RU2674404C1

RU2674404C1 - Method of navigation and positioning of underwater objects in deep-water channel at large distance and system for its implementation

Info

Publication number: RU2674404C1
Application number: RU2018100876A
Authority: RU
Inventors: Юрий Александрович Половинка; Алексей Олегович Максимов
Priority date: 2018-01-10
Filing date: 2018-01-10
Publication date: 2018-12-07

Abstract

FIELD: hydro acoustics.

SUBSTANCE: invention relates to underwater passive hydroacoustic navigation systems in the deep ocean at large distances from emitters and over large areas of water. For positioning underwater objects at large (500 km and more) distances from the coast in the open ocean, in the shelf (shallow) region of the ocean stationary (at the bottom or on the bottom platforms) place the emitters of navigation signals in such a way that the horizontal distances between adjacent emitters are comparable with the distances to underwater objects in the deep-sea part of the ocean. On the border of the shelf zone and the deep-sea part of the ocean or in the area of the oceanic dump, vertical acoustic receiving systems are permanently installed, which are designed to receive the calibration signal from the emitters and, in feedback mode, for the formation of acoustic navigation signals with specified parameters on the axis of the deep-water underwater sound channel for passive navigation and positioning of underwater objects. Invention is based on the definition and setting of optimal angular characteristics of the directivity and duration of the navigation and information signals and their focusing on the axis of the deep-water audio channel in the region of the continental ramp.

EFFECT: accuracy and reliability of measuring distances and underwater positioning of navigation objects at long ranges in the deep ocean, including for changing environmental conditions, improving the quality and stability of the characteristics of the navigation / communication / control signals, reducing and optimizing the radiation power and increasing the efficiency of the emitters of the ranging and / or navigation systems.

6 cl, 13 dwg, 1 tbl

Description

Изобретение относится к гидроакустическим навигационным способам и системам, конкретно, к подводным пассивным гидроакустическим навигационным системам большого радиуса действия.The invention relates to sonar navigation methods and systems, in particular, to underwater passive sonar navigation systems with a long range.

Задачи глобального позиционирования, навигации и синхронизации времени (PNT) технических систем как для военных, так и для гражданских целей и приложений над водной и земной поверхностью, могут решать спутниковые радиочастотные системы позиционирования (ГЛОНАСС/GPS/Galileo/IRNSS/Compass/QZSS). Однако сигналы с радиочастотами, используемыми данными системами, не могут проникать в морскую воду на достаточную глубину и использоваться для позиционирования подводных объектов и устройств.The tasks of global positioning, navigation and time synchronization (PNT) of technical systems for both military and civilian purposes and applications above the water and land surface can be solved by satellite radio-frequency positioning systems (GLONASS / GPS / Galileo / IRNSS / Compass / QZSS). However, signals with radio frequencies used by these systems cannot penetrate into seawater to a sufficient depth and can be used to position underwater objects and devices.

Подводные устройства и аппараты используют для навигации инерционные измерительные устройства (IMU), но они могут быть единственным средством для подводной навигации только в случае коротких по продолжительности миссий (в ограниченном по площади районе работ), 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 (IMU) for navigation, but they can be the only means for underwater navigation only in the case of short-duration missions (in a limited area of work), since the accumulated error of the inertial number system ultimately requires external corrective measurements to maintain or restore accurate performance.

Для решения проблемы подводного приема сигналов управления и навигации подводными объектами (подводными аппаратами), при работе на шельфе и в открытых районах Мирового океана без подъема подводных объектов на поверхность, предлагается использование лазерных каналов измерений и связи, с передачей сигналов со спутников на погруженный подводный объект (ПО) и обратно, с адаптацией этих каналов к влиянию метеофакторов и волнения моря (п.РФ №2390098 С2, МПК Н04В 11/01 (2006.1)]. Доставка информации на подводный объект и формирование для него подводного лазерного навигационного поля в заданном районе океана (площадью не менее десяти тысяч квадратных километров) осуществляется всеми спутниками, в зоне видимости которых находится обеспечиваемый район. Предполагается, что система, реализующая предлагаемый способ, может обеспечить достижение следующих тактико-технических характеристик информационно-координатного обеспечения: высота орбиты КА (системы ГЛОНАСС) - 19100 км; глубина погружения ПО при навигационно-связном сеансе - от 0 до 200 м; погрешность местоопределения ПО - до десяти метров; скорость передачи информации - до 1 кбит/с; оперативность связи при многоканальной связи через непрерывную облачность - от 5 до 10 с. Вес и энергопотребление устройств лазерной навигации и связи на спутнике максимально 80 кг и 1кВт, соответственно.To solve the problem of underwater reception of control and navigation signals by underwater objects (underwater vehicles), when working on the shelf and in open areas of the World Ocean without lifting underwater objects to the surface, it is proposed to use laser measurement and communication channels, with the transmission of signals from satellites to an immersed underwater object (PO) and vice versa, with the adaptation of these channels to the influence of meteorological factors and sea waves (item RF No. 2390098 C2, IPC Н04В 11/01 (2006.1)]. Information delivery to the underwater object and formation of an underwater la grain navigation field in a given area of the ocean (an area of at least ten thousand square kilometers) is carried out by all satellites in the visibility area of which is provided area. It is assumed that the system that implements the proposed method can achieve the following tactical and technical characteristics of information and coordinate support: the orbit height of the spacecraft (GLONASS system) is 19100 km; the depth of software immersion during a navigation-connected session is from 0 to 200 m; software location error - up to ten meters; information transfer rate - up to 1 kbit / s; communication efficiency in multi-channel communication through continuous cloud cover - from 5 to 10 s. The weight and power consumption of laser navigation and communication devices on the satellite are maximum 80 kg and 1 kW, respectively.

К недостаткам предлагаемой системы можно отнести высокую техническую сложность системы (и эксплуатационные расходы) за счет использования космической группировки специализированных спутников большой численности (для навигационного покрытия всей поверхности океана), а также использования береговой инфраструктуры для лазерной коррекции измерений. Соответственно, надежность всей системы будет определяться надежностью всех ее наземных элементов, а не только «подводной» ее частью. Указанная система не сможет выполнять своих функций для областей океана с сезонным ледовым покрытием, в условиях сильных поверхностных загрязнений или высокой плотности рассеивателей различных видов в приповерхностном слое океана. Необходимость обеспечения дуплексной связи между подводным объектом и спутниками, требует наличия соответствующей аппаратуры и источников ее электропитания на борту ПО, что ограничивает круг подводных объектов, исключая из него подводные устройства небольшого водоизмещения.The disadvantages of the proposed system include the high technical complexity of the system (and operating costs) due to the use of a large space constellation of specialized satellites (for navigational coverage of the entire ocean surface), as well as the use of coastal infrastructure for laser correction of measurements. Accordingly, the reliability of the entire system will be determined by the reliability of all its ground elements, and not just its “underwater” part. The indicated system will not be able to perform its functions for areas of the ocean with seasonal ice cover, under conditions of severe surface pollution or high density of diffusers of various types in the surface layer of the ocean. The need to provide duplex communication between the underwater object and satellites requires the availability of appropriate equipment and its power sources on board the software, which limits the range of underwater objects, excluding from it underwater devices of small displacement.

Известно, что низкое затухание акустических сигналов под водой позволяет использовать их при проектировании и создании разнообразных навигационных систем как по используемым сигналам, так и по решаемым задачам. Системы позиционирования и навигации большой дальности, как правило, используют схемы с длинной базой (LBL) и триангуляционные методики позиционирования, для которых определение дистанций между излучателями и подводными объектами, выполняется по измеренным временам распространения импульсных сигналов от акустических маяков приемоответчиков до подводных объектов.It is known that the low attenuation of acoustic signals under water allows you to use them in the design and creation of a variety of navigation systems both for the signals used and for the tasks to be solved. Long-range positioning and navigation systems, as a rule, use long-base (LBL) circuits and triangulation positioning techniques for which the distance between emitters and underwater objects is determined by the measured propagation times of pulse signals from acoustic beacons of transponders to underwater objects.

Типичная синхронная дальномерная навигационная система с длинной базой имеет донную навигационную базу из М гидроакустических маяков-приемоответчиков с различными рабочими частотами ответа и размещаемые на объекте навигации гидроакустический передатчик, генератор синхроимпульсов, М-канальный приемник, М измерителей времени распространения гидроакустических сигналов до приемоответчиков и обратно и вычислитель координат объекта навигации [Милн П.Х. Гидроакустические системы позиционирования: Пер. с англ. - Л.: Судостроение. - 1989. - 272 с.]. Процесс позиционирования включает измерение времени распространения звукового сигнала от объекта навигации до маяков и обратно, вычислении дистанций между объектом навигации и маяками с учетом постоянства скорости звука в водной среде и последующего пересчета этих дистанций в координаты объекта навигации.A typical long-range synchronous navigation system with a long base has a bottom navigation base of M hydroacoustic transponder beacons with different operating response frequencies and a hydroacoustic transmitter, a clock generator, an M-channel receiver, M hydro-acoustic signal propagation time meters to transponders and back and forth calculator coordinates of the navigation object [Milne P.Kh. Hydroacoustic positioning systems: Per. from English - L .: Shipbuilding. - 1989. - 272 p.]. The positioning process includes measuring the propagation time of the sound signal from the navigation object to the beacons and vice versa, calculating the distances between the navigation object and the beacons, taking into account the constancy of the speed of sound in the aquatic environment and the subsequent conversion of these distances into the coordinates of the navigation object.

Однако, использование систем, основанных на измерении дистанций по времени распространения 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, зональная структура акустического поля, ограничение частотной полосы пропускной способности каналов, межсимвольная интерференция, наличие экологических и техногенных шумов и т.п. Основным фактором, ограничивающим возможность известных навигационных систем с длинной базой в активном или пассивном режимах работы обеспечить надежное позиционирование неограниченного количества подводных объектов на больших по площади акваториях мирового океана, в конечном счете, является сложность обеспечить излучение импульсных навигационных сигналов с известными характеристиками, выполнить их прием и надежную идентификацию на подводном объекте на больших дальностях, что необходимо для определения дистанции до каждого маяка/излучателя по измеренным временам распространения импульсов.However, the use of systems based on measuring the distance over the propagation time of pulsed acoustic signals in underwater channels poses a number of problems. These include - time-varying multipath propagation of signals and delays of pulsed signals during propagation along the rays, the zonal structure of the acoustic field, the limitation of the frequency bandwidth of the channel bandwidth, intersymbol interference, the presence of environmental and technological noise, etc. The main factor limiting the ability of known navigation systems with a long base in active or passive operating modes to ensure reliable positioning of an unlimited number of underwater objects in large areas of the world's oceans, ultimately, the difficulty is to provide radiation of pulsed navigation signals with known characteristics, to receive them and reliable identification at an underwater object at long ranges, which is necessary to determine the distance to each lighthouse / Emitter from the measured pulse propagation times.

