлена вдоль осевой линии подводного объекта, а ось другой базы Y направлена по траверзу вправо.The objective of this technical proposal is to increase reliability while ensuring the navigation of underwater objects while reducing labor intensity. The problem is solved due to the fact that in the method of navigating an underwater object by means of a hydroacoustic navigation system containing a navigation base of M hydroacoustic transponders with different response frequencies and a hydroacoustic transceiver located on the navigation object, through which the signal propagation time intervals are measured with their subsequent conversion to a distance between an underwater object and sonar transponders, sonar transponders and placed at drifting stations on a water surface, the navigation parameters of an underwater object relative to a drifting station or base from drifting stations are determined in a mode with a long and / or ultrashort base, and / or in a combined mode (long + ultrashort base), and / or in a direction finding the system, in this case, two navigation bases are formed from receivers with a common center of the base, placing them in a plane parallel to the plane of the deck of the underwater object, while the axis of one base X is directed along the center line of the underwater surface EKTA and the other base Y-axis is directed along the traverse to the right.
Сущность предлагаемого способа поясняется чертежами.The essence of the proposed method is illustrated by drawings.
Фиг.1. Схема формирования навигационной базы, где показаны навигационные спутники 1, подводный объект 2, дрейфующая станция 3.Figure 1. The scheme of formation of the navigation base, which shows the navigation satellites 1,
Фиг.2. Поверхности положения подводного объекта в гидроакустической навигационной системе с ультракороткой базой, где показаны приемники 4, 5, 6, 7, подводный объект 2.Figure 2. The position surface of the underwater object in the sonar navigation system with an ultrashort base, where
Фиг.3. Взаимное расположение приемников секции антенны, где позициями 8, 9, 10, 11 обозначены секции антенны.Figure 3. The mutual arrangement of the receivers of the antenna section, where the
Фиг.4. Функциональная схема приема сигнала "включение", которая включает ФХН12, широкополосный фильтр 13 с коррекцией амплитудно-частотной характеристики, ограничитель 14, узкополосный фильтр 15, детектор 16, интегратор 17, пороговую схему 18.Figure 4. Functional diagram of the reception signal "inclusion", which includes FHN12, a
Фиг.5. Функциональная схема обработки сигналов, которая включает широкополосный фильтр 19 с коррекцией амплитудно-частотной характеристики, ограничитель 20, узкополосный фильтр 21, детектор 22, интегратор 23, узкополосный фильтр 24, детектор 25, интегратор 26, пороговую схему 27, схему выбора максимума 28.Figure 5. Functional diagram of signal processing, which includes a
Фиг.6. Спутниковый связной модуль, который включает кодер 29, устройство формирования 30 пакетов сообщений на передачу, устройство формирования 31 алгоритма передачи пакетов сообщений, устройство управления 32 с программой работы передатчика на излучение (3-8 раз/сутки), передающую антенну 33 ненаправленного типа.6. A satellite communications module, which includes an
Дрейфующая станция 3 представляет собой устройство, состоящее из полиуретанового корпуса, на котором установлена мачта с размещенными на ней спутниковой антенной и при необходимости метеорологическими датчиками. Внутри корпуса установлена аппаратура измерения, обработки и хранения информации.The
При установке большой группы дрейфующих станций средства связи могут также включать ретранслятор, который осуществляет прием радиосигнала от дрейфующей станции в диапазоне ДМВ (401-403 МГц), объединение с сигналами других дрейфующих станций в общий групповой сигнал и одновременную передачу на наземные пункты приема в двух стволах диапазона СМВ (4/6, 7/8 ГГц), а при необходимости в состав средств связи может входить и береговая станция спутниковой связи 5, которая осуществляет прием излучаемого группового сигнала ретранслятора и содержит аппаратуру восстановления сообщений, включающую декодер и устройство обработки и восстановления сообщений, запоминающее устройство, устройство управления.When installing a large group of drifting stations, communications equipment may also include a repeater that receives the radio signal from the drifting station in the UHF band (401-403 MHz), combines with the signals of other drifting stations into a common group signal, and simultaneously transmits to ground receiving points in two trunks SMV band (4/6, 7/8 GHz), and, if necessary, the communications equipment may include a coastal
Обработка сообщений включает помехоустойчивое кодирование, разбивку каждого сообщения на пакеты с длительностью, зависящей от состояния взволнованной поверхности, передачу пакетов сообщения на ретранслятор по алгоритму, автоматически формируемому в зависимости от морского волнения, которое определяется посредством спутниковой навигационной системы в соответствии с известными алгоритмами (см., например, описание к патенту РФ №2254600).Message processing includes error-correcting coding, breaking each message into packets with a duration depending on the state of the excited surface, transmitting message packets to the relay according to an algorithm automatically generated depending on sea waves, which is determined by the satellite navigation system in accordance with known algorithms (see , for example, the description of the patent of the Russian Federation No. 2254600).
