RU2792922C1 - Method for positioning an autonomous underwater vehicle in the deep sea - Google Patents
Method for positioning an autonomous underwater vehicle in the deep sea Download PDFInfo
- Publication number
- RU2792922C1 RU2792922C1 RU2022120452A RU2022120452A RU2792922C1 RU 2792922 C1 RU2792922 C1 RU 2792922C1 RU 2022120452 A RU2022120452 A RU 2022120452A RU 2022120452 A RU2022120452 A RU 2022120452A RU 2792922 C1 RU2792922 C1 RU 2792922C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- hydroacoustic
- underwater vehicle
- autonomous underwater
- beacon
- beacons
- Prior art date
Links
Abstract
Description
Изобретение относится к области навигации подводных объектов, в частности, к способам определения местоположения (позиционирования) автономных подводных аппаратов (АПА) с большой автономностью и дальностью действия, при выполнении миссий в глубоком море, а также в глубоком море подо льдом, в условиях отсутствия обеспечивающего судна (ОС) или отсутствия выставленного в районе работ дополнительного внешнего навигационного оборудования. АПА могут быть необитаемые или обитаемые.The invention relates to the field of navigation of underwater objects, in particular, to methods for determining the location (positioning) of autonomous underwater vehicles (AUVs) with high autonomy and range, when performing missions in the deep sea, as well as in the deep sea under ice, in the absence of a ship (OS) or the absence of additional external navigation equipment deployed in the work area. APAs can be uninhabited or inhabited.
Известен способ навигационного обеспечения АПА, контролируемого с борта обеспечивающего судна с большой дальностью действия, при котором на его борту 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 сопровождающего судна и выполнен в виде буксируемого устройства, координаты которого определяются средствами судовой навигации и передаются по гидроакустическому каналу на борт АПА в составе навигационных сигналов, излучаемых маяком. Гидроакустический маяк дополнен приемником навигационного сигнала. На борту АПА размещен передатчик навигационного сигнала, в навигационном сигнале содержатся координаты АПА, а ОС движется, сопровождая движущийся АПА [Патент РФ, №2344435 от 08.05.2007 г., опубл. 20.01.2009 г., бюл. №2].A known method of navigation support for the AUV, controlled from the board of the support vessel with a long range, in which the coordinates of the starting point are set on board, the trajectory of movement is calculated according to the data of the course and depth sensors, the navigation signals emitted by the reference hydroacoustic beacon are received, own coordinates are determined relative to a reference hydroacoustic beacon with known coordinates, receive an estimate of the coordinates during complex data processing and transmit it via a hydroacoustic channel to the accompanying vessel, in which the reference hydroacoustic beacon is connected by a cable line to the side of the accompanying vessel and is made in the form of a towed device, the coordinates of which are determined by means of ship navigation and are transmitted via a hydroacoustic channel to the AUV as part of the navigation signals emitted by the beacon. The hydroacoustic beacon is supplemented with a navigation signal receiver. A navigation signal transmitter is placed on board the AUV, the navigation signal contains the coordinates of the AUV, and the OS moves, accompanying the moving AUV [RF Patent, No. 2344435 dated 08.05.2007, publ. 01/20/2009, bul. No. 2].
Недостатком известного способа является необходимость размещения передатчика навигационного сигнала на борту АПА и привлечение обеспечивающего судна для поддержки миссии аппарата.The disadvantage of the known method is the need to place the navigation signal transmitter on board the AUV and the involvement of a support vessel to support the mission of the device.
В случае одновременной работы на акватории нескольких аппаратов используют синхронизированные маяки, работающие не по запросу, а по заранее заданной программе [Гидроакустические навигационные средства. В.И. Бородин и др. - Л.: Судостроение, 1983. - 264 с.]. Аналогичен этому также известный способ позиционирования подводного объекта который включает установку в морской среде, как правило на дне, по меньшей мере одной базовой станции, каждая из которых оборудована не менее, чем двумя синхронизированными друг с другом и АПА гидроакустическими излучателями, образующими антенну с известными ориентацией в пространстве и расстоянием между излучателями, излучение ими акустического сигнала, его прием акустическим приемником подводного объекта и последующее позиционирование АПА путем расчета его бортовым вычислительным устройством дистанции до базовых станций и направления на них по разности времен приходов и разности фаз принятых сигналов [WO 2009138662, МПК G01S 3/80, опубл. 19.11.2009 г.].In the case of simultaneous operation in the water area of several vehicles, synchronized beacons are used that operate not on request, but according to a predetermined program [Hydroacoustic navigation aids. IN AND. Borodin and others - L .: Shipbuilding, 1983. - 264 p.]. The well-known method of positioning an underwater object is also similar to this, which includes installation in the marine environment, usually at the bottom, of at least one base station, each of which is equipped with at least two hydroacoustic emitters synchronized with each other and the AUV, forming an antenna with known orientation. in space and the distance between the emitters, their emission of an acoustic signal, its reception by an acoustic receiver of an underwater object and the subsequent positioning of the AUV by calculating its on-board computing device of the distance to the base stations and directing them according to the difference in arrival times and the phase difference of the received signals [WO 2009138662, IPC G01S 3/80, publ. November 19, 2009].
