RU2815608C1 - Ultrashort measuring base hydroacoustic navigation system - Google Patents
Ultrashort measuring base hydroacoustic navigation system Download PDFInfo
- Publication number
- RU2815608C1 RU2815608C1 RU2023129805A RU2023129805A RU2815608C1 RU 2815608 C1 RU2815608 C1 RU 2815608C1 RU 2023129805 A RU2023129805 A RU 2023129805A RU 2023129805 A RU2023129805 A RU 2023129805A RU 2815608 C1 RU2815608 C1 RU 2815608C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- navigation
- antenna
- signal
- frequency
- time
- Prior art date
Links
- 230000001934 delay Effects 0.000 claims abstract description 30
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims abstract description 24
- 238000005259 measurement Methods 0.000 abstract description 28
- 238000012935 Averaging Methods 0.000 abstract description 3
- 238000000034 method Methods 0.000 abstract description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 1
- 238000001914 filtration Methods 0.000 description 1
- 230000006870 function Effects 0.000 description 1
- 238000010606 normalization Methods 0.000 description 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 1
- 230000001360 synchronised effect Effects 0.000 description 1
Abstract
Description
Изобретение относится к средствам подводной навигации, может быть применено для создания быстро развертываемых гидроакустических навигационных систем повышенной точности с использованием ультракороткой измерительной базы и использовано для обеспечения работы автономных и привязных необитаемых подводных аппаратов или других подводных технических средств, определения их местоположения и контроля с борта обеспечивающего судна.The invention relates to underwater navigation means, can be used to create quickly deployable hydroacoustic navigation systems of increased accuracy using an ultra-short measuring base and used to ensure the operation of autonomous and tethered uninhabited underwater vehicles or other underwater technical means, determining their location and control from the supporting vessel .
Для подводной навигации известны гидроакустические системы определения местоположения на основе измерений дальности объекта навигации от ряда точек с известными координатами, называемые системами с длинной базой (ГАНС ДБ) (Гидроакустические навигационные средства. В.И. Бородин и др. - Л.: Судостроение, 1983. - 264 с.). Размер измерительной базы в ГАНС ДБ устанавливается расстоянием между подводными навигационными маяками (например, при рабочей частоте 12 кГц это 3-5 км), установленными в точках с известными координатами. Достигнутая высокая точность таких систем определена высокой точностью дальномерных измерений с использованием знания скорости и времени распространения навигационного сигнала. (Агеев М.Д., Киселев Л.В., Матвиенко Ю.В. и др. Автономные подводные роботы. - М., Наука, 2005, 398 с.). Основным недостатком ГАНС ДБ является необходимость размещения в районе работ сети опорных маяков. For underwater navigation, hydroacoustic positioning systems are known based on measurements of the range of the navigation object from a number of points with known coordinates, called long-baseline systems (GANS DB) (Hydroacoustic navigation aids. V.I. Borodin et al. - L.: Shipbuilding, 1983 . - 264 pp.). The size of the measuring base in GANS DB is set by the distance between underwater navigation beacons (for example, at an operating frequency of 12 kHz this is 3-5 km) installed at points with known coordinates. The achieved high accuracy of such systems is determined by the high accuracy of rangefinder measurements using knowledge of the speed and time of propagation of the navigation signal. (Ageev M.D., Kiselev L.V., Matvienko Yu.V. and others. Autonomous underwater robots. - M., Nauka, 2005, 398 pp.). The main disadvantage of GANS DB is the need to place a network of reference beacons in the work area.
Известны навигационные системы, в основе которых лежат измерения из точки с известными координатами дальности и углового положения источника навигационных сигналов. Эти системы называют гидроакустическими навигационными системами с ультракороткой измерительной базой (ГАНС УКБ), при этом размер измерительной базы определяется габаритами приемной антенной, которые сравнимы с длиной волны навигационного сигнала (например, при рабочей частоте 12 кГц это 0,1-0,2 м). Решение задачи определения местоположения объекта навигации фактически сводится к определению его углового положения на основе обработки данных, принимаемых такой малогабаритной навигационной антенной, поскольку дальность, определяемая как произведение времени прихода сигнала на задаваемую скорость его распространения – хорошо освоенная процедура и ее измерение с высокой точностью составляет основу высокой точности известных систем с длинной базой. В ГАНС УКБ объект навигации обычно излучает навигационный импульсный сигнал заданной частоты и длительности, а для определения углового положения (пеленга и угла места) объекта навигации необходимо получить фазовое распределение сигнала на апертуре приемной антенны и выполнить обработку связывающую полученные данные с характеристиками антенны. (Милн П.Х. Гидроакустические системы позиционирования. - Л., Судостроение, 1989, 316с.). При определении углового положения в основном в ГАНС УКБ рассматривается задача определения угла в горизонтальной плоскости-пеленга, так как угол места обычно известен на основании данных о глубине погружения объекта навигации.Navigation systems are known, which are based on measurements from a point with known coordinates of the range and angular position of the source of navigation signals. These systems are called hydroacoustic navigation systems with an ultra-short measuring base (GANS UKB), and the size of the measuring base is determined by the dimensions of the receiving antenna, which are comparable to the wavelength of the navigation signal (for example, at an operating frequency of 12 kHz it is 0.1-0.2 m) . Solving the problem of determining the location of a navigation object actually comes down to determining its angular position based on processing data received by such a small-sized navigation antenna, since the range, defined as the product of the time of arrival of the signal by the specified speed of its propagation, is a well-mastered procedure and its measurement with high accuracy forms the basis high accuracy of known long-wheelbase systems. In GANS UKB, the navigation object usually emits a navigation pulse signal of a given frequency and duration, and to determine the angular position (bearing and elevation) of the navigation object, it is necessary to obtain the phase distribution of the signal at the aperture of the receiving antenna and perform processing linking the received data with the characteristics of the antenna. (Milne P.H. Hydroacoustic positioning systems. - L., Shipbuilding, 1989, 316 p.). When determining the angular position, the GANS UKB mainly considers the problem of determining the angle in the horizontal bearing plane, since the elevation angle is usually known based on data on the depth of the navigation object.
