Гидроакустический измеритель местоположения необитаемого подводного аппарата

Изобретение относится к области средств позиционирования необитаемого подводного аппарата (НПА) по его гидроакустическому полю, в частности на мобильных полигонах для отработки НПА при отсутствии гидроакустического маяка на его борту.

Известна система GIB-FT (мобильный торпедный полигон), которая состоит из набора установленных на якоре или свободно плавающих буев, которые по сигналам гидроакустических маяков (пингеров), установленных на торпеде и на мишени, определяют расстояния до торпеды, передают их и свои координаты по данным GPS по радиоканалу на пост управления и обработки сигналов, расположенный на корабле или на берегу, где определяется положение торпеды в пространстве. Позиции торпеды и мишени отображаются в реальном масштабе времени в географических координатах на экране монитора, что позволяет измерять в том числе скорость торпеды (группа «ALCEN», Франция, http://www.alcen.com/fr/defense-securite-aeronautique/equipements-de-localisation-sous-marine-gib, ссылка проверена 01.10.2015). Недостатком этой системы является необходимость установки на борт торпеды гидроакустического маяка-ответчика, возможность использования которого ограничена конструктивом торпеды из-за наличия большого шумоизлучения движителя торпеды и гидродинамикой ее движения (т.е. наличием на поверхности торпеды участков, имеющих надежный контакт с окружающей торпеду водой).

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является гидроакустическая станция «Сигнал» (закрытые источники информации, открытая ссылка, например, в статье «Торпеда 53-58» http://uzluga.ru/potr/Kaпитaн+1+paнгa+в+oтcтaвκe+зaкoнчил+в+1957+гoду+(тpeтий+выпуск)+Высшего+Военно-Морского+училища+инженеров+оружия.+Инженер-торпедист.+Службу+начал+сс/раrt-3.html, ссылка проверена 01.10.2015), которая использовалась до 90-х годов прошлого века для измерения скорости движения торпед и их местоположения в отдельных точках трассы движения на пристрелочных станциях в г. Пржевальске (Киргизская ССР) и в г. Феодосия. Станция состоит из нескольких постов измерения, расположенных вдоль трассы движения торпеды на дне (фиг. 1). В каждом посту располагаются антенны шумопеленгаторов, формирующие диаграммы направленности в виде двух «акустических плоскостей», перпендикулярных поверхности воды и расположенных одной плоскостью (центральный луч-1) перпендикулярно к линии движения торпеды, а другой (боковой луч-2) - под углом 45° к первому лучу. Сигналы с антенн А₁-А_N станции по кабелям передаются на пост обработки, где определяется средняя скорость Vcp торпеды на участке В между точками измерения и, с учетом времени движения Δt между двумя лучами в каждой точке измерения, вычисляется расстояние от торпеды до точки измерения - боковое отклонение D (фиг. 1) по формулам (для точки измерения 1):

где t1 - время пересечения шумящим источником торпеды луча 1 в точке измерения 1;

t2 - время пересечения шумящим источником торпеды луча 2 в точке измерения 1;

t3 - время пересечения шумящим источником торпеды луча 1 в точке измерения 2.

Структурная схема устройства-прототипа представлена на фиг. 2.

Устройство состоит из N идентичных каналов (по числу постов измерения), включающих, каждый, последовательно соединенные антенну (A1…AN), предусилитель (ПУ1…ПУN), детектор огибающей (ДO1…ДON), компаратор (КП1…КПN). На выходе каждого канала при проходе торпеды формируются два видеоимпульса, соответствующие времени пересечения торпедой лучей антенны. Временные отметки (t1…tN) поступают на входы вычислителя, где определяются средние скорости торпеды Vcp1 на участках (Vcp1…VcpN) и боковое отклонение (D1…DN) по формулам 1, 2.

Недостатком прототипа являются ошибки измерения скорости и бокового отклонения торпеды при отклонении направления линии ее движения от расчетной, а также при неравномерном движении торпеды на участке между точками измерения (постами), когда средняя скорость отличается от скорости при проходе торпеды мимо между лучами поста.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение точности измерения скорости шумящего НПА и определения местоположения НПА (расстояния от точки измерения, так называемого «бокового отклонения»).