Недостатками данных способов являются:The disadvantages of these methods are:
- сложность, проявляющаяся в необходимости формирования антенн из излучателей базовых станций, точного измерения расстояния между излучателями, определения ориентации антенн, определения бортовым вычислительным устройством координат АПА не только дистанции до излучателей, но и фазы сигналов, пришедших на приемник АПА; недостаточная дальность действия, связанная с ограничением по нижней рабочей частоте ввиду недопустимости разнесения излучателей в антенне базовой станции на расстояние более 0,5 длины волны сигнала;- complexity, which manifests itself in the need to form antennas from base station emitters, accurately measure the distance between emitters, determine the orientation of the antennas, determine the on-board computing device of the coordinates of the AUV, not only the distance to the emitters, but also the phase of the signals that came to the AUV receiver; insufficient range associated with a limitation on the lower operating frequency due to the inadmissibility of spacing the emitters in the base station antenna at a distance of more than 0.5 signal wavelength;
- невозможность корректировки позиционирования АПА при изменении скорости звука в воде на акватории во время выполнения работ;- the impossibility of correcting the positioning of the AUV when the speed of sound in the water in the water area changes during the performance of work;
- ограничение числа одновременно работающих с базовой станцией АПА и отсутствие скрытности выполнения работ в районе при реализации заявленного в способе варианта работы антенны АПА в режиме излучения.- limiting the number of AUVs simultaneously working with the base station and the lack of secrecy in performing work in the area when implementing the variant of operation of the AUV antenna in the radiation mode declared in the method.
Известен способ позиционирования подводных объектов, в котором для увеличения дальности действия и повышения точности позиционирования, а также расширения функциональности и надежности, используют синхронизированные гидроакустических излучатели, в качестве излучаемого сигнала применяются сложные сигналы низкочастотного диапазона, с размещением излучателей вблизи побережья, при этом на борту АПА достаточным является размещение только малогабаритного приемника навигационных сигналов [Патент РФ №2469346 МПК G01S 3/80 от 10.12.2012, опубл. 10.12.2012 г. ]. В этом способе решается задача позиционирования как минимум одного подводного объекта (ПО), снабженного акустическим приемником и бортовым устройством вычисления координат, заключающимся в установке в морской среде как минимум двух стационарных гидроакустических маяков (ГМ), синхронизированных системой единого времени между собой и с акустическим приемником, излучении маяками гидроакустического сигнала, его приеме акустическим приемником подводного объекта и последующем вычислении координат ПО с использованием известных координат ГМ и рассчитанных дистанций между ГМ и ПО на основе известных данных о скорости звука в среде и задержки во времени прихода полезных сигналов, при этом гидроакустические маяки устанавливают за пределами прибойной зоны на глубинах, превышающих в 5-10 раз длину волны излучаемого гидроакустического сигнала, так, чтобы вероятные позиции ПО в районе работ и позиции двух маяков не находились на одной линии, вводят координаты маяков и электронных копий излучаемых ими сигналов в память бортового устройства вычисления координат ПО, в качестве гидроакустического сигнала используют низкочастотные сложные сигналы с центральной частотой ниже 10 кГц, а вычисление координат ПО включает выделение бортовым устройством полезного сигнала гидроакустических маяков посредством их взаимной корреляционной обработки с электронной копией излученного сигнала в реальном времени, при этом для глубокого моря выбирают последний по времени приход полезного сигнала. Для повышения точности позиционирования ведется контроль скорости звука на акватории в реальном времени. Для этого в районе работ ПО дополнительно выставляют, как минимум, один радиогидроакустический буй с приемником спутниковой навигационной системы (например, GPS) и гидрофоном, погруженным на предполагаемую глубину работы ПО, дополнительно оборудуют пункт управления, включающий аппаратуру обработки сигналов ГМ, аналогичную установленной на ПО, а также каналы связи, как минимум, с одним гидроакустическим маяком для передачи через него команд управления на ПО и, как минимум, одним выставленным радиогидроакустическим буем, который передает по радиоканалу в пункт управления принятые от гидроакустических маяков акустические сигналы совместно со своими текущими GPS-координатами для вычисления скорости звука на трассах «гидроакустический маяк - буй»; по данным об изменении скорости звука в пункте управления формируют командный сигнал корректировки вычисляемых дистанций, передают его через канал связи на излучатель ГМ, при этом среди излучаемых ГМ сложных гидроакустических сигналов этот сигнал автоматически выделяется бортовой аппаратурой ПО, и затем устройством вычисления координат ПО выполняется корректировка позиционирования.A known method for positioning underwater objects, in which to increase the range and improve positioning accuracy, as well as expand functionality and reliability, synchronized hydroacoustic emitters are used, complex low-frequency signals are used as the emitted signal, with the placement of