Для увеличения дальности действия системы предложена гидроакустическая навигационная система, которая содержит навигационную базу из М гидроакустических приемоответчиков с различными частотами ответа, гидроакустический приемопередатчик, аппаратуру измерения временных интервалов распространения сигналов п. РФ №2477497 С2, МПК 01SG 15/08 (2006.1)]. Часть из М гидроакустических приемоответчиков навигационной базы закреплена на морском дне, остальные установлены на водной поверхности и оснащены приемниками сигналов спутниковых радионавигационных систем. Антенна гидроакустического приемопередатчика выполнена с электронно-управляемой формой характеристики направленности, при этом управление формой характеристики направленности осуществляется с помощью навигационного вычислителя, число лучей характеристики направленности поддерживается равным числу маяков-ответчиков, а их ширина - обратно пропорциональной дистанциям соответствующих маяков ответчиков до объекта навигации.To increase the range of the system, a hydroacoustic navigation system is proposed, which contains a navigation base of M hydroacoustic transponders with different response frequencies, a hydroacoustic transceiver, equipment for measuring the time intervals of signal propagation of RF Cl. No. 2477497 C2, IPC 01SG 15/08 (2006.1)]. Some of the M hydroacoustic transponders of the navigation base are 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 hydroacoustic transceiver is made with an electronically controlled form of the directivity pattern, while the shape of the directivity pattern is controlled by a navigation computer, the number of beams of the directivity pattern is maintained equal to the number of transponder beacons, and their width is inversely proportional to the distances of the respective transponder beacons to the navigation object.

Недостатком указанной системы является наличие в системе приемоответчиков, расположенных на поверхности, ввиду зависимости их работоспособности от погодных и климатических условий на поверхности (штормы, ураганы, волнение, наличие льда), а также угроза гибели, при работе в районах с развитым рыболовством и судоходством. Использование информации с GPS требует наличия и устойчивой работы данной системы в районах обеспечения подводной навигации. Использование фазированных решеток с управляемыми характеристиками направленности в качестве антенн приемопередатчиков возможно только на подводных аппаратах соответствующих размеров и является технически сложной задачей для небольших по водоизмещению подводных аппаратов. Наличие в схеме автономных приемоответчиков не позволяет, при необходимости, оперативно производить изменение режимов их работы, а также требуется их большое количество, для обеспечения глобальной навигации неограниченного числа подводных объектов.The disadvantage of this system is the presence in the system of transponders located on the surface, due to the dependence of their performance on weather and climatic conditions on the surface (storms, hurricanes, unrest, ice), as well as the threat of death when working in areas with developed fishing and shipping. The use of information with GPS requires the availability and stable operation of this system in areas providing underwater navigation. The use of phased arrays with controlled directivity characteristics as transceiver antennas is possible only on underwater vehicles of appropriate sizes and is a technically challenging task for underwater vehicles of small displacement. The presence in the circuit of autonomous transponders does not allow, if necessary, to quickly change their operating modes, and also requires a large number of them to ensure global navigation of an unlimited number of underwater objects.

Известно, что в глубоководном канале акустические сигналы могут распространяться на большие (~3500-4000 км) расстояния [Spiesberger J.L. and Tappert F.D. Kaneohe acoustic thermometer further validated with rays over 3700 km and the demise of the idea of axially trapped energy // J. Acoust. Soc. Amer. 1996, Vol. 99, P. 173-184].It is known that in a deep-sea channel acoustic signals can propagate over large (~ 3500-4000 km) distances [Spiesberger J.L. and Tappert F.D. Kaneohe acoustic thermometer further validated with rays over 3700 km and the demise of the idea of axially trapped energy // J. Acoust. Soc. Amer. 1996, Vol. 99, P. 173-184].

Принципиальная возможность приема и идентификации акустических сигналов на дальности 3115 км продемонстрирована в эксперименте по излучению акустических сигналов с центральной частотой 75 Гц излучателем с глубины 818 метров, вблизи острова Кауаи (Гавайские острова) и приеме сигналов в заливе Аляска на горизонтальную, буксируемую на глубине 372 метра, антенну [Spiesberger J.L. Acoustic identification of a single transmission at 3115 km from a bottom-mounted source at Kauai // J. Acoust. Soc. Amer. 2004, Vol. 115 (4), April, P. 1497-1504].The fundamental possibility of receiving and identifying acoustic signals at a distance of 3115 km was demonstrated in an experiment on the emission of acoustic signals with a central frequency of 75 Hz by an emitter from a depth of 818 meters, near the island of Kauai (Hawaiian Islands), and the reception of signals in the Gulf of Alaska to a horizontal towed to a depth of 372 meters antenna [Spiesberger JL Acoustic identification of a single transmission at 3115 km from a bottom-mounted source at Kauai // J. Acoust. Soc. Amer. 2004, Vol. 115 (4), April, P. 1497-1504].

В работе [Tappert F.D., Spiesberger J.L., Wofson M.A. Study of a novel range dependent propagation effect with application to the axial injection of signals from the Kaneohe source // J. Acoust. Soc. Amer. 2002, Vol. 111, №2., P. 757-762] приведены и проанализированы результаты эксперимента по переходу акустических сигналов из звукового канала мелкого моря в звуковой канал глубокого моря. Из результатов численного моделирования указанного эксперимента следует, что возможны два механизма такого перехода. Первый - это аналог «акустического оползня», когда поток акустической энергии от излучателя, расположенного на шельфе распространяется вдоль континентального склона и захватывается в глубоководный канал. Второй механизм имеет геометрическую природу и связан с процессом переотражения акустических лучей от поверхности и дна. В зависимости от среднего угла наклона дна часть переотраженных лучей также уходит глубоководный канал.In [Tappert F.D., Spiesberger J.L., Wofson M.A. Study of a novel range dependent propagation effect with application to the axial injection of signals from the Kaneohe source // J. Acoust. Soc. Amer. 2002, Vol. 111, No. 2., P. 757-762] the results of the experiment on the transition of acoustic signals from the sound channel of the shallow sea to the sound channel of the deep sea are presented and analyzed. From the results of numerical modeling of the indicated experiment it follows that two mechanisms of such a transition are possible. The first is an analogue of the “acoustic landslide”, when the flow of acoustic energy from a radiator located on the shelf propagates along the continental slope and is captured in a deep-sea channel. The second mechanism has a geometric nature and is associated with the process of re-reflection of acoustic rays from the surface and the bottom. Depending on the average angle of inclination of the bottom, part of the reflected rays also leaves the deep-sea channel.

Похожие результаты приводятся в работе [Безответных В.В., Буренин А.В., Моргунов Ю.Н., Половинка Ю.А. Экспериментальные исследования особенностей распространения импульсных сигналов из шельфа в глубокое море // Акуст. журн., т. 55, №3, 2009, с. 374-380]. Экспериментально показано, размещение источника звука у дна на шельфе, вблизи береговой черты, позволяет сформировать в глубоком море, вблизи оси ПЗК, сплошную зону освещенности и стабильную импульсную характеристику, с двумя основными приходами акустической энергии, с углами близкими к нулевым, на расстояниях до 368 км.Similar results are given in [Bezotvetnykh V.V., Burenin A.V., Morgunov Yu.N., Polovinka Yu.A. Experimental studies of the propagation of pulsed signals from the shelf to the deep sea // Akust. Journal., vol. 55, No. 3, 2009, p. 374-380]. It is experimentally shown that the placement of a sound source at the bottom on the shelf, near the coastline, allows you to form in the deep sea, near the CCD axis, a continuous illumination zone and a stable impulse response, with two main arrivals of acoustic energy, with angles close to zero, at distances up to 368 km

В работе Акуличева В.А., Моргунова Ю.Н, Бородина А.Е. «Региональная система подводного навигационного обеспечения и дистанционного управления» (Фундаментальная и прикладная гидрофизика, №2, Т. 7, 2014, С. 36-40) предложен способ гидроакустической дальнометрии, который обеспечивает возможность разработки и создания нового поколения высокоточных гидроакустических навигационных систем (ГНС) с большим радиусом действия. Способ позволяет увеличить дальность действия ГНС, повысить точности позиционирования, расширить функциональность и повысить надежность ГНС. При реализации способа используются фазоманипулированные импульсные сигналы, излучаемые гидроакустическими маяками, размещенными вблизи побережья, с возможностью использования ГНС для передачи навигационных сигналов и команд управления на подводные средства (ПС), аппаратура которых работает только в режиме приема. В экспериментах 2004-2006 годов показано, что фазоманипулированные импульсные сигналы уверено принимаются на одиночный дрейфующий гидрофон на дистанциях, превышающих 500 км.In the work of Akulichev V.A., Morgunova Yu.N., Borodin A.E. “Regional system of underwater navigation support and remote control” (Fundamental and Applied Hydrophysics, No. 2, Vol. 7, 2014, pp. 36-40), a method for sonar ranging is proposed, which allows the development and creation of a new generation of high-precision sonar navigation systems (GNS) ) with a large radius of action. The method allows to increase the range of the GNS, to improve the accuracy of positioning, to expand the functionality and improve the reliability of the GNS. When implementing the method, phase-manipulated pulsed signals emitted by hydroacoustic beacons located near the coast are used, with the possibility of using the STS to transmit navigation signals and control commands to underwater means (PS), the equipment of which operates only in the reception mode. In the experiments of 2004-2006, it was shown that phase-shift pulse signals are confidently received on a single drifting hydrophone at distances exceeding 500 km.

Предложен способ навигации подводных объектов (ПО) по навигационным маякам в двух режимах по дальности: меньше 20 км и больше 20 км до маяков (п. РФ №2469346 С1, МПК G01S 3/80). Изобретение относится к способам навигации подводных объектов, конкретно к способам определения местонахождения подводных автономных объектов (ПО) относительно гидроакустических маяков. Решаемые предлагаемым способом задачи - увеличение дальности действия и повышение точности способа позиционирования, а также расширение функциональности и надежности способа, обеспечиваются использованием в качестве излучаемого сигнала сложных сигналов низкочастотного диапазона, размещением гидроакустических излучателей вблизи побережья, а также работой акустического тракта ПО только в режиме приема.A method is proposed for navigating underwater objects (PO) over navigation beacons in two range modes: less than 20 km and more than 20 km to lighthouses (Russian Federation No. 2469346 C1, IPC G01S 3/80). The invention relates to methods for navigating underwater objects, specifically to methods for determining the location of underwater autonomous objects (SO) relative to sonar beacons. The tasks solved by the proposed method — increasing the range and increasing the accuracy of the positioning method, as well as expanding the functionality and reliability of the method, are ensured by using complex low-frequency signals as the emitted signal, placing hydroacoustic emitters near the coast, and also operating the acoustic path of the software only in reception mode.

В указанном способе размещают вблизи побережья на глубине, превышающей в 5-10 раз длину волны излучаемого гидроакустического сигнала, акустические маяки, работающие в низкочастотном диапазоне и излучающие сложные, преимущественно фазоманипулированные или частотно-модулированные сигналы с центральной частотой ниже 10 кГц. Координаты маяков и электронные копии излучаемых ими сигналов вводят в бортовую систему вычисления координат ПО. Вычисление координат ПО включает выделение бортовым устройством полезного сигнала акустических маяков посредством взаимно корреляционной обработки принятого сигнала с электронной копией излученного сигнала в реальном времени, при этом для дистанций, меньших 20 км, и условий мелкого моря выбирают первый по времени приход полезного сигнала, а для дистанций, больших 20 км, и глубокого моря - последний приход.In this method, acoustic beacons operating in the low-frequency range and emitting complex, mainly phase-shifted or frequency-modulated signals with a central frequency below 10 kHz are placed near the coast at a depth exceeding 5-10 times the wavelength of the emitted hydroacoustic signal. The coordinates of the beacons and electronic copies of the signals emitted by them are introduced into the on-board system for calculating the coordinates of the software. The calculation of software coordinates involves the on-board device extracting the useful signal of the acoustic beacons by means of cross-correlation processing of the received signal with an electronic copy of the emitted signal in real time, while for distances less than 20 km and shallow sea conditions the first in time arrival of the useful signal is selected, and for distances , large 20 km, and the deep sea - the last parish.

