RU2687844C1 - Method for navigation-information support of autonomous unmanned underwater vehicle of large autonomy performing extended underwater crossing - Google Patents
Method for navigation-information support of autonomous unmanned underwater vehicle of large autonomy performing extended underwater crossing Download PDFInfo
- Publication number
- RU2687844C1 RU2687844C1 RU2018131832A RU2018131832A RU2687844C1 RU 2687844 C1 RU2687844 C1 RU 2687844C1 RU 2018131832 A RU2018131832 A RU 2018131832A RU 2018131832 A RU2018131832 A RU 2018131832A RU 2687844 C1 RU2687844 C1 RU 2687844C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- auv
- range
- navigation
- coordinates
- hydroacoustic
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S3/00—Direction-finders for determining the direction from which infrasonic, sonic, ultrasonic, or electromagnetic waves, or particle emission, not having a directional significance, are being received
- G01S3/80—Direction-finders for determining the direction from which infrasonic, sonic, ultrasonic, or electromagnetic waves, or particle emission, not having a directional significance, are being received using ultrasonic, sonic or infrasonic waves
- G01S3/802—Systems for determining direction or deviation from predetermined direction
- G01S3/808—Systems for determining direction or deviation from predetermined direction using transducers spaced apart and measuring phase or time difference between signals therefrom, i.e. path-difference systems
Abstract
Description
Изобретение относится к подводной технике и в частности к технологиям создания средств навигации и информационного обмена для автономного необитаемого подводного аппарата (АНПА) с большой автономностью и дальностью действия, например при выполнении миссий подо льдом, в условиях отсутствия сопровождающего судна-носителя (ОС) и необходимости минимизации дополнительного внешнего навигационного оборудования.The invention relates to underwater technology and in particular to technologies for creating means of navigation and information exchange for autonomous uninhabited underwater vehicle (AUV) with great autonomy and range, for example, when performing missions under the ice, in the absence of an accompanying carrier vessel (OS) and the need minimizing additional external navigation equipment.
Известен способ навигации и информационной поддержки для определения координат АНПА на его борту и параллельно в пункте управления, размещаемом на борту ОС, основанный на обработке гидроакустических дальномерных данных АНПА и судовой гидроакустической навигационной антенны относительно сети маяков-ответчиков, донных (Матвиенко Ю.В., Рылов Р.Н., Сидоренко А.В. Гидроакустические средства навигации и телеуправления для автономных необитаемых подводных аппаратов // Подводные технологии, 2005, №1, с. 20-27.) или поверхностных (S. Desset, R. Damus, J. Morash, С. Bechaz. Use of GIBs in AUVs for Underwater Archaeology. - Sea Technology, 2003, December, p. 22-27.). Способ реализуется в системах, называемых гидроакустическими навигационными системами с длинной базой.A known method of navigation and information support to determine the coordinates of the AUV on board and in parallel in the control center, located on board the OS, based on the processing of the hydroacoustic rangefinder data of the AUV and the ship's hydro-acoustic navigation antenna relative to the network of beacons-responders, bottom (Matvienko Yu.V., Rylov R.N., Sidorenko A.V. Hydroacoustic means of navigation and telecontrol for autonomous uninhabited underwater vehicles // Underwater technologies, 2005, №1, pp. 20-27.) Or surface (S. Desset, R. Damus, J Morash, S. Be chaz. Use of GIBs in AUVs for Underwater Archeology - Sea Technology, 2003, December, p. 22-27.). The method is implemented in systems called sonar navigation systems with a long base.
Недостаток этих систем - ограничение района работ сетью маяков с небольшой дальностью действия.The disadvantage of these systems is the limitation of the area of work with a network of lighthouses with a short range.
Известен способ подводной навигации и информационного обмена, основанный на комплексной обработке данных от различных устройств, который позволяет реализовать информационный обмен, увеличить дальность действия и точность навигации за счет комплексирования данных бортовой навигационной системы и внешних гидроакустических навигационных систем (Агеев М.Д., Киселев Л.В., Матвиенко Ю.В. и др. Автономные подводные роботы. - М., Наука, 2005, 398 с.; М. Uliana, F. Andreucci, B. Papalia. The Navigation System of an Autonomous Vehicle for Antarctic Exploration. - Proceeding of MTSIEEE OCEANS-97).There is a method of underwater navigation and information exchange, based on integrated data processing from various devices, which allows you to implement information exchange, increase the range and accuracy of navigation by integrating data from the onboard navigation system and external sonar navigation systems (Ageev MD, Kiselev L .V., Matvienko, Yu.V., et al. Autonomous Underwater Robots - M., Nauka, 2005, 398 pp., M. Uliana, F. Andreucci, B. Papalia.The Autonomous Vehicle for Antarctic Exploration - Proceeding of MTSIEEE OCEANS-97).