emitters near the coast, while on board the AUV sufficient is the placement of only a small-sized receiver of navigation signals [RF Patent No. 2469346 IPC G01S 3/80 dated 10.12.2012, publ. December 10, 2012]. This method solves the problem of positioning at least one underwater object (OS) equipped with an acoustic receiver and an onboard device for calculating coordinates, which consists in installing at least two stationary hydroacoustic beacons (GM) in the marine environment, synchronized by a common time system with each other and with an acoustic receiver. , emission by beacons of a hydroacoustic signal, its reception by an acoustic receiver of an underwater object, and subsequent calculation of the coordinates of the MO using the known coordinates of the HM and the calculated distances between the HM and the SO based on known data on the speed of sound in the medium and the time delay of the arrival of useful signals, while hydroacoustic beacons set outside the surf zone at depths exceeding 5-10 times the wavelength of the emitted hydroacoustic signal, so that the probable positions of the software in the area of work and the positions of the two beacons are not on the same line, enter the coordinates of the beacons and electronic copies of the signals emitted by them into memory of the onboard device for calculating the coordinates of the SOA, low-frequency complex signals with a center frequency below 10 kHz are used as a hydroacoustic signal, and the calculation of the coordinates of the SO includes the selection by the onboard device of the useful signal of hydroacoustic beacons by means of their mutual correlation processing with an electronic copy of the emitted signal in real time, while for deep sea choose the latest arrival of a useful signal. To improve positioning accuracy, the speed of sound in the water area is monitored in real time. To do this, at least one sonar buoy with a satellite navigation system receiver (for example, GPS) and a hydrophone immersed to the expected depth of the software operation is additionally set up in the area of work of the software, a control point is additionally equipped, including GM signal processing equipment similar to that installed on the software , as well as communication channels with at least one hydroacoustic beacon for transmitting control commands to the software through it and at least one exposed sonar buoy, which transmits via radio to the control point acoustic signals received from hydroacoustic beacons together with its current GPS- coordinates for calculating the speed of sound on the tracks "hydroacoustic beacon - buoy"; according to the data on the change in the speed of sound, a command signal for adjusting the calculated distances is formed at the control point, transmitted via a communication channel to the GM emitter, while among the complex hydroacoustic signals emitted by the GM, this signal is automatically distinguished by the onboard equipment of the software, and then the positioning correction is performed by the device for calculating the coordinates of the software .
Недостатком известного способа является то, что для повышения точности позиционирования в районе работ АПА необходимо размещать специальный радиогидроакустический буй (РГБ) для оперативного измерения эффективной скорости распространения навигационных сигналов и применять специальную аппаратуру для оперативной доставки текущих данных об эффективной скорости на борт АПА. РГБ должен иметь средства приема акустического сигнала, выставленные на глубину нахождения АПА, средства спутниковой навигации для определения его текущего местоположения, а также средства связи с пунктом управления работой ГМ. Применение таких РГБ значительно усложняет процедуру позиционирования, а в большинстве практических случаев невозможно.The disadvantage of the known method is that in order to improve the positioning accuracy in the AUV operation area, it is necessary to place a special radio-acoustic buoy (RSL) to quickly measure the effective speed of propagation of navigation signals and use special equipment for the prompt delivery of current data on the effective speed on board the AUV. The RSL must have means of receiving an acoustic signal set to the depth of the AUV location, satellite navigation means to determine its current location, as well as means of communication with the GM operation control point. The use of such RSLs significantly complicates the positioning procedure, and in most practical cases is impossible.
Данный способ является наиболее близким к заявленному изобретению и принят за прототип.This method is closest to the claimed invention and is taken as a prototype.
Задача, которая решается настоящим изобретением, состоит в повышении точности позиционирования АПА в глубоком море, путем определения его местоположения по дальномерным данным от гидроакустических маяков, стационарно размещенных в прибрежной полосе на значительном удалении от района нахождения АПА. Способ может быть использован также для обеспечения коррекции автономных бортовых средств навигации.The problem that is solved by the present invention is to improve the positioning accuracy of the AUV in the deep sea, by determining its location by ranging data from hydroacoustic beacons, permanently located in the coastal strip at a considerable distance from the location of the AUV. The method can also be used to provide correction of autonomous onboard navigation aids.