Известен способ позиционирования объекта в подводном канале и система большого радиуса действия для его осуществления, рассматриваемые нами в качестве наиболее близкого аналога (п. США №9013959 МПК G01S 3/80 (2006.1).There is a method of positioning an object in an underwater channel and a long-range system for its implementation, which we consider as the closest analogue (US No. 9013959 IPC G01S 3/80 (2006.1).

Способ включает в себя прием на объекте акустических сигналов, по меньшей мере, из двух источников, на частоте, соответствующей, по меньшей мере, одному волноводному режиму, связанному с подводным каналом, в котором в заданное время излучаются соответствующие акустические сигналы. Способ также включает в себя определение времени прихода, для принятых акустических сигналов, по меньшей мере, одной волноводной моды исходя из заданного времени излучения. Способ также включает в себя определение геофизического положения на основе времени прихода и групповой скорости, по меньшей мере, для одной волноводной моды.The method includes receiving at the object acoustic signals from at least two sources at a frequency corresponding to at least one waveguide mode associated with the underwater channel in which corresponding acoustic signals are emitted at a given time. The method also includes determining the time of arrival, for the received acoustic signals of at least one waveguide mode based on a given radiation time. The method also includes determining the geophysical position based on the arrival time and group velocity for at least one waveguide mode.

Система акустического позиционирования в подводном канале включает, по меньшей мере, два источника для передачи акустических сигналов и приемник, расположенный на объекте для приема акустических сигналов, по меньшей мере, от двух источников. Каждый акустический сигнал имеет частоту, соответствующую, по меньшей мере, одному волноводному режиму, связанному с подводным каналом, в котором акустические сигналы излучаются в соответствующее заданное время передачи. Приемник включает в себя процессор для определения времени прихода, по меньшей мере, для одного волноводного режима из принятых акустических сигналов на основе соответствующих заданных времен излучения и для определения геофизического положения объекта в зависимости от времени распространения и групповой скорости моды, по меньшей мере, для одного волноводного режима. Используемые акустические сигналы представляют собой низкочастотные сигналы не более 500 Гц.The acoustic positioning system in the underwater channel includes at least two sources for transmitting acoustic signals and a receiver located on the object for receiving acoustic signals from at least two sources. Each acoustic signal has a frequency corresponding to at least one waveguide mode associated with an underwater channel in which acoustic signals are emitted at a corresponding predetermined transmission time. The receiver includes a processor for determining the arrival time for at least one waveguide mode from the received acoustic signals based on the corresponding given radiation times and for determining the geophysical position of the object depending on the propagation time and group mode velocity for at least one waveguide mode. The acoustic signals used are low-frequency signals of not more than 500 Hz.

Однако, в известном методе и устройстве реализуют определение положения объекта только в акваториях с мелководным каналом (где глубина составляет около 200 м или менее) например, в областях континентального шельфа на дистанциях меньше 100 километров. Для позиционирования в каждом из принимаемых на ПО навигационных акустических сигналов выполняется выделение, определение и идентификация одной или нескольких волноводных мод с определением групповой скорости мод, с учетом профиля скорости звука для каждого источника и измеренных времен прихода мод в принятых акустических сигналах.However, in the known method and device, the position of an object is realized only in water areas with a shallow channel (where the depth is about 200 m or less), for example, in areas of the continental shelf at distances of less than 100 kilometers. For positioning in each of the navigation acoustic signals received at the software, one or several waveguide modes are selected, identified and identified with group mode velocity determined, taking into account the sound velocity profile for each source and the measured mode arrival times in the received acoustic signals.

В рамках используемого в прототипе модового описания распространения акустических (навигационных) сигналов, для точного расчета параметров мод (номеров и групповых скоростей) и их идентификации в мелководных каналах, требуется дополнительная информация о профиле и геофизических параметрах дна вдоль трасс распространения излучатель-подводный объект и, в общем случае, знание горизонтальной изменчивости вертикального профиля скорости звука c(z) между всеми источниками и приемником. В зависимости от корректности задания указанных параметров, зависит точность расчета групповой скорости и, как следствие, горизонтальных дальностей до ПО. При этом, точность позиционирования используемыми методами триангуляции определяется точностью проведенного расчета горизонтальных дальностей.In the framework of the mode description used in the prototype for the propagation of acoustic (navigation) signals, for accurate calculation of the mode parameters (numbers and group velocities) and their identification in shallow channels, additional information on the profile and geophysical parameters of the bottom along the propagation paths of the emitter-underwater object and, in general, knowledge of the horizontal variability of the vertical profile of the speed of sound c (z) between all sources and the receiver. Depending on the correctness of the specified parameters, the accuracy of calculating the group speed and, as a consequence, the horizontal ranges to the software depends. Moreover, the accuracy of positioning using the triangulation methods is determined by the accuracy of the calculation of horizontal ranges.

Также в рамках данного метода, использующего модовое описание распространения навигационных сигналов для навигации в звуковом канале глубокого океана, при излучении сигналов из мелководного канала шельфовой зоны будет сложно выполнить точную идентификацию мод (с последующим определением их групповых скоростей) и определение времен приходов мод на подводный объект из-за процесса взаимодействия мод при распространении в области изменения глубин (в области свала). Изменение вертикальной структуры мод при распространении на больших дальностях снизит надежность их идентификации и значительно увеличит время расчетов, требуемые вычислительные ресурсы и определение точных групповых скоростей распространения сигналов и общую точность позиционирования.Also, within the framework of this method, which uses the modal description of the propagation of navigation signals for navigation in the sound channel of the deep ocean, when signals are emitted from the shallow channel of the shelf zone, it will be difficult to accurately identify the modes (with subsequent determination of their group velocities) and determine the times of arrival of the modes on the underwater object due to the process of mode interaction during propagation in the field of depth changes (in the dump area). Changing the vertical structure of modes during propagation at long ranges will reduce the reliability of their identification and significantly increase the calculation time, the required computing resources and the determination of the exact group velocities of signal propagation and the overall positioning accuracy.

Техническая проблема состоит в разработке пассивной дальномерной системы навигации в глубоком океане с обеспечением позиционирования и навигации подводных объектов на больших (500-2500 км) дальностях от излучателей навигационных сигналов и на больших по площади (~6.25×10⁶ км²) акваториях с использованием небольшого числа излучателей, установленных в шельфовой зоне и/или зоне континентального свала.The technical problem is the development of a passive rangefinding navigation system in the deep ocean with the provision of positioning and navigation of underwater objects at large (500–2500 km) distances from navigation signal emitters and over large areas (~ 6.25 × 10 ⁶ km ² ) using small the number of emitters installed in the shelf zone and / or the continental dump zone.

Технический результат: точность и надежность измерения дистанций и подводного позиционирования объектов навигации на больших дальностях в глубоком океане, в том числе для изменяющихся условий окружающей среды, улучшение качества и стабильности характеристик навигационных/коммуникационных/управляющих сигналов, снижение и оптимизация мощности излучения и повышение эффективности работы излучателей дальномерных и/или навигационных систем.Technical result: accuracy and reliability of measuring distances and underwater positioning of navigation objects at long ranges in the deep ocean, including for changing environmental conditions, improving the quality and stability of the characteristics of navigation / communication / control signals, reducing and optimizing radiation power and increasing work efficiency emitters of rangefinding and / or navigation systems.

Проблема решается заявляемым способом пассивного позиционирования и навигации подводного объекта, включающим излучение кодоимпульсных фазоманипулированных навигационных и информационных сигналов с частотой в диапазоне 50-200 Гц и длительностью от 10 до 100 с угловыми характеристиками направленности излучения в горизонтальной плоскости в соответствии с расположением требуемой пространственной области навигационного обеспечения, как минимум, тремя акустическими маяками, стационарно размещенными в зоне шельфа на дистанциях друг от друга, соизмеримых с дистанцией до подводного объекта, прием сигналов, как минимум, одной вертикальной измерительной антенной для каждого маяка, стационарно размещенной с известными координатами в области подводного звукового канала на границе глубокого моря, причем приемные акустические датчики антенн объединены с измерителями локальной скорости звука, определение положения оси подводного канала и вертикальных угловых характеристик рабочих навигационных сигналов, принимаемых на оси глубоководного звукового канала, излучение маяками выбранных рабочих навигационных сигналов, прием их расположенными на оси подводного звукового канала приемными акустическими датчиками каждой из антенн, определение времени приема, вертикального распределения скорости звука вдоль антенны, формирование и передача информационных сообщений на навигационный комплекс подводного объекта маяками, соответствующими антеннам, при этом маяки и антенны синхронизированы с эталоном времени; прием подводным объектом навигационных сигналов и информационных сообщений, как минимум, от трех маяков, выделение, определение и идентификация времен приходов импульсов в каждом из принимаемых навигационных сигналов в рамках лучевого приближения с учетом значений скорости звука вдоль вертикальной антенны и в точке приема подводным объектом, определение горизонтальных дистанций от вертикальных антенн до подводного объекта с учетом информационных сообщений и последующее позиционирование подводного объекта относительно вертикальных антенн методом триангуляции, и определение положения подводного объекта в пространстве с учетом географических координат антенн и глубины подводного объекта.The problem is solved by the claimed method of passive positioning and navigation of an underwater object, which includes emitting phase-coded phase-shifted navigation and information signals with a frequency in the range of 50-200 Hz and a duration of 10 to 100 with angular radiation directivity in the horizontal plane in accordance with the location of the required spatial area of navigation support at least three acoustic beacons permanently located in the shelf area at distances from each other a, commensurate with the distance to the underwater object, receiving signals from at least one vertical measuring antenna for each beacon, stationary located with known coordinates in the area of the underwater sound channel at the deep sea border, and the receiving acoustic sensors of the antennas are combined with meters of local sound velocity, determining the position of the axis of the underwater channel and the vertical angular characteristics of the working navigation signals received on the axis of the deep-sea sound channel, radiation by beacons in selected working navigation signals, receiving them by the receiving acoustic sensors of each antenna located on the axis of the underwater sound channel, determining the reception time, vertical distribution of the speed of sound along the antenna, generating and transmitting information messages to the navigation complex of the underwater object with beacons corresponding to the antennas, while beacons and antennas are synchronized with the time standard; reception by the underwater object of navigation signals and information messages from at least three beacons, isolation, determination and identification of arrival times of pulses in each of the received navigation signals as part of the beam approximation, taking into account sound velocity along the vertical antenna and at the point of reception by the underwater object, determination horizontal distances from vertical antennas to the underwater object, taking into account information messages and the subsequent positioning of the underwater object are relatively vertical x antennas by triangulation, and determining the position of the underwater object in space, taking into account the geographical coordinates of the antennas and the depth of the underwater object.

