RU2568071C1

RU2568071C1 - Hydroacoustic positioning system

Info

Publication number: RU2568071C1
Application number: RU2014136781/28A
Authority: RU
Inventors: Алексей Викторович Гладилин; Герман Адольфович Максимов; Дмитрий Николаевич Лесонен; Алексей Владимирович Деров
Original assignee: Открытое акционерное общество "Акустический институт имени академика Н.Н. Андреева"
Priority date: 2014-09-11
Filing date: 2014-09-11
Publication date: 2015-11-10

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: hydroacoustic positioning system, comprising a towing vessel connected by a wireline to a towed underwater object and buoys with fixed rudders, which are mounted at a given angle, the buoys lying on the sea surface, the number of which is at least three, and having series-connected Global Positioning System (GPS) antenna, GPS module and controller, wherein the towed underwater object is in the form of a multielement digital cable antenna, the towing vessel being equipped with a data processing and synchronisation unit. Each buoy is equipped with, connected in series to the first output of the controller, a generator, an amplifier and a hydroacoustic radiator, as well as a memory unit connected to the second output of the controller, wherein each buoy is connected to the towing vessel by a corresponding rope, wherein the data processing and synchronisation unit is in the form of series-connected GPS antenna, GPS module, controller, data collection module and computer, wherein the first input of the data collection module is connected to the output of the controller, and the second input of the data collection module is connected through a wireline to the output of the multielement digital cable antenna.

EFFECT: enabling positioning of multielement towed hydroacoustic antennae.

2 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области геофизической разведки, высокоточной навигации, в частности к области подводной навигации, и может быть использовано для определения географических координат подводных буксируемых объектов при проведении морских геолого-геофизических исследований.The invention relates to the field of geophysical exploration, high-precision navigation, in particular to the field of underwater navigation, and can be used to determine the geographical coordinates of underwater towed objects during marine geological and geophysical surveys.

Известны несколько типов гидроакустических систем для позиционирования, а именно определения координат подводных объектов, с различными размерами измерительных баз. Это системы с короткой базой, системы со сверхкороткой базой, системы с длинной базой.Several types of sonar systems for positioning are known, namely, determining the coordinates of underwater objects, with different sizes of measuring bases. These are systems with a short base, systems with an ultrashort base, systems with a long base.

Системы со сверхкороткой базой относятся к угломерным системам, в которых направление на объект определяется путем измерения разности фаз между элементами антенны, образованной как минимум двумя гидроакустическими преобразователями, установленными в одном корпусе на расстояниях друг от друга менее длины волны несущего колебания, которое составляет сантиметры. Системы с короткой базой относятся к так называемым разностно-дальномерным системам, в которых координаты подводного объекта вычисляются по разности времен прихода передних фронтов импульсов, излучаемых гидроакустическим преобразователем с подводного объекта на три гидроакустических преобразователя, расположенных под водой и образующих две пересекающиеся базы. Точность определения координат снижается из-за неточности в ориентации базовых линий, а также из-за необходимости учета случайных ошибок, возникающих из-за крена и дифферента судна. Практическая дальность действия систем с короткой базой ограничивается расстоянием в 1-2 км.Systems with an ultrashort base refer to goniometer systems in which the direction to the object is determined by measuring the phase difference between the antenna elements formed by at least two sonar transducers installed in one housing at distances from each other less than the wavelength of the carrier wave, which is centimeters. Systems with a short base belong to the so-called difference-ranging systems in which the coordinates of the underwater object are calculated by the difference in the arrival times of the leading edges of the pulses emitted by the hydroacoustic transducer from the underwater object to three hydroacoustic transducers located underwater and forming two intersecting bases. The accuracy of determining the coordinates is reduced due to inaccuracies in the orientation of the baselines, as well as due to the need to take into account random errors arising from the heel and trim of the vessel. The practical range of short base systems is limited to a distance of 1-2 km.

