RU2469346C1 - Method of positioning underwater objects - Google Patents
Method of positioning underwater objects Download PDFInfo
- Publication number
- RU2469346C1 RU2469346C1 RU2011128643/28A RU2011128643A RU2469346C1 RU 2469346 C1 RU2469346 C1 RU 2469346C1 RU 2011128643/28 A RU2011128643/28 A RU 2011128643/28A RU 2011128643 A RU2011128643 A RU 2011128643A RU 2469346 C1 RU2469346 C1 RU 2469346C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- software
- beacons
- coordinates
- signal
- signals
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к способам навигации подводных объектов, конкретно к способам определения местонахождения подводных автономных объектов (ПО) относительно гидроакустических маяков.The invention relates to methods for navigating underwater objects, specifically to methods for determining the location of underwater autonomous objects (SO) relative to sonar beacons.
Как правило, позиционирование осуществляют путем измерения дистанций между ПО и гидроакустическими маяками (ГМ) по времени прохождения акустического сигнала между ними, причем координаты маяков и необходимые для расчета дистанции данные о величине скорости звука предварительно вводятся в память бортовой навигационной системы, а работа маяков и бортового устройства вычисления координат ПО синхронизируются или маяки излучают акустические сигналы по запросу ПО. Для позиционирования по гидроакустическим маякам подводных объектов с повышенной автономностью и увеличенной дальностью хода используют навигационные системы с длинной базой (LBL) - дальномерные и дальномерно-пеленгационные. Дальномерные включают, как минимум, три, а дальномерно-пеленгационные, как минимум, два установленных на акватории гидроакустических маяка, которые обычно излучают импульсные сигналы по сигналу запроса со стороны ПО. В случае одновременной работы на акватории нескольких ПО для исключения взаимных помех используют маяки, работающие не по запросу ПО, а по заранее заданной программе (Гидроакустические навигационные средства. В.И.Бородин и др. - Л.: Судостроение, 1983. - 264 с.). ГМ обычно выставляют и позиционируют в районе предполагаемых работ, при смене района их переустанавливают и вновь позиционируют, а по окончании работ снимают. Позиционирование по ГМ является стандартной процедурой, реализуемой навигационным комплексом ПО, имеющим другие навигационные подсистемы, не требует знаний рельефа дна и обеспечивает приемлемую точность решения навигационных задач.As a rule, positioning is carried out by measuring the distances between the software and sonar beacons (GM) by the time of passage of the acoustic signal between them, and the coordinates of the beacons and the data necessary for calculating the distance about the speed of sound are preliminarily entered into the memory of the on-board navigation system, and the work of the beacons and on-board software coordinates calculators are synchronized or beacons emit acoustic signals at the request of the software. For positioning on hydroacoustic beacons of underwater objects with increased autonomy and increased range, long-range navigation systems (LBL) are used - rangefinder and rangefinder-direction finding. Rangefinders include at least three, and rangefinder direction-finding, at least two sonar beacons installed in the water area, which usually emit impulse signals upon a request signal from the software side. In the case of simultaneous operation of several software in the water area, beacons operating not at the request of the software, but according to a predetermined program, are used to eliminate mutual interference (Hydroacoustic navigation aids. V.I. Borodin et al. - L .: Sudostroenie, 1983. - 264 s. .). GMs are usually exposed and positioned in the area of the proposed work, when changing the area, they are reinstalled and positioned again, and at the end of the work they are removed. GM positioning is a standard procedure implemented by the navigation software complex having other navigation subsystems, does not require knowledge of the bottom topography and provides acceptable accuracy for solving navigation problems.
Для объектов, находящихся на поверхности воды, повышение точности позиционирования в настоящее время обеспечивается использованием спутниковой навигационной системы.For objects located on the surface of the water, increasing the accuracy of positioning is currently provided by the use of satellite navigation system.
Известен способ определения положения подводного объекта, включающий расстановку на акватории дрейфующих буев, определение координат буев по спутниковой навигационной системе GPS, преобразование полученных координат в гидроакустические сигналы и передачу их на ПО, где бортовое устройство вычисления координат обеспечивает позиционирование на основе полученных координат буев и вычисления дистанции до них исходя из времени распространения сигнала и скорости звука в среде (патент США № 5119341).A known method for determining the position of an underwater object, including the placement of drifting buoys in the water area, determining the coordinates of buoys using the GPS satellite navigation system, converting the received coordinates into hydroacoustic signals and transmitting them to software, where the on-board coordinate calculation device provides positioning based on the received coordinates of the buoys and calculating the distance to them based on the propagation time of the signal and the speed of sound in the medium (US patent No. 5119341).
Известен способ позиционирования подводного объекта, где реализуется двусторонняя гидроакустическая связь между буями и подводным объектом (патент США №5579285).A known method of positioning an underwater object, which implements two-way sonar communication between buoys and an underwater object (US patent No. 5579285).
В последние годы появился принципиально новый способ позиционирования, который использует основные принципы построения стандартных навигационных систем с длинной и короткой базами (LBL и SBL) с одновременным сопоставлением координат с сигналами DGPS (дифференциальная система GPS, выдающая координаты объекта с точностью до 0,5 м, за счет корректировки сигналов GPS на основе данных стационарной наземной станции).In recent years, a fundamentally new positioning method has appeared, which uses the basic principles of constructing standard navigation systems with long and short bases (LBL and SBL) with simultaneous comparison of coordinates with DGPS signals (differential GPS system that provides the coordinates of the object with an accuracy of 0.5 m, by adjusting GPS signals based on data from a fixed ground station).