Известный способ включает: счисление координат на борту аппарата, установку ряда автономных опорных маяков, координаты которых известны на борту аппарата, обмен по гидроакустическому каналу связи между маяками и АНПА для формирования гидроакустических дальномерных данных, комплексирование бортовых и гидроакустических навигационных данных, применение средств двухсторонней гидроакустической связи между АНПА и ОС для информационного обмена. В соответствии с этим способом навигационно-информационной поддержки, для решения навигационной задачи определяют локальные координаты АНПА на его борту, счисленные по данным бортовых датчиков курса, скорости и глубины, затем корректируют накапливающиеся ошибки счисления по дальномерным гидроакустическим данным, принимаемым на борту аппарата. Ошибка счисления корректируется путем периодического определения положения объекта по измеряемым дальностям от комплекта маяков, предварительно установленным в районе работ. Причем координаты маяков могут быть известны перед началом работ на борту подводного аппарата или передаваться от маяков на АНПА по гидроакустической линии связи. Сами маяки могут быть как стационарными так и не стационарными. Нестационарные маяки обладают дополнительными средствами для определения своих текущих координат и информационного обмена с удаленным пунктом управления, например, имея средства спутниковой навигации и связи, с размещением элементов маяков на поверхности моря (Patent №5,579,285, Nov. 26, 1996. Method and device for the monitoring and remote control of unmanned mobile underwater vehicle; Yuya Nishida and … Development of an autonomous buoy system for AUV).The known method includes: the calculation of coordinates on board the apparatus, the installation of a number of autonomous reference beacons, the coordinates of which are known on board the apparatus, the exchange of hydroacoustic communication channel between the beacons and the ANPA for the formation of hydroacoustic rangefinder data, integration of onboard and sonar navigation data, the use of two-way sonar communication between AUV and OS for information exchange. In accordance with this method of navigation and information support, for solving the navigation problem, local coordinates of the AUV on board are calculated, calculated according to the onboard sensors of the course, speed and depth, then the accumulated counting errors are corrected according to the distance-measuring sonar-acoustic data received on board the device. The number error is corrected by periodically determining the position of the object from the measured distances from the set of beacons that have been previously established in the work area. Moreover, the coordinates of the lighthouses may be known before starting work on board the underwater vehicle or transmitted from the lighthouses to the AUV via the hydroacoustic link. The beacons themselves can be both stationary and non-stationary. Non-stationary lighthouses have additional means for determining their current coordinates and information exchange with the remote control station, for example, having satellite navigation and communication facilities, with the placement of lighthouse elements on the sea surface (Patent No. 5,579,285, Nov. 26, 1996.) underwater vehicle (Yuya Nishida and ... Development of an autonomous buoy system for AUV).
Работа систем возможна также при наличии только одного опорного маяка (A. Scherbatjuk. The AUV Positining using Ranges from one Transponder LBL - OCEANS 95, vol. 3, p. 1620-1623) с измерением дальности до маяка из ряда точек специальной траектории аппарата, которую он выполняет для решения навигационной задачи путем накопления траекторных дальномерных данных. Информационная поддержка обеспечивается средствами дополнительной системы связи.The systems can also be operated with only one reference beacon (A. Scherbatjuk. The AUV Positining using Ranges from one Transponder LBL - OCEANS 95, vol. 3, p. 1620-1623) with measuring the distance to the beacon from a number of points of a special trajectory of the device, which it performs to solve the navigation problem by accumulating trajectory rangefinder data. Information support is provided by means of an additional communication system.
Недостатками способа являются:The disadvantages of the method are:
- ограниченный район работы АНПА из-за его привязки к зоне действия опорных маяков, дальность которых определяется выбранным частотным диапазоном гидроакустического канала связи;- limited area of work of the AUVA due to its binding to the zone of coverage of reference beacons, the range of which is determined by the selected frequency range of the hydroacoustic communication channel;
- резкий рост габаритов гидроакустического оборудования, размещаемого на АНПА, для информационного обмена с маяками и судном, при увеличения дальности действия систем навигации (Larsen Mikael. Methods and Systems for Navigating under Water. / Patent WO 01/65274. 2001, March).- a sharp increase in the size of hydroacoustic equipment placed on the AUV for information exchange with lighthouses and the vessel, while increasing the range of navigation systems (Larsen Mikael. Methods and Systems for Navigating under Water. / Patent WO 01/65274. 2001, March).
Известен способ навигационного обеспечения автономного подводного робота контролируемого с борта обеспечивающего судна. (Патент РФ №2344435, приоритет от 08.05.2007 г.), при котором на борту АНПА устанавливаются координаты стартовой точки, счисляется траектория движения по данным датчиков скорости курса и глубины, принимаются навигационные сигналы, излучаемые опорным гидроакустическим маяком, определяются собственные координаты относительно опорного гидроакустического маяка с известными координатами, получают оценку координат при комплексной обработке данных и передают ее по гидроакустическому каналу на борт сопровождающего судна, при котором опорный гидроакустический маяк связан кабельной линией с бортом ОС и выполнен в виде буксируемого устройства, координаты которого определяются средствами судовой навигации и передаются по гидроакустическому каналу на борт АНПА в составе навигационных сигналов излучаемых маяком. Гидроакустический маяк дополнен приемником навигационного сигнала. На борту АНПА размещен передатчик навигационного сигнала, который содержит координаты АНПА, а ОС движется, сопровождая движущийся АНПА.There is a method of navigation support autonomous underwater robot controlled from the board providing the vessel. (Patent of the Russian Federation No. 2344435, priority of 08/05/2007), in which the coordinates of the starting point are set onboard the AUV, the trajectory of movement is calculated according to the course speed and depth sensors, the navigation signals emitted by the reference sonar beacon are received, their own coordinates are determined relative to the reference hydroacoustic beacon with known coordinates, receive an estimate of the coordinates for complex data processing and transmit it through the hydroacoustic channel to the side of the accompanying vessel, at which the reference hydro The lighthouse is connected by a cable line to the OS and is designed as a towed device, the coordinates of which are determined by means of ship navigation and are transmitted through the hydroacoustic channel to the ANP as part of the navigation signals emitted by the beacon. The hydroacoustic beacon is complemented by a navigation signal receiver. Onboard the AUV there is a navigation signal transmitter that contains the coordinates of the AUV, and the OS moves, accompanying the moving AUV.
