Способ измерения скорости судна доплеровским лагом

Изобретение относится к области кораблевождения, а именно к способам и устройствам измерения скорости судна доплеровским методом.

Одним из условий безопасного кораблевождения является постоянный контроль абсолютной (относительно дна) скорости судна и глубины под килем с использованием гидроакустического доплеровского лага (ДЛ) [1-6].

Глубина под килем измеряется при помощи эхолота [5, 6].

Как ДЛ, так и эхолот являются дорогостоящими устройствами, особенно при плавании в глубоководных районах, когда необходимо использовать относительно низкие частоты и, как следствие, иметь приемно-излучающую антенну больших габаритов. Поэтому было бы целесообразно использовать в качестве измерителя скорости судна и глубины под килем одно универсальное устройство - лаг-эхолот.

Совмещение функций ДЛ и эхолота в одном устройстве известно. Например, в ДЛ, описанном в изобретении [3], сначала измеряется глубина под килем, затем с использованием измеренной глубины рассчитывается допустимая длительность тонального сигнала, применяемого для измерения скорости судна. Недостатком такого технического решения является невозможность отслеживания изменения глубины под килем (т.е. рельефа дна) в процессе движения судна.

Для отслеживания рельефа дна необходимо глубину под килем измерять одновременно с измерением скорости судна. Но для этого нужно разрешить техническое противоречие между ДЛ и эхолотом. Оно состоит в том, что в ДЛ для обеспечения высокой точности измерения скорости судна используется тональный зондирующий сигнал (ЗС) большой длительности, определяемой по приближенной формуле [1]

Т_ТС - длительность тонального ЗС, с;

H_dno - глубина под килем, м;

C_zv - средняя скорость распространения ЗС, м/с.

Обнаружение эхо-сигнала (ЭС) осуществляется либо путем спектрального анализа сигнала с выхода приемной антенны на перекрывающихся интервалах времени длительности Т_ТС [1], либо путем использования банка фильтров Калмана [3]. И в том и другом случае имеется неопределенность величиной Т_ТС в определении момента времени прихода ЭС на приемную антенну. С учетом этой неопределенности среднеквадратическая ошибка (СКО) измерения глубины с учетом формулы (1) составит

т.е. 33% от измеряемой глубины. Естественно, такая ошибка для практического использования неприемлема.

Для уменьшения ошибки измерения глубины, как следует из формулы (2), необходимо уменьшить длительность тонального ЗС. Но это не приемлемо, поскольку при этом возрастет ошибка измерения скорости судна.

Другим путем уменьшения ошибки измерения глубины является одновременное обнаружение ЭС на интервалах большой длительности Т_ТС (для измерения скорости судна) и малой длительности T_KC (для измерения глубины).

В качестве прототипа выберем описанный в работе [1] и поясненный условной блок-схемой (фиг. 1) способ измерения скорости судна доплеровским лагом, включающий: излучение под наклоном ψ_изл тонального зондирующего сигнала с длительностью Т_ТС (блок 1); формирование характеристики направленности (ХН) приемной антенны для приема сигнала с направления излучения (блок 2); вычисление спектра сигнала, поступающего с выхода сформированной ХН, на следующих друг за другом с перекрытием не менее чем на 50% интервалах времени длительности Т_ТС (блок 3); выполнение процедуры обнаружения ЭС в каждом вычисленном спектре (блок 4). В случае обнаружения ЭС осуществляется определение его частоты и с ее использованием вычисление скорости судна по формуле [1]

где V - скорость судна, м/с;

ƒ_ЗС - частота тонального ЗС, Гц;

ƒ_ЭС - частота ЭС, Гц;

ψ_изл - угол между направлением излучения тонального ЗС и направлением вертикально вниз, град (как правило, ψ_изл=30°);

Процедуры, реализуемые в блоках 3 и 4 повторяются на интервале времени

где H_max - максимальная глубина под килем, м.

Решаемая техническая проблема - расширение функций ДЛ.

Технический результат - повышение точности измерения расстояния до дна.