Поставленная задача достигается тем, что в способе позиционирования АПА в глубоком море, снабженного акустическим приемником и бортовым устройством вычисления координат, при котором в морской среде устанавливают как минимум два стационарных ГМ (в контексте данной заявки могут называться навигационными маяками), синхронизированных системой единого времени между собой и с акустическим приемником АПА, причем ГМ устанавливают в морской среде за пределами прибойной зоны на глубинах превышающих в 5-10 раз длину волны излучаемого маяками низкочастотного гидроакустического навигационного сигнала так, чтобы вероятные позиции АПА в районе работ и двух маяков не находились на одной линии, электронные копии этих сигналов и координаты маяков вводят в память бортового устройства вычисления координат, а позиционирование АПА выполняют по расчетным дистанциям от установленных ГМ путем измерения времени распространения полезного сигнала, в качестве которого выбирают время прихода последнего отклика полезного сигнала при корреляционной обработке полезного сигнала с его электронной копией и откорректированной скоростью звука в морской среде, на борту АПА дополнительно размещают измеритель скорости звука и функционально связывают его с системой управления АПА и системой управления движением АПА, для каждого ГМ выполняют градуировку района его стационарной установки, в ходе которой определяют размеры шельфовой зоны и эффективную скорость распространения звука в этой зоне в зависимости от сезона года и времени суток по трассе ГМ - граница шельфовой зоны, а данные градуировки записывают в память бортового вычислителя координат АПА, посредством АПА с размещенным на его борту измерителем скорости звука выполняют измерение вертикального профиля скорости звука в районе работ, выявляют подводный звуковой канал (ПЗК), выводят АПА на ось ПЗК, удерживают АПА на оси ПЗК и принимают навигационные сигналы ГМ акустическим приемником АПА, а затем выполняют позиционирование АПА, для чего дистанцию до каждого маяка рассчитывают по формуле:The task is achieved by the fact that in the method of positioning the AUV in the deep sea, equipped with an acoustic receiver and an onboard device for calculating coordinates, in which at least two stationary GMs are installed in the marine environment (in the context of this application they can be called navigation beacons), synchronized by a common time system between itself and with the acoustic receiver of the AUV, and the GM is installed in the marine environment outside the surf zone at depths exceeding by 5-10 times the wavelength of the low-frequency hydroacoustic navigation signal emitted by the beacons so that the probable positions of the AUV in the area of work and two beacons are not on the same line , electronic copies of these signals and the coordinates of the beacons are entered into the memory of the on-board device for calculating coordinates, and the positioning of the AUV is performed according to the estimated distances from the established GM by measuring the propagation time of the useful signal, which is chosen as the time of arrival of the last response of the useful signal during correlation processing of the useful signal with its electronic copy and the corrected speed of sound in the marine environment, an additional sound speed meter is placed on board the AUV and functionally connected to the AUV control system and the AUV motion control system, for each GM, the area of its stationary installation is calibrated, during which the dimensions of the shelf zone are determined and the effective speed of sound propagation in this zone, depending on the season of the year and time of day along the track GM - the boundary of the shelf zone, and the calibration data is recorded in the memory of the onboard computer of the AUV coordinates, by means of the AUV with a sound speed meter placed on its board, the vertical profile of the sound speed is measured in the area of work, an underwater sound channel (USC) is detected, the AUV is brought to the SCZ axis, the AUV is kept on the SCZ axis and navigation signals are received by the AU acoustic receiver, and then the AUV positioning is performed, for which the distance to each beacon is calculated by the formula:
Di=tiCпзк+Diш(1-Cпзк/Ciш),D i \u003d t i C pzk + D ish (1-C pzk / C ish ),
гдеWhere
Di- - дистанция до i-того стационарного маяка,D i- - distance to the i-th stationary beacon,
ti - измеренное время распространения навигационного сигнала от i-того стационарного маяка,t i - measured propagation time of the navigation signal from the i-th stationary beacon,
Спзк - скорость звука на оси ПЗК,C pzk - the speed of sound on the pzk axis,
Diш - размер шельфового участка по трассе ГМ - граница шельфовой зоны в районе установки i-того стационарного маяка, Dish - the size of the shelf area along the GM route - the boundary of the shelf zone in the area of installation of the i-th stationary beacon,
Сiш - эффективная скорость звука на шельфовом участке в районе установки i-того стационарного маяка по трассе ГМ - граница шельфовой зоны.C ish - effective speed of sound in the shelf area in the area of installation of the i-th stationary beacon along the path GM - the boundary of the shelf zone.
В заявленном способе позиционирования АПА в глубоком море общими существенными признаками для него и для его прототипа являются:In the claimed method of positioning the AUV in the deep sea, the common essential features for it and for its prototype are:
- снабжение АПА акустическим приемником и бортовым устройством вычисления координат;- supplying the AUV with an acoustic receiver and an on-board device for calculating coordinates;
- в морской среде установка как минимум двух стационарных ГМ, синхронизированных системой единого времени между собой и с акустическим приемником АПА;- in the marine environment, the installation of at least two stationary GM, synchronized by the common time system between themselves and with the AUV acoustic receiver;
- причем ГМ устанавливают в морской среде за пределами прибойной зоны на глубинах, превышающих в 5-10 раз длину волны излучаемого маяками низкочастотного гидроакустического навигационного сигнала так, чтобы вероятные позиции АПА в районе работ и двух гидроакустических маяков не находились на одной линии, электронные копии этих сигналов и координаты гидроакустических маяков вводят в память бортового устройства вычисления координат;- moreover, the GM is installed in the marine environment outside the surf zone at depths exceeding 5-10 times the wavelength of the low-frequency hydroacoustic navigation signal emitted by the beacons so that the probable positions of the AUV in the area of work and two hydroacoustic beacons are not on the same line, electronic copies of these signals and coordinates of the hydroacoustic beacons are entered into the memory of the onboard device for calculating coordinates;
- позиционирование АПА выполняют по расчетным дистанциям от установленных ГМ путем измерения времени распространения полезного сигнала, в качестве которого выбирают время прихода последнего отклика полезного сигнала при корреляционной обработке полезного сигнала с его электронной копией и откорректированной скоростью звука в морской среде.- positioning of the AUV is performed according to the estimated distances from the established GM by measuring the propagation time of the useful signal, which is chosen as the time of arrival of the last response of the useful signal during the correlation processing of the useful signal with its electronic copy and the corrected speed of sound in the marine environment.
