RU2624980C1 - Hydroacoustic rho-rho navigation system - Google Patents

Hydroacoustic rho-rho navigation system Download PDF

Info

Publication number
RU2624980C1
RU2624980C1 RU2016132753A RU2016132753A RU2624980C1 RU 2624980 C1 RU2624980 C1 RU 2624980C1 RU 2016132753 A RU2016132753 A RU 2016132753A RU 2016132753 A RU2016132753 A RU 2016132753A RU 2624980 C1 RU2624980 C1 RU 2624980C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
navigation
signals
signal
beacons
pulse
Prior art date
Application number
RU2016132753A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Юрий Александрович Половинка
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Тихоокеанский океанологический институт им. В.И. Ильичева Дальневосточного отделения Российской академии наук (ТОИ ДВО РАН)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Тихоокеанский океанологический институт им. В.И. Ильичева Дальневосточного отделения Российской академии наук (ТОИ ДВО РАН) filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Тихоокеанский океанологический институт им. В.И. Ильичева Дальневосточного отделения Российской академии наук (ТОИ ДВО РАН)
Priority to RU2016132753A priority Critical patent/RU2624980C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2624980C1 publication Critical patent/RU2624980C1/en

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01SRADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S15/00Systems using the reflection or reradiation of acoustic waves, e.g. sonar systems
    • G01S15/02Systems using the reflection or reradiation of acoustic waves, e.g. sonar systems using reflection of acoustic waves
    • G01S15/06Systems determining the position data of a target
    • G01S15/08Systems for measuring distance only

Abstract

FIELD: measuring equipment.
SUBSTANCE: system consists of a navigational base permanently located at the bottom or in depth of the water area at points with known coordinates which do not change during the object's navigation cycle, an impulse-code signal generation and emission unit, a receiving and primary signal processing unit including one multichannel receiver and a computing unit, wherein the parameters of all/several impulse-code signals received on the navigation object are determined from each transponder, and identifications of impulse entries along the ray trajectories are made by performing calculations of the structural functions of the entries for all transponders and determining the exact distances to each lighthouse on the basis of all/several entries.
EFFECT: increasing accuracy and reliability of measuring distances and underwater positioning of software under conditions of multibeam transmission of navigation signals in shallow water areas while reducing the technical complexity and power consumption of the system.
2 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к гидроакустическим навигационным системам, конкретно к системам, использующим импульсные методы определения дистанций между объектами навигации и приемоответчиками акустических сигналов.The invention relates to sonar navigation systems, specifically to systems using pulsed methods for determining distances between navigation objects and transponders of acoustic signals.

Глобальные радиочастотные системы позиционирования (ГЛОНАСС/GPS/Galileo/IRNSS/Compass/QZSS) могут решать задачи позиционирования, навигации и синхронизации времени (PNT) технических систем, как для военных, так и для гражданских целей и приложений. Однако сигналы с радиочастотами, используемыми данными системами, не могут проникать в морскую воду, и использоваться для позиционирования подводных устройств (ПУ).Global radio frequency positioning systems (GLONASS / GPS / Galileo / IRNSS / Compass / QZSS) can solve the problems of positioning, navigation and time synchronization (PNT) of technical systems for both military and civilian purposes and applications. However, signals with radio frequencies used by these systems cannot penetrate sea water, and can be used to position underwater devices (PU).

Подводные устройства и аппараты используют инерционные измерительные устройства (IMU) для навигации в подводном положении. Но датчики счисления могут быть единственным средством подводной навигации только для коротких по продолжительности миссий, так как накопленная ошибка инерциальной системы счисления в конечном итоге требует внешних коррекционных измерений для поддержания или восстановления точной работы.Underwater devices and apparatuses use inertial measuring devices (IMUs) to navigate underwater. But number calculators can be the only means of underwater navigation only for short-duration missions, since the accumulated error of the inertial number system ultimately requires external corrective measurements to maintain or restore accurate operation.

Известно, что распространение импульсных акустических сигналов в подводных каналах сопряжено с рядом проблем. К ним относятся - изменяющиеся во времени многолучевое распространение сигналов и задержки импульсных сигналов при распространении по лучам, ограничение частотной полосы пропускной способности каналов, наличие экологических и техногенных шумов и т.п. Наиболее сильно указанные эффекты проявляются в условиях мелководных каналов распространения - на шельфе, в заливах, проливах и внутренних морях и водоемах, а также в акваториях мелководных морей, покрытых льдом.It is known that the propagation of pulsed acoustic signals in underwater channels is associated with a number of problems. These include - time-varying multipath propagation of signals and delays of pulse signals when propagating along the rays, limiting the frequency bandwidth of the channel bandwidth, the presence of environmental and industrial noise, etc. The most strongly indicated effects are manifested in the conditions of shallow water distribution channels - on the shelf, in bays, straits and inland seas and water bodies, as well as in the water areas of shallow seas covered with ice.

В 1996 году компанией Kongsberg Maritime AS (https://www.km.kongsberg.com/) была разработана навигационная система HiPAP® (High Precision Acoustic Positioning). Указанная система имеет модификации для большого количество приложений, в том числе позиционирования буровых судов, позиционирования погрузки в море, позиционирование укладки кабелей и трубопроводов и т.п. HiPAP® системы способны обеспечивать навигацию и позиционирование подводных устройств на дистанциях до 4000 метров с использованием мощных глубоководных приемопередатчиков. Для повышения точности и надежности позиционирования используют увеличение мощности излучения передатчиков с целью увеличения соотношения сигнал/шум (S/N), вывод приемопередатчиков в зоны без препятствий или пузырьков воздуха между ними и учет изгиба или отклонения луча из-за различной температуры в толще воды, используют также приемопередатчики с формируемой диаграммой направленности. Системы HiPAP имеют встроенные алгоритмы для расчета отклонения звукового луча при распространении его в водной среде, а также алгоритмы для компенсации ошибок, вызванные этим эффектом. Для подавления шума и получения максимальной чувствительности в направлении приемоответчика, установленного на ПУ, Kongsberg Maritime AS использует специально разработанные приемопередатчики с формированием узкой диаграммы направленности лучей.In 1996, Kongsberg Maritime AS (https://www.km.kongsberg.com/) developed the HiPAP® (High Precision Acoustic Positioning) navigation system. This system has modifications for a large number of applications, including positioning of drilling vessels, positioning of loading at sea, positioning of laying cables and pipelines, etc. HiPAP® systems are capable of navigating and positioning underwater devices at distances up to 4000 meters using powerful deep-sea transceivers. To increase the accuracy and reliability of positioning, an increase in the radiation power of transmitters is used to increase the signal-to-noise (S / N) ratio, the output of transceivers to zones without obstacles or air bubbles between them and allowance for bending or deflection of the beam due to different temperatures in the water column, transceivers with a radiation pattern are also used. HiPAP systems have built-in algorithms for calculating the deviation of a sound beam when it propagates in an aquatic environment, as well as algorithms for compensating for errors caused by this effect. To suppress noise and maximize sensitivity in the direction of the transponder mounted on the control panel, Kongsberg Maritime AS uses specially designed transceivers with a narrow beam pattern.

Недостатками указанной системы позиционирования является размещение аппаратуры для измерений дальности и выполнение позиционирования ПУ на судне сопровождения, а также ручное управлением оператором работой навигационной системы. Использование приемоответчиков большой мощности для получения превышения полезного сигнала над шумом вблизи судна сопровождения требует наличия мощных источников электропитания на ПУ или ПУ должен получать электроэнергию по кабелю. Указанные требования ограничивают круг решаемых задач в основном операциями с буксируемыми устройствами в небольшой пространственной области позиционирования ПУ (максимум 4000 метров) относительно судна сопровождения.The disadvantages of this positioning system is the placement of equipment for measuring ranges and the positioning of the launcher on the escort vessel, as well as manual control by the operator of the navigation system. The use of high-power transponders to obtain an excess of the useful signal over noise near the escort vessel requires the availability of powerful power sources for the control panel or control panel and must receive electricity via cable. These requirements limit the range of tasks to be solved mainly by operations with towed devices in a small spatial area of launcher positioning (maximum 4000 meters) relative to the escort vessel.