Применение дрейфующих буйковых станций (дрифтеров), оснащенных GPS приемником и аппаратурой гидроакустического канала связи, в качестве навигационных маяков, расположенных на морской поверхности, позволяет обеспечить высокоточную навигацию для подводных объектов.The use of drifting buoy stations (drifters) equipped with a GPS receiver and equipment for a sonar communication channel as navigation beacons located on the sea surface allows for high-precision navigation for underwater objects.
Очевидно, что расположение навигационного маяка-дрифтера на морской поверхности не требует проведения относительной и абсолютной калибровок полигона, который необходим при использовании донных гидроакустических маяков-ответчиков, так как наличие у дрифтера GPS приемника позволяет ему «знать» свои географические координаты в реальном масштабе времени с высокой точностью (например, точность определения координат посредством спутникового навигационного измерительного модуля типа СНИМ разработки российской фирмы «Навис» не хуже 5 метров). Навигация подводного объекта относительно дрейфующей станции или базы из дрейфующих станций может осуществляется как в режиме с длинной, ультракороткой базой (ДБ и УКБ), так и в комбинированном режиме ДБ/УКБ.Obviously, the location of the navigation drift beacon on the sea surface does not require relative and absolute calibration of the landfill, which is necessary when using bottom sonar transponder beacons, since the drifter's GPS receiver allows it to “know” its geographical coordinates in real time with high accuracy (for example, the accuracy of determining coordinates using a satellite navigation measuring module of the SNIM type developed by the Russian company Navis is no worse than 5 meters s). Navigation of an underwater object relative to a drifting station or a base of drifting stations can be carried out both in the mode with a long, ultrashort base (DB and UKB), and in the combined DB / UKB mode.
Подводный объект оснащается соответствующими режиму работ гидроакустическими приемо-передающими антеннами, навигационным контроллером и навигационным программно-математическим обеспечением. Маяк-дрифтер работает в режиме «запрос-ответ» и в режиме «пингер» (маяк). В режиме с длинной базой для определения координат подводного объекта используются сигналы минимум от 3-4 маяков-дрифтеров (аналогично как в спутниковой GPS) и решается триангуляционная задача. При этом площадь или протяженность зоны действия системы зависит от энергетической дальности действия гидроакустической связи, количества дрифтеров, глубины расположения подводного объекта, гидрологии, шумов подводного объекта и морской поверхности. При этом в отличие от навигации с использованием донной навигационной базы навигация с помощью маяков-дрифтеров, которая, как было сказано выше, не требует калибровок, существенно расширяет функциональные возможности подводного объекта, дает возможность оперативно оборудовать рабочий полигон любой площади и протяженности необходимым количеством дрифтеров, позволяет подводному объекту определять свои координаты в реальном времени, оперативно менять свои тактические задачи без потери навигационной информации, получать данные по своим координатам в любое необходимое время или постоянно в автоматическом режиме.The underwater object is equipped with hydroacoustic transmitting and receiving antennas corresponding to the operating mode, a navigation controller, and navigation mathematical software. The drifter beacon operates in the request-response mode and in the pinger mode (beacon). In the long base mode, to determine the coordinates of the underwater object, signals from at least 3-4 drifting beacons are used (similar to satellite GPS) and the triangulation problem is solved. In this case, the area or extent of the system coverage area depends on the energy range of hydroacoustic communication, the number of drifters, the depth of the underwater object, hydrology, noise of the underwater object and the sea surface. In this case, unlike navigation using the bottom navigation base, navigation using drifter beacons, which, as mentioned above, does not require calibrations, significantly expands the functionality of the underwater object, makes it possible to quickly equip a training ground of any size and length with the required number of drifters, allows an underwater object to determine its coordinates in real time, quickly change its tactical tasks without losing navigation information, receive data on its own m coordinates at any necessary time or constantly in automatic mode.
При навигации подводного объекта при ее работе на глубинах более одного километра целесообразно работать на частотах в диапазоне от 8 до 15 кГц, при этом энергетическая дальность связи с маяком-дрифтером будет достигать 10-14 км, а погрешность определения координат аппарата составит 7-10 метров в режиме ДБ и 0,3% от дальности в режиме УКБ и 0,5 град по углу пеленгации. При рабочей глубине менее одного километра целесообразно использовать рабочие частоты в диапазоне 25-35 кГц и работать в режиме УКБ. При этом максимальная дальность связи будет достигать порядка 3 км.When navigating an underwater object while operating at depths of more than one kilometer, it is advisable to work at frequencies in the range from 8 to 15 kHz, while the energy range of communication with the drifting beacon will reach 10-14 km, and the error in determining the coordinates of the device will be 7-10 meters in the DB mode and 0.3% of the range in the UKB mode and 0.5 degrees in the direction finding angle. At a working depth of less than one kilometer, it is advisable to use operating frequencies in the range of 25-35 kHz and work in the UHF mode. In this case, the maximum communication range will reach about 3 km.
