Гидроакустическая система навигации акустической системы донных маяков

Гидроакустическая система навигации акустической системы донных маяков

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

CO?03 СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (5?)5 G 01 S 5/00

ОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ЕДОМСТВО СССР

ГОСПАТЕНТ СССР) ?НАПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (1) 4736385/22 (2) 11.09.89 (6) 30.08.93. Б?ол. ¹ 32 еееекф (1) Научно-исследовательский и проектный нститут геофизических методов разведки кеана (2) С, И. Котяшкин, В. В. Охрименко, М. А. (амохвалов, В. Н. Черников и Е. И. Шевелев (6) Бородин В. И. и др. Гидроакустические авигационные средства. Л.: Судостроение, 1983, стр. 5 — 9, 121 — 122.

Шашков Н. Л. и др. Развитие зарубежых гидроакустических навигационных и иследовательских систем. М.: 1987, стр. 47. форская геология и геофизика, обзор). (4) ГИДРОАКУСТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА НАИГАЦИИ АКУСТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ

ОННЫХ МАЯКОВ (7) Изобретение относится к.области гидро кустики и может быть использовано для определения взаимного местоположения с((удна гидроакустического маяка, а также д ля определения подводного аппарата OT

??осительно судна обеспечения в гидроакус(тических навигационных системах с короткой и сверхкороткой базами. Цель изоИзобретение относится к гидроакустическим навигационным средствам, а имен(? о — к гидроакустическим навигационным с стемам с короткои (КБЛ) и (ипи) сверхкороткои (СКБЛ) базовыми пиниями и может быть использовано для определения взаимного местоположения судна и гидроакустического маяка, а также для определения встоположения подводного буксируемого или автономного аппарата относительно судна обеспечения.

„„ „„1838797 А1 бретения — повышение точности определения местоположения — достигается за счет измерения и учета пространственной ориентации системы гидроакустических антенн в процессе гидроакустической калибровки гидроакустической системы навигации. Дополнительно к установленным на судне приемным антеннам, датчику вертикальной ориентации судна, приемникам, опорному генератору, измерителям гидронавигационных параметров, вычитателям, схеме ввода данных о скорости звука, умножителям, преобразователям координат и индикатору местоположения гидроакустическая система навигации содержит переключатель режимов работы (калибровка — режим навигации) и измеритель пространственной ориентации приемных антенн. Измеритель пространственной ориентации аппаратуры реализует алгоритм вычисления углов, характеризующих пространственную ориентацию, т.е. осуществляет калибровку антенн гидроакустической системы навигации, а в режиме навигации преобразователь координат аппаратурно реализует алгоритм, вы- СО числения относительно координат судна и (,Д подводного объекта. 1 с. и 3 з.п, ф-лы, 6 ил. ()

Цель изобретения — повышение точности определения местоположения путем измерения и учета пространственной ориентации системы трех приемных гидроакустических антенн.

Указанная цель достигается тем, что в

ГСН АСМОД (Акустическая система маяков донных),. содержащую установленные на подводном обьекте гидроакустический передатчик и передающую гидроакустическую антенну, установленные на судне три при1838797

50 емные гидроакустические антенны и датчик вертикальной ориентации судна, а также размещенные на судне три приемника гидроакустических сигналов, опорный генератор, три измерителя гидронавигационных параметров, два вычитателя, схему ввода данных о скорости звука, два умножителя, преобразователь координат (ПК) и индикатор местоположения, причем выходы приемных антенн подключены к входам приемников, выходы приемников подключены к первым входам измерителей, выход опорного генератора подключен к вторым входам измерителей, выход первого измерителя подключен к первым входам вычитателей, выходы второго и третьего измерителей подключены к вторым входам вычигателей, выходы вычитателей подклю«ены к первым входам умножителей, выход схемы ввода данных о скорости звука подключен к вторым входам умножителей, два выхода датчика вертикальной ориентации судна подклю«ены к первой паре входов ПК, а два выхода ПК подключены к двум входам индикатора местоположения, введены переклю«атель и измеритель пространственной ориентации приемных антенн.