Известна «Гидроакустическая навигационная система» (п. РФ №2477497 С2), включающая навигационную базу из М гидроакустических приемоответчиков с различными частотами ответа и размещенную на объекте навигации аппаратуру измерения временных интервалов распространения сигналов с их последующим преобразованием в дистанции между объектом навигации и гидроакустическими приемопередатчиками навигационной базы, а также навигационный вычислитель для определения координат объекта навигации с соответствующим программно-математическим обеспечением. Часть М-приемоответчиков закреплена на морском дне, остальные установлены на водной поверхности и оснащены приемниками сигналов спутниковых радионавигационных систем. Антенна приемопередатчика объекта навигации выполнена с электронно-управляемой формой характеристики направленности.The well-known "Hydroacoustic navigation system" (clause of the Russian Federation No. 2477497 C2), including a navigation base of M hydroacoustic transponders with different response frequencies and equipment located on the navigation object for measuring the time intervals of signal propagation with their subsequent conversion in the distance between the navigation object and the navigation hydroacoustic transceivers base, as well as a navigation computer for determining the coordinates of the navigation object with the appropriate mathematical software Niemi. Part of the M-transponders is fixed on the seabed, the rest are installed on the water surface and are equipped with signal receivers of satellite radio navigation systems. The antenna of the transceiver of the navigation object is made with an electronically controlled form of directivity.

Использование в указанной системе в качестве носителей гидроакустических приемоответчиков буев на поверхности, ограничивает возможность эксплуатации навигационной системы, в частности в штормовых условиях, в акваториях с ледовым покровом и в районах с развитым судоходством (рыболовством). Кроме этого, предлагаемая система будет эффективно измерять дистанции по времени прихода импульса и выделенному углу на приемоответчик только для сигналов, распространяющихся по «прямому» лучу. Также, для волноводов мелкого моря на приемник будут приходить несколько импульсов, выходящих под разными углами и испытывающих разное количество отражений от границ (Rodriguez О., Jesus S. Physical limitations of travel time based shallow water tomography. J. Acoust. Soc. Am. 108 (6), December 2000, p. 2817). Ошибка измерений дистанции в этом случае будет пропорциональна интервалу времен прихода всех импульсов от конкретного маяка.The use of buoys on the surface as carriers of sonar transponders in the indicated system limits the possibility of operating the navigation system, in particular in stormy conditions, in water areas with ice cover and in areas with developed shipping (fishing). In addition, the proposed system will effectively measure distances by the time of arrival of the pulse and the selected angle on the transponder only for signals propagating along the "direct" beam. Also, for shallow sea waveguides, several pulses will arrive at the receiver, coming out at different angles and experiencing a different number of reflections from the boundaries (Rodriguez O., Jesus S. Physical limitations of travel time based shallow water tomography. J. Acoust. Soc. Am. 108 (6), December 2000, p. 2817). The error of distance measurements in this case will be proportional to the time interval of arrival of all pulses from a particular beacon.

Известна «Гидроакустическая навигационная система» (п. РФ №2371738 С1). Система содержит навигационную базу из М гидроакустических приемоответчиков с различными частотами ответа и размещенный на объекте навигации гидроакустический приемопередатчик, посредством которого измеряют временные интервалы распространения сигналов с последующим их преобразованием в дистанции между подводным объектом и гидроакустическими приемоответчиками, по крайней мере один из которых установлен на водной поверхности. Приемная гидроакустическая антенна состоит из четырех гидрофонов, каждая секция антенны состоит из двух одноканальных и одного многоканального модуля, установленных на линейном несущем кронштейне, выполненном перфорированным, антенны приемников выполнены в форме сферической поверхности и размещены на стальной пластине.The well-known "Hydroacoustic navigation system" (p. RF №2371738 C1). The system contains a navigation base of M hydroacoustic transponders with different response frequencies and a hydroacoustic transceiver located on the navigation object, which measures the time intervals of signal propagation with their subsequent conversion in the distance between the underwater object and hydroacoustic transponders, at least one of which is installed on the water surface . The receiving hydroacoustic antenna consists of four hydrophones, each section of the antenna consists of two single-channel and one multi-channel module mounted on a linear support bracket made perforated, the receiver antennas are made in the form of a spherical surface and placed on a steel plate.

Недостатки данного технического решения связаны с использованием поверхностных буев дрифтеров в качестве ретрансляторов и опорных маяков приемоответчиков. Система навигации будет иметь ограниченное применения в мелководных акваториях, в прибрежной и шельфовой зонах в виду сильного влияния волновых и ветровых нагрузок, неуправляемого дрейфа, в акваториях покрытых льдом или в районах с дрейфующими льдами, в районах развитого судоходства и рыболовства, ввиду повышенного риска разрушения. Наличие большого количества приемоответчиков для навигационных сигналов, сигналы информационного обмена между поверхностными дрифтерами, донными маяками и подводными устройствами, имея индивидуальные рабочие частоты, будут занимать широкий частотный диапазон и приводить к выходу ряда частот за пределы оптимальных частот распространения звука в конкретных акваториях, что приведет к ухудшению рабочих характеристик по дальности и надежности позиционирования. Использование в одной системе навигации двух систем позиционирования (с короткой базой и длинной базой), системы акустического информационного обмена и системы радиочастотного позиционирования увеличивает потребляемую мощность, увеличивает количество технических и электронных компонентов, что повышает вероятность технических сбоев. Отметим также, что решение задач навигации и информационного обмена в реальном времени потребуют вычислительные ресурсы, способные работать с большими объемами информации с высокой производительностью, что может наложить ограничения на использование системы по массогабаритным размерам и энергообеспечению для ПУ и приемоответчиков.The disadvantages of this technical solution are associated with the use of surface buoys drifters as repeaters and reference beacons transponders. The navigation system will be of limited use in shallow water areas, in coastal and shelf zones due to the strong influence of wave and wind loads, uncontrolled drift, in ice-covered areas or in areas with drift ice, in areas of developed shipping and fishing, due to the increased risk of destruction. The presence of a large number of transponders for navigation signals, information exchange signals between surface drifters, bottom beacons and underwater devices, having individual operating frequencies, will occupy a wide frequency range and lead to a number of frequencies beyond the optimum sound propagation frequencies in specific areas, which will lead to deterioration of performance in terms of range and reliability of positioning. The use of two positioning systems (with a short base and a long base) in one navigation system, an acoustic information exchange system and a radio frequency positioning system increases the power consumption, increases the number of technical and electronic components, which increases the likelihood of technical failures. We also note that solving real-time navigation and information exchange tasks will require computing resources that can work with large volumes of information with high performance, which may impose restrictions on the use of the system in terms of weight and size and power supply for controllers and transponders.

Известен ряд гидроакустических навигационных систем, состоящих из нескольких гидроакустических приемоответчиков (маяков), размещаемых на поверхности и (или) дне водных акваторий и устройств, располагающихся на объекте навигации: устройств опроса маяков, вычисления дистанции по измеренному времени распространения сигнала и значению скорости звука в водной среде и вычисления координат объекта по найденным значениям дистанций (патенты РФ №№713278 U1, 2032187 С1). Указанные системы разработаны с целью повышения дальности и точности определения координат для условий рефракции и многолучевого распространения навигационных сигналов.A number of hydroacoustic navigation systems are known, consisting of several hydroacoustic transponders (beacons) located on the surface and (or) the bottom of water areas and devices located on the navigation object: devices for interrogating beacons, calculating the distance from the measured signal propagation time and sound velocity in the water environment and calculating the coordinates of the object according to the found values of the distances (RF patents No. 713278 U1, 2032187 C1). These systems are designed to increase the range and accuracy of determining coordinates for the conditions of refraction and multipath propagation of navigation signals.