Особое назначение имеет возможность подводного объекта определять свои координаты с помощью маяков-дрифтеров в пассивном режиме. В этом случае маяки-дрифтеры переводятся в режим автоматического периодического излучения гидроакустических сигналов (режим «пингер») с высокой точностью синхронизации, а подводный объект, принимая эти сигналы и используя при этом специальный алгоритм и программно-математическое обеспечение обработки, определяет свои географические координаты относительно координат маяка-дрифтера или навигационной базы из маяков-дрифтеров. Необходимо отметить при этом, что каждый сигнал маяка-дрифтера имеет специальный формат и кодировку и несет в себе информацию о географических координатах маяка-дрифтера, его индивидуальном номере, направлении и скорости его перемещения на поверхности. Алгоритм работы навигационной системы с применением дрифтеров имеет гибкую структуру и может быть легко адаптирован как под заранее прокладываемый маршрут подводного объекта на полигоне, так и под определение координат подводного объекта в любое конкретное время ее работы на полигоне в различных гидрологических условиях, условиях шума, в том числе с соблюдением условия защиты от обнаружения. Дополнительные возможности по обеспечению оперативной навигации подводного объекта дает установка (запуск) маяка-дрифтера непосредственно с подводного объекта в необходимый момент времени.A special purpose is the ability of an underwater object to determine its coordinates using beacons drifters in passive mode. In this case, the drifter beacons are switched to the automatic periodic emission of sonar signals (pinger mode) with high accuracy of synchronization, and the underwater object, receiving these signals and using the special algorithm and mathematical software for processing, determines its geographical coordinates relative to coordinates of the drifting beacon or navigation base from drifting beacons. It should be noted at the same time that each signal of the drifting beacon has a special format and encoding and carries information about the geographical coordinates of the drifting beacon, its individual number, direction and speed of its movement on the surface. The algorithm of the navigation system using drifters has a flexible structure and can be easily adapted both to a pre-laid route of an underwater object at the landfill, and to determine the coordinates of an underwater object at any specific time of its operation at the landfill in various hydrological conditions, noise conditions, including including subject to the conditions of protection against detection. Additional opportunities for providing operational navigation of an underwater object are provided by the installation (launch) of a drifting beacon directly from the underwater object at the right time.
При этом в процессе всплытия на поверхность маяк-дрифтер может измерять профиль скорости звука и гидрологические параметры, что необходимо при расчете точных координат подводного объекта. После подъема дрифтера на поверхность он переходит в режим приема спутниковых сигналов системы GPS и передачи гидроакустических сигналов на подводный объект в режиме «запрос-ответ» или режиме «пингер». Подводный объект фиксирует дистанцию и пеленг до маяка-дрифтера (режим УКБ) и вычисляет свои точные географические координаты, используя информацию, принятую от маяка-дрифтера по гидроакустическому каналу связи. Скорость передачи по гидроакустическому каналу связи может составлять 9600-12400 бод. Наиболее оптимальная дальность связи в режиме УКБ при глубине подводного объекта до 500 метров - 1 км. Точность определения координат до 5 метров.At the same time, during the ascent to the surface, the lighthouse-drifter can measure the sound velocity profile and hydrological parameters, which is necessary when calculating the exact coordinates of the underwater object. After the drifter is raised to the surface, it enters the GPS satellite signal reception mode and sonar signals are transmitted to the underwater object in the “request-response” mode or “pinger” mode. The underwater object records the distance and bearing to the drift lighthouse (UKB mode) and calculates its exact geographical coordinates using information received from the drift lighthouse via the sonar communication channel. The sonar transmission rate may be 9600-12400 baud. The most optimal communication range in UKB mode with an underwater object depth of up to 500 meters is 1 km. Accuracy of determination of coordinates to 5 meters.
Наличие гидроакустического канала связи между дрифтером и подводным объектом позволяет также обеспечивать передачу служебной информации из наземного центра на подводный объект по спутниковому телеметрическому связному каналу через дрейфующую станцию, находящуюся в зоне гидроакустической связи с подводным объектом.The presence of a hydro-acoustic communication channel between the drifter and the underwater object also allows the transmission of service information from the ground center to the underwater object via a satellite telemetric communication channel through a drift station located in the hydro-acoustic communication zone with the underwater object.
