RU2712799C1 - Hydroacoustic navigation device with four-element short-base receiving antenna - Google Patents

Hydroacoustic navigation device with four-element short-base receiving antenna Download PDF

Info

Publication number
RU2712799C1
RU2712799C1 RU2019115318A RU2019115318A RU2712799C1 RU 2712799 C1 RU2712799 C1 RU 2712799C1 RU 2019115318 A RU2019115318 A RU 2019115318A RU 2019115318 A RU2019115318 A RU 2019115318A RU 2712799 C1 RU2712799 C1 RU 2712799C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
square
elements
diagonal
receiving antenna
error
Prior art date
Application number
RU2019115318A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Борис Иванович Филиппов
Михаил Михайлович Бабичев
Original Assignee
Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Образования "Новосибирский Государственный Технический Университет"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Образования "Новосибирский Государственный Технический Университет" filed Critical Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Образования "Новосибирский Государственный Технический Университет"
Priority to RU2019115318A priority Critical patent/RU2712799C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2712799C1 publication Critical patent/RU2712799C1/en

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
    • G01S15/00—Systems using the reflection or reradiation of acoustic waves, e.g. sonar systems
    • G01S15/02—Systems using the reflection or reradiation of acoustic waves, e.g. sonar systems using reflection of acoustic waves
    • G01S15/06—Systems determining the position data of a target
    • G01S15/42—Simultaneous measurement of distance and other co-ordinates

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Acoustics & Sound (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Measurement Of Velocity Or Position Using Acoustic Or Ultrasonic Waves (AREA)

Abstract

FIELD: hydro acoustics.SUBSTANCE: invention relates to hydroacoustic navigation devices (HND) and can be used to determine 3D coordinates of autonomous underwater vehicle (AUV) with hydroacoustic transmitting antenna, for bringing it to docking module of its carrier equipped with hydroacoustic receiving antenna (HRA) with short base B. HRA elements are placed in horizon, plane at corners of square with side B, in vertical plane elements along first diagonal of square are embedded in water, and elements along second diagonal of square are placed in water 0.4B–0.6B above elements along first diagonal of square.EFFECT: use of said HRA with base B=2 m in HND enables, when measuring the sound weighted average sound speed with error of up to 0,5 %, and time of propagation of navigation signal with error of up to 10 mcs to provide a mean over the zone of bringing the absolute mean square error of angular coordinates AUV to 1 degree and the relative mean square error of estimating the inclined distance to AUV to 2 %.1 cl, 2 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к области гидроакустических навигационных устройств, и может быть использовано для определения трехмерных координат автономного подводного аппарата (АПА) с целью автоматического приведения АПА к стыковочному модулю его носителя (СМ) при помощи гидроакустической навигационной системы с короткой базой.The present invention relates to the field of sonar navigation devices, and can be used to determine the three-dimensional coordinates of an autonomous underwater vehicle (APA) in order to automatically bring the APA to the docking module of its carrier (SM) using a short-base sonar navigation system.

Известно устройство для измерения расстояния до контролируемого подводного объекта, описанное в патенте №2313802 RU МПК G01S 15/08, содержащее гидроакустическую приемную антенну (ГПА) из двух независимых приемных элементов, разнесенных на расстояние, меньшее длины волны излучаемого сигнала. ГПА размещена непосредственно на грунте. Один элемент ГПА используется в составе векторного приемника колебательной скорости, а второй - в составе ненаправленного приемника звукового давления. По измеренным параметрам, с учетом предварительно измеренных плотности и скорости звука в придонном слое воды, а также плотности и скорости продольных волн в грунте определяют расстояние от ГПА до АПА.A device for measuring the distance to a controlled underwater object is described in patent No. 2313802 RU IPC G01S 15/08, comprising a hydroacoustic receiving antenna (GPA) of two independent receiving elements spaced apart by a distance shorter than the wavelength of the emitted signal. GPA is placed directly on the ground. One GPA element is used as part of the vector vibrational velocity receiver, and the second as part of the omnidirectional sound pressure receiver. From the measured parameters, taking into account the previously measured density and speed of sound in the bottom layer of water, as well as the density and velocity of longitudinal waves in the soil, the distance from the GPA to the APA is determined.