Проблема решается также заявляемой системой для пассивного позиционирования и навигации на больших дальностях, включающей как минимум, три размещенных стационарно в области шельфа маяка, излучающих кодоимпульсные фазоманипулированные навигационные и информационные сигналы и обладающих широкоугольной горизонтальной диаграммой направленности и управляемой диаграммой направленности в узком диапазоне углов в вертикальной плоскости, размещенных таким образом, чтобы горизонтальные расстояния между соседними маяками были соизмеримы с расстояниями до подводных объектов; береговые центры, соответствующие каждому из маяков, и, как минимум, для каждого маяка одну стационарно размещенную в месте с известными координатами вертикальную измерительную антенну, акустические приемные датчики которой объединены с измерителями локальной скорости звука, и снабженную блоком управления и калибровки, который содержит электронные блоки синхронизируемых высокоточных часов, обработки сигналов с вертикальной антенны, определения параметров рабочих навигационных сигналов, измерения вертикального распределения скорости звука вдоль антенны, расчета времени распространения навигационных сигналов от маяка до антенны и блок формирования информационных сообщений для каждого маяка; бортовой навигационный комплекс подводного объекта, включающий электронные блоки синхронизации времени, приема и первичной обработки кодоимпульсных фазоманипулированных навигационных, содержащих не менее одного импульса, соответствующего распространению сигнала по различным лучевым траекториям, и блока декодировки информационных сигналов, как минимум, от трех маяков, и вычислительного устройства, обеспечивающего вычисления координат подводного объекта, при этом береговые центры соединены энергообеспечивающим и информационным кабелем с маяками и антеннами, а информационными каналами с эталоном времени.The problem is also solved by the claimed system for passive positioning and navigation at long distances, including at least three beacons located stationary in the shelf area, emitting phase-shifted code-manipulated navigation and information signals and having a wide-angle horizontal radiation pattern and a controlled radiation pattern in a narrow range of angles in the vertical plane placed so that the horizontal distances between adjacent beacons are commensurate distance to underwater objects; coastal centers corresponding to each of the lighthouses, and, at least for each lighthouse, one vertical measuring antenna which is permanently located in a place with known coordinates, whose acoustic receiving sensors are combined with local sound velocity meters, and equipped with a control and calibration unit that contains electronic units synchronized high-precision clocks, processing signals from a vertical antenna, determining the parameters of working navigation signals, measuring the vertical distribution soon ti sound along the antenna, calculating the propagation time of the navigation signals from the antenna to the beacon generating unit and data messages to each beacon; onboard navigation complex of an underwater object, including electronic time synchronization, reception and primary processing units for code-pulse phase-shifted navigation, containing at least one pulse corresponding to the signal propagation along different ray paths, and a block for decoding information signals from at least three beacons, and a computing device providing the calculation of the coordinates of the underwater object, while the coastal centers are connected by energy supply and information to Belem with lighthouses and antennas, and information channels with the standard time.

Предлагаемые способ и система пассивного гидроакустического позиционирования и навигации подводных объектов позволяет решить имеющуюся проблему с достижением заявленного технического результата.The proposed method and system of passive sonar positioning and navigation of underwater objects allows you to solve the existing problem with the achievement of the claimed technical result.

Заявляемое изобретение иллюстрируется следующими рисунками.The invention is illustrated by the following figures.

На Фиг. 1 приведена схема системы навигации большой дальности, где БЦ -береговой центр, Mi - навигационные маяк (излучатель), ИAi - измерительная антенна, БУЮ - блок управления и калибровки, ИCi - соответствующий маяку навигационный сигнал, ИСi - информационный сигнал, ЭКi - энергообеспечивающий и информационный кабель, ИКi - информационный наземный канал связи, CКi - спутниковый канал связи, ГПЗКi - направление оси глубоководного подводного звукового канала (индексы - i=1,2,3 порядковых номеров устройств и трасс связанных с соответствующим общим береговым центром); Т_Э - наземный эталон времени, Тс -спутниковый эталон времени, ПО - подводный объект позиционирования и навигации, h1, h2, h3 - изобаты глубин и L1, L1, L1 - горизонтальные дальности до изобат глубин, соответственно.In FIG. Figure 1 shows a diagram of a long-range navigation system, where a BC is a coastal center, Mi is a navigation beacon (emitter), IAi is a measuring antenna, BUY is a control and calibration unit, ICi is a navigation signal corresponding to a beacon, ICi is an information signal, ECi is an energy supply and information cable, IKi - informational ground-based communication channel, SKi - satellite communication channel, GPZKi - axis direction of the deep-sea underwater sound channel (indices - i = 1,2,3 serial numbers of devices and routes associated with the corresponding common coastal center rum); T _E is the ground-based time standard, Tc is the satellite time standard, PO is the underwater positioning and navigation object, h1, h2, h3 are isobaths of depths and L1, L1, L1 are horizontal distances to isobaths of depth, respectively.

На Фиг. 2 представлен комплекс излучения навигационных и информационных сигналов, где i=1; МПЗК₁ - ось подводного звукового канала мелкого моря, ГПЗК₁ - ось глубоководного подводного звукового канала; ГМ - область глубокого моря, ШЕЛЬФ -шельфовая зона.In FIG. 2 shows the radiation complex of navigation and information signals, where i = 1; MPZK ₁ - axis of the underwater sound channel of the shallow sea, GPZK ₁ - axis of the deep-sea underwater sound channel; GM is an area of the deep sea; SHELF is an offshore zone.

На Фиг. 3. представлена схема размещения маяка (М) и измерительной антенны - (ИА), подводного объекта (ПО) для позиционирования, с профилем дна (левая панель) и вертикальный профиль скорости звука (правая панель) для численных расчетов в рамках лучевого описания при моделировании.In FIG. 3. The layout of the beacon (M) and the measuring antenna - (IA), the underwater object (ON) for positioning, with the bottom profile (left panel) and the vertical sound velocity profile (right panel) for numerical calculations in the framework of the beam description during modeling are presented .

На Фиг. 4. представлены результаты численных расчетов лучевых траекторий при моделировании работы навигационной системы в режиме ненаправленного (углы выхода лучей от +85 до -85 градусов) излучения в вертикальной плоскости (левая панель) и распределение, вдоль трассы, скорости звука по глубине (правая панель).In FIG. 4. presents the results of numerical calculations of ray paths when modeling the operation of the navigation system in the non-directional mode (angles of ray exit from +85 to -85 degrees) radiation in the vertical plane (left panel) and the distribution, along the track, of the speed of sound in depth (right panel) .

На Фиг. 5. представлены результаты численных расчетов амплитуд, времен прихода и углов выхода/прихода при ненаправленном излучении сигналов: (а) - в области приповерхностного ПЗК, глубина приемника 50 м, (б) - глубина приемника 200 м (область глубоководного канала).In FIG. 5. presents the results of numerical calculations of amplitudes, arrival times, and exit / arrival angles for non-directional emission of signals: (a) in the area of near-surface CCD, receiver depth 50 m, (b) receiver depth 200 m (deep-sea channel region).

На Фиг. 6 приведены результаты расчета параметров сигналов с максимальными амплитудами для глубин приема: (а) - 50 метров и (б) - 200 метров.In FIG. Figure 6 shows the results of calculating the parameters of signals with maximum amplitudes for the reception depths: (a) 50 meters and (b) 200 meters.

На Фиг. 7 приведены результаты модельного расчета значений углов выхода/прихода (SA/RA): (а) - диапазон глубин 10-70 метров, (в) - диапазон глубин 150-350 метров, а также число отражений от верхней и нижней границ волноводов (NBB и NTB): (б) - диапазон глубин 10-70 метров, (г) - диапазон глубин 150-350 метров, для сигналов, излучаемых из места установки маяка М и принимаемых на дистанции установки ИА, для случая ненаправленного излучения.In FIG. Figure 7 shows the results of a model calculation of exit / arrival angles (SA / RA): (a) the range of depths 10-70 meters, (c) the range of depths 150-350 meters, as well as the number of reflections from the upper and lower boundaries of the waveguides (NBB and NTB): (b) - a range of depths of 10-70 meters, (d) - a range of depths of 150-350 meters, for signals emitted from the installation site of the beacon M and received at a distance of the installation of IA, for the case of non-directional radiation.

На Фиг. 8. представлены результаты численного моделирования двух режимов излучения навигационных сигналов из района установки маяка М: (а) - диапазоны вертикальных углов выхода для лучей в приповерхностном канале 0-70 м (углы выхода от+2,8 до -2,8 градуса) и в глубоководном 150-350 м канале (углы выхода в интервале от -3 до -10 и от +3 до +10 градусов) и (б) - распределение скорости звука по глубинеIn FIG. 8. presents the results of numerical simulation of two radiation modes of navigation signals from the installation area of lighthouse M: (a) - ranges of vertical exit angles for rays in the surface channel 0-70 m (exit angles from + 2.8 to -2.8 degrees) and in the deep-sea channel 150-350 m (exit angles in the range from -3 to -10 and from +3 to +10 degrees) and (b) - distribution of sound speed in depth

На Фиг. 9. приведены результаты расчета амплитуд, времен прихода, а также углов выхода и прихода сигналов для ИА на дистанции 44 км и глубины приема 50 м (в области приповерхностного звукового канала) при направленном излучении сигналов маяком М (диапазон углов от +10 до -10 градусов): (а) - все приходы, (б) - приходы с максимальными амплитудами.In FIG. 9. The results of calculating the amplitudes, arrival times, and also the exit and arrival angles of the signals for the IA at a distance of 44 km and the receiving depth of 50 m (in the region of the near-surface sound channel) with directional emission of signals by the M beacon (angular range from +10 to -10 degrees): (a) - all arrivals, (b) - arrivals with maximum amplitudes.

На Фиг. 10 приведены результаты расчета амплитуд (1-я, 2-я и 3-я панели) и их времен прихода, а также углов выхода и прихода сигналов (4-я панель) для ИА на дистанции 44 км и глубине приема 200 м (в области глубоководного звукового канала) при направленном излучении в диапазоне углов выхода от +10 до -10 градуса для группы приходов сигналов с максимальными амплитудамиIn FIG. 10 shows the results of the calculation of the amplitudes (1st, 2nd and 3rd panels) and their arrival times, as well as the angles of exit and arrival of signals (4th panel) for an IA at a distance of 44 km and a receiving depth of 200 m (in region of the deep-sea sound channel) with directional radiation in the range of output angles from +10 to -10 degrees for a group of signal arrivals with maximum amplitudes

На Фиг. 11. приведены рассчитанные на дистанции установки ИА параметры сигналов при направленном излучении в приповерхностном канале 0-70 м (утлы выхода от +2,8 до -2,8 градуса) и в глубоководном 150-350 м канале (углы выхода от -3 до -10 и от+3 до+10 градусов). Углы выхода/прихода (SA/RA): (а) - для диапазона глубин 10-70 м, (в) - для диапазона глубин 150-350 м. Число отражений от дна и поверхности (NBB и NTB): (б) - для диапазона глубин 10-70 м и (г) - для диапазона глубин 150-350 мIn FIG. 11. The signal parameters calculated at the IA installation distance are shown for directional radiation in the near-surface channel 0-70 m (exit angles from +2.8 to -2.8 degrees) and in the deep-sea channel 150-350 m (exit angles from -3 to -10 and from + 3 to + 10 degrees). Departure / arrival angles (SA / RA): (a) for the depth range 10-70 m, (c) for the depth range 150-350 m. The number of reflections from the bottom and surface (NBB and NTB): (b) - for the depth range 10-70 m and (g) - for the depth range 150-350 m

На Фиг. 12. представлена схема позиционирования ПО согласно заявляемому методу, гдеIn FIG. 12. presents a scheme for positioning software according to the claimed method, where