В известном решении (патент РФ №713278 U1) навигационная система содержит донную навигационную базу из М гидроакустических приемоответчиков с различными рабочими частотами ответа и размещенные на объекте навигации гидроакустический передатчик, вход которого соединен с выходом генератора синхроимпульсов, М-канальный приемник, выходы которого подключены ко входам М измерителей времен распространения гидроакустических сигналов до приемоответчика, работающего на частоте этого канала и обратно, вторые входы которых соединены с выходами генератора синхроимпульсов, и вычислитель координат объекта навигации. С целью повышения точности определения координат в условиях рефракции и многолучевости, в каждый из М каналов введены по числу видов возможных траекторий N - блоков преобразователей временных интервалов в дистанции.In a known solution (RF patent No. 713278 U1), the navigation system contains a bottom navigation base of M hydroacoustic transponders with different operating response frequencies and a hydroacoustic transmitter located on the navigation object, the input of which is connected to the output of the clock generator, an M-channel receiver, the outputs of which are connected to the inputs of M meters of propagation times of hydroacoustic signals to a transponder operating at the frequency of this channel and vice versa, the second inputs of which are connected to the outputs of eratora clock, and coordinates calculator navigation object. In order to increase the accuracy of determining coordinates under refraction and multipath conditions, the number of types of possible trajectories of N - blocks of converters of time intervals in distance has been introduced into each of the M channels.

Недостатком такой навигационной системы является погрешность определения координат, обусловленная тем, что время прихода сигнала определяется по переднему фронту сигнала, аналоговым образом, с использованием порогового дискриминатора. Сигналы, с уровнем ниже порогового не измеряются. Для сигналов с уровнями выше пороговых, точность измерения времени прихода импульса зависит от крутизны переднего фронта. Также, ввиду использования простых тональных импульсов имеется вероятность появления помех в каналах приема, которые будут приняты как полезный сигнал. В этом случае измеритель времени распространения, который срабатывает от первого из принятых сигналов, зафиксирует время прихода, отличающееся от реального, что приведет к сдвигу текущего номера максимума и неконтролируемой погрешности определения координат объекта.The disadvantage of such a navigation system is the error in determining the coordinates due to the fact that the time of arrival of the signal is determined by the leading edge of the signal, analogously, using a threshold discriminator. Signals with a level below the threshold are not measured. For signals with levels above the threshold, the accuracy of measuring the time of arrival of the pulse depends on the steepness of the leading edge. Also, due to the use of simple tonal pulses, there is a possibility of interference in the receive channels, which will be accepted as a useful signal. In this case, the propagation time meter, which is triggered from the first of the received signals, will record the arrival time that is different from the real one, which will lead to a shift in the current maximum number and an uncontrolled error in determining the coordinates of the object.

В наиболее близком к заявляемому решении предложена гидроакустическая синхронная дальномерная навигационная система, позволяющая уменьшить погрешность определения координат объекта навигации (п. РФ №2032187 С1). Система содержит донную навигационную базу из М гидроакустических приемоответчиков с различными частотами ответа и размещенные на объекте навигации гидроакустический передатчик, генератор синхроимпульсов, М-канальный приемник, М измерителей времени распространения гидроакустических сигналов до приемоответчиков и обратно, M×N блоков преобразования временных интервалов в дистанции по N в каждом из М каналов, М блоков выбора максимального значения дистанций из N значений и вычислитель координат объекта навигации. В каждый из М каналов введены N-1 дополнительных измерителей времени распространения, N-1 мультивибраторов задержки, N-1 мультивибраторов строб-импульса, N-1 селекторов. В каждый из М каналов введены по числу видов N лучевых траекторий N(N-1) дополнительных блоков преобразования временных интервалов в дистанции, N-1 блоков выбора максимального значения дистанции и усреднитель дистанций. Выходы всех блоков выбора максимального значения соединены с N входами усреднителя дистанций, а выход усреднителя дистанций соединен с входом вычислительного устройства координат объекта навигации.In the closest to the claimed solution, a hydroacoustic synchronous rangefinder navigation system is proposed, which allows to reduce the error in determining the coordinates of the navigation object (paragraph RF No. 2032187 C1). The system contains a bottom navigation base of M hydroacoustic transponders with different response frequencies and a hydroacoustic transmitter, a clock generator, an M-channel receiver, M meters of propagation time of hydroacoustic signals to and from transponders, M × N blocks for converting time intervals to distances N in each of the M channels, M blocks for selecting the maximum distance value from N values and a coordinate calculator for the navigation object. N-1 additional meters of propagation time, N-1 delay multivibrators, N-1 strobe multivibrators, N-1 selectors were introduced into each of the M channels. According to the number of types of N ray paths, N (N-1) additional blocks for converting time intervals into distances, N-1 blocks for selecting the maximum distance value and distance averager are introduced into each of the M channels. The outputs of all blocks for selecting the maximum value are connected to the N inputs of the distance averager, and the output of the distance averager is connected to the input of the computing device of the coordinates of the navigation object.

Основным недостатком данного решения является то, что в каждом цикле определения дистанций до каждого из М маяков, измеряются времена приходов импульсов с 1 по N, время каждого прихода пересчитывается в дистанцию, а все дистанции усредняются. При этом не учитывается, что количество импульсных приходов в каждом цикле может отличаться от N, импульсные приходы могут появляться или исчезать от цикла к циклу, что не позволяет однозначно идентифицировать траектории, по которым распространялись конкретные импульсы и корректно рассчитывать дистанции до маяков (Половинка Ю.А. Коррекция ошибок и селективное сопровождение импульсов в потоковых данных акустического зондирования. Подводные исследования и робототехника, №2/20, Владивосток. Издательство «Дальнаука» ИПМТ, 2015, с. 40-46). Использование усреднения по всем измерениям не приведет к уменьшению ошибки, так как из-за ошибок идентификации траекторий происходит увеличение ошибки всех измерений. Регистрация любых импульсных сигналов шума в полосе рабочих частот и в течение цикла измерений, будет также приводить к ошибочным значениям времен прихода (и пересчитанных значений дистанций) на временах после импульса шума и до конца времени измерения. Отметим также, что в результате межлучевой интерференции, амплитудно-временные параметры импульсов имеют сложный характер, затягиваются, у сигналов изменяются параметры переднего фронта, что также приводит к снижению точности работы таких элементов схемы как системы измерений времени распространения, выбора максимального значения и мультивибраторы строб-импульсов и задержек.The main disadvantage of this solution is that in each cycle of determining the distances to each of the M beacons, the arrival times of pulses from 1 to N are measured, the time of each arrival is recalculated into the distance, and all distances are averaged. It does not take into account that the number of pulse arrivals in each cycle can differ from N, pulse arrivals can appear or disappear from cycle to cycle, which does not allow us to unambiguously identify the trajectories along which specific pulses propagated and correctly calculate the distances to the beacons (Half Yu. A. Error Correction and Selective Tracking of Pulses in Acoustic Sensing Streaming Data, Underwater Research and Robotics, No. 2/20, Vladivostok, Dalnauka Publishing House, IPMT, 2015, pp. 40-46). The use of averaging over all measurements will not lead to a decrease in the error, since due to errors in the identification of trajectories, an increase in the error of all measurements occurs. Registration of any pulse noise signals in the operating frequency band and during the measurement cycle will also lead to erroneous values of arrival times (and recalculated distance values) at times after the noise pulse and until the end of the measurement time. We also note that as a result of inter-beam interference, the amplitude-time parameters of the pulses are complex, delayed, and the leading edge parameters of the signals change, which also leads to a decrease in the accuracy of the operation of such circuit elements as the system for measuring propagation time, selecting the maximum value, and multivibrators pulses and delays.