Сопоставительный анализ существенных признаков заявленного способа и прототипа показывает, что первый в отличии от прототипа имеет следующие существенные признаки:A comparative analysis of the essential features of the claimed method and the prototype shows that the first, unlike the prototype, has the following essential features:
- на борту АПА дополнительно размещают измеритель скорости звука и функционально связывают его с системой управления АПА и системой управления движением АПА;- an additional sound velocity meter is placed on board the AUV and functionally connected to the AUV control system and the AUV motion control system;
- для каждого ГМ выполняют градуировку района его стационарной установки, в ходе которой определяют размеры шельфовой зоны и эффективную скорость распространения звука в этой зоне в зависимости от сезона года и времени суток по трассе ГМ - граница шельфовой зоны, а данные градуировки записывают в память бортового вычислителя координат АПА;- for each GM, the area of its stationary installation is calibrated, during which the dimensions of the shelf zone and the effective speed of sound propagation in this zone are determined depending on the season of the year and the time of day along the GM route - the boundary of the shelf zone, and the calibration data is recorded in the memory of the onboard computer AUV coordinates;
- посредством АПА с размещенным на его борту измерителем скорости звука выполняют измерение вертикального профиля скорости звука в районе работ, выявляют подводный звуковой канал (ПЗК), выводят АПА на ось ПЗК, удерживают АПА на оси ПЗК и принимают навигационные сигналы ГМ акустическим приемником АПА;- by means of the AUV with a sound velocity meter placed on its board, the vertical sound velocity profile is measured in the area of work, the underwater sound channel (USC) is detected, the AUV is brought to the UASC axis, the AUV is kept on the SCAV axis and navigation signals of the GM are received by the AUA acoustic receiver;
- затем выполняют позиционирование АПА, для чего дистанцию до каждого маяка рассчитывают по формуле:- then positioning of the AUV is performed, for which the distance to each beacon is calculated by the formula:
Di=tiCпзк+Diшt(l-Спзк/Сiш),D i \u003d t i C pzk + D isht (l-C pzk / C ish ),
гдеWhere
Di- - дистанция до i-того стационарного маяка,D i- - distance to the i-th stationary beacon,
ti - измеренное время распространения навигационного сигнала от i-того стационарного маяка,t i - measured propagation time of the navigation signal from the i-th stationary beacon,
Спзк - скорость звука на оси ПЗК,C pzk - the speed of sound on the pzk axis,
Diш - размер шельфового участка по трассе ГМ - граница шельфовой зоны в районе установки i-того стационарного навигационного маяка, Dish - the size of the shelf area along the GM route - the boundary of the shelf zone in the area of installation of the i-th stationary navigation beacon,
Сiш - эффективная скорость звука на шельфовом участке в районе установки i-того стационарного навигационного маяка по трассе ГМ - граница шельфовой зоны.C ish - effective speed of sound in the shelf area in the area of installation of the i-th stationary navigation beacon along the route GM - the boundary of the shelf zone.
Именно такая совокупность существенных признаков заявленного способа позиционирования АПА в глубоком море позволила получить технический результат, а именно существенно повысить точность позиционирования АПА.It is this set of essential features of the claimed method of positioning the AUV in the deep sea that made it possible to obtain a technical result, namely, to significantly increase the accuracy of the positioning of the AUV.
Технический результат заявленного способа позиционирования АПА заключается в повышении точности позиционирования в глубоком море при отсутствии в районе работ АПА специального РГБ для контроля текущей эффективной скорости распространения навигационных сигналов, что достигается за счет приема навигационных сигналов на оси ПЗК, оперативного измерения скорости звука на оси ПЗК средствами, размещенными на борту АПА, и введения поправок измерения дальности за счет учета особенностей распространения сигналов в шельфовой зоне, учтенных при предварительной градуировке района установки стационарных навигационных маяков.The technical result of the claimed method of positioning the AUV is to increase the accuracy of positioning in the deep sea in the absence of a special RSL in the area of work of the AUV to control the current effective speed of propagation of navigation signals, which is achieved by receiving navigation signals on the SSV axis, promptly measuring the speed of sound on the SSV axis by means of placed on board the AUV, and the introduction of range measurement corrections by taking into account the features of signal propagation in the shelf zone, taken into account during the preliminary calibration of the installation area of stationary navigation beacons.