Однако, указанное устройство не измеряет пеленг (угловую координату АПА относительно приемных антенн). АПА может находиться в любой точке окружности, центром которой является ГПА; радиус этой окружности равен измеренному расстоянию от ГПА до АПА.However, this device does not measure the bearing (the angular coordinate of the APA relative to the receiving antennas). APA can be located at any point in the circle whose center is the GPA; the radius of this circle is equal to the measured distance from the GPA to the APA.

Кроме того, известно устройство для измерения пеленга на автономные и привязные необитаемые подводные аппараты или другие подводные технические средства, описанное в патенте №2179730 RU МПК G01S 3/808, G01S 15/06, являющееся прототипом предлагаемого изобретения, содержащее ГПА с круговой базой, с эквидистантно размещенными на ней N приемными элементами, N-канальный измеритель фазы, N-канальный измеритель амплитуды, вычислитель, N-канальный измеритель отношения сигнал-шум, блок фазирования и вычислитель пеленга.In addition, it is known a device for measuring bearing on autonomous and tethered uninhabited underwater vehicles or other underwater technical equipment described in patent No. 2179730 RU IPC G01S 3/808, G01S 15/06, which is a prototype of the present invention, containing a gas turbine with a circular base, with N receiving elements equidistantly placed on it, an N-channel phase meter, an N-channel amplitude meter, a calculator, an N-channel signal-to-noise ratio meter, a phasing unit, and a bearing calculator.

Однако, указанное устройство не измеряет наклонное расстояние между АПА и ГПА и требует использования достаточно большого количества элементов ГПА (в патенте приведены примеры с 7 и 15 элементами).However, this device does not measure the inclined distance between the APA and the GPA and requires the use of a sufficiently large number of GPA elements (examples with 7 and 15 elements are given in the patent).

Задачей (техническим результатом) предлагаемого изобретения является обеспечение возможности определения наклонного расстояния между АПА и ГПА, возможность установки и работы элементов ГПА не только на дне, но и в толще воды, и уменьшение количества элементов ГПА до четырех.The objective (technical result) of the present invention is to provide the ability to determine the inclined distance between the APA and the GPA, the ability to install and operate GPU elements not only at the bottom, but also in the water column, and reduce the number of GPA elements to four.

Поставленная задача достигается тем, что в известном устройстве элементы приемной антенны располагают в горизонтальной плоскости по углам квадрата со стороной В, равной длине базы гидроакустической приемной антенны, а в вертикальной плоскости элементы по первой диагонали квадрата притопляют в толще воды или на дне, а элементы по второй диагонали квадрата размещают в толще воды выше элементов по первой диагонали квадрата на величину 0.4В…0.6В.The problem is achieved in that in the known device the elements of the receiving antenna are placed in a horizontal plane at the corners of the square with side B equal to the length of the base of the hydroacoustic receiving antenna, and in the vertical plane, the elements along the first diagonal of the square are drowned in the water column or at the bottom, and the elements in the second diagonal of the square is placed in the water column above the elements along the first diagonal of the square by 0.4V ... 0.6V.

На Фиг. 1 приведена структурная схема предлагаемого устройства, на Фиг. 2 - схема расположения элементов приемной антенны.In FIG. 1 shows a structural diagram of the proposed device, FIG. 2 is a layout diagram of elements of a receiving antenna.

На Фиг. 2 показано взаимное расположение элементов ГПА 1, 2, 3, 4 в горизонтальной и вертикальной (вид С) плоскостях. В - база короткобазной ГПА.In FIG. 2 shows the relative position of the GPA elements 1, 2, 3, 4 in the horizontal and vertical (view C) planes. B is the base of a short-base GPA.