Недостатком известного способа является необходимость привлечения обеспечивающего судна для поддержки миссии автономного АНПА.The disadvantage of this method is the need to attract a supporting vessel to support the mission of an autonomous AUV.
Известен также способ навигации подводного робота (АНПА), совершающего протяженную миссию с контролем на борту обеспечивающего судна (Satoshi Tsukioka, Taro Aoki, Takashi Murashima. Experimental Results of an Autonomous Underwater Vehicle "Urashima" - Oceans-2003, p. 940-945), основанный на работе системы счисления на борту робота, использовании сети внешних опорных стационарных маяков, излучающих навигационные сигналы, наличии бортовой системы измерения дальности маяков, специальной системы гидроакустической связи между обеспечивающим судном и подводным роботом. В известном способе для коррекции системы счисления применяют только один стационарный опорный гидроакустический маяк с известными координатами, а для увеличения оперативности на борту робота дополнительно установлен пеленгатор углового положения опорного маяка. В системах навигации робота большой автономности и совершающего протяженную миссию (например, в режиме обследования подводного трубопровода или кабеля) вдоль трассы устанавливается сеть маяков. Каждый из этих маяков по очереди является опорным в своем районе трассы работ. Положение подводного робота определяется путем измерения дальности и углового положения маяка, координаты которого предварительно установлены на аппарате. Рассчитанные на борту аппарата комплексированные навигационные данные по гидроакустической системе связи передаются в пункт управления на борт обеспечивающего судна, позволяя контролировать ход работ в реальном времени.There is also a known method of navigating an underwater robot (AUV), which performs an extended mission with control on board a supply vessel (Satoshi Tsukioka, Taro Aoki, Takashi Murashima. Ucehima - Oceans-2003, p. 940-945) based on the operation of the number system onboard the robot, the use of a network of external reference stationary beacons emitting navigation signals, the presence of an onboard distance measurement system of beacons, a special system of hydro-acoustic communication between the supply vessel and the underwater robot. In the known method, only one stationary reference sonar beacon with known coordinates is used to correct the number system, and to increase the efficiency on board of the robot, the direction finder of the angular position of the reference beacon is additionally installed. In the navigation systems of a robot of high autonomy and performing an extended mission (for example, in the survey mode of a subsea pipeline or cable), a network of beacons is established along the route. Each of these lighthouses in turn is a reference in its area of work. The position of the underwater robot is determined by measuring the distance and the angular position of the beacon, the coordinates of which are pre-installed on the device. The integrated navigation data for the hydroacoustic communication system calculated onboard the apparatus are transmitted to the control center on board the supporting vessel, allowing you to monitor the progress of work in real time.
Этот способ навигации АНПА по своему функциональному назначению, по своей технической сущности и достигаемому техническому результату наиболее близок к заявляемому техническому решению и принят за прототип.This way of navigation of the AUV in its functional purpose, in its technical essence and the achieved technical result is closest to the claimed technical solution and adopted as a prototype.
Недостатками известного способа навигации в навигационных системах для АНПА с большой дальностью действия, являются:The disadvantages of this method of navigation in navigation systems for AUV with a long range, are:
- необходимость привлечения обеспечивающего судна,- the need to attract a supporting vessel,
- необходимость установки большого числа опорных маяков по трассе движения АНПА, что увеличивает время проведения работ и их стоимость,- the need to install a large number of reference beacons along the route of the AUV, which increases the time of work and their cost,
- низкая пропускная способность гидроакустического канала информационного обмена,- low bandwidth hydroacoustic channel information exchange,
- увеличение габаритов и энергопотребления гидроакустического навигационного оборудования АНПА из-за необходимости понижения диапазона рабочих частот для информационного обмена с опорными маяками с большой дальностью действия.- increase in size and power consumption of the UHVA hydroacoustic navigation equipment due to the need to lower the operating frequency range for information exchange with long-range reference beacons.
Задачей настоящего изобретения является обеспечение навигационно-информационной поддержки АНПА большой автономности, совершающего протяженный подводный переход, и уменьшение массогабаритных характеристик и энергопотребления навигационного гидроакустического оборудования, размещаемого на борту АНПА и предназначенного для решения задач навигации и информационного обмена с пунктом управления.The present invention is the provision of navigation information support AUV high autonomy, committing a long underwater transition, and reducing the weight and size characteristics and power consumption of navigation sonar equipment placed on board the AUV and designed to solve problems of navigation and information exchange with the control point.