Для достижения этого результата в устройство-прототип на каждом посту измерения на расстоянии Δ перпендикулярно расчетной трассе движения НПА устанавливают вторую антенну, при этом в каждую из антенн вводится дополнительный луч (акустическая плоскость), развернутый на 45° относительно луча, перпендикулярного линии движения НПА, в сторону, противоположную имеющемуся в антенне боковому лучу, причем зоны чувствительности обеих антенн направлены в сторону расчетной трассы движения НПА, каждая антенна подключена к последовательно соединенным предусилителю, детектору огибающей сигнала, компаратору, выходы компараторов всех постов измерения подключены к вычислителю параметров траектории, на выходе которого формируются величины скорости и бокового отклонения. Приведенная совокупность признаков заявляемого устройства обеспечивает увеличение точности измерения скорости и бокового отклонения НПА за счет определения истинного направления движения НПА и определения скорости НПА непосредственно во время прохода его относительно каждого поста измерения.

Сущность работы заявляемого устройства поясняется чертежами:

фиг. 1 - схема работы станции в прототипе;

фиг. 2 - структурная схема обработки сигнала в прототипе;

фиг. 3 - расположение постов измерения с антеннами на акватории;

фиг. 4 - схема для расчета скорости и бокового отклонения;

фиг. 5 - структурная схема заявляемого устройства.

Посты измерения предлагаемого гидроакустического измерителя устанавливаются в заданных точках акватории (фиг. 3). Расстояние Δ между антеннами А1/А1.1, А2/А2.1 и т.д. всех постов (коридор измерений) выбирается таким, чтобы НПА при всех возможных эволюциях его траектории находился в указанном коридоре. Лучи каждой из антенн поста измерения представляют собой перпендикулярные поверхности воды «акустические плоскости» и направлены в сторону расчетной линии движения. Устройство фиксирует моменты пересечения лучей антенн шумящим источником НПА, например, движителем, и по измеренным временным отрезкам между лучами рассчитывает скорость движения НПА и его боковое отклонение (расстояние D1.1/D2.1, D1.2/D2.2 и т.д.).

Расчет параметров движения НПА поясняется на фиг. 4.

Из треугольника KOL:

Из треугольника AKL:

Подставим (3), (4) в (5) и вычислим с1

Из треугольника ОМН:

Из треугольника АМН:

Подставим (5), (6) в (7) и вычислим с2

Введем коэффициент k:

где t1, t2 - время движения НПА между левым и центральным и центральным и правым лучами.

Из уравнения (11) определим угол α между расчетной и реальной трассами:

Для антенны 1 боковое отклонение D1 (на ФИГ. 4 обозначено как D):

где S₁=v*t₁, v - скорость НПА.

Для антенны 1.1 (на ФИГ. 4 не показана) боковое отклонение D2:

где S₃=v*t₃, v - скорость НПА.

Сумма D1 и D2 боковых отклонений от антенн 1 и 1.1 равна расстоянию Δ между этими точками (это расстояние известно, например, если точки измерений располагаются на жестких понтонах либо стационарно закреплены на дне):

Δ=D₁+D₂, откуда, подставив (13) и (14), получим скорость НПА:

Подставив (15) в (14) определим боковое отклонение D2:

Из формулы 15 видно, что измерение скорости происходит не на участке между постами как в прототипе, а на участке между лучами постов, который априори по длине много меньше расстояния между постами, за счет чего повышается точность определения скорости и бокового отклонения (формула 16). Кроме того, при определении V и D учитывается угол отклонения траектории НПА относительно расчетной линии движения НПА (формула 12), что дополнительно повышает точность измерений.

Структурная схема заявляемого устройства представлена на фиг. 5. Устройство состоит из N идентичных постов измерения, включающих, каждый, две антенны 1 (нумерация соответствует № поста). Каждая из антенн поста измерения подключена к последовательно соединенным предусилителю 2, детектору огибающей 3, компаратору 4. На выходах поста формируются видеоимпульсы, соответствующие моментам пересечения шумящей части НПА лучей антенн (t1 - время между пересечением НПА левого и центрального лучей первой антенны, t2 - время между пересечением НПА центрального и правого лучей первой антенны, t3 - время между пересечением НПА правого и центрального лучей второй антенны). Выходы постов соединены с вычислителем параметров траектории 5, выполняющим операции по формулам (11-16). На выходе вычислителя параметров траектории формируются и отображаются на дисплее, принтере и т.д. (на фиг. 5 не показано) величины скорости НПА и бокового отклонения НПА от расчетной линии его движения во время прохождения каждого поста измерения.

Предлагаемое техническое решение гидроакустического измерителя местоположения необитаемого подводного аппарата повышает точность измерения местоположения НПА за счет пространственной локализации участка измерения скорости и определения угла отклонения линии движения НПА от расчетной линии движения.

Устройство реализовано в 2013 г. в ходе выполнения опытной конструкторской работы в СПбГМТУ, эксплуатируется более 2 лет, результаты испытаний подтвердили повышение точности измерения скорости необитаемого аппарата и его бокового отклонения.