Введенные в ГСН переключатель и измеритель пространственной ориентации (ИПО) являются существенными отличительными признаками изобретения..Введение новых узлов обусловливает введение новых связей, также являющихся существенными отличительными признаками: два входа переключателя подключены к выходам первого и второго умножителей, первая пара выходов переключателя подключена к второй паре входов ПК, вторая пара выходов переключателя подключена к паре входов

ИПО, а пара выходов ИПО подключена к третьей паре входов ПК, Одним из основных существенных отличий предлагаемой ГСН является ИПО приемных антенн. Он содержит три регистра памяти, три устройства возведения в квадрат, два умножителя, два сумматора, устройство извлечения квадратного корня и два делителя. Первые входы первого и вто рого умножителей являются входами ИПО, вторые входы умножителей подключены к выходу устройства извлечения квадратного корня. выходы первого, второго и третьего регистров памяти подключены к соответствующим входам первого, второго и третьего устройств возведения в квадрат, выходы первого и второго устройств возведения в квадрат подключены к первому и второму входам первого сумматора, первый и второй входы второго сумматора подключены сооТветственно к выходу первого сумматора и

45 выходу третьего устройства возведения в квадрат, выход второго сумматора подключен к входу устройства извлечения квадратного корня, первый и второй входы первого делителя подключены соответственно к выходам первого регистра памяти и первого умножителя, первый и второй входы второго делителя подключены соответственно к входам второго регистра памяти и второго ум-. ножителя. Выходы первого и второго делителей являются соответственно первым и вторым выходами ИПО.

Введение новых блоков: переключателя и ИПО обусловливает и существенные отличия входящего в ГСН ПК. ПК заявляемой

ГСН АСМОД содержит первый, второй третий регистры памяти, первый, второй, третий и четвертый умножители, первое и второе устройства возведения в квадрат, сумматор, вычитатель, устройство извлечения квадратного корня, первый и второй делители, а также устройство коррекции крена и дифферента (УККД). Первый и второй входы УККД являются первой парой входов ПК, первые входы первого и второго умножителей являются второй парой входов ПК, входы первого и второго регистров памяти являются третьей парой входов ПК.

Вторые входы первого и второго умножителей подключены к выходам первого и второго регистров памяти, выход первого умножителя подключен к входу первого устройства возведения в квадрат и первому входу третьего умножителя, выход второго умножителя подключен к входу второго устройства возведения в квадрат и к первому входу четвертого умножителя, выход третьего регистра памяти подключен к вторым входам третьего и четвертого умножителей и к третьему входу УККД, выходы первого и второго устройств возведения в квадрат подключены к входам сумматора, выход сумматора подключен к входу вычитателя, выход.вычитателя подключен к устройству извлечения квадратного корня, выходы третьего и четвертого умножителей подкпючены соответственно к первым входам первого и второго делителей, вторые входы первого и второго делителей подключены к выходу устройства извлечения квадратного корня, выходы первого и второго делителей являются соответственно четвертым и пятым входами УККД, а два выхода УККД являются двумя выходами ПК.

УККД содержит два параллельных канала обработки, каждый из которых включает последовательно соединенные делитель, устройство вычисления обратной тригонометрической функции arctg, сумматор, устройство вычисления тригонометрической

1838797 функции tg и умножитель. Вторые входы сумматоров первого и второго каналов являются соответственно первым и вторым входами устройства коррекции, вторые входы делителей и вторые входы умножителей объединены и являются третьим входом

УККД, первые входы делителей первого и второго каналов являются соответственно четвертым и пятым входами УККД, а выходы

; умножителей первого и второго каналов являются соответственно первым и вторым выходами УККД. ! На фиг. 1 представлена структурная схема ГСН АСМОД и показано положение . системы координат Х, Y, Z, связанной с судном при выполнении калибровки антенной системы ГСН и при определении взаимного местоположения судна и гидроакустического маяка. На фиг. 2 представлена структурная схема ИПО, на фиг. 3 — структурная схема ПК, на фиг. 4 — структурная схема

УККД, На фиг, 5 представлена схема переключателя. На фиг. 6 показаны геометрические величины и координаты ГСН в системе координат Х, Y, Z, связанной с судном.

