Система определения координат буксируемого комплекса

Заявляемое изобретение относится к навигации и, в частности, может быть использовано для определения координат буксируемого комплекса (БК) во время выполнения работ по поиску затонувших объектов в районах шельфа.

Определение координат поискового БК является важной задачей, решение которой позволяет выполнить пространственную привязку обнаруженных объектов.

Известна система определения координат БК, построенная на обработке данных о положении буксирующего судна (БС), длины вытравленного кабель-троса, глубины и скорости буксировки (Crawford, А. М. 2002. Methods for Determining Towfish Location for Improvement of Sidescan Sonar Image Positioning. DREA TM 2002-019. Defence R&D Canada - Atlantic). Система реализует оценку координат БК в зависимости от длины вытравленного кабель-троса, глубины и скорости буксировки, а также на допущении, что линия пути БК повторяет линию пути БС. Отклонения указанных линий в реальных условиях, а также отсутствие учета направления и скорости подводных течений ограничивают широкое применение данной системы.

Среди акустических систем определения координат БК наиболее широкое распространение получили системы с гидроакустическими маяками (ГМ) (Милн П.X. Гидроакустические системы позиционирования: Пер. с англ. - Л.: Судостроение, 1989. - С. 22-23).

Известна гидроакустическая система с длинной базой (ДБ-система). В этой системе определение координат БК основано на измерении расстояний до трех и более ГМ, придонных (Милн П.X. Гидроакустические системы позиционирования: Пер. с англ. - Л.: Судостроение, 1989. - С. 49-85) или поверхностных (H.G. Thomas. GIB buoys: An interface between space and depths of the oceans. In Proceedings of IEEE Autonomous Underwater Vehicles, Cambridge, MA, USA, pages 181-184, August 1998), с известными координатами их расположения. Использование ДБ-систем требует применения ГМ с длительным сроком автономности, значительных временных затрат на их постановку, координирование (в случае постановки на грунт) и съем, и ограничивает радиус действия БК дальностью связи с сетью ГМ.

Известны две гидроакустические системы: с короткой базой (КБ-система) и ультракороткой базой (УКБ-система) (Гидроакустические навигационные средства / Бородин В.И. и др. - Л: Судостроение, 1983. - С. 9-15). В КБ-системе координаты БК определяют путем измерения расстояний между ГМ, установленным на БК, и как минимум тремя пространственно-разнесенными приемниками, закрепленными на корпусе БС. УКБ-система является одним из вариантов концепции КБ-систем, в которой измеряют расстояние до ГМ и направление на него относительно одного многоэлементного приемника. Недостатком КБ-систем является необходимость оборудования БС спускоподъемными устройствами с приемниками на расстоянии не менее 10-50 м друг от друга (IMCA S 013 Rev. 1. Deep Water Acoustic Positioning. July 2014), что не позволяет использовать маломерные суда в качестве БС. УКБ-системы свободны от этого недостатка, однако обладают меньшей (до 2.5% от глубины погружения БК или верхнего предела измерения расстояний), чем в КБ и ДБ-системах точностью определения координат (IMCA S 017. Guidance on Vessel USBL Systems for Use in Offshore Survey and Positioning Operations. April 2011).

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому изобретению является батиметрическая система навигации, которая содержит: размещенные на БС аппаратуру спутниковой навигации (АСН) и многолучевой эхолот (МЛЭ), предназначенные для формирования карты глубин, и устройство обработки навигационной информации (УОНИ); размещенные на БК датчик гидростатического давления (ДД) и однолучевой эхолот, с помощью которых определяют профиль глубин вдоль линии пути БК, при этом выходы УОНИ подключены к входам АСН, МЛЭ, ДД и однолучевого эхолота.

В системе-прототипе глубина погружения БК рассчитывается по данным ДД, а положение БК определяется в результате сопоставления профиля глубин вдоль линии пути БК с картой глубин, формируемой по ходу движения БС (Crawford, А. М. 2002. Two Methods of Bathymetry-Sidescan Sonar Data Comparison for Improved Determination of Sonar Towfish Position. TM 2002-110. DRDC Atlantic). Сопоставление выполняется путем оценки взаимокорреляционной функции и поиском максимума этой функции.