На Фиг. 1 в горизонтальной плоскости элементы ГПА 1, 2, 3, 4 размещаются по углам квадрата со стороной, равной длине базы В ГПА. В вертикальной плоскости элементы 1, 3 размещаются на уровне дна, либо в толще воды путем подтопления элементов, а элементы 2, 4 располагаются выше относительно элементов 1, 3 на величину 0.4В...0.6В. В случае, если данная величина будет менее 0.4В или более 0.6В, возможно существенное увеличение погрешности измерения координат передающей антенны 10. Координаты элементов 1, 2, 3, 4 известны, и в момент времени t равны (X1(t), Y1(t), Z1(t)), (X2(t), Y2(t), Z2(t)), (X3(t), Y3(t), Z3(t)), и (X4(t), Y4(t), Z4(t)) соответственно.In FIG. 1 in the horizontal plane, the elements of the GPA 1, 2, 3, 4 are placed at the corners of the square with a side equal to the length of the base In the GPU. In the vertical plane, elements 1, 3 are placed at the bottom level, or in the water column by flooding the elements, and elements 2, 4 are located higher than elements 1, 3 by a value of 0.4V ... 0.6V. If this value is less than 0.4V or more than 0.6V, a significant increase in the measurement error of the coordinates of the transmitting antenna is possible 10. The coordinates of the elements 1, 2, 3, 4 are known, and at time t are equal to (X 1 (t), Y 1 (t), Z 1 (t)), (X 2 (t), Y 2 (t), Z 2 (t)), (X 3 (t), Y 3 (t), Z 3 (t) ), and (X 4 (t), Y 4 (t), Z 4 (t)), respectively.

Элементы ГПА 1, 2, 3, 4 подключены к приемным каналам 5, 6, 7, 8 соответственно. Приемные каналы подключаются к измерительно-вычислительному блоку 9, измеряющему и вычисляющему в момент времени t координаты X0(t), Y0(t), Z0(t) АПА 10.Elements GPA 1, 2, 3, 4 are connected to the receiving channels 5, 6, 7, 8, respectively. The receiving channels are connected to the measuring and computing unit 9, measuring and calculating at time t the coordinates X 0 (t), Y 0 (t), Z 0 (t) APA 10.

Устройство работает следующим образом: в момент времени t гидроакустический сигнал от передающей антенны 10 принимается элементами ГПА 1, 2, 3, 4 и через каналы 5, 6, 7, 8 соответственно, поступает в измерительно-вычислительный блок 9. Блок 9 измеряет τ10(t), τ20(t), τ30(t), τ40(t) - времена распространения сигнала от антенны 10 к элементам ГПА 1, 2, 3, 4. Измеренные времена используются для вычисления трехмерных координат X0(t), Y0(t). Z0(t) передающей антенны 10 по формулам:The device operates as follows: at time t, the hydroacoustic signal from the transmitting antenna 10 is received by the GPA elements 1, 2, 3, 4 and, through channels 5, 6, 7, 8, respectively, enters the measuring and computing unit 9. Block 9 measures τ 10 (t), τ 20 (t), τ 30 (t), τ 40 (t) are the propagation times of the signal from antenna 10 to the GPA elements 1, 2, 3, 4. The measured times are used to calculate the three-dimensional coordinates X 0 (t ), Y 0 (t). Z 0 (t) of the transmitting antenna 10 according to the formulas:

Figure 00000001
Figure 00000001

Figure 00000002
Figure 00000002

Figure 00000003
Figure 00000003

где величины b1(t), b2(t), b3(t), h1(t), h2(t), h3(t), h4(t), h5(t), h6(t), h7(t), h8(t), h9(t), γ(t) определяются по формулам:where the quantities b 1 (t), b 2 (t), b 3 (t), h 1 (t), h 2 (t), h 3 (t), h 4 (t), h 5 (t), h 6 (t), h 7 (t), h 8 (t), h 9 (t), γ (t) are determined by the formulas:

Figure 00000004
Figure 00000004

В этих формулах величины a 11(t), a 12(t), a 13(t), a 21(t), a 22(t), a 23(t), a 31(t), a 32(t), a 33(t) определяются выражениями:In these formulas, the quantities a 11 (t), a 12 (t), a 13 (t), a 21 (t), a 22 (t), a 23 (t), a 31 (t), a 32 (t ), a 33 (t) are determined by the expressions:

Figure 00000005
Figure 00000005

а величина С есть средневзвешенная по глубине скорость распространения звука в зоне расположения элементов антенн 1, 2, 3, 4 и передающей антенны 10.and C is the depth-weighted average velocity of sound propagation in the area of the location of the elements of the antennas 1, 2, 3, 4 and the transmitting antenna 10.