На основе изложенного можно заключить, что совокупность существенных отличительных признаков заявленного способа позиционирования АПА в глубоком море имеет причинно-следственную связь с достигнутым техническим результатом.Based on the foregoing, it can be concluded that the set of essential distinguishing features of the claimed method of positioning the AUV in the deep sea has a causal relationship with the achieved technical result.
Способ позиционирования АПА в глубоком море осуществляется следующим образом:The AUV positioning method in the deep sea is carried out as follows:
Для глубокого моря, в котором планируется активное применение автономных подводных объектов (подводных лодок, обитаемых и необитаемых аппаратов), вдоль побережья устанавливается сеть стационарных гидроакустических навигационных маяков долговременного применения. Маяки выставляют вдоль береговой линии за пределами прибойной зоны, при этом расстояние между ними должно быть сравнимо с дальностью их действия в сторону глубокого моря. Каждый маяк излучает индивидуальный низкочастотный шумоподобный навигационный сигнал, синхронизированный системой единого времени ГМ и акустическим приемником АПА. Точные координаты маяков и электронные копии излучаемых ими сигналов вносят в устройство вычисления координат на подводном объекте. После постановки навигационных маяков выполняют градуировку районов их установки с целью определения границ шельфовой зоны, от которой акустическая энергия далее распространяется по оси ПЗК, определяют эффективную скорость распространения сигналов на шельфовом участке. Результаты градуировки в виде размера зоны и эффективной скорости также вносят в устройство вычисления координат на подводном объекте.For the deep sea, in which it is planned to actively use autonomous underwater objects (submarines, manned and unmanned vehicles), a network of stationary sonar navigation beacons for long-term use is installed along the coast. Lighthouses are placed along the coastline outside the surf zone, while the distance between them should be comparable to the range of their action towards the deep sea. Each beacon emits an individual low-frequency noise-like navigation signal synchronized by the GM common time system and the AUV acoustic receiver. The exact coordinates of the beacons and electronic copies of the signals emitted by them are entered into the device for calculating coordinates on an underwater object. After the installation of navigation beacons, the areas of their installation are calibrated in order to determine the boundaries of the shelf zone, from which the acoustic energy further propagates along the SSC axis, and the effective speed of signal propagation in the shelf area is determined. The calibration results in the form of zone size and effective speed are also entered into the device for calculating coordinates on an underwater object.
АПА, выполняющий миссию в глубоком море, побережье которого оборудовано навигационными маяками, синхронизируется с маяками системой единого времени, оснащается акустическим приемником навигационных сигналов и устройством вычисления координат, в память которого для каждого выставленного навигационного маяка вводятся их точные координаты, электронные копии излучаемых сигналов, а также данные о размерах шельфового участка и скорости распространения сигналов на этих участках с учетом их сезонно-суточной изменчивости. На борту АПА (подводного объекта) дополнительно устанавливают измеритель скорости звука и интегрируют его в систему бортового управления и управления движением.The AUV, performing a mission in the deep sea, the coast of which is equipped with navigation beacons, is synchronized with the beacons by a single time system, is equipped with an acoustic receiver of navigation signals and a device for calculating coordinates, in the memory of which, for each exposed navigation beacon, their exact coordinates, electronic copies of the emitted signals are entered, and also data on the size of the shelf area and the speed of signal propagation in these areas, taking into account their seasonal-daily variability. An additional sound velocity meter is installed on board the AUV (underwater object) and integrated into the onboard control and motion control system.
Как правило, АПА при выполнении работ в глубоком море выполняют оценку текущего местоположения по данным средств собственной автономной навигационной системы, ошибка которой растет с увеличением времени. Например, для больших автономных необитаемых подводных аппаратов величина ошибки достигает нескольких сотен метров за час и соответственно за 10 часов работы эта ошибка может составить несколько километров, что на практике неприемлемо и необходимо «сбросить» накопленную ошибку (выполнить коррекцию данных в бортовой навигационной системе) сравнением счисленных данных с данными внешней навигационной системы, в качестве которых выступают измеренные дистанции до навигационных маяков. Точность позиционирования по измеренным дистанциям от маяков однозначно определяется точностью измерения дистанций. Для выполнения коррекции данных в автономной бортовой навигационной системе подводный объект выполняет перемещение по глубине, измеряет вертикальный профиль скорости звука, системой управления определяет минимум скорости Спзк и глубину прохождения оси ПЗК и, с помощью средств бортовой системы управления, выходит на ось ПЗК, а далее, удерживаясь на оси ПЗК, ведет прием навигационных сигналов. Акустическим приемником, содержащим электронные копии навигационных сигналов маяков, принимаются навигационные сигналы, выполняется их корреляционная обработка с хранящимися копиями и, по последнему пику корреляционной функции (соответствующему минимальной скорости распространения сигналов), определяется время распространения навигационного сигнала ti до соответствующего маяка.As a rule, AUVs, when performing work in the deep sea, estimate the current location according to the means of their own autonomous navigation system, the error of which increases with time. For example, for large autonomous uninhabited underwater vehicles, the error reaches several hundred meters per hour and, accordingly, for 10 hours of operation, this error can be several kilometers, which is unacceptable in practice and it is necessary to “reset” the accumulated error (perform data correction in the onboard navigation system) by comparing calculated data with the data of the external navigation system, which are measured distances to navigation beacons. The accuracy of positioning by measured distances from beacons is uniquely determined by the accuracy of measuring distances. To perform data correction in the autonomous onboard navigation system, the underwater object moves in depth, measures the vertical profile of the sound velocity, determines the minimum velocity С ssl and the depth of passage of the SSV axis by the control system, and, using the means of the onboard control system, enters the SSV axis, and then , holding on the axis of the PZK, is receiving navigation signals. An acoustic receiver containing electronic copies of the navigation signals of the beacons receives navigation signals, performs their correlation processing with the stored copies, and, according to the last peak of the correlation function (corresponding to the minimum speed of signal propagation), the propagation time of the navigation signal t i to the corresponding beacon is determined.