Основной проблемой ГАНС УКБ является низкая точность угловых измерений.The main problem of GANS UKB is the low accuracy of angular measurements.
Повышение точности таких систем возможно путем увеличения числа элементов в антенне, увеличения размера измерительной базы и повышения отношения сигнал/шум при приеме навигационного сигнала. Наиболее распространенной является модель построения системы с большим числом элементов. Так известна система с ультракороткой измерительной базой, в которой прием навигационного сигнала выполняется антенной, включающей 241 приемный элемент. Расстояние между элементами для однозначного определения фаз при этом не должно превышать половины длины волны. Недостатком таких устройств является неэффективное использование аппаратных средств, потому что для достижения высокой точности необходимо значительное увеличение числа элементов антенны и каналов обработки. Недостатком становится также значительный рост габаритов приемной антенны, усложняющий ее эксплуатацию. (URL:.www.kongsberg.com/ru/maritime/products/Acoustics-Positioning-and-Communication (дата обращения 08.12.2022).). Increasing the accuracy of such systems is possible by increasing the number of elements in the antenna, increasing the size of the measuring base and increasing the signal-to-noise ratio when receiving a navigation signal. The most common model for constructing a system with a large number of elements. A system with an ultra-short measuring base is known, in which the navigation signal is received by an antenna comprising 241 receiving elements. In order to unambiguously determine the phases, the distance between the elements should not exceed half the wavelength. The disadvantage of such devices is the inefficient use of hardware, because achieving high accuracy requires a significant increase in the number of antenna elements and processing channels. Another disadvantage is the significant increase in the dimensions of the receiving antenna, which complicates its operation. (URL:.www.kongsberg.com/ru/maritime/products/Acoustics-Positioning-and-Communication (accessed 12/08/2022).).
Другой известной возможностью увеличения точности является увеличение измерительной базы антенны при сохранении небольшого числа элементов. Однако, при значительном размере базы и ограниченном числе элементов антенны, где расстояние между элементами превышает половину длины волны навигационной частоты, возникают проблемы, связанные с неоднозначностью фазовых измерений на антенне. Для устранения неоднозначности необходимо привлекать дополнительную информацию о сокращении сектора обзора. Эта информация может быть получена усложнением антенны, например с использованием двухшкальных измерительных баз, в которых для увеличения точности все элементы приемной антенны разделены на две группы, образующие малую базу с размещением элементов по правилу d /2 для однозначного, но грубого пеленгования и большую базу, где элементы разнесены на несколько длин волн для точного пеленгования (Thomas C. Austin, Roger Stokey. Relative Acoustic Tracking- Sea Technology,1998, March, p.21-27., Luo Q, Yan X, Ju C, Chen Y, Luo Z. An Ultra-Short Baseline Underwater Positioning System with Kalman Filtering. Sensors (Basel). 2020 Dec 28;21(1):143, doi: 10.3390/s21010143. PMID: 33379311; PMCID: PMC7796008).Another known possibility for increasing accuracy is to increase the antenna measurement base while maintaining a small number of elements. However, with a significant base size and a limited number of antenna elements, where the distance between the elements exceeds half the wavelength of the navigation frequency, problems arise associated with the ambiguity of phase measurements at the antenna. To resolve the ambiguity, it is necessary to involve additional information about the reduction of the viewing sector. This information can be obtained by making the antenna more complex, for example, using two-scale measuring bases, in which, to increase accuracy, all elements of the receiving antenna are divided into two groups, forming a small base with the elements placed according to the d rule /2 for unambiguous but coarse direction finding and a large base, where elements are spaced at several wavelengths for accurate direction finding (Thomas C. Austin, Roger Stokey. Relative Acoustic Tracking - Sea Technology, 1998, March, p. 21-27., Luo Q, Yan X, Ju C, Chen Y, Luo Z. An Ultra-Short Baseline Underwater Positioning System with Kalman Filtering. Sensors (Basel). 2020 Dec 28;21(1):143, doi: 10.3390/s21010143. PMID: 33379311; PMCID: PMC7796008).
Известны ГАНС УКБ, в которых оценку углового положения объекта навигации получают по временным задержкам сигнала на апертуре круговой многоэлементной приемной антенны с использованием в качестве навигационного сложных широкополосных сигналов. Временные задержки сложного сигнала однозначно определяются на антенне любой конфигурации, но точное их измерение на ультракороткой измерительной базе (когда максимальная временная задержка сигнала соизмерима с периодом средней частоты навигационного сигнала) становится достаточно проблемным. В таких системах, например при размещении объекта навигации в плоскости приемной антенны, погрешность измерений пеленга определяется погрешностью определения временных задержек σt и уменьшается с увеличением размера измерительной базы и ростом числа элементов. Например, для круговых антенн при условии, что момент прихода сигнала в каждом канале определяется с одинаковой погрешностью σt , эта погрешность имеет вид , где – максимальное время распространения сигнала между элементами антенны, - число элементов в антенне, - радиус антенны, -скорость звука. GANS UKB are known, in which an assessment of the angular position of a navigation object is obtained from the time delays of the signal at the aperture of a circular multi-element receiving antenna using complex broadband signals as navigation signals. The time delays of a complex signal are clearly determined on an antenna of any configuration, but their accurate measurement on an ultra-short measuring base (when the maximum time delay of the signal is commensurate with the period of the average frequency of the navigation signal) becomes quite problematic. In such systems, for example, when the navigation object is placed in the plane of the receiving antenna, the error in bearing measurements is determined by the error in determining the time delays σ t and decreases with increasing size of the measuring base and increasing number of elements. For example, for circular antennas, provided that the moment of signal arrival in each channel is determined with the same error σ t , this error has the form , Where – maximum signal propagation time between antenna elements, - number of elements in the antenna, - antenna radius, -sound speed.