Известна гидроакустическая система для позиционирования, в соответствии с которой в различных точках заданного района работ на поверхности моря устанавливаются свободно дрейфующие буи, образующие систему с длинной базой. Каждый буй имеет в своем составе навигационный приемник системы GPS и гидроакустическую систему преобразователем, заглубленным под поверхностью моря. Измеренные каждым буем собственные координаты передаются на подводный аппарат. Гидроакустическая система на подводном аппарате, получив данные о расстояниях до каждого буя и их координаты, вводит эту информацию в вычислительное устройство, которое определяет координаты подводного аппарата непосредственно на его борту. Однако подводный аппарат знает собственные координаты, но с судна невозможно отслеживать его местоположение (Патент США №5119341, опубликован 06.02.1992, МПК Н04В 001/59).Known sonar system for positioning, in accordance with which at various points in a given area of work on the sea surface are freely drifting buoys forming a system with a long base. Each buoy incorporates a GPS navigation receiver and a sonar system with a transducer buried beneath the surface of the sea. The own coordinates measured by each buoy are transmitted to the underwater vehicle. The hydroacoustic system on the underwater vehicle, having received data on the distances to each buoy and their coordinates, enters this information into a computing device that determines the coordinates of the underwater vehicle directly on its board. However, the underwater vehicle knows its own coordinates, but it is impossible to track its location from the ship (US Patent No. 5119341, published 02/06/1992, IPC Н04В 001/59).

Недостатком является сложность обработки большого объема данных при передаче их по гидроакустическому каналу связи от каждого из буев и невозможность отслеживать местоположение подводного аппарата с судна.The disadvantage is the difficulty of processing a large amount of data when transmitting them via the sonar channel from each of the buoys and the inability to track the location of the underwater vehicle from the vessel.

Известна гидроакустическая система для позиционирования, в соответствии с которой в различных точках поверхности моря устанавливаются дрейфующие буи, образующие длинную базу. Каждый буй в своем составе имеет навигационный приемник GPS, часы, синхронизированные с часами GPS, гидроакустическую приемную систему с заглубленным преобразователем и радиомодем. Такие буи получили название GIB буи, а технология их применения - GIB технология (GIB - global intelligent buoy). Каждый буй измеряет собственные координаты и времена запаздывания в предустановленные моменты времени и передает вместе с координатами в стандарте NMEA по радиоканалу через радиомодем на судно. По данным принятых времен запаздывания сигналов пингера с учетом скорости звука в воде на борту судна вычисляются расстояния от подводного объекта до каждого из буев, и по известному алгоритму вычисляются и отображаются координаты подводного объекта и координаты всех буев (Патент США №5579285, МПК G01S 005/00; G01S 005/14; G01S 011/14 от 06.23.1994).Known sonar system for positioning, in accordance with which at various points on the surface of the sea are installed drifting buoys forming a long base. Each buoy in its composition has a GPS navigation receiver, a clock synchronized with the GPS clock, a sonar receiving system with a recessed converter and a radio modem. Such buoys are called GIB buoys, and their application technology is called GIB technology (GIB - global intelligent buoy). Each buoy measures its own coordinates and lag times at predefined time points and transmits together with the coordinates in the NMEA standard over the air via a radio modem to the ship. According to the accepted delay times of the pinger signals, taking into account the speed of sound in water on board the vessel, the distances from the underwater object to each of the buoys are calculated, and the coordinates of the underwater object and the coordinates of all buoys are calculated and displayed using a well-known algorithm (US Patent No. 5579285, IPC G01S 005 / 00; G01S 005/14; G01S 011/14 dated 06.23.1994).