Задача - разработка гидроакустической дальномерной системы навигации для условий многолучевого распространения навигационных сигналов в условиях мелкого моря, на шельфе, в заливах, проливах, акваториях, покрытых льдом.The task is to develop a hydroacoustic rangefinder navigation system for the conditions of multipath propagation of navigation signals in the shallow sea, on the shelf, in bays, straits, and water areas covered with ice.

Технический результат - повышение точности и надежности измерения дистанций и подводного позиционирования объектов навигации в условиях многолучевого распространения навигационных сигналов в мелководных акваториях.EFFECT: increased accuracy and reliability of measuring distances and underwater positioning of navigation objects in the conditions of multipath propagation of navigation signals in shallow waters.

Поставленная задача решается гидроакустической дальномерной системой навигации, включающей навигационную базу, как минимум, из трех акустических маяков приемоответчиков Mn при n≥3, например, M1, М2 и М3, размещенных стационарно на акватории в точках с известными координатами, принимающих Kо и излучающих кодоимпульсные сигналы расширенного спектра K1, K2 и K3, соответственно, с частотой заполнения fм и размещенные на объекте навигации блок формирования и излучения сигналов, включающий генератор-формирователь электрического кодоимпульсного сигнала Kо опроса навигационных маяков, передатчик кодового акустического импульсного сигнала опроса навигационных маяков и таймер с генератором синхроимпульсов для запуска генератора-формирователя и передатчика кодового сигнала опроса, блок приема и первичной обработки сигналов из одиночного многоканального приемника, усилителя кодоимпульсных электрических сигналов, полосового фильтра с центральной частотой fм, для фильтрации кодоимпульсных электрических сигналов и аналого-цифрового преобразователя кодоимпульсных электрических сигналов, а вычислительное устройство, включающее блок памяти, блок электронного коммутатора, блоки корреляторов сигналов SKn от маяков Mn, блоки поиска максимумов и определение времени распространения импульсов для сигнала от маяков, блоки определения дистанций для сигналов от маяков и блок вычисления координат объекта навигации.The problem is solved by a hydroacoustic rangefinder navigation system that includes a navigation base of at least three acoustic beacons M n for n≥3, for example, M 1 , M 2 and M 3 , which are stationary in the water at points with known coordinates that take Ko kodoimpulsnye and radiating spread spectrum signals K 1, K 2 and K 3, respectively, with the frequency FM and filling placed on the navigation object generation unit and signal radiation, comprising an electric generator-shaper kodoimpulsn of the first signal of the survey of navigation beacons, the transmitter of the acoustic code of the pulse signal of the survey of navigation beacons and a timer with a clock generator for starting the generator-generator and transmitter of the code of the polling signal, a unit for receiving and processing the signals from a single multi-channel receiver, an amplifier of code-pulse electrical signals, a band-pass filter with central frequency fm, for filtering code-pulse electrical signals and an analog-to-digital converter of code-pulse electric signals, and a computing device including a memory unit, an electronic switch unit, signal correlator blocks SK n from beacons M n , maximum search units and determination of pulse propagation time for a signal from beacons, distance determination units for signals from beacons, and an object coordinate calculation unit navigation.

Использование кодоимпульсных сигналов расширенного спектра с тональной частотой заполнения, позволяет использовать "окна прозрачности" акустических каналов - ограниченный диапазон частот с небольшим затуханием и использовать один многоканальный приемник для сигналов со всех маяков на подводном объекте, что приводит к повышению точности и надежности измерения дистанций и подводного позиционирования в условиях многолучевого распространения навигационных сигналов в мелководных акваториях по сравнению с прототипом. Кроме этого, использование навигационных сигналов в виде кодоимпульсных сигналов расширенного спектра позволяет получить дополнительное преимущество ввиду дополнительного увеличения соотношения сигнал/шум за счет согласованной (корреляционной) обработки сигналов на маяках и подводном объекте при приеме. Цифровое преобразование и цифровая обработка сигналов для выделения импульсов, позволяет избежать использования большого количества аналоговых многозвенных амплитудно-временных компараторов в каждом из М каналов в прототипе, выполняя указанную процедуру в предлагаемой системе в виде стандартной процедуры точного поиска максимумов для временной функции коэффициентов взаимной корреляции цифровых масок и сигнала с приемника, при этом ввиду использования цифрового кодирования, этот процесс выполняется с использованием вычислительного устройства параллельно (синхронно) для сигналов со всех приемоответчиков и, при необходимой производительности вычислительного устройства (ВУ), в реальном времени. Определение времени распространения акустических импульсов от маяков выполняется по способу измерения структуры импульсной функции отклика во времени в неоднородной среде (п. РФ №2577561). Для этого в каждом из М каналов после регистрации импульсных (лучевых) приходов, определяется их число и строится структурная функция приходов (то есть определяется взаимосвязь предыдущих измерений с текущими), таким образом исключаются ошибки, связанные с вариациями амплитуды сигнала во времени - исчезновением или появлением новых максимумов, а также изменения количества максимумов в измеряемой серии. Время прихода импульса определяется абсолютно точно - как положение точки максимума на оси времени, в то время как в прототипе, время прихода импульса определяется в зависимости от задаваемого уровня амплитудного компаратора и от вида переднего фронта определяемого импульса.The use of spread-spectrum code pulse signals with a tonal filling frequency allows the use of “transparency windows” of acoustic channels — a limited frequency range with a slight attenuation and the use of one multi-channel receiver for signals from all beacons on an underwater object, which increases the accuracy and reliability of distance and underwater measurements positioning in the conditions of multipath propagation of navigation signals in shallow waters compared to the prototype. In addition, the use of navigation signals in the form of spread-spectrum code-pulse signals provides an additional advantage due to the additional increase in the signal-to-noise ratio due to the coordinated (correlation) signal processing at the beacons and the underwater object during reception. Digital conversion and digital signal processing to extract pulses, avoids the use of a large number of analog multi-link amplitude-time comparators in each of the M channels in the prototype, performing the specified procedure in the proposed system in the form of a standard procedure for the exact maximum search for the time function of the cross-correlation coefficients of digital masks and the signal from the receiver, while due to the use of digital coding, this process is performed using computationally device in parallel (synchronously) for signals from all transponders and, with the necessary performance of a computing device (WU), in real time. The propagation time of acoustic pulses from beacons is determined by the method of measuring the structure of the impulse response function in time in an inhomogeneous medium (Cl. RF No. 2577561). To do this, in each of the M channels, after recording pulse (ray) arrivals, their number is determined and the structural function of arrivals is constructed (that is, the relationship between previous measurements and current ones is determined), thereby eliminating errors associated with variations in the signal amplitude over time - disappearance or appearance new highs, as well as changes in the number of highs in the measured series. The pulse arrival time is determined absolutely precisely - as the position of the maximum point on the time axis, while in the prototype, the pulse arrival time is determined depending on the set level of the amplitude comparator and on the type of the leading edge of the determined pulse.

Ниже для упрощения, представлено описание схемы и работы системы, включающей заявляемый минимум маяков-приемоответчиков, (хотя количество маяков ответчиков не ограничивается и может быть любым больше трех).Below, for simplicity, a description is given of the scheme and operation of the system, including the declared minimum of transponder beacons, (although the number of transponder beacons is not limited and can be any more than three).

На фиг. 1 (а, б) приведена структурная схема (блок-схема) заявляемой системы для трех маяков приемопередатчиков, гдеIn FIG. 1 (a, b) shows a structural diagram (block diagram) of the inventive system for three beacon transceivers, where

(а) - схема обмена навигационными сигналами и сигналами опроса между подводным объектом и маяками.(a) a diagram of the exchange of navigation signals and interrogation signals between an underwater object and beacons.