Французская компания ACSA предложила использовать несколько плавающих буев с гидроакустическими антеннами и приемниками DGPS для получения координат подводного аппарата, снабженного гидроакустическим приемоответчиком - GIB система, от английского GIB Intelligent Buoys (http://underwater-gps.com/uk/technology-GIB-concept.php). Акустические системы и приемник DGPS на каждом буе работают в строгой синхронизации по времени и посылают полученные данные в УКВ диапазоне на центральный модуль, обычно установленный на судне-носителе, для их дальнейшей обработки. Способ обеспечивает очень высокую точность определения абсолютных координат подводного объекта (до 0,5 м), мобильность (расстановка буев занимает менее 30 минут и выполняется с резиновой лодки), возможность быстрой транспортировки и установки на различных типах судов-носителей, а также возможность работать на малых глубинах (5-15 метров).The French company ACSA has proposed the use of several floating buoys with sonar antennas and DGPS receivers to obtain the coordinates of an underwater vehicle equipped with a sonar transponder - the GIB system, from the English GIB Intelligent Buoys (http://underwater-gps.com/uk/technology-GIB-concept .php). The acoustic systems and the DGPS receiver on each buoy operate in strict time synchronization and send the received data in the VHF band to the central module, usually installed on a carrier vessel, for their further processing. The method provides a very high accuracy of determining the absolute coordinates of the underwater object (up to 0.5 m), mobility (the placement of buoys takes less than 30 minutes and is performed from a rubber boat), the ability to quickly transport and install on various types of carrier vessels, and also the ability to work on shallow depths (5-15 meters).
Недостатками данных способов является необходимость передачи большого объема данных по гидроакустическому каналу, что ограничивает количество одновременно позиционирующихся ПО, малая (до 500 м) дальность действия способа, зависимость точности позиционирования ПО от метеоусловий ввиду возможного нарушения схемы расстановки буев, находящихся в дрейфе, невозможность эксплуатации навигационной системы при неблагоприятных метеоусловиях, а также ограничение числа одновременно работающих с навигационной системой ПО и отсутствие скрытности выполнения работ в районе.The disadvantages of these methods is the need to transfer a large amount of data through the sonar channel, which limits the number of simultaneously positioned software, the small (up to 500 m) range of the method, the dependence of the accuracy of software positioning on weather conditions due to possible disruption in the arrangement of drifting buoys, the inability to use navigation systems under adverse weather conditions, as well as limiting the number of software working simultaneously with the navigation system and the absence of stealth ty performance of work in the area.
Наиболее близким к заявляемому способу позиционирования подводного объекта (ПО) является способ, который включает установку в морской среде, как правило на дне, по меньшей мере одной базовой станции (ГМ), каждая из которых оборудована не менее чем двумя синхронизированными друг с другом и ПО гидроакустическими излучателями, образующими антенну с известными ориентацией в пространстве и расстоянием между излучателями, излучение ими акустического сигнала, его прием акустическим приемником подводного объекта и последующее позиционирование ПО путем расчета бортовым вычислительным устройством ПО дистанции до базовых станций и направления на них по разности времен приходов и разности фаз принятых сигналов (WO 2009138662, МПК G01S 3/80).Closest to the claimed method for positioning an underwater object (ON) is a method that includes installing in the marine environment, usually at the bottom, at least one base station (GM), each of which is equipped with at least two synchronized with each other and the software sonar emitters forming an antenna with a known spatial orientation and distance between the emitters, their emission of an acoustic signal, its reception by an acoustic receiver of an underwater object, and subsequent positioning e software by calculating by the on-board computing device the distance to the base stations and directing them to the difference in arrival times and phase differences of the received signals (WO 2009138662, IPC G01S 3/80).
Недостатками данного способа являются: его сложность, проявляющаяся в необходимости формирования антенн из излучателей базовых станций, точного измерения расстояния между излучателями, определения ориентации антенн, определения бортовым вычислительным устройством координат ПО не только дистанции до излучателей, но и фазы сигналов, пришедших на приемник ПО; недостаточная дальность действия, связанная с ограничением по нижней рабочей частоте ввиду недопустимости разнесения излучателей в антенне базовой станции на расстояние более 0,5 длины волны сигнала; невозможность корректировки позиционирования ПО при изменении скорости звука на акватории во время выполнения работ; ограничение числа одновременно работающих с базовой станцией ПО и отсутствие скрытности выполнения работ в районе при реализации заявленного в способе варианта работы антенны ПО в режиме излучения.The disadvantages of this method are: its complexity, which manifests itself in the need to form antennas from emitters of base stations, accurately measure the distance between emitters, determine the orientation of the antennas, determine on-board computing device coordinates of the software not only the distance to the emitters, but also the phase of the signals received by the software receiver; insufficient range due to the lower operating frequency limitation due to the inadmissibility of the emitters spacing in the base station antenna at a distance of more than 0.5 wavelengths of the signal; the impossibility of adjusting the positioning of software when changing the speed of sound in the water during work; the limitation of the number of software simultaneously working with the base station and the lack of secrecy in performing work in the area when implementing the software antenna variant stated in the method in the radiation mode.
Задача, решаемая предлагаемым способом, - увеличение дальности действия и повышение точности способа позиционирования, а также расширение функциональности и надежности способа, что обеспечивается использованием в качестве излучаемого сигнала сложных сигналов низкочастотного диапазона, размещением гидроакустических излучателей вблизи побережья, а также работой акустического тракта ПО только в режиме приема.The problem solved by the proposed method is to increase the range and improve the accuracy of the positioning method, as well as expand the functionality and reliability of the method, which is ensured by using complex low-frequency signals as the emitted signal, placing hydroacoustic emitters near the coast, and also operating the acoustic path of software only in reception mode.