M₁, М_2; М₃, - маяки, HC₁(t₀), HC₂(t₀), HC₃(t₀) - излучаемые маяками рабочие навигационные сигналы в момент времени t₀; ИА₁, HA₂, ИА₃, - измерительные антенны и P₁(λ₁, φ₁, z₁), P₂(λ₂, φ₂, z₂]), Р₃(λ₃, φ₃, z₃) координаты антенн в пространстве, HC₁(t₁), HC₂(t₂), НС₃(t₃) - рабочие навигационные сигналы регистрируемые измерительными антеннами в моменты времени t₁, t₂, t₃, HC₁(t₁+Δ), HC₂(t₂+Δ), ИС₃(t₃+Δ) - излучаемые маяками, с задержкой повремени Δ относительно навигационных сигналов HC₁(t₁), HC₂(t₂), НС₃(t₃) соответственно, информационные сигналы, HC₁(t₁₁), HC₁(t₂₂), HC₁(t₃₃), - рабочие навигационные сигналы регистрируемые на ПО в моменты времени t₁₁, t₂₂, t₃₃; P(λ,φ,z) - определяемые координаты ПО в пространстве, r1, r2 и r3 - горизонтальные дистанции.M ₁ , M _2; M ₃ , - beacons, HC ₁ (t ₀ ), HC ₂ (t ₀ ), HC ₃ (t ₀ ) - operational navigation signals emitted by beacons at time t ₀ ; IA ₁ , HA ₂ , IA ₃ , measuring antennas and P ₁ (λ ₁ , φ ₁ , z ₁ ), P ₂ (λ ₂ , φ ₂ , z ₂ ]), P ₃ (λ ₃ , φ ₃ , z ₃ ) the coordinates of the antennas in space, HC ₁ (t ₁ ), HC ₂ (t ₂ ), HC ₃ (t ₃ ) - the working navigation signals recorded by the measuring antennas at time t ₁ , t ₂ , t ₃ , HC ₁ (t ₁ + Δ), HC ₂ (t ₂ + Δ), IS ₃ (t ₃ + Δ) - emitted by beacons, with a time delay Δ relative to the navigation signals HC ₁ (t ₁ ), HC ₂ (t ₂ ), HC ₃ ( t ₃ ) respectively, information signals, HC ₁ (t ₁₁ ), HC ₁ (t ₂₂ ), HC ₁ (t ₃₃ ), are the operational navigation signals recorded by the software at time t ₁₁ , t ₂₂ , t ₃₃ ; P (λ, φ, z) are the determined coordinates of the software in space, r1, r2 and r3 are horizontal distances.

На Фиг. 13. приведены сезонные среднестатистические распределения скорости звука по глубине в Японском море.In FIG. 13. The seasonal average distributions of the speed of sound over depth in the Sea of Japan are shown.

Заявляемая система навигации и позиционирования подводных объектов (Фиг. 1) размещается в районах шельфа (L₁-L₃), прилегающих к глубоководной области океана (L>L₃). Здесь стационарно устанавливаются, как минимум, три комплекса излучения навигационных сигналов, каждый из которых состоит из берегового центра управления (БЦ), причем все береговые центры соединены с помощью соответствующих каналов связи с используемыми эталонами времени (спутниковым (Т_с) или наземным (Т_э) и энергообеспечивающим и информационным кабелем (ЭК) с излучателем (М) навигационных (НС) и информационных сигналов (ИС).The inventive navigation and positioning system of underwater objects (Fig. 1) is located in the areas of the shelf (L ₁ -L ₃ ) adjacent to the deep sea area (L> L ₃ ). Here, at least three navigation signal emission complexes are permanently installed, each of which consists of a coastal control center (BC), and all coastal centers are connected via appropriate communication channels to the used time standards (satellite (T _c ) or ground (T _e ) and an energy supply and information cable (EC) with a radiator (M) of navigation (NS) and information signals (IP).

Для управления излучением каждого навигационного маяка на границе шельфа и глубокого моря (ГМ) в области подводного звукового канала стационарно устанавливается как минимум одна многоэлементная вертикальная измерительная антенна (ИА), снабженная блоком управления и калибровки (БУК), соединенная энергообеспечивающим и информационным кабелем (ЭК) с излучателем (М) и береговым центром (БЦ). Гидрофоны антенны объединены с измерителями локальной скорости звука. Блок управления и калибровки (БУК) содержит устройство регистрации сигналов от маяков, вычислительное устройство для цифровой обработки принимаемых сигналов и устройство обмена информацией по кабелю с БЦ.To control the radiation of each navigation beacon on the border of the shelf and the deep sea (GM) in the area of the underwater sound channel, at least one multi-element vertical measuring antenna (IA) is permanently installed, equipped with a control and calibration unit (BUK) connected by an energy supply and information cable (EC) with emitter (M) and coastal center (BC). The hydrophones of the antenna are combined with local sound velocity meters. The control and calibration unit (BUK) contains a device for recording signals from beacons, a computing device for digital processing of received signals and a device for exchanging information via cable with a business center.

Линейные размеры антенн и количество приемных акустических датчиков и измерителей локальной скорости звука определяются ее пространственным расположением и достаточностью для контроля сигналов на оси глубоководного подводного звукового канала (ГПЗК) при возможных вертикальных вариациях оси ГПЗК.The linear dimensions of the antennas and the number of receiving acoustic sensors and local sound velocity meters are determined by its spatial location and sufficiency for monitoring signals on the axis of the deep-sea underwater sound channel (HLC) with possible vertical variations of the HLC axis.

Основными техническими требованиями к каналам связи являются: обеспечение заданной скорости передачи данных, защита от несанкционированного доступа, защищенность от механических и технических угроз и внешних воздействий, обеспечение передачи сигналов с требуемыми характеристиками.The main technical requirements for communication channels are: ensuring a given data transfer rate, protection against unauthorized access, protection from mechanical and technical threats and external influences, ensuring the transmission of signals with the required characteristics.

Работа заявляемой гидроакустической системы навигации начинается с выбора параметров рабочих навигационных сигналов HC₁, НС₂ и НС₃ на оси глубоководного ПЗК, по критерию максимального уровня амплитуды и минимального времени реверберации при приеме соответствующими датчиками измерительных антенн, например, используя способ, который за счет обнаружения и исправления ошибок в принимаемых блоках данных и селективного измерения амплитудно-временных параметров импульсных сигналов позволяет надежно и точно проводить селективные измерения амплитуд и времен приходов импульсов во времени (п. РФ №2577561 С1, опубл. 20.03.2016).The operation of the inventive hydroacoustic navigation system begins with the selection of the parameters of the working navigation signals HC ₁ , HC ₂ and HC ₃ on the axis of the deep-water CCD, according to the criterion of the maximum amplitude level and minimum reverberation time when the corresponding sensors receive measuring antennas, for example, using a method that by detecting and error correction in the received data blocks and selective measurement of the amplitude-time parameters of pulse signals allows reliable and accurate selective measurements I amplitudes and times of the time pulse arrival (n. RF №2577561 C1, publ. 20.03.2016).

Периодичность выбора рабочих параметров излучения определяется временными характеристиками долгосрочной изменчивости во времени водной среды в районе установки маяков и измерительных антенн, а также характером вариаций оси ГПЗК в области навигации ПО. Выбор рабочих параметров излучения дополнительно потребуется также в случае внесения изменений в характеристики приемно-излучающих технических систем и/или при изменении их положения в пространстве.The frequency of choosing the operating parameters of the radiation is determined by the temporal characteristics of the long-term variability in time of the aquatic environment in the area of the installation of beacons and measuring antennas, as well as by the nature of the variations in the GLC axis in the software navigation area. The choice of the operating parameters of the radiation will also be additionally required if changes are made to the characteristics of the receiving-emitting technical systems and / or when their position in space is changed.

В качестве рабочих навигационных и информационных сигналов, используются кодоимпульсные фазоманипулированные сигналы, например, на основе м-кодов, кодов Голда и подобных им, с частотой в диапазоне от 50 до 200 Гц и длительностью от 10 до 100 секунд. За счет большой длительности и согласованной корреляционной обработки данные характеристики используемых излучаемых сигналов позволяют получить увеличение соотношение сигнал/шум для принимаемых импульсных акустических сигналов на 7-15 дБ и увеличить рабочую дальность по сравнению с тональными импульсами. Использование таких сигналов также приводит к увеличению точности измерения времени распространения импульсов в водной среде и обеспечивает передачу на подводный объект (ПО) в кодоимпульсном режиме излучения в ограниченном частотном диапазоне необходимый для точного позиционирования объем информации. Частота заполнения и длительность навигационных сигналов определяется индивидуально для каждого маяка в зависимости от требуемой максимальной дальности действия системы навигации и от геофизических параметров окружающей среды в районе установки маяка и области работы ПО.As operational navigation and information signals, phase-shifted code-pulsed signals are used, for example, based on m-codes, Gold codes and the like, with a frequency in the range from 50 to 200 Hz and a duration of 10 to 100 seconds. Due to the long duration and consistent correlation processing, these characteristics of the emitted signals used make it possible to obtain an increase in the signal-to-noise ratio for received pulsed acoustic signals by 7-15 dB and to increase the working range compared to tonal pulses. The use of such signals also leads to an increase in the accuracy of measuring the propagation time of pulses in the aquatic environment and ensures the transmission of information necessary for accurate positioning to the underwater object (CO) in a pulse-pulse mode in a limited frequency range. The frequency of filling and the duration of navigation signals is determined individually for each beacon depending on the required maximum range of the navigation system and on geophysical environmental parameters in the area of the beacon installation and the software operation area.

Сигналы излучаются в заданных горизонтальных и вертикальных диапазонах углов за счет механического и/или электронного способа формирования диаграммы направленности. Информация по характеристикам сигналов и режимам излучения вводится в блок памяти ПО перед началом выполнения миссии. Указанные параметры не изменяются, либо изменяются синхронно с соответствующими изменениями данных в памяти ПО в процессе выполнения миссии аппарата.The signals are emitted in predetermined horizontal and vertical ranges of angles due to the mechanical and / or electronic method of forming the radiation pattern. Information on the characteristics of the signals and radiation modes is entered into the software memory block before the start of the mission. The specified parameters do not change, or change synchronously with the corresponding changes in the data in the software memory during the execution of the mission of the device.

В бортовом навигационном комплексе ПО в электронной форме хранится информация о географических координатах, навигационные географические карты и карты глубин, базы среднестатистических данных поля скорости звука на заданной пространственной сетке для заданного периода времени в районе позиционирования и навигации ПО.Information on geographical coordinates, navigation geographical maps and depth maps, databases of average statistical data of the sound velocity field on a given spatial grid for a given period of time in the area of software positioning and navigation are stored in the on-board navigation system of the software in electronic form.

После излучения рабочего навигационного сигнала каждым маяком с заданной задержкой по времени, выполняют излучение от каждого маяка соответствующего сигнала с информационным сообщением, принимаемым на ПО и содержащим измеренные данные локальной скорости звука датчиками измерительной антенны ИА (вертикальное распределении скорости звука в глубоководном подводном звуковом канале - ГПЗК) и измеренные характеристики НС сигнала на оси ГПЗК, принятые соответствующими датчиками (гидрофонами) на оси ГПЗК. Информационные сигналы также содержат данные о точном времени измерения импульсной структуры НС соответствующим датчиком ИА.After emitting a working navigation signal by each beacon with a given time delay, the corresponding signal is emitted from each beacon with an information message received on the software and containing the measured data of the local speed of sound by the sensors of the measuring antenna IA (vertical distribution of sound speed in the deep-sea underwater sound channel - ГПЗК ) and the measured characteristics of the NS signal on the GPZK axis, adopted by the corresponding sensors (hydrophones) on the GPZK axis. Information signals also contain data on the exact time of measurement of the pulse structure of the NS by the corresponding IA sensor.

