RU2468388C2

RU2468388C2 - Synchronous hydroacoustic range-finding navigation system

Info

Publication number: RU2468388C2
Application number: RU2011100385/28A
Authority: RU
Inventors: Александр Иванович Сухинов; Олег Анатольевич Савицкий; Евгений Сергеевич Огурцов; Сергей Федорович Огурцов; Игорь Георгиевич Дорух; Анна Сергеевна Огурцова
Priority date: 2011-01-11
Filing date: 2011-01-11
Publication date: 2012-11-27
Also published as: RU2011100385A

Abstract

FIELD: radio engineering.

SUBSTANCE: synchronous hydroacoustic range-finding navigation system relates to hydroacoustics and specifically to hydroacoustic navigation equipment and can be used in navigating underwater objects. The synchronous hydroacoustic range-finding navigation system has a base of M hydroacoustic transponders 1.1, 1.2, …, 1.M, an acoustic pulse transmitter 2, an M-channel hydroacoustic signal receiver 3, M devices 4.1, 4.2, …4.M for measuring the time of propagation of hydroacoustic signals from the transmitter 2 to a transponder

and back, M controlled units 5.1, 5.2, …, 5.M for converting the time interval to distance of the i-th channel

a computer 6 for computing coordinates of the navigation object and a clock-pulse generator 7. All components of the system, except transponders 1.1, 1.2, …, 1.M, which are part of the bottom base, are installed on the navigation object.

EFFECT: combination of reintroduced connections and features of units for converting time intervals to distance makes the system simple and reliable.

1 dwg

Description

Изобретение относится к гидроакустике, а именно к гидроакустическим навигационным средствам, и может быть использовано для обеспечения навигации подводных объектов.The invention relates to sonar, and in particular to sonar navigation aids, and can be used to provide navigation for underwater objects.

Известна синхронная дальномерная навигационная система, содержащая донную навигационную базу из M гидроакустических маяков-приемоответчиков с различными рабочими частотами ответа, размещенные на объекте навигации гидроакустический передатчик, генератор синхроимпульсов, M-канальный приемник, M измерителей времени распространения гидроакустических сигналов до приемоответчиков, работающих на частотах этих сигналов, и обратно и вычислитель координат объекта навигации [см., например, Милн П.Х. Гидроакустические системы позиционирования: Пер. с англ. - Л.: Судостроение. - 1989. - 272 с. - с.49-60].A synchronous rangefinder navigation system is known that contains a bottom navigation base of M hydroacoustic transponder beacons with different operating response frequencies, a hydroacoustic transmitter, a clock generator, an M-channel receiver, M hydroacoustic signal propagation time meters to transponders operating at these frequencies signals, and vice versa, and the coordinates calculator of the navigation object [see, for example, Milne P.Kh. Hydroacoustic positioning systems: Per. from English - L .: Shipbuilding. - 1989. - 272 p. - p. 49-60].

Все перечисленные элементы этого аналога входят и в состав заявляемой системы.All of the listed elements of this analogue are also part of the inventive system.

Работа этого аналога основана на измерении времени распространения звукового сигнала от объекта навигации до маяков и обратно, вычислении дистанций между объектом навигации и маяками с учетом постоянства скорости звука в водной среде и последующего пересчета этих дистанций в координаты объекта навигации.The work of this analogue is based on measuring the propagation time of the sound signal from the navigation object to the lighthouses and vice versa, calculating the distances between the navigation object and the lighthouses taking into account the constancy of the speed of sound in the aquatic environment and the subsequent conversion of these distances into the coordinates of the navigation object.

Причиной, препятствующей достижению в этом аналоге технического результата, обеспечиваемого изобретением, является низкая точность работы в среде, содержащей отражающие границы. Несоответствие дистанций, рассчитанных в этих условиях, реальным приводит к существенным ошибкам определения координат объекта навигации, делает функционирование этой системы в условиях рефракции и многолучевости траекторий прохождения сигналов неприемлемым.The reason that impedes the achievement in this analogue of the technical result provided by the invention is the low accuracy of work in an environment containing reflecting boundaries. The mismatch of the distances calculated under these conditions, real leads to significant errors in determining the coordinates of the navigation object, makes the functioning of this system in conditions of refraction and multipath paths of signal paths unacceptable.

Наиболее близкой по технической сущности к заявляемой системе (прототипом) является система, содержащая в каждом из M каналов определения дистанций помимо элементов, входящих в состав приведенного выше аналога, N - по числу видов возможных траекторий - блоков преобразования временных интервалов в дистанции и блок выбора максимального значения дистанции.The closest in technical essence to the claimed system (prototype) is a system that contains in each of the M channels for determining distances, in addition to the elements that make up the above analogue, N - in the number of types of possible trajectories - blocks for converting time intervals into distances and a block for selecting the maximum distance values.