Задача решается тем, что в способе навигационно-информационной поддержки автономного необитаемого подводного аппарата большой автономности, совершающего протяженный подводный переход, при котором устанавливают координаты точки старта АНПА, расставляют по трассе движения сеть опорных маяков большой дальности действия с известными координатами, определяют текущее положение АНПА бортовой системой счисления, корректируют в соответствии с установленным периодом обсервации ошибки счисления на основании расчета координат АНПА по дальномерным данным от ближайшего опорного маяка с известными координатами, выполняют на АНПА прием команд телеуправления и передачу данных телеметрии с использованием опорного маяка, снабженного средствами гидроакустической связи с АНПА, а также средствами спутниковой навигации и связи с удаленным пунктом управления, дополнительно оснащают опорные маяки высокочастотным (ВЧ) малой дальности действия и низкочастотным (НЧ) большой дальности действия гидроакустическими приемо-передающими средствами информационного обмена с АНПА. АНПА также оснащают ВЧ гидроакустическими средствами приема-передачи и НЧ гидроакустическими средствами приема для информационного обмена с опорным маяком, кроме того, АНПА оснащают программными средствами для его бортовой системы управления, реализующими выход АНПА к опорному маяку на основании приема и обработки данных, принятых от опорного маяка в низкочастотном диапазоне. После чего размещают опорные маяки по трассе следования в точках предполагаемых обсерваций, а период обсерваций устанавливается временем, в течение которого формируемая ошибка счисления координат будет сравнима с дальностью действия низкочастотного канала связи. Затем выполняют коррекцию счисленных координат путем их сравнения с расчетными координатами по дальномерным данным опорного маяка с известными координатами на основании приема и обработки данных, принятых от опорного маяка в высокочастотном диапазоне. Выполняют прием команд управления на борту АНПА путем приема и обработки данных, переданных от опорного маяка в высокочастотном диапазоне, и выполняют передачу данных телеметрии с борта АНПА путем приема и обработки данных, принятых опорным маяком в высокочастотном диапазоне.The task is solved by the fact that in the method of navigation and information support of an autonomous uninhabited underwater vehicle of great autonomy, committing an extensive underwater transition, at which the coordinates of the starting point of the AUV are established, the long-range reference beacons with the known coordinates are arranged along the route, the current position of the AUV onboard number system, adjust in accordance with the established period of the observational error of the number based on the calculation of the coordinates of the AUV To the measured data from the nearest reference beacon with known coordinates, the AUV receives telecontrol commands and transmits telemetry data using a reference beacon equipped with hydroacoustic communication means with the AUV, as well as satellite navigation and communication with a remote control station, additionally equipped with reference beacons ( HF) short-range and low-frequency (LF) long-range sonar receiving and transmitting means of information exchange with the ANP. AUVA also equip HF sonar reception-transmission facilities and LF with hydroacoustic reception facilities for information exchange with the reference beacon. In addition, the AUV is equipped with software for its onboard control system that implements the AUV output to the reference beacon based on the reception and processing of data received from the reference beacon in the low frequency range. After that, the reference beacons are placed along the route at the points of the proposed observations, and the observation period is set by the time during which the generated coordinate calculation error will be comparable to the range of the low-frequency communication channel. Then, correction of the numerical coordinates is performed by comparing them with the calculated coordinates from the ranging data of the reference beacon with known coordinates based on the reception and processing of data received from the reference beacon in the high frequency range. They receive control commands onboard the AUV by receiving and processing data transmitted from the reference beacon in the high-frequency range, and transmitting telemetry data from the AUV board by receiving and processing data received by the reference beacon in the high-frequency range.
Кроме того, значения рабочих частот гидроакустических средств информационного обмена в НЧ диапазоне выбирают из условия достижения требуемой дальности действия этих средств, которая должна быть как минимум вдвое большей максимальной ошибки счисления координат по данным бортовой навигационной системы АНПА за период обсервации, а значения рабочих частот гидроакустических средств информационного обмена в ВЧ диапазоне выбирают из условия обеспечения пропускной способности канала для передачи задаваемого объема телеметрических данных.In addition, the operating frequencies of the hydroacoustic information exchange tools in the LF range are chosen from the condition for achieving the required range of these means, which should be at least twice as large as the maximum coordinate error according to the onboard navigation system AUV for the observation period, and the values of the operating frequencies of hydroacoustic assets information exchange in the HF range is chosen from the condition of ensuring the channel capacity for transmitting the specified volume of telemetric data .
Сопоставительный анализ заявляемого технического решения и прототипа показывает, что первое в отличие от прототипа имеет следующие существенные признаки:Comparative analysis of the proposed technical solution and the prototype shows that the first, unlike the prototype, has the following essential features:
- оснащают опорные маяки высокочастотным (ВЧ) малой дальности действия и низкочастотным (НЧ) большой дальности действия гидроакустическими приемо-передающими средствами информационного обмена с АНПА;- equip reference beacons with high-frequency (HF) short-range and low-frequency (LF) long-range hydroacoustic receiving-transmitting means of information exchange with the AUV;
- оснащают АНПА ВЧ гидроакустическими средствами приема-передачи и НЧ гидроакустическими средствами приема для информационного обмена с опорным маяком, кроме того, АНПА оснащают программными средствами для его бортовой системы управления, реализующими выход АНПА к опорному маяку на основании приема и обработки данных, принятых от опорного маяка в низкочастотном диапазоне;- equip the AUV HF sonar reception-transmission and LF hydroacoustic reception tools for information exchange with the reference beacon, in addition, the AUV is equipped with software for its onboard control system that implements the output of the AUV to the reference beacon on the basis of receiving and processing data received from the reference beacon in the low frequency range;
- размещают опорные маяки по трассе следования в точках предполагаемых обсерваций, а период обсерваций устанавливается временем, в течение которого формируемая ошибка счисления координат будет сравнима с дальностью действия низкочастотного канала связи;- place the reference beacons along the route at the points of the proposed observations, and the observation period is set by the time during which the generated coordinate calculation error will be comparable to the range of the low-frequency communication channel;
- выполняют коррекцию счисленных координат путем их сравнения с расчетными координатами по дальномерным данным ближайшего опорного маяка с известными координатами на основании приема и обработки данных, принятых от опорного маяка в высокочастотном диапазоне;- carry out the correction of the numerical coordinates by comparing them with the calculated coordinates of the rangefinder data of the nearest reference beacon with known coordinates based on the reception and processing of data received from the reference beacon in the high frequency range;
- выполняют прием команд управления на борту АНПА путем приема и обработки данных, переданных от опорного маяка в высокочастотном диапазоне;- receive control commands on board the AUV by receiving and processing data transmitted from the reference beacon in the high frequency range;
- выполняют передачу данных телеметрии с борта АНПА путем приема и обработки данных, принятых опорным маяком в высокочастотном диапазоне.- perform telemetry data transmission from the AUV board by receiving and processing data received by the reference beacon in the high frequency range.