ГСН (фиг. 1) содержит установленные на подводном объекте гидроакустический передатчик 1 и передающую гидроакустическую антенну 2, установленные на судне три приемные гидроакустические антенны 3, 4 и 5, причем первая приемная антенна 3 принята за центр системы координат XYZ, и датчик 6 вертикальной ориентации судна. а также размещенные на судне три приемника гидроакустических сигналов 7, 8 и 9, опорный генератор 10, три измерителя 11, 12 и 13 гидронавигационных параметров, два вычитателя 14 и 15, схему 16 ввода данных о скорости звука. два умножителя 17 и

18, ПК 19, индикатор местоположения 20, переключатель 21, ИПО приемных антенн

22. ИПО 22 (фиг. 2) содержит три регистра памяти 23. 24 и 25, три устройства 26, 27 и

28 возведения в квадрат, два умножителя 29 и 30, два сумматора 31 и 32, устройство 33 извлечения квадратного корня и два делителя 34 и 35. ПК 19 (фиг. 3) содержит первый, второй и третий регистры памяти 36, 37 и 38, первый, второй, третий и четвертый умножители 39, 40, 41 и 42, первое и второе устройства 43 и 44 возведения в квадрат, . сумматор 45, вычитатель 46, устройство 47 извлечения квадратного корня, первый и второй делители 48 и 49, а также УККД 50.

УККД50(фиг. 4) содержитдва параллельных канала обработки, каждый из которых включает последовательно соединенные делитель 51 (56 — eo втором канале), устройство

52 (57) вычисления функции arctg, сумматор !

53 (58), устройство 54 (59) вычисления функции tg и умножитель 55 (60).

Работа ГСН включаетдва этапа и заключается в следующем.

5 На первом этапе производится калибровка антенной системы в процессе обработки гидроакустических данных при известных координатах Хм, Ум, ZM-Н донного гидроакустического маяка и координатах

10 Хс, Ус центра антенной системы, принятых за центр системы координат. В этом режиме переключатель 21 на два положения и два направления (фиг. 5) соединяет выходы умножителей 17 и 18 с входами ИПО 22. Излу15 чаемые антенной 2 гидроакустические сигналы передатчика 1 принимаются установленными на судне приемными антеннами 3, 4, и 5. Антенна.3 принимается эа центр системы координат Х, Y, Z, связанной с суд20 ном (фиг. 1, 6). Поскольку блок антенн 3, 4 и

5 при первоначальной установке весьма трудно установить в плоскости, параллельной палубе судна, направления антенных баз а(3 — 4) и b(3-5) будут составлять с осями

25 OX u OV некоторые углы О1 и О (фиг. 1, 6), характеризующие пространственную ориентацию антенной системы относительно плоскости ОХУ, параллельной плоскости палубы.

30 Для ГСН и СКБЛ сдвиг фаэ

Лр, и Лрь сигналов, поступающих от приемных антенн 3, 4 и 3, 5 с базами а и Ь на входы приемников 7, 8 и 9 связан с углами Л и р между базовыми линиями а и Ь и

35 направлением прихода гидроакустического сигнала (фиг. 6) соотношениями

Ьр„= K> cos А /С„,, (1)

h (pb — K2 c0s j4 /Сэв, (2) где К1=2 л foa, Kz=2 л fob, fo — несущая час40 тота гидроакустического сигнала распространяющегося со скоростью звука Свв.

Поскольку в ГСН с КБЛ разность интервалов времени прихода сигнала от маяка описывается выражениями, аналогичными

45 (1) и (2). дальнейшую работу ГСН будем рассматривать для фазовых измерений, С выходов приемников 7, 8 и 9 сигналы поступают на измерители 11, 12 и 13 гидронааигационных параметров, которые измеряют их

50 относительно опорного сигнала генератора 10. В ГСН с СКБЛ на выход измерителей 11, 12 и 13 формируются сигналы (pJ pог) (p4 pîã) И (г/о pîã), ГдЕ грз, р4, у - фазы гидроакустических сигналов, принимаемых соответственно антеннами 3, 4 и 5; рг — фаза сигнала опорного генератора. Сигналы (pj — рог), (p4 — ро), И (г/Ъ вЂ” аког), попарно поступают на входы вычитателей 14 и 15.