Поставленная задача решается способом позиционирования как минимум одного подводного объекта (ПО), снабженного акустическим приемником и бортовым устройством вычисления координат, заключающимся в установке в морской среде как минимум двух стационарных гидроакустических маяков (ГМ), синхронизированных системой единого времени между собой и с акустическим приемником, излучении маяками гидроакустического сигнала, его приеме акустическим приемником подводного объекта и последующем вычислении координат ПО с использованием известных координат ГМ и рассчитанных дистанций между ГМ и ПО на основе известных данных о скорости звука в среде и задержки во времени прихода полезных сигналов, при этом гидроакустические маяки устанавливают за пределами прибойной зоны на глубинах, превышающих в 5-10 раз длину волны излучаемого гидроакустического сигнала, так, чтобы вероятные позиции ПО в районе работ и позиции двух маяков не находились на одной линии, вводят координаты маяков и электронных копий излучаемых ими сигналов в память бортового устройства вычисления координат ПО, в качестве гидроакустического сигнала используют низкочастотные сложные сигналы с центральной частотой ниже 10 кГц, а вычисление координат ПО включает выделение бортовым устройством полезного сигнала гидроакустических маяков посредством их взаимно корреляционной обработки с электронной копией излученного сигнала в реальном времени, при этом для дистанций, меньших 20 км, и условий мелкого моря выбирают первый по времени приход полезного сигнала, а для дистанций, больших 20 км, и глубокого моря - последний приход.The problem is solved by the method of positioning at least one underwater object (ON) equipped with an acoustic receiver and an on-board coordinate calculation device, which consists in installing at least two stationary hydroacoustic beacons (GM) in the marine environment, synchronized by a common time system with each other and with an acoustic receiver, beacons emitting a hydroacoustic signal, receiving it by an acoustic receiver of an underwater object, and then calculating the coordinates of the software using the known GM ordinates and calculated distances between GM and software based on known data on the speed of sound in the medium and the time delay of the arrival of useful signals, while sonar beacons are installed outside the surf zone at depths exceeding 5-10 times the wavelength of the emitted sonar signal, so that the probable positions of the software in the work area and the positions of the two beacons are not on the same line, the coordinates of the beacons and electronic copies of the signals emitted by them are entered into the memory of the on-board device for calculating the coordinates of the software, Your sonar signal uses low-frequency complex signals with a central frequency below 10 kHz, and the calculation of software coordinates involves the on-board device extracting the useful signal of the sonar beacons by means of their cross-correlation processing with an electronic copy of the emitted signal in real time, while for distances shorter than 20 km, and For shallow sea conditions, the first arrival of the useful signal is chosen in time, and for distances greater than 20 km and the deep sea, the last arrival is chosen.
Ввиду того, что гидрологические условия, и с ними скорость звука в воде, могут существенно изменяться в течение времени выполнения работ ПО, влияя на результат измерения дистанций между ГМ и ПО, точность позиционирования заявленным способом может быть повышена за счет контроля скорости звука на акватории в реальном времени.Due to the fact that the hydrological conditions, and with them the speed of sound in water, can significantly change during the time of the software, affecting the result of measuring the distances between the GM and the software, the positioning accuracy of the claimed method can be improved by controlling the speed of sound in the water in real time.
Для этого на акватории в районе работ ПО дополнительно выставляют, как минимум, один радиогидроакустический буй с приемником спутниковой навигационной системы (GPS) и гидрофоном, погруженным на предполагаемую глубину работы ПО, дополнительно оборудуют пункт управления, включающий аппаратуру обработки сигналов ГМ, аналогичную установленной на ПО, а также каналы связи, как минимум, с одним гидроакустическим маяком для передачи через него команд управления на ПО и, как минимум, одним выставленным радиогидроакустическим буем, который передает по радиоканалу в пункт управления принятые от гидроакустических маяков акустические сигналы совместно со своими текущими GPS-координатами для вычисления скорости звука на трассах «гидроакустический маяк - буй»; по данным об изменении скорости звука в пункте управления формируют командный сигнал корректировки вычисляемых дистанций, передают его через канал связи на излучатель ГМ, при этом среди излучаемых ГМ сложных гидроакустических сигналов этот сигнал автоматически выделяется бортовой аппаратурой ПО, и затем устройством вычисления координат ПО выполняется корректировка позиционирования.To do this, at least one radio-acoustic buoy with a satellite navigation system (GPS) receiver and a hydrophone immersed at the estimated software operating depth is additionally set up in the water area in the area where the software is being worked out; an additional control station is equipped with GM signal processing equipment similar to that installed on the software , as well as communication channels with at least one sonar beacon for transmitting control commands through it to the software and at least one exposed sonar buoy, which is transmitted ie via radio to the control room taken from the sonar beacon acoustic signals together with their current GPS-coordinates to calculate the speed of sound on the track "sonar beacon - buoy"; according to the data on the change in the speed of sound, a command signal for adjusting the calculated distances is generated in the control room, it is transmitted through the communication channel to the GM emitter, while among the emitted GM complex hydroacoustic signals, this signal is automatically allocated by the on-board software, and then the positioning coordinate calculator performs positioning adjustment .
Известно, что скорость звука изменяется с глубиной, и это необходимо учитывать при корректировке вычисления координат. Измерения скорости звука на шельфе говорят о предпочтительности размещения излучателей у дна, где формируется придонный слой холодной воды, канализирующий акустическую энергию придонного источника звука, которая распространяется в этом слое с наиболее низкой скоростью по кратчайшему пути к точке приема (акустический приемник ПО). В переходной области от шельфа к глубокому морю акустическая энергия попадает в подводный звуковой канал, где скорость звука минимальна, так же распространяясь в нем по кратчайшему пути. Эти особенности распространения акустической энергии учитываются в заявляемом способе, где предлагается для дистанций, меньших 20 км, и условий мелкого моря выбирать первый по времени приход полезного сигнала, а для дистанций, больших 20 км, и глубокого моря - последний из приходов. Таким образом, для позиционирования ПО вне пределов шельфа желательно вести прием сигналов ГМ в подводном звуковом канале.It is known that the speed of sound changes with depth, and this must be taken into account when adjusting the calculation of coordinates. Measurements of the speed of sound on the shelf indicate the preferred placement of emitters near the bottom, where a bottom layer of cold water is formed, channeling the acoustic energy of the bottom source of sound, which propagates in this layer at the lowest speed along the shortest path to the receiving point (acoustic receiver PO). In the transition region from the shelf to the deep sea, acoustic energy enters the underwater sound channel, where the speed of sound is minimal, also propagating in it along the shortest path. These features of the propagation of acoustic energy are taken into account in the claimed method, where it is proposed to select the first arrival of a useful signal for distances shorter than 20 km and shallow sea conditions, and the last of the arrivals for distances greater than 20 km and the deep sea. Thus, for positioning software outside the shelf, it is desirable to receive GM signals in the underwater sound channel.