В предлагаемом способе применена комбинированная система гидроакустической навигации с длинной и ультракороткой базой, которая позволяет использовать пеленгационную систему решения задачи выхода подводного объекта в точку установки дрейфующей станции. При этом гидроакустическая антенна подводного объекта представляет две имеющие общий центр базы из приемников. При этом, если две приемные базы расположены в плоскости, параллельной плоскости палубы, и ортогональны, ось одной базы направлена вдоль осевой линии подводного объекта, а ось другой базы направлена по траверзу вправо.In the proposed method, a combined hydroacoustic navigation system with a long and ultrashort base is used, which allows the use of a direction finding system for solving the problem of an underwater object reaching the drift station installation point. In this case, the hydroacoustic antenna of the underwater object is two having a common center base of receivers. Moreover, if two receiving bases are located in a plane parallel to the deck plane and are orthogonal, the axis of one base is directed along the axial line of the underwater object, and the axis of the other base is directed to the right along the beam.
Две имеющие общий центр базы из приемников позволяют определить направление на источник сигнала как линию пересечения двух конических поверхностей с совпадающими вершинами. Сдвиг фаз Δφ1 электрических сигналов двух точечных приемников (первого и второго), поступающих на входы приемного тракта, связан с углом между базовой линией и направлением прихода сигнала соотношениемTwo having a common center base of receivers allow you to determine the direction to the signal source as the line of intersection of two conical surfaces with matching vertices. The phase shift Δφ 1 of the electrical signals of two point receivers (first and second) arriving at the inputs of the receiving path is related to the angle between the base line and the direction of arrival of the signal by the ratio
Δφ1=kcosα, где α - угол прихода сигнала, k - коэффициент, равный k=2πf0b/c, где b - длина базовой линии, f0 - несущая частота, с - скорость звука в точке приема сигнала. Таким образом, α=arccos (Δφ1/k). Сдвиг фаз Δφ2 электрических сигналов двух точечных приемников (третьего и четвертого), поступающих на входы приемного тракта, связан с углом между базовой линией и направлением прихода соотношением Δφ2=kcosβ, β=arccosΔφ2/k. Введя вспомогательные углы φ и Ψ (фиг.2) получим, при известной глубине Н подводного объекта, выражения для координат подводного объекта X0, Y0 относительно центра базы. При этом плоскость с ординатой Н является третьей поверхностью положения. Очевидно, чтоΔφ 1 = kcosα, where α is the angle of arrival of the signal, k is a coefficient equal to k = 2πf 0 b / c, where b is the length of the baseline, f 0 is the carrier frequency, and s is the speed of sound at the signal receiving point. Thus, α = arccos (Δφ 1 / k). The phase shift Δφ 2 of the electrical signals of two point receivers (third and fourth), arriving at the inputs of the receiving path, is related to the angle between the base line and the direction of arrival by the relation Δφ 2 = kcosβ, β = arccosΔφ 2 / k. Introducing the auxiliary angles φ and Ψ (Fig. 2) we obtain, with a known depth H of the underwater object, the expressions for the coordinates of the underwater object X 0 , Y 0 relative to the center of the base. In this case, the plane with ordinate H is the third position surface. It's obvious that
cosΨ=D/R, где D - дистанция, R - наклонная дальность, cosΨ=x/D,cosΨ = D / R, where D is the distance, R is the slant range, cosΨ = x / D,
cosα=x/R(cosΨcosφ)=(Dx)/(RD)=x/R, cosβ=y/R(cosΨcosφ)=(Dy)/(RD)=yR.cosα = x / R (cosΨcosφ) = (Dx) / (RD) = x / R, cosβ = y / R (cosΨcosφ) = (Dy) / (RD) = yR.
При этом cosα=cosΨcosφ, cosβ=cosΨsinφ, X0=Hcosφ/tgφΨ, Y0=Hsinφ/tg Ψ. Откуда получаем x0=cHΔφ1/а; y0=cНΔφ2/b.Moreover, cosα = cosΨcosφ, cosβ = cosΨsinφ, X 0 = Hcosφ / tgφΨ, Y 0 = Hsinφ / tg Ψ. Where do we get x 0 = cHΔφ 1 / a; y 0 = cHΔφ 2 / b.