Гидроакустическая синхронная дальномерная навигационная система-прототип защищена патентом РФ №713278, кл. G01S 15/08, 1978. Признаками, общими с заявляемой системой, в системе-прототипе являются база из M гидроакустических маяков-ответчиков, размещенные на объекте навигации гидроакустический передатчик, генератор синхроимпульсов, M-канальный приемник, M измерителей времени распространения гидроакустических сигналов, M блоков преобразования временных интервалов в дистанции, вычислитель координат объекта навигации и их связи.The hydroacoustic synchronous rangefinder navigation system prototype is protected by RF patent No. 713278, cl. G01S 15/08, 1978. The features common to the claimed system in the prototype system are a base of M hydroacoustic transponder beacons located at the navigation object, a hydroacoustic transmitter, a clock generator, an M-channel receiver, M hydro-acoustic signal propagation time meters, M blocks for converting time intervals to distances, a calculator of the coordinates of the navigation object and their connection.

Использование имеющихся в каждом из M каналов определения дистанций N блоков преобразования временных интегралов в дистанции и блока выбора максимального значения дистанции позволяет учесть условия рефракции сигналов и многолучевость траекторий и исключить ошибки определения координат объекта навигации, присущие первому аналогу.Using available in each of the M channels for determining distances, N blocks for converting time integrals into distances and a block for choosing the maximum distance allows one to take into account the conditions of refraction of signals and multipath paths and eliminate errors in determining the coordinates of the navigation object inherent in the first analogue.

Причиной, препятствующей достижению в системе-прототипе технического результата, достигаемого в изобретении, является сложность системы, обусловленная большим количеством блоков преобразования временных интервалов в дистанции и наличием блоков выбора максимального значения дистанции. Это обстоятельство в свою очередь не позволяет обеспечить достаточно высокий уровень надежности системы и приводит к существенному увеличению ее энергопотребления, что крайне нежелательно в условиях автономного нахождения объекта навигации в подводном положении.The reason that impedes the achievement in the prototype system of the technical result achieved in the invention is the complexity of the system, due to the large number of blocks for converting time intervals into distances and the presence of blocks for selecting the maximum distance value. This circumstance, in turn, does not allow for a sufficiently high level of system reliability and leads to a significant increase in its energy consumption, which is extremely undesirable in conditions of an autonomous location of the navigation object in underwater position.

Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является упрощение и повышение надежности системы.The technical problem to which the invention is directed is to simplify and increase the reliability of the system.

Технический результат достигается тем, что в известной гидроакустической синхронной дальномерной навигационной системе блоки преобразования временных интервалов в дистанции выполнены управляемыми, их управляющие входы подключены к соответствующим входам управления системы, а выходы - к соответствующим входам вычислителя координат объекта навигации.The technical result is achieved by the fact that in the well-known sonar synchronous rangefinder navigation system, the blocks for converting time intervals into distances are made controllable, their control inputs are connected to the corresponding control inputs of the system, and the outputs to the corresponding inputs of the coordinate calculator of the navigation object.

Для достижения технического результата в известной гидроакустической синхронной дальномерной навигационной системе, содержащей донную навигационную базу из M гидроакустических маяков-приемоответчиков с различными рабочими частотами ответа, размещенные на объекте навигации гидроакустический передатчик, генератор синхроимпульсов, первый выход которого подключен ко входу передатчика, M-канальный приемник, M измерителей времени распространения гидроакустических сигналов до приемоответчика, работающего на частотах этого сигнала, и обратно, входы обнуления которых подключены ко второму выходу генератора синхроимпульсов, а входы запуска - к соответствующим выходам M-канального приемника, M блоков преобразования временных интервалов в дистанции, сигнальные входы которых подключены к выходам соответствующих измерителей времени распространения гидроакустических сигналов, и вычислитель координат объекта навигации, блоки преобразования временных интервалов в дистанции выполнены управляемыми, их управляющие входы подключены к соответствующим входам управления системы, а выходы - к соответствующим входам вычислителя координат объекта навигации.To achieve a technical result in a well-known sonar synchronous rangefinder navigation system containing a bottom navigation base of M sonar transponders with different operating response frequencies, a sonar transmitter, a clock generator, the first output of which is connected to the transmitter input, an M-channel receiver , M measuring the propagation time of hydroacoustic signals to a transponder operating at the frequencies of this signal, and about In turn, the zeroing inputs of which are connected to the second output of the clock generator, and the trigger inputs are connected to the corresponding outputs of the M-channel receiver, M blocks for converting time intervals into distances, the signal inputs of which are connected to the outputs of the corresponding measuring instruments for the propagation of hydroacoustic signals, and the coordinate calculator of the navigation object , blocks for converting time intervals in distance are made controllable, their control inputs are connected to the corresponding control inputs of systems s, and the outputs - to the corresponding inputs of the calculator coordinates of the navigation object.