Рабочие навигационные сигналы HC₁, НС₂ и НС₃ распространяются вдоль трасс ЭК₁, ЭК₂ и ЭК₃ по шельфу и далее (Фиг 1 и Фиг. 2.) в глубоководных подводных звуковых каналах ГПЗК₁, ГПЗК₂ и ГПЗК₃, соответственно до ПО. На границе шельфа и глубоководной части района позиционирования сигналы принимаются и регистрируются датчиками антенн ИА₁, ИА₂ и ИА₃ С помощью аппаратуры блока управления и калибровки антенны выполняются измерения функций отклика каналов с привязкой результатов к измеряемому вертикальному распределению скорости звука по глубине в месте установки антенн.The operational navigation signals HC ₁ , HC ₂ and HC ₃ propagate along the tracks EC ₁ , EC ₂ and EC ₃ along the shelf and beyond (Fig 1 and Fig. 2.) in the deep-sea underwater sound channels GPZK ₁ , GPZK ₂ and GPZK ₃ , respectively to software. At the border of the shelf and the deep-sea part of the positioning area, signals are received and recorded by the sensors of the antennas IA ₁ , IA ₂ and IA _3. Using the equipment of the antenna control and calibration unit, measurements of the channel response functions are carried out with reference to the measured vertical distribution of sound speed in depth at the antenna installation site .

Выбор параметров рабочих навигационных сигналов (настройка) всех маяков выполняется известными способами как синхронно в заданное время t₀, так и индивидуально во времени, по мере изменений условий распространения или состава технических средств в каждом конкретном случае. Параметрами сигналов являются: амплитуда сигнала - Р, частота заполнения импульса - f, число символов - n, используемых для кодировки, и число периодов рабочей частоты на передаваемый символ - k. При этом длительность импульсного сигнала может варьироваться как за счет использования последовательностей с большим или меньшим числом символов n, так и за счет увеличения числа периодов рабочей частоты - k на передаваемый символ. При выборе рабочих навигационных сигналов для каждого маяка используются индивидуальные (уникальные) кодоимпульсные сигналы.The selection of the parameters of the working navigation signals (tuning) of all beacons is carried out by known methods both synchronously at a given time t ₀ and individually in time, as the distribution conditions or the composition of the technical equipment changes in each case. The parameters of the signals are: the signal amplitude is P, the pulse filling frequency is f, the number of characters is n used for encoding, and the number of periods of the operating frequency per transmitted symbol is k. In this case, the duration of the pulse signal can vary due to the use of sequences with a greater or lesser number of characters n, and due to an increase in the number of periods of the operating frequency - k per transmitted symbol. When choosing operational navigation signals for each beacon, individual (unique) code-pulse signals are used.

В момент времени to производится ненаправленное излучение (излучение с круговой диаграммой направленности в вертикальной и горизонтальной плоскости) первого сигнала настройки {s₀₁} маяком M₁ (Фиг. 2). Первый сигнал {s₀₁}, излученный в момент времени t₀ распространяется в водной среде вдоль трассы ЭК₁, в момент времени - t₁₁ принимается акустическими датчиками антенны ИA₁ в виде S_1k суммы реплик излученного сигнала и регистрируется с помощью блока управления и калибровки БУК₁:At time to, non-directional radiation (radiation with a circular radiation pattern in the vertical and horizontal plane) of the first tuning signal {s ₀₁ } by the beacon M _{1 is} produced (Fig. 2). The first signal {s ₀₁ } emitted at time t ₀ propagates in the water along the EC ₁ path, at time t _{11 it is} received by the acoustic sensors of antenna IA ₁ in the form of S _{1k the} sum of the replicas of the emitted signal and is recorded using the control and calibration unit BEECH ₁ :

здесь коэффициенты

- представляют собой амплитуды импульсов, соответственно распространяющихся вдоль траекторий

собственных лучей от Mi до приемных датчиков ИА₁. Принятые сигналы регистрируются с помощью аппаратуры БУК₁. Одновременно с регистрацией сигналов, выполняются измерения вертикального профиля скорости звука вдоль антенны с помощью локальных измерителей скорости звука. Результаты измерений принятых акустических сигналов и значения вертикального профиля скорости звука передаются из БУК₁ по кабелю ЭК₁ в БЦ₁.here are the odds

- represent the amplitudes of the pulses, respectively, propagating along the trajectories

own rays from Mi to receiving sensors IA ₁ . The received signals are recorded using the equipment BUK ₁ . Simultaneously with the registration of signals, measurements are made of the vertical profile of the speed of sound along the antenna using local sound velocity meters. The measurement results of the received acoustic signals and the values of the vertical profile of the speed of sound are transmitted from the BUK ₁ via the EC ₁ cable to the BC ₁ .

Дополнительно для выбора параметров рабочих навигационных сигналов (настройки) всех маяков в рамках лучевого описания выполняют численное моделирование амплитудно-временных характеристик навигационных сигналов с использованием данных локальных измерений скорости звука датчиками измерительных антенн в соответствии со схемой размещения маяка и измерительной антенны, а также профилем дна в районе установки маяка (М) и антенны (ИА) (Фиг. 3).Additionally, to select the parameters of the working navigation signals (settings) of all beacons, within the framework of the beam description, a numerical simulation of the amplitude-time characteristics of the navigation signals is performed using data from local measurements of sound speed by sensors of the measuring antennas in accordance with the layout of the beacon and the measuring antenna, as well as the bottom profile in the installation area of the beacon (M) and antenna (IA) (Fig. 3).

В рамках данной схемы выполняют расчет лучевых траекторий при ненаправленном акустическом излучении сигналов маяком М (диапазон углов выхода лучей от +85 до -85 градусов) в вертикальной плоскости (Фиг. 4).Within the framework of this scheme, the calculation of the ray paths in the case of non-directional acoustic radiation of signals by the M beacon (range of angles of radiation exit from +85 to -85 degrees) in the vertical plane (Fig. 4).

Для профиля звука в районе навигации, приведенного на правой панели Фиг. 4, характерно наличие двух ПЗК, приповерхностного мелководного в диапазоне глубин 0-70 м и глубоководного в диапазоне глубин 150-550 м. В обоих ПЗК наблюдается дальнее распространение звука, что позволяет решать поставленную задачу и обеспечить в них навигацию ПО, используя схему измерения времени распространения импульсных сигналов.For the sound profile in the navigation area shown in the right panel of FIG. 4, the presence of two slam-shutters is characteristic, near-surface shallow in the depth range 0-70 m and deep-water in the depth range 150-550 m. In both slam-shut devices, the sound propagation is far-reaching, which makes it possible to solve the problem and provide software navigation in them using the time measurement scheme pulse propagation.

Выбор рабочих параметров НС₁ для указанного района выполняется путем расчета времен прихода и углов выхода/прихода сигналов при ненаправленном излучении сигналов маяком M₁ и приеме сигналов акустическими приемниками ИА₁,расположенной на дистанция 44 км от излучателя (в области приповерхностного ПЗК, глубина приемника 50 м) и для глубины приемника 200 м (в области глубоководного канала) (Фиг. 5).The choice of operating parameters of the National Assembly_one for the specified area is performed by calculating the times of arrival and the angles of exit / arrival of signals in the directional radiation of signals by a beacon M_one and receiving signals by acoustic receivers IA_one,located at a distance of 44 km from the emitter (in the region of the near-surface CCD, the depth of the receiver is 50 m) and for the depth of the receiver 200 m (in the region of the deep-sea channel) (Fig. 5).

Допустимые параметры навигационных сигналов по результатам моделирования (Фиг. 5) имеют значения: диапазон углов выхода больше от +45 градусов до -45 градусов; общее время реверберации при приеме в указанном диапазоне углов излучения сигналов составляет порядка 1 секунды для глубины приема 50 метров, Фиг. 5(a) и 0,85 секунды для глубины приема 200 метров (Фиг. 5(б).The permissible parameters of navigation signals according to the simulation results (Fig. 5) have the following values: the range of exit angles is more than +45 degrees to -45 degrees; the total reverberation time when receiving in the indicated range of signal angles is about 1 second for a receiving depth of 50 meters, FIG. 5 (a) and 0.85 seconds for a reception depth of 200 meters (Fig. 5 (b).

Сигналы с максимальными амплитудами, Фиг. 5(a), параметры которых могут использоваться в качестве рабочих HC₁, имеют время реверберации порядка 10 мс. Сигналы с максимальными амплитудами, параметры которых можно использовать при задании рабочих НС₁ в глубоководном ПЗК, имеют время реверберации порядка 120 мс, Фиг. 5(6).Signals with maximum amplitudes, FIG. 5 (a), the parameters of which can be used as working HC ₁ , have a reverberation time of the order of 10 ms. The signals with maximum amplitudes, the parameters of which can be used when setting the operating NS ₁ in the deep-sea slam-shut device, have a reverberation time of the order of 120 ms, FIG. 5 (6).

Для уточнения и детализации выбираемых параметров рабочих навигационных сигналов рассчитывают параметры навигационных сигналов с максимальными амплитудами для глубин приема 50 и 200 метров, Фиг. 6. Диапазон углов выхода у сигналов с максимальными амплитудами составляет от +3,5 до -2 градусов на глубине приема 50 метров и от +30 до -30 градусов при приеме на глубине 200 метров.To clarify and detail the selected parameters of the working navigation signals, the parameters of the navigation signals with maximum amplitudes for receiving depths of 50 and 200 meters are calculated, FIG. 6. The range of output angles for signals with maximum amplitudes ranges from +3.5 to -2 degrees at a receiving depth of 50 meters and from +30 to -30 degrees when receiving at a depth of 200 meters.

Для области возможных глубин позиционирования в каждом конкретном ПЗК определяют параметры навигационных сигналов путем расчета значений углов выхода/прихода, а также числа отражений от верхней и нижней границ волноводов для сигналов, излучаемых из места установки маяка М₁ и принимаемых на дистанции установки ИА₁, для случая ненаправленного излучения, Фиг. 7.For the range of possible positioning depths in each specific slam-shut device, the parameters of the navigation signals are determined by calculating the values of the exit / arrival angles, as well as the number of reflections from the upper and lower boundaries of the waveguides for signals emitted from the installation site of the beacon M ₁ and received at the installation distance of IA ₁ , for case of non-directional radiation, FIG. 7.

В рассматриваемом случае, диапазон глубин позиционирования по вертикали и диапазон углов выхода HС₁ в приповерхностном канале, Фиг. 7(a), составляет от 10 до 70 м и от -2,8 до +2,8 градусов, соответственно. Для глубоководного канала, Фиг. 7(в), это диапазон глубин составляет от 150 до 350 м и диапазоны углов излучения имеют значения от +3 до +10 и от -3 до -10 градусов. Приведенные на Фиг. 7(б) и Фиг 7(г), рассчитанные значения количества отражений от верхней и нижней границ, соответственно для приповерхностного и глубоководного волноводов, являются индикативным параметром: чем больше отражений испытывает сигнал, тем сложнее его амплитудно-временная структура и меньше амплитуда (и, как правило - соотношение сигнал/шум) в точках позиционирования.In this case, the range of vertical positioning depths and the range of exit angles HC ₁ in the surface channel, FIG. 7 (a), is from 10 to 70 m and from -2.8 to +2.8 degrees, respectively. For the deep sea channel, FIG. 7 (c), this depth range is from 150 to 350 m and the ranges of radiation angles have values from +3 to +10 and from -3 to -10 degrees. Referring to FIG. 7 (b) and Fig. 7 (d), the calculated values of the number of reflections from the upper and lower boundaries, respectively, for the near-surface and deep-water waveguides, are an indicative parameter: the more reflections the signal experiences, the more complex its amplitude-time structure and the smaller the amplitude (and as a rule, the signal-to-noise ratio) at the positioning points.