При применении широкополосного сигнала и прямом изменении времени достижение высокой точности возможно при значительном увеличении габаритов антенны (например если максимальное время измеряемой задержки будет составлять несколько десятков периодов средней частоты навигационного сигнала, то при рабочей частоте 12 кгц размер антенны в несколько десятков длин волн будет составлять несколько метров и это резко ограничивает ее применение например с борта обеспечивающего судна). When using a broadband signal and direct time change, achieving high accuracy is possible with a significant increase in the dimensions of the antenna (for example, if the maximum time of the measured delay will be several tens of periods of the average frequency of the navigation signal, then with an operating frequency of 12 kHz the antenna size of several tens of wavelengths will be several meters and this sharply limits its use, for example, on board a support vessel).
Другая возможность увеличения точности связана с уменьшением погрешности измерения временных задержек сигнала на апертуре антенны при значительном увеличения полосы сигнала, поскольку потенциальная точность измерения времени для широкополосного сигнала связана с его полосой ΔF и отношением «сигнал–шум» q посредством. (Ширман Я.Д., Манжос В.Н. Теория и техника обработки радиолокационной информации на фоне помех. М.: Радио и связь, 1981. 416 с.). При этом гидроакустические антенны, излучающие навигационные сигналы, эффективно работают только в окрестности своей резонансной частоты, и полоса рабочих частот обычно не превышает 30-40% от резонансной, например при 12 кГц полоса может составлять ΔF = 3-5 кГц. Соответственно при q = 20 дБ и ΔF = 5 кГц точность измерений временных задержек составляет σt = 20 мкс. В такой системе, например для семиэлементной антенны со средней частотой навигационного сигнала 12 кГц, оценка погрешности вычисления пеленга будет около 2°. В то же время для гармонического одночастотного сигнала при таком отношении «сигнал–шум» погрешность измерения фазы – менее 6°, что составляет основу достаточно точного пеленгования при использовании многоэлементных антенн с увеличенной апертурой.Another possibility for increasing accuracy is related to reducing the measurement error of signal time delays at the antenna aperture with a significant increase in signal bandwidth, since the potential accuracy of time measurement for a wideband signal is related to its bandwidth ΔF and signal-to-noise ratio q by . (Shirman Ya.D., Manzhos V.N. Theory and technology of processing radar information against a background of interference. M.: Radio and Communications, 1981. 416 pp.). At the same time, hydroacoustic antennas emitting navigation signals operate effectively only in the vicinity of their resonant frequency, and the operating frequency band usually does not exceed 30-40% of the resonant one, for example, at 12 kHz the band can be ΔF = 3-5 kHz. Accordingly, at q = 20 dB and ΔF = 5 kHz, the accuracy of time delay measurements is σ t = 20 μs. In such a system, for example, for a seven-element antenna with an average navigation signal frequency of 12 kHz, the estimated error in bearing calculation will be about 2°. At the same time, for a harmonic single-frequency signal with such a signal-to-noise ratio, the phase measurement error is less than 6°, which forms the basis for fairly accurate direction finding when using multi-element antennas with an increased aperture.
(Матвиенко Ю.В. ОЦЕНКА ПРАКТИЧЕСКИ ДОСТИЖИМОЙ ТОЧНОСТИ СОВРЕМЕННЫХ ГИДРОАКУСТИЧЕСКИХ НАВИГАЦИОННЫХ СИСТЕМ С УЛЬТРАКОРОТКОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ БАЗОЙ ДЛЯ ПОДВОДНЫХ РОБОТОВ // Гироскопия и навигация. Том 31. №2 (121), 2023, с.106-120, EDN MHPDQS.)(Matvienko Yu.V. ASSESSMENT OF PRACTICALLY ACHIEVABLE ACCURACY OF MODERN HYDROACOUSTIC NAVIGATION SYSTEMS WITH ULTRA-SHORT MEASURING BASE FOR UNDERWATER ROBOTS // Gyroscopy and Navigation. Vol. 31. No. 2 (121), 2023, p. 106-120, EDN MHPD QS.)