1838797

Вычитатели Bûрабатывают сигналы (pj — p4) = A и (<рз — р5) =ЛуЪ, которые поступают на первые входы умножителей 17 и 18, на вторые входы которых поступает сигнал Catt co схемы 16 ввода данных о скорости звука. С выходов умножителей

17 и 18.сигналы созЛ = С ЛуЪ/К1 и

cos и = C3tt Aj/ttt/К2поступдют на входы переключателя 21 и, далее, на входы

ИПО 22.

ИПО 22 работает как специализированный вычислитель по аппаратурной реализации алгоритма вычисления значений cos 0> и cos 92, характеризующих пространственную ориентацию антенной системы 3, 4, 5 относительно плоскости ОХУ:

cos О1 —, (3) созЛ (Х + Y2 +Й) (4 !+ 1

Техническая реализация алгоритма {3), (4)

ИПО 22 на основе типовых устройств цифроэой вычислительной техники заключается в выполнении следующих простых математических операций. В регис1рах памяти 23, 24 и 25 хранятся значения координат Хм, Ум, Н используемого для калибровки донного маяка. которые возводятся в квадрат соответственно устройствами 26, 27 и 28, Два последова-;ельных сумматора 31 и 32 форi.j yiol величину {Xt., +У +Н ), а с выхода

2 2 2 ус; ройства 33 извлечения квадратного корня величина {Хм Ум +H ) постl/пает MB

2 1/2 входы умножителей 29 и 30, На другие входы умножителей 29 и 30 поступают значения созЛ и сози, с переключателя 21, и сформированные ими сигналы

cos Л(Х1+Y„+H ) и сози (XM +Y +Н ) поступают на вторые входы делителей 34 и

35, на первые входы которых подаются соо1ветственно сигналы XM и Ум с регистров 23, 24, Таким образом, в режиме калибровки ИПО 22 вырабатывает сигналы

cos 01 и cos 02, характеризующие пространственную ориентацию антенн 3, 4 и 5 и поступающие далее, на соответствующие входы ПК 19, где хранятся в регистрах памяти 35 и 37.

Второй этап работы ГСН является основным (режим навигации) и представляет собой непосредственное определение взаимного местоположения судна и донного маяка (или судна и подводного аппарата). В этом режиме переключатель 21 соединяет входы ПК 19 с выходами умножителей 17 и

18. ПК 19 работает как специализированный вычислитель по аппаратурной реализации алгоритма вычисления координат Х0, Yo.

H созЛcos Oj

Хо

1 /1 — cos2 Л cos2 О1 — cos 2p cos 2 Щ (5) 5 Н соз,и cos Cb

Уо

1 — соз Л соз 13 — соз /г соз О2 (6) ножителях 39 и 40 с текущими измеренными значениями cos il; и cos и; (i — номер последовательных гидроакустических измерений в режиме навигации), и далее, — в умно-. жителях 41 и 42 со значениями Н, поступающими из регистра памяти 38, Сигналы cos Л1cos Ch u cos и cos. Cbс выходов устройств 43 и 44 возведения в квадрат суммируются сумматором 45.

Вычитатель 46 формирует сигнал (1 —.сЫ gl соз2 Ol — соз2р соз2 82), а устройство 47 извлечения квадратногокорня— сигнал(1 — az2gl соз 2 Oi — соз 2и cos 2 O2).

На входы делителей 48 и 49 поступает пара сигналов Н созЛ cos Oi (1 — С0$2 Й СОЗ О1 — cos2р соз2 О2) 2и

H созр; cos Cb (1 — С 0 3 Л1 с î 3 Oi — с о 3и с о 3 O2) /, и з которых формируются значения координат

Xpl u Yoi в соответствии с выражениями (5) и (6).