В заявленном способе навигационно-информационной поддержки АНПА большой автономности, совершающего протяженный подводный переход с использованием его бортовой навигационной системы и гидроакустических средств навигации и связи, а также внешних опорных маяков, и обеспечивающий определение координат и контроль положения движущегося АНПА, а также передачу на него команд управления и прием от него данных телеметрии на удаленный ПУ, имеются следующие преимущества:In the claimed method of navigation information support of the AUV of great autonomy, committing a long underwater crossing using its onboard navigation system and sonar navigation and communications, as well as external reference beacons, and providing the determination of coordinates and control of the position of the moving AUV, as well as the transfer of commands to it control and reception of telemetry data from it on a remote PU, there are the following advantages:
- АНПА выполняет автономную миссию без сопровождающего судна,- AUV performs an autonomous mission without an accompanying vessel,
- работу АНПА поддерживает редкая сеть опорных маяков с большой дальностью действия по трассе движения АНПА,- the work of the AUV supports a rare network of reference beacons with a long range on the route of the AUV,
- габариты и энергопотребление гидроакустического навигационного оборудования АНПА минимальны за счет отсутствия на его борту аппаратуры передачи НЧ диапазона гидроакустической связи. Так например, оптимальная частота НЧ системы связи с дальностью 80 км составляет около 1 кГц (В.И. Бородин, Г.Е. Смирнов. Н.А. Толстякова. Г.В. Яковлев. Гидроакустические навигационные средства. - Ленинград. Судостроение, 1983. с. 33). На такой частоте диаметр эффективно работающих ненаправленных передающих антенн составит десятки сантиметров при массе до сотен кг и энергопотреблении единицы кВт. Размещение оборудования с такими массогабаритными и энергетическими характеристиками на АНПА ведет к уменьшению его автономности и является неприемлемым. На основании этого, на борту АНПА размещают только малогабаритную и мало потребляющую электроэнергию (единицы Вт) приемную аппаратуру этой системы связи.- dimensions and power consumption of the AUVA hydroacoustic navigation equipment are minimal due to the absence on its board of the equipment for transmitting the low-frequency range of hydroacoustic communication. For example, the optimal frequency of an NP communication system with a range of 80 km is about 1 kHz (V.I. Borodin, G.E. Smirnov. N.A. Tolstiakova. G.V. Yakovlev. Hydroacoustic navigation aids. - Leningrad. Shipbuilding, 1983. p. 33). At such a frequency, the diameter of efficiently operating omnidirectional transmitting antennas will be tens of centimeters with a weight of up to hundreds of kg and a power consumption of a kilowatt. Placing equipment with such weight and size and energy characteristics on the AUV leads to a decrease in its autonomy and is unacceptable. Based on this, only small-sized and low-consumption electricity (units of W) receiving equipment of this communication system is placed on board the AUVA.
Навигация и информационный обмен между удаленным пунктом управления и АНПА осуществляется путем применения редкой сети установленных по трассе движения радиогидроакустических опорных маяков (ОМ) большой дальности действия, снабженных средствами спутниковой навигации и связи, каждый из которых обеспечивает информационный обмен с АНПА по гидроакустическому каналу связи, для чего содержит габаритную приемо-передающую аппаратуру низкочастотного (НЧ) канала гидроакустической связи с большой дальностью действия и малогабаритную приемо-передающую аппаратуру высокочастотного (ВЧ) канала гидроакустической связи с малой дальностью. При этом на АНПА, наряду с бортовой системой счисления, размещают малогабаритную приемо-передающую аппаратуру ВЧ канала гидроакустической связи с опорным маяком, а также малогабаритную приемную аппаратуру НЧ канала гидроакустической связи с опорным маяком. Формирование редкой сети опорных маяков, выставляемых по трассе движения АНПА, достигается за счет их размещения в точках предполагаемых обсерваций, а период обсерваций устанавливается временем, в течение которого формируемая ошибка счисления координат АНПА не превысит дальности действия НЧ канала гидроакустической связи.Navigation and information exchange between the remote control point and the AUV is carried out by using a rare network of long-range radio-hydro-acoustic reference beacons (OM) installed along the route, equipped with satellite navigation and communication means for the hydro-acoustic communication channel for which contains the overall receiving and transmitting equipment of the low-frequency (LF) channel of the hydro-acoustic communication with a long range and small-sized receiving- transmitter equipment of high-frequency (HF) channel hydroacoustic communication with a short range. In addition, on the AUV, along with the onboard number system, a small-sized receiving and transmitting equipment of the high-frequency channel of hydroacoustic communication with a reference beacon, as well as a small-sized receiving equipment of the low-frequency channel of hydroacoustic communication with a supporting beacon are placed. The formation of a rare network of reference beacons placed along the route of the AUV movement is achieved by placing them at the points of the proposed observations, and the observation period is determined by the time during which the generated error in the calculation of the AUV coordinates does not exceed the range of the hydro-acoustic communication channel.
Технический результат - обеспечение навигационно-информационной поддержки АНПА большой автономности, совершающего протяженный подводный переход, и уменьшение массогабаритных характеристик и энергопотребления навигационного гидроакустического оборудования, размещаемого на борту АНПА, достигается за счет применения редкой сети опорных маяков с большой дальностью действия и отсутствия на борту АНПА габаритной и энергопотребляющей аппаратуры передачи НЧ канала гидроакустической связи.The technical result is the provision of navigation information support for AUV of great autonomy, committing a long underwater transition, and reducing the weight and size characteristics and power consumption of navigation sonar equipment placed on board the AUV, is achieved through the use of a rare network of reference beacons with a long range and energy-consuming equipment for the transmission of the LF channel hydroacoustic communication.