Так как плоскость палубы практически никогда не совпадает с плоскостью горизонта, то учитывается также влияние углов крена 
где γ и
Информация о координатах дрейфующей станции относительно подводного объекта позволяет решить задачу выхода подводного объекта в реперную точку, так как она легко преобразуется в значения курсового угла КУ и дистанции D:Information on the coordinates of the drifting station relative to the underwater object allows us to solve the problem of the underwater object reaching the reference point, since it can easily be converted to the mean heading angle and distance D:
КУ=arc tg(y,x), D=(x2+y2)1/2. Решение обратной задачи дает возможность определить координаты подводного объекта на карте или планшете, на который предварительно наносится реперная точка. В том случае, когда определяется также наклонное расстояние до дрейфующей станции, третьей поверхностью положения является сфера с радиусом, равным наклонному расстоянию. Формулы для вычисления координат упрощаются и имеют вид x0=(cRΔφ12)/α, y0=(cR Δφ32)/β.KU = arc tg (y, x), D = (x 2 + y 2 ) 1/2 . Solving the inverse problem makes it possible to determine the coordinates of an underwater object on a map or tablet on which a reference point is previously applied. In the case where the inclined distance to the drifting station is also determined, the third position surface is a sphere with a radius equal to the inclined distance. The formulas for calculating the coordinates are simplified and have the form x 0 = (cRΔφ 12 ) / α, y 0 = (cR Δφ 32 ) / β.
Составные части подводного объекта включают приемную гидроакустическую антенну, состоящую из четырех гидрофонов. Секция антенны состоит из двух одноканальных и одного двухканального модуля, располагающихся на линейном несущем кронштейне. Расстояние между приемными гидрофонами двухканального модуля составляет 50 мм. Максимальное разнесение крайних приемников на кронштейне составляет 1000 мм. Кронштейн перфорирован, что позволяет располагать приемники в непосредственной близости друг от друга для проведения фазовой калибровки и с произвольным разнесением для проведения измерений направления прихода акустического сигнала. В качестве приемников - гидрофонов использованы пьезокерамические сферы диаметром 30 мм, внутри которых размещены предварительные усилители с коэффициентом усиления 30 дБ. Сферы размещаются на стальной пластине размером 145×145×10 мм, снабженной элементами крепления и акустической заглушкой с тыльной стороны. Коэффициент подавления звукового сигнала с тыльной стороны составляет не менее 30 дБ.Components of an underwater object include a receiving hydroacoustic antenna consisting of four hydrophones. The antenna section consists of two single-channel and one two-channel module, located on a linear carrier bracket. The distance between the receiving hydrophones of the two-channel module is 50 mm. The maximum spacing of the extreme receivers on the bracket is 1000 mm. The bracket is perforated, which allows the receivers to be located in close proximity to each other for phase calibration and with arbitrary spacing for measuring the direction of arrival of the acoustic signal. Piezoceramic spheres with a diameter of 30 mm are used as hydrophone receivers, inside of which preliminary amplifiers with a gain of 30 dB are placed. The spheres are placed on a steel plate measuring 145 × 145 × 10 mm, equipped with fasteners and an acoustic plug on the back side. The suppression ratio of the audio signal from the back is at least 30 dB.
Антенный комплекс состоит из 8-канальной 2-секционной приемной гидроакустической антенны и гидроакустической излучающей антенны.The antenna complex consists of an 8-channel 2-section receiving hydroacoustic antenna and a hydroacoustic emitting antenna.
Каждая секция приемной антенны представляет собой 4-элементный неэквидистантный гидрофонный модуль, предназначенный для измерения проекции вектора прихода акустического сигнала на одну из горизонтальных осей в режиме ультракороткой базы, в пеленгационном режиме, либо для приема сигналов в режиме длинной базы на 4 рабочих частотах. Секции приемной антенны расположены в горизонтальной плоскости перпендикулярно друг к другу.Each section of the receiving antenna is a 4-element non-equidistant hydrophone module designed to measure the projection of the acoustic signal arrival vector onto one of the horizontal axes in the ultrashort base mode, in the direction finding mode, or for receiving signals in the long base mode at 4 operating frequencies. Sections of the receiving antenna are located in a horizontal plane perpendicular to each other.
Таким образом, когда все гидрофоны производят прием на одной и той же рабочей частоте, реализуется режим определения задержки и направления прихода отклика от фиксированной дрейфующей станции в режиме ультракороткой базы, а когда каждый из гидрофонов настроен на свою рабочую частоту, осуществляется режим измерения задержек от 8 дрейфующих станций в режиме длинной базы.Thus, when all hydrophones receive at the same operating frequency, the mode for determining the delay and direction of arrival of the response from a fixed drifting station in the ultra-short base mode is implemented, and when each of the hydrophones is tuned to its operating frequency, a delay measurement mode of 8 drifting stations in long base mode.
Система передачи информации по гидроакустическому каналу на подводном объекте реализуется с использованием штатных средств гидроакустической связи. При этом в качестве устройств формирования и обработки сигналов могут быть применены, как имеющаяся в составе гидроакустическая аппаратура, обеспечивающая режим гидроакустической связи, так и дополнительные устройства в виде приставок, подключаемых к их передающему и приемному трактам.The system for transmitting information through a sonar channel at an underwater object is implemented using standard sonar communication equipment. In this case, as the devices for generating and processing signals, both the hydroacoustic equipment available in the composition, providing the hydroacoustic communication mode, and additional devices in the form of consoles connected to their transmitting and receiving paths can be used.