Значения вычисленных координат Xpi и

Yoj поступают на 4-й и 5-й входы УККД 50, в

35 котором производится коррекция крена у и дифферента ytь измеренных датчиком 6 вертикальной ориентации судна, согласно алгоритму:

X i i= Htg(B rctg Xpj/Н+ у), (7)

Y jj=Htg(Bt У, /Н+ 37i ) . ; (8)

УККД может быть реализован на основе ти40 повых устройств вычислительной техники и .в двух параллельных каналах выполняет

45 следующие операции: деление Xol/Н и

Ypj/Н в делителях 51 и 56, выполнение функций Brctg — и Brctg устройствами 52 и

Xoi . Yai

Н Н

57, суммирование сигналов в сумматорах 53 и 58, вычисление функции tg устройствами

54 и 59 и формирование исправленных координат X», Yi в умножителях 55 и 60. Значения вычисленных координат Х1» У«с выходов УККД 50, являющихся и выходами

ПК 19. поступают на индикатор 20.

Таким образом, в режиме калибровки

ИПО в соответствии с алгоритмом (3), (4) измеряет значения углов, образуемых приемными базами антенн с осями координат50

Хранящиеся в регистрах памяти 36 и 37 зна10 чения cos Ît и cos 5, перемножаются в.ум1838797

10 ной системы, связанной с судном, а в режи- выхода датчика вертикальной ориентации ме навигации ПК и УККД, выполненные в судна подключены х первой паре входов видереализующемалгоритмы(5),(6)и(7),(8), преобразователя координат, а два выхода по измерениям направлений прихода гид- - преобразователя координат — к двух входам роакустического сигнала с учетом измерен- 5 индикатора местоположения, о т л и ч а юной при калибровке ориентации антенн щ а я с я тем, что, с целью повышения точвычисляют относительные координаты суд- ности определения местоположения путем ,на. и подводного объекта. измерения и учета прострайственной ориПредложенная ГСН АСМОД с измерите- ентации системы трех приемных гидроакулем пространственной ориентации блока 10 стических антенн, в нее введены приемных антенн поэволяетисключитьсис- переключатель и измеритель пространсттематические погрешности, возникающие венной ориентации приемных антенн, припри повторных установках блока в рабочее чем два входа переключателя подключены к полажение после морских переходов или выходам первого и второго умножителей,, демонтажа антенны для необходимого ре- 15 первая паравыходовпереключателя — квто монта. Исключаются также погрешности из- рой паре входов преобразователей коордис. 33 смещения фазевых центров антенн нат, вторая пара выходов переключателей— тносительно их геометрических центров. к паре входов измерителя пространственрудоемкий (в основном, ручной) и слож- ной ориентации приемных антенн, а пара ый процесс торировки антенн системы 20 выходов измерителя пространственной

СН во время стоянки судов в сухих доках ориентации приемных антенн — к третьей заменяется в предложенной ГСН нетрудо- паре входов преобразователя координат. мкой, эффективной и точной гидроакусти- 2. Система по и. 1, о т л и ч а ю щ а я с.я еской калибровкой антенной системы, тем, что измеритель пространственной ориоэволяющей получить значения точности 25 ентации приемных антенн выполнен в виде

СН такого типа, близкие к потенциальным,. трех регистров памяти, трех устройств возФ о р м у л а и з о б р е т е н и я ведения в квадрат, двух умножителей, двух

1. Гидроакустическая система навига- сумматоров, устройства извлечения квадии акустической системы донных маяков, ратного корня и двух сумматоров, устройстодержащая установленные на подводном 30 ва извлечения квадратного корня и двух бъекте гидроакустический передатчик и делителей, причем первые входы первого и ередающую гидроакустическую антенну, второго умножителей. являются входами изустановленные на судне три приемные гид- мерителя пространственной ориентации оакустические антенны и датчик верти- приемных антенн, вторые входы умножите,кальной ориентации судна, а также 35 лей подключены к выходуустройства извлеазмещенные на судне три приемника гид- чения квадратного корня, выходы первого, оакустических сигналов, опорный генера- второго и третьего регистров памяти под1ор, три измерителя гидронавигационных ключены к соответствующим входам первоп араметров, два вычитателя, схему ввода го, второго итретьегоустройств возведения