Известна также ГАНС УКБ с использованием гармонического сигнала в качестве навигационного и обработкой данных круговой антенной с небольшим числом элементов (Матвиенко Ю.В., Макаров В.Н., Кулинченко С.И., Нургалиев Р.Ф., Рылов Р.Н. Гидроакустическая навигационная система с ультракороткой базой. - Морские технологии, Владивосток, Дальнаука, 2000г, вып.3, с.102-113). Особенности измерения углового положения объекта навигации этой системы изложены в патенте ( Матвиенко Ю.В., Макаров В.Н., Кулинченко С.И., Нургалиев Р.Ф., Рылов Р.Н., Касаткин Б.А. Пеленгатор гидроакустической навигационной системы с ультракороткой базой. - Патент РФ №2179730, Бюл. Изобр.№5, 2002г.)GANS UKB is also known using a harmonic signal as a navigation signal and processing data with a circular antenna with a small number of elements (Matvienko Yu.V., Makarov V.N., Kulinchenko S.I., Nurgaliev R.F., Rylov R.N. Hydroacoustic navigation system with ultra-short base - Marine technologies, Vladivostok, Dalnauka, 2000, issue 3, pp. 102-113). Features of measuring the angular position of the navigation object of this system are set out in the patent (Matvienko Yu.V., Makarov V.N., Kulinchenko S.I., Nurgaliev R.F., Rylov R.N., Kasatkin B.A. Hydroacoustic navigation direction finder systems with an ultra-short base - RF Patent No. 2179730, Bulletin Izobr. No. 5, 2002)
В этой ГАНС УКБ для навигации используются одночастотные сигналы. Прием сигналов выполняется антенной с круговой базой, на которой эквидистантно размещены приемных элементов, расстояние между приемными элементами антенны выбирается из диапазона от 0,5 до 3 длин волн навигационной частоты, а обработка - -канальными измерителями фазы, амплитуды и отношения сигнал-шум. Фазовая неоднозначность при обработке устраняется выбором углового сектора прихода сигнала фазированием антенны на источник навигационного сигнала. Направление главного максимума при фазировании используется в качестве начальной оценки угла, причем для однозначного определения углового сектора при фазировании должны отсутствовать добавочные максимумы (равные главному), возникающие когда межэлементное расстояние превышает три длины волны навигационной частоты. Для вычисления углового положения объекта навигации используется уравнение, связывающее измеренных значений фаз навигационного сигнала на апертуре антенны с характеристикой приемной антенны, определяющей ожидаемую фазу сигнала на –й элемент круговой антенны относительно ее центра при известном угловом положении объекта. This GANS UKB uses single-frequency signals for navigation. Signals are received by an antenna with a circular base, on which there are equidistant receiving elements, the distance between the receiving elements of the antenna is selected from the range from 0.5 to 3 wavelengths of the navigation frequency, and processing - -channel meters of phase, amplitude and signal-to-noise ratio. Phase ambiguity during processing is eliminated by selecting the angular sector of signal arrival by phasing the antenna to the source of the navigation signal. The direction of the main maximum during phasing is used as an initial estimate of the angle, and in order to unambiguously determine the angular sector during phasing, there must be no additional maxima (equal to the main one) that occur when the interelement distance exceeds three wavelengths of the navigation frequency. To calculate the angular position of a navigation object, an equation is used that relates measured values of the phases of the navigation signal at the antenna aperture with the characteristic of the receiving antenna, which determines the expected phase of the signal at -th element of a circular antenna relative to its center at a known angular position of the object.
Недостатком такой системы является то, что при небольшом числе элементов антенны нельзя увеличить точность за счет увеличения расстояния межу элементами, потому что модель обработки с использованием фазирования становится неработоспособной для выбора начального углового сектора за счет появления дополнительных лепестков характеристики направленности антенны равном главному при увеличении расстояния между элементами более трех длин волн. Так для семиэлементной круговой антенны с расстоянием между элементами равным 3 длины волны навигационной частоты 12 кГц и отношении сигнал /шум 10 дБ оценка достижимой точности составляет 0,3°. При этом диаметр антенны увеличивается до 6 длин волн. (Матвиенко Ю.В. ОЦЕНКА ПРАКТИЧЕСКИ ДОСТИЖИМОЙ ТОЧНОСТИ СОВРЕМЕННЫХ ГИДРОАКУСТИЧЕСКИХ НАВИГАЦИОННЫХ СИСТЕМ С УЛЬТРАКОРОТКОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ БАЗОЙ ДЛЯ ПОДВОДНЫХ РОБОТОВ // Гироскопия и навигация. Том 31. №2 (121), 2023, с.106-120, EDN MHPDQS.)The disadvantage of such a system is that with a small number of antenna elements it is impossible to increase accuracy by increasing the distance between the elements, because the processing model using phasing becomes ineffective for selecting the initial angular sector due to the appearance of additional lobes of the antenna directivity characteristic equal to the main one when the distance between elements of more than three wavelengths. So for a seven-element circular antenna with a distance between elements equal to 3 wavelengths of a navigation frequency of 12 kHz and a signal-to-noise ratio of 10 dB, the estimate of the achievable accuracy is 0.3°. In this case, the antenna diameter increases to 6 wavelengths. (Matvienko Yu.V. ASSESSMENT OF PRACTICALLY ACHIEVABLE ACCURACY OF MODERN HYDROACOUSTIC NAVIGATION SYSTEMS WITH ULTRA-SHORT MEASURING BASE FOR UNDERWATER ROBOTS // Gyroscopy and Navigation. Vol. 31. No. 2 (121), 2023, p. 106-120, EDN MHPD QS.)
Кроме того, при использовании одночастотного сигнала увеличение энергии сигнала за счет мощности его излучения всегда ограничено технологическими проблемами, что также не позволяет увеличить точность угловых измерений за счет возможности увеличения отношения сигнал шум в точке приема. In addition, when using a single-frequency signal, an increase in signal energy due to its radiation power is always limited by technological problems, which also does not allow increasing the accuracy of angular measurements due to the possibility of increasing the signal-to-noise ratio at the receiving point.
Гидроакустическая навигационная система с ультракороткой базой, включающая описанное устройство определения углового положения, по структуре оборудования и назначению является наиболее близкой к заявленному изобретению и принята за его прототип. A hydroacoustic navigation system with an ultra-short base, including the described device for determining the angular position, in terms of the structure of the equipment and purpose is closest to the claimed invention and is accepted as its prototype.
Задачей настоящего изобретения является создание гидроакустической навигационной системы с ультракороткой базой при использовании антенны с небольшим числом элементов и увеличенным размером измерительной базы, обеспечивающей высокую точность измерений углового положения объекта навигации. The objective of the present invention is to create a hydroacoustic navigation system with an ultra-short baseline using an antenna with a small number of elements and an increased size of the measuring base, ensuring high accuracy of measurements of the angular position of the navigation object.
Поставленная задача решается следующим образом.The problem is solved as follows.