Использование вышеописанной ГПА позволяет в реализации гидроакустической навигационной системы с базой элементов ГПА В=2 м, при условии измерения средневзвешенной по глубине скорости звука в зоне приведения с погрешностью не более 0,5%, а времени распространения навигационного сигнала с погрешностью не более 10 мкс, обеспечить требуемую точность измерения координат АПА: среднюю по зоне приведения абсолютную среднеквадратическую погрешность оценки угловых координат АПА не более 1 градуса, среднюю по зоне приведения относительную среднеквадратическую погрешность оценки наклонного расстояния до АПА не более 2%.The use of the above-described GPA allows for the implementation of a sonar navigation system with a base of GPU elements of B = 2 m, provided that the depth-average sound velocity is measured in the reduction zone with an error of not more than 0.5%, and the propagation time of the navigation signal with an error of not more than 10 μs, to provide the required accuracy of measuring the coordinates of the APA: the average root-mean-square error of the estimate of the angular coordinates of the APA is not more than 1 degree, the average relative to the reduction zone is the average the vadratic error of estimating the inclined distance to the APA is not more than 2%.

Claims (1)

Гидроакустическое навигационное устройство с четырехэлементной короткобазной приемной антенной, содержащее одноэлементную гидроакустическую передающую антенну, расположенную на автономном подводном аппарате, а также гидроакустическую приемную антенну, имеющую известные координаты и содержащую четыре независимых приемных элемента, подключенных к приемным каналам, подключенным к измерительно-вычислительному блоку, отличающееся тем, что элементы приемной антенны расположены в горизонтальной плоскости по углам квадрата со стороной В, равной длине базы гидроакустической приемной антенны, а в вертикальной плоскости элементы по первой диагонали квадрата притоплены в толще воды или на дне, а элементы по второй диагонали квадрата размещаются в толще воды выше элементов по первой диагонали квадрата на величину 0.4В…0.6В.A hydro-acoustic navigation device with a four-element short-base receiving antenna, containing a single-element hydro-acoustic transmitting antenna located on a standalone underwater vehicle, as well as a hydro-acoustic receiving antenna having known coordinates and containing four independent receiving elements connected to the receiving channels connected to the measuring and computing unit, characterized the fact that the elements of the receiving antenna are located in a horizontal plane at the corners of the square from the side The equal length of the base sonar receiving antenna, and the vertical elements on the first diagonal of the square pritopleny in the water column or on the bottom, and the elements of the second diagonal of the square are arranged in the water column above the first diagonal elements of a square on the value 0.4V 0.6V ....
RU2019115318A 2019-05-20 2019-05-20 Hydroacoustic navigation device with four-element short-base receiving antenna RU2712799C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019115318A RU2712799C1 (en) 2019-05-20 2019-05-20 Hydroacoustic navigation device with four-element short-base receiving antenna

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019115318A RU2712799C1 (en) 2019-05-20 2019-05-20 Hydroacoustic navigation device with four-element short-base receiving antenna

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2712799C1 true RU2712799C1 (en) 2020-01-31

Family

ID=69624978

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2019115318A RU2712799C1 (en) 2019-05-20 2019-05-20 Hydroacoustic navigation device with four-element short-base receiving antenna