Основной недостаток системы-прототипа заключается в неоднозначности определения координат БК на участках с ровным (не имеющим резких перепадов) профилем глубин вдоль линии пути БК.

Задача предложенного изобретения состоит в обеспечении однозначности определения координат БК при проведении поисковых работ, не зависимо от профиля глубин вдоль линии пути БК.

Технический результат заключается в определении координат БК с помощью артефактов искусственного или естественного происхождения, находящихся в полосе обзора поисковых гидроакустических станций БС и БК.

Для достижения заявленного технического результата в известную систему определения координат БК, которая содержит размещенные на БС АСН и МЛЭ, предназначенные для формирования карты глубин, и УОНИ, а также размещенный на БКДД, введены новые признаки, а именно:

- УОНИ выполнено, содержащим блок вычисления глубин (БВГ), первый и второй блок обнаружения признаков (БОП), блок сравнения признаков (БСП), при этом первый вход первого БОП соединен с первым выходом АСН, а второй - с выходом МЛЭ, вход второго БОП соединен с выходом БВГ, первый вход которого соединен со вторым выходом АСН, а второй - с выходом ДД, выход первого БОП соединен с первым входом БСП, а выход второго БОП - со вторым входом БСП;

- на БК установлен гидролокатор переднего обзора (ГПО) ближнего действия, при этом выход ГПО соединен с третьим входом БВГ;

- на БК установлен датчик курса (ДК), при этом выход ДК соединен с третьим входом БСП.

Технический результат достигается тем, что положение БК определяется относительно ориентиров (маркеров), в качестве которых могут использоваться специфические неровности поверхности дна, затонувшие объекты или объекты подводной инфраструктуры, координаты которых заранее известны или могут быть определены с помощью средств БС. При этом определение координат БК достигается за счет отождествления подводных ориентиров с совокупностью идентификационных признаков (ИДП).

Сущность изобретения поясняется на фиг. 1, 2 и 3.

На фиг. 1 показана структурная схема системы определения координат БК.

На фиг. 2 изображен принцип работы системы определения координат БК.

На фиг. 3 приведена проекция положений ориентира и БК.

Заявляемая система (фиг. 1) содержит установленные на буксирующем судне (БС) аппаратуру 1 спутниковой навигации (АСН 1), многолучевой эхолот 2 (МЛЭ 2), устройство 3 обработки информации (УОНИ 3) и, размещенные на буксируемом комплексе (БК), датчик 4 гидростатического давления (ДД 4), гидролокатор 5 переднего обзора (ГПО 5) и датчик 6 курса (ДК 6). УОНИ 3 состоит из первого блока 7 обнаружения признаков (БОП 7), блока 8 вычисления глубин (БВГ 8), второго БОП 9 и блока 10 сравнения признаков (БСП 10).

Первый вход первого БОП 7 соединен с первым выходом АСН 1, а второй вход - с выходом МЛЭ 2, вход второго БОП 9 соединен с выходом БВГ 8, первый вход которого соединен со вторым выходом АСН 1, второй - с выходом ДД 4, а третий - с выходом ГПО 5. Выход первого БОП 7 соединен с первым входом БСП 10, выход второго БОП 9 - со вторым входом БСП 10, а выход ДК 6 - с третьим входом БСП 10. С выхода БСП 10 выдаются координаты БК.

АСН 1 представляет собой судовую навигационную аппаратуру глобальных спутниковых навигационных систем, предназначенную для выработки координат БС в проекции Гаусса-Крюгера. АСН 1 состоит из аппаратной части и антенны. В качестве АСН 1 можно использовать навигационную аппаратуру потребителей «Интеграция» предприятия АО «РИРВ».

МЛЭ 2 представляет собой гидроакустическую станцию, предназначенную для определения глубин в широкой полосе обзора. МЛЭ 2 состоит из аппаратной части, приемной и излучающей гидроакустических антенн. В качестве МЛЭ 2 можно использовать многолучевой эхолот «SeaBat 7125» компании «Teledyne RESON».

УОНИ 3 представляет собой судовую электронно-вычислительную машину, предназначенную для ввода первичной навигационной информации и выполнения навигационных вычислений. В качестве УОНИ 3 можно использовать специализированный блок ЭВМ предприятия АО НПП «АМЭ».