Совокупность вновь введенных связей и особенностей выполнения блоков преобразования временных интервалов в дистанции неизвестна из имеющихся в распоряжении заявителя источников информации. Поэтому заявляемую систему навигации следует считать новой и соответствующей изобретательскому уровню.The totality of the newly introduced connections and features of the blocks for converting time intervals to distances is unknown from the information sources available to the applicant. Therefore, the claimed navigation system should be considered new and consistent with the inventive step.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором на фиг.1 приведена структурная схема предлагаемой системы.The invention is illustrated in the drawing, in which figure 1 shows the structural diagram of the proposed system.

Гидроакустическая синхронная дальномерная навигационная система содержит донную базу из M гидроакустических приемоответчиков 1.1, 1.2, …, 1.M, передатчик 2 акустических импульсов, M-канальный приемник 3 гидроакустических сигналов, M измерителей 4.1, 4.2, … 4.M времени распространения гидроакустических сигналов от передатчика 2 до приемоответчика

и обратно, M блоков 5.1, 5.2, …5.M преобразования временного интервала в дистанцию i-го канала

, вычислитель 6 координат объекта навигации и генератор 7 синхроимпульсов. Все элементы системы, кроме приемоответчиков 1.1, 1.2, …, 1.M, входящих в состав донной базы, установлены на объекте навигации.The hydro-acoustic synchronous rangefinder navigation system contains a bottom base of M hydro-acoustic transponders 1.1, 1.2, ..., 1.M, a transmitter of 2 acoustic pulses, an M-channel receiver of 3 hydro-acoustic signals, M meters 4.1, 4.2, ... 4.M of the propagation time of hydro-acoustic signals from transmitter 2 to transponder

and vice versa, M blocks 5.1, 5.2, ... 5.M converting the time interval into the distance of the i-th channel

, a calculator 6 coordinates of the navigation object and a generator 7 clock pulses. All elements of the system, except transponders 1.1, 1.2, ..., 1.M, which are part of the bottom base, are installed on the navigation object.

Вход передатчика 2 соединен с первым выходом генератора 7, второй выход которого соединен со входами обнуления измерителей 4.1, 4.2, … 4.M, соединенных своими входами запуска с соответствующими выходами приемника 3, а выходами - с сигнальными входами блоков 5.1, 5.2, … 5.M соответственно. Управляющие входы блоков 5.1, 5.2, … 5.M соединены с соответствующими входами системы, а выходы - с соответствующими входами вычислителя 6.The input of the transmitter 2 is connected to the first output of the generator 7, the second output of which is connected to the zeroing inputs of the meters 4.1, 4.2, ... 4.M, connected by their start inputs to the corresponding outputs of the receiver 3, and the outputs to the signal inputs of the blocks 5.1, 5.2, ... 5 .M respectively. The control inputs of blocks 5.1, 5.2, ... 5.M are connected to the corresponding inputs of the system, and the outputs are connected to the corresponding inputs of the calculator 6.

Работа системы заключается в следующем.The operation of the system is as follows.

Генератор 7 запускает передатчик 2 акустических импульсов и обнуляет интеграторы М измерителей 4.1, 4.2, … 4.M. В момент запуска передатчик 2 излучает акустический сигнал запроса, который, распространяясь в водной среде, принимается приемоответчиками 1.1, 1.2, …, 1.M. Каждый из приемоответчиков в момент прихода на него сигнала запроса излучает акустический сигнал со своей определенной частотой заполнения f_i(i=1, 2, …, M). Сигналы, излученные премоответчиками 1.i (i=1, 2, …, M), распространяясь в водной среде, принимаются M-канальным приемником 3. Каждый из каналов приемника 3 настроен на одну из частот f_i таким образом, что в каждом канале усиливается и детектируется сигнал ответа, излученный соответствующим ему приемоответчиком 1.i. Усиленные в приемнике 3 сигналы с выхода каждого из каналов поступают на запирающие входы соответствующих измерителей 4.i и запирают своими передними фронтами интеграторы меток времени.The generator 7 starts the transmitter 2 of acoustic pulses and resets the integrators M meters 4.1, 4.2, ... 4.M. At the time of launch, the transmitter 2 emits an acoustic request signal, which, propagating in the aquatic environment, is received by transponders 1.1, 1.2, ..., 1.M. Each of the transponders at the time of arrival of the request signal emits an acoustic signal with its specific filling frequency f _i (i = 1, 2, ..., M). The signals emitted by the transponders 1.i (i = 1, 2, ..., M), propagating in the aquatic environment, are received by the M-channel receiver 3. Each of the channels of the receiver 3 is tuned to one of the frequencies f _i in such a way that in each channel the response signal emitted by its corresponding transponder 1.i is amplified and detected. The signals amplified in the receiver 3 from the output of each channel are fed to the locking inputs of the corresponding meters 4.i and the time stamp integrators are locked by their front edges.