Результаты численного моделирования распространения акустических сигналов для трассы ЭК₁, с учетом предварительно измеренных антенной вертикального профиля скорости звука и профиля дна, представленные в графическом виде на Фиг. 4-7, позволяют реализовать выбор параметров излучаемых рабочих навигационных сигналов HC₁ (то есть выполнить настройку маяка M₁).The results of numerical simulation of the propagation of acoustic signals for the track EC ₁ , taking into account previously measured by the antenna of the vertical profile of the speed of sound and bottom profile, presented in graphical form in FIG. 4-7, allow you to implement the selection of the parameters of the emitted working navigation signals HC ₁ (that is, configure the beacon M ₁ ).

Технически настройка выполняется следующим образом. Проводится сравнение и идентификация результатов измерений функции отклика (времен прихода импульсных сигналов) в приповерхностном ПЗК и глубоководном ГПЗК с помощью систем ИА₁,БУК₁, M₁, БЦ₁ с рассчитанными (модельными) результатами (Фиг. 5 (а,б)). Если измеренные и рассчитанные функции отклика каналов не совпали (отрицательная идентификация), проводиться проверка и уточнение всех задаваемых параметров расчетной модели (Фиг. 3) и повторно измеряется функция отклика в приповерхностном и/или глубоководном акустических каналах и проводится моделирование по уточненным начальным данным. Указанная процедура проводится до положительной идентификации рассчитанных (модельных) времен приходов и приходов сигналов, зарегистрированных датчиками ИA₁ в заданных ПЗК.Technically, the setup is as follows. Comparison and identification of the results of measurements of the response function (time of arrival of pulsed signals) in the near-surface CLC and deep-sea CLC using IA systems_one,BEECH_one, M_one, BC_one with calculated (model) results (Fig. 5 (a, b)). If the measured and calculated channel response functions did not coincide (negative identification), all specified parameters of the calculation model are checked and refined (Fig. 3), and the response function in the near-surface and / or deep-sea acoustic channels is measured again and modeling is performed on the basis of updated initial data. The specified procedure is carried out until the positive identification of the calculated (model) times of arrivals and arrivals of signals recorded by the sensors IA_one in given slam-shut devices.

В случае положительной идентификации рассчитанных (модельных) времен приходов и приходов сигналов, зарегистрированных датчиками ИA₁ в каждом из ПЗК по результатам расчетов, представленным на Фиг. 7, определяются и задаются диапазоны углов излучения маяка M₁ в вертикальной плоскости для рабочего режима системы навигации.In the case of positive identification of the calculated (model) times of arrivals and arrivals of signals recorded by the IA ₁ sensors in each of the slam-shut sensors according to the calculation results presented in FIG. 7, ranges of angles of radiation of the beacon M ₁ in the vertical plane are determined and set for the operating mode of the navigation system.

Для рассматриваемых условий, выбранные сигналы позволяют обеспечить навигацию неограниченного количества ПО параллельно в обоих ПЗК с использованием излучения маяками рабочих навигационных сигналов в вертикальном диапазоне углов от +10 до -10 градусов. На Фиг. 8 приведены результаты расчета траекторий лучей для указанного режима в районе установки M₁ - ИА₁ и далее в районе навигации ПО подтверждающие сделанный выбор.For the conditions under consideration, the selected signals make it possible to provide navigation of an unlimited number of software in parallel in both slam shutters using beacon radiation of operational navigation signals in a vertical range of angles from +10 to -10 degrees. In FIG. Figure 8 shows the results of calculating the ray paths for the indicated mode in the installation area M ₁ - IA ₁ and further in the software navigation area confirming the choice made.

Характеристики рабочих навигационных сигналов: амплитуды, времена прихода, углы выхода и прихода сигналов для ИА₁ (дистанция 44 км) и глубины приема 50 м в области приповерхностного звукового канала при направленном в диапазоне углов от +10 до -10 градусов излучении сигналов маяком M_i. в графическом виде, приведены на Фиг. 9.Characteristics of operational navigation signals: amplitudes, arrival times, angles of exit and arrival of signals for IA ₁ (distance 44 km) and a receiving depth of 50 m in the area of the surface sound channel when directed by a beacon M _i in the range of angles from +10 to -10 degrees . in graphical form are shown in FIG. 9.

Анализ результатов, приведенных на Фиг. 9 (а), свидетельствует о значительном уменьшении общего времени реверберации HC₁ сигнала при приеме на глубине 50 м при направленном излучении по сравнению со случаем ненаправленного излучения (Фиг. 5(а)) - 1с и 0,14с, соответственно. Длительность сигнала максимальной амплитуды (по уровню максимальной амплитуды 0,7) составляет величину порядка 5 мс, фиг. 9(б) при направленном и 10 мс, фиг.5(б), при ненаправленном излучении, соответственно. Анализ результатов для глубины приема 200 м (в области глубоководного канала) при направленном излучении, в диапазоне углов выхода от +10 до -10 градуса, показывает, что длительность сигнала максимальной амплитуды (по уровню максимальной амплитуды 0,7) составляет величину порядка 5 мс, Фиг. 10(б) при направленном и 25 мс, Фиг. 5(б), при ненаправленном излучении, соответственно.Analysis of the results shown in FIG. 9 (a), indicates a significant reduction in the total reverberation time of HC ₁ signal when receiving at a depth of 50 m with directional radiation compared with the case of non-directional radiation (Fig. 5 (a)) - 1s and 0.14s, respectively. The duration of the maximum amplitude signal (according to the maximum amplitude level of 0.7) is of the order of 5 ms, FIG. 9 (b) for directional and 10 ms; FIG. 5 (b) for non-directional radiation, respectively. An analysis of the results for a receiving depth of 200 m (in the region of the deep-sea channel) with directional radiation, in the range of exit angles from +10 to -10 degrees, shows that the signal duration of maximum amplitude (in terms of maximum amplitude 0.7) is of the order of 5 ms , FIG. 10 (b) with directional and 25 ms, FIG. 5 (b), with non-directional radiation, respectively.

Модельные расчеты, приведенные на Фиг. 11, значений углов выхода/прихода и числа отражений от дна и поверхности для сигналов, излучаемых из места установки M₁ и принимаемых на дистанции установки ИА₁, для случая направленного излучения (Фиг. 8), подтверждают правильность выбора параметров навигационных сигналов в обоих ПЗК.The model calculations shown in FIG. 11, the values of the exit / arrival angles and the number of reflections from the bottom and surface for signals emitted from the installation site M ₁ and received at the installation distance IA ₁ , for the case of directional radiation (Fig. 8), confirm the correct choice of parameters of navigation signals in both slam-shutters .

Задание горизонтальных углов направленности для рабочих навигационных сигналов производится исходя из схемы размещения маяков и положения береговой линии района навигации. Для случая, приведенного на Фиг. 1, диапазоны горизонтальных углов направленности для рабочих навигационных сигналов всех маяков будут порядка 180 градусов.The horizontal directional angles for the working navigation signals are set based on the layout of the beacons and the position of the coastline of the navigation area. For the case of FIG. 1, the ranges of horizontal directivity angles for operational navigation signals of all beacons will be of the order of 180 degrees.

Выбранный рабочий HС₁ (в процессе настройки маяка M₁) имеет заявляемые преимущества перед ненаправленным излучением навигационных сигналов: 1 - по снижению и оптимизации мощности излучения и повышению эффективности работы излучателей за счет формирования требуемой горизонтальной направленности и управляемой (зависящей от положения оси ПЗК) вертикальной направленности акустического излучения, 2 - в части повышения качества и стабильности во времени навигационных/коммуникационных/управляющих сигналов за счет использования направленного излучения в вертикальной плоскости и фокусировки акустического поля на оси ПЗК, 3 - по снижению уровня межсимвольной интерференции для принимаемых, в области навигационного обеспечения и позиционирования, сигналов за счет уменьшения числа приходов импульсов и сокращения времени реверберации, 4 - увеличивается точность определения дистанций между маяками и подводными объектами, за счет повышения пространственно-угловой идентификации измеренных импульсов и рассчитываемых параметров собственных лучей в акустическом волноводе. Также за счет оптимизации мощности излучения и выбора мест расположения излучателей, достигается снижение уровня акустического воздействия на окружающую среду, что актуально ввиду ограничений по нормам международного законодательства.The selected working HC ₁ (in the process of setting the beacon M ₁ ) has the claimed advantages over the non-directional radiation of navigation signals: 1 - to reduce and optimize the radiation power and increase the efficiency of the emitters due to the formation of the required horizontal direction and controlled (depending on the position of the SLC axis) vertical directivity of acoustic radiation, 2 - in terms of improving the quality and stability in time of navigation / communication / control signals through the use of directionally radiation in the vertical plane and focusing of the acoustic field on the S-axis, 3 - to reduce the level of intersymbol interference for received signals in the field of navigation support and positioning by reducing the number of pulse arrivals and reducing the reverberation time, 4 - the accuracy of determining the distances between beacons increases and underwater objects, by increasing the spatial-angular identification of the measured pulses and the calculated parameters of the own rays in the acoustic waveguide. Also, by optimizing the radiation power and choosing the location of the emitters, a reduction in the level of acoustic impact on the environment is achieved, which is important due to limitations on international law.

Позиционирование и навигация подводного объекта (Фиг. 12), в рабочем режиме рассматриваемой системы навигации, предполагает излучение рабочих навигационных сигналов НС₁, НС₂ и НС₃, с помощью маяков M₁, М₂ и М₃ и аппаратуры соответствующих береговых центров. Излучение всех навигационных сигналов может выполняться одновременно всеми излучателями, или по заданному режиму каждым излучателем. Информация по индивидуальным (базовым) характеристикам рабочих навигационных сигналов для каждого маяка - вид кодовой последовательности, частота заполнения и длительность излучаемого импульса, число периодов поля на кодовое значение, вводится в блок памяти ПО перед началом выполнения миссии. Указанные параметры не изменяются, либо изменяются синхронно с соответствующими изменениями данных в памяти ПО в процессе выполнения миссии аппарата. Управление характеристиками и синхронизация излучения навигационных сигналов всех БЦ выполняется с помощью Т_Э/Т_С - наземных и/или спутниковых эталонов времени по ИК/СК информационным наземным и/или спутниковым каналам связи. Для позиционирования используются данные ПО с датчика глубины, данные измерителя локальной скорости звука или измерителей параметров среды - температуры, солености и давления, по которым по известным формулам вычисляется скорость звука в окружающей водной среде.The positioning and navigation of the underwater object (Fig. 12), in the operating mode of the navigation system in question, involves the emission of operational navigation signals HC ₁ , HC ₂ and HC ₃ using beacons M ₁ , M ₂ and M ₃ and the equipment of the respective coastal centers. Radiation of all navigation signals can be performed simultaneously by all emitters, or by a given mode by each emitter. Information on the individual (basic) characteristics of the operational navigation signals for each beacon - the type of code sequence, frequency of filling and duration of the emitted pulse, the number of field periods per code value, is entered into the software memory before the mission begins. The specified parameters do not change, or change synchronously with the corresponding changes in the data in the software memory during the execution of the mission of the device. The characteristics are controlled and the radiation of the navigation signals of all BCs is synchronized using T _E / T _C - terrestrial and / or satellite time standards via IR / SC information to terrestrial and / or satellite communication channels. For positioning, software data from a depth sensor, data from a local sound velocity meter or environmental parameters meters — temperature, salinity, and pressure — are used, using which the sound velocity in an ambient water environment is calculated using known formulas.