Недостатком данного устройства является то, что для определения координат глубоководных буксируемых комплексов требуется большое количество буев, так как траектория буксировки, как правило, имеет значительную протяженность. Кроме того, дрейфующие буи могут быть снесены из района работ на расстояния, превышающие дальность действия гидроакустической системы и радиомодемов.The disadvantage of this device is that to determine the coordinates of deep-sea towed complexes requires a large number of buoys, since the towing trajectory, as a rule, has a considerable length. In addition, drifting buoys can be taken down from the area of operations at distances exceeding the range of the sonar system and radio modems.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) к предлагаемому изобретению является известная гидроакустическая система для позиционирования, содержащая буксирующее судно, соединенные с ним кабель-тросом буксируемый подводный объект и буи с неподвижными рулями, предварительно установленными на заданный угол, расположенные на поверхности моря, в количестве не менее трех штук, и имеющие в своем составе последовательно соединенные антенну Global Positioning System (GPS), модуль GPS и контроллер, гидроакустическую приемную систему, выделяющую и принимающую сигнал пингера, излучающего гидроакустический сигнал в предустановленные моменты времени, которым снабжен буксируемый подводный объект, и контроллером-измерителем временных интервалов, при этом буи и буксируемый подводный объект соединены каждый с буксирующим объектом кабелем-тросом, образуя систему с длинной базой с обеспечением постоянного пространственного нахождения буксируемого объекта внутри измерительной базы системы, сохраняя соотношения размеров измерительной базы при любых протяженных траекториях перемещениях подводного объекта, при этом буи снабжены неподвижными рулями, предварительно установленными на заданный угол, и преобразователем, размещенным под поверхностью моря (Патент РФ №2303275, МПК G01S 3/80 от 12.08.2004 г. )The closest in technical essence and the achieved result (prototype) to the proposed invention is the known hydroacoustic system for positioning, containing a towing vessel, a towed underwater object connected to it by a cable, and buoys with fixed rudders pre-installed at a given angle located on the sea surface , in an amount of at least three pieces, and incorporating a Global Positioning System (GPS) antenna in series, a GPS module and a controller, hydroacoustic reception a system that emits and receives a pinger signal emitting a hydroacoustic signal at predetermined times that the towed underwater object is equipped with and a time-measuring controller, while buoys and towed underwater object are connected to the towing object with a cable-cable, forming a system with a long base with a constant spatial location of the towed object inside the measuring base of the system, while maintaining the ratio of the dimensions of the measuring base at any length GOVERNMENTAL path of movement of the underwater object, and the fixed buoys are provided with rudders, preset by a predetermined angle, and a transducer located under the sea surface (RF Patent №2303275, IPC G01S 3/80 from 12.08.2004)

Недостатком данного устройства является невозможность его применения для позиционирования многоэлементных цифровых кабельных антенн.The disadvantage of this device is the impossibility of its use for positioning multi-element digital cable antennas.

Техническим результатом изобретения является обеспечение возможности позиционирования многоэлементных буксируемых гидроакустических антенн, например, Патент РФ №2417383 от 27.04.2011 г, Патент РФ №2426146 от 10.08.2011 г, Патент РФ №2458359 от 10.08.2012 г., Патент РФ №2461845 от 20.09.2012 г. The technical result of the invention is the provision of the ability to position multi-towed hydroacoustic antennas, for example, RF Patent No. 2417383 from 04/27/2011, RF Patent No. 2426146 from 08/10/2011, RF Patent No. 2458359 from 08/10/2012, RF Patent No. 2461845 from 09/20/2012

Технический результат достигается за счет того, что в гидроакустической системе для позиционирования, содержащей буксирующее судно, соединенные с ним кабель-тросом буксируемый подводный объект и буи с неподвижными рулями, предварительно установленными на заданный угол, расположенные на поверхности моря, в количестве не менее трех штук, и имеющие в своем составе последовательно соединенные антенну Global Positioning System (GPS), модуль GPS и контроллер, согласно изобретению буксируемый подводный объект выполнен в виде многоэлементной цифровой кабельной антенны, буксирующее судно снабжено блоком синхронизации и обработки данных, при этом каждый буй снабжен последовательно соединенными с первым выходом контроллера генератором, усилителем и гидроакустическим излучателем, а также блоком памяти, соединенным со вторым выходом контроллера, причем каждый буй соединен с буксирующим судном соответствующим тросом, причем блок синхронизации и обработки данных выполнен в виде последовательно соединенных антенны GPS, модуля GPS, контроллера, модуля сбора данных и компьютера, при этом первый вход модуля сбора данных соединен с выходом контроллера, а второй вход модуля сбора данных соединен через кабель-трос с выходом многоэлементной цифровой кабельной антенны.The technical result is achieved due to the fact that in the hydroacoustic system for positioning, containing a towing vessel, a towed underwater object connected to it by a cable, and buoys with fixed rudders, pre-installed at a given angle, located on the sea surface, in the amount of at least three pieces , and incorporating a Global Positioning System (GPS) antenna connected in series, a GPS module and a controller, according to the invention, the towed underwater object is made in the form of a multi-element digital cable antenna, the towing vessel is equipped with a synchronization and data processing unit, and each buoy is equipped with a generator, an amplifier and a hydroacoustic emitter connected in series with the first output of the controller, as well as a memory unit connected to the second output of the controller, and each buoy is connected to the towing vessel with a corresponding cable moreover, the synchronization and data processing unit is made in the form of a GPS antenna, a GPS module, a controller, a data acquisition module and a computer connected in series d data acquisition module is connected to the output of the controller, and the second input of the data acquisition module is connected via a cable to the output of a multi-element digital cable antenna.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлен общий вид предлагаемого устройства, на фиг. 2 представлена блок-схема элементов буя, на фиг. 3 представлена блок-схема блока синхронизации и обработки данных.The invention is illustrated by drawings, where in FIG. 1 presents a General view of the proposed device, FIG. 2 is a block diagram of the buoy elements; FIG. 3 is a block diagram of a synchronization and data processing unit.