Совокупность существенных признаков заявленного изобретения имеет причинно-следственную связь с достигаемым техническим результатом. На основании изложенного можно заключить, что заявленное техническое решение является новым и обладает изобретательским уровнем, т.к. явным образом не следует из уровня техники и пригодно для промышленного применения.The set of essential features of the claimed invention has a causal relationship with the achievable technical result. Based on the above, we can conclude that the claimed technical solution is new and involves an inventive step, because not obvious from the prior art and is suitable for industrial use.
Сущность изобретения поясняется чертежом, где изображена структурная схема реализации предложенного способа навигационно-информационной поддержки с распределением оборудования на борту подводного аппарата и опорного маяка, где а - схема траектории движения подводного аппарата по протяженному маршруту, б - схема движения подводного аппарата в зоне действия НЧ канала гидроакустической связи и переход в зону действия ВЧ канала гидроакустической связи.The invention is illustrated in the drawing, which shows a block diagram of the proposed method of navigation and information support with the distribution of equipment on board the underwater vehicle and the reference beacon, where a is the scheme of the trajectory of the underwater vehicle along a long route, b is the movement scheme of the underwater vehicle in the zone of the LF channel hydroacoustic communication and the transition to the zone of the HF channel hydroacoustic communication.
Способ реализуется следующим образом.The method is implemented as follows.
АНПА дополнительно оснащают ВЧ гидроакустическими средствами приема-передачи и НЧ гидроакустическими средствами приема для информационного обмена с опорным маяком. Кроме того, АНПА оснащают программными средствами для его бортовой системы управления, реализующими выход АНПА к опорному маяку на основании приема и обработки данных, принятых от опорного маяка в низкочастотном диапазоне. Устанавливают координаты точки старта АНПА и аппарат начинает совершать многосуточный автономный (например, подо льдом) переход. По трассе движения АНПА размещают ряд опорных маяков навигационно-информационной поддержки. Опорные маяки оснащены высокочастотным (ВЧ) малой дальности действия и низкочастотным (НЧ) большой дальности действия гидроакустическими приемо-передающими средствами информационного обмена с АНПА, а также (при возможности) средствами спутниковой навигации и связи. При скорости движения например 5 м/с, АНПА за сутки пройдет более 400 км, при этом накопленная ошибка системы счисления за счет технических характеристик измерителя абсолютной скорости и курса составляет 0.5% от пройденного пути или более 20 км. В этом случае опорный маяк должен быть размещен по трассе движения на дистанции 400 км от точки старта, а дальность действия его НЧ низкоскоростной системы связи должна быть вдвое больше ошибки счисления, т.е. около 40 км. При выходе АНПА в зону работы передатчика НЧ гидроакустической связи опорного маяка на АНПА принимается навигационный сигнал и обеспечивается измерение текущей дальности до опорного маяка. Далее бортовой системой управления АНПА выполняется операция «Выход на маяк» по дальномерным данным от него (например, A.M. Павин Автоматическое приведение автономного подводного робота к гидроакустическому маяку - / Подводные исследования и робототехника, 2008, №1(5), с. 32-38). При достижении дистанции десятки метров между АНПА и маяком, дальнейшая операция точного выхода на маяк выполняется по дальномерным данным ВЧ канала связи, например с рабочей частотой 100 кГц и скоростью, например, 32 кбит/с. При попадании АНПА в окрестность нескольких метров от опорного маяка производится:AUVA is additionally equipped with HF sonar reception-transmission facilities and LF with hydroacoustic reception facilities for information exchange with the reference beacon. In addition, the AUV is equipped with software for its on-board control system that implements the AUV output to the reference beacon based on the reception and processing of data received from the reference beacon in the low frequency range. The coordinates of the AUV start point are established and the device begins to perform a multi-hour autonomous (for example, under the ice) transition. Along the route, the AUVA locates a number of reference beacons of navigation and information support. The reference beacons are equipped with high-frequency (HF) short-range and low-frequency (LF) long-range hydroacoustic receiving-transmitting means of information exchange with the AUV, as well as (if possible) means of satellite navigation and communication. With a speed of 5 m / s, for example, the ANP will pass more than 400 km per day, while the accumulated error of the number system due to the technical characteristics of the absolute speed meter and course is 0.5% of the distance traveled or more than 20 km In this case, the reference beacon should be placed along the route at a distance of 400 km from the starting point, and the range of its LF low-speed communication system should be twice the number error, i.e. about 40 km. When the AUV goes into the zone of operation of the LF transmitter of hydroacoustic communication of the reference beacon, the navigation signal is received on the AUVA and the current distance to the reference beacon is measured. Next, the onboard control system of the AUVA performs the operation “Exit to the lighthouse” using ranging data from it (for example, AM Pavin. Automatic reduction of an autonomous underwater robot to a sonar beacon - / Underwater research and robotics, 2008, №1 (5), pp. 32-38 ). When reaching a distance of tens of meters between the AUV and the beacon, the further operation of accurate access to the beacon is performed using the ranging data of the HF communication channel, for example, with an operating frequency of 100 kHz and a speed of, for example, 32 kbit / s. When an AUV enters the vicinity of a few meters from the reference beacon, the following is performed:
- сброс накопленной ошибки счисления координат и формирование координат стартовой точки для перехода к опорному маяку в следующей точке обсервации,- reset the accumulated error of the calculation of coordinates and the formation of the coordinates of the starting point for the transition to the reference beacon at the next observation point,
- коррекция счисленных координат путем их сравнения с расчетными координатами по дальномерным данным опорного маяка с известными координатами на основании приема и обработки данных, принятых от маяка в высокочастотном диапазоне,- correction of numerical coordinates by comparing them with the calculated coordinates from the ranging data of the reference beacon with known coordinates based on the reception and processing of data received from the beacon in the high frequency range,
- прием команд управления на борту АНПА от маяка путем приема и обработки данных, переданных от маяка в высокочастотном диапазоне,- receiving control commands onboard the AUV from the beacon by receiving and processing data transmitted from the beacon in the high-frequency range,
- передача данных телеметрии с борта АНПА на маяк путем приема и обработки данных, принятых маяком в высокочастотном диапазоне.- transmission of telemetry data from onboard the AUV to the beacon by receiving and processing data received by the beacon in the high frequency range.