Затем, с использованием хранящихся в памяти бортового устройства вычисления координат значений размера шельфового участка в районе установки соответствующего стационарного маяка Diш и эффективной скорости звука на шельфовом участке - районе установки этого маяка - Сiш, бортовым устройством вычисления координат определяется текущая дальность до каждого маяка по формуле:Then, using the on-board device for calculating the coordinates of the values of the size of the shelf area in the area of installation of the corresponding stationary beacon D ish and the effective speed of sound in the shelf area - the area of installation of this beacon - C ish , the on-board device for calculating coordinates determines the current range to each beacon according to formula:
Di=tiCпзк+Diш(1-Спзк/Сiш).D i \u003d t i C pzk + D ish (1-C pzk / C ish ).
Предварительная градуировка шельфовых районов установки маяков и предложенный алгоритм расчета дальности позволяет резко повысить точность измерения дистанций. Так, например, пусть от гидроакустического маяка с номером 1 время распространения составляет t1=200 с, а результаты предварительной градуировки шельфового участка Сiш=1500 м/с, Diш=30 км (что соответствует, например, работе АПА в Японском море на удалении около 300 км от побережья, на котором установлены навигационные маяки). АПА определил скорость на оси ПЗК Спзк=1450 м/с, тогда расчетная дальность до маяка без учета особенностей распространения на шельфе составит D1=290 км, а с учетом этих особенностей - D1=291 км. Таким образом, предлагаемый способ позиционирования позволяет учесть эффект, изученный проведенными экспериментальными исследованиями (Моргунов Ю.Н. и др. Исследование влияния гидрологических условий при распространении псевдослучайных сигналов из шельфа в глубокое море - Акустический журнал. 2016. том 62. №3, с. 341-347) и ошибка расчета дальности не превосходит нескольких десятков метров. Неучет поправок дает ошибку позиционирования около 1 км. Введение поправки за счет учета особенностей шельфовой зоны уменьшает ошибку более, чем в 10 раз.Preliminary calibration of the shelf areas for the installation of beacons and the proposed range calculation algorithm make it possible to sharply improve the accuracy of distance measurements. So, for example, let the propagation time from hydroacoustic beacon number 1 be t 1 =200 s, and the results of preliminary calibration of the shelf section C ish = 1500 m/s, D ish = 30 km (which corresponds, for example, to AUV operation in the Sea of Japan at a distance of about 300 km from the coast, where navigation beacons are installed). The APA determined the speed on the axis of the PZK C pzk = 1450 m/s, then the estimated range to the lighthouse without taking into account the propagation features on the shelf will be D 1 = 290 km, and taking into account these features - D 1 = 291 km. Thus, the proposed positioning method allows taking into account the effect studied by the conducted experimental studies (Morgunov Yu.N. et al. Study of the influence of hydrological conditions during the propagation of pseudo-random signals from the shelf to the deep sea - Acoustic Journal. 2016. Volume 62. No. 3, p. 341-347) and the range calculation error does not exceed several tens of meters. Neglecting corrections gives a positioning error of about 1 km. The introduction of a correction by taking into account the features of the shelf zone reduces the error by more than 10 times.
Способ позиционирования может применяться для позиционирования подводных объектов при их нахождении в подводном положении в глубоком море на больших дальностях от береговой черты, когда необходимо провести корректировку автономной бортовой навигации АПА и сбросить накопленную ошибку счисления, позволяет осуществлять одновременное позиционирование нескольких АПА на больших дистанциях, в любых метеоусловиях, в условиях скрытности.The positioning method can be used to position underwater objects when they are in a submerged position in the deep sea at long distances from the coastline, when it is necessary to correct the autonomous onboard navigation of the AUV and reset the accumulated dead reckoning error, allows simultaneous positioning of several AUVs at long distances, in any weather conditions, in conditions of secrecy.