Гидроакустическая навигационная система определения местоположения подводного объекта с использованием ультракороткой измерительной базы реализуется путем определения дальности и углового положения объекта навигации из точки с известными координатами. Система включает размещенный на борту объекта навигации источник гидроакустических навигационных сигналов, а в точке с известными координатами – приемник этих навигационных сигналов, объединенных общей системой единого времени. Приемник системы для измерения углового положения объекта навигации содержит -элементную круговую антенну, -канальный блок обработки для определения фаз навигационного сигнала на апертуре антенны и измерения времени распространения, а также вычислитель определяющий дальность путем произведения времени прихода сигнала на задаваемую скорость его распространения и вычислитель углового положения объекта навигации по определяемому распределению времени прихода сигнала на элементы антенны.A hydroacoustic navigation system for determining the location of an underwater object using an ultra-short measuring base is implemented by determining the range and angular position of a navigation object from a point with known coordinates. The system includes a source of hydroacoustic navigation signals located on board the navigation object, and at a point with known coordinates, a receiver of these navigation signals, united by a common unified time system. The system receiver for measuring the angular position of a navigation object contains -element circular antenna, -channel processing unit for determining the phases of the navigation signal on the antenna aperture and measuring the propagation time, as well as a calculator that determines the range by multiplying the time of arrival of the signal by the specified speed of its propagation and a calculator for the angular position of the navigation object based on the determined distribution of the time of arrival of the signal to the antenna elements.
Система отличается тем, чтоThe system differs in that
-в качестве гидроакустического навигационного сигнала используется широкополосный многочастотный сигнал с числом частотных составляющих равным ; сосредоточенным в рабочей полосе пропускания антенны источника;- as a hydroacoustic navigation signal, a broadband multi-frequency signal with a number of frequency components equal to ; concentrated in the operating bandwidth of the source antenna;
- в каждом из каналов блока обработки выполняется расчет фазы на каждой частотной составляющей навигационного сигнала;- in each of channels of the processing unit, the phase is calculated on each frequency component of the navigation signal;
- в каждом из приемных каналов выполняется расчет временных задержек прихода навигационного сигнала относительно центра круговой антенны по формуле- in each of receiving channels, the arrival time delays are calculated navigation signal relative to the center of the circular antenna according to the formula
где - дробная (измеряемая) часть фазы той частоты в -ном канале антенны, – период -той частоты , –число неизвестных полных периодов -той частоты добавляемых ко времени, измеренному по значению дробной фазы , –максимальное число периодов -той частоты на апертуре антенны, - радиус антенны, -скорость звука;Where - fractional (measured) part of the phase that frequency in - antenna channel, – period -th frequency, – number of unknown full periods -th frequency added to the time measured by the fractional phase value, –maximum number of periods -th frequency at the antenna aperture, - antenna radius, -sound speed;
-при этом для каждой частотной составляющей сигнала в -ном канале обработки в соответствии с приведенной формулой формируется ряд из возможных значений временных задержек прихода, сравниваются ряды на всех частотах и из каждого ряда выбирается временная задержка прихода сигнала на основании условия ее равенства на всех частотах;-in this case, for each frequency component of the signal in -th processing channel, in accordance with the given formula, a series of possible values of time delays of arrival, the series are compared at all frequencies and the time delay of signal arrival is selected from each series based on the condition of its equality at all frequencies;
-угловое положение (пеленг) определяется из решения уравнения-angular position (bearing) is determined from the solution of the equation
где , , - измеренная временная задержка прихода сигнала на –ный элемент круговой антенны, относительно центра круговой антенны,Where , , - measured time delay of signal arrival at -th element of the circular antenna, relative to the center of the circular antenna,
- характеристика приемной антенны, определяющая ожидаемую временную задержку прихода сигнала на -й элемент круговой антенны относительно ее центра при пеленге на источник, равном . - characteristic of the receiving antenna, which determines the expected time delay of the signal arriving at th element of a circular antenna relative to its center with a bearing to the source equal to .
Заявленная гидроакустическая навигационная система с ультракороткой базой в сопоставлении с прототипом имеет следующие существенные отличительные признаки.The claimed hydroacoustic navigation system with an ultra-short base, in comparison with the prototype, has the following significant distinctive features.
Признак: «…в качестве гидроакустического навигационного сигнала используется широкополосный многочастотный сигнал с числом частотных составляющих равным ; сосредоточенным в рабочей полосе пропускания антенны источника» - обеспечивает увеличение энергии сигнала пропорциональное числу частотных составляющих и соответственно при обработке данных увеличение точности угловых измерений. Sign: “...as a hydroacoustic navigation signal, a broadband multi-frequency signal with a number of frequency components equal to ; concentrated in the operating bandwidth of the source antenna" - provides an increase in signal energy proportional to the number of frequency components and, accordingly, when processing data, an increase in the accuracy of angular measurements.
Признак «… в каждом из каналов блока обработки выполняется расчет фазы на каждой частотной составляющей навигационного сигнала;» -расширяет объем данных, используемых при определении угловых характеристик, и вычисляет дробную часть фазы на каждой частоте (фазу с точностью до целого числа длин волн) и фактически устанавливает точность определения временных задержек на апертуре антенны.The sign “... in each of channels of the processing unit, the phase is calculated on each frequency component of the navigation signal;" -expands the amount of data used in determining the angular characteristics and calculates the fractional part of the phase at each frequency (phase accurate to an integer number of wavelengths) and actually establishes the accuracy of determining the time delays at the antenna aperture.
Признак «…в каждом из приемных каналов выполняется расчет временных задержек прихода навигационного сигнала относительно центра круговой антенны по формулеSign “...in each of the receiving channels the calculation of time delays of arrival is carried out navigation signal relative to the center of the circular antenna according to the formula
где - дробная (измеряемая) часть фазы той частоты в -ном канале антенны, – период -той частоты , –число неизвестных полных периодов -той частоты добавляемых ко времени, измеренному по значению дробной фазы , –максимальное число периодов -той частоты на апертуре антенны, - радиус антенны, -скорость звука…» -позволяет исключить прямые измерения времени на апертуре антенн, и определять временные задержки по данным фазовых измерений.Where - fractional (measured) part of the phase that frequency in - antenna channel, – period -th frequency, – number of unknown full periods -th frequency added to the time measured by the fractional phase value, –maximum number of periods -th frequency at the antenna aperture, - antenna radius, -speed of sound..." -allows you to exclude direct measurements of time at the antenna aperture, and determine time delays from phase measurement data.