С увеличением дальности хода ПО появляется необходимость пропорционального увеличения дальности действия способа позиционирования, что требует снижения рабочих частот излучаемых ГМ сигналов, ввиду их меньшего затухания в среде, и/или увеличения мощности излучения. Это неизбежно ведет к увеличению массогабаритных характеристик гидроакустических излучателей и потребляемой электрической мощности, что для ГМ может быть вполне допустимым, а для бортовых устройств ПО является неприемлемым. Однако увеличение массы и габаритов ГМ снижает эксплуатационные характеристики способа позиционирования, кроме того, увеличение мощности сигнала при небольших глубинах постановки ГМ приведет к возникновению кавитации на излучателях, что является неприемлемым для функционирования используемой системы. Заявляемый способ позволяет ограничить в допустимых пределах мощность излучения за счет использования низкочастотных сложных сигналов с характерной для их структуры увеличенной длительностью импульса и выигрыша в отношении сигнал/помеха, получаемом при обработке сигнала. Отметим, что возможность ограничения мощности позволяет использовать гидроакустические излучатели уменьшенных массогабаритных параметров, что дополнительно улучшает функциональность способа.With an increase in the operating range of the software, it becomes necessary to proportionally increase the range of the positioning method, which requires a decrease in the operating frequencies of the emitted GM signals, due to their less attenuation in the medium, and / or an increase in the radiation power. This inevitably leads to an increase in the weight and size characteristics of hydroacoustic emitters and consumed electric power, which for GM can be quite acceptable, and for on-board devices the software is unacceptable. However, an increase in the mass and dimensions of the GM reduces the operational characteristics of the positioning method, in addition, an increase in the signal power at shallow depths of setting the GM will lead to cavitation on the emitters, which is unacceptable for the functioning of the system used. The inventive method allows you to limit the permissible radiation power through the use of low-frequency complex signals with a characteristic structure of their increased pulse duration and gain in relation to the signal / noise obtained during signal processing. Note that the ability to limit power allows the use of sonar emitters of reduced weight and size parameters, which further improves the functionality of the method.
Таким образом, в заявляемом способе одновременно решается задача увеличения дальности и функциональности способа позиционирования.Thus, in the inventive method simultaneously solves the problem of increasing the range and functionality of the positioning method.
Увеличение длительности акустического импульса сопровождается интерференцией прямого и отраженных сигналов в точке приема, влекущей снижение помехоустойчивости бортовой навигационной системы.An increase in the duration of the acoustic pulse is accompanied by interference of the direct and reflected signals at the receiving point, which entails a decrease in the noise immunity of the on-board navigation system.
Для выделения полезного сигнала, пришедшего от излучателя в точку приема по кратчайшему расстоянию, и ослабления влияния переотраженных сигналов на процесс измерения дистанции, а также для увеличения дальности обнаружения ГМ подводным объектом, в заявляемом способе используют низкочастотные сложные сигналы и взаимно корреляционную обработку излученного и принятого полезных сигналов. Результатом корреляционной обработки является импульсная характеристика канала распространения сигнала, которая представляет собой амплитудно-временную зависимость, отражающую последовательность прихода в точку приема прошедшей по различным траекториям в среде энергии излученного маяком акустического сигнала. Структура импульсной характеристики и времена приходов используются затем при расчете дистанций между излучателем и приемником по известным методикам, например, Безответных В.В., Буренин А.В., Моргунов Ю.Н., Половинка Ю.А. Экспериментальные исследования особенностей распространения импульсных сигналов из шельфа в глубокое море // Акуст. журн. 2009. Т.55. №3. С.371-380.To highlight the useful signal that came from the emitter to the receiving point along the shortest distance, and to weaken the effect of the reflected signals on the distance measurement process, as well as to increase the detection range of the GM underwater object, the claimed method uses low-frequency complex signals and cross-correlation processing of the emitted and received useful signals. The result of the correlation processing is the impulse response of the signal propagation channel, which is an amplitude-time dependence that reflects the sequence of arrival at the receiving point of the acoustic signal emitted by the beacon that has passed along different paths in the medium. The structure of the impulse response and arrival times are then used in calculating the distances between the emitter and receiver by known methods, for example, Bezotvetnykh V.V., Burenin A.V., Morgunov Yu.N., Polovinka Yu.A. Experimental studies of the propagation of pulsed signals from the shelf to the deep sea // Akust. journal 2009.V. 55. Number 3. S.371-380.
Поскольку скорость ПО в режиме позиционирования не превышает 1 м/с, использование сложных сигналов и корреляционная обработка для вычисления дистанций оказываются вполне приемлемыми в решении задач навигации ПО.Since the speed of software in positioning mode does not exceed 1 m / s, the use of complex signals and correlation processing for calculating distances are quite acceptable in solving software navigation problems.