Claims (16)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2792922C1 true RU2792922C1 (en) | 2023-03-28 |
Family
ID=
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7362653B2 (en) * | 2005-04-27 | 2008-04-22 | Teledyne Benthos, Inc. | Underwater geopositioning methods and apparatus |
| RU2469346C1 (en) * | 2011-07-11 | 2012-12-10 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Тихоокеанский океанологический институт им. В.И. Ильичева Дальневосточного отделения Российской академии наук (ТОИ ДВО РАН) | Method of positioning underwater objects |
| RU2674404C1 (en) * | 2018-01-10 | 2018-12-07 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Тихоокеанский океанологический институт им. В.И. Ильичева Дальневосточного отделения Российской академии наук (ТОИ ДВО РАН) | Method of navigation and positioning of underwater objects in deep-water channel at large distance and system for its implementation |
| RU2702700C1 (en) * | 2018-12-11 | 2019-10-09 | Акционерное общество "Концерн "Центральный научно-исследовательский институт "Электроприбор" | Method of positioning underwater objects |
| RU2771443C1 (en) * | 2021-08-12 | 2022-05-04 | Акционерное общество "Концерн "Центральный научно-исследовательский институт "Электроприбор" | Method for positioning underwater objects |
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7362653B2 (en) * | 2005-04-27 | 2008-04-22 | Teledyne Benthos, Inc. | Underwater geopositioning methods and apparatus |
| RU2469346C1 (en) * | 2011-07-11 | 2012-12-10 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Тихоокеанский океанологический институт им. В.И. Ильичева Дальневосточного отделения Российской академии наук (ТОИ ДВО РАН) | Method of positioning underwater objects |
| RU2674404C1 (en) * | 2018-01-10 | 2018-12-07 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Тихоокеанский океанологический институт им. В.И. Ильичева Дальневосточного отделения Российской академии наук (ТОИ ДВО РАН) | Method of navigation and positioning of underwater objects in deep-water channel at large distance and system for its implementation |
| RU2702700C1 (en) * | 2018-12-11 | 2019-10-09 | Акционерное общество "Концерн "Центральный научно-исследовательский институт "Электроприбор" | Method of positioning underwater objects |
| RU2771443C1 (en) * | 2021-08-12 | 2022-05-04 | Акционерное общество "Концерн "Центральный научно-исследовательский институт "Электроприбор" | Method for positioning underwater objects |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| Л.А. Мартынова, М.Б. Розенгауз, УПРАВЛЕНИЕ ДВИЖЕНИЕМ АНПА ДЛЯ ВОССТАНОВЛЕНИЯ НА МАРШРУТНОЙ ТРАЕКТОРИИ ПРИ ВОЗНИКНОВЕНИИ ОТКАЗОВ, Известия ЮФУ. Технические науки, 2021, номер 7 (224), стр. 92-108. * |
| Ю.В. Ваулин, К.З. Лаптев, ОЦЕНКА ТОЧНОСТИ ПЛАВАНИЯ АВТОНОМНОГО НЕОБИТАЕМОГО ПОДВОДНОГО АППАРАТА В ЗАДАННОМ РАЙОНЕ, Известия ЮФУ. Технические науки, 2017, номер 1 (186), стр. 74-86. * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US11899104B2 (en) | Navigation system for underwater vehicles | |
| WO2020005116A1 (en) | Method for locating underwater objects | |
| US7512036B2 (en) | Underwater acoustic positioning system and method | |
| RU2469346C1 (en) | Method of positioning underwater objects | |
| RU2437114C1 (en) | System for determining coordinates of underwater objects | |
| NO334597B1 (en) | Underwater navigation method and system | |
| RU2629916C1 (en) | Method and device for determining initial coordinates of independent unmanned underwater apparatus | |
| EP3371623B1 (en) | System for detecting subsurface objects and unmanned surface vessel | |
| US7447112B2 (en) | Test method for a method for passively obtaining target parameters | |
| CN110703203A (en) | Underwater pulsed sound positioning system based on multi-acoustic wave glider | |
| US7388807B2 (en) | Method for an antenna angular calibration by relative distance measuring | |
| 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 | |
| USH1618H (en) | Coherent arrays of drifting sonobuoys | |
| RU2792922C1 (en) | Method for positioning an autonomous underwater vehicle in the deep sea | |
| RU2555479C2 (en) | High-precision coordination of underwater complex for underwater navigation | |
| RU2752018C1 (en) | Method for determining coordinates of underwater object in shelf-deep sea transition zone | |
| RU2568071C1 (en) | Hydroacoustic positioning system | |
| RU2737166C1 (en) | Method of high-speed underwater vehicle coordinates determination using doppler effect | |
| JPH08248114A (en) | Method for measuring locating of underwater running body | |
| RU2556326C1 (en) | Navigation method of submersible robot using single-beacon system | |
| RU2703806C1 (en) | On-board system of unmanned aerial vehicle (uav) with autonomous correction of coordinates | |
| RU2773497C1 (en) | Method and system for navigation support of pilotage and positioning | |
| RU2736231C1 (en) | Method for determining sound velocity distribution | |
| RU2717578C1 (en) | Method of determining geographic coordinates of an underwater object | |
| McCartney | Underwater acoustic positioning systems: state of the art and applications in deep water |