Признак «… при этом для каждой частотной составляющей сигнала в -ном канале обработки в соответствии с приведенной формулой формируется ряд из возможных значений временных задержек прихода, сравниваются ряды на всех частотах и из каждого ряда выбирается временная задержка прихода сигнала на основании условия ее равенства на всех частотах» - обеспечивает обработку многочастотной фазовой информации для определения полных фаз в элементах антенны и, после нормирования на соответствующую частоту, измерения временных задержек сигнала с минимальной погрешностью, равной погрешности измерения дробной фазы. Максимальное значение плотности распределения временных задержек по сформированным частотным рядам соответствует искомым и однозначно определяемым временным задержкам навигационного сигнала на апертуре антенны.Sign “... in this case for each frequency component of the signal in -th processing channel, in accordance with the given formula, a series of possible values of arrival time delays, the series are compared at all frequencies and the signal arrival time delay is selected from each series based on the condition of its equality at all frequencies” - provides processing of multi-frequency phase information to determine the total phases in the antenna elements and, after normalizing to the appropriate frequency, measuring signal time delays with a minimum error equal to the error of fractional phase measurement. The maximum value of the distribution density of time delays over the generated frequency series corresponds to the desired and uniquely determined time delays of the navigation signal at the antenna aperture.
Признак «…угловое положение (пеленг) определяется из решения уравненияSign “...angular position (bearing) is determined from the solution of the equation
где , Where ,
- измеренная временная задержка прихода сигнала на –ный элемент круговой антенны, относительно центра круговой антенны, - measured time delay of signal arrival at -th element of the circular antenna, relative to the center of the circular antenna,
- характеристика приемной антенны, определяющая ожидаемую временную задержку прихода сигнала на –ный элемент круговой антенны относительно ее центра при пеленге на источник равном » - служит для расчета углового положения как результата взвешенного усреднения пеленгов по временным задержкам, определенным по всем возможным парам элементов антенны с учетом с учетом геометрических весовых коэффициентов. Геометрические весовые коэффициенты отражают крутизну характеристики ожидаемых времен прихода сигнала на соответствующей пары элементов в окрестности ожидаемого значения угла, определяемые при градуировке антенны. - characteristic of the receiving antenna, which determines the expected time delay of the signal arriving at -th element of a circular antenna relative to its center with a bearing to the source equal to » - serves to calculate the angular position as a result of weighted averaging of bearings over time delays determined for all possible pairs of antenna elements, taking into account geometric weighting coefficients. Geometric weighting coefficients reflect the slope of the characteristics of the expected signal arrival times at the corresponding pair of elements in the vicinity of the expected angle value, determined during antenna calibration.
Новизна заявленной гидроакустической навигационной системы с ультракороткой базой заключается в том, что: The novelty of the declared hydroacoustic navigation system with an ultra-short base is that:
- вместо гармонических одночастотных сигналов используются широкополосные многочастотные сигналы со значительно большей энергией,- instead of harmonic single-frequency signals, broadband multi-frequency signals with significantly higher energy are used,
- вместо обычных прямых измерений времени используется процедура расчета полных фаз многочастотного сигнала с расчетом временных задержек на каждой частоте и усреднением времени по всем частотам широкополосного сигнала,- instead of the usual direct time measurements, a procedure is used to calculate the full phases of a multi-frequency signal with the calculation of time delays at each frequency and averaging time over all frequencies of the broadband signal,
- определение пеленга основано на статистической обработке разницы текущего измеряемого времени на всех элементах антенны и ожидаемых временных задержек на этих элементах, определяемых при градуировке антенны характеристики приемной антенны, определяющей ожидаемые временные задержки прихода сигнала на -й элемент круговой антенны относительно ее центра при пеленге на источник равном .- bearing determination is based on statistical processing of the difference in the current measured time on all antenna elements and the expected time delays on these elements, determined when calibrating the antenna; characteristics of the receiving antenna, which determines the expected time delays in the arrival of the signal at th element of a circular antenna relative to its center with a bearing to the source equal to .
- ГАНС УКБ имеет малогабаритную приемную антенну с небольшим числом элементов, при этом обеспечивает высокую точность измерений углового положения объекта навигации. - GANS UKB has a small-sized receiving antenna with a small number of elements, while ensuring high accuracy of measurements of the angular position of the navigation object.
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 cause-and-effect relationship with the achieved technical result. Based on the foregoing, we can conclude that the claimed technical solution is new and has an inventive step, because does not clearly follow from the prior art and is suitable for industrial use.
Сущность изобретения поясняется фиг.1, где изображена структурная схема гидроакустической навигационной системы с ультракороткой базой.The essence of the invention is illustrated in Fig. 1, which shows a block diagram of a hydroacoustic navigation system with an ultra-short base.
Система состоит из оборудования на борту объекта навигации и оборудования в точке приема.The system consists of equipment on board the navigation object and equipment at the receiving point.
На борту объекта установлены излучающая антенна 1, формирователь многочастотных навигационных сигналов 2 и система единого времени 3.A radiating antenna 1, a multi-frequency navigation signal generator 2 and a unified time system 3 are installed on board the object.
В состав приемного оборудования входят -канальная круговая приемная антенна 4, -канальный блок аналоговой обработки 5, -канальный аналого-цифровой преобразователь 6, блок памяти 7, система единого времени 8, компьютер 9, вычислитель времени прихода навигационного сигнала 10, вычислитель углового положения 11, – канальный измеритель фазы 12, блок определения временных задержек навигационного сигнала относительно центра антенны 13, блок данных о характеристиках приемной антенны 14, блок решения уравнения углового положения 15, блок расчета координат 16.The receiving equipment includes - channel circular receiving antenna 4, -channel analog processing unit 5, -channel analog-to-digital converter 6, memory unit 7, unified time system 8, computer 9, navigation signal arrival time calculator 10, angular position calculator 11, – channel phase meter 12, block for determining the time delays of the navigation signal relative to the center of the antenna 13, block of data on the characteristics of the receiving antenna 14, block for solving the angular position equation 15, block for calculating coordinates 16.