Применение сложных (шумоподобных) сигналов в системе позиционирования обусловлено их свойствами, в частности хорошими автокорреляционными свойствами, благодаря которым при излучении достаточно длинного импульса в процессе обработки принятый акустический сигнал может быть «свернут» в короткий импульс, обеспечивающий высокое временное разрешение и отношение сигнал/шум в приемном тракте, возможность на этой основе эффективной борьбы с многолучевым характером распространения сигналов в условиях шельфа, возможность идентификации одновременно работающих излучателей при одном и том же типе сигнала. Одним из эффективных способов получения сложных сигналов является модуляция несущей частоты излучения последовательностью максимальной длины (М-последовательнось). Предпочтительной является фазовая манипуляция, поскольку при этом мощность системы излучения постоянна и источники электропитания используются достаточно эффективно. Этот вид модуляции можно легко реализовать на основе цифровой схемотехники.The use of complex (noise-like) signals in the positioning system is due to their properties, in particular, good autocorrelation properties, due to which, when a sufficiently long pulse is emitted during processing, the received acoustic signal can be “folded” into a short pulse, providing high temporal resolution and signal-to-noise ratio in the receiving path, the possibility on this basis of an effective fight against the multipath nature of the propagation of signals in the conditions of the shelf, the possibility of identifying one temporarily working emitters with the same type of signal. One effective way to obtain complex signals is to modulate the carrier frequency of the radiation with a sequence of maximum length (M-sequence). Phase manipulation is preferable, since the power of the radiation system is constant and the power sources are used quite efficiently. This type of modulation can be easily implemented based on digital circuitry.
Помимо фазоманипулированных в качестве сложных сигналов также возможно использование частотно-модулированных сигналов.In addition to phase-shifted as complex signals, it is also possible to use frequency-modulated signals.
Выставление ГМ вблизи побережья за пределами прибойной зоны на глубинах, превышающих в 5-10 раз длину волны излучаемого акустического сигнала в воде, обеспечивает, с учетом резонансных размеров излучателя, его условия работы как «точечного», что на практике упрощает реализацию системы позиционирования.Exposing the GM near the coast outside the coastal zone at depths exceeding 5-10 times the wavelength of the emitted acoustic signal in water ensures, taking into account the resonant dimensions of the emitter, its operating conditions as a “point” one, which in practice simplifies the implementation of the positioning system.
Способ осуществляют следующим образом.The method is as follows.
К аппаратуре ГМ и ПО подключают предварительно синхронизированные блоки единого времени, которые вырабатывают импульсы запуска срабатывания ГМ и начала регистрации сигналов приемным трактом ПО. Не менее двух ГМ выставляют вблизи побережья за пределами прибойной зоны на глубинах, превышающих в 5-10 раз длину волны излучаемого акустического сигнала.To the GM equipment and software, pre-synchronized units of uniform time are connected, which generate pulses of triggering of the GM operation and the beginning of signal registration by the software receiving path. At least two GMs are set near the coast outside the surf zone at depths exceeding 5-10 times the wavelength of the emitted acoustic signal.
Расстояние между соседними ГМ выбирают так, чтобы оно было соизмеримо с максимальным удалением ПО от ГМ и чтобы при этом вероятные позиции ПО в районе работ и позиции двух маяков не находились на одной прямой. Любым приемлемым способом определяют координаты точек постановки ГМ и вводят их в память бортового устройства вычисления координат ПО. Одновременно в память бортового устройства вычисления координат ПО вводят электронные копии излучаемых маяками сигналов и данные о величине скорости звука в среде и возможном ее изменении в течение суток в районе работ. Эти данные могут быть справочными или получены в результате специальных предварительных измерений или получаемыми в реальном времени. Маяки работают автономно, излучая в виде акустических радиоимпульсов сложные сигналы с заданной периодичностью по установленной программе. В целях повышения дальности действия способа и разрешающей способности по дистанции предпочтительными являются низкочастотные фазоманипулированные, например, на основе М-последовательностей сигналы или частотно-модулированные сигналы с центральной частотой ниже 10 кГц. Сигналы ГМ воспринимает акустический приемник, расположенный на ПО, где в бортовом устройстве вычисления координат выполняется взаимно корреляционная обработка принятых и содержащихся в памяти устройства электронных копий излучаемых маяками сигналов с получением импульсной характеристики канала распространения сигнала, выделяются интервалы времени между моментами излучения и приема сигнала, на основе которых с учетом известной скорости звука вычисляют дистанции между ГМ и ПО и относительные и абсолютные координаты ПО.The distance between adjacent GMs is chosen so that it is commensurate with the maximum distance of the software from the GM and so that the probable positions of the software in the area of work and the positions of two beacons are not on the same line. In any suitable way, determine the coordinates of the points of setting the GM and enter them into the memory of the on-board device for calculating the coordinates of the software. At the same time, electronic copies of the signals emitted by the beacons and data on the value of the speed of sound in the medium and its possible change during the day in the work area are introduced into the memory of the on-board device for calculating software coordinates. These data can be reference or obtained as a result of special preliminary measurements or obtained in real time. The beacons operate autonomously, emitting complex signals in the form of acoustic radio pulses with a given frequency according to the established program. In order to increase the range of the method and the resolution over a distance, low-frequency phase-manipulated signals, for example, based on M-sequences, or frequency-modulated signals with a central frequency below 10 kHz, are preferable. The GM signals are received by an acoustic receiver located on the software, where in the on-board coordinate calculating device, cross-correlation processing of the electronic copies of the signals emitted by the beacons and stored in the device’s memory is performed to obtain the impulse response of the signal propagation channel, time intervals between the moments of radiation and signal reception are allocated, on the basis of which, taking into account the known speed of sound, the distances between the GM and the software and the relative and absolute coordinates of the software are calculated.
Способ позволяет осуществлять одновременное позиционирование одного или нескольких ПО на больших дистанциях, в любых метеоусловиях, обеспечивая акустическую незаметность ПО.The method allows for simultaneous positioning of one or more software over long distances, in any weather conditions, providing acoustic invisibility of the software.
Предлагаемое размещения ГМ вблизи побережья значительно упрощает осуществление способа за счет возможности постановки, снятия и обслуживания ГМ с помощью маломерных плавсредств, возможности уточнения координат постановки ГМ с помощью эхолотов и спутниковой системы навигации, доступности ГМ на малых глубинах для ремонта и обслуживания, позволяет использовать в способе излучатели ГМ сниженных массогабаритных характеристик, а также снижает риск повреждения или подъема ГМ рыбопромысловыми судами.The proposed location of the GM near the coast greatly simplifies the implementation of the method due to the possibility of setting, removing and servicing the GM using small boats, the ability to clarify the coordinates of the GM using echo sounders and a satellite navigation system, the availability of GM at shallow depths for repair and maintenance, allows using the method GM emitters of reduced weight and size characteristics, and also reduces the risk of damage to or lifting of GM fishing vessels.