В качестве сигналов местоположения использованы тональные сигналы с частотой 3 кГц, излучаемые как в автоматическом режиме по специальной программе, так и в режиме запроса.As location signals, tonal signals with a frequency of 3 kHz are used, emitted both in automatic mode according to a special program and in a request mode.
Для систем передачи информации, основанных на использовании тональных сигналов, помехоустойчивость системы определяется помехоустойчивостью обнаружителей сигнала "Включение" и обнаружителей информационных сигналов. Для обнаружения сигнала "Включение", представляющего собой отрезок гармонического колебания длительностью, использован метод неоптимального некогерентного прием, обеспечивающий широкополосный прием с интегрированием после детектора 16. Функционально схема включает ФХН 12, обеспечивающий предварительное усиление и формирование ненаправленного пространственного канала с антенны дрейфующей станции, широкополосный фильтр 13 с полосой ΔFш, ограничитель 14 и узкополосный фильтр 15 с полосой ΔFy, образующую схему, обеспечивающую, при условии ΔFш/ΔFy>>1, стабилизацию помехи и подавления импульсной (широкополосной) помехи и выравнивание спектра помехи на входе ограничителя 14, узкополосный фильтр 15, обеспечивающий формирование рабочих частот, детектор 16, имеющий линейную характеристику, интегратор 17, представляющий собой фильтр нижних частот с эффективной полосой пропускания ΔFu=1/Т, где Т=2 с (длительность символа), пороговую схему 18, построенную на основании критерия Неймана-Пирсона, поскольку вероятность появления на ее входе сигнала существенно ниже вероятности его отсутствия.For information transmission systems based on the use of tonal signals, the noise immunity of the system is determined by the noise immunity of the “On” signal detectors and information signal detectors. To detect the “On” signal, which is a segment of harmonic oscillation of duration, the non-optimal incoherent reception method was used, which provides broadband reception with integration after
Функциональная схема обработки сигнала (фиг.5) включает широкополосный фильтр 19 с полосой ΔFш, ограничитель 20 и узкополосный фильтр 21 с полосой ΔFy, которые образуют схему, обеспечивающую, при условии ΔFш/ΔFy>>l, стабилизацию помехи и подавления импульсной (широкополосной) помехи и выравнивание спектра помехи на входе ограничителя 20, детектор 22, имеющий линейную характеристику, интегратор 23, который представляет собой фильтр нижних частот с эффективной полосой пропускания ΔFu=1/Т, где Т=0,5 с (длительность символа), схему выбора максимума 27, обеспечивающую отбор максимального сигнала для последующего сравнения его с заданным порогом, решающую схему 28, построенную на основании критерия идеального наблюдателя, поскольку весомость ошибок типа "ложная тревога" и "пропуск сигнала" можно считать одинаковым, порог в схеме выбран из условия минимизации полной вероятности ошибки, при этом после превышения порога в схему выбора максимума 28 поступает команда, отключающая канал с максимальным сигналом. Таким образом, обработка сигнала при приеме сообщения сводится к обнаружению отдельных тональных сигналов с вероятностями F и D такими, чтобы сумма F+(1-D) не превышала 0,01, причем F+1-D.Functional diagram of the signal processing (Fig. 5) includes a
Аналогом спутникового связного модуля (фиг.6) и дрейфующей станции является якорный буй прибрежного мониторинга фирмы AANDERAA Instruments (Норвегия) [2].An analogue of the satellite communication module (Fig.6) and the drifting station is the anchor buoy of coastal monitoring of the company AANDERAA Instruments (Norway) [2].
Спутниковый связной модуль предназначен для формирования пакетов и алгоритмов управления передаваемой информации.The satellite communications module is designed to form packets and control algorithms for transmitted information.
В отличие от известного способа, в предлагаемом способе дрейфующая станция, снабженная соответствующей аппаратурой, находясь в дрейфе, имеет возможность непрерывно принимать сигналы среднеорбитных спутниковых навигационных систем, обрабатывать их с определением высокоточных собственных координат в любой момент времени. В определенный момент времени (по сигналу запроса с подводного объекта или по программе работы дрейфующей станции) эта информация передается по гидроакустическому каналу в виде шумоподобного кодированного сигнала определенного формата на подводный объект. Определив свои координаты относительно дрейфующей станции и имея информацию о географических координатах последней, подводный объект выполняет собственное координирование в географической системе координат.In contrast to the known method, in the proposed method, a drifting station equipped with appropriate equipment, while in a drift, is able to continuously receive signals from medium-orbit satellite navigation systems, process them with the determination of high-precision eigen coordinates at any time. At a certain point in time (according to a request signal from an underwater object or according to the work program of a drifting station) this information is transmitted via a hydroacoustic channel in the form of a noise-like encoded signal of a certain format to an underwater object. Having determined its coordinates relative to the drifting station and having information about the geographical coordinates of the latter, the underwater object performs its own coordination in the geographical coordinate system.