При этом команды управления и данные телеметрии от удаленного пункта управления передаются (принимаются) маяком по каналу спутниковой связи (по возможности) или сохраняются (считываются) во внутренней памяти маяка.At the same time, control commands and telemetry data from the remote control point are transmitted (received) by a beacon via satellite communication channel (if possible) or stored (read) in the internal beacon memory.
Еще больший эффект может быть получен при применении маяков с существенно меньшей рабочей частотой НЧ диапазона. Например, при частоте 1 кГц дальность действия может составить до 100 км, а период расстановки маяков при упомянутой ошибке счисления и скорости АНПА будет уже более 1000 км.An even greater effect can be obtained when using beacons with a significantly lower operating frequency of the low-frequency range. For example, with a frequency of 1 kHz, the range of action can be up to 100 km, and the period of the placement of beacons with the above error of calculation and speed AUV will be more than 1000 km.
Значения рабочих частот гидроакустических средств информационного обмена в низкочастотном диапазоне выбирают из условия достижения требуемой дальности действия этих средств, которая должна быть как минимум вдвое большей максимальной ошибки счисления координат по данным бортовой навигационной системы АНПА за период обсервации, а значения рабочих частот гидроакустических средств информационного обмена в высокочастотном диапазоне выбирают из условия объема и скорости передачи телеметрических данных.The operating frequencies of the hydroacoustic information exchange tools in the low frequency range are chosen from the condition of achieving the required range of these means, which should be at least twice as large as the maximum coordinate error according to the onboard navigation system AUV for the observation period, and the values of the operating frequencies of the hydroacoustic information exchange means The high-frequency range is selected from the condition of volume and rate of telemetry data transmission.
Способ разработан в Институте проблем морских технологий ДВО РАН и используется для навигации автономных необитаемых подводных аппаратов.The method was developed at the Institute of Marine Technology Problems of the Far Eastern Branch of the Russian Academy of Sciences and is used for navigating autonomous, uninhabited underwater vehicles.
Claims (2)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018131832A RU2687844C1 (en) | 2018-09-04 | 2018-09-04 | Method for navigation-information support of autonomous unmanned underwater vehicle of large autonomy performing extended underwater crossing |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018131832A RU2687844C1 (en) | 2018-09-04 | 2018-09-04 | Method for navigation-information support of autonomous unmanned underwater vehicle of large autonomy performing extended underwater crossing |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2687844C1 true RU2687844C1 (en) | 2019-05-16 |
Family
ID=66578678
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2018131832A RU2687844C1 (en) | 2018-09-04 | 2018-09-04 | Method for navigation-information support of autonomous unmanned underwater vehicle of large autonomy performing extended underwater crossing |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2687844C1 (en) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2736231C1 (en) * | 2020-03-10 | 2020-11-12 | Акционерное Общество "Концерн "Океанприбор" | Method for determining sound velocity distribution |
| RU2756668C1 (en) * | 2021-03-31 | 2021-10-04 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем морских технологий Дальневосточного отделения Российской академии наук (ИПМТ ДВО РАН) | Method for navigation and information support of an autonomous unmanned underwater vehicle that monitors an underwater production complex |
| RU2762999C1 (en) * | 2020-07-09 | 2021-12-24 | АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО "Центральный научно-исследовательский институт автоматики и гидравлики", (АО "ЦНИИАГ") | Method for increasing the accuracy of determining the coordinates of an object by a radio engineering range measuring system |
| RU2785260C1 (en) * | 2022-06-17 | 2022-12-05 | Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военный учебно-научный центр Военно-Морского Флота "Военно-морская академия им. Адмирала Флота Советского Союза Н.Г. Кузнецова" | Motion control device for autonomous unmanned underwater vehicle |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2344435C1 (en) * | 2007-05-08 | 2009-01-20 | Институт проблем морских технологий Дальневосточного отделения Российской академии наук (ИПМТ ДВО РАН) | Method of navigational support of autonomous underwater robot controlled from control ship |
| US9067648B2 (en) * | 2012-09-05 | 2015-06-30 | Raytheon Company | Unmanned underwater vehicle launcher |
| RU2629916C1 (en) * | 2016-06-30 | 2017-09-04 | Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг) | Method and device for determining initial coordinates of independent unmanned underwater apparatus |
| RU2664971C1 (en) * | 2017-06-07 | 2018-08-24 | Российская Федерация, от имени которой выступает ФОНД ПЕРСПЕКТИВНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ | Autonomous undefined underwater vehicle for measuring differential characteristics of the vector sound field |
-
2018
- 2018-09-04 RU RU2018131832A patent/RU2687844C1/en active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2344435C1 (en) * | 2007-05-08 | 2009-01-20 | Институт проблем морских технологий Дальневосточного отделения Российской академии наук (ИПМТ ДВО РАН) | Method of navigational support of autonomous underwater robot controlled from control ship |