(б) - блок схема заявляемой системы:(b) - block diagram of the inventive system:

M1, М2, М3 - навигационные акустические маяки приемоответчики;M1, M2, M3 - navigation acoustic beacons transponders;

ПО - объект навигации;Software - object of navigation;

Kо - кодовый акустический импульсный сигнал опроса маяков с подводного устройства с частотой заполнения fм;Kо - code acoustic pulse signal for interrogating beacons from an underwater device with a filling frequency fm;

K1, K2, K3 - кодовые импульсные акустические навигационные сигналы с маяков приемоответчиков;K 1 , K 2 , K 3 - code pulsed acoustic navigation signals from beacons of transponders;

Р(λ, ϕ, z) - пространственные координаты подводного устройства;P (λ, ϕ, z) - spatial coordinates of the underwater device;

Pii, ϕi, zi) - пространственные координаты маяков приемоответчиков;P ii , ϕ i , z i ) - spatial coordinates of beacons of transponders;

h - датчик глубины;h - depth sensor;

Блок формирования и излучения сигналов (БФИ)Signal Generation and Emission Unit (BFI)

2 - передатчик кодового акустического импульсного сигнала опроса навигационных маяков;2 - transmitter code acoustic pulse signal polling navigation beacons;

21 - генератор-формирователь электрического кодоимпульсного сигнала опроса навигационных маяков;21 - generator-driver of the electric code-pulse signal of the survey of navigation beacons;

11 - таймер с генератором синхроимпульсов для запуска генератора-формирователя 21 и передатчика кодового сигнала опроса 2;11 - timer with a clock generator for starting the generator-shaper 21 and the transmitter of the code signal of the poll 2;

Блок приема и первичной обработки сигналов (БППО)Block of reception and primary signal processing (BPPO)

3 - одноканальный приемник - акустоэлектрический преобразователь - кодоимпульсных акустических сигналов от навигационных маяков;3 - single-channel receiver - acoustoelectric transducer - code-pulse acoustic signals from navigation beacons;

31 - усилитель кодоимпульсных электрических сигналов;31 - amplifier code pulse electrical signals;

32 - полосовой фильтр с центральной частотой fм, для фильтрации кодоимпульсных электрических сигналов;32 - band-pass filter with a central frequency fm, for filtering code-pulse electrical signals;

33 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП) кодоимпульсных электрических сигналов;33 - analog-to-digital Converter (ADC) code-pulse electrical signals;

Вычислительное устройство (ВУ)Computing device (WU)

44 - блок памяти;44 - memory block;

45 - электронный коммутатор;45 - electronic switch;

4_1 - блок коррелятора сигнала SK1 от маяка M1;4_1 - block correlator signal SK1 from the beacon M1;

4_2 - блок коррелятора сигнала SK2 от маяка М2;4_2 - block correlator signal SK2 from the beacon M2;

4_3 - блок коррелятора сигнала SK3 от маяка М3;4_3 - block correlator signal SK3 from the beacon M3;

5_1 - блок поиска максимумов в зависимости коэффициента корреляции от времени и определения времени распространения импульсов для сигнала от маяка M1;5_1 - block search for maxima in the dependence of the correlation coefficient on time and determine the propagation time of the pulses for the signal from the beacon M1;

5_2 - блок поиска максимумов в зависимости коэффициента корреляции от времени и определения времени распространения импульсов для сигнала от маяка М2;5_2 - block search for maximums depending on the correlation coefficient on time and determine the propagation time of the pulses for the signal from the beacon M2;

5_3 - блок поиска максимумов в зависимости коэффициента корреляции от времени и определения времени распространения импульсов для сигнала от маяка М3;5_3 - block search for maxima in the dependence of the correlation coefficient on time and determine the propagation time of the pulses for the signal from the beacon M3;

6_1 - блок определения дистанций для сигналов от маяка M1;6_1 - block determining distances for signals from the beacon M1;

6_2 - блок определения дистанций для сигналов от маяка М2;6_2 - block determining distances for signals from the lighthouse M2;

6_3 - блок определения дистанций для сигналов от маяка М3;6_3 - distance determination unit for signals from the M3 beacon;

7_1 - блок определения средней дистанции от маяка M1;7_1 - block determining the average distance from the lighthouse M1;

7_2 - блок определения средней дистанции от маяка М2;7_2 - block determining the average distance from the lighthouse M2;

7_3 - блок определения средней дистанции от маяка М3;7_3 - block determining the average distance from the lighthouse M3;

10 - блок вычисления координат объекта навигации.10 - block calculating the coordinates of the navigation object.

На фиг. 2 приведена схема обработки цифровых данных в блоках ВУ.In FIG. 2 shows a diagram of the processing of digital data in the units of the WU.

На фиг. 3 изображены в графическом виде последовательно во времени результаты цифровой обработки принятых сигналов с маяков в блоках ВУ, гдеIn FIG. 3 shows the results of digital processing of received signals from beacons in units of the pilot unit, in a graphical form, sequentially in time, over time, where

(а) - результат корреляционной обработки сигналов от маяков (блоки 4_1, 4_2 и 4_3).(a) - the result of the correlation processing of signals from beacons (blocks 4_1, 4_2 and 4_3).

(б) - результат поиска максимумов и определения времени распространения импульсов от маяков (блоки 5_1, 5_2 и 5_3).(b) - the result of the search for the maxima and determination of the propagation time of the pulses from the beacons (blocks 5_1, 5_2 and 5_3).

(в) - результат построения структурной функции приходов импульсов от маяков для второго и последующих циклов (блоки 5_1, 5_2 и 5_3)(c) - the result of constructing the structural function of pulse arrivals from beacons for the second and subsequent cycles (blocks 5_1, 5_2 and 5_3)

Позиционирование и навигация объекта навигации (ПО) заявляемой системой осуществляется следующим образом. Маяки приемоответчики размещают стационарно на дне или по глубине акватории в точках с известными и не изменяющимися в процессе цикла навигации объекта координатами. Затем, следующими друг за другом циклами, включающими процесс опроса маяков, приема, фильтрации, преобразования и регистрации сигналов от маяков, выделения кодоимпульсных сигналов пришедших от маяков по различным траекториям и определение их параметров, определяют дистанции до маяков и выполняют позиционирование в системе координат маяков. Указанные процессы выполняются следующим образом: в момент времени t0 (начало первого цикла позиционирования) таймер с генератором синхроимпульсов 11 включает генератор синхроимпульсов, который подает сигнал на запуск генератора-формирователя 21 кодового сигнала опроса Kо. Этим же сигналом включается передатчик 2 и блок приема и первичной обработки сигналов (БППО). Первый кодоимпульсный сигнал опроса Kо с генератора-формирователя 21 поступает на вход передатчика 2, усиливается и излучается в водную среду. Акустический сигнал опроса, излучаемый в водную среду, представляет собой кодоимпульсный акустический импульс расширенного спектра Kо с частотой заполнения fм. Навигационные маяки приемоответчики M1, М2, М3, в моменты времени t1, t2 и t3 соответственно, принимают и выделяют 1-й кодоимпульсный сигнал Kо из серии сигналов Koi, i=1, 2…nm, где i - это номера, a nm - число собственных лучей, по которым распространяются сигналы опроса от ПО до каждого маяка, m=1, 2, 3. Первый импульс соответствует распространению по кратчайшей траектории распространения звука между ПО и каждым маяком приемоответчиком. Затем, в моменты времени t1+Δ, t2+Δ и t3+Δ, где Δ - заданная задержка, приемоответчики излучают уникальные для каждого маяка, кодоимпульсные сигналы K1, K2 и K3.The positioning and navigation of the navigation object (software) of the claimed system is as follows. Beacons transponders are placed stationary at the bottom or in the depth of the water area at points with known coordinates that do not change during the navigation cycle of the object. Then, in successive cycles, including the process of interrogating the beacons, receiving, filtering, converting and registering signals from the beacons, extracting the code-pulse signals coming from the beacons along various paths and determining their parameters, determine the distances to the beacons and perform positioning in the coordinate system of the beacons. These processes are performed as follows: at time t 0 (the beginning of the first positioning cycle), the timer with the clock generator 11 includes a clock generator, which sends a signal to start the generator-generator 21 of the interrogation code signal polling Ko. The same signal turns on the transmitter 2 and the block of reception and primary signal processing (BPPO). The first code-pulse polling signal Ko from the generator 21 is supplied to the input of the transmitter 2, amplified and radiated into the aquatic environment. The acoustic interrogation signal emitted into the aquatic environment is a code pulse acoustic pulse of an extended spectrum of Ko with a filling frequency of fm. Navigation beacons transponders M 1 , M 2 , M 3 , at time t 1 , t 2 and t 3 respectively, receive and isolate the 1st code-pulse signal Ko from a series of signals Ko i , i = 1, 2 ... n m , where i are numbers, an m is the number of intrinsic rays along which the polling signals propagate from the software to each beacon, m = 1, 2, 3. The first pulse corresponds to the propagation along the shortest path of sound propagation between the software and each beacon by the transponder. Then, at times t 1 + Δ, t 2 + Δ and t 3 + Δ, where Δ is the specified delay, transponders emit code-specific signals K 1 , K 2 and K 3 unique for each beacon.