Источники информацииInformation sources
1. Патент РФ №2032187.1. RF patent No. 2032187.
2. Официальный сайт компании "Компания ИНФОРМАР" www.infomarcompany.com.2. The official website of the company "Company INFORMAR" www.infomarcompany.com.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2008122291/28A RU2365939C1 (en) | 2008-06-03 | 2008-06-03 | Method of underwater navigation |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2008122291/28A RU2365939C1 (en) | 2008-06-03 | 2008-06-03 | Method of underwater navigation |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2365939C1 true RU2365939C1 (en) | 2009-08-27 |
Family
ID=41149980
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2008122291/28A RU2365939C1 (en) | 2008-06-03 | 2008-06-03 | Method of underwater navigation |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2365939C1 (en) |
Cited By (14)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2444759C1 (en) * | 2010-09-21 | 2012-03-10 | Юрий Николаевич Жуков | Navigation method of underwater object by means of hydroacoustic navigation system |
| RU2456634C1 (en) * | 2011-03-16 | 2012-07-20 | Юрий Николаевич Жуков | Method of navigating submarine object using hydroacoustic navigation system |
| RU2468388C2 (en) * | 2011-01-11 | 2012-11-27 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ" | Synchronous hydroacoustic range-finding navigation system |
| RU2517775C1 (en) * | 2012-11-27 | 2014-05-27 | Российская Федерация, От Имени Которой Выступает Министерство Промышленности И Торговли Российской Федерации | Hydroacoustic measurement system |
| RU2556326C1 (en) * | 2014-03-25 | 2015-07-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Тихоокеанский государственный университет" | Navigation method of submersible robot using single-beacon system |
| RU2617134C2 (en) * | 2014-12-30 | 2017-04-21 | Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг) | Hydroacoustic system of underwater navigation |
| RU2626148C2 (en) * | 2015-01-12 | 2017-07-21 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А.А. Трофимука Сибирского отделения РАН (ИНГГ СО РАН) | Method of monopulse sonar detection |
| RU2642147C2 (en) * | 2016-12-22 | 2018-01-24 | Григорий Константинович Орлов | Method for navigation and dynamic positioning of a water-craft |
| RU2649073C1 (en) * | 2016-12-19 | 2018-03-29 | Акционерное Общество "Концерн "Океанприбор" | Method for determining coordinates of the underwater object by the hydroacoustic system of underwater navigation with an alignment beacon |
| RU2670188C1 (en) * | 2017-05-31 | 2018-10-18 | Акционерное общество Научно-производственное предприятие "Авиационная и Морская Электроника" (АО НПП "АМЭ") | Method of passive automatic hydroacoustic detection of marine objects |
| RU2713814C1 (en) * | 2018-11-29 | 2020-02-07 | Акционерное Общество "Концерн "Океанприбор" | Method of determining geographic coordinates of an underwater object |
| RU2714539C1 (en) * | 2018-11-28 | 2020-02-18 | Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военный учебно-научный центр Военно-Морского Флота "Военно-морская академия им. Адмирала Флота Советского Союза Н.Г. Кузнецова" | Method of navigation support of autonomous unmanned underwater vehicles |
| RU2717578C1 (en) * | 2019-07-02 | 2020-03-24 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Государственный университет морского и речного флота имени адмирала С.О. Макарова" | Method of determining geographic coordinates of an underwater object |
| RU2767150C1 (en) * | 2021-02-04 | 2022-03-16 | Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военный учебно-научный центр Военно-Морского Флота "Военно-морская академия им. Адмирала Флота Советского Союза Н.Г. Кузнецова" | Method for monitoring hydroacoustic fields of mobile marine objects |
-
2008
- 2008-06-03 RU RU2008122291/28A patent/RU2365939C1/en active
Cited By (14)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2444759C1 (en) * | 2010-09-21 | 2012-03-10 | Юрий Николаевич Жуков | Navigation method of underwater object by means of hydroacoustic navigation system |
| RU2468388C2 (en) * | 2011-01-11 | 2012-11-27 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ" | Synchronous hydroacoustic range-finding navigation system |
| RU2456634C1 (en) * | 2011-03-16 | 2012-07-20 | Юрий Николаевич Жуков | Method of navigating submarine object using hydroacoustic navigation system |
| RU2517775C1 (en) * | 2012-11-27 | 2014-05-27 | Российская Федерация, От Имени Которой Выступает Министерство Промышленности И Торговли Российской Федерации | Hydroacoustic measurement system |