Определение горизонтальной дальности r1, r2 и r3 выполняется по измеренным временам прихода одного или/и или нескольких импульсов для принимаемых HC1, НС2 и НС3, соответственно. В вычислительном устройстве подводного объекта по найденным значениям горизонтальных дистанций r1, r2 и r3 методом триангуляции, определяется положение подводного аппарата (в проекции на поверхность) относительно маяков, а с учетом географических координат маяков и данных измерений глубины - определяются соответствующие географические координаты и подводное положение в пространстве.The horizontal range r1, r2 and r3 is determined by the measured arrival times of one or / or several pulses for the received HC1, HC2 and HC3, respectively. In the computing device of the underwater object, using the found values of the horizontal distances r1, r2 and r3 by the triangulation method, the position of the underwater vehicle (in projection onto the surface) relative to the lighthouses is determined, and taking into account the geographical coordinates of the lighthouses and the data of depth measurements, the corresponding geographical coordinates and the underwater position in space.

Изменение характеристик излучаемых рабочих НС, связанных, например, с сезонными изменениями ПЗК должно проводиться не реже четырех раза в год. Поддержание заданных параметров сигналов в звуковом канале в области шельфа может потребовать увеличения количества изменений параметров излучаемых навигационных сигналов и сигналов управления до 8-12 за годичный цикл. Изменения параметров сигналов для учета синоптической изменчивости можно проводить по реальным данным метеонаблюдений или использовать прогнозные расчеты и статистические данные положения ПЗК в конкретных районах навигационного обеспечения. Непериодические разовые изменения излучением в режиме обратной связи, могут использоваться в случаях проведения специальных подводных работ, при обеспечении индивидуальных миссий ПО, а также в периоды времени возмущающих воздействий краткосрочных и непериодических акустических и гидродинамических источников на водную среду в области шельфа. Например, экстремальное усиление поверхностного волнения за счет крупномасштабных атмосферных процессов - циклонов, ураганов и тайфунов или выносы холодных/теплых вод в районы установки ИНС могут привести к кратковременным (на период от 24 часов до 2-3 суток) изменениям параметров водной среды, снижающим качество позиционирования, что может потребовать изменить отдельные параметры системы (мощность излучения, диапазон частот, характеристики направленности ИНС). Изменения параметров среды, а также антропологические акустические шумы - вызванные судоходством, строительными работами на подводных объектах в районах навигации и другие процессы, приводящие к повышению уровня окружающих шумов и ухудшению позиционирования/навигации, имеющие непериодический и краткосрочный во времени характер, которые могут быть также скомпенсированы, в режиме обратной связи, оперативной подстройкой параметров излучаемых акустических сигналов.Changes in the characteristics of emitted working NSs associated, for example, with seasonal changes in slam-shut devices should be carried out at least four times a year. Maintaining the specified parameters of the signals in the sound channel in the shelf area may require an increase in the number of changes in the parameters of the emitted navigation signals and control signals up to 8-12 per year cycle. Changes in signal parameters to take into account synoptic variability can be carried out using real weather observations or use predictive calculations and statistical data on the position of slam-shut guns in specific areas of navigation support. Non-periodic one-time changes by radiation in the feedback mode can be used in cases of special underwater operations, when providing individual missions, as well as in periods of disturbing effects of short-term and non-periodic acoustic and hydrodynamic sources on the aquatic environment in the shelf area. For example, extreme intensification of surface waves due to large-scale atmospheric processes - cyclones, hurricanes and typhoons or the removal of cold / warm water to the areas of the ANN installation can lead to short-term (for a period of 24 hours to 2-3 days) changes in the parameters of the aquatic environment that reduce the quality positioning, which may require changing individual system parameters (radiation power, frequency range, directional characteristics of the ANN). Changes in environmental parameters, as well as anthropological acoustic noise - caused by shipping, construction work on underwater objects in navigation areas and other processes that increase the level of ambient noise and worsen positioning / navigation, which are non-periodic and short-term in nature, which can also be compensated , in feedback mode, operational adjustment of the parameters of the emitted acoustic signals.

В качестве примера приведены вертикальные профили скорости звука в результате сезонных вариаций параметров водной среды в Японском море (Фиг. 13).As an example, vertical sound velocity profiles are shown as a result of seasonal variations in the parameters of the aquatic environment in the Sea of Japan (Fig. 13).

Описание выбора рабочих навигационных сигналов HQ, приведенное выше, была выполнено для условий зимнего распределения скорости звука по глубине (Зима), в этом районе. Управляемый переход на НС₂, соответствующий весенней гидрологии, (Весна), включает в себя измерение вертикального профиля скорости звука и функции отклика акустического канала, по схеме, приведенной выше, и выполнение численного моделирования для измеренного профиля. При совпадении измеренных и рассчитанных значений функций отклика акустического канала, соответствующих весенней гидрологии, определяются новые угловые характеристики излучения НС₂. Плановый переход с зимнего режима излучения HC₁ на весенний режим требует изменения диаграммы направленности излучения сигналов в вертикальной плоскости и рекомендованных диапазонов глубин навигации и позиционирования ПО, таблица.The description of the choice of operational HQ navigation signals given above was made for the conditions of the winter distribution of the speed of sound in depth (Winter) in this area. The controlled transition to NS ₂ , corresponding to spring hydrology, (Spring), includes measuring the vertical profile of the speed of sound and the response function of the acoustic channel, according to the scheme above, and performing numerical simulation for the measured profile. With the coincidence of the measured and calculated values of the response functions of the acoustic channel corresponding to spring hydrology, new angular characteristics of HC ₂ radiation are determined. The planned transition from the winter radiation regime of HC ₁ to the spring mode requires a change in the radiation pattern of the signals in the vertical plane and the recommended ranges of navigation depths and positioning software, table.

Аналогичным образом, в режиме обратной связи, для компенсации ухудшающих качество навигационного обеспечения процессов в области навигации ПО, имеется возможность управления и коррекции режимов излучения навигационных сигналов каждым маяком М.Similarly, in the feedback mode, in order to compensate for deteriorating quality of the navigation support of processes in the field of software navigation, it is possible to control and correct the radiation modes of navigation signals by each lighthouse M.

Таким образом заявляемые способ и система обеспечивают пассивное позиционирование и навигацию подводных объектов в глубоком океане на больших дальностях от излучателей и на больших по площади акваториях, увеличение точности определения дистанций между маяками и подводным объектом за счет улучшения пространственно-угловой идентификации измеренных импульсов и рассчитываемых параметров собственных лучей в акустическом волноводе, снижение и оптимизацию мощности излучения и повышение эффективности работы излучателей за счет учета географических и батиметрических параметров области навигации при формирования горизонтальной направленности и управляемой, зависящей от положения оси ПЗК, вертикальной направленности акустического излучения; улучшение качества и стабильности характеристик навигационных/коммуникационных/управляющих сигналов во времени за счет использования направленного узкоуглового излучения в вертикальной плоскости и фокусировки акустического поля на оси ПЗК; снижение уровня межсимвольной интерференции для принимаемых в области навигационного обеспечения и позиционирования сигналов за счет задания оптимальной длительности сигналов, уменьшения числа приходов импульсов и сокращения общего времени реверберации при приеме; а также снижение уровня акустического воздействия на окружающую среду за счет оптимизации мощности излучения и выбора мест расположения излучателей.Thus, the inventive method and system provides passive positioning and navigation of underwater objects in the deep ocean at large distances from emitters and over large areas of water, increasing the accuracy of determining distances between beacons and an underwater object by improving the spatial and angular identification of measured pulses and calculated parameters of their own rays in an acoustic waveguide, reducing and optimizing radiation power and increasing the efficiency of emitters by taking into account graphic and bathymetric parameters navigation area when forming a horizontal orientation and controlled depending on the position of the USC axis, the vertical direction of acoustic radiation; improving the quality and stability of the characteristics of navigation / communication / control signals over time through the use of directional narrow-angle radiation in the vertical plane and focusing of the acoustic field on the S-axis; reducing the level of intersymbol interference for signals received in the field of navigation support and positioning by setting the optimal signal duration, reducing the number of pulse arrivals and reducing the total reverberation time during reception; as well as reducing the level of acoustic impact on the environment by optimizing the radiation power and choosing the location of the emitters.

Claims

1. The method of passive positioning and navigation of an underwater object, which includes emitting phase-coded phase-shifted navigation and information signals with a frequency in the range of 50-200 Hz and a duration of 10 to 100 with angular directivity in the horizontal plane in accordance with the location of the required spatial area of navigation support, at least three acoustic beacons stationary located in the shelf area at distances from each other, commensurate with the distance to an underwater object, receiving signals from at least one vertical measuring antenna of each lighthouse, stationary located with known coordinates in the area of the underwater sound channel at the deep sea border, the receiving acoustic sensors of the antennas combined with meters of local speed of sound, determining the position of the axis of the underwater channel and vertical angular characteristics of operational navigation signals received on the axis of a deep-sea sound channel; beacons emitted by selected operational navigation systems signals, receiving them by the receiving acoustic sensors of each antenna located on the axis of the underwater sound channel, determining the reception time, the vertical distribution of the speed of sound along the antenna, generating the antennas and transmitting information messages to the navigation system of the underwater object with beacons corresponding to the antennas, while the beacons and antennas are synchronized with a standard of time; reception by the underwater object of navigation signals and information messages from at least three beacons, isolation, determination and identification of arrival times of pulses in each of the received navigation signals as part of the beam approximation, taking into account sound velocity along the vertical antenna and at the point of reception by the underwater object, determination horizontal distances from vertical antennas to the underwater object, taking into account information messages and the subsequent positioning of the underwater object are relatively vertical x antennas by triangulation and determining the position of the underwater object in space, taking into account the geographical coordinates of the antennas and the depth of the underwater object.

2. The method according to p. 1, characterized in that the determination of horizontal distances from vertical antennas to the underwater object, taking into account information messages and the subsequent positioning of the underwater object relative to vertical antennas by triangulation and determining the position of the underwater object, is carried out by the arrival times of navigation signals propagating over more than one ray path.

3. A system for passive positioning and navigation at long ranges, including at least three beacons located stationary in the shelf area, emitting phase-coded phase-manipulated navigation and information signals and having a wide-angle horizontal radiation pattern and a controlled radiation pattern in a narrow range of angles in the vertical plane, placed so that the horizontal distances between adjacent lighthouses are commensurate with the distances to the underwater object in; coastal centers corresponding to each of the lighthouses, and, at least for each lighthouse, one vertical measuring antenna which is permanently located in a place with known coordinates, whose acoustic receiving sensors are combined with local sound velocity meters, and equipped with a control and calibration unit that contains electronic units synchronized high-precision clocks, processing signals from a vertical antenna, determining the parameters of working navigation signals, measuring the vertical distribution soon ti sound along the antenna, calculating the propagation time of the navigation signals from the antenna to the beacon generating unit and data messages to each beacon; on-board navigation complex of an underwater object, including electronic blocks for synchronizing time, reception and primary processing of code-pulse phase-manipulated navigation signals containing at least one pulse corresponding to the propagation of a signal along different ray paths, and a block for decoding information signals from at least three beacons, and a computational a device for calculating the coordinates of an underwater object, while the coastal centers are connected by an energy supply and information nym cables with beacons and antennas, and information channels with the standard time.

4. The system of claim. 3, characterized in that as a beacon used a single acoustic parametric emitters.

5. The system according to claim 3, characterized in that the emitting antennas consisting of several parametric emitters are used as beacons.

6. The system according to p. 3, characterized in that the receiving unit of the code-pulse phase-shifted navigation underwater object is a receiving antenna.