Излученные маяками М сигналы K1, K2 и K3 распространяются в обратном направлении от маяков к ПО, испытывая отражения от границ и преломляясь на неоднородностях в акустическом канале и, вместе с окружающим акустическим шумом, принимаются одним многоканальным приемником 3 блока приема и первичной обработки сигналов (БППО), выполненным в виде, например, акустоэлектрического преобразователя, электрический сигнал S с приемника 3 подается на усилитель 31 и усиливается в полосе рабочей частоты fм, после чего поступает на полосовой фильтр 32 с центральной частотой пропускания fм. После фильтрации электрический сигнал подается на аналого-цифровой преобразователь (АЦП) электрических сигналов 33. Результаты акустических измерений и их первичной обработки с выхода АЦП, в цифровом виде Sd, передаются в вычислительное устройство ВУ. Указанные выше операции выполняются с момента времени t0 непрерывно, в реальном масштабе времени, до окончания цикла позиционирования ПО.The signals K 1 , K 2, and K 3 emitted by the M beacons propagate in the opposite direction from the beacons to the PO, experiencing reflections from the boundaries and refracting on inhomogeneities in the acoustic channel and, together with the surrounding acoustic noise, are received by one multichannel receiver 3 of the receiving and primary processing unit signals (BPPO), made in the form, for example, of an acoustoelectric transducer, the electric signal S from the receiver 3 is supplied to the amplifier 31 and amplified in the working frequency band fm, after which it enters the band-pass filter 32 from the center noy frequency of the FM transmission. After filtering, the electrical signal is fed to an analog-to-digital converter (ADC) of the electrical signals 33. The results of acoustic measurements and their initial processing from the ADC output, in digital form Sd, are transmitted to the WU computing device. The above operations are performed from time t 0 continuously, in real time, until the end of the software positioning cycle.

Переданные в ВУ результаты первичной обработки акустических измерений в цифровом виде Sd поступают в блок памяти 44, который соединен с блоком выборки и управления данными памяти (электронным коммутатором) - 45, который в свою очередь соединен с таймером и генератором синхроимпульсов 11, для привязки результатов первичных акустических измерений к текущим значениям времени ti в цикле позиционирования - Sd(ti) и направления полученного массива цифровых данных параллельно на три канала обработки (фиг. 2).The results of primary processing of acoustic measurements in digital form Sd transmitted to the control unit are transferred to a memory unit 44, which is connected to a memory data sampling and control unit (electronic switch) - 45, which, in turn, is connected to a timer and a clock generator 11 to bind the primary results acoustic measurements to the current values of time t i in the positioning cycle - Sd (t i ) and the direction of the resulting digital data array in parallel to the three processing channels (Fig. 2).

Каждый выход коммутатора соединен со входами блоков цифровых корреляторов, которые осуществляют корреляционную обработку: в блоке 4_1 выполняется расчет текущего коэффициента корреляции во времени SK1(ti) между принимаемым сигналом Sd и оцифрованным кодовым импульсным акустическим навигационным сигналом («электронной маской») K1d с маяка M1. В блоке 4_2 выполняет расчет текущего коэффициента корреляции во времени SK2(ti) между принимаемым сигналом Sd и оцифрованным кодовым импульсным акустическим навигационным сигналом («электронной маской») K2d с маяка М2. Блок 4_3 выполняет расчет текущего коэффициента корреляции во времени SK3(ti) между принимаемым сигналом Sd и оцифрованным кодовым импульсным акустическим навигационным сигналом («электронной маской») K3d и кодовым импульсным акустическим навигационным сигналом K3 с маяка М3. На фиг. 3(a) приведен вид коэффициента корреляции по результатам расчетов в блоках цифровых корреляторов.Each output of the switch is connected to the inputs of digital correlator blocks that perform correlation processing: in block 4_1, the current time correlation coefficient SK 1 (t i ) is calculated between the received signal Sd and the digitized code pulse acoustic navigation signal (“electronic mask”) K 1 d from the lighthouse M 1 . In block 4_2, the current time correlation coefficient SK 2 (t i ) is calculated between the received signal Sd and the digitized code pulse acoustic navigation signal (“electronic mask”) K 2 d from the beacon M 2 . Block 4_3 calculates the current time correlation coefficient SK 3 (t i ) between the received signal Sd and the digitized code pulse acoustic navigation signal ("electronic mask") K 3 d and code pulse acoustic navigation signal K 3 from the beacon M 3 . In FIG. 3 (a) shows the form of the correlation coefficient according to the results of calculations in blocks of digital correlators.

Цифровые значения коэффициентов корреляции SK1, SK2 и SK3, рассчитанные по маскам сигналов для каждого маяка, поступают с выходов блоков корреляции 4_1, 4_2 и 4_3 на входы блоков 5_1, 5_2 и 5_3 поиска максимумов коэффициентов корреляции в зависимости от времени и определения времени распространения импульсов для сигналов от маяков M1, М2 и М3. Поиск максимумов осуществляется на основании задаваемого критерия, по которому максимальные значения корреляции должны превышать на 20% значения корреляции «электронных масок» сигналов K1d, K2d и K3d с принимаемым сигналом окружающего шума Sш. Цикл позиционирования заканчивается по критерию избыточности - когда количество обнаруженных максимумов для всех каналов обработки (по всем маякам) превышает 10 максимумов (фиг. 3б) или по критерию ограниченной реверберации, когда промежуток времени с момента обнаружения последнего текущего максимума для всех каналов обработки (по всем маякам) превышает значение 0.2×T1Mi, где T1Mi - время распространения первого импульса до каждого маяка. Результаты поиска максимумов в каждом блоке 5_1, 5_2 и 5_3 имеют вид {N, t0, n, τn, An}, N=[1, 2, 3] - номер блока (маяка), t0 - время начала цикла, n=[1, 2…10] - номер максимума, τn - [1, 2, …10] - положение максимума на оси времени, An - амплитуды максимумом.The digital values of the correlation coefficients SK 1 , SK 2, and SK 3 calculated from the signal masks for each beacon come from the outputs of the correlation blocks 4_1, 4_2 and 4_3 to the inputs of the blocks 5_1, 5_2 and 5_3 of searching for the maximums of the correlation coefficients depending on time and time pulse propagation for signals from beacons M 1 , M 2 and M 3 . The search for the maxima is carried out on the basis of a specified criterion, according to which the maximum correlation values should exceed by 20% the correlation values of the "electronic masks" of the signals K 1 d, K 2 d and K 3 d with the received ambient noise signal Sш. The positioning cycle ends by the criterion of redundancy - when the number of detected maxima for all processing channels (for all beacons) exceeds 10 maximums (Fig. 3b) or by the criterion of limited reverberation when the period of time from the moment of detection of the last current maximum for all processing channels (for all beacons) exceeds the value 0.2 × T 1Mi , where T 1Mi is the propagation time of the first pulse to each beacon. The maximum search results in each block 5_1, 5_2 and 5_3 are of the form {N, t 0 , n, τ n , A n }, N = [1, 2, 3] - block (beacon) number, t 0 - cycle start time , n = [1, 2 ... 10] is the number of the maximum, τ n - [1, 2, ... 10] is the position of the maximum on the time axis, A n are the amplitudes of the maximum.