ДД 4 представляет собой прецизионный датчик давления, выполненный на основе высокодобротного кварцевого резонатора, обладающего долговременной стабильностью калибровочных характеристик. ДД 4 предназначен для измерения гидростатического давления с компенсацией температурной погрешности. В качестве ДД 4 можно использовать датчик «MinilPS» компании «Valeport Limited».

ГПО 5 представляет собой гидроакустическую станцию секторного обзора ближнего действия, предназначенную для определения глубин относительно БК. ГПО 5 состоит из аппаратной части, приемной и излучающей гидроакустических антенн. Для определения относительных глубин ГПО 5 содержит несколько наборов (минимум два) активных элементов в приемной антенне, что позволяет оценить интерферометрическим способом угол прихода эхо-сигнала с дальнейшим вычислением глубины (George Yufit and Eric P. Maillard. 3D Forward Looking Sonar Technology for Surface Ships and AUV: Example of Design and Bathymetry Application. Underwater Technology Symposium, 2013). В качестве ГПО 5 можно использовать гидролокатор «SeaBat 7130» компании «Teledyne RESON».

ДК 6 представляет собой микроэлектромеханический датчик, состоящий из трехосевых гироскопа, акселерометра, магнитометра и цифрового сигнального процессора. ДК 6 предназначен для выработки истинного курса БК. В качестве ДК 6 можно использовать датчик «Ekinox-А» компании «SBG Systems».

Система работает следующим образом.

С помощью АСН 1 определяют координаты БС 11 (фиг. 2).

Одновременно с этим при работе МЛЭ 2 в результате пространственного перекрытия характеристики направленности (ХН) в излучении и «веера» из N приемных ХН с акустически освещенной поверхностью образуется полоса обзора 12, состоящая из N участков. Для каждого n-го участка в аппаратной части МЛЭ 2 выполняют оценку глубины моря, совокупность которых составляет поперечный профиль глубин размерностью N.

В первом БОП 7 осуществляют накопление М профилей глубин с выхода МЛЭ 2 (формирование матрицы Z размерностью M×N, содержащей значения глубин) с привязкой элементов матрицы к сетке координат в проекции Гаусса-Крюгера с выхода АСН 1, формируют порог обнаружения П_ОР, и производят сравнение значений элементов матрицы Z с порогом обнаружения П_ОР (формирование матрицы Z_ОР размерностью M×N, содержащей значения высот) согласно выражению

Алгоритм формирования порога обнаружения П_ОР заключается в обнаружении и цензурировании выбросов, обусловленных локально-протяженными и протяженными объектами и (или) неровностями морского дна, и не использовании решений об обнаружении, сформированных по этим объектам и неровностям, в процедуре формирования порога (Помехозащищенный обнаружитель сигналов обзорного гидролокатора. Войтов А.А., Казаков Б.М., Корнеев А.Ю., Корнеев Ю.А., Хаметов Р.К. Патент РФ №143489 от 27.07.2014 г.).

Далее в первом БОП 7 выполняют формирование следов ориентиров путем группирования отличных от нуля значений элементов матрицы Z_ОР по связности (без разрывов между элементами) и вычисляют идентификационные признаки (ИДП) ориентиров. Под следом ориентира понимается двумерный «выброс» над порогом обнаружения П_ОР.

В качестве ИДП ориентира используются геометрические признаки (объем и средняя высота) ориентира и его координаты.

При необходимости набор геометрических признаков может быть расширен.

Средняя высота Z_mid(i) i-го ориентира определяется как арифметическое среднее значений элементов, составляющих след i-го ориентира

где S_ОР(i) - площадь следа i-го ориентира, определяется как сумма элементов, составляющих след i-го ориентира

Объем V_ОР(i) i-го ориентира определяется как сумма значений элементов, составляющих след i-го ориентира

Для выражений (2)-(4)

Sld(m,n|i)=1 - для всех элементов следа i-го ориентира,

Sld(m,n|i)=0 - вне следа i-го ориентира.

Координаты i-го ориентира определяются поиском элемента следа i-го ориентира, значение которого максимально, с присвоением ориентиру координат найденного элемента.