Возможность реализации заявляемого способа позиционирования экспериментально проверена в бухте Витязь залива Посьета Японского моря. Вблизи береговой черты на удалениях 150 и 200 м от берега, на глубине 10 м были установлены два ГМ, которые ежеминутно с интервалом 20 с излучали сложные сигналы в виде М-последовательностей с центральной частотой 2500 Гц, длиной 255 символов, 4 периода на символ. Координаты ГМ при установке определялись по приемнику GPS на плавсредстве. Вместо ПО использовали имитатор на основе радиогидроакустического буя и берегового комплекта аппаратуры.The possibility of implementing the proposed positioning method was experimentally tested in Vityaz Bay, Posyet Bay, Sea of Japan. Near the coastline at distances of 150 and 200 m from the shore, at a depth of 10 m, two GMs were installed, which emitted complex signals in the form of M-sequences with a central frequency of 2500 Hz, 255 characters long, 4 periods per symbol, every 20 seconds. The coordinates of the GM during installation were determined by the GPS receiver on the boat. Instead of software, they used a simulator based on a radio-acoustic buoy and a coastal set of equipment.
Радиогидроакустический буй включал акустический приемник, погружаемый в придонную область, и контейнер на поверхности, где находились усилитель сигналов акустического приемника, приемник GPS и радиопередатчик. Радиосигнал буя содержал информацию о сигналах ГМ, принятых акустическим приемником, и информацию о GPS-координатах буя. GPS-координаты передавались по радиоканалу с частотой 1 Гц, что позволяло отслеживать дрейф буя с точностью до 5 м. В состав приемника GPS входила GPS-антенна АТ-45 и GPS-модуль ЕТ-112.The sonar buoy included an acoustic receiver immersed in the bottom region, and a container on the surface where the signal amplifier of the acoustic receiver, GPS receiver and radio transmitter were located. The buoy radio signal contained information about the GM signals received by the acoustic receiver and information about the GPS coordinates of the buoy. GPS coordinates were transmitted over a radio channel with a frequency of 1 Hz, which made it possible to track the drift drift with an accuracy of 5 m. The GPS receiver included the AT-45 GPS antenna and the ET-112 GPS module.
Буй находился в дрейфе или буксировкой перемещался на удалении около 1 км от берега, не находясь на одной линии с двумя ГМ.The buoy was in a drift or towed moving at a distance of about 1 km from the coast, not being on the same line with two GM.
На берегу размещался комплект аппаратуры, включающий приемник радиосигнала, а также аппаратура и персональный компьютер, выполняющие взаимно корреляционную обработку принятых сигналов с их электронной копией для выделения приходов полезного сигнала и вычисления дистанций от буя до ГМ по заданной скорости звука, для этого работа гидроакустических маяков и аппаратуры на берегу были синхронизированы системой единого времени. По известным координатам ГМ и вычисленным дистанциям производился расчет текущих координат буя.A set of equipment was placed on the shore, including a radio signal receiver, as well as equipment and a personal computer that perform cross-correlation processing of the received signals with their electronic copy to extract the useful signal arrivals and calculate the distances from the buoy to the GM at a given sound speed, for this, the work of hydroacoustic beacons and the equipment on the shore was synchronized by a single time system. Based on the known coordinates of the GM and the calculated distances, the current coordinates of the buoy were calculated.
На персональном компьютере реализован графический пользовательский интерфейс, позволяющий в режиме реального времени обрабатывать и отображать на дисплее информацию о перемещении имитатора ПО на географической карте акватории (фиг.1).On a personal computer, a graphical user interface is implemented that allows real-time processing and displaying on the display information about the movement of the software simulator on a geographical map of the water area (Fig. 1).
На фиг.1 приведено отображение работы способа позиционирования на мониторе персонального компьютера из состава берегового комплекта аппаратуры.Figure 1 shows the display of the operation of the positioning method on the monitor of a personal computer from the coastal set of equipment.
Верхнее окно - структура взаимно корреляционной функции, отражающая импульсную характеристику гидроакустического канала (сплошные линии) и метку времени системы синхронизации (штриховая линия).The upper window is the structure of the cross-correlation function, reflecting the impulse response of the sonar channel (solid lines) and the time stamp of the synchronization system (dashed line).
Среднее правое окно отображает карту района (в данном эксперименте береговую линию бухты Витязь), местоположение ГМ у береговой линии (треугольники) и траекторию перемещения буя, полученную по данным вычисления дистанций между ГМ и буем (сплошная кривая).The middle right window displays a map of the area (in this experiment, the coastline of the Vityaz Bay), the location of the GM at the coastline (triangles) and the trajectory of the buoy, obtained from the calculation of the distances between the GM and the buoy (solid curve).
Среднее левое окно отображает мгновенную текущую ошибку определения координат буя в метрах.The middle left window displays the instantaneous current error in determining the coordinates of the buoy in meters.
Все получаемые во время эксперимента данные (географические координаты ГМ, GPS-координаты имитатора ПО, метки системы единого времени, поток данных от коррелятора) сохраняются в цифровом виде на жестком диске персонального компьютера.All data obtained during the experiment (geographic coordinates of the GM, GPS coordinates of the software simulator, timestamp marks, data stream from the correlator) are stored in digital form on the hard drive of a personal computer.