Времена распространения всех импульсов (максимумов) от всех маяков до ПО - TNmn в первом цикле позиционирования рассчитываются по найденным положениям максимумов корреляции в блоках 5_1, 5_2 и 5_3, с использованием временной синхронизации данных с помощью таймера и генератора синхроимпульсов 11 по формулам, приведенным в таблице 1.The propagation times of all pulses (maxima) from all beacons to the TNmn software in the first positioning cycle are calculated from the found positions of the correlation maxima in blocks 5_1, 5_2 and 5_3, using time synchronization of data using a timer and clock generator 11 using the formulas given in the table one.

Figure 00000001
Figure 00000001

На втором и всех последующих циклах измерений (tn, n>0) в блоках 5_1, 5_2 и 5_3 после нахождения максимумов коэффициентов корреляции, для идентификации номеров приходящих импульсов, выполняется расчет структурных функции времен приходов регистрируемых импульсов в виде фиг. 3(в), в соответствии с выражением (1):In the second and all subsequent measurement cycles (t n , n> 0) in blocks 5_1, 5_2 and 5_3, after finding the maxima of the correlation coefficients, to identify the numbers of incoming pulses, the structural function of the arrival times of the recorded pulses is calculated in the form of FIG. 3 (c), in accordance with the expression (1):

Figure 00000002
Figure 00000002

где Si,i+1,m двумерного евклидового расстояние между всеми максимумами Am,i в следующих друг за другом блоках данных

Figure 00000003
(например, патенту РФ №2577561). После чего определяются порядковые номера и характеристики приходящих импульсов в текущем цикле измерений - амплитуда и положение на оси времени {N, tk, n, τk, Ak}, для каждого сигнала от маяков M1, М2 и М3 (фиг. 3в). Времена распространения всех импульсов (максимумов) от всех маяков до ПО - TNmn рассчитываются по положениям максимумов корреляции в блоках 5_1, 5_2 и 5_3, с использованием временной синхронизации данных с помощью таймера и генератора синхроимпульсов 11 по формулам, приведенным в Таблице 2:where S i, i + 1, m is the two-dimensional Euclidean distance between all maxima A m, i in successive data blocks
Figure 00000003
(for example, RF patent No. 2577561). After that, the serial numbers and characteristics of the incoming pulses in the current measurement cycle are determined - the amplitude and position on the time axis {N, t k , n, τ k , A k }, for each signal from the beacons M1, M2 and M3 (Fig. 3c) . The propagation times of all pulses (maximums) from all beacons to software - TNmn are calculated according to the positions of the correlation maxima in blocks 5_1, 5_2 and 5_3, using time synchronization of data using a timer and a clock generator 11 according to the formulas shown in Table 2:

Figure 00000004
Figure 00000004

Рассчитанные в блоках 5_1, 5_2 и 5_3 значения времен распространения импульсов T1mn, T2mn и T3mn передаются в блоки 6_1, 6_2 и 6_3, где определяются дистанции по собственным лучам D1j, D2j и D3j (j=1, 2…10) от ПО до маяков M1, М2 и М3, соответственно. Для расчетов дистанций могут использоваться известные модели распространения собственных лучей в волноводе, с параметрами среды в районе размещения маяков и позиционирования ПО.The values of the propagation times of the pulses T1mn, T2mn and T3mn calculated in blocks 5_1, 5_2 and 5_3 are transmitted to blocks 6_1, 6_2 and 6_3, where the distances from the software to the beacons from the eigen beams D1j, D2j and D3j are determined (j = 1, 2 ... 10) M1, M2 and M3, respectively. To calculate the distances, well-known models of the propagation of intrinsic rays in a waveguide can be used, with environmental parameters in the area of the beacons and software positioning.

Значения дистанций, рассчитанные по собственным лучам D1j, D2j и D3j (j=1, 2…10) от ПО до маяков M1, М2 и М3, соответственно передаются в цифровом виде из блоков 6_1, 6_2 и 6_3 в блоки 7_1, 7_2 и 7_3 для определения расчетных (точных) дистанций D1, D2 и D3. Для расчета точных дистанций может использоваться схема с усреднением дистанций по всем, принимаемым в цикле измерения, импульсам (собственным лучам) и/или схемы выбора группы наиболее устойчивых или имеющих максимальную амплитуду импульсов и определение точных дистанций по этим импульсам.The distance values calculated from the eigenbeams D1j, D2j and D3j (j = 1, 2 ... 10) from the software to the beacons M1, M2 and M3, respectively, are transmitted digitally from blocks 6_1, 6_2 and 6_3 to blocks 7_1, 7_2 and 7_3 to determine the calculated (exact) distances D1, D2 and D3. To calculate the exact distances, a circuit can be used with averaging the distances over all pulses (natural rays) received in the measurement cycle and / or a scheme for selecting the group of the most stable or having maximum amplitude pulses and determining the exact distances from these pulses.

Значения дистанций D1, D2 и D3 передаются в блок 10 для выполнения позиционирования ПО методом триангуляции (с уточнением значений по измеряемой глубине h) относительно маяков M1, М2 и М3 и расчета абсолютных географических координат ПО. Второй и последующие циклы позиционирования заканчиваются по критерию избыточности - когда количество обнаруженных максимумов для всех каналов обработки (по всем маякам) превышает заданное число максимумов или по критерию ограничения времени реверберации, когда промежуток времени с момента обнаружения последнего текущего максимума для всех каналов обработки (по всем маякам) превышает значение 0.2×T1Mi, где T1Mi - время распространения первого импульса до каждого маяка.The values of the distances D1, D2 and D3 are transmitted to block 10 for performing software positioning by the triangulation method (with specification of the values for the measured depth h) relative to the beacons M1, M2 and M3 and calculation of the absolute geographical coordinates of the software. The second and subsequent positioning cycles end according to the redundancy criterion - when the number of detected maxima for all processing channels (for all beacons) exceeds a specified number of maxima or according to the criterion of limiting the reverberation time, when the period of time from the moment of detection of the last current maximum for all processing channels (for all beacons) exceeds the value 0.2 × T 1Mi , where T 1Mi is the propagation time of the first pulse to each beacon.

Таким образом, предлагаемая конструкция гидроакустической системы навигации позволяет получить заявленный технический результат - повышение точности и надежности измерения дистанций и подводного позиционирования ПО в условиях многолучевого распространения навигационных сигналов в мелководных акваториях при одновременном снижении технической сложности и энергопотребления, за счет использования одиночных приемников и одночастотных передатчиков навигационных сигналов на маяках и ПО, за счет увеличения соотношение сигнал/шум при использовании, согласованной с сигналами, цифровой обработки и путем реализации измерений времени распространения сигналов и определения дистанций до маяков и позиционирования в пространстве по измеренным параметрам собственных лучей (импульсов), для которых с целью устранения ошибок, выполняется идентификация, верификация и сопровождение во времени.Thus, the proposed design of a hydroacoustic navigation system allows you to get the claimed technical result - improving the accuracy and reliability of measuring distances and underwater positioning of software in the conditions of multipath propagation of navigation signals in shallow waters while reducing technical complexity and power consumption, through the use of single receivers and single-frequency navigation transmitters signals at beacons and software, by increasing the signal-to-noise ratio at and using, in accordance with the signals, digital processing and by measuring the propagation time of the signals and determining the distances to the beacons and positioning in space from the measured parameters of the own beams (pulses), for which, in order to eliminate errors, identification, verification and tracking in time are performed.