Указанный технический результат достигается тем, что сигнал, поступающий с выхода сформированной характеристики направленности, наряду с разбиением на перекрывающиеся интервалы длительности Т_ТС, на которых вычисляется его спектр и определяется его частота, также разбивается на перекрывающиеся интервалы меньшей длительности T_KC, на которых вычисляется мощность сигнала и осуществляется обнаружение эхо-сигнала. Длительность сигнала T_KC рассчитывается с учетом формулы (2) по формуле

где σ_H - заданная СКО измерения глубины, м.

Например, при σ_H =1 м T_KC=4 мс.

В результате обнаружение ЭС осуществляется одновременно как на каждом интервале длительности Т_ТС, так и на каждом интервале длительности T_KC. Обнаружение ЭС на интервале времени длительности Т_ТС осуществляется путем поиска максимума в вычисленном спектре сигнала методом двустороннего контраста; обнаружение ЭС на интервале времени длительности T_KC осуществляется путем сравнения мощности сигнала на текущем интервале времени длительности T_KC с мощностью сигнала на предыдущем интервале времени длительности T_KC.

По ЭС, обнаруженному на интервале времени длительности Т_ТС, осуществляется определение его частоты, с использованием которой по формуле (3) вычисляется скорость судна, а по первому обнаружению ЭС на интервале времени длительности T_KC, определяется разность моментов времени ΔТ обнаружения ЭС и излучения ЗС, которая используется для определения расстояния до дна по формуле:

Перекрытие интервалов в обоих случаях должно быть не менее 50%.

Блок-схема заявляемого способа изображена на фиг. 2.

В блоке 1 осуществляется излучение тонального зондирующего сигнала с длительностью Т_ТС.

В блоке 2 выполняется формирование характеристики направленности приемной антенны для приема сигнала с направления излучения.

В блоке 3 осуществляется вычисление спектра сигнала на текущем интервале времени длительности Т_ТС.

В блоке 4 выполняется процедура обнаружения ЭС в спектре, вычисленном на текущем интервале времени длительности Т_ТС. В случае обнаружения ЭС определяется его частота и с ее использованием по формуле (3) вычисляется скорость судна.

В блоке 5, реализуемом одновременно с блоком 3, осуществляется вычисление мощности сигнала на текущем интервале времени длительности T_KC (T_KC<<Т_ТС).

В блоке 6 вычисляется разность мощностей сигнала, измеренных на текущем и предыдущем интервалах времени длительности T_KC. Если эта разность превышает заданное пороговое значение, то:

- вычисляется разность времен ΔТ между левой границей текущего интервала времени длительности T_KC и моментом начала излучения тонального ЗС;

- с использованием вычисленной разности времен ΔТ по формуле (6) вычисляется расстояние до дна;

- формируется признак, по которому дальнейшая обработка сигнала в блоках 5 и 6 не производится.

Процедуры, реализуемые в блоках 3-6, повторяются на интервале времени T_max, вычисляемом по формуле (4).

Таким образом, обеспечивается одновременное измерение скорости судна и глубины под килем и при этом повышается точность измерения глубины под килем.

Технический результат подтвержден имитационным моделированием.

Источники информации

1. Виноградов К.А., Кошкарев В.Н., Осюхин Б.А., Хребтов А.А. Абсолютные и относительные лаги // Л.: Судостроение, 1990.

2. Хребтов А.А., Виноградов К.А., Кошкарев В.Н., и др. Судовые измерители скорости // Л.: Судостроение, 1978.

3. Патент РФ №2439613. Гидроакустический доплеровский лаг с алгоритмом многоальтернативной фильтрации эхо-сигнала, основанным на использовании банка фильтров Калмана.

4. Богородский В.В. и др. Гидроакустическая техника исследования и освоения океана // Л.: Гидрометиздат, 1984, 264 с.

5. Гидроакустические навигационные средства. Под ред. В.В. Богородского // Л.: Судостроение, 1983, 262 с.

6. Виноградов К.А., Новиков И.А. Гидроакустические навигационные системы и средства // Навигация и гидрография, 1999, №7.