| US9067648B2 (en) * | 2012-09-05 | 2015-06-30 | Raytheon Company | Unmanned underwater vehicle launcher |
| RU2629916C1 (en) * | 2016-06-30 | 2017-09-04 | Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг) | Method and device for determining initial coordinates of independent unmanned underwater apparatus |
| RU2664971C1 (en) * | 2017-06-07 | 2018-08-24 | Российская Федерация, от имени которой выступает ФОНД ПЕРСПЕКТИВНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ | Autonomous undefined underwater vehicle for measuring differential characteristics of the vector sound field |
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| ВИГОВСКИЙ К.В. ОБОСНОВАНИЕ СОСТАВА И ХАРАКТЕРИСТИК ГИДРОАКУСТИЧЕСКИХ СРЕДСТВ АВТОНОМНОГО НЕОБИТАЕМОГО ПОДВОДНОГО АППАРАТА ЭКОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА. Диссертация, Санкт-Петербург, 2018, стр. 31-35. * |
| ВИГОВСКИЙ К.В. ОБОСНОВАНИЕ СОСТАВА И ХАРАКТЕРИСТИК ГИДРОАКУСТИЧЕСКИХ СРЕДСТВ АВТОНОМНОГО НЕОБИТАЕМОГО ПОДВОДНОГО АППАРАТА ЭКОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА. Диссертация, Санкт-Петербург, 2018, стр. 31-35. Ю.В. Ваулин и др. Навигационный комплекс автономного подводного робота и особенности его применения в условиях Арктики. Подводные исследования и робототехника, 2008, номер 1(5), стр. 24-31. * |
| Ю.В. Ваулин и др. Навигационный комплекс автономного подводного робота и особенности его применения в условиях Арктики. Подводные исследования и робототехника, 2008, номер 1(5), стр. 24-31. * |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2736231C1 (en) * | 2020-03-10 | 2020-11-12 | Акционерное Общество "Концерн "Океанприбор" | Method for determining sound velocity distribution |
| RU2762999C1 (en) * | 2020-07-09 | 2021-12-24 | АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО "Центральный научно-исследовательский институт автоматики и гидравлики", (АО "ЦНИИАГ") | Method for increasing the accuracy of determining the coordinates of an object by a radio engineering range measuring system |
| RU2756668C1 (en) * | 2021-03-31 | 2021-10-04 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем морских технологий Дальневосточного отделения Российской академии наук (ИПМТ ДВО РАН) | Method for navigation and information support of an autonomous unmanned underwater vehicle that monitors an underwater production complex |
| RU2785260C1 (en) * | 2022-06-17 | 2022-12-05 | Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военный учебно-научный центр Военно-Морского Флота "Военно-морская академия им. Адмирала Флота Советского Союза Н.Г. Кузнецова" | Motion control device for autonomous unmanned underwater vehicle |
| RU2790937C1 (en) * | 2022-07-26 | 2023-02-28 | Российская Федерация, от имени которой выступает ФОНД ПЕРСПЕКТИВНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ | Long range hydroacoustic navigation system |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2119172C1 (en) | Method of remote control over unmanned underwater craft and device for its implementation | |
| RU2687844C1 (en) | Method for navigation-information support of autonomous unmanned underwater vehicle of large autonomy performing extended underwater crossing | |
| RU2365939C1 (en) | Method of underwater navigation | |
| RU2561012C1 (en) | System for determining and monitoring location of underwater object | |
| CN109870694B (en) | High-precision long baseline positioning system based on multiple unmanned boat platforms | |
| RU2371738C1 (en) | Hydroacoustic navigation system | |
| RU2344435C1 (en) | Method of navigational support of autonomous underwater robot controlled from control ship | |
| RU2469346C1 (en) | Method of positioning underwater objects | |
| CN108681338A (en) | A kind of telemetering and remote control system of submarine navigation device | |
| RU2659299C1 (en) | Method and system of navigation of underwater objects | |
| US11650345B2 (en) | Autonomous surface and subsurface marine vehicle survey system, marine vehicle for same, and method of use | |
| RU2689281C1 (en) | Method for navigation-information support of deep-sea autonomous unmanned underwater vehicle | |
| CN109116360A (en) | A kind of deep-sea real-time high-precision locating method and system | |
| RU2018121199A (en) | MOBILE HYDROACOUSTIC BUY BEACON AND METHOD OF MARITIME NAVIGATION EQUIPMENT | |
| WO2019055583A1 (en) | Method for tracking underwater objects | |
| CN112346102A (en) | Underwater acoustic positioning navigation time service system | |
| CN114200401A (en) | Mesh division based underwater robot self-positioning system and method | |
| RU2702700C1 (en) | Method of positioning underwater objects | |
| RU2398316C2 (en) | Method for reception of signals from satellite navigation systems under ice, when underwater object is located at sailing horizon, and device for its realisation with application of hydroacoustic channel of navigation information transfer | |
| JP7142340B2 (en) | Underwater probe information sharing method and underwater probe information sharing system | |
| JP7133196B2 (en) | Underwater equipment recovery method and underwater equipment recovery system | |
| RU2596244C1 (en) | Arctic underwater navigation system for driving and navigation support of water surface and underwater objects of navigation in constrained conditions of navigation | |
| Sekimori et al. | Scalable real-time global self-localization of multiple AUV system using azimuth, elevation, and depth difference acoustic positioning | |
| US20220161912A1 (en) | Methods and systems for surveying using deep-water vessels | |
| RU2370787C1 (en) | Underwater sonde |