Таким образом, используемый имитатор ПО позволил осуществить заявляемый способ позиционирования:Thus, the used software simulator allowed us to implement the inventive positioning method:
- в части позиционирования ПО (имитатора ПО) - определение координат буя выполнялось на основе измерения дистанций между ГМ и буем по акустическим сигналам, без информации приемника GPS-координат буя,- in terms of positioning software (software simulator) - the coordinates of the buoy were determined on the basis of measuring distances between the GM and the buoy by acoustic signals, without information from the receiver of GPS-coordinates of the buoy,
- в части увеличения точности позиционирования на основе знания информации об изменении скорости звука на акватории в реальном времени - полученные по радиоканалу GPS-координаты надводной части буя использовались для определения дистанций до ГМ, что позволяет рассчитать скорости звука на трассах «ГМ - буй» по задержкам во времени моментов прихода сигналов ГМ на акустический приемник буя, и после сопоставления с результатами, полученными на основе определения дистанций между ГМ и буем по акустическим сигналам, рассчитать ошибку определения координат. Полученные с использованием информации о GPS-координатах буя скорости звука на трассах «ГМ - буй» далее возможно использовать для коррекции расчетов дистанций по акустическим сигналам.- in terms of increasing positioning accuracy based on the knowledge of real-time changes in the speed of sound in the water area — the GPS coordinates of the surface part of the buoy received via radio were used to determine the distances to the GM, which allows you to calculate the speed of sound on the GM - buoy tracks based on delays in time of the moments of arrival of GM signals to the acoustic receiver of the buoy, and after comparing with the results obtained by determining the distances between the GM and the buoy by acoustic signals, calculate the error determined I coordinate. Obtained using information on the GPS coordinates of the sound velocity buoy on the GM - buoy paths, it is possible to use it later for correcting the calculation of distances by acoustic signals.
Claims (2)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2011128643/28A RU2469346C1 (en) | 2011-07-11 | 2011-07-11 | Method of positioning underwater objects |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2011128643/28A RU2469346C1 (en) | 2011-07-11 | 2011-07-11 | Method of positioning underwater objects |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2469346C1 true RU2469346C1 (en) | 2012-12-10 |
Family
ID=49255858
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2011128643/28A RU2469346C1 (en) | 2011-07-11 | 2011-07-11 | Method of positioning underwater objects |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2469346C1 (en) |
Cited By (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2561012C1 (en) * | 2014-04-23 | 2015-08-20 | Открытое акционерное общество "Российский институт радионавигации и времени" | System for determining and monitoring location of underwater object |
| RU2574169C1 (en) * | 2014-06-27 | 2016-02-10 | Российская Федерация, От Имени Которой Выступает Министерство Промышленности И Торговли Российской Федерации | Hydroacoustic station for underwater situation monitoring |
| CN107748352A (en) * | 2017-11-28 | 2018-03-02 | 嘉兴易声电子科技有限公司 | Suitable for the ultra-short baseline device and localization method of shallow water positioning |
| RU2674404C1 (en) * | 2018-01-10 | 2018-12-07 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Тихоокеанский океанологический институт им. В.И. Ильичева Дальневосточного отделения Российской академии наук (ТОИ ДВО РАН) | Method of navigation and positioning of underwater objects in deep-water channel at large distance and system for its implementation |
| RU2702700C1 (en) * | 2018-12-11 | 2019-10-09 | Акционерное общество "Концерн "Центральный научно-исследовательский институт "Электроприбор" | Method of positioning underwater objects |
| RU2713814C1 (en) * | 2018-11-29 | 2020-02-07 | Акционерное Общество "Концерн "Океанприбор" | Method of determining geographic coordinates of an underwater object |
| RU2752018C1 (en) * | 2021-02-02 | 2021-07-22 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем морских технологий Дальневосточного отделения Российской академии наук (ИПМТ ДВО РАН) | Method for determining coordinates of underwater object in shelf-deep sea transition zone |
| RU2763114C1 (en) * | 2021-04-01 | 2021-12-27 | Акционерное общество «Концерн «Центральный научно-исследовательский институт «Электроприбор» | Method for underwater vehicle observation |
| RU2769559C1 (en) * | 2021-04-01 | 2022-04-04 | 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 detecting and hitting an underwater target |
| RU2771443C1 (en) * | 2021-08-12 | 2022-05-04 | Акционерное общество "Концерн "Центральный научно-исследовательский институт "Электроприбор" | Method for positioning underwater objects |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB2398872A (en) * | 2003-02-28 | 2004-09-01 | Nec Corp | Bistatic azimuth detection using position information on sound source and wave receiving equipment |
| RU2285273C1 (en) * | 2005-04-18 | 2006-10-10 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Военно-морская академия им. Адмирала Флота Советского Союза Н.Г. Кузнецова | Method for using navigational hydro-acoustic system by underwater apparatuses with determining of position by difference between distances to leading underwater device and response beacons |
| WO2007022233A2 (en) * | 2005-08-16 | 2007-02-22 | Ocean Server Technology, Inc. | Underwater acoustic positioning system and method |
| RU2303275C2 (en) * | 2004-08-12 | 2007-07-20 | Северное государственное федеральное унитарное научно-производственное предприятие по морским геологоразведочным работам "СЕВМОРГЕО" | Method for determination of co-ordinates of submerged objects |
| US20110141853A1 (en) * | 2009-12-16 | 2011-06-16 | Shb Instruments, Inc. | Underwater acoustic navigation systems and methods |
-
2011
- 2011-07-11 RU RU2011128643/28A patent/RU2469346C1/en active IP Right Revival
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB2398872A (en) * | 2003-02-28 | 2004-09-01 | Nec Corp | Bistatic azimuth detection using position information on sound source and wave receiving equipment |
| RU2303275C2 (en) * | 2004-08-12 | 2007-07-20 | Северное государственное федеральное унитарное научно-производственное предприятие по морским геологоразведочным работам "СЕВМОРГЕО" | Method for determination of co-ordinates of submerged objects |