При работе ГПО 5 в результате пространственного перекрытия ХН в излучении и как минимум двух (в минимальной конфигурации) «вееров» из N приемных ХН с акустически освещенной поверхностью образуется зона обзора 13 (фиг. 2), состоящая из N участков. Для каждого n-го участка в аппаратной части ГПО 5 по разности фаз эхо-сигналов, принятых одновременно несколькими наборами элементов приемной гидроакустической антенны, выполняют оценку глубин относительно БК 14, значения которых образуют матрицу Z₁ размерностью M×N. Кроме того, в ГПО 5 выполняют оценку расстояний до соответствующих участков дна в зоне обзора 13 относительно БК 14 (формирование матрицы R_ОБ размерностью M×N).

Одновременно с этим с помощью ДД 4 и ДК 6 оценивают гидростатическое давление и истинный курс БК 14.

Информацию, формируемую ДД 4, ГПО 5 и ДК 6, передают по кабель-тросу 15 в УОНИ 3 для дальнейшей обработки с целью определения координат БК.

В БВГ 8 выполняют оценку глубины погружения БК 14 по данным ДД 4 и АСН 1 в соответствии с формулой Лероя (С.С. Leroy and F. Parthiot. Depth-pressure relationships in the oceans and seas. Journal of the Acoustical Society of America, vol 103, no. 3, pp. 1346-1352, March 1998), а затем и глубин моря (формирование матрицы Z₂ размерностью M×N) согласно выражению

где D_БК - глубина погружения БК 14.

Во втором БОП 9 производят формирование порога обнаружения П_ОБ и сравнение значений элементов матрицы Z₂ с порогом обнаружения П_ОБ (формирование матрицы Z_ОБ размерностью M×N, содержащей значения высот) согласно выражению

Алгоритм формирования порога обнаружения П_ОБ аналогичен алгоритму формирования порога обнаружения П_ОР, реализуемому в первом БОП 7.

Далее во втором БОП 9 выполняют формирование следов объектов путем группирования отличных от нуля значений элементов матрицы Z_ОБ по связности, вычисление ИДП объектов и отбор объекта, площадь следа которого максимальна. Под следом объекта понимается двумерный «выброс» над порогом обнаружения П_ОБ.

В качестве ИДП объекта используются геометрические признаки (объем и средняя высота) объекта, координаты и глубина объекта, расстояние до объекта и направление (курсовой угол) на объект.

Геометрические признаки j-го объекта вычисляются по формулам, которые аналогичны формулам (2)-(4), реализуемым в первом БОП 7.

Расстоянию до j-го объекта соответствует значение элемента матрицы R_ОБ, индексы которого определяются в результате поиска элемента следа j-го объекта, значение которого максимально.

Глубина Z_ОБ(i) j-го объекта определяется согласно выражению

где Z_max(i) - максимальное значение элемента следа j-го объекта.

Курсовой угол KU_ОБ(i) j-го объекта определяется согласно выражению

где ΔKU - угловой размер шага по курсовому углу ГПО 5; N_KU(i) - номер столбца элемента следа j-го объекта, значение которого максимально; N_Σ - общее число столбцов матрицы Z_ОБ.

В БСП 10 выполняют сравнение объекта, площадь следа которого максимальна, с выхода второго БОП 9 с ориентирами с выхода первого БОП 7, осуществляют определение координат объекта и координат БК 14.

В качестве меры сходства используется метрика, имеющая следующий вид

где ИДП(k|i) - k-й геометрический признак i-го ориентира; ИДП(k) - k-й геометрический признак объекта, площадь следа которого максимальна.

По результатам сравнения объекту присваиваются координаты ориентира, для которого метрика Metr имеет минимальное значение.

Координаты БК 14 определяются согласно выражениям (фиг. 3)

где Х_ОБ, Y_ОБ - координаты объекта в проекции Гаусса-Крюгера; R_ОБ - расстояние до объекта; Z_ОБ - глубина объекта; D_БК - глубина погружения БК 14; α - дирекционный угол, определяемый согласно выражению

где П_ОБ - истинный пеленг объекта, определяемый согласно выражению

где KU_ОБ - курсовой угол объекта; K_БК - истинный курс БК 14.

Предложена система определения координат БК путем выделения подводного ориентира (артефакт искусственного или естественного происхождения) и расчета его координат. Таким образом, технический результат достигнут.