ГАНС УКБ работает следующим образом. Антенна 1 на объекте навигации излучает сформированный в 2 широкополосный навигационный сигнал длительностью с числом частотных составляющих равным , в моменты времени жестко задаваемые системой единого времени 3, которая также синхронизирована с аналогичной 8 в пункте приема. (Длительность сигнала и число частотных составляющих выбираются с учетом максимального заполнения рабочей полосы частот излучающей антенны. Так например, для средней частоты 12 кГц и полосы 5 кГц при =10 мс, число частотных составляющих может быть =25). Сигнал принимается элементами антенны 4 и, после обычных предварительной аналоговой обработки 5 и аналого-цифрового преобразования 6, поступает в блок памяти 7. Далее компьютер 9 программными средствами реализует вычисление дальности 10, углового положения 11 и координат объекта навигации 16.GANS UKB works as follows. Antenna 1 at the navigation object emits a broadband navigation signal formed into 2 with a duration with the number of frequency components equal , at times rigidly specified by the uniform time system 3, which is also synchronized with a similar one 8 at the reception point. (The duration of the signal and the number of frequency components are selected taking into account the maximum filling of the operating frequency band of the emitting antenna. For example, for an average frequency of 12 kHz and a band of 5 kHz at =10 ms, the number of frequency components can be =25). Signal is being received elements of the antenna 4 and, after the usual preliminary analog processing 5 and analog-to-digital conversion 6, enters the memory unit 7. Next, the computer 9 software implements the calculation of the range 10, angular position 11 and coordinates of the navigation object 16.
Для вычисления дальности определяется время распространения навигационного импульса по трассе «объект навигации-приемник» и используется задаваемая скорость сигнала. Ошибка измерения времени для широкополосного сигнала с полосой ΔF существенно меньше в сравнении с гармоническим сигналом (например на частоте 12 кгц при q = 20 дБ и ΔF = 5 кГц ошибка измерений времени распространения составляет σt = 20 мкс, а при использовании гармонического сигнала длительностью 10 мс и q = 20 дБ ошибка почти на два порядка больше - σt = 1 мс).To calculate the range, the propagation time of the navigation pulse along the “navigation object-receiver” path is determined and the specified signal speed is used. The time measurement error for a broadband signal with a bandwidth ΔF is significantly smaller compared to a harmonic signal (for example, at a frequency of 12 kHz at q = 20 dB and ΔF = 5 kHz, the propagation time measurement error is σ t = 20 μs, and when using a harmonic signal with a duration of 10 ms and q = 20 dB, the error is almost two orders of magnitude larger - σ t = 1 ms).
Для вычисления углового положения сначала в блоке 12 определяется дробная фаза частоты навигационного сигнала в канале антенны с использованием программно реализованных квадратурных приемников. Далее в блоке 13 выполняется определение временных задержек навигационного сигнала относительно центра антенны. Для этого в каждом канале антенны выполняется операция восстановления полной фазы частоты навигационного сигнала суммированием дробной фазы с целым числом периодов этой частоты. Число целых периодов подлежит определению. Эта операция включает формирование для каждой частоты рядов возможных значений полной фазы сигнала в канале антенны с учетом ограничений, определяемым размером антенны, нормирование полученных значений на соответствующую частоту и получение рядов возможных временных задержек по каждой частоте, сравнение этих рядов на всех частотах и выбор искомой временной задержки в каждом канале антенны из условия равенства ожидаемых временных задержек на всех частотах.To calculate the angular position, the fractional phase is first determined in block 12 navigation signal frequencies antenna channel using software-implemented quadrature receivers. Next, in block 13, the time delays of the navigation signal relative to the center of the antenna are determined. To do this, a full phase restoration operation is performed in each antenna channel frequency of the navigation signal by summing the fractional phase with an integer number of periods of this frequency. The number of whole periods is to be determined. This operation includes the formation for each frequency of series of possible values of the total phase of the signal in the antenna channel, taking into account restrictions determined by the size of the antenna, normalization of the obtained values to the corresponding frequency and obtaining series of possible time delays for each frequency, comparison of these series at all frequencies and selection of the required time delay delays in each antenna channel from the condition of equality of expected time delays at all frequencies.
В блоке 15 выполняется расчет углового положения объекта навигации на основе статистической обработки избыточных данных по минимуму дисперсии измеренных временных задержек на апертуре антенны и ранее определенных при градуировке характеристик антенны из блока 14, связывающих распределение ожидаемых временных задержек как функции углового положения объекта , которое приводится к виду:In block 15, the angular position of the navigation object is calculated based on statistical processing of redundant data on the minimum dispersion of the measured time delays at the antenna aperture and the antenna characteristics previously determined during calibration from block 14, relating the distribution of expected time delays as a function of the angular position of the object , which is reduced to the form:
Далее в блоке 16 по измеренным дальности и угловому положению определяются координаты объекта навигации в локальной системе координат с центром в точке размещения приемной антенны. Next, in block 16, based on the measured range and angular position, the coordinates of the navigation object are determined in a local coordinate system centered at the receiving antenna location point.
В заявленной системе применение широкополосного сигнала позволяет увеличить точность измерения дальности и увеличить энергию многочастотного навигационного сигнала. Точное определение временных задержек в реальных системах, использующих излучающие антенны с ограниченной полосой рабочих частот, построено на основе измерений полных фаз на каждой частотной составляющей навигационного сигнала. In the claimed system, the use of a broadband signal makes it possible to increase the accuracy of range measurement and increase the energy of the multi-frequency navigation signal. An accurate determination of time delays in real systems using radiating antennas with a limited operating frequency band is based on measurements of the total phases at each frequency component of the navigation signal.