| RU2285273C1 (en) * | 2005-04-18 | 2006-10-10 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Военно-морская академия им. Адмирала Флота Советского Союза Н.Г. Кузнецова | Method for using navigational hydro-acoustic system by underwater apparatuses with determining of position by difference between distances to leading underwater device and response beacons |
| WO2007022233A2 (en) * | 2005-08-16 | 2007-02-22 | Ocean Server Technology, Inc. | Underwater acoustic positioning system and method |
| US20110141853A1 (en) * | 2009-12-16 | 2011-06-16 | Shb Instruments, Inc. | Underwater acoustic navigation systems and methods |
Cited By (15)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2561012C1 (en) * | 2014-04-23 | 2015-08-20 | Открытое акционерное общество "Российский институт радионавигации и времени" | System for determining and monitoring location of underwater object |
| RU2574169C1 (en) * | 2014-06-27 | 2016-02-10 | Российская Федерация, От Имени Которой Выступает Министерство Промышленности И Торговли Российской Федерации | Hydroacoustic station for underwater situation monitoring |
| CN107748352A (en) * | 2017-11-28 | 2018-03-02 | 嘉兴易声电子科技有限公司 | Suitable for the ultra-short baseline device and localization method of shallow water positioning |
| RU2674404C1 (en) * | 2018-01-10 | 2018-12-07 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Тихоокеанский океанологический институт им. В.И. Ильичева Дальневосточного отделения Российской академии наук (ТОИ ДВО РАН) | Method of navigation and positioning of underwater objects in deep-water channel at large distance and system for its implementation |
| RU2713814C1 (en) * | 2018-11-29 | 2020-02-07 | Акционерное Общество "Концерн "Океанприбор" | Method of determining geographic coordinates of an underwater object |
| RU2702700C1 (en) * | 2018-12-11 | 2019-10-09 | Акционерное общество "Концерн "Центральный научно-исследовательский институт "Электроприбор" | Method of positioning underwater objects |
| RU2752018C1 (en) * | 2021-02-02 | 2021-07-22 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем морских технологий Дальневосточного отделения Российской академии наук (ИПМТ ДВО РАН) | Method for determining coordinates of underwater object in shelf-deep sea transition zone |
| RU2763114C1 (en) * | 2021-04-01 | 2021-12-27 | Акционерное общество «Концерн «Центральный научно-исследовательский институт «Электроприбор» | Method for underwater vehicle observation |
| RU2769559C1 (en) * | 2021-04-01 | 2022-04-04 | 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 detecting and hitting an underwater target |
| RU2771443C1 (en) * | 2021-08-12 | 2022-05-04 | Акционерное общество "Концерн "Центральный научно-исследовательский институт "Электроприбор" | Method for positioning underwater objects |
| RU2789636C1 (en) * | 2022-07-26 | 2023-02-06 | Российская Федерация, от имени которой выступает ФОНД ПЕРСПЕКТИВНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ | Subscriber receiver as part of a deep-sea long-range hydroacoustic positioning system |
| RU2789999C1 (en) * | 2022-07-26 | 2023-02-14 | Российская Федерация, от имени которой выступает ФОНД ПЕРСПЕКТИВНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ | Method for navigational equipment of the sea area |
| RU2792922C1 (en) * | 2022-07-26 | 2023-03-28 | Российская Федерация, от имени которой выступает ФОНД ПЕРСПЕКТИВНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ | Method for positioning an autonomous underwater vehicle in the deep sea |
| RU2794700C1 (en) * | 2022-07-26 | 2023-04-24 | Российская Федерация, от имени которой выступает ФОНД ПЕРСПЕКТИВНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ | Method for positioning an underwater object at long distances |
| RU2801077C1 (en) * | 2023-02-17 | 2023-08-01 | Акционерное общество "Концерн "Центральный научно-исследовательский институт "Электроприбор" | Method for measuring noise of underwater vehicle |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2469346C1 (en) | Method of positioning underwater objects | |
| RU2599902C1 (en) | Method of navigating underwater objects and system for its implementation | |
| RU2437114C1 (en) | System for determining coordinates of underwater objects | |
| US11899104B2 (en) | Navigation system for underwater vehicles | |
| CN101872020B (en) | Underwater moving object location and navigation method and device based on frequency spectrum transformation | |
| RU2561012C1 (en) | System for determining and monitoring location of underwater object | |
| WO2020005116A1 (en) | Method for locating underwater objects | |
| AU2012202370B2 (en) | Method for global acoustic positioning of a marine or submarine target | |
| MX2014008733A (en) | Actively controlled buoy based marine seismic survey system and method. | |
| RU2674404C1 (en) | Method of navigation and positioning of underwater objects in deep-water channel at large distance and system for its implementation | |
| EP3371623B1 (en) | System for detecting subsurface objects and unmanned surface vessel | |
| RU2659299C1 (en) | Method and system of navigation of underwater objects | |
| Tesei et al. | Passive acoustic surveillance of surface vessels using tridimensional array on an underwater glider | |
| Carroll et al. | Underwater localization and tracking of physical systems | |
| RU2629916C1 (en) | Method and device for determining initial coordinates of independent unmanned underwater apparatus | |
| Dzikowicz et al. | Underwater acoustic navigation using a beacon with a spiral wave front | |
| 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 | |
| Rodionov et al. | Experimental estimation of the ranging accuracy using underwater acoustic modems in the frequency band of 12 kHz | |
| CN104678417A (en) | Target positioning method based on reflection signals of navigation satellite | |
| JP2004245779A (en) | System for determining position of submerging vessel and sonobuoy | |
| RU2752018C1 (en) | Method for determining coordinates of underwater object in shelf-deep sea transition zone | |
| RU2510608C1 (en) | Method of measuring thickness of ice from underwater vehicle | |
| RU2568071C1 (en) | Hydroacoustic positioning system | |
| RU2737166C1 (en) | Method of high-speed underwater vehicle coordinates determination using doppler effect |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20200712 |
|
| NF4A | Reinstatement of patent |
Effective date: 20210219 |