| RU2556326C1 (en) * | 2014-03-25 | 2015-07-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Тихоокеанский государственный университет" | Navigation method of submersible robot using single-beacon system |
| RU2617134C2 (en) * | 2014-12-30 | 2017-04-21 | Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг) | Hydroacoustic system of underwater navigation |
| RU2626148C2 (en) * | 2015-01-12 | 2017-07-21 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А.А. Трофимука Сибирского отделения РАН (ИНГГ СО РАН) | Method of monopulse sonar detection |
| RU2649073C1 (en) * | 2016-12-19 | 2018-03-29 | Акционерное Общество "Концерн "Океанприбор" | Method for determining coordinates of the underwater object by the hydroacoustic system of underwater navigation with an alignment beacon |
| RU2642147C2 (en) * | 2016-12-22 | 2018-01-24 | Григорий Константинович Орлов | Method for navigation and dynamic positioning of a water-craft |
| RU2670188C1 (en) * | 2017-05-31 | 2018-10-18 | Акционерное общество Научно-производственное предприятие "Авиационная и Морская Электроника" (АО НПП "АМЭ") | Method of passive automatic hydroacoustic detection of marine objects |
| RU2714539C1 (en) * | 2018-11-28 | 2020-02-18 | Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военный учебно-научный центр Военно-Морского Флота "Военно-морская академия им. Адмирала Флота Советского Союза Н.Г. Кузнецова" | Method of navigation support of autonomous unmanned underwater vehicles |
| RU2713814C1 (en) * | 2018-11-29 | 2020-02-07 | Акционерное Общество "Концерн "Океанприбор" | Method of determining geographic coordinates of an underwater object |
| RU2717578C1 (en) * | 2019-07-02 | 2020-03-24 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Государственный университет морского и речного флота имени адмирала С.О. Макарова" | Method of determining geographic coordinates of an underwater object |
| RU2767150C1 (en) * | 2021-02-04 | 2022-03-16 | Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военный учебно-научный центр Военно-Морского Флота "Военно-морская академия им. Адмирала Флота Советского Союза Н.Г. Кузнецова" | Method for monitoring hydroacoustic fields of mobile marine objects |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2365939C1 (en) | Method of underwater navigation | |
| RU2371738C1 (en) | Hydroacoustic navigation system | |
| RU2456634C1 (en) | Method of navigating submarine object using hydroacoustic navigation system | |
| US10989815B2 (en) | Method for positioning underwater objects and system for the implementation thereof | |
| RU2444759C1 (en) | Navigation method of underwater object by means of hydroacoustic navigation system | |
| US20150124565A1 (en) | Determining position of underwater node | |
| RU2011142686A (en) | METHOD AND SYSTEM OF GEOLOCALIZATION OF THE RADIO BEACON IN THE ALARM AND NOTIFICATION SYSTEM | |
| RU2483326C2 (en) | Hydroacoustic synchronous range-finding navigation system for positioning underwater objects in navigation field of randomly arranged hydroacoustic transponder beacons | |
| JPH08504944A (en) | Method and apparatus for monitoring and remote controlling a mobile unmanned underwater vehicle | |
| RU2469346C1 (en) | Method of positioning underwater objects | |
| RU2437114C1 (en) | System for determining coordinates of underwater objects | |
| WO2017086736A1 (en) | Apparatus for determining precise location and method for determining precise location in woodlands | |
| JP2009198435A (en) | Positioning device and positioning method for unknown transmission station | |
| RU2659299C1 (en) | Method and system of navigation of underwater objects | |
| JP2019215309A (en) | Navigation system, navigation method and aircraft | |
| RU2602273C2 (en) | System of geographical location of a radio signal transmitter located on the earth's surface | |
| RU2506605C2 (en) | Ranging method and device to determine coordinates of radiation source | |
| RU2689281C1 (en) | Method for navigation-information support of deep-sea autonomous unmanned underwater vehicle | |
| RU2303275C2 (en) | Method for determination of co-ordinates of submerged objects | |
| RU2431156C1 (en) | Method of positioning by hydroacoustic navigation system | |
| RU2370787C1 (en) | Underwater sonde | |
| RU2596244C1 (en) | Arctic underwater navigation system for driving and navigation support of water surface and underwater objects of navigation in constrained conditions of navigation | |
| RU2477497C2 (en) | Hydroacoustic navigation system | |
| JP2006170698A (en) | Device for estimating azimuth of radio station, device for estimating azimuth of radio station and emitting radio wave, and method of estimating azimuth of radio station | |
| CA2458509C (en) | Bistatic azimuth detection system and detection method |