Claims (2)

1. Гидроакустическая дальномерная система навигации и позиционирования, включающая размещенную стационарно на акватории в точках с известными координатами навигационную базу из Mn акустических маяков приемоответчиков, принимающих и излучающих импульсные сигналы, и размещенные на объекте навигации блок формирования и излучения сигналов, блок приема и первичной обработки сигналов и вычислительный блок координат объекта навигации, отличающаяся тем, что база включает Mn маяков приемоответчиков при n≥3, в качестве импульсных сигналов используют кодоимпульсные сигналы расширенного спектра Kмn с частотой заполнения fм, блок формирования и излучения сигналов включает генератор-формирователь электрического кодоимпульсного сигнала Ko опроса навигационных маяков Mn, передатчик кодового акустического импульсного сигнала опроса навигационных маяков и таймер с генератором синхроимпульсов для запуска генератора-формирователя и передатчика кодового сигнала опроса, блок приема и первичной обработки сигналов состоит из многоканального приемника, усилителя кодоимпульсных электрических сигналов, полосового фильтра с центральной частотой fм для фильтрации кодоимпульсных электрических сигналов и аналого-цифрового преобразователя кодоимпульсных электрических сигналов, а вычислительный блок содержит блок памяти, электронный коммутатор, блоки корреляторов сигнала SKMn от маяков Mn, блоки поиска максимумов и определения времени распространения импульсов для сигналов от маяков Mn, блоки определения дистанций для сигналов от маяков Mn, соединенные с блоком вычисления координат объекта навигации.1. Hydroacoustic rangefinder navigation and positioning system, including a navigation base permanently located in the water area at points with known coordinates from M n acoustic beacons for transponders receiving and emitting pulsed signals, and a signal generation and emission unit, a signal receiving and primary processing unit, located on the navigation object signals and computing unit coordinate navigation object, characterized in that the base includes M n beacon transponders with n≥3, as pulse signals isp lzuyut kodoimpulsnye spread spectrum signals Km n with the carrier frequency of the FM block formation and signal radiation comprises a generator-shaper electric kodoimpulsnogo signal Ko survey navigation beacons M n, the transmitter code of the acoustic pulse signal interrogation navigation beacons and timer clock generator for generator start-shaper and the polling code signal transmitter, the signal receiving and primary signal processing unit consists of a multi-channel receiver, a code-pulse amplifier an insulating signals, a bandpass filter with a center frequency of the FM for filtering kodoimpulsnyh electrical signals and analog-to-digital converter kodoimpulsnyh electrical signals, and the computing unit comprises a memory unit, an electronic switch block correlators SK Mn signal from the beacons M n, the search blocks maxima and determining the propagation time pulses for signals from beacons M n , distance determination blocks for signals from beacons M n connected to a unit for calculating coordinates of a navigation object. 2. Гидроакустическая дальномерная система навигации и позиционирования по п. 1, отличающаяся тем, что в качестве многоканального приемника используется одиночный акустоэлектрический преобразователь.2. Hydroacoustic rangefinder navigation and positioning system according to claim 1, characterized in that a single acoustoelectric transducer is used as a multi-channel receiver.
RU2016132753A 2016-08-08 2016-08-08 Hydroacoustic rho-rho navigation system RU2624980C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016132753A RU2624980C1 (en) 2016-08-08 2016-08-08 Hydroacoustic rho-rho navigation system

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016132753A RU2624980C1 (en) 2016-08-08 2016-08-08 Hydroacoustic rho-rho navigation system

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2624980C1 true RU2624980C1 (en) 2017-07-11

Family

ID=59495063

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2016132753A RU2624980C1 (en) 2016-08-08 2016-08-08 Hydroacoustic rho-rho navigation system

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2624980C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111366897A (en) * 2020-04-02 2020-07-03 中国科学院深海科学与工程研究所 Signal design and processing method for high-precision underwater sound positioning system

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2032187C1 (en) * 1992-08-10 1995-03-27 Институт проблем морских технологий Дальневосточного отделения РАН Sonar synchronous range-finding navigation system
RU2158431C1 (en) * 1999-05-18 2000-10-27 Институт проблем морских технологий Дальневосточного отделения РАН Sonar synchronous distance-measuring navigation system for hollow sea
US7196971B2 (en) * 2004-01-26 2007-03-27 Siemens Milltronics Process Instruments, Inc. Method and apparatus for damping an ultrasonic transducer suitable for time of flight ranging and level measurement systems
JP2008128968A (en) * 2006-11-24 2008-06-05 Tokyo Univ Of Marine Science & Technology System and method for underwater positioning
RU2483326C2 (en) * 2011-04-26 2013-05-27 Российская Федерация, От Имени Которой Выступает Министерство Промышленности И Торговли Российской Федерации Hydroacoustic synchronous range-finding navigation system for positioning underwater objects in navigation field of randomly arranged hydroacoustic transponder beacons

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2032187C1 (en) * 1992-08-10 1995-03-27 Институт проблем морских технологий Дальневосточного отделения РАН Sonar synchronous range-finding navigation system
RU2158431C1 (en) * 1999-05-18 2000-10-27 Институт проблем морских технологий Дальневосточного отделения РАН Sonar synchronous distance-measuring navigation system for hollow sea
US7196971B2 (en) * 2004-01-26 2007-03-27 Siemens Milltronics Process Instruments, Inc. Method and apparatus for damping an ultrasonic transducer suitable for time of flight ranging and level measurement systems
JP2008128968A (en) * 2006-11-24 2008-06-05 Tokyo Univ Of Marine Science & Technology System and method for underwater positioning
RU2483326C2 (en) * 2011-04-26 2013-05-27 Российская Федерация, От Имени Которой Выступает Министерство Промышленности И Торговли Российской Федерации Hydroacoustic synchronous range-finding navigation system for positioning underwater objects in navigation field of randomly arranged hydroacoustic transponder beacons

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111366897A (en) * 2020-04-02 2020-07-03 中国科学院深海科学与工程研究所 Signal design and processing method for high-precision underwater sound positioning system
CN111366897B (en) * 2020-04-02 2023-03-21 中国科学院深海科学与工程研究所 Signal design and processing method for high-precision underwater sound positioning system

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2599902C1 (en) Method of navigating underwater objects and system for its implementation
AU2009222991B2 (en) Autonomous sonar system and method
US8509030B2 (en) Underwater acoustic positioning system
RU2365939C1 (en) Method of underwater navigation
RU2456634C1 (en) Method of navigating submarine object using hydroacoustic navigation system
JP4968827B2 (en) Underwater positioning system and underwater positioning method
Gassmann et al. Three-dimensional tracking of Cuvier's beaked whales' echolocation sounds using nested hydrophone arrays
US20100061187A1 (en) Positioning system
RU2371738C1 (en) Hydroacoustic navigation system
CN110703203A (en) Underwater pulsed sound positioning system based on multi-acoustic wave glider
RU2483326C2 (en) Hydroacoustic synchronous range-finding navigation system for positioning underwater objects in navigation field of randomly arranged hydroacoustic transponder beacons
US7362655B1 (en) Time-synchronous acoustic signal ranging system and method
RU2451300C1 (en) Hydroacoustic navigation system
RU2506605C2 (en) Ranging method and device to determine coordinates of radiation source
RU2689281C1 (en) Method for navigation-information support of deep-sea autonomous unmanned underwater vehicle
JP6207817B2 (en) Underwater position-related information acquisition system
RU2624980C1 (en) Hydroacoustic rho-rho navigation system
CN111537946A (en) Underwater beacon directional positioning system and method
RU2431156C1 (en) Method of positioning by hydroacoustic navigation system
RU2545068C1 (en) Measurement method of changes of heading angle of movement of source of sounding signals
RU2510608C1 (en) Method of measuring thickness of ice from underwater vehicle
JP2005321225A (en) Underwater sound source, sound positioning device and sound positioning system
RU2568071C1 (en) Hydroacoustic positioning system
RU2529207C1 (en) Navigation system for towed underwater vehicle
RU2463624C1 (en) Hydroacoustic navigation system