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2712799C1 (en)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2179730C1 (en) * 2000-07-13 2002-02-20 Государственное учреждение Институт проблем морских технологий Дальневосточного отделения РАН Direction finder of sonar navigation system with ultrashort base
US8107320B2 (en) * 2008-03-12 2012-01-31 Raytheon Company Autonomous sonar system and method
RU2484492C1 (en) * 2011-11-11 2013-06-10 Учреждение Российской академии наук Институт проблем морских технологий Дальневосточного отделения РАН (ИПМТ ДВО РАН) Hydroacoustic system for measuring coordinates of sound source in shallow sea
RU2488133C1 (en) * 2011-11-28 2013-07-20 Учреждение Российской академии наук Институт проблем морских технологий Дальневосточного отделения РАН (ИПМТ ДВО РАН) Hydroacoustic complex to detect moving source of sound, to measure azimuthal angle to source and horizon of source of sound in shallow sea
RU2659299C1 (en) * 2017-03-13 2018-06-29 Общество с ограниченной ответственностью "Лаборатория подводной связи и навигации" (ООО "Лаборатория подводной связи и навигации") Method and system of navigation of underwater objects

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2179730C1 (en) * 2000-07-13 2002-02-20 Государственное учреждение Институт проблем морских технологий Дальневосточного отделения РАН Direction finder of sonar navigation system with ultrashort base
US8107320B2 (en) * 2008-03-12 2012-01-31 Raytheon Company Autonomous sonar system and method
RU2484492C1 (en) * 2011-11-11 2013-06-10 Учреждение Российской академии наук Институт проблем морских технологий Дальневосточного отделения РАН (ИПМТ ДВО РАН) Hydroacoustic system for measuring coordinates of sound source in shallow sea
RU2488133C1 (en) * 2011-11-28 2013-07-20 Учреждение Российской академии наук Институт проблем морских технологий Дальневосточного отделения РАН (ИПМТ ДВО РАН) Hydroacoustic complex to detect moving source of sound, to measure azimuthal angle to source and horizon of source of sound in shallow sea
RU2659299C1 (en) * 2017-03-13 2018-06-29 Общество с ограниченной ответственностью "Лаборатория подводной связи и навигации" (ООО "Лаборатория подводной связи и навигации") Method and system of navigation of underwater objects

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP4415192B2 (en) Riverbed measuring device
US7545705B2 (en) System and method for measuring wave directional spectrum and wave height
RU2340916C1 (en) Method of surveying bottom contour of water bodies and device to that end
CN105004413B (en) Acoustic propagation path comprehensive speed assay method and device for submarine target positioning
CN104133217B (en) Method and device for three-dimensional velocity joint determination of underwater moving target and water flow
RU2439614C2 (en) Method of surveying bottom topography of water body and apparatus for realising said method
RU2519269C1 (en) Method of surveying bottom topography of water area and apparatus therefor
RU2010109969A (en) METHOD FOR SHOOTING AQUATORIA BOTTOM RELIEF AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION
CN109029460A (en) Air navigation aid, system and device of the deep-sea vehicle to monitor surface platform ranging
RU2343502C2 (en) Method and system of positional analysis of object under observation by depth in aqueous medium
Muyakshin et al. The hydroacoustic method for the quantification of the gas flux from a submersed bubble plume
RU2461845C1 (en) Hydroacoustic system for imaging underwater space
Moulton et al. Improving the time resolution of surfzone bathymetry using in situ altimeters
RU2451300C1 (en) Hydroacoustic navigation system
RU2346295C1 (en) Active sonar
RU2608301C2 (en) System and method for 3d examination of sea bottom for engineering survey
RU2527136C1 (en) Method of measuring depth of object using sonar
JP6207817B2 (en) Underwater position-related information acquisition system
Grządziel et al. Estimation of effective swath width for dual-head multibeam echosounder
RU2712799C1 (en) Hydroacoustic navigation device with four-element short-base receiving antenna
RU2691217C1 (en) Method of positioning underwater objects
RU2529207C1 (en) Navigation system for towed underwater vehicle
RU2463624C1 (en) Hydroacoustic navigation system
CN208140187U (en) A kind of multi-beam marine charting detecting devices suitable for inland lake
RU2477498C1 (en) Method of monitoring vertical distribution of sound speed in shallow water conditions