Устройство содержит буксирующее судно 1, соединенные с ним кабель-тросом 2 буксируемый подводный объект 3, выполненный в виде многоэлементной цифровой кабельной антенны, буи 4 в количестве не менее трех штук с неподвижными рулями 5, предварительно установленными на заданный угол, расположенные на поверхности моря и соединенные с буксирующим судном 1 соответствующими тросами 6, блок синхронизации и обработки данных 7.The device comprises a towing vessel 1, a towed underwater object 3 connected with it, a towed underwater object 3, made in the form of a multi-element digital cable antenna, buoys 4 in the amount of at least three pieces with fixed rudders 5, pre-installed at a given angle, located on the sea surface and connected to the towing vessel 1 by the corresponding cables 6, the synchronization and data processing unit 7.

Каждый буй 4 содержит в своем составе последовательно соединенные антенну Global Positioning System (GPS) 8, модуль GPS 9, контроллер 10, генератор 11, усилитель 12 и гидроакустический излучатель 13, а также блок памяти 14.Each buoy 4 contains in its composition a series-connected Global Positioning System (GPS) antenna 8, a GPS module 9, a controller 10, a generator 11, an amplifier 12 and a sonar emitter 13, as well as a memory unit 14.

Блок синхронизации и обработки данных содержит последовательно соединенные антенну Global Positioning System (GPS) 15, модуль GPS 16, контроллер 17, модуль сбора данных 18 и компьютер 19, при этом многоэлементная кабельная цифровая антенна 3 соединена через кабель-трос 2 со вторым входом модуля сбора данных 18.The synchronization and data processing unit contains a Global Positioning System (GPS) 15 antenna connected in series, a GPS module 16, a controller 17, a data acquisition module 18 and a computer 19, while a multi-element digital cable antenna 3 is connected via a cable 2 to the second input of the acquisition module data 18.

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

Буксирующее судно 1 буксирует соединенные с ним кабель-тросом 2 буксируемый подводный объект 3, выполненный в виде многоэлементной цифровой кабельной антенны, буи 4 в количестве не менее трех штук с неподвижными рулями 5, предварительно установленными на заданный угол, расположенные на поверхности моря и соединенные с буксирующим судном 1 соответствующими тросами 6.A towing vessel 1 tows a towed underwater object 3 connected to it by a cable rope 2, made in the form of a multi-element digital cable antenna, buoys 4 in the amount of at least three pieces with fixed rudders 5, pre-installed at a given angle, located on the sea surface and connected to towing vessel 1 with appropriate cables 6.