В системе обеспечивается высокая точность углового положения применением антенны с минимальным числом приемных элементов, размещенных с большим шагом на круговой базе с использованием данных о распределении временных задержек сигнала на апертуре антенны. Так например для семиэлементной антенны с диаметром четыре длины волны средней частоты 12 кГц (около 50см) и полосы 5 кГц при =10 мс, при числе частотных составляющих =25, отношении сигнал/шум на каждой частоте 10дБ, потенциальная погрешность измерения пеленга будет составлять менее 0,05°. Описанная гидроакустическая навигационная системами с ультракороткой измерительной базой разработана в ИПМТ ДВО РАН и планируется для навигационной поддержки подводных роботов. The system ensures high accuracy of angular position by using an antenna with a minimum number of receiving elements placed with a large step on a circular base using data on the distribution of signal time delays on the antenna aperture. For example, for a seven-element antenna with a diameter of four wavelengths of an average frequency of 12 kHz (about 50 cm) and a band of 5 kHz at =10 ms, with the number of frequency components =25, the signal-to-noise ratio at each frequency is 10dB, the potential bearing measurement error will be less than 0.05°. The described hydroacoustic navigation system with an ultrashort measuring base was developed at the Institute of Applied Mathematics and Mathematics of the Far Eastern Branch of the Russian Academy of Sciences and is planned for navigation support of underwater robots.
Claims (12)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2815608C1 true RU2815608C1 (en) | 2024-03-19 |
Family
ID=
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US9013959B2 (en) * | 2010-10-13 | 2015-04-21 | University Of Delaware | Long-range acoustical positioning system on continental shelf regions |
| 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 |
| 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 |
| RU2680860C1 (en) * | 2017-12-07 | 2019-02-28 | Акционерное Общество "Концерн "Океанприбор" | Method of passive determination of coordinate of sources of sonar radiation |
| RU2709100C1 (en) * | 2018-06-19 | 2019-12-16 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Специальное конструкторское бюро средств автоматизации морских исследований Дальневосточного отделения Российской академии наук | Method of determining location of underwater object |
| RU2711432C1 (en) * | 2018-11-06 | 2020-01-17 | Акционерное Общество "Концерн "Океанприбор" | Method of passive determination of coordinates of hydroacoustic radiation sources |
| RU2773497C1 (en) * | 2021-04-01 | 2022-06-06 | Владимир Васильевич Чернявец | Method and system for navigation support of pilotage and positioning |
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US9013959B2 (en) * | 2010-10-13 | 2015-04-21 | University Of Delaware | Long-range acoustical positioning system on continental shelf regions |
| 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 |
| RU2680860C1 (en) * | 2017-12-07 | 2019-02-28 | Акционерное Общество "Концерн "Океанприбор" | Method of passive determination of coordinate of sources of sonar radiation |
| 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 |
| RU2709100C1 (en) * | 2018-06-19 | 2019-12-16 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Специальное конструкторское бюро средств автоматизации морских исследований Дальневосточного отделения Российской академии наук | Method of determining location of underwater object |
| RU2711432C1 (en) * | 2018-11-06 | 2020-01-17 | Акционерное Общество "Концерн "Океанприбор" | Method of passive determination of coordinates of hydroacoustic radiation sources |
| RU2773497C1 (en) * | 2021-04-01 | 2022-06-06 | Владимир Васильевич Чернявец | Method and system for navigation support of pilotage and positioning |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US10571544B2 (en) | Direction finding using signal power | |
| US11454702B2 (en) | Synthetic aperture radar method and synthetic aperture radar device | |
| CN106855622B (en) | A kind of angle-measuring method of phased array at subarray level radar | |
| RU2682661C1 (en) | Method of active review single-pulse radiolocation with an inverse synthesis of antenna aperture | |
| CN107919535B (en) | three-dimensional array antenna based on directional double circular arrays and construction method thereof | |
| RU2632922C2 (en) | Multiposition passive radar complex implementing combined one-step method of determining aircraft location at stage of landing | |
| RU2503969C1 (en) | Triangulation-hyperbolic method to determine coordinates of radio air objects in space | |
| Sun et al. | Array geometry calibration for underwater compact arrays | |
| RU2515179C1 (en) | Method of determining direction of hydroacoustic transponder in multibeam navigation signal propagation conditions | |
| RU2711400C1 (en) | Method of determining the emitter or direction-finding antennas above the earth's surface | |
| US5528554A (en) | Linear array lateral motion compensation method | |
| RU2305294C2 (en) | Method for direction finding with regard to correlation interaction between beams | |
| RU2674007C1 (en) | Located at big elevation angles radar targets elevation angle measuring method | |
| RU2623831C1 (en) | Method of passive determining coordinates of moving radiation source | |
| Fu et al. | A low SNR and fast passive location algorithm based on virtual time reversal | |
| RU2815608C1 (en) | Ultrashort measuring base hydroacoustic navigation system | |
| RU2711341C1 (en) | Two-dimensional direction finding method | |
| RU2284043C1 (en) | Method for calibrating computerized interferometer systems on moveable platforms | |
| Li et al. | Calibration of multibeam echo sounder transducer array based on focused beamforming | |
| RU2405166C2 (en) | Method for determining location of transmitter with portable position finder | |
| RU2752878C2 (en) | Method of direction finding for broadband signals with increased resolution | |
| RU2323449C1 (en) | Method for determination of sound source bearing | |
| RU2682239C1 (en) | Low-flying target accurate tracking method by elevation angle under interference conditions | |
| RU2686113C1 (en) | Method of amplitude two-dimensional direction-finding | |
| RU2179730C1 (en) | Direction finder of sonar navigation system with ultrashort base |