В момент формирования генератором 7 очередного синхроимпульса происходит передача в цифровом коде в соответствующий блок 5.i (i=1, 2, …, M) информации о числе меток времени, накопленных измерителем 4.i за соответствующее время распространения сигнала от объекта навигации до соответствующего приемоответчика 1.i и обратно, от интегратора соответствующего измерителя 4.i.At the moment of generation of the next sync pulse by the generator 7, information is transmitted in digital code to the corresponding block 5.i (i = 1, 2, ..., M) about the number of time stamps accumulated by the 4.i meter for the corresponding propagation time of the signal from the navigation object to the corresponding transponder 1.i and vice versa, from the integrator of the corresponding meter 4.i.

Блоки 5.1, 5.2, … 5.M имеют различные начальные установки глубины погружения объекта навигации. На управляющие входы блоков 5.i с i-го входа системы поступают коды целочисленных коэффициентов, характеризующих эти трассы. Блоки 5.i выполняют операцию умножения поступившего на его вход числа меток времени на постоянный коэффициент, являющийся в общем случае функцией двух параметров: начальной установки глубины погружения и типа трассы. На выходах блоков 5.i формируются коды численных значений наклонных дальностей от объекта навигации до соответствующих приемоответчиков 1.i. Эти коды поступают на соответствующие входы вычислителя 6.Blocks 5.1, 5.2, ... 5.M have various initial settings for the immersion depth of the navigation object. The control inputs of blocks 5.i from the i-th input of the system receive codes of integer coefficients characterizing these paths. Blocks 5.i perform the operation of multiplying the number of time stamps received at its input by a constant coefficient, which in the general case is a function of two parameters: the initial setting of the immersion depth and the type of track. At the outputs of blocks 5.i, codes of numerical values of inclined ranges from the navigation object to the corresponding transponders 1.i are generated. These codes go to the corresponding inputs of the calculator 6.

В вычислителе 6 по поступившим на его входы дистанциям между объектом навигации и приемоответчиками 1.i (i=1, 2, …, M), координаты которых заранее известны, рассчитываются координаты объекта навигации.In the calculator 6, the distances between the navigation object and the transponders 1.i (i = 1, 2, ..., M) received at its inputs, the coordinates of which are known in advance, the coordinates of the navigation object are calculated.

Таким образом, в заявляемой системе координаты объекта навигации определяются, как и в системе-прототипе, с учетом типа трассы. Однако, в заявляемой системе блоков преобразования интервалов времени в дистанцию в N раз меньше, чем в системе-прототипе. A блоки выбора максимума дистанции вообще отсутствуют. Большая простота системы обеспечивает ей более высокую надежность. Ориентировочный расчет показывает, что наработка на отказ заявляемой системы примерно на 20% больше, чем у системы-прототипа.Thus, in the inventive system, the coordinates of the navigation object are determined, as in the prototype system, taking into account the type of track. However, in the inventive system of blocks for converting time intervals to a distance N times less than in the prototype system. A blocks for selecting the maximum distance are generally absent. The greater simplicity of the system provides it with higher reliability. An approximate calculation shows that the time between failures of the claimed system is approximately 20% more than that of the prototype system.

Claims

Hydroacoustic synchronous rangefinder navigation system containing a bottom navigation base of M hydroacoustic transponder beacons with different operating response frequencies, a hydroacoustic transmitter, a clock generator, the first output of which is connected to the transmitter input, an M-channel receiver, M hydroacoustic propagation time meters signals to the transponder operating at the frequencies of this signal, and vice versa, the zeroing inputs of which are connected to the second mu output of the clock generator, and the trigger inputs to the corresponding outputs of the M-channel receiver, M blocks for converting time intervals into distances, the signal inputs of which are connected to the outputs of the corresponding measuring instruments for the propagation of hydroacoustic signals, and the coordinates calculator of the navigation object, characterized in that the conversion blocks time intervals in the distance are made controllable, their control inputs are connected to the corresponding system control inputs, and the outputs to the corresponding them the inputs of the calculator coordinates of the navigation object.