Буи 4 системы позиционирования представляет собой автономное устройство, буксируемое на тросе 5 за буксирующим судном 1. На фиг. 2 показана блок-схема работы буя 4. Антенна системы GPS 8 принимает сигналы от спутников, модуль GPS 9 обрабатывает сигналы и вычисляет координаты буя 4. Также модуль GPS 9 генерирует сигналы точного спутникового времени. Контроллер 10 производит обработку полученной информации и с первого выхода выдает команды для работы генератора 11. Генератор 11 формирует сигнал для управления усилителем мощности 12. Усилитель мощности 12 усиливает сигналы генератора 11 и передает их на гидроакустический излучатель 13. Гидроакустический излучатель 13 излучает сигнал буя 3.The buoys 4 of the positioning system is an autonomous device towed on a cable 5 behind the towing vessel 1. In FIG. 2 shows a block diagram of the operation of the buoy 4. The GPS 8 antenna receives signals from satellites, the GPS module 9 processes the signals and calculates the coordinates of the buoy 4. Also, the GPS module 9 generates accurate satellite time signals. The controller 10 processes the received information and from the first output issues commands for the operation of the generator 11. The generator 11 generates a signal for controlling the power amplifier 12. The power amplifier 12 amplifies the signals of the generator 11 and transmits them to the hydro-acoustic emitter 13. The hydro-acoustic emitter 13 emits the signal of buoy 3.

Одновременно контроллер 10 со второго выхода передает полученную информацию от буя 4 в блок памяти 14.At the same time, the controller 10 from the second output transmits the received information from buoy 4 to the memory unit 14.

Гидроакустический сигнал с буя 4 поступает на многоэлементную цифровую кабельную антенну 3.The hydroacoustic signal from buoy 4 is fed to a multi-element digital cable antenna 3.

Для разделения сигналов разных буев 4, работающих в системе, разные буи 4 настраиваются на излучение в разные моменты времени и излучают сигналы с различной формой огибающей. Это позволяет различать многоэлементной цифровой кабельной антенной 3 сигналы разных буев 4.To separate the signals of different buoys 4 operating in the system, different buoys 4 are tuned to radiation at different points in time and emit signals with a different envelope shape. This allows you to distinguish between multi-element digital cable antenna 3 signals of different buoys 4.

Блок синхронизации и обработки данных 7 предназначен для синхронизации по времени многоэлементной цифровой кабельной антенны 3. Блок-схема работы блока синхронизации 7 показана на фиг. 3. Антенна системы GPS 15 принимает сигналы от спутников, модуль GPS 16 обрабатывает сигналы и вычисляет координаты буя 4, также модуль GPS 16 генерирует сигналы точного спутникового времени. Контроллер 17 производит обработку полученной информации и передает сигналы точного времени и данные. Модуль сбора данных 18 обрабатывает информацию, поступающую с многоэлементной цифровой кабельной антенны 3, и синхронизирует ее по времени. Полученные данные передаются на компьютер 19 для сохранения и обработки.The synchronization and data processing unit 7 is intended for time synchronization of a multi-element digital cable antenna 3. The block diagram of the operation of the synchronization unit 7 is shown in FIG. 3. The antenna of the GPS 15 system receives signals from satellites, the GPS module 16 processes the signals and calculates the coordinates of the buoy 4, and the GPS module 16 also generates accurate satellite time signals. The controller 17 processes the received information and transmits accurate time signals and data. The data acquisition module 18 processes the information received from the multi-element digital cable antenna 3, and synchronizes it in time. The received data is transmitted to a computer 19 for storage and processing.

Таким образом, предложенная гидроакустическая система для позиционирования позволяет использовать в составе исследовательского гидроакустического комплекса многоэлементную цифровую кабельную антенну.Thus, the proposed hydroacoustic system for positioning allows the use of a multi-element digital cable antenna as part of the research hydroacoustic complex.

Claims

1. A hydroacoustic system for positioning, containing a towing vessel, a towed underwater object connected to it by a cable, and buoys with fixed rudders pre-installed at a given angle, located on the sea surface, in the amount of at least three pieces, and having in their composition sequentially connected Global Positioning System (GPS) antenna, GPS module and controller, characterized in that the towed underwater object is made in the form of a multi-element digital cable antenna, the towing vessel is equipped with a sync block data acquisition, and each buoy is equipped with a generator, an amplifier and a hydroacoustic emitter connected in series with the first output of the controller, as well as a memory unit connected to the second output of the controller, each buoy connected to the towing vessel with a corresponding cable.

2. A hydroacoustic system for positioning according to claim 1, characterized in that the synchronization and data processing unit is made in the form of a GPS antenna, a GPS module, a controller, a data acquisition module and a computer, and the first input of the data acquisition module is connected to the output of the controller and the second input of the data acquisition module is connected via a cable to the output of a multi-element digital cable antenna.