Данных о скорости звука, два умножителя, 40 в квадрат, выходы первого и второго устпреобразователь координат и индикатор ройств возведения в квадрат подключены к местоположения, причем выходы приемных первому и второму входам первого сумматолидроакустических антенн подключены к ра, первый и второй входы второ о сумматоЦходам приемников гидроакустических сиг- . ра и третьего устройства возведения в

Налов, выходы приемников гидроакустиче- 45 квадрат, выход второго сумматора подклюбких сигналов подключены к первым входам чен к входу устройства извлечения квадратизмерителей гидронавигационных пара- ного корня, первый и второй входы первого метров, выход опорного генератора — к вто- делителя подключены соответствен«и к выг1ым входам измерителей ходам первого регистра памяти и первого. гИдронавигационных параметров, выход .50 умножителя, первый и второй входы второго первого измерителя гидронавигационных делителя подключены соответственно вы-. г араметров по сигналам первой приемной ходам второго регистра памяти и второго гидроакустической антенны, принятой за: умножителя, а выходы первого и второго центр системы координат, подключен к пер- делителей являются соответственно перв м входам вычитателей, выходы второго и 55 вым и вторым выходами измерителя прот етьего измерителей гидронавигационных странственной ориентации приемных параметров —.к вторым входам вычитателей, антенн. в ходы вычитателей -- к первым входам ум- 3. Система по и. 1, о тл и ч а ю щ а я с я нржителей, выход схемы данных о скорости тем, что преобразователь координат выползрука — к вторым входам умножителей, два нен в виде nepsoro, второго и третьего реги1838797 стров памяти, первого — четвертого умножителей, первого и второго устройств возведения в квадрат, сумматора, вычитателя, устройства извлечения квадратного корня, первого и втораго делителей, а также устройство коррекции крена и дифферента, причем первый и второй входы устройства коррекции крена и дифферента являются первой парой входов преобразователя координат, первые входы первого и второго умножителей — второй парой входов преобразователя координат, входы первого и второго регистров памяти — третьей парой входов преобразователя координат, вторые входы первого и второго умножителей подключены к выходам первого и второго регистров памяти, выход первого умножителя подключен к входу первого устройства возведения в квадрат и к первому входу третьего умнажителя, выход второго умножителя — к входу второго устройства возведения в квадрат и к первому входу четвертага умножителя, выход третьего регистра памяти подключен к вторым входам третьего и четвертага умножителя и к третьеглу входу устройства коррекции крена и дифферента, выхода первого и второго устройств возведения в квадрат подключены к входам суммэтара, выхадсумматора — к входу вь читателя, выход которого подключен к уст,.;айству извлечения квадратного корня, выходы третьего и четвертого умножителей подключены соответственна к первым входам первого и второго делителей, вторые входы первого и второго делителей — к выходу устройства извлечения квадратного корня, выходы первого и второго делителей

5 являются соответственно четвертым и пятым входами устройства коррекции крена и дифферента, а два выхода устройства коррекции крвна и дифферента являются двумя выходами преобразователя координат.

4. Система по пп. 1 и 3, о т л и ч а ющ а я с я тем, что устройство коррекции крена и дифферента выполнено в виде двух параллельных каналов обработки, каждый

15 из которых включает в себя последовательна соединенные делитель, устройство вычисления обратной тригонометрической функции arctg, сумматор, устройство вычисления тригонометрической функции тд и ум20 ножитель, причем вторые входы сумматоров первого и второго каналов является соответственна первым и вторым входами устройства коррекции, вторые входы делителей и вторые входы умножителей

25 объединены и являются третьим входом устройства коррекции, первые входы делителей первого и второго каналов являются соответственна четвертым и пятым входами устройства коррекции, а выходы умно30 жителей первого и второго каналов являются соответственно первым и вторым выходами устройства коррекции крена и дифферента.

1838797

1838797

Составитель С. Котяшкин

Техред M.Ìîðãåíòàë Корректор А. Козориз

Редактор С. Кулакова

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул. Гагарина. 101

Заказ 2924 